Heterogene Integration von Nanobauteilen

Fortschritte in der Elektronik oder Sensorik mittels Nanotechnologie gehen in der Regel mit der Forderung nach heterogenen Fertigungstechnologien einher, bei denen Nanobauteile modular in konventionelle Systeme wie MEMS, MOEMS oder CMOS integriert werden müssen. Wie in der Halbleiter-Roadmap dargelegt, werden Materialien wie CNTs oder Graphen in Zukunft ein wesentlicher Bestandteil sein, um eine weitere Miniaturisierung und höhere Leistung sowie Effizienz in komplexen integrierten Schaltungen zu erreichen. Für diese heterogenen technologischen Szenarien müssen ganzheitliche Ansätze angewandt werden, die geeignete Schnittstellen, kompatible Prozessbedingungen, Packaging und am Ende auch skalierbare Technologien sicherstellen.

Am Fraunhofer ENAS führen wir entsprechende Entwicklungen von Integrationstechnologien durch, die auf spezifische Kundenbedürfnisse zugeschnitten sind. Wir realisieren Prototypen und führen den anschließenden Technologietransfer und Know-how-Transfer zu Industriepartnern durch. Im Folgenden sind einige Projektbeispiele aufgeführt:

Auf CMOS-Nanobauteilen: Im Rahmen der prognostischen Gesundheitsüberwachung wird ein ganzheitliches Sensorkonzept benötigt, um die digitalen Lebensdauermodelle mit aktuellen Messdaten zu speisen. Im BMBF-Verbundprojekt smartSTAR wurde ein Kohlenstoffnanoröhren-basierter Sensor auf einem ASIC integriert. Für eine modulare Integration der CNT-FET-Funktionalität wurden Process-Design-Kits (PDK) erarbeitet. Speziell für diese Machbarkeitsstudie wurde das Technologiemodul für die Dehnungssensorik konfiguriert. Dazu wurde eine neuartige Oberflächentechnologie für spannungskonfigurierbare Nanomaterialien integriert. Dementsprechend konnten mit vorgespannten CNTs mechanischer Stress von weniger als 30 MPa erfasst werden. Im Vergleich zu integrierten Silizium-Dehnungsmessstreifen konnte gezeigt werden, dass die Empfindlichkeit um das Dreifache höher sein kann, der Platzbedarf der Sensoren um mehr als das Zehnfache reduziert werden kann und FET-basierte Sensoren in beliebiger BEOL-Ebene auf CMOS hinzugefügt werden können.

IR-MOEMS mit nanostrukturierten Nanomembranen: Die nächste Generation von mikrooptischen Infrarot (IR)-Sensoren erfordert fortschrittliche Absorber, die hohe technologische und materielle Anforderungen erfüllen. Ein vielversprechender Ansatz sind direkt integrierte, vertikal ausgerichtete Kohlenstoff-Nanoröhren (CNTs) als IR-Absorptions- und Emitterschichten. Unter MOEMS-kompatiblen Prozessbedingungen haben wir eine hohe Breitbandabsorption von über 95 % für
λ = 2 ... 12 μm auf 5 µm dicken CNT-Filmen gezeigt. Aufgrund der extrem geringen thermischen Masse der Funktionsschichten sind insbesondere Hochgeschwindigkeits-IR-Anwendungen möglich.

AlN-MEMS mit integrierter CNTFET-Technologie: Ein weiteres Beispiel für heterogene Integration ist die Kombination von piezoelektrischen MEMS-Bauelementen mit einer Vor-Ort-Signalverarbeitung auf der Basis von CNT-Transistoren. Diese Konzepte sind insbesondere für Betriebsregime mit sehr kleinen Signalen interessant, bei denen induzierte Ladungsflüsse eine lokale Vorverarbeitung der Signale erfordern. Als ersten Schritt zu integrierten Systemen haben wir ein Prozess-Design-Kit für die modulare Integration von CNT-Elektronikkomponenten auf AlN-basierten MEMS entwickelt.