Silizium aus dem Strahldrucker

Preiswerte Chips: Flüssiger Halbleiter für Dünnschicht-Transistoren

Von Rainer Scharf

Die Herstellung moderner Siliziumchips erfordert aufwendige und teure Anlagen. Denn dank verfeinerter photolithographischer Verfahren werden inzwischen Strukturen hergestellt, die nur noch 30 Nanometer groß sind und damit nur noch ein Fünfzehntel der Wellenlänge des sichtbaren Lichts messen. Bei fortschreitender Miniaturisierung der Chips wird der Preis einer Chipfabrik - er beläuft sich mittlerweile auf mehrere Milliarden Euro - noch deutlich ansteigen. Daß es für bestimmte Anwendungen günstiger und einfacher geht, beweist die Elektronik auf Kunststoffbasis. Hier werden halbleitende Polymere von präzise arbeitenden Strahldruckern auf eine flexible Unterlage aufgetragen. Auf diese Weise lassen sich mit geringem Aufwand preiswerte elektronische Schaltungen herstellen. Jetzt haben Tatsuya Shimoda von der Seiko Epson Corporation und seine Kollegen gezeigt, daß man auch Silizium in flüssiger Form auf eine Unterlage auftragen und auskristallisieren lassen kann, so daß man daraus elektrische Schaltkreise fertigen kann.

Als Ausgangssubstanz verwenden die Forscher die Verbindung Cyclopenta-Silan, dessen ringförmige Moleküle aus fünf Silizium- und zehn Wasserstoffatomen bestehen. Während herkömmliches Silizium erst bei 1414 Grad schmilzt und für die Verarbeitung viel zu heiß ist, liegt das Silan bereits bei Raumtemperatur im flüssigen Zustand vor. Dadurch läßt sich das Cyclopenta-Silan mit einem Strahldrucker oder durch ein spezielles Schleuderverfahren ohne Reinraumbedingungen auf eine isolierende Unterlage aus Siliziumdioxyd auftragen. Wenn man es dabei auf 300 bis 500 Grad erhitzt, wird der Wasserstoff freigesetzt. Die zurückbleibenden Siliziumatome vernetzen sich, wodurch eine amorphe, nichtkristalline Siliziumschicht entsteht.

Die Ausbeute dieses Verfahrens ist jedoch normalerweise nicht besonders groß. Beim Erhitzen verdampft nämlich ein erheblicher Teil des leicht flüchtigen Cyclopenta-Silans. Um das zu unterbinden, bestrahlen Shimoda und seine Kollegen die aufgesprühte siliziumhaltige Flüssigkeit vor dem Erhitzen etwa zehn Minuten lang mit ultraviolettem Laserlicht ("Nature", Bd. 440, S. 783). Die zunächst klare Flüssigkeit trübt sich dadurch ein und wird zähflüssig. Die Strahlung bricht viele der Ringmoleküle auf, wobei sich Molekülketten formen. Diese verbinden sich zu schwer flüchtigen Polysilanen, die eine dünne Schicht formen. Wenn man das Ganze danach etwa zwei Stunden lang erhitzt und anschließend mit energiereichem ultraviolettem Laserlicht bestrahlt, entsteht schließlich elektrisch leitendes polykristallines Silizium, wie man es für elektrische Bauelemente und Schaltungen benötigt.

Mit dem Verfahren haben die japanischen Forscher funktionsfähige Dünnschichttransistoren hergestellt, die etwa 30 Mikrometer groß waren. Messungen zeigten, daß die aufgedruckten polykristallinen Siliziumschichten, was ihre elektrischen Eigenschaften anbelangt, zwar nicht so gut waren wie entsprechende Siliziumschichten in den gängigen Halbleiterchips, die üblicherweise aufgedampft werden. Sie waren aber bereits besser als halbleitende Polymerfilme. Da das neue Verfahren noch viele Verbesserungsmöglichkeiten bietet, könnte der Polymerelektronik durch das flüssige Silizium eines Tages ernstzunehmende Konkurrenz entstehen. Beispiele für vielversprechende Anwendungen sind großflächige Solarzellen oder Schaltkreise für flexible Bildschirme.

Text: F.A.Z., 27.04.2006, Nr. 98 / Seite 34