Dreidimensionale Bauelemente Magnetisches Origami für die Mikroelektronik

Reinraum für die Herstellung dünner Schichten für die Mikroelektronik.
Reinraum für die Herstellung dünner Schichten für die Mikroelektronik.

Forscher aus Dresden und Chemnitz arbeiten an einer neuen Methode zur Herstellung hochpotenter dreidimensionaler Mikroelektronik.

Die Entwicklung dreidimensionaler Mikroelektronik mit exzellenter Leistungsfähigkeit stellt Wissenschaftler sowie Ingenieure gleichermaßen vor enorme Herausforderungen. Nach neuen Verfahren wird händeringend gesucht. Ein solches Verfahren ist zum Beispiel das selbstorganisierte Falten von mikroelektronischen Nanomembranen, das aber starken statistischen Schwankungen unterliegt. Darunter leidet die Ausbeute und Zuverlässigkeit sogenannter mikroskopischer Origami-Strukturen, die den hohen Ansprüchen der Mikroelektronik nicht genügen. Daher ist es nicht verwunderlich, dass sich noch kein industriell einsetzbares Verfahren etabliert hat, das eine zuverlässige und kostengünstige Produktion von selbstorganisierten dreidimensionalen Bauelementen ermöglicht.

Nanomembranen falten

In der Fachzeitschrift „Nature Communications“ stellen nun Wissenschaftler um Prof. Dr. Oliver G. Schmidt eine neue Möglichkeit vor, Nanomembranen zu dreidimensionalen mikroelektronischen Bauelementen zu falten. Schmidt hat als Professor für Materialsysteme an der TU Chemnitz das dortige Zentrum für Materialien, Architekturen und Integration von Nanomembranen (MAIN) initiiert. »Mit dieser Methode haben wir ein großes Problem der 3D-Herstellung von Architekturen aus mikroelektronischen Nanomembranen gelöst. Die Herstellung kann durch die magnetische Origami-Methode nun zuverlässig durchgeführt werden und hochleistungsfähige mikroelektronische Bauelemente erzeugen. Eine besondere Herausforderung bleibt die Hochskalierung der Technologie für eine Massenfertigung«, ordnet Prof. Schmidt die Ergebnisse ein.

3D-Energiespeicherelemente In dem Verfahren nutzen die Forscher die denkbar einfachste Möglichkeit des Faltens, nämlich das bekannte und seit vielen Jahren etablierte Aufwickeln der Nanomembranen. Zentraler neuer Bestandteil ist die Entwicklung einer Art magnetischer Fernsteuerung, mit der sich der Falt- oder Aufwickelprozess durch ein von außen angelegtes Magnetfeld programmieren und gezielt steuern lässt. Zum ersten Mal ist es gelungen, die dreidimensionale Anordnung von Nanomembranen reproduzierbar und kontrolliert über große Längenskalen im Bereich von Zentimetern zu realisieren und dabei eine Ausbeute von mehr als 90 Prozent zu erreichen.

Mit dieser neuen Methode von magnetischen Origami-Strukturen haben die Forscher dreidimensionale Mikro-Energiespeicherelemente hergestellt, die exzellente Kenndaten aufweisen und extrem leicht und kompakt sind. Die Ergebnisse zeigen das Potenzial der magnetfeldunterstützten Faltung von Nanomembranen. Vorteile des magnetischen Mikro-Origami kommen besonders zum Tragen, wenn gut ausgerichtete dreidimensionale Strukturen mit vielen Wicklungen von Nanomembranen erforderlich sind. Bei neuartigen Mikrobatterien oder passiven elektronischen Bauelementen wie Kondensatoren, Induktivitäten und Transformatoren ist das beispeilsweise der Fall.

Falten mikroelektronischer Schichtsysteme

Die etablierte Mikroelektronik beruht auf Komponenten, die in zwei Dimensionen definiert und Schicht für Schicht aufgebaut werden. Für viele mikroelektronische Bauelemente wie Mikrobatterien, Spulen und Transformatoren stellt dieses Verfahren aber keine optimale Lösung dar. Vor allem deshalb, weil die Herstellung der Bauteile zu aufwendig ist oder die Leistungsspezifikationen nicht erreicht werden können. So wird nach komplett neuen Ansätzen gesucht, die dritte Dimension zu erobern.

Ein solcher Ansatz stellt das selbstorganisierte Falten von mikroelektronischen Schichtsystemen dar. Die Schichtsysteme werden zunächst in zwei Dimensionen definiert und transformieren sich anschließend von selbst zu dreidimensionalen Origami-Architekturen. Diese sogenannte Selbstorganisation wird zum Beispiel durch den gezielten Abbau von Verspannung in den Schichtsystemen ausgelöst. Wenn man die Strukturen dann aus der Verankerung löst, schnappen sie schließlich wie eine aufgespannte Feder automatisch zusammen.    sd