Hohe Kraft im Nanokosmos

Hydraulikzylinder – Wissenschaftler aus München zeigen, dass ein hydraulischer Antrieb auch im Bereich der Nanotechnologie die optimale Lösung sein kann. Vorteile bringen dabei vor allem die feine Regelbarkeit sowie die sichere Bewegungsführung der Kolbenstange.

22. Februar 2008

Ein Standardverfahren zur Herstellung von Mikroprozessoren und Speicherchips für Computer ist die optische Lithografie, mit der sich heute schnell und sehr präzise Leiterbahnen herstellen lassen, die lediglich 40 Nanometer breit sind. Mit der weiteren Miniaturisierung wächst jedoch ein Problem, erklärt Stefan Harrer, wissenschaftlicher Mitarbeiter und Doktorand am Institut für Nanoelektronik der Technischen Universität München: »Niemand kennt genau das Verhalten extrem dünner Elektrodenverbindungen, weder über die dann auftretenden Leitfähigkeitsphänomene noch über mögliche quantenphysikalische Tunneleffekte.«

Um das herausfinden zu können, müssen die Wissenschaftler in München also zunächst Drähte mit Durchmessern von ein bis zehn Nanometer herstellen. Zum Einsatz kommt dazu das Verfahren der Nano-Imprintlithographie, bei dem ein Stempel mit etwa 10 Nanometer breiten Erhöhungen in ein Substrat gedrückt wird.

Die Stempel stellen die Wissenschaftler mittels Molekularstrahl-Epitaxie und anschließendem selektiven Ätzen der gewachsenen Kristallstrukturen her. Mit diesem Verfahren sind die Wissenschaftler in der Lage, kristalline Strukturen in der Dicke von Atomen auf einem Substrat wachsen zu lassen. Anschließend wird der Stempel auf einem speziellen Adapter befestigt, der ebenso wie der Rahmen des Imprint-Geräts nach Plänen von Harrer und Sebastian Strobel, Doktorand am Walter-Schottky-Institut der TU München in Garching, gefertigt wurde.

Als Harrer und Strobel nach einem Linearantrieb für einen geeigneten Versuchsaufbau suchten, dachten sie zuerst an eine elektromechanische Lösung inklusive Piezo-Aktor. Erste Versuche in dieser Richtung verliefen jedoch enttäuschend, berichtet Harrer: »Beim langsamen Anfahren des Stempels an das Substrat hat die Kinematik Probleme bereitet, weil sie besonders in langsamen Bewegungen nicht steif genug war und sich nicht optimal regeln ließ.«

Die Idee, für die Bewegung des Stempels, der 10 Nanometer breite Einkerbungen präzise herstellen soll, einen Hydraulikzylinder einzusetzen, erschien zunächst abwegig. Nach einem Gespräch mit den Zylinder-Spezialisten von AHP Merkle aus March-Hugstetten bei Freiburg zeigte sich indes, dass ein Blockzylinder mit verdrehgesicherter Kolbenstange zumindest einen Versuch wert war. Und der Versuch zahlte sich aus, denn ein Zylinder aus dem Standardprogramm des Herstellers konnte die diffizile Aufgabe tatsächlich meistern.

»Für uns war das eine Premiere mit echtem Aha-Effekt«, berichtet Harrer und bestätigt zugleich die hohe Flexibilität des Unternehmens aus Südbaden: »Wir waren wirklich überrascht, dass der Hydraulikhersteller gewissermaßen über Nacht geliefert hat und selbst die von uns gewünschte zusätzliche Sonderausstattung in wenigen Tagen fertig war.«

Entscheidend bei der Nano-Imprintlithographie ist, dass der Stempel weder wackelt noch sich verdrehen kann, wenn er das Substrat berührt. Hier bewährte sich eine Besonderheit der Hydraulikzylinder aus Baden: Die standardmäßig integrierte Verdrehsicherung der hydraulischen Blockzylinder, die zur Führung der Kolbenstange dient. Beim Aufbau ihrer Versuchsanlage konnten die Wissenschaftler deshalb auf zusätzliche Führungen verzichten, erklärt Harrer und stellt fest: »Das hat unsere Testanlage natürlich stark vereinfacht.«

Wie reibungslos der Zylinder läuft, bestätigt auch Dr.-Ing. Giuseppe Scarpa, der zusammen mit dem Lehrstuhlinhaber Prof. Dr. Paolo Lugli Harrers Doktorarbeit betreut: »Der Zylinder ist so präzise gefertigt, dass auch das bei langsamer Fahrt bekannte Stick-slip-Verhalten von Hydraulikzylindern hier nicht auftritt.«

Maßgeblich für diese extrem geringe Haftreibung zwischen Kolbenstange und Kolbenwand ist neben der richtigen Auswahl der Dichtungssätze die standardmäßig gehärtete Kolbenstange mit einer geschliffenen und polierten Oberfläche. Üblicherweise sind Kolbenstangen dagegen lediglich hartverchromt und geschliffen.

Im Einsatz in der Imprintlithographieanlage übt der Stempel einen Druck von rund 300 Megapascal auf das Substrat aus, um dort die notwendigen Vertiefungen zu hinterlassen. Dieser enorme Druck von umgerechnet 3.000 bar resultiert allerdings nicht aus der großen Kraftentwicklung des Hydraulikzylinders, sondern entsteht lediglich auf der extrem kleinen Auflagefläche der Bahnen im Nanometerbereich. Den nötigen Öldruck von maximal 16 bar erzeugt ein hydraulisches Kompaktaggregat mit einem Durchflussregler zur Einstellung des Volumenstrom über eine Stellschraube. Für Bewegungen im Nanometerbereich ist diese Konstruktion jedoch nicht genau genug. Die Münchener Wissenschaftler integrierten deshalb in die Leitungsführung ein zusätzliches Präzisions-Druckregelventil, das über einen verstellbaren Ventilsitz einen langsamen Druckaufbau und damit auch Bewegungen im Mikrometerbereich ermöglicht. Ein Hochpräzisionsmanometer ermöglicht es dann, jede mikroskopische Bewegung des Stempels und die exakte Kraftentwicklung in Echtzeit mit bloßem Auge zu verfolgen.

Vorteilhafte Regelung

Ein großer Vorteil dieses Aufbaus ist auch, dass die Anlage bei Raumtemperatur arbeiten kann und keine zusätzliche UV-Aushärtung benötigt, sagt Dr. Scarpa und erklärt: »Wenn wir die große benötigte Kraft nicht so präzise dosieren könnten, wie es der Hydraulikzylinder schafft, müssten schwächere Aktoren zum Einsatz kommen, und diese könnten die notwendige Eindrücktiefe in das zähe Substrat nur bei höheren Temperaturen erreichen.« Das Substrat müsste deshalb während des Druckens erhitzt werden, was den Druckprozess verkompliziert, verlangsamt und zudem keine Mehrschritt-Imprintprozesse zulässt.

Den besonderen Nutzen des Präzisionsmanometers bestätigt auch Stefan Harrer: »Über die Erfassung von Druck und Kraft erhalten wir sogar Daten über die optimale Beschaffenheit des verwendeten Polymers in den Substraten.« Auf diese Weise fanden die Wissenschaftler, dass eine auf die Silizium- Wafer aufgebrachte Polymerschicht aus Polystyrol die besten Ergebnisse liefert.

Letztendlich hat sich die Hydraulik in einem Bereich als optimal erwiesen, der wohl eher untypisch dafür ist. Doch die Möglichkeit der gefühlvollen Dosierung von Kraft und Geschwindigkeit hat bewiesen, dass die Technik mit der höchsten Kraftdichte Stärken auf vielen Gebieten hat. Stefan Harrer und Dr. Scarpa sind sich jedenfalls einig: »Obwohl wir keine Hydrauliker sind, hat sich diese Technik für uns als einfach, kostengünstig und als optimale Antriebslösung erwiesen – und das war unser Ziel.«

Patrick Mußler, AHP Merkle/bt

Erschienen in Ausgabe: 01/2008