Sägen aus Kohlenstoff

Hauchdünne Sägen aus Kohlenstoff-Nanoröhren 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 Wafer-Fertigung in der Photovoltaik- und Halbleiterindustrie beispielsweise 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 Kohlenstoff-Nanoröhren, die mit Diamant beschichtet werden.

Beschichtete Kohlenstoff-Nanoröhren 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 Grad Celsius 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 Kohlenstoff-Nanoröhren.

Doch der IWM-Wissenschaftler Manuel Mee hat eine Lösung gefunden, die feinen Kohlenstoffröhrchen, die wie Wälder auf einem Substrat wachsen, zu schützen: »Bei unseren 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 präzise und detaillierte Fleißarbeit«, schildert Mee. »Wir mussten die undefiniert abgeschiedene Siliziumoxid-Schicht 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.

Eine deutsch-australische Erfolgsgeschichte

Doch wie genau sollte es weitergehen? Wenn es gelänge, die Nanofäden, die 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 Kohlenstoff-Nanoröhren herstellen können. Die Produktion erfordert spezielle »Kohlenstoff-Nanorohr-Wälder«, die als hauchdünner Filz abgezogen und durch Verdrehen in ein sehr dünnes Garn von zehn bis zwanzig Mikrometern 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, resümiert Mee: »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 unseren Partnern in der Industrie zeigen zu können, welches Potenzial in der Technik steckt, müssen wir demonstrieren, wie sich bei der Verarbeitung von Wafern für die Solarindustrie Material einsparen lässt.«