Beim Herstellen von Wafern könnte sich künftig Material einsparen lassen. Hauchdünne Sägen aus Kohlenstoffnanoröhren und Diamant sollen Siliziumwafer mit minimalem Schnittverlust trennen. Ein neues Verfahren ermöglicht die Fertigung der Drähte.
Wo gesägt wird, da fallen Späne – und die können teuer sein. Bei der Waferfertigung in der Photovoltaik- und Halbleiterindustrie zum Beispiel galt ein relativ hoher Schnittverlust bisher als unabwendbares Übel. Jetzt haben Wissenschaftler vom Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM in Freiburg zusammen mit Kollegen der australischen Commonwealth Scientific and Industrial Research Organisation CSIRO einen Sägedraht entwickelt, der die Verluste erheblich reduzieren soll. Statt diamantgespickter Stahldrähte verwenden die Forscher hauchdünne und extrem stabile Fäden aus Kohlenstoffnanoröhren, die mit Diamant beschichtet werden.
Beschichtete Kohlenstoffnanoröhren gelten schon lange als vielversprechend. Denkbar ist die Verwendung als harter und zäher Verbundwerkstoff oder als Element hochempfindlicher Sensoren und thermo-elektrischer Generatoren. Doch die Synthese des neuen Werkstoffs ist außergewöhnlich schwierig. Der Grund: Diamant wächst nur unter extremen Bedingungen – bei Temperaturen um 900 °C in einer kohlenwasserstoffhaltigen Atmosphäre. Ihn zu züchten ist diffizil, weil Kohlenstoff bevorzugt Graphit bildet. Um dieses von der Oberfläche der Nanoröhrchen fernzuhalten, setzen die Ingenieure vom IWM reaktionsfreudigen Wasserstoff ein, der das Graphit wieder wegätzt. Bei diesem Prozess leiden allerdings auch die Kohlenstoffnanoröhren.
Doch der IWM-Wissenschaftler Manuel Mee hat eine Lösung gefunden, die feinen Kohlenstoffröhrchen, die wie Wälder auf einem Substrat wachsen, zu schützen: Bei den ersten Versuchen war Quarzglas aus der Reaktionskammer unbeabsichtigt in Kontakt mit dem Beschichtungsplasma gekommen. Es hatte sich auf das Substrat gelegt und dieses vor dem aggressiven Wasserstoff geschützt. Auf dieser Schicht wuchs tatsächlich Diamant. Was danach folgte, war nach den Worten von Manuel Mee präzise und detaillierte Fleißarbeit. Die Wissenschaftler mussten die undefiniert abgeschiedene Siliziumoxidschicht untersuchen, eine Methode finden, sie kontrolliert abzuscheiden und den Prozess optimieren. Tests mit dem Transmissionselektronenmikroskop am CSIRO in Australien hatten gezeigt, dass die Nanoröhrchen unter ihrer Schutzschicht tatsächlich überlebt haben.
Doch wie genau sollte es weitergehen? Wenn es gelänge, die Nanofäden, welche die Spezialisten von CSIRO aus Nanoröhrchen herstellen, mit Diamant zu beschichten, könnte man diese nutzen, um hauchdünne Sägen herzustellen, mit denen sich beispielsweise Siliziumwafer zerteilen lassen. Das australische Team am CSIRO ist einer der weltweiten Experten, die Garne aus Kohlenstoffnanoröhren herstellen können. Die Produktion erfordert spezielle Kohlenstoffnanorohrwälder, die als hauchdünner Filz abgezogen und durch Verdrehen in ein sehr dünnes Garn von zehn Mikrometer bis 20 Mikrometer Durchmesser verarbeitet werden können. Im Prinzip ist dieses Garn, beschichtet mit Diamant, der ideale Grundstoff für eine neue Generation von Sägen, die sich beispielsweise in der Solarindustrie einsetzen lassen. Die neuen Sägedrähte könnten traditionellen Stahldrähten überlegen sein, weil sie sich aufgrund ihrer hohen Zugfestigkeit weitaus dünner herstellen lassen und somit deutlich weniger Schnittverlust erzeugen.
Die Umsetzung der Idee ist dem Physiker inzwischen gelungen. Das Verfahren und entsprechende Produkte wurden bereits zu einem Patent angemeldet, das sich Fraunhofer und CSIRO teilen. Derzeit führen Mee und seine Kollegen Sägetests durch. Um den Partnern in der Industrie zeigen zu können, welches Potenzial in der Technik steckt, müssen die Wissenschaftler demonstrieren, wie sich bei der Verarbeitung von Wafern für die Solarindustrie Material einsparen lässt.
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Text zum Titelbild: Neuer hauchdünner Sägedraht für Siliziumwafer – Diamant auf Kohlenstoffnanoröhren (Bild: Fraunhofer IWM)
