Deutsche Version. Ideas on. Chips INSTITUT FÜR MIKROELEKTRONIK STUTTGART

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1 Deutsche Version Ideas on Chips

2 IDEAS ON CHIPS Lehre Forschung Entwicklung und Produktion mikroelekronischer Systeme Gefragt in Mikroelektronik und Nanostrukturierung Das (IMS CHIPS) betreibt Forschung und Kleinserienproduktion auf den Gebieten Silizium-Technologie, Anwenderspezifische Schaltkreise (ASIC), Nanostrukturierung und Bildsensorik. Das Institut, eine als gemeinnützig anerkannte Stiftung nach bürgerlichem Recht, sieht sich als Partner kleiner und mittlerer Unternehmen und arbeitet mit international führenden Halbleiterunternehmen und Zulieferern zusammen. KERNKOMPETENZEN Schaltungs- und Systementwurf für Mikrochips und Mikrosysteme ASICs und CMOS-Bildsensoren Innovative Chipfertigungsprozesse, Prozessdienstleistungen MEMS, optische Elemente, Replikationsmaster, Stencilmasken Unabhängige, zertifizierte Entwicklung und Fertigung aus einer Hand 173/F/12_11

3 IDEAS ON CHIPS Lehre Forschung Entwicklung und Produktion mikroelekronischer Systeme Institut für Mikroelektronik Stuttgart Das IMS ist Partner kleiner und mittlerer Unternehmen, insbesondere in Baden-Württemberg, und arbeitet mit international führenden Halbleiterunternehmen und Zulieferern zusammen. Allmandring 30a Stuttgart Tel Fax Institutsleiter: Prof. Dr. Joachim Burghartz Beschäftigte: 99 Haushaltsvolumen: 18,1 Mio Kooperationen mit Firmen, Forschungseinrichtungen und Universitäten: über 100 Öffentlich geförderte Verbundprojekte: 20 Stand: Forschungsgebiete des Instituts sind unter anderem die Nano technologie, Mikromechanik, Mikrosysteme und Bild sensoren. So wurde vom IMS ein winziges Video-Endoskop mit einem nur drei Millimeter großen Bildsensor, der in die Endoskopspitze eingebaut wird, entwickelt. Auch stellten Wissenschaftler des IMS spezielle Chips für die medizinische Forschung bei der Entwicklung von Retina-Implantaten her. Diese sollen erblindeten Menschen einen Teil ihrer Sehkraft zurückgeben. Bei der Entwicklung und Fertigung hochentwickelter Foto masken und diffraktiver optischer Komponenten ist das IMS international im Spitzenbereich. Hierzu steht eine Entwickl ungs- und Produktionsumgebung mit modernsten Strukturie r ungs- und Messgeräten zur Verfügung. Das IMS ist an internationalen Forschungsprojekten beteiligt und arbeitet eng mit der Universität Stuttgart und anderen Hochschulen des Landes zusammen. Das IMS war 1995 eines der ersten drei europäischen Unter nehmen, das die Hersteller- und Technikaner kennung gemäß EN erwarb und ist heute nach der aktuellen QC zertifiziert. 173/F/12_11

4 IMS ASICs ASICs aus einer Hand vom Entwurf bis zur Serienproduktion Das Geschäftsfeld ASICs entwickelt, fertigt und testet mikroelektronische Schaltungen, wobei der Schwerpunkt bei ASICs nach dem Gate-Array- Prinzip liegt. Im Gate-Array-Prozess werden vorgefertigte Master-Wafer mit kundenspezifischen Metallisierungsebenen versehen. Mit dem IMS 0,5µm/0,8µm CMOS-Prozess steht eine leistungsfähige Gate-Array-Technik sowohl für rein digitale als auch für Mixed-Signal-Anwendungen mit analogen Funktionen zur Verfügung. IMS GATE FOREST ASICs... Die Eckdaten unserer Mixed-Signal-Gate-Array-Technik: analoge und digitale Signalverarbeitung niedrige Entwicklungskosten kurze Fertigungszeiten auch geringe Stückzahlen möglich ideal für kleine und mittlere Unternehmen IMS ASICs können in kleineren und mittleren Stückzahlen langfristig und ohne große Stückzahlverpflichtung bezogen werden. Prozesse und Fertigung sind nach internationalen Standards zertifiziert (ISO 9001 und QC ). IMS ASIC SERVICE schnelle und kostengünstige Fertigung von Einzelwafern und Kleinlosen für typische Stückzahlen zwischen ASICs pro Auftrag Montagelinie für Keramik- und Sondergehäuse externer Verpackungsservice für die Chipmontage im Plastikgehäuse Testlabor für Wafer und Bauteile mit standardisierten oder kundenspezifischen Testmethoden flexible Lieferung als Wafer, Einzelchips (Bare Die) oder Bauteil im Gehäuse Bauteilqualifizierung nach MIL-STD im eigenen Qualitätslabor und mit zertifizierten Partnern europäische Second Source für Liefersicherheit und bei größerem Produktionsbedarf 175/F/12_11

5 IMS ASICs HyperBraille grafikfähiges Flächendisplay für Blinde und Sehbehinderte 60 x 12 Braille-Module (120 x 60 Punkte /300 x 150 mm 2 ) Mit dem zweidimensionalen, interaktiven und grafikfähigen Braille-Display sollen blinde Menschen erstmals Zugang zu grafischen Benutzeroberflächen von Computerprogrammen erhalten, wie sie heute für sehende Menschen Standard sind. Das Display kann nicht nur Braille-Schrift anzeigen, sondern auch zur Darstellung beliebiger Konturen wie Programmfenstern oder Schaltflächen genutzt werden. Alle Elemente des Displays sind berührungsempfindlich, d. h. der Benutzer kann durch Antippen der entsprechenden Stelle Aktionen auslösen, die z. B. einem Mausklick entsprechen können. Diese Funktionalität wird durch einen IMS Mixed Signal ASIC (CSAS2) erzielt, der bei Kontakt eines Fingers mit der Platte die minimalen Kapazitätsänderungen erkennt und an die Steuerung weitergibt. Arbeitsweise des Moduls Durch Abtasten der ausgefahrenen Stößel kann die Information wahrgenommen werden, die entsprechend der genormten Computer-Brailleschrift oder als Grafik dargestellt wird. Aufbau und Ansteuerung Zusätzlich wird durch Nähern oder Berühren mit dem Finger ein Signal erzeugt, das im CSAS2 erfasst und digitalisiert wird. Diese Signale können im Computer Aktionen wie Maus-Klick, Menü-Öffnen etc. auslösen. HVASIC 10D: steuert die Piezobieger der Stößel direkt mit 200 V an. ca. 85 mm CSAS2: verarbeitet die Signale des Näherungssensors, steuert den HVASIC 10D an und kommuniziert mit dem Display- Controller. MODULE: Ansicht von oben und von der Seite mit HV 10D und CSAS2. Tastflläche 12,5 x 5 mm. Alle wesentlichen Komponenten und Verfahren zur Herstellung des HyperBraille werden im Rahmen des Projekts entwickelt und als Prototypen verfügbar sein. Das IMS entwirft und fertigt den Auswerte ASIC CSAS2 und den Piezotreiber HVASIC 10D. Diese Chips wurden durch Weiterentwicklung mit mehr Funktionalität und höherer Portabilität ausgestattet. Weitere Projektpartner und Unterauftragnehmer: METEC Ingenieur-AG, Stuttgart F.H. Papenmeier GmbH & Co. KG, Schwerte Institut für Angewandte Informatik der TU Dresden Institut für Informatik der Universität Potsdam Blista, Deutsche Blindenstudienanstalt e.v. Institut für Zeitmesstechnik, Fein- und Mikrotechnik, Universität Stuttgart Institut für Visualisierung und Interaktive Systeme, Universität Stuttgart T.O.P. GmbH & Co. KG, Freiburg Förderung: Förderprogramm Konvergente IKT/Multimedia Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (BMWi) Projektbetreuung: Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.v. Projektträger Multimedia, Köln Projektlaufzeit: /F/12_11

6 IMS ASICs Hochspezialisierte Bildsensoren und ASICs für die Raumfahrt TanDEM-X und TerraSAR-X im Formationsflug Radarsatelliten TerraSAR-X und TanDEM-X In Weltraumanwendungen eingesetzte ASICs werden extremen Umgebungsbedingungen wie Temperatur, Beschleunigung und Strahlenbelastung ausgesetzt. Daneben wird eine lange, zuverlässige Betriebsdauer erwartet. Das IMS hat langjährige Erfahrung in der Entwicklung von weltraumtauglichen Chips. Jüngste Beispiele dafür sind die deutschen Radarsatelliten TerraSAR-X und TanDEM-X mit IMS ASICs an Bord. TanDEM-X liefert erste 3D-Bilder: Donregion bei Kalasch Am 21. Juni 2010 startete eine Dnjepr-Trägerrakete vom Weltraumbahnhof Baikonur in Kasachstan und brachte den von der Friedrichshafener EADS- Tocher Astrium gebauten Radarsatellit TanDEM-X ins Weltall. Zusammen mit seinem seit 2007 im All arbeitenden Zwillingsbruder TerraSAR-X soll dieser neue Radarsatellit die komplette Landoberfläche der Erde vermessen. Ziel ist die Erstellung eines digitalen Geländemodells in bisher unerreichter Qualität. TanDEM-X und TerraSAR-X bilden ein Radar-Interferometer: Sie fliegen nur wenige hundert Meter voneinander entfernt in enger Formation und ermöglichen so zeitgleiche Aufnahmen des Geländes aus verschiedenen Blickwinkeln. Die Satelliten umrunden die Erde in einer Höhe von 514 Kilometern auf einer polaren Umlaufbahn. Sie arbeiten unabhängig von Wetterbedingungen, Wolkendecke und Tageslicht und werden fünf Jahre lang im Einsatz sein. Die Satelliten sind in der Lage, Objekte ab einer Größe von einem Meter zu erkennen. Sternsensor zur Lagebestimmung von Raumfahrzeugen In Weltraumanwendungen eingesetzte ASICs werden extremen Umgebungsbedingungen wie Temperatur, Beschleunigung und Strahlenbelastung ausgesetzt. Daneben wird eine lange, zuverlässige Betriebsdauer erwartet. Das IMS hat langjährige Erfahrung in der Entwicklung von weltraumtauglichen Chips. Bildsensor mit 664 x 664 Pixel-Auflösung Schnittzeichnung des Sternsensors mit Kameragehäuse und Optik 179/F/12_11

7 IMS ASICs MODEKT Direktermittlung medizinischer Daten in der Arztpraxis Modulare Detektionsplattform MoDekt ist ein Sensor für markierungsfreie, direkt optische Bioanalyseverfahren - ein Minilabor für die medizinische Diagnostik, von der Blutabnahme, über die labortechnische Behandlung bis zur Diagnose. Grundlage des Sensors ist eine Dünnschicht- Fotodiode mit daran anschließender Auswerteelektronik auf der Basis hochgenauer Strom-Frequenz-Konverter. Mit MoDekt können lange Wege zu Zentrallabors und Wartezeiten verringert, Kosten gesenkt und Therapien effizienter durchgeführt werden. Die Ermittlung medizinischer Untersuchungsergebnisse direkt in der Arztpraxis, im Rettungswagen oder bei chronisch kranken Patienten ist ein wichtiges Thema in der Medizintechnik (Point-of-Care Testing POCT). Gemeinsam mit den Partnern des Industriebeirats kann dann für die jeweilige Anwendung ein optimiertes System aus dieser Plattform entwickelt werden, zum Beispiel der Bakterien nachweis im Scheckkartenformat für daheim. Reflektometrische Interferenzspektroskopie RIfS Das zugrunde liegende Messprinzip ist die reflektometrische Interferenz spektro skopie RIfS. Dabei wird Licht an zwei Grenzflächen einer dünnen, transparenten und hochbrechenden Schicht reflektiert und das Interferenz spektrum dieser Teilstrahlen beobachtet. Es entsteht ein charakteristisches Wellen längen- oder Farbmuster. In der MoDekt-Plattform übernimmt ein Foto-Sensor- Array aus lichtempfindlichen Dioden die Aufgabe der Detektion des reflektierten Lichts. Diese vom Institut für Photovoltaik (ipv), vormals Institut für Physikalische Elektronik (IPE), der Universität Stuttgart gefertigten Sensoren, die sich auf der Unterseite des Glas trägers befinden, erfassen die Intensitäts änderung durch das Andocken der Biomoleküle an der aktiven Schicht. Intensität Flusszelle ipe Photodioden Wellenlänge IMS ASIC Funktionsweise des RIfS-Messprinzips Sensorchip mit 10 Fotodioden MoDekt-System Das IMS entwickelte zur Auswertung der schwachen Signale einen anwendungsspezifischen Chip (ASIC). Dieser misst die Fotoströme und wandelt sie nach dem Prinzip der Strom-Frequenz umsetzung in digitale Daten um. Zur digitalen Weiterverbreitung werden die Informationen über eine serielle Schnittstelle an den PC übertragen. Das Testsystem wurde mit verschiedenen Bioschichten erprobt, wobei die Ergebnisse des MoDekt-Systems direkt mit den qualifizierten Analyseverfahren der Universitätsklinikum Tübingen verglichen wurden. MoDekt-ASIC Projektpartner: Institut für Physikalische Elektronik (ipe), Universität Stuttgart (Koordination) Institut für Physikalische und Theoretische Chemie (IPTC), Universität Tübingen Insitut für Technische Optik (ITO), Universität Stuttgart Medizinische Universitätsklinik (UKT), Universitätsklinik Tübingen Förderung: biomst im Rahmenprogramm Mikrosysteme BMBF Projektbetreuung: Inneruniversitäre Zentrum für medizinische Technologien Stuttgart-Tübingen (IZST) Projektlaufzeit: /F/12_11

8 IMS ASICs ValMon Magnetventile werden schlau durch integrierte Mikroelektronik Das vom Bundesministerium für Bildung und Forschung geförderte Projekt ValMon befasst sich mit der elektronischen sensorlosen Überwachung von Magnetventilen. Gemeinsam mit einem Magnetventil-Hersteller werden mo dernste, sich selbst überwachende Magnetventile entwickelt, die z.b. in kritischen Anwen dungen eingesetzt werden können. ValMon ValMon Das Forschungsprojekt ValMon ein Kunstwort aus Valve-Monitoring Ventil- Überwachung befasst sich mit der laufenden Überwachung eines Magnetventils durch eine ausgeklügelte Elektronik, die direkt ins Ventil mit eingebaut wird. Damit werden kleinste Änderungen im elektrischen Verhalten des Ventils erfasst und gleichzeitig der Stress, also Temperaturschwankungen, Spann ungsschwankungen usw. beobachtet. Diese Beobachtung ermöglicht der Elektronik ein rechtzeitiges Erkennen von Alterungseffekten oder einem drohenden Ausfall des Magnetventils. Die künftigen schlauen Magnetventile können sich über entsprechende Signale bemerkbar machen und z.b. eine Maschinensteuerung rechtzeitig auf ein sich abzeichnendes Problem hinweisen. Solche sich selbst überwachenden Ventile können in gefährlichen Bereichen eingesetzt werden oder in der Medizintechnik, etwa bei Beatmungsgeräten. Das Projekt ist Teil der BMBF-Förder maßnahme KMU-innovativ und wird mit rund Euro gefördert. Das Projekt im Internet: Partner 183/F/12_11

9 IMS ASICs Die Smart Power Gate Arrays kommen neue ASIC-Plattform in Gate-Array-Technik mit integrierten Powerkomponenten Mit dem erfolgreichen Abschluss des vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie geförderten Projekts 24 V-ASICs wurde die Machbarkeit von Gate Arrays mit integrierten Powerkomponenten zusätzlich zu digitalen und analogen Funktionen demonstriert. Erste Musterchips sind bei verschiedenen Unternehmen aus der Region in der Erprobung. Evaluations-Kit für 24 V-ASICs Durch das Gate-Array-Prinzip können solche Smart Power Gate Arrays auch in vergleichsweise kleinen Stückzahlen produziert werden, was erstmals auch kleinen und mittelständischen Unternehmen einen erschwinglichen Zugang zu dieser Technologie bietet. Im Projekt wurden typische Industrieanforderungen an eine 24 V-ASIC-Zellbibliothek erfasst und ein universelles 24 V-ASIC- Master konzept in einer geeigneten Hoch volt-technologie entworfen. In einer Versuchsfertigung wurden drei unterschiedliche Schaltungsdesigns auf dem Master erfolgreich hergestellt. Zur Erprobung der Chips wurde eine Testplatine und eine PC-Software als Bedienoberfläche entwickelt und den Projektbeteiligten zur Verfügung gestellt. 24 V-ASICs erlauben innovative 1-Chip-Schaltungslösungen für die industrielle Steuerungstechnik, die weitgehend mit 24 V-Signalpegeln arbeitet, und für die direkte Ansteuerung von Kleinleistungsverbrauchern (Relais, Magnetventile, Stellmotoren). Durch den robusten HV-Prozess (Arbeits temperatur bis 200 C und Prozessvarianten von 25 V bis 700 V) eröffnen sich für solche ASICs zudem völlig neue An wendungsbereiche, etwa in der Energie technik, Gebäude automatisierung, Elektro mobilität etc. Mit dem seit vielen Jahren bei IMS CHIPS verfügbaren GATE FOREST steht eine bewährte Kleinserien-Technologie zur Verfügung. Im Projekt 24 V-ASICs gelang es, das Gate-Array- Prinzip auf die robuste und für Leistungsanwendungen ausgelegte TFSMART1-Technologie des Heilbronner Halbleiterherstellers Telefunken Semiconductors zu übertragen. Telefunken Semiconductors und IMS CHIPS arbeiteten eng im Projekt zusammen und ermöglichten so die Entwicklung des neuen Smart Power Gate Arrays. Erste Industrieunternehmen bekundeten bereits konkretes Interesse, eigene ASICs auf dieser Basis anfertigen zu wollen. Ende 2012 ist mit der Verfügbarkeit der ersten Smart Power Gate Arrays von IMS CHIPS für Industrieanwendungen zu rechnen. Das Projekt 24 V-ASICs wurde als IGF-Vorhaben N /1 der Forschungs vereinigung Forschungskuratorium Maschinenbau e.v. - FKM, über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung und -entwicklung (IGF) vom Bundes ministerium für Wirtschaft und Techno logie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. 185/F/12_11

10 IMS ASICs Test und Charakterisierung von Mixed- Signal-ICs und Sensorsystemen am IMS IMS CHIPS besitzt durch langjährige Erfahrung in der Entwicklung und Produktion von digitalen und analogen Schaltungen, wie sie zum Beispiel in der GATE FOREST Familie und in HDRC Bildsensoren eingesetzt werden, umfangreiches Know-how im Test und in der Charakterisierung von Mixed-Signal-ICs und Sensorsystemen. Alle Schaltungen werden im Rahmen der Qualitätskontrolle nach festgelegten, strengen Kriterien auf korrekte Funktionalität getestet. Die Tests finden auf vollständigen Silizium-Scheiben (Wafertest) und an gehäusten ICs (Bauteiltest) statt. Durch geeignete Test- und Prüfstrategien ist somit gewährleistet, dass nur funktionsfähige Chips ausgeliefert werden. Als Testsystem verwenden wir SOC Tester V93000 von Verigy in Kombination mit 8 Wafer Probern und Bauteilehandler für alle gängigen Packages. Ausbaustufe mit 256 digitalen Kanälen und erweiterten 64 MVektoren Speichertiefe Taktrate bis 800 MHz 4 Digitizer zum Abtasten analoger Signale (AD-Umsetzer, 14 bit/65 Msps, 24 bit/200 ksps) 4 Arbitrary Waveform Generatoren (DA-Umsetzer, 14 bit/100 Msps, 24 bit/1024 ksps) Flexibles Interface Design Optische Stimulation für Charakterisierung der Bildsensoren 189/F/12_11

11 IMS Si-Technologie Chipfilm Dünnschichtsilizium Herstellung von integrierten Schaltungen auf ultradünnen Siliziumfilmen durch eine neuartige Prozesstechnik IMS CHIPS entwickelt in Zusammenarbeit mit der Robert Bosch GmbH Reutlingen ein industriekompatibles Verfahren zur Herstellung ultradünner Chips mit Chipdicken unter 20 µm und untersucht die Eigenschaften solcher Bausteine. Das neuartige Verfahren beruht auf der Herstellung von Hohlräumen in Siliziumwafern wenige Mikrometer unterhalb der Oberfläche. Nach der Integration der elektronischen Schaltkreise ist dann ein Herauslösen der Chips aus der Waferoberfläche möglich. Ultradünner RF-ID Chip auf Foliensubstrat 20 μm Siliziumchip (4,5 mm x 4,5 mm Kantenlänge) Mikrochips werden heute in geringer Bauhöhe in Produkte integriert. Für neuartige Anwendungen wie die Kombination von Logik- und Sensorbausteinen auf flexiblen Substraten oder die 3D-Integration sind ultradünne Chips mit einer Dicke von wenigen Mikrometern erforderlich. Elektronisches Papier oder intelligente Textilien sind zukünftige Produkte, welche Elektronikbausteine in flexiblen Folie enthalten. Anwendungen die spezielle Chipformen benötigten, sind unter anderem in der Medizintechnik zu finden. Beim Chipfilm Pre-Process wird porös geätztes Silizium zur Herstellung ultradünner Chips genutzt. Es werden Siliziumwafer hergestellt, die auf ihrer Oberfläche eine nur wenige Mikrometer dünne, von Stützstellen gehaltene Siliziummembran tragen. Auf diesen Siliziumschichten können dann mit Hilfe konventioneller Halbleiterprozesse integrierte Schaltungen hergestellt werden. Mit dem neu entwickelten Pick, Crack & Place Verfahren ist es möglich, ultradünne Mikrochips zu fertigen und zu handhaben. Die Funktionalität der auf den dünnen Siliziumfilmen hergestellten Schaltkreisen unterscheidet sich nicht von Schaltkreisen mit Standarddicke. Flexibler 20 μm Chip Schaltkreisherstellung auf Membranwafern und anschließendem Pick, Crack & Place Chipfilm -Wafer mit herausgelöstem Chip 191/F/12_11

12 IMS Si-Technologie Landesforschungspreis für ultradünne Chips Prof. Dr. Joachim Burghartz erhält den Landesforschungspreis im Bereich Angewandte Forschung. Mit der Preisverleihung wird die Entwicklung der Chipfilm -Technologie und die Umsetzung in die Verwertung gewürdigt. Wissenschaftsminister Professor Dr. Peter Frankenberg verlieh am 8. Juli 2010 in Stuttgart den Landesforschungspreis Baden- Württem berg Professor Dr. Joachim Burghartz erhielt den Landesforschungspreis im Bereich Angewandte Forschung. Der Preis im Bereich Grundlagenforschung ging an Professor Dr. Jörn Leonhard von der Universität Freiburg. Die Übergabe der mit jeweils Euro dotierten Preise fand im Rahmen eines Festaktes im Neuen Schloss in Stuttgart statt. Durch die Veranstaltung führte der SWR-Moderator Markus Brock. Mit der Preisverleihung wird die Entwicklung der Chipfilm - Technologie und die Umsetzung in die Verwertung gewürdigt. Das Ministerium für Wissenschaft, Forschung und Kunst schreibt den Forschungspreis jährlich aus. Prof. Dr. Burghartz sieht diesen Preis als Anerkennung für das gesamte Team am IMS, das an der Entwicklung der Technologie mitgearbeitet hat wie auch für die Partner bei Wissenschaftsminister Professor Dr. Peter Frankenberg den beteiligten Firmen und der Universität Stuttgart. Das Preisgeld soll einem neuen Forschungsprojekt zum Thema flexible organische Elektronik in Kooperation mit Wissenschaftlern des Max-Planck-Instituts in Stuttgart zugute kommen, in dem das IMS auch seine Expertise bei der Fertigung neuartiger Stencilmasken und dem Entwurf integrierter Schaltungen (ASIC) einbringen wird. Dank des Preisgeldes wird es uns möglich sein, diese neuen Forschungsfelder zu erschließen. Darauf freue ich mich schon heute, so Joachim Burghartz. Das Team am Institut für Mikroelektronik Stuttgart um Joachim Burghartz hat eine neuartige Methode zur Herstellung extrem dünner Siliziumchips entwickelt. Ihnen ist es gelungen, Chips zu Das Chipfilm-Team produzieren, die bis zu 50-mal dünner sind als herkömmliche Mikrochips. Diese neue Technologie zeichnet sich dadurch aus, dass vor der eigentlichen Prozessierung der CMOS-Schaltung vergrabene Kavitäten im Siliziumsubstrat erzeugt werden. Durch die vom patentierte und inzwischen in Kooperation mit der Robert Bosch GmbH weiterentwickelte Chipfilm -Technologie ist die Herstellung ultradünner, mechanisch flexibler Chips möglich. Vergleich eines herkömmlichen Mikrochips mit einem ultradünnen Mikrochip gleicher Funktion 193/F/12_11

13 IMS Si-Technologie Si-Technologie unterstützt die Physikalisch Technische Bundesanstalt (PTB) im Avogadro Projekt Oxidation hochreiner Silizium-Kugeln am IMS Das Ziel des Avogadro-Projektes ist eine neue Definition des Kilogramms auf der Basis einer Einkristall-Siliziumkugel. Das seitherige Ur-Kilogramm könnte so durch eine im Labor bestimmbare Größe, die Anzahl der Siliziumatome in der Kugel, abgelöst werden. Parallel dazu gibt es den zweiten Ansatz, die Definition des Kilogramms mit der Watt-Waage auf eine Strommessung zurückzuführen. Erste vergleichende Ergebnisse der mit beiden Ansätzen erreichbaren Genauigkeiten wurden im Jahres 2009 erzielt. Das Comité International des Poids et Mesures (CIPM), wird auf Grundlage dieser Ergebnisse eine Empfehlung für eine Neudefinition des Kilogramms aussprechen. Kugel auf dem Quarzboot bei der Ofeneinfahrt Das IMS unterstützt die Physikalisch Technische Bundesanstalt (PTB) bereits seit längerer Zeit mit der Reinigung und der Oxidation solcher Siliziumkugeln. Entsprechend der lokalen Oberflächenorientierung der Kugel bildet sich bei der Oxidation eine etwas unterschiedliche Oxiddicke aus, welche bei der PTB ortsabhängig mit verschiedenen Verfahren gemessen wird. So kann die Masse der Siliziumkugel korrigiert werden. In den Vorversuchen wurde die optimale Oxiddicke ermittelt, welche die Kugel einerseits passiviert und andererseits die Messgenauigkeit bei der Bestimmung der Kugelparameter nicht herabsetzt. Diese Vorversuche wurden an Kugeln ausgeführt, die aus dem natürlich vorkommenden Silizium hergestellt wurden, einem Gemisch der stabilen Isotope mit den Massenzahlen 28, 29 und 30. Um die notwendige Genauigkeit der Messgrößen zu erreichen, musste das häufigste Siliziumisotop 28 Si in einem aufwendigen Verfahren auf 99,994% angereichert werden. Dann wurde ein Einkristall hergestellt, aus dem neben kleineren Testkörpern zwei Kugeln mit jeweils ca. 1 kg Masse gefertigt werden konnten. Die erste isotopenreine Kugel wurde am IMS bereits oxidiert. Dieses Projekt zeigt, dass die Kompeten zen des IMS auch außerhalb der Mikroelektronik gefragt sind und Einzelprozesse auch auf anderen Gebieten wertvolle Beiträge zu internationalen Forschungsprojekten liefern können. 197/F/12_11

14 IMS Si-Technologie MicroTEC Südwest IMS CHIPS ist beim Spitzencluster MicroTEC Südwest dabei Das Institut ist einer der maßgeblichen Akteure bei der Gestaltung des Clusters und wird gemeinsam mit Industrieunternehmen und Forschungseinrichtungen innerhalb des Clusters neue Verfahren und Anwendungen für die Mikrosystemtechnik entwickeln. Die Mikrosystemtechnik beschäftigt sich mit der Entwicklung und Herstellung von mikroskopisch kleinen technischen Systemen und entwickelt sich immer mehr zu einem zentralen Innovat ionsmotor. Mikrosysteme kombinieren mechanische, optische und physikalisch chemische Sensorbauelemente mit mikroelektronischen Schaltungen. Generell verspricht man sich von der Mikrosystemtechnik neue, innovative Produkte und Prozesse und intelligente Antworten auf drängende Fragen zu den Themen der Zukunft Umweltschutz, Energieeffizienz, Mobilität und Gesund heitsversorgung. Der Cluster MicroTEC Südwest ist einer der Gewinner in der zweiten Runde des Spitzencluster- Wettbewerbs des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF). MicroTEC Südwest und vier weitere Spitzencluster erhalten innerhalb der nächsten fünf Jahre eine Förderung von insgesamt bis zu 200 Millionen Euro. Das wird gemeinsam mit Industrieunternehmen und Forschungseinrichtungen innerhalb des Clusters neue Verfahren und Anwendungen für die Mikrosystemtechnik entwickeln. Der Verband Mikrosystemtechnik Baden- Württemberg e.v. (MST BW) ist durch das Ministerium für Finanzen und Wirtschaft in Baden-Württemberg für das Management des Clusters MicroTEC Südwest beauftragt. Insgesamt sind im Cluster MicroTEC Südwest 30 Verbundprojekte vorgesehen, die innerhalb der nächsten Jahre durchgeführt werden sollen. Das wird im Cluster die Produktionsplattform PRONTO etablieren und ist auch maßgeblich an weiteren technischen Projekten beteiligt. Im Bereich Mobilität wird sich IMS CHIPS mit Entwicklungsarbeiten zur bildgebenden Sensorik beteiligen. Gleichzeitig bringt das Institut seine Kompetenzen in den Bereichen Bildung und Didaktik ein. Ausführliche Informationen zum Spitzencluster MicroTEC Südwest unter und Clusterstrukturen MicroTEC Südwest Quelle: Mikrosystemtechnik Baden-Württemberg e.v. MST BW. 199/F/12_11

15 IMS Si-Technologie Produktionsplattform für Mikrosysteme Kalkulierbarer Einstieg in die Mikroproduktion Die Produktionsplattform PRONTO wird gemeinsam von dem Institut für Mikroauf bautechnik (HSG-IMAT) in Stuttgart, dem Institut für Mikro- und Informationstechnik (HSG- IMIT) in Villingen-Schwenningen und dem (IMS CHIPS) betrieben. PRONTO... wendet sich an alle, die eigene Ideen für Mikrosysteme in konkrete Lösungen umsetzen wollen und keine eigene Entwicklungs- und Produktions möglichkeit besitzen.... stellt sicher, dass Resultate in hoher und reproduzierbarer Qualität entstehen und macht neben der Prototypenherstellung auch Kleinserienfertigung möglich.... unterstützt MST-Hersteller beim Aufbau und Serienanlauf eigener Fertigungslinien. ANWENDUNGSFELDER 1 5 Mit der neuen Plattform PRONTO soll der Industrie ein Instrument zur Verfügung gestellt werden, um branchenunabhängig die Anwendung verschiedenster Mikrosystemtechnologien für eigene Produktinnovationen zu erproben, einzuführen und Unterstützung beim Aufbau einer Serienfertigung zu bekommen. Automotive 6 2 Embedded Systems Smart Micro Systems e-mobility 7 PRONTO bietet Zugang zu: Inspektions-, Prüf- und Handhabungstechnik für MST Massenfertigungsverfahren wie Rolle-zu-Rolle und Inkjet-Drucktechniken von Sensoren und MIDs 3 Fertigung und Einsatz ultradünner Mikrochips Planung und Serienanlauf von MST-Fertigungsanlagen Schaltermodul Mikroventil Strömungssensor Reinraum 4 5 Mikrochips auf MID montiert 6 Hybrider Aufbau eines Optikmoduls für einen Drehwinkelsensor 7 Chips für das Retina-Implantat 8 Chip auf gekrümmter Oberfläche Prototypenfertigung Kleinserien Produktionsanlauf Industriequalität 201/F/12_11

16 IMS Si-Technologie µ-probe beheizbare Füh rungs platte für Prüfkarten Feinmetall Mikrochips besitzen an ihren Kanten eine Vielzahl von Kontaktflächen für die Verbindung zur Außenwelt. Hunderte bis tausende dieser Chips werden gemeinsam auf einer Siliziumscheibe (engl. Wafer) gefertigt. Diese Wafer werden mit einer sog. Prüfkarte auf Funktion getestet. Dazu drückt die Prüfkarte feine Nadeln auf die Kontaktflächen der Chips, damit elektrischer Strom fließen kann, der den Chip aktiviert. Da Chips auf diese Weise auch bei unterschiedlichen Temperaturen (warm kalt) getestet werden, kann die thermische Ausdehnung des Wafers zu Ungenauigkeiten führen, wenn sich der Wafer stärker bzw. schneller ausdehnt als die Prüfkarte. Dies führte in der Praxis bislang zu Kontaktfehlern und zu teuren Wartezeiten während des Testvorgangs. Mit der im Projekt µ-probe entwickelten Führungsplatte kann die Ausdehnung des Wafers nun sehr schnell und präzise ausgeglichen werden, was eine Verkürzung der Testzeit und damit eine deutliche Senkung der Testkosten ermöglicht. Der Test von Siliziumchips der nächsten Generation ist mit dieser Technik präzise bei verschiedenen Temperaturen möglich. Ziel des Proiekts, das gemeinsam mit den Partnern Feinmetall und Advantest Europe im Rahmen des Spitzenclusters MicroTEC Südwest durchgeführt wurde, war die Entwicklung einer neuen Prüfkartentechnik. Hintergrund ist die Miniaturisierung in der Mikroelektronik, die zu immer kleineren Strukturgrößen auf den Siliziumchips führt und die Anforderung der Elektroniknutzer, ihre Produkte bei sehr hohen Temperaturen und auch bei Minusgraden zuverlässig zu betreiben. Natürlich muss auch die Prüfung der Siliziumchips in allen Temperaturbereichen erfolgen, was hohe Ansprüche an die mechanische Präzision des Prüfvorgangs im Tester stellt. Silizium-Führungsplatte mit Heizelementen Im Projekt wurde erforscht, ob eine aus Silizium gefertigte und beheizbare Führungsplatte in einer Prüfkarte die Genauigkeit des Prüfvorganges beim Test von Halbleiterwafern erhöhen kann. Das IMS stellte Silizium-Wafer mit hochpräzisen Öffnungen für die Prüfnadeln und Heizelemente her (siehe Bild rechts). Die daraus entstandene Führungsplatte hat der Partner Feinmetall in eine ebenfalls beheizbare Prüfkarte integriert (siehe oben). Die Entwicklung einer Software zur Ansteuerung der Karte und die Integration des neuen Systems in die Prober-Umgebung übernahm Advantest (ehemals Verigy). Die Messungen bewiesen: Der Einsatz dieser Karte verringert unerwünschte Positionsverschiebungen der Prüfnadeln bei Temperaturwechseln deutlich. Silizium-Platte mit Locharrays für die Prüfnadeln (Rasterelektronenmikroskopaufnahme) FEINMETALL 242/F/06_13

17 Vision CMOS Bildsensoren und Kameras für höchste Anforderungen, kundenspezifisch entwickelt und gefertigt Weltweit benutzen über 200 Firmen und Institute HDRC Sensoren und Kameras, die nach dem HDRC Prinzip funktionieren. HDRC Bildsensoren (High-Dynamic-Range CMOS) weisen eine sehr hohe Helligkeitsdynamik von bis zu 170 db auf. Standard- und kundenspezifische Produkte sind monochrom oder als Farbversion, mit Rolling- oder Global-Shutter ausgeführt. Die nächste Generation der HDRC Bildsensoren mit HDTV-Auflösung wird derzeit im Projekt HiDRaLoN entwickelt. HDRC HDRC VGAx, 768 x 496 Pixel, 30 Bilder/s CCD CCD Kamera, 1280 x 960 Pixel, Automatikmodus, 50 Halbbilder/s Industrielle Bildverarbeitung Hochdynamische Bildsensoren für Automations- und Inspektionsaufgaben unter extremen Beleuchtungs verhältnissen und für Sicherheitsanwendungen in Schutz- und Überwachungseinrichtungen Medizintechnik Miniaturisierte Bildsensoren für Endoskope und Entwicklung eines Retinaimplantats für Sehbehinderte Luft- und Raumfahrt Strahlungsfestes Sensordesign und Herstellungstechnologie für den Einsatz im Weltraum Automobil Bildsensorik für die Verkehrstechnik unter automotiven Umgebungsbedingungen Diese Kameras besitzen die einzigartigen Eigenschaften der HDRC Bildsensoren HDRC MDC - Digitales Kamerasystem mit CameraLink -Schnittstelle HDRC Q-PyroCam - Hohe Temperaturen einfach und präzise berührungslos messen HDRC GEVILUX CCTV - Intelligente Videokamera mit CCTV-Ausgang seelector ICAM weld - Programmierbare, DSP-basierte Kamera Für Forschungs- und Entwicklungsaufgaben wird eine experimentelle Entwicklungsplattform angeboten, mit der alle HDRC Sensoreigenschaften genutzt und evaluiert werden können. Von unseren Partnernfirmen GEVITEC und hema electronic GmbH werden HDRC Kameras und Systeme für industrielle Anwendungen angeboten. Durch langjährige Erfahrung bei Kundenaufträgen und Forschungsprojekten existiert eine gesamtheitliche Expertise in den Bereichen Optik, Packaging, Schaltungsdesign, Bildverarbeitung und Systemintegration neuer Bildsensor technologien von der Spezifikation bis zur Serienlieferung nach ISO 9001:2000 Qualitätsstandard. 244/F/04_12

18 Vision HDRC Quotienten-Pyro-Kamera das Bild gebende Strahlungsthermometer Die HDRC Q-PyroCam erfasst 2-dimensional die Temperaturstrahlung einer Szene Geometrische Auflösung im VGA-Format, inhärente Emissionsgrad-Kompensation, hoher Dynamikbereich ( ) und ein parallaxenfreies Realbild ermöglichen die Beobachtung auch schwieriger Prozesse. Funktionsprinzip Analog einem Strahldichte-Verhältnis-Pyrometer Q-PyroCam-Aufnahme Anwendung der PyroCam beim Laser-Auftragschweißen Thermischer Strahler PyroCam Software Temperaturberechnung aus dem Verhältnis der Strahldichten Ermittlung der Schmelzzonenweite mit der HDRC Q-PyroCam (Vorschub oben 1m/min, unten 4 m/min) Einsatzgebiete Überwachung/Regelung hochdynamischer Schneidund Schweißprozesse Kontrolle von Aufschmelzvorgängen (Laser-Auftragschweißen) Feuerraum-Kontrolle (Klinker-, Ziegel-, Zementproduktion) Erfassung der Temperaturprofile von Flächenstrahlern (Papiertrocknung, Walzstraße, Brammenschneiden) Vorteile Unbekannter Emissionsgrad der Oberflächen wird durch die Quotientenbildung kompensiert. Sehr großer Temperaturbereich durch hohen Dynamikumfang möglich Definition von kleinen Beobachtungsgebieten (ROI) erlaubt höhere Bildraten (bis zu 4000 Bildern/s) Einfache Handhabung durch Ethernet-Schnittstelle 247/F/08_13

19 Vision Miniaturisierte Videosensoren für medizinische Anwendungen mit Bildpunkten Im Rahmen des europäischen Verbundprojekts Intracorporeal Videoprobe IVP wurden miniaturisierte Videosensoren für die Medizin technik mit speziell angepassten HDRC (High-Dynamic-Range CMOS) Bildsensoren, mikromechanischen Komponenten und Bildverarbei tungs- sowie Diagnose-Software entwickelt. Mini-Endoskop IVP1 200 x 180 Pixel Hochdynamische Bildsensoren mit sehr kleinen Abmessungen ermöglichen die Herstellung kleiner Video-Endoskope (Ø 3,5 mm). Mit kosten günstigen CMOS Bildsensoren, die zudem wenige Anschlussdrähte benötigen, können Mini- Endoskope mit modernen Montagetechniken aufgebaut werden. A B Sensordaten IVP1 Bildfeld 200 x 180 Pixel Pixel Pitch 4,6 µm Chipgröße 1,7 x 1,3 mm 2 A: Vorderseite mit Bildsensor B: Rückseite mit Kondensator Verschluckbare Videopille IVP2 768 x 496 Pixel Die IVP2 Videopille (Ø 11 mm) mit einem HDRC -Bildsensor sowie drahtloser Datenübertragung, externer Leistungsversorgung und schwenkbarem Kopf ist für den Einsatz in der Gastroenterologie vorgesehen. Mini-Endoskop mit Handsteuergriff Sensordaten IVP2 Bildfeld 768 x 496 Pixel Pixel Pitch 4,6 µm Chipgröße 4,6 x 3,7 mm 2 Autonome Videopille mit beweglicher Kamera kuppel IVP2 Kamerakuppel im Testgehäuse CMOS Bildsensoren (höchste Qualität, hohe Dynamik, klein, preisgünstig) Bildverarbeitungs- und Diagnose-Software Mikromechanische Komponenten Weitere Informationen zum Verbundprojekt Intracorporeal Videoprobe (IVP) im Europäischen IST Programm unter: ivp.ims-chips.de/start.html Industriepartner: 207/F/12_11

20 IMS Si-Technologie Das subretinale Implantat für Blinde Weltweit werden große Anstrengungen unternommen, ein Retina-Implantat zu entwickeln, welches bei bestimmten Formen der Erblindung (Retinitis-Pigmentosa, altersbedingte Macula-Degeneration) ein gewisses Maß an Sehvermögen wiederherstellen kann. Ein Subretina- Implantat nutzt dabei die Tatsache, dass biologisches Netzhautgewebe auf künstlich hervorgerufene, elektrische Impulse reagiert. Diese werden von einer CMOS-Schaltung entsprechend dem von der Augenlinse erzeugten Bildes generiert Die Abbildungen 2 und 3 zeigen die Auswirkungen von Retinitis Pigmentosa und Makula-Degeneration Für das Retina Implantat wurde ein Stimulations-Sensorchip entwickelt, der die Helligkeitsdynamik des Gesehenen wie unser Auge verarbeitet. Das optische Signal wird dann direkt an das retinale Gewebe des Patienten weitergegeben. Dadurch entsteht ein Seheindruck der, wenn auch eingeschränkt, eine Orientierung im Raum ermöglicht. Implantat für Humanstudien Jack Raper Award Photodiode Elektrode 3 mm 70 µm alt Retina Implantat-Chip mit 1600 Pixelzellen und einer um 400% variierbaren Treiberleistung. Die Detailaufnahme zeigt die Photodiode und die Stimulationselektrode. neu Das IMS wurde 2009 in San Francisco für die Präsentation CMOS Imager Technologies for Biomedical Applications mit dem Jack Raper Award for Outstanding Technology Directions Paper ausgezeichnet. Projektpartner und Förderung 195/F/12_11