Produktionsnahe Mikrotechnologien

© Fraunhofer EMFT

Detailansicht eines Foliensystems zur Temperaturmessung während der Prozessierung

Die Fraunhofer EMFT verfügt über einen umfangreichen und hochmodernen Technologiepark im Bereich Mikroelektronik und Mikrotechnologie, der von erfahrenen Forschenden sowie Mikrotechnologinnen und -technologen betreut und zur Entwicklung von kundenspezifischen Lösungen genutzt wird. Diese produktionsnahen Mikrotechnologien bilden die Basis für die weiteren Kompetenzfelder der Fraunhofer EMFT. Das Angebot reicht von der Technologie und Prozessanalytik über die Fertigung und den Test von Komponenten bis hin zur Realisierung von konkreten Sensoranwendungen mittels Systemintegration.

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Im Bereich Technologie und Prozessanalytik bietet die Fraunhofer EMFT eine industriekompatible Technologieplattform, um neue Prozessmedien zu testen oder ausgewählte Prozessschritte zu optimieren und dadurch beispielsweise Performance oder Ausbeute zu steigern. Dabei lässt sich auf Wunsch auch eine Kleinserienfertigung realisieren – etwa, wenn entsprechend geringe Stückzahlen auf dem Weltmarkt nicht erhältlich sind. Zur Fertigung mikrotechnologischer Komponenten stehen eine CMOS-Linie (200 mm, bis 0,35 µm Strukturauflösung) – bei der alle Prozesse CMOS-Standard aufweisen – sowie eine MEMS-Linie (150 mm und 200 mm) für nicht CMOS kompatible Materialien zur Verfügung. Neben standardisierter Silizium-Technologie sind spezielle Prozesse, beispielsweise Silizium-Germanium-Epitaxie, sowie eine Vielzahl von Integrationstechnologien vorhanden. Letztere umfassen unter anderem Methoden der 3D-Integration (W-TSV, SLID), anodisches Bonden auf Wafer-Ebene, die Bearbeitung von Glassubstraten (TGV) sowie verschiedene Metallisierungssysteme (Aluminium, Wolfram, Kupfer oder Gold). 

Das breite Technologieangebot wird durch moderne „in-line“, d.h. zerstörungsfreie Messtechnik zur Material- und Prozesscharakterisierung komplementiert. Alternativ stehen ver-schiedene Teststrukturen zur „off-line“ Prozesskontrolle bereit. Zusätzlich werden neue produktionstaugliche Analyse-methoden nach kundenspezifischen Anforderungen entwickelt und in bestehende Produktionsstrukturen integriert. Basierend auf Ladungsträger-Lebensdauer-Messungen wurden beispielsweise geeignete Verfahren zur Kontaminationskontrolle von hochohmigem Float Zone Material entwickelt. Auf Grundlage der vorhandenen Technologien lassen sich eine Vielzahl von Komponenten in den hauseigenen Reinräumen herstellen. Schwerpunkte liegen dabei auf der Entwicklung und Optimierung von elektrischen und optischen Komponenten moderner Sensorsysteme. Neben der eigentlichen Komponen-tenfertigung können zudem Layouts erstellt und umfangreiche Tests, z.B. Zuverlässigkeitsstudien (HAST-Test), durchgeführt werden. 

Die an der Fraunhofer EMFT entwickelten optischen Komponenten umfassen komplexe Fluoreszenzmodule, klassische PIN-Photodioden sowie sensitive Silizium-Photomultiplier zum Einzelphotonennachweis. Letztere kommen z.B. in der bildgebenden medizinischen Diagnostik mittels PET-MRT zum Einsatz und wurden in enger Kooperation mit einem mittelständischen Unternehmen entwickelt. Der Nachweis einzelner Photonen erfordert neben einem geeigneten Sensor spezielle Elektronik zur Signalauswertung. Forscherinnen und Forscher der Fraunhofer EMFT entwickeln in diesem Kontext hochempfindliche, rauscharme Komponenten zum Nachweis kleinster Signale. Die Entwicklung und Herstellung von rauscharmen Transistoren sind Alleinstellungsmerkmale der Fraunhofer EMFT. Sowohl das technologische als auch das messtechnische Know-how für JFETs, MOSFETs und Varaktor-Dioden ist an der Fraunhofer EMFT vorhanden und wird intensiv für Industrieaufträge genutzt. Ein kürzlich etablierter Niederfrequenz-Rauschmessplatz wird zudem von der Firma Keysight zu Demonstrationszwecken verwendet. Des Weiteren verfügt die Fraunhofer EMFT über langjährige Erfahrung auf dem Gebiet der elektrochemischen Transducer. Impedimetrische, amperometrische und potentiometrische Komponenten stehen hierfür zur Verfügung. Sie ermöglichen die Detektion verschiedener Analyten, die entweder in der Gasphase oder gelöst in flüssiger Form vorliegen.

Die verfügbaren optischen und elektrischen Komponenten werden kontinuierlich weiterentwickelt, um verschiedene Sensoranwendungen zu bedienen. Auf Basis von Markt-relevanz und Kundenwünschen werden komplette Sensorsysteme inklusive geeigneter Schnittstellen zu Demonstrationszwecken konzipiert. So existieren beispielsweise Systeme zur pH-Messung in Flüssigkeiten, zur spektroskopischen Analyse von Gasen oder zur Überwachung von Umgebungsparametern wie Temperatur, Luftfeuchtigkeit und Kohlendioxid- oder Wasserstoffgehalt der Umgebungsluft. Aktuell liegt der Schwerpunkt auf der Vernetzung von Sensoren mittels Mikrosystemintegration. Ein besonderes Augenmerk liegt dabei auf der 3D-Integration, die an der Fraunhofer EMFT seit Jahren betrieben wird und von zentralem Interesse für die Verknüpfung von CMOS-kompatibler Elektronik mit MEMS-basierten Sensoren ist. Darüber hinaus werden Sensoren mit genormten Schnittstellen ausgelesen, gesteuert und vernetzt. Im Rahmen einer Industriekooperation wurde hierfür eine multifunktionelle Sensorplattform geschaffen. Diese ermöglicht es, beliebige Sensoren mittels USB oder kontaktlos über Bluetooth und NFC anzusprechen. Messparameter können so z.B. mit einem handelsüblichen Smartphone bequem ausgelesen werden.

Folienelektronik: Flexible, multifunktionale Elektronik bietet neuartige Möglichkeiten für viele leistungsstarke und „smarte“ Produkte – etwa im Kontext zur Vision des Internet of Things. Hauseigene Rolle-zu-Rolle Fertigungsanlagen ermöglichen die kostengünstige Bearbeitung von Folien und anderen flexiblen Substraten, um flexible, biegsame, flache und großflächige elektronische Systeme zu entwickeln. In diesem Zusammenhang kommen die an der Fraunhofer EMFT entwickelten Folienprozesse zusammen mit Verfahren aus verschiedenen klassischen Technologiebereichen (z.B. Silizium-, MEMS- oder Leiterplattentechnologien) zum Einsatz. Eine technologische Schlüsselrolle kommt dabei der Heterointegration von Silizium- und Folientechnologie zu: Während sich mit Siliziumtechnologie extrem miniaturisierte Bauteile realisieren lassen, erweitert Folientechnologie den Spielraum für Design und ermöglicht flexible, flache und biokompatible Elektronik. Anwendungsbeispiele sind Sensoren auf gekrümmten Oberflächen, körpernahe Sensorik für die Gesundheitsüberwachung, multimodale Sensorik für Roboter, die in Zukunft mit Menschen interagieren werden, „Smart Textiles“ sowie eine Vielfalt von verteilten, vernetzten Sensormodulen für die intelligente Steuerung von Maschinen und Prozessen, zusammengefasst unter dem Schlagwort Industrie 4.0. Die Kombination der Fähigkeiten im Bereich dünnes Silizium und Folientechnologie erlaubt die Realisierung eines in Folie verpackten und umverdrahteten ICs (Chip-in-Foil Package), ohne die Vorteile niedrige Bauhöhe und Flexibilität aufzugeben. 

Dünnes Silizium: Für heterogene 3D-Integration und Chip-in-Foil Packages werden extrem dünne Siliziumchips benötigt. Das technologische Know-how zur Herstellung dünner Wafer bildet dafür eine wichtige Grundlage. Für die umfangreiche Prozessfolge der Dünnungstechnik ist der Münchener Standort bestens ausgerüstet, so dass beliebig dünne Devices auf Waferlevel realisiert werden können. Als Chipvereinzelungstechnik für sehr dünne Halbleiterwafer bietet die Fraunhofer EMFT das patentierte Verfahren „Dicing-by-Thinning“ an. Mit den genannten Technologien lassen sich flexible Siliziumchips mit einer Dicke von 10 - 30 μm realisieren. Das Handling solcher extrem dünnen Siliziumwafer stellt besondere Herausforderungen dar. Techniken und Hilfsmittel zum sicheren Handling von dünnem Silizium, z.B. elektrostatische Trägersysteme (E-Carrier und E-Foil), gehören ebenfalls zu den Kompetenzen der Fraunhofer EMFT.

IC Design: Mikrochips sind das „Herzstück“ unzähliger Produkte: In ihnen sind umfangreiche Funktionalitäten auf kleinstem Raum vereint. Sehr spezifische Anwendungen oder die Erschließung neuartiger Funktionen und Einsatzgebiete, weitere Miniaturisierung, bessere Energieeffizienz, niedrigere Herstellungskosten oder höhere Zuverlässigkeit verlangen jedoch oftmals nach neuen IC‑Designs, die in dieser Form am Markt nicht erhältlich sind. Hier unterstützt die Fraunhofer EMFT ihre Kundinnen und Kunden beim Entwurf komplexer analoger und Mixed-Signal Schaltkreise mit den Schwerpunkten auf neuartigen sensorischen Konzepten und Millimeter-Design (SAR-ADC, Sigma-Delta ADC, PLL, mWellen Strukturen).

Systemintegration: Mit dem Aufbau von Demonstratoren, Prototypen und Systemen veranschaulichen Fraunhofer EMFT Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler mögliche Anwen-dungsszenarien für die an der Fraunhofer EMFT entwickelten Technologien und Komponenten. Für Kundinnen und Kunden ist diese Entwicklungskompetenz ein wichtiger Teil des Fraunhofer EMFT-Leistungsportfolios: Denn gerade kleine und mittelständische Unternehmen benötigen oft keine Einzel-komponenten, sondern Komplettlösungen. Nicht zuletzt schafft umfangreiches Know-how bei der Systementwicklung eine wichtige Grundlage, um innovative Technologien und Lösungsansätze (z.B. Energy Harvesting, Ultra low Power Consumption) schnell und erfolgreich in die Anwendung zu bringen und auf diese Weise zukunftsorientierte Produkte zu generieren. Die Entwicklungskompetenz des interdisziplinären und erfahrenen Teams umfasst Hard- und Software, Elektronik, Mechanik, Optik sowie Fluidik mit Mikropumpen und -ventilen sowie die Einbindung innovativer numerischer Signalverarbeitungskonzepte. Die Leistungen im Bereich der Systementwicklung reichen – je nach Bedarf – vom ersten Konzept über Machbarkeitsdemonstratoren bis hin zu Proto-typen und kompletten Systemen.

 

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