Das Ziel ist klar definiert: Im Projekt „FunALD“ soll eine neue Klasse ultradünner funktionaler Materialien auf Basis der ALD-Technologie entwickelt werden.

Kompakte „intelligente“ Sensoren sind die messtechnische Schnittstelle zu umweltrelevanten Größen. Sie lassen sich durch Post-Integration von Sensorschichten, Sensorstrukturen und Sensorbauelementen auf Substraten herstellen, die bereits eine Auslese- oder Ansteuerelektronik enthalten. So zum Beispiel auf CMOS-Wafern. Eine solche Sensorintegration ist kompakt und kosteneffektiv. Kleinste Sensorstrukturen ermöglichen zudem einen geringen Stromverbrauch. Sie finden in vielen Bereichen Verwendung, zum Beispiel in der Automobilindustrie und bieten eine hohe Attraktivität für Applikationen in der Industrie 4.0 oder dem Internet der Dinge (IoT).

Das Projekt „FunALD“ soll die Werkstoffbasis für diese Sensorintegration auf funktionalen Wafern bereitstellen. Im Mittelpunkt der Arbeit stehen ultradünne Einfach- und Mehrfachschichten mit Schichtdicken von wenigen Nanometern, die mit Atomlagenabscheidung (ALD) erzeugt werden. Hier werden Schichten Atomlage für Atomlage abgeschieden und können so hochpräzise für bestimmte Anwendungen und Funktionen optimiert werden. Neue oder optimierte ALD-Materialien, wie sie im Projekt entwickelt werden, erlauben zukünftig ein sehr breites Anwendungsfeld. Die Vorteile bei der Verwendung von ultradünnen Schichten liegen in steigenden Sensitivitäten der Sensorstrukturen und in einer weiteren Reduktion der Stromaufnahme des gesamten Sensorknotens.

Im Projekt werden neue metallorganische Ausgangsmaterialien („Precursoren“) für die Herstellung der ALD-Schichten entwickelt, um den jeweiligen Anforderungen an die ultradünnen Einfach- und Mehrfachschichten gerecht zu werden. Es werden zunächst die Abscheidebedingungen für die jeweiligen Precursoren auf kleineren Samples entwickelt, sodass die Schicht hinsichtlich ihrer Anforderungen optimiert wird. Anschließend wird der Prozess auf die 200 mm Wafer ALD-Anlage transferiert (Abbildung 1). Des Weiteren werden Teststrukturen auf Basis von Schichten und Schichtenfolgen entworfen und hergestellt, sowie entsprechende umfangreiche Messverfahren entwickelt, um die Schichten und Schichtenfolgen gezielt zu charakterisieren. Gezielt heißt zum einen, dass die gewonnenen Erkenntnisse zur Schichtstruktur helfen, deren Einfluss auf das elektronische, mechanische und thermische Verhalten zu verstehen. Andererseits werden die Messverfahren so ausgelegt, dass die Eignung der ALD-Schichten für die spätere Anwendung in der Sensorik, insbesondere für die Gas-Sensorik, validiert wird und ihre gezielte Optimierung möglich wird.

Neben den entsprechenden elektronischen, mechanischen und thermischen Eigenschaften soll bei der Auswahl der zu entwickelnden ALD-Materialien darauf geachtet werden, dass sie eine Post-CMOS-Integration ermöglichen. Das heißt, eine Abscheidetemperatur von 400 °C darf nicht überschritten werden. Mit den funktionalen ALD-Schichten sollen freitragende 3D-Bauelemente auf einer CMOS-Schaltung integriert werden. Die Grundidee basiert auf der Herstellung von freitragenden 3D-Mikro- oder Nanostrukturen, die durch hochkonforme dünne ALD-Schichten mit Hilfe einer einfachen Opferschicht-Technik erzeugt werden. Die Vorteile dieses neuen technologischen Ansatzes sind zum einen Kosteneffizienz durch einen extrem einfachen Fertigungsprozess. Zum anderen Universalität, das heißt die Möglichkeit eine Vielzahl von neuartigen sensorischen oder aktorischen Bauelementen auf CMOS-Oberflächen zu realisieren, ohne das Grundkonzept umstellen zu müssen. Des Weiteren besteht die Kompatibilität zu den apparativen Möglichkeiten eines typischen CMOS- bzw. Mikrosystem-Reinraums. In der Gruppe Nanosensorelemente des Fraunhofer IMS werden mit nur drei bis vier zusätzlichen lithographischen Masken komplexe Sensor- oder Aktorstrukturen realisiert, die, wenn erforderlich, in situ geheizt werden können (Abbildung 2).

In diesem Projekt sollen die neuen Materialien in zwei sensorischen Anwendungen evaluiert werden. Eine Anwendung betrifft halbleitendes metalloxidisches ALD-Material, mit dem freistehende Nanodrähte auf einem CMOS-Substrat erzeugt werden und in einem Gas-Sensorsystem getestet werden (Abbildung 3). Diese ultrasensitiven, freitragenden Nanodrähte können insbesondere in der Gas-Sensorik genutzt werden, wobei durch die Skalierung der ALD-Schichten im Nanometer-Bereich die Sensitivität der Sensorstrukturen gesteigert werden kann. Eine weitere Anwendung des ALD-Materials betrifft metallische ALD-Membranen, die als nanomechanische resonante Massensensoren genutzt werden. Solche Sensoren finden zum Beispiel bei der Nanowägung in chemischen Sensoren oder bei ultrasensitiven Mikrofonen Anwendung. Am Ende des Projektes werden die hergestellten Demonstratoren in einem Feldversuch getestet. Spannend ist, ob die Sensoren mit den neuartigen und optimierten ALD-Materialien auch für realistische Umgebungsanforderungen geeignet sind.

Dieses Vorhaben wurde aus Mitteln des Europäischen Fonds für regionale Entwicklung (EFRE) gefördert.

Abbildung 1: ALD-Anlage mit der die ultradünnen Einfach- oder Mehrfachschichten auf 200 mm-Waferebene abgeschieden werden; © Fraunhofer IMS

Abbildung 2: Schematischer Aufbau eines freitragenden Nanodrahtes (hier ZnO) mit unterliegender Heizstruktur (hier Ru) und Metallisierungs-Bahnen; © Fraunhofer IMS

Abbildung 3: REM-Aufnahme von freitragenden Nanodrähten; © Fraunhofer IMS