Faltbare Siliziumschaltkreise

Kleinere Chipstrukturen, höhere Arbeitsleistungen – und jetzt auch noch buchstäblich flexibler: Chips fangen an, sich neuen mechanischen Anforderungen anzupassen. Die Herausforderung: die elektrischen Eigenschaften beim Biegen zu erhalten.

Die neuen Schaltkreise werden nicht aus Silizium, sondern synthetisch hergestellt. Dabei werden anorganische elektronische Materialien zusammengefügt, bestehend aus ultradünnem Kunststoff und Elastomeren mit strukturierten Arrays aus streifenförmigen Bändern von Siliziumeinkristallen.

Unter dem Mikroskop: So sehen die flexiblen Chips aus


Mechanisch kombiniert man dabei ebene Lagen mit wellenförmig strukturierten Anordnungen, die CMOS-Strukturen wie Logikgatter, Ringoszillatoren und Differentialverstärker tragen. Diese komplexen Strukturen hat man einer dreidimensionalen Analyse unterzogen, die Deformationen und deren Auswirkungen auf die Eigenschaften untersuchte. Herausgekommen sind Wege, die man gehen muss, um deformierbare, faltbare und dehnbare Bausteine zu erhalten mit hinreichend guten Daten.

Eine Forschergruppe um Professor John A. Rogers von der University of Illinois in Urbana-Champaign, der Northwestern University in Evanston (Illinois), der Sungkyunkwan University in Sunwon (Korea) sowie des Institute of High Performance Computing in Singapore haben diese neuen Wege zu solchen Dünnschichtschaltkreisen aufgezeigt. Geleitet wurden die Arbeiten von der Vorstellung, eine zu den herkömmlichen CMOS-Schaltungen kompatible Technik zu schaffen, die praktisch gleiche Leistungsfähigkeit wie Si-Schaltungen bis in den Megahertzbereich hinein hat. Damit könnten integrierte Schaltungen entstehen, praktisch identisch zu herkömmlichen Siliziumchips, aber faltbar, knickbar und streckbar. Insbesondere analoge Schaltungen sollen damit realisiert werden.

Die Fertigung der Chips

Der Aufbau solcher Chips beginnt mit einem konventionellen Si-Wafer, der aber lediglich als temporärer Träger für den Aufbau dient und später entfernt wird. Auf ihn wird eine PMMA-Schicht (Polymethylmetacrylat) von 100 nm Dicke aufgebracht. Dann folgt eine Substratschicht aus Polyimid (PI), die etwa 1,2 μm dick ist. Auf diese Schicht werden mittels Stempel aus PDMS (Polydimethylsiloxan) strukturierte Arrays von Nanostreifen aus p- und n-dotiertem Silizium aufgebracht. Die nötigen Gate-Isolierungen und die Isolierungen bei Leiterbahnkreuzungen sind dabei aus ca. 50 nm dünnem Siliziumoxid.

So entstehen schrittweise und in analogen Schritten zu herkömmlicher CMOS-Technik integrierte CMOS-Schaltungen mit Siliziumstreifen, die ähnlich den Schaltungen auf einem SOI-Wafer (Silicon-On-Insulator) sind. Dann werden die produzierten Chips mit reaktiver Ionenätzung und Lösung in Azeton von dem tragenden Untergrund abgelöst.

Das Ergebnis ist ein ultradünner, biegsamer Schaltkreis, den man nun entweder in dieser Form nutzen oder aber auf wellenförmige Elastomere übertragen kann. Diese geben dann die volle Flexibilität und Dehnbarkeit, und zwar reproduzierbar: Die elektrischen Daten ändern sich nicht, wenn nach Dehnung die ursprüngliche Form wieder hergestellt wird. Dieses Verhalten lässt sich mit Messungen untermauern. Die Chipfilme mit einer Dicke von 1,2 μm lassen sich auf 85 μm zusammenrollen – das geht kaum mit Papier.

Nutzt man wellenförmige Strukturen, dann lässt sich, wie beschrieben, die Biegsamkeit weiter erhöhen. Die Messdaten an einem Oszillator zeigten eine Resonanzfrequenz von 3 MHz bei 10 V Betriebsspannung, selbst unter deutlicher physikalischer Deformation. Ein Inverter-Baustein brachte bei 5 V Betriebsspannung eine Verstärkung von 100. Das On/Off-Verhältnis von p-MOSund n-MOS-Elementen betrug >105 – alles sehr gute Zahlen für »Plastikchips«. Als ultimativen Biegeversuch brachte man einen Biegeradius von weniger als 100 μm zustande – was man sicher als »faltbar« bezeichnen darf. Auch hier blieben die Inverter funktionsfähig und zeigten weiterhin gute elektrische Eigenschaften.