PRESSEMITTEILUNG Silizium-Stencilmasken verhelfen

PRESSEMITTEILUNG
23. Februar 2011
Stuttgarter Forscher präsentieren die schnellsten organischen Mikrochips auf der ISSCC 20011
in San Francisco
Silizium-Stencilmasken verhelfen Schaltung
Transistoren zu Rekordgeschwindigkeiten
mit
organischen
Auf der renommierten Fachkonferenz ISSCC 2011 (IEEE International Solid-State Circuits Conference), die vom 10. bis 24. Februar in San Francisco stattfindet, präsentierten Wissenschaftler
von bekannten Unternehmen, wie IBM, Intel, Samsung und TSMC, die neuesten Entwicklungen
und führende Akademikerkreise stellten ihre neuesten Errungenschaften vor.
Auf dieser Konferenz zeigen Wissenschaftler des Instituts für Mikroelektronik Stuttgart (IMS
CHIPS) und des Max Planck Instituts (MPI) für Festkörperforschung in Stuttgart, die Ergebnisse
ihrer gemeinsamen Anstrengungen, die zu den derzeit schnellsten Schaltkreisen basierend auf
organischer Elektronik geführt haben. Ein wesentlicher Aspekt dieses Resultats ist die Verwendung von Silizium-Stencilmasken. Die Wissenschaftler präsentieren einen 6-bit digital-analog
Wandler (DAC) in organischer Dünnfilmtransistortechnologie (OTFT), die dank der Anwendung
der neuartigen Stencilmasken in der Herstellung zu 1000-mal schnelleren und 30-mal kleineren Schaltkreisen geführt hat, als es bisher auf dem Gebiet der OTFT möglich war.
OTFT Herstellung mit Stencilmasken
Diese „OTFT by stencil mask technology“ genannte Herstellungsmethode bringt die Entwicklung organischer Dünnfilmtransistoren entscheidend weiter: Forscher der beiden Institute IMS
CHIPS und MPI haben sich zusammengeschlossen, um die kleinsten und schnellsten organischen Dünnfilmtransistoren, die je in einem industrietauglichen Fertigungsprozess hergestellt
wurden, zu realisieren. Die Gruppe um Dr. Hagen Klauk vom MPI ist international führend in der
Forschung und Entwicklung organischer Dünnfilmtransistoren (OTFT) mit einem besonderen
Schwerpunkt auf Niederspannungsprozessen (<5 V). Das ist der Spannungsbereich, in dem
auch konventionelle Mikrochips betrieben werden. Im Gegensatz dazu werden die meisten internationalen Designs von OTFTs für den Hochspannungsbereich (>50 V) entwickelt, in dem
OTFTs vergleichsweise schnell reagieren. Neben der Versorgungsspannung wird die Transistorgeschwindigkeit größtenteils durch die Kanallänge des Transistors bestimmt, die sich über
den Gatekontakt steuern lässt. Je kürzer der Kanal, desto schneller der Transistor. Bis vor kurInstitut für Mikroelektronik Stuttgart, Stiftung des bürgerlichen Rechts, Allmandring 30 a, 70569 Stuttgart
Direktor und Vorsitzender des Vorstands: Prof. Dr. Joachim Burghartz Vorsitzender des Kuratoriums: MDgt. Günther Leßnerkraus
zem nutzte die Gruppe um Dr. Hagen Klauk die Verdampfung von Materialien durch eine Kunststofflochmaske, die durch einen Laserschnitt strukturiert wird. Die Mindestkanallänge
für diese Strukturierungstechnik ist 20 μm. IMS CHIPS unter der Leitung von Prof. Joachim
Burghartz ist weltweit führend im Bereich Nanostrukturierung. Das Team um Dr. Florian Letzkus
bei IMS CHIPS ist in der Lage, Siliziummembran-Stencilmasken mit Detailauflösungen bis hinab
zu 100 nm herzustellen, abhängig von der Dicke der Membran. So wurden Stencilmasken mit
einer Transistorkanallänge von weniger als 1 μm gefertigt, die der Gruppe am MPI die Möglichkeit bot, Transistoren mit einem 20-fach kürzeren Kanal als dies bisher möglich war, zu fertigen.
Diese Transistoren können 100-mal schneller schalten, als die OTFTs, die mit Kunststofflochmasken hergestellt wurden. Ein weiterer Erfolg war die mechanische Qualität der SiliziumStencilmasken, die gleichzeitig über hervorragende Festigkeit und Stabilität verfügen. Bei den
Transistoren wurden deshalb im gesamten Maskenbereich sehr konsistente Eigenschaften erzielt. Dadurch wurde ein Entwurf der Schaltkreise vergleichbar dem der siliziumbasierten Mikrochips möglich. Im Gegensatz zu den Stencilmasken aus Silizium zeigen die Kunststofflochmasken eine faltige Oberfläche und lassen sich nicht vollständig planar an das Substrat anlegen.
Dadurch entsteht eine sehr merkliche Varianz der Bauteilemerkmale, die die Auswahl an möglichen Schaltungsstrukturen deutlich senkt.
Im Schaltungsentwurf können sowohl die sehr viel höhere Schaltgeschwindigkeit der Transistoren als auch die Konsistenz deren Eigenschaften nutzbar gemacht werden. Dies hat zu einer
1000-fach höheren Taktfrequenz und einem 30-mal kleineren Flächenverbrauch eines 6-bit DAC
im Vergleich zu den bislang besten Resultaten geführt.
OTFT-Anwendungen
Der organische Dünnfilmtransistor (OTFT) wird als Basistechnologie für künftige flexible Elektronikprodukte gewertet. Dazu gehören flexible Displays (so genanntes elektronisches Papier),
diagnostische Verbände für die medizinische Überwachung und Biowissenschaften, Funketiketten (RFID-Tags), die als intelligente Barcodes verwendet werden können, intelligente Fahrkarten
und intelligente Leitsysteme. Die OTFT-Fertigungstechnologie unterscheidet sich deutlich von
der Mikroelektronikfertigung. Flexible Elektronik wird mit der Rolle-zu-Rolle-Drucktechnologie
gefertigt, wie sie bei Papierdruckprozessen genutzt wird und die über einen hohen Durchsatz
verfügt. Es besteht sogar die Aussicht, dass sich elektronisches Papier künftig einmal durch den
Einsatz von Tintenstrahldruckern fertigen lässt, die denen im Büroalltag ähneln. Während flexibInstitut für Mikroelektronik Stuttgart, Stiftung des bürgerlichen Rechts, Allmandring 30 a, 70569 Stuttgart
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le Elektronik vielleicht einen erheblichen Teil des Niedrigkosten-Elektronikmarkts erobern kann,
wird sie wegen mangelnder Leistung und Integrationsdichte nicht mit der Mikroelektronik konkurrieren können. Aufgrund dessen werden künftig vermutlich Hybridlösungen entstehen, die großflächige organische Elektronik mit dünnen flexiblen Siliziumchips verbinden können. Daher ist
der Bedarf an einer organischen elektronischen Transistortechnologie, die mit der gleichen Versorgungsspannung arbeitet wie die Mikroelektronik, außerordentlich groß.
Abbildung 1: Gesamtansicht der Stencilmaske
Abbildung 2: Draufsicht Testtransistor (a); REM-Aufnahme Transistorkanal (b); Querschnittsdarstellung
Transistorkanal (c); Querschnittsdarstellung Testtransistor (d)
Institut für Mikroelektronik Stuttgart, Stiftung des bürgerlichen Rechts, Allmandring 30 a, 70569 Stuttgart
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Abbildung 3: Detailaufnahmen einer Transistorstruktur auf der Stencilmaske
Übersicht IMS CHIPS
Das Institut für Mikroelektronik Stuttgart (IMS CHIPS) ist eine gemeinnützige Stiftung des Landes BadenWürttemberg und betreibt wirtschaftsnahe Forschung und nach internationalen Standards qualifizierte
Kleinserienproduktion auf den Gebieten Silizium-Technologie, Anwenderspezifische Schaltkreise (ASIC),
Nanostrukturierung und Bildsensorik und engagiert sich in der beruflichen Weiterbildung. Das Institut ist
Teil der Innovationsallianz Baden-Württemberg und sieht sich als Partner kleiner und mittlerer Unternehmen insbesondere in Baden-Württemberg und arbeitet mit international führenden Halbleiterunternehmen
und Zulieferern zusammen. Unter der Leitung von Prof. Joachim Burghartz verfügt das Institut über 100
hochqualifizierte Mitarbeiter, die ihre Expertise in die wichtige Mikroelektronik und deren Umsetzung für
die Industrie einbringen. www.ims-chips.de
Übersicht Max-Planck-Institut für Festkörperforschung – Gruppe Organische Elektronik Die Organic Electronics Group wurde 2005 gegründet. Der Forschungsbereich konzentriert sich auf neue funktionale organische Materialien sowie auf die Fertigung und Charakterisierung von organischen und elektronischen Bauteilen im Nanobereich, z. B. leistungsstarke organischen Dünnfilmtransistoren, Feldeffekttransistoren aus Kohlenstoff-Nano-Röhrchen (carbon nano tubes) usw. Die wissenschaftliche Arbeit im Bereich organischer Elektronik ist interdisziplinär und umfasst das Design, die Synthese und Verarbeitung
von funktionalen organischen und anorganischen Materialien, die Entwicklung von fortschrittlichen Mikround Nanofertigungstechniken, Bauteile- und Schaltungsdesign sowie Material- und Bauteilecharakterisierung. www.fkf.mpg.de/oe/
IEEE International Solid State Circuits Conference (ISSCC 2011): http://isscc.org/
Pressekontakt: Thomas Deuble, Telefon: 0 711 / 218 55 - 244, E-Mail: [email protected]
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