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Aufbau- und Verbindungstechnik Metallische Nanorasen-Strukturen für das Mikroelektronik-Packaging

| Redakteur: Claudia Malllok

Für die künftige Aufbau- und Verbindungstechnik der Mikroelektronik sind neue Applikationen von mit strukturierten Unterlagen generierten Oberflächen erforderlich. Mit dieser Zielsetzung

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Bild: Freescale
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( Archiv: Vogel Business Media )

Für die künftige Aufbau- und Verbindungstechnik der Mikroelektronik sind neue Applikationen von mit strukturierten Unterlagen generierten Oberflächen erforderlich. Mit dieser Zielsetzung haben die Experten des Fraunhofer IZM in Berlin Submikron-Drähte vorzugsweise galvanisch aus Gold, mit einem Durchmesser von 600 bis 50 nm zu einer komplexen Rasenstruktur für die Niedrigtemperatur-Verbindungstechnik aufgebaut. Die experimentellen Ergebnisse stellen die Experten vor.

Der kontinuierliche Trend zur Miniaturisierung und erhöhter Funktionalisierung der Mikroelektronik erfordert gleichermaßen die Entwicklung und den Gebrauch neuer Funktionswerkstoffe sowie ein verändertes Packaging. Nanodrähte und Stäbe werden hier in Zukunft eine Rolle spielen [1]. Das Potenzial ihrer Anwendung für das Mikroelektronik-Packaging ist bereits aufgezeigt in folgenden Demonstratoren – Nanodraht-Arrays und Stacks für den Aufbau logischer Speicherschaltkreise und Bauelemente [2-4], Anwendungen in der Molekularelektronik [5], bei elektronischen wie magnetischen Sensoren [6] und in der optischen Informationsübertragung [7].

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Trotz der Relevanz von Carbon-Nanoröhren für einige zuvor aufgeführte Anwendungen werden metallische Submikron- und Nanodrähte ihre flächenhafte Ausprägung als Ganzes zunehmend zum Forschungsgegenstand für elektrische Verbindungen.

Fertigungsmöglichkeiten für Nanorasen-Muster

Die Basis zur Herstellung vorgenannter Rasenstrukturen bilden nanoporöse Unterlagen [8]. Die dafür am häufigsten bisher angewendeten Unterlagen sind anodisch gefertigte Aluminiumoxide (AAO) [9] und mit Ionenspuren versehene Polymerunterlagen [10]. Bei letzterem steht Polycarbonat an erster Stelle. Die Porenabmessungen liegen dabei zwischen 0,002 und 1 bzw. 0,010 und 20 µm und sind für Standardätzprozesse geeignet.

Die Dichte der statistisch verteilten Poren ist abhängig vom Porendurchmesser und liegt nach TEM-Untersuchungen zwischen ~ 109 cm-2 bei den Polymeren, während sie in AAO bis zu 1011 cm-2 betragen kann. Die verschiedenen experimentellen Techniken wurden vielfältig untersucht [11–14].

Nach dem Abätzen der Porenunterlage, deren Poren zuvor galvanisch oder stromlos metallisch gefüllt wurden, erhält man freistehende Drähte und Bürsten auf einer dünnen Metallfolie. Wir bezeichnen diese Strukturen als Nanorasen. Das technologische Flussschema ist im Bild 1 dargestellt.

Attraktive Eigenschaften für die Verbindungsbildung

Abhängig von den Metallisierungsbedingungen können einkristalline und amorphe multikristalline Drähte gefertigt werden (man vergleiche die Spitzenmorphologie im Bild 2).

Nach Erwärmung der einkristallinen Gold-Nanodrähte über 15 Minuten waren sehr ausgeprägte Formveränderungen an den Drähten unterhalb der Schmelztemperatur zu beobachten (Bild 3).

Wir schlussfolgern daraus, dass der beobachtete Rekristallisationseffekt vorteilhafter weise für die Verbindungsbildung von Gold-Nanodrähten genutzt werden kann. Zur Beweisführung präparierten wir einen derartigen nanoskaligen Kontakt zwischen zwei Fügepartnern in Analogie zu dem Velcro-Versuch. Im Ergebnis zeigte sich, dass bei Erwärmung dieser Kontaktstruktur unterhalb der Schmelztemperatur des Goldes ein stabiler stoffschlüssiger Verbund realisiert werden konnte.

In der Kombination von legierungsbildenden Partnern lässt sich somit eine sehr fein abgestimmte Verbindung realisieren (Bild 4). Damit ist ein Weg für die Niedrigtemperatur-Verbindungstechnik differenter Packaging-Aufgaben aufgezeigt.

Zur Bestätigung dieses neuen Weges in der Aufbau- und Verbindungstechnik elektronischer Funktionsstrukturen werden gegenwärtig weitere Untersuchungen durchgeführt.

Literatur:

[1] Lieber, C.M. Solid State Commun., 107 (1998) 607–616.

[2] Kovtyukhova, NI; Mallouk TE; Chem Eur J, 8 (2002) 4355–4363.

[3] Zhong, Z; Wang, D; Cui, Y; Bockrath, MW, Lieber, CM Science, 302 (2003) 1377-1379.

[4] Valizadeh, S; Hultman, L; George, J-M; Leisner, P; Adv Funct Mater, 12 (2002) 766-772.

[5] Reynes,O; Demoustier-Champagne, S; J Electrochem Soc, 152 (2005) D130-D135.

[6] Lindeberg, M; Hjort, K; Sensors Actuators A, 105 (2003) 150-161.

[7] Mühlschlegel, P; Eisler, H-J; Martin, OJF; Hecht, B; Pohl, DW; Science, 308 (2005) 1607-1609.

[8] Martin, CR; Science, 266 (1994) 1961–1966

[9] Despic, A; Parkhutik, VP; In: Modern Aspects of Electrochemistry, Bockris; Conway, B. E.; White, R. E. -Eds. Plenum Publ., vol. 20 (1989) 401-503.

[10] Apel, P; Spohr, R; “Introduction to ion track etching in polymers,” http://www.iontracktechnology.de.

[11] Spohr, R., Ion Tracks and Microtechnology, Principles and Applications, Vieweg (Braunschweig, 1990)

[12] Hulteen, JC; Martin, CR; J Mater Chem, 7 (1997) 1075-1087.

[13] Chakarvarti, SK; In: Proc. SPIE 2006 Vol. 6172, 119-127 (Smart Structures and Materials 2006: Smart Electronics MEMS, BioMEMS, and Nanotechnology; Varadan, V.K. - Ed.).

[14] Xia, Y; Yang, P; Sun, Y; Wu, Y; Mayers, B; Gates, B; Yin, Y; Kim, F; Yan, H; Adv Mater, 15 (2003) 353-389.

Kontakt:

Stefan Fiedler, E-Mail stefan.fiedler@izm.fraunhofer.de, Tel. +49(0)30 46403217

Stefan Fiedler, Michael Zwanzig, Ralf Schmidt, Wolfgang Scheel und Herbert Reichl,Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration, Berlin

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