Dünne Schichten aus Siliziumnitrid: Elegant um die Ecke gebrochen

Seoul (Südkorea) – In Steinbrüchen können große Blöcke auf wenige Zentimeter genau aus dem Fels gebrochen werden. Dieses grobe Verfahren übertrugen Wissenschaftler nun auf die Nanowelt und initiierten kontrollierte Brüche in filigranen Schichten aus Siliziumnitrid. Selbst um die Ecke und in Stufen lassen sich diese Risse steuern, wie sie in der Zeitschrift „Nature“ berichten. Da solche Risse binnen weniger Minuten erzeugt werden, könnte diese Bruchtechnologie zu einem schnellen und kostengünstigen Verfahren für die Produktion von Computerchips, Lab-on-Chip-Systemen und optischen Elementen führen.

Gelbe Fläche, in der dicke, schwarze Kerben zwei Quadrate bilden, die ineinander liegen. Außerdem sind einige schwarze Punkte über der Fläche verteilt. Zwischen den Punkten sowie zwischen Punkten und Kerben haben sich Brüche gebildet, die als feine Linien zu sehen sind.
Brüche in der Nanostruktur

„Brüche sind bisher für Materialfehler verantwortlich und werden oft als Störung bei Produktionsprozessen angesehen“, schreiben Koo Hyun Nam und ihre Kollegen von der Ewha Womans University in Seoul, Südkorea. Doch mit der richtigen Wahl der Unterlage lässt sich die bisher unkontrollierte und unerwünschte Ausbreitung von Rissen exakt kontrollieren. Dieses Ziel erreichten die Forscher mit hauchdünnen, kristallinen Schichten aus dem empfindlichen Material Siliziumnitrid. Diesen Werkstoff deponierten sie aus der Dampfphase auf eine Siliziumfläche. Dort hatten sie zuvor winzige Auskerbungen ausgeätzt, an denen das aufgedampfte Material größeren Spannungen ausgesetzt war.

Über die Anordnung der Kerben ließ sich nun die Ausbreitung von Rissen in der darüber liegenden kristallinen Schicht exakt steuern. So entstanden filigrane Kanäle mit Breiten von nur zehn Millionstel Millimetern. Ergänzt mit einer weiteren Zwischenschicht aus Siliziumdioxid gelang die Bruchkontrolle so gut, dass sogar Risse in Wellenlinien, um Ecken und in Stufen möglich wurden. So ließ sich auch die bislang unkontrollierte Ausbreitung der Brüche an zuvor festgelegten Punkten stoppen.

Werden in der Chipindustrie bisher aufwendige lithografische Verfahren für die Bildung von Nanostrukturen genutzt, könnten diese mit einer ausgefeilten Bruchtechnologie schneller, günstiger und auch auf größeren Flächen hergestellt werden. Allerdings funktioniert die Methode bisher nur für Siliziumnitrid und müsste vor einer industriellen Anwendung noch auf weitere Materialien ausgeweitet werden.