Forschung

Der Lehrstuhl für Mikrosystemtechnik verfolgt derzeit vier Schwerpunkte, die sich insbesondere in der Technologie-Basis weitgehend überschneiden. Dazu steht ein eigener Reinraum zur Verfügung, der 2010 gebaut und 2017 - 2019 wegen erheblicher baulicher Mängel grundlegend überarbeitet und für die Bearbeitung von Wafern bis 200 mm ertüchtigt wurde. Darüber hinaus werden Geräte im Zentrum für Grenzflächen-dominierte Höchstleistungswerkstoffe betreut und genutzt, insbesondere die dort vorhandenen Anlagen zum Plasma-basierten Ätzen, und es besteht eine aktive Kooperation mit dem IMN MacroNano® und ZMN der TU Ilmenau.

Phantasie ist wichtiger als Wissen, denn Wissen ist begrenzt.
Phantasie aber umfasst die ganze Welt.
Albert Einstein

Mikroaktorik

Vorwiegend auf Basis der „Silicon-On-Insulator“–Technologie (SOI) werden komplexe mikroaktorische Systemkonzepte erforscht. Dabei stehen elektrostatische Prinzipe im Vordergrund und schließen auch fluidische Systeme ein, die Tropfen mittels dielektrischer Effekte bewegen. Viele Forschungsarbeiten auf diesem Gebiet resultieren aus konkreten Fragestellungen in Anwendungen mit Anforderungsprofilen, für die bestimmte Kraft-Weg-Kennlinien erforderlich sind.
Ein aktuelles Beispiel ist ein Ansatz für einen Nanotaster, der für unterschiedliche Anwendungen in der Medizintechnik und Materialforschung optimiert und grundlegend erforscht werden soll. In dieser Anwendung wird eine integrierte Messung benötigt, mit der die Auslenkung gemessen werden kann, um über die Wegsteuerung auch den Krafteintrag in ein zu analysierendes Material zu beeinflussen. Derzeit laufen hierzu grundlegende Machbarkeitsuntersuchungen.
Im Rahmen des DFG-Sonderforschungsbereichs MARIE Teilprojekt C12, erforschen wir Mikroreflek­toren für Reflectarrays, also Reflektor-Flächen, mit denen die Phase der einfallenden THz-Strahlung lokal so gestellt werden kann, dass ein Array aus diesen Reflektoren wie ein Gruppenstrahler die Welle gezielt umlenkt. Die Herausforderung liegt dabei im notwendigen Stellweg: der Reflektor muss um die halben Wellenlänge und damit um bis zu 600 µm verschoben werden, und dies idealerweise in definierten Schritten, so dass eine präzise, schrittweise Strahllenkung möglich ist. Hierzu werden derzeit kaskadierte elektrostatische Aktoren erforscht, die in Arrays zusammengefasst ein Reflectarray bilden werden.
Ziel Grundlagen-orientierter Arbeiten ist es, einen integralen Ansatz für alle elektrostatischen Kraftwirkungen sowie deren Wechselwirkung zu erarbeiten, die bislang noch weitgehend getrennt und aktorspezifisch genutzt und beschrieben werden.
Im DFG Schwerpunktprogramm KOMMMA wird sich der Lehrstuhl zum einen mit dem Teilprojekt „Räumliche Aktorik auf der Basis von wechselwirkenden elektrostatischen Effekten und deren Kontrolle“ befassen und in einem zweiten Teilprojekt „Kick & Catch“ die definierte Drehung einer frei beweglichen Kugel durch die Interaktion unterschiedlicher Aktoren zu erreichen, wobei die Kugel sowohl aktiv aus der Ruhelage herausbewegt als auch definiert wieder eingefangen werden soll. Bei diesen Projekten besteht eine Kooperation mit Prof. Christoph Ament (Universität Augsburg sowie mit Prof. Ulrike Wallrabe (Universität Freiburg) und Prof. Tamara Bechthold (Hochschule Wilhelmshaven).

Ohne Spekulation gibt es keine neue Beobachtung.
Charles Darwin

Energieautarke Mikrosensorik

Energieautarke Systeme wurden bislang zumeist so verstanden, dass die Elektronik auf immer geringeren Energieverbrauch optimiert wird und die benötigte elektrische Hilfsenergie mittels Harvesting aus der Umgebung gewonnen wird, etwa aus mechanischen Bewegungen, Licht oder Temperatur-Gradienten.
Unser Ansatz hingegen zielt darauf ab für die Verstärkung, Speicherung und AD-Wandlung ganz auf elektrische Hilfsenergie zu verzichten. In vielen Anwendungsfällen reicht es aus, wenn Mikrosensoren in Intervallen abgefragt werden, dann aber Informationen aus dem vorangehenden Intervall zur Verfügung stellen, etwa die erreichten Extremwerte von Messgrößen. Anderen Informationen sind etwa die Häufigkeit einer Grenzwertüber- oder Unterschreitung oder das Integral einer Größe über die Zeit. Ein Beispiel für eine Integralgröße ist das Temperatur-über-Zeit-Integral, das viele Alterungsprozesse beschreibt.
Für das Messen und Speichern ist stets Energie notwendig, aber viele Messgrößen bringen genug nichtelektrische Energieformen mit, um einen z.B. mechanischen Speicher direkt zu beschreiben oder einen Zähler zu setzen.
Darüber hinaus können die Ergebnisse gleich so codiert werden, dass sie digital mittels einer nur temporär zu aktivierenden Schnittstelle ausgelesen werden können, z.B. mittels NFC oder RFID-Technik.
Das Ziel ist es, eine Familie an speichernden Sensoren aufzubauen, die ohne elektrische Hilfsenergie auskommen, aber dennoch per Funk jederzeit abgefragt werden können. Die Forschung wird derzeit im BMBF ForMikro-Projekt UpFUSE gemeinsam mit der Technischen Universität Chemnitz, der Universität Paderborn sowie den dort jeweils ansässigen Fraunhofer-Instituten des ENAS durchgeführt. Neben den mechanischen Konzepten der RUB werden in Chemnitz nanoionische Speicher erforscht und diese passiven Sensoren dann gemeinsam mit Paderborn in RFID-basierte Sensorknoten integriert. Mehrere Industriepartner begleiten diese Forschung und unterstützen das Projekt mit ihrer Expertise, aber auch ihren potenziellen Anforderungen an zukünftige passive Sensoren.

Alle sagten: „Das geht nicht!“
- Dann kam jemand, der das nicht wusste, und hat es einfach gemacht!

Zweidimensionale Materialsysteme für Elektronik und Sensorik

„Forschungslabor Mikroelektronik Bochum für 2D-Elektronik“
2D Materialien sind eine relativ junge Klasse von Materialien, die aus sehr dünnen, im Idealfall monolagigen, aber dennoch kristallinen Schichten bestehen. Eine besondere Eigenschaft ist, dass hier unterschiedliche Schichten auch dann kombiniert werden können, wenn ihre Kristallgitter nicht angepasst sind. Allerdings dominieren andererseits generell Grenzflächen-Effekte die Eigenschaften von Schichtstapeln. Daraus erwachsen viele neue Fragen aus der Herstellung großflächiger, monolagiger Schichten, aber insbesondere auch aus der gezielten Strukturierung so dünner Schichtstapel, die für funktionale Elemente wie Transistoren oder Sensoren zwingend notwendig ist, und nur mit neuen Technologien gelöst werden kann.
2D-Elektronik/Sensorik ist transparent, flexibel und biokompatibel geworden. Dabei besitzt die Technologie für dieses hochaktuelle Feld der Mikroelektronik basierend auf 2D-Materialien noch nicht den für industrielle Massenanwendungen notwendigen Reifegrad.
Die Arbeit auf diesem Gebiert erfordert eine enge interdisziplinäre Kooperation mit Chemikern und Plasmatechnik-Experten, um monolagengenaue, großflächige additive und subtraktive Prozesse für 2D Materialien zu erforschen und sie für innovative Bauelemente und Mikrosysteme zu nutzen. Da die Eigenschaften der 2D Materialien u.a. eng verknüpft mit ihrer Kristallstruktur, der Anzahl an Atomlagen, der Morphologie, der Orientierung, der Grenzflächen und der Dotierung sind, können sie hinsichtlich ihrer mechanischen, elektrischen und optischen Eigenschaften vielfältig konfiguriert werden.
Grundlage dieser Arbeiten ist eine leistungsfähige Forschungsinfrastruktur mit neuartiger Anlagentechnik, um die hochempfindlichen Schichten durchgehend im Vakuum bearbeiten zu können. Die Basis dazu legt das BMBF Forschungslabor Mikroelektronik Bochum für 2D-Elektronik ForLab PICT2DES. Es ist eines von 12 Forschungslaboren in Deutschland. Gegenstand ist ein Prozess-integrierendes Clustertool für bis zu 200 mm Substrate, welches Atomlagen-Abscheidung (Atomic Layer Deposition, ALD), Atomlagen-Ätzung (Atomic Layer Etching, ALE), Plasmaunterstützte Gasphasenabscheidung (PECVD) sowie Reaktives Ionenätzen (Reactive Ion Etching, RIE) mit in-situ Plasmadiagnostik in einem Gerät, ohne Vakuumbruch beim Transfer zwischen den Prozessen, vereint. Ziel ist es, neuartige Elektroniksysteme auf Basis der 2D-Integration zu entwickeln, die Marktsegmente wie die flexible Mikroelektronik, hochsensitive Sensoren oder mikrofluidische Systeme erschließen. Das Clustertool wird derzeit beschafft und soll bis 2021 vollständig in Betrieb gehen.
Im Rahmen des DFG Schwerpunktprogramms „High Frequency Flexible Bendable Electronics for Wireless Communication Systems” FFlexCom, SPP 1796 geht es um die Realisierung erster vollständig biegsamer integrierter Dünnfilmelektronik zur drahtlosen Kommunikation und deren Hochfrequenzeigenschaften. Um Frequenzen im niedrigen GHz Bereich zu erzielen, kommen innovative Materialklassen zum Einsatz, die neben einer hohen Beweglichkeit eine ausreichende mechanische Stabilität bieten. Gemeinsam mit der Gruppe für Anorganische Chemie (Prof. Dr. Anjana Devi) wird die faszinierende Materialklasse der Übergangsmetalldichalkogenide und deren Anwendung in flexibler, biegsamer Elektronik erforscht. Die Übergangsmetall-Dichalkogenide zeigen eine hohe Transparenz, eine gegenüber den organischen und Metalloxid-Halbleitern deutlich höhere Leitfähigkeit und hohe mechanische Stabilität.
Im Rahmen des BMBF geförderte ForMikro Projekts „Erforschung neuartiger, flexibler Sensorsysteme auf Basis zweidimensionaler Materialsysteme“ FlexTMDSense wird ein Konsortium aus vier Gruppen der RUB (Mikrosystemtechnik, Chemie Anorganischer Materialien, Allgemeine Elektrotechnik und Plasmatechnik, Laseranwendungstechnik) und dem Fraunhofer-Institut Mikroelektronische Schaltungen (IMS) Duisburg. Das Projekt wird von sechs Industriepartnern begleitet. Ziel ist es, auf Basis der 2D Materialien und aufbauend auf den Erkenntnissen der Grundlagenforschung erste Funktionsmuster flexibler Sensorsysteme (Gassensoren sowie pH-Sensorsysteme) auf 200 mm Substraten zu fertigen.

Geh nicht immer auf dem vorgezeichneten Weg,
der nur dahin führt, wo andere bereits gegangen sind.
Alexander Graham Bell

Optische Mikrosysteme

Optische Mikrosysteme bilden einen durchgehenden Schwerpunkt der Forschungstätigkeit.
Angefangen von Wellenleiter-Systemen für die Sensorik und die Optische Kommunikationstechnik bis hin zu Emittern und Absorbern für die langwellige Infrarot-Technik. Hierbei liegt der Schwerpunkt auf dielektrischen Wellenleitern, entweder auf Basis von (dotiertem) SiO2 oder im Infraroten auf Basis von Silicium, das über einen extrem weiten Bereich oberhalb der Bandlücke hochgradig transparent ist (minimaler Absorptionskoeffizient) und eine hohe, aber konstante Brechzahl um 3,5 aufweist.
Durch geeignete Ätzung kann die Silicium-Oberfläche so aufgeraut werden, dass eine Art Mottenaugeneffekt den Brechzahlübergang reflexionsarm gestaltet. Dieses Thema wird im BMBF-Projekt PaSiC „Silicium-Keramik-Hybridsubstrat als Integrationsplattform für photoakustische und optische Anwendungen“ (Projektstart: Oktober 2020) in Kooperation mit der Fa. Infineon erforscht. Durch eine zusätzliche geeignete Beschichtung mit Metallen können die gleichen Oberflächen jedoch auch zu nahezu idealen Absorbern bzw. Emittern für IR-Strahlung verwandelt werden.
Im Bereich der Optischen Kommunikationstechnik wurden bereits sehr unterschiedliche Konzepte für optische Schalter erforscht, die entweder auf dem mechanischen Bewegen von Wellenleitern beruhen oder die die Beeinflussung des effektiven Brechungsindex eines Wellenleiters in einer adiabatischen Verzweigung nutzen. Die Änderung der Brechzahl kann dabei entweder thermooptisch (EU-Projekt COBNET, durchgeführt an der Universität Dortmund) oder durch dielektrisches Schalten flüssiger Mantel-Medien (EU-Projekt SWIFT, durchgeführt an der TU Ilmenau) erfolgen. Für diese Anwendung sind insbesondere Wellenleiter mit einem ausgeprägten evaneszenten Feld entwickelt worden.
Aktuell werden Wellenleiter auf Basis photonischer Kristalle im Rahmen des MARIE Teilprojekts C12 als Tags für die Ortung realisiert. Die von der TU Darmstadt (Teilprojekt C09) entworfenen schmalbandig hochresonanten Wellenleiter-Abschnitte mit Modenkonvertern werden dazu in hochresistivem Silicium gefertigt und weisen eine sehr hohe Güte auf. Für die zweite Phase von MARIE ist der Einsatz von Si-basierten Wellenleitern – allerdings in einer sehr breitbandigen Auslegung z.B. als dielektrischer Schlitz-Wellenleiter für THz-Strahlung vorgesehen. Hierzu können die Parameter aus dem nahen und mittleren IR-Bereich auf die größeren Wellenlängen im THz-Bereich hochskaliert werden, da die Si-Eigenschaften praktisch konstant bleiben; es ändert sich „nur“ die Wellenlänge.

Es ist nicht genug zu wissen, man muss auch anwenden;
es ist nicht genug zu wollen, man muss auch tun.
Johann Wolfgang von Goethe

Mikro-Nano-Integration

Dieses Thema bildet einen der langfristigen, übergreifenden Schwerpunkte der eigenen Forschung; seit 2007 leitet Prof. Dr.-Ing. Martin Hoffmann den Fachausschuss 4.7 Mikro-Nano-Integration der VDE Fachgesellschaft GMM.
Es zeichnet sich insbesondere ab, dass im Rahmen der More-than-Moore Strategie hier auch der Integration von Post-CMOS-Nanostrukturen auf Mikroelektronik-Wafern eine Schlüsselrolle zukommen wird. Da moderne Foundries der Mikroelektronik aber fast vollständig auf 200 mm Substrate umgestellt sind, besteht in diesem Bereich die Notwendigkeit, zumindest in einigen Kernprozessen auch 200 mm Wafer handhaben bzw. zumindest in die Anlagen laden zu können. Eine vollständig homogene Strukturierung oder gar automatisierte Handhabung ist dazu nicht notwendig, da es zunächst um Machbarkeitsstudien gehen wird, Hierzu gehört auch das neue Feld der zweidimensionalen Materialsysteme an, das als eigener Schwerpunkt in der Mikro-Nano-Integration bearbeitet wird.
Mit Hilfe der Mikrosystemtechnik ist inzwischen auf vielfältige Weise die Integration von Nanostrukturen in Mikrosysteme möglich, so u.a. durch geeignete selbst- oder fremdmaskierte Plasmaätzverfahren. Hierzu wurde u.a. ein mittels optischer Emissionsspektroskopie kontrollierter Ätzprozess für Si-Gras-Nadeln erforscht, der die Grundlage für selbstorganisierende Nanostrukturen bildet. In Kombination mit Nanoimprint-Lithografie (NIL) und Atomlagen-Abscheidung (ALD) sind hier viele Anwendungen adressierbar, die vom extrem großen Oberflächen-zu-Volumenverhältnis von Nanostrukturen profitieren. Anwendungen, die hier derzeit im Vordergrund stehen, sind dabei Si-Gras mit zusätzlichen Beschichtungen für die Medizintechnik und Biologie (be- und entnetzende Eigenschaften, Fragen des Zellwachstums auf Nano-Oberflächen) sowie als Infrarot-optische Grenzflächen mit entspiegelnden bzw. hoch emittierenden Eigenschaften.
An dieser Stelle werden auch Verknüpfungen innerhalb der RUB, insbesondere zum Zentrum für Grenzflächendominierte Höchstleistungswerkstoffe (ZGH), Research Department „Plasmas with Complex Interactions” und Materials Research Department. Die Mikro-Nano-Integration basiert im Wesentlichen auf den zuvor aufgeführten Technologien, um sie auch für kleine und mittlere Unternehmen zugänglich zu machen, ergänzt um inzwischen verfügbare Prozesstechnologien wie Nano-Imprint-Lithografie (als Add-On der UV-Lithografie), Elektronenstrahl-Lithografie, modifiziertes tiefes Si-Ätzen und Atomic-Layer Deposition (ALD) sowie hochauflösende Rasterelektronenmikroskopie.