Nanotechnologie und Nanoprozesse

Die heutige Entwicklung elektronischer Bauelemente stellt ein Rennen um immer schmalere Strukturdimensionen dar. Im Bewusstsein vieler Menschen befinden wir uns mitten im Zeitalter der Mikrotechnologie, ein Ausdruck, der von den Dimensionen (1 μm) der aktiven Bereiche eines Bauelementes abgeleitet ist, z. B. der Kanallänge eines Feldeffekttransistors oder der Dicke des Gate-Dielektrikums. Jedoch gibt es mehr und mehr Anzeichen dafür, dass diese Ära langsam durch eine andere ersetzt wird, durch die der Nanotechnologie. Der Ausdruck „Nanotechnologie“ ist wieder von den typischen geometrischen Dimensionen eines elektronischen Bauelementes abgeleitet, nämlich vom Nanometer, der ein Milliardstel (10^-9) eines Meters darstellt. 30.000 nm sind ungefähr gleich der Dicke eines menschlichen Haares. Es ist durchaus wert, diese Zahl mit den Ausmaßen der frühen elektrischen Maschinen zu vergleichen, sagen wir mit einem Motor oder einem Telefon mit den typischen Maßen von 10 cm. Ein Beispiel dieser Entwicklung ist in Abb. 1.1 zu sehen.

Die klassische Materialwissenschaft ist die Physik, die sich mit zwei Extremen beschäftigt: Auf der einen Seite gibt es die Atom- oder Molekülphysik. Das System besteht aus einem oder mehreren Atomen. Aufgrund dieser begrenzten Zahl erscheinen scharf definierte diskrete Energieniveaus. Auf der anderen Seite steht die Physik des Festkörpers. Die Annahme eines unendlich ausgedehnten Körpers mit hoher Translationssymmetrie macht ihn ebenfalls einer mathematischen Behandlung zugänglich. Die Herstellung von Clustern (Moleküle mit 10 bis 10.000 Atomen) eröffnet ein neues Feld der Physik, nämlich die Beobachtung der Übergänge zwischen den beiden Extremzuständen. Natürlich müssen den experimentellen Untersuchungen quantenmechanische Beschreibungen folgen, die ihrerseits wieder neue Werkzeuge bedingen.

Die wahrscheinlich am besten bekannte Sorte von Nanostrukturen sind die Nanodefekte. Sie sind seit langem bekannt und Gegenstand zahlreicher Untersuchungen. Einige von ihnen sind in Abb. 3.1 zu sehen.

Auf den ersten Blick ist eine Nanopartikel definiert als eine Kugel oder kugelähnliches Molekül, das aus wenigen 10 bis einigen 10.000 Atomen besteht, die miteinander durch zwischenatomare Kräfte verbunden sind, sonst aber mit wenig oder keiner Beziehung zu einem Festkörper. Dieses intuitive Konzept ist jedoch in vielen Fällen nicht erfüllt. Ein erstes Beispiel sind nanokristalline Si-Partikel, die in eine amorphe Matrix eingebettet sind. Andere Beispiele sind Nanopartikel, die zu Volumkeramik oder Deckschichten verdichtet sind. Beachten Sie bitte, dass sich abgeschiedene Nanopartikelschichten von einheitlichen Schichten speziell durch die Anwesenheit von Korngrenzen unterscheiden, was zu unterschiedlichem elektrischen und optischen Verhalten führt.

Wir folgen in diesem Abschnitt hauptsächlich der Arbeit von Grabosch [121], in der wesentliche Punkte der Materialdarstellung und seiner Analyse durchgeführt wurden.

Schleifen, Dünnen, Anschrägen und Polieren sind die ersten mechanischen Möglichkeiten der Formgebung und Strukturierung eines Werkstoffes. Auf den ersten Blick erscheinen sie einfach. Es gibt jedoch einige Werkstoffe, die interessante Anwendungen bieten würden, wenn man sie mechanisch bearbeiten könnte, sich aber als recht schwierig erweisen. Das Beispiel, das hier behandelt wird, ist Diamant. Das besondere Interesse gilt bei diesem in der Feinpolitur (optische Anwendungen) und der Herstellung von Schneiden (chirurgische Werkzeuge).

Die seit Jahren fortschreitende, scheinbar unaufhaltbare Verkleinerung der MOS-Transistoren hat — zumindest teilweise — die Fortschritte in der Nanotechnologie erst ermöglicht. Bereits heute werden MOS-Transistoren mit Kanallängen um 100 nm in der Produktion von Speicherbausteinen und Mikroprozessoren eingesetzt. Die weitere Entwicklung deutet darauf hin, dass die MOS-Technologie für Silizium-Transistoren mit Kanallängen bis hinunter zu 25 nm genutzt werden wird. Entsprechend der ITRS soll die Reduktion der Strukturgrößen wie in Tabelle 8.1 dargestellt verlaufen.

Eine strenge Definition des Begriffs „nanoelektronisches Bauelement“ existiert bis heute nicht. Im Allgemeinen versteht man darunter jedoch elektronische Bauelemente, bei denen zumindest in einer örtlichen Dimension die Abmessungen einer “entscheidenden” Komponente im Nanometerbereich liegt. Die Relativität dieser Definition kann man zum Beispiel anhand der Weiterentwicklung der Silizium-MOS-Technologie erläutern. Seit den frühen Anfängen dieser Technologie hat die Schichtdicke des Gate-Isolators Abmessungen im Nanometerbereich (1980 ca. 100 nm, heutzutage unter 10 nm [1]). Vom MOS-Transistor als nanoelektronisches Bauelement spricht man aber erst, seitdem die Kanallänge Abmessungen unter 100 nm besitzt. Im Falle des Quantenpunktlasers überschreiten die Bauelementdimensionen in allen drei Raumrichtungen die Nanometerskala. Allerdings haben in diesem Fall die in die aktive Schicht eingebetteten Quantenpunkte, in welchen der für das Funktionieren des Lasers entscheidende Prozess der strahlenden Rekombination stattfindet, Nanometerdimensionen.