Startschuss für die nächste Generation der Nanosystemtechnik

Im Projekt «FunALD» soll eine neue Klasse ultradünner funktionaler Materialien auf Basis der ALD-Technologie für eine Vielzahl von innovativen und intelligenten Sensoren entwickelt werden.
In der Automobilbranche etwa detektieren sie Diesel- und Benzinabgase in der Aussenluft und verhindern das Eindringen dieser Schadstoffe in den Fahrzeuginnenraum. In der Lebensmittelproduktion überwachen sie die Ammoniakkonzentration in Kälteanlagen, und in Fabrikhallen kontrollieren sie zum Beispiel das Aus­treten von Methan aus dem Leitungsnetz: Luftgütesensoren sowie Sensoren in Messsystemen erfassen toxische und explosive Gase und warnen vor dem Austreten gefährlicher Schadstoffe.

Heutige Sensoren weisen jedoch für viele Anwendungen eine vergleichsweise geringe Sensitivität und eine grosse Querempfindlichkeit bei gleichzeitig hohem Stromverbrauch und hohen Kosten auf. Im Rahmen des Leitmarktwettbewerbs «NeueWerkstoffe.NRW» der Landesregierung Nordrhein-Westfalen startete jetzt unter der Leitung des Fraunhofer-Instituts für Mikroelektronische Schaltungen und Systeme IMS das Projekt «Funktionale ultradünne Werkstoffe durch Atomlagenabscheidung für die nächste Generation der Nanosystemtechnik» (kurz «FunALD»). Während der dreijährigen Projektdauer soll eine neue Klasse von ultradünnen funktionalen Materialien auf Basis der ALD-Technologie für mechanische Sensoren und Gas-Sensorik entwickelt werden. Das hochkarätige Partnerkonsortium setzt sich neben dem Fraunhofer IMS aus dem Institut für Energie- und Umwelttechnik e. V. (IUTA), der Ruhr-Universität Bochum (RUB) sowie der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf und der ExTox Gasmess-Systeme GmbH zusammen. Als assoziierte Partner wirken zudem der Automobilzulieferer paragon AG und Aixtron SE, ein führender Hersteller von Abscheideanlagen für die Halbleiter­industrie, mit. Das Vorhaben wird aus Mitteln des Europäischen Fonds für regionale Entwicklung (EFRE) gefördert und durch den Projektträger Jülich betreut.

Schlüsseltechnologie des 21. Jahrhunderts

In der modernen Mikrosystemtechnik dienen CMOS-Wafer als «intelligente» Substrate, die mit analogen und digitalen Ansteuer-, Auslese- oder Schnittstellenschaltungen versehen sind. Sind sehr kleine Systeme gefragt oder müssen kleine Signale über möglichst kurze Wege ausgelesen werden, können direkt auf dem CMOS durch Post-Integration Schichten, Struk­turen und Bauelemente integriert werden. So entstehen kompakte, clevere Single-­Chip-­Mikrosysteme, die in Zeiten von ­Industrie 4.0 und Internet der Dinge (IoT) vielfältig einsetzbar sind. Die Mikrosystemtechnik ist daher eine der Schlüssel­tech­nologien des 21. Jahrhunderts. Produkte mit mikrosystemtechnischen Komponenten erobern immer mehr Anwendungs­bereiche des täglichen Lebens und sind in ihren Potenzialen hinsichtlich Funktionalität und Wirtschaftlichkeit aus dem Alltag nicht mehr wegzudenken. Neue Anwendungsfelder entstehen derzeit verstärkt im Nanometerbereich.

Bisher entwickelten die Forscher am Fraunhofer IMS im Rahmen der Nano- und Mikrosystemtechnik beispielsweise metallische Elektroden zur Zellkontak­tierung und Signalableitung von Nerven­zellen mit einem neuartigen Templat-Verfahren, das die wohldefinierten Methoden der CMOS-­Prozesstechnologie nutzt. Etablierte Nanotechniken nutzen dagegen Nano­par­tikel oder Nanodrähte, die bei hohen Tempera­turen getrennt vom Substrat prozessiert werden. Anschliessend werden diese Partikel in Flüssigkeiten suspendiert und auf Elektroden aufgetragen – die Elektroden sind auf den CMOS-Oberflächen angeordnet. Die etablierten Nanotechniken liefern aber nur ungeordnete Strukturen; ausserdem gibt es Probleme bei der Reproduzierbarkeit der Herstellung.

Neues ALD-Verfahren überzeugt dreifach

«FunALD» geht daher jetzt einen wesentlichen Schritt weiter: Die Nano-Elektroden werden nicht durch Auftragen von Nanopartikeln, sondern auf Basis des ALD-­Verfahrens (Atomic Layer Deposition) hergestellt. Dabei werden ultradünne Einfach- und Mehrfachschichten mit einer Schichtdicke von weniger als 50 Nanometern Atomlage für Atomlage abgeschieden. Im Vorhaben werden funktionale ALD-­Schichtstapel entwickelt, die sich mit einem besonders einfachen Post-CMOS-­Verfahren auf intelligente Schaltkreise integrieren lassen und dabei freitragende 3D-Bauelemente auf CMOS-Schaltungen erzeugen. Mit nur drei zusätzlichen lithografischen Masken lassen sich bereits komplexe Sensor- oder Aktor-Strukturen realisieren. Diese ALD-Materialien erlauben zukünftig ein sehr breites Anwendungsfeld, so können z. B. ultrasensitive freitragende Nanodrähte aus einem Metalloxid für die Gas- oder Bio-Sensorik genutzt werden. Die freitragenden 3D-Mikro- oder Nano­strukturen werden durch hochkonforme, ultradünne ALD-Schichten mithilfe einer einfachen Opfertechnik erzeugt. Dabei wird auf einem CMOS-Substrat die Opferschicht – eine Art Schutzschicht und Abstandhalter für das darunterliegende Material – abgetragen. Das daraus entstehende amorphe Silizium kann besonders gut strukturiert werden: Das ist der grosse Vorteil des neuen Verfahrens!

Bei der Fertigung wird die ALD-Schicht in die winzigen Löcher des Substrats abgeschieden, die freitragenden Nanodrähte werden dann auf die Metalloxid-Halbleiter-­Schaltungen gesetzt, und die erwünschten Gas-Sensoren entstehen.

Das neue ALD-Verfahren überzeugt sogleich in dreifacher Hinsicht: Zum einen lässt sich durch die grosse Materialdiversität eine Vielzahl von neuartigen sensorischen oder aktorischen Bauelementen auf den CMOS-Oberflächen realisieren. Zum anderen ist das Verfahren problemlos mit den bereits vorhandenen apparativen Möglichkeiten eines typischen CMOS- bzw. Mikrosystem-Reinraums kompatibel. Durch den extrem vereinfachten Fertigungsprozess können darüber hinaus auch erheblich Kosten eingespart werden.

Um die neuen Materialklassen vor dem Einzug in die industrielle Verwertung ausreichend testen zu können, sieht das Projekt die Entwicklung zweier Demonstratoren vor. Der erste Demonstrator ist eine freistehende metalloxidische Struktur, die in einer Gas-Sensor-Anwendung als konduktometrisches Sensorelement dient. Der zweite Demonstrator, der im Projekt danach entwickelt wird, besteht aus freitragenden metallischen ALD-Membranen, die für einen mechanischen Resonator genutzt werden.

Die im Projekt «FunALD» untersuchten freistehenden ALD-Nanostrukturen versprechen eine hohe Empfindlichkeit und eine kurze Ansprechzeit der neuen Gas-Sensoren.

ims.fraunhofer.de Bilder: Fraunhofer