Nano-Kleber für schnellere Chips

Die zunehmende Miniaturisierung in der Halbleiterproduktion verlangt nach besseren Verbindungsstoffen. US-Forscher setzen nun auf winzige Klebstoff-Moleküle.

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  • Prachi Patel-Predd

Wissenschaftler am Rensselaer Polytechnic Institute im amerikanischen Troy haben einen neuartigen Nano-Kleber entwickelt, der sich für die Chip-Produktion eignet. "Transistoren und Drähte in der Halbleiterproduktion werden immer kleiner", erläutert Ganapathiraman Ramanath, Professor für Material- und Ingenieurwissenschaften, der die Studie leitete. Es sei daher notwendig, sich nach ebenso kleinen Verbindungsmaterialien umzusehen.

Der Nano-Klebstoff gehört zu Klasse der so genannten Organosilane, die aus einer Kette von Kohlenstoff- und Wasserstoff-Atomen mit Schwefel-Molekülen auf der einen und Silizium-Molekülen auf der anderen Seite bestehen. Die Kette zersetzt sich normalerweise bei Temperaturen zwischen 300 bis 400 Grad Celsius. Ramanath und seinen Kollegen ist es nun gelungen, den Stoff haltbarer zu machen: Sie ordneten ihn zwischen Kupfer- und Siliziumdioxid-Atomen an. Das Ergebnis: Die Moleküle verbanden diese beiden Stoffe nicht nur, sondern sorgten auch dafür, dass die Verbindungsstärke bei höheren Temperaturen noch zunahm. Bei Raumtemperatur war sie drei Mal stärker als die direkte Verbindung zwischen Kupfer und Silizium. Bei 700 Grad ist die Verbindung sogar 10 Mal stärker.

Ein Vorteil des Klebstoffes ist die geringe Menge, die man benötigt, um die Verbindung herzustellen. Normale Klebstoffstärken lassen sich erst mit einer verhältnismäßig dicken Schicht erreichen. Bei den Organosilanen reichte genau ein Molekül mit einer Dicke von einem Nanometer. Mit einem Preis von nur 35 Cent pro Gramm ist der neue Klebstoff außerdem kostengünstig – und lässt sich zudem gut verarbeiten. Die Organosilan-Moleküle neigten dazu, sich auf der Oberfläche "wie Soldaten" auszurichten, erläutert Ramanath. "Sie stehen alle wie eine Eins nebeneinander und richten sich eng aneinander aus."

Außerdem könnte es möglich sein, den Nano-Kleber auch für die Verbindung anderer Materialien zu verwenden. Ordnet man die passenden chemischen Gruppen an beiden Enden der Molekülkette an, sind auch Leiter und Halbleiter sowie Metalle und Halbleiter miteinander verbindbar.

Die zunehmende Stärke der Verbindung bei höheren Temperaturen gilt als Anomalie. "Das widerspricht der üblichen Erfahrung", meint Om Nalamasu, Vizepräsident und Technologiechef von Applied Materials in Santa Clara, wo man Maschinen für Halbleiterhersteller baut. "Wir können uns dafür interessante Anwendungen vorstellen – neue Ideen und neue Konzepte."

Eine passende Anwendung wäre etwa das Verkleben der Kupferdrähte, die zur Verbindung verschiedener Komponenten auf Computerchips verwendet werden. Kupferdrähte werden normalerweise auf isolierenden Siliziumdioxidschichten aufgebracht, damit die Signale sich nicht ins Gehege kommen. Das Kupfer verbindet sich jedoch nicht besonders eng mit dem Siliziumdioxid und die Kupfermoleküle diffundieren in das Silizium. "Es gibt ein großes Verlangen danach, diese Schnittstellen chemisch korrekt zu isolieren", meint Ramanath, "wir wollen nicht, dass sich die Stoffe vermischen, wir wollen, dass sie aneinander kleben".

Chiphersteller nutzen derzeit mindestens 10 Nanometer dicke Materialschichten zwischen Kupfer und Siliziumdioxid – etwa Tantal oder Titanium. Je kleiner die Chips jedoch werden, desto sinnvoller wären dünnere Materialien. Da der Nano-Klebstoff 10 Mal dünner ist, wäre er ein idealer Ersatz. "Mit fortschreitender Miniaturisierung können wir es uns nicht mehr leisten, Platz für Komponenten zu verbrauchen, die nichts tun, außer den Chip zusammenzuhalten", meint Ramanath. (bsc)