Jahresabschlussbericht 2011

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1 Jahresabschlussbericht 2011 CiS Forschungsinstitut für Mikrosensorik und Photovoltaik GmbH Konrad-Zuse-Str. 14, Erfurt

2 Inhaltsverzeichnis 1 Einführung Bericht der Institutsleitung Kompetenzen, Leistungen und Produkte Überblick öffentlich geförderter Projekte Ausgewählte F&E-Projekte NO2- Photonendetektor PD - modularer Breitband-Multigasdetektor auf Basis photoakustischer und Chemolumineszensdetektoren Grundlegende Untersuchungen zu Miniaturelektrodenarrays für die impedanzspektroskopische zelluläre Biosensorik (Mastitis) Design Rules zur prognostischen Bewertung von SDB-Verbindungen (ProDB) Präzise Widerstände in Silizium für die Mikrosystemtechnik (PReSi) Entwicklung einer Niedertemperatur- Kontaktierungstechnologie für Silizium-Solarzellen (Lotus) Entwicklung applikationsspezifischer kompakter zweikanaliger Spektralsensoren Bifaciale MWT- Solarzelle mit chemisch abgeschiedenen Metallkontakten (BiSAM) Laserunterstützte Herstellung von Silizium-Solarzellen (LaserSol) Entwicklung eines kombinierten Kardio-Temperatursensors für Langzeitüber-wachungen bei Risikogruppen (KomKaT-Sens) Nanomaterials for Application in Sensors, Catalysis and Emerging Technologies NASCENT Entwicklung von Modulen für eine leistungslose binäre Sensor-Aktor-Plattform (MOBISA) Entwicklung von Siliziumphotomultiplier (SPM) Totvolumenarme Messzelle für die Zustandsgrößen Druck, Temperatur, Volumen-strom, Konzentration für die Mikroverfahrenstechnik (ToMess) Sensorprinzip und Zielparameter Hochauflösender kraftfreier Verkippungssensor (KippMikroSens) Entwicklung von Analysetechnologien zur Optimierung von Materialeigenschaften und Oberflächenqualität für das Siliziumdirektbonding Neuer piezoresistiver Mikrokraftsensor für die Kalibrierung von Tastschnittgeräten Inerte applikationsspezifische Passivierungssysteme IAP... 50

3 5.18 Integration von Sensor-Aktor-Funkionsmaterialien für die Realisierung energieautarker binärer Sensoren (BiZEPS) Sensitiver Mikroschalter (Sensitive micro switch) Entwicklung eines optoelektronischen 3D Modul-Paares für optimierte Absorbtionsrespektive Reflexionsmodi (TM3DIOF) Patentanmeldungen und Intellectual Properties Rights Aus- und Weiterbildung Kontakte zu Gymnasien und Hochschulen Weiterführung der Berufs- und Studentenausbildung Dissertationen/Diplom-/Master- und Praktikumsarbeiten Folgende Dissertationen/ Diplom-/Master-/Bachelor- und Praktikumsarbeiten wurden im Berichtszeitraum durch das CiS vergeben bzw. betreut: CiS-Weiterbildungsseminare Work4all neueste Entwicklungen Umsatzentwicklung Vorausschau Öffentlichkeitsarbeit Mitwirkung in Vereinen, Verbänden und Fachausschüssen Aktive Teilnahme an Messen, Ausstellungen, Fachtagungen (Auswahl) Vorträge/Poster/Veröffentlichungen Anschriften, Ansprechpartner und Gremien... 73

4 1 Einführung Als Anbieter von FuE-Dienstleistungen steht die CiS Forschungsinstitut für Mikrosensorik und Photovoltaik GmbH für competence in silicon. Basis ist die Siliziumtechnologie, die am CiS mit den Zukunftsfeldern Mikrosystemtechnik, Photovoltaik, Optik und Nanotechnologie verknüpft wird. Die FuE-Vorhaben umfassen alle Entwicklungsphasen vom Konzeptentwurf bis zur Prototypenerstellung und praktischen Erprobung. Interdisziplinäre Kooperationen mit Partnern aus der Industrie, Forschungseinrichtungen aus dem In- und Ausland und verschiedenen Netzwerken tragen zum erfolgreichen Bearbeiten der Projekte bei. Das Institut beteiligt sich an Ausschreibungen der EU, des BMBF, BMWAI, des Landes Thüringen und kooperiert weltweit. Im Folgenden wird über die Ergebnisse der Arbeiten im Jahre 2011 berichtet. Ein Verzeichnis der im Berichtszeitraum erschienenen Publikationen und Vorträge schließt sich an.

5 2 Bericht der Institutsleitung Das vergangene Jahr 2011 war gekennzeichnet durch große Herausforderungen, Veränderungen und Höhepunkte. So konnte das Forschungsinstitut trotz eines wirtschaftlich schwierigen Umfeldes auf eine stabile Entwicklung verweisen. Durch intensive Forschungs- und Entwicklungsarbeit wurden in den 3 Geschäftsfeldern Mikro-elektro-mechanische Systeme (MEMS), Mikro-opto-elektromechanische Systeme (MOEMS) Solar rund 70 Projekte bearbeitet. Mit unserem Fachwissen in Design, Systementwicklung, Waferprocessing, Aufbau- und Verbindungstechnik, Test, Analytik und Sensorkalibrierung fokussieren wir auf die Forschungsthemen optoelektronische, impedimetrische und piezoresistive Mikrosensoren. Ein Ergebnis unserer Forschungs- und Entwicklungstätigkeiten ist die Technologieführerschaft bei den Produkten piezoresistive Drucksensoren, Strahlungsdetektoren und Fotodioden. Aufbauend auf diesen Kompetenzen begründet sich auch die Spitzenstellung des CiS Forschungsinstitutes in der Solarforschung. Gemeinsam mit dem TÜV Thüringen e.v. betreibt unser Institut das solartestlab, ein akkreditiertes Prüflabor, das Produktzertifizierungen von Solarmodulen durchführt. Gestützt auf ein breites Wissens- und Erfahrungspotenzial leistet das Forschungsinstitut mit rund 100 Wissenschaftlern und Ingenieuren einen Beitrag zu den Schwerpunkten der Thüringer Politik. Hervorzuheben sind hier die technologiegetriebenen Wachstumsfelder Mikro- und Nanotechnologien, Life Science, umweltfreundliche Energien, Optik/Optoelektronik und Green Technology. Wir agieren industrienah und arbeiten vorwiegend mit klein- und mittelständischen Unternehmen zusammen. Die hierfür erforderlichen Aktivitäten erstrecken sich von der Grundlagenforschung über die angewandte Forschung bis hin zur wirtschaftsnahen Produktentwicklung. Das Forschungsinstitut fungiert dabei als Schnittstelle zwischen Wissenschaft und Wirtschaft. Als anerkannter Forschungspartner im Cluster Solarvalley Mitteldeutschland werden mit Partnern aus der Industrie, Universitäten und Hochschulen auf dem Gebiet nationale Forschungsprojekte der Photovoltaik interdisziplinär bearbeitet. 5

6 Die erfolgreiche Teilnahme an der BMBF-Initiative Spitzenforschung und Innovation in den Neuen Ländern begründete 2009 gemeinsam mit der TU Ilmenau und dem Fraunhofer IOF Jena das Kompetenzdreieck Optische Mikrosysteme - KD OptiMi als eines von 8 Kompetenzzentren. Dieses Netzwerk, vereint Wissenschaft und anwendungsbezogene Forschung auf Thüringens starken Technologiefeldern: Mikrosystemtechnik und optische Technologien. In der 2. Phase des vom Bundesforschungsministerium mit 5,8 Millionen Euro geförderten Projektes ist das CiS Forschungsinstitut an drei Verbünden beteiligt: Akkommodationssensor, Lasertracker und Optofluidtronics. In fachübergreifenden Kooperationen entwickelt ein interdisziplinäres Forscherteam neue Sensoren bzw. Systeme für Innovationen in den Bereichen Gesundheit, Energie und Umwelt. Zudem wurde die Projektplattform Multifunktionelle Si-Detektoren gestartet. Detektoren bzw. komplexe Opto-Sensoren sind Schlüsselkomponenten optischer Mikrosysteme. Ihre Eigenschaften in Verbindung mit einer effektiven Anbindung an elektronische Signalvorverarbeitungen bestimmen entscheidend die Funktionalität des Gesamtsystems. Zudem wird eine Bibliothek für sogenannte Signalvorverarbeitungen aufgebaut und 2 Forschungsgebiete bearbeitet. Ziele sind u.a. die Einbindung von Durchkontaktierungen in die Technologie von Si- Detektoren sowie die Erweiterung der Funktionalität von Si-Detektoren durch nanooptische Strukturen. Im Ergebnis werden Prototypen gefertigt. Das Applikationszentrum Mikrooptische Systeme (amos) verbindet modernste Technologien der Mikrosystemtechnik mit der optischen Sensorik und Mikrooptik. Amos koppelt die Kompetenzen und Leistungsfähigkeit des CiS Forschungsinstitutes mit jenen des Fraunhofer IOF Jena. Nach Ablauf der Startphase bearbeitet das Applikationszentrum 36 Einzelprojekte, die spezielle Problemstellungen der Industrie aufgreifen. Das Applikationszentrum amos wird durch das BMBF gefördert (16SV3596) und von der VDI/VDE Innovation + Technik GmbH betreut. Besonders stolz ist das CiS auf die Entwicklung von Nivellierungssensoren die selbst minimale Abweichungen von einem perfekten Null- oder Referenzpunkt in x-y-richtung feststellen können. Kundenspezifisch adaptiert werden die Sensoren im Pharmabereich, in der Überwachung von Werkzeugmaschinen, Präzisionsmesstechnik, dem Maschinenbau oder der Geodäsie eingesetzt. Mittlerweile werden mittelgroße Stückszahlen der 1. Generation gefertigt. Eine neue Generation befindet sich in der Entwicklung. Ein besonderer Tag in Geschichte des Forschungsinstitutes war der 11. August Mit der feierlichen Anerkennung des CiS Forschungsinstitutes als An-Institut der TU Ilmenau fand die langjährige intensive Kooperation beider Partner auf den Gebieten Mikro/Nano-Technologie und Photovoltaik ihren vorläufigen Höhepunkt. 6

7 Rektor Prof. Peter Scharff und Dr. Hans-Joachim Freitag, Geschäftsführer des CiS Forschungsinstituts, besiegeln den Vertrag über die Anerkennung als An-Institut Foto: TU Ilmenau Hinzu kommt die Berufung Prof. Hannappels für die neue Stiftungsprofessur Photovoltaik der Technischen Universität Ilmenau, verbunden mit der wissenschaftlichen Leitung des Solarforschungsbereiches in unserem Institut. Prof. Hannappel wird die wissenschaftliche Grundlagenforschung an der TU Ilmenau und die industrienahe Forschung im Geschäftsfeld Solar des CiS zusammenführen, und eng mit der Photovoltaik-Forschung am Helmholz-Zentrum in Berlin kooperieren. Diese Vernetzungen erweitern die Forschungsaktivitäten auf dem Gebiet der siliziumbasierten Photovoltaik durch die Kombination mit so genannten III-V-Halbleitern, welche mit über 40 % die höchsten Wirkungsgrade für die Umwandlung von Sonnenlicht in elektrischen Strom ermöglichen. Darüber hinaus hätte die Nutzung des nahezu unbegrenzt verfügbaren Siliziums als Substratmaterial bei der industriellen Fertigung solcher Höchstleistungssolarzellen den Vorteil deutlich geringerer Kosten gegenüber bisherigen Zellen. Gegenstand diesbezüglicher Forschungen ist ein defektfreies Wachstum von III-V-Strukturen auf Silizium und deren Kontaktierung für die Stromgewinnung sowie einer umfassenden Grenzflächenanalytik. Im Fachbereich Photovoltaik wurde ein deutschlandweit einzigartiger Ultrakurzpulslaser installiert. Bei diesem Laser kann die Pulsdauer im Bereich von 300 bis Femtosekunden kontinuierlich verändert werden. Im Gegensatz zu konventionellen Laserquellen können denkbare ultradünne Funktionsschichten schädigungsarm für das unterliegende planare Silizium entfernt werden. Eine Frequenzverdopplungseinheit bewirkt aus der unsichtbaren infraroten Strahlung, 7

8 sichtbare grüne Strahlung zu erzeugen. Diese grüne Strahlung erlaubt ultradünne Funktionsschichten auch von rauen Siliziumoberflächen sensitiv abzutragen. Nach vielen Jahren intensiver Entwicklung strahlungsharter Detektoren feierte das Forschungsinstitut einen großen Erfolg. Am 16. Mai 2011 startete das Space Shuttle Endeavour zur Internationalen Raumstation (ISS). Mit an Bord waren 150 Hochleistungsdetektoren aus unserem Forschungsinstitut. Die Endeavour transportierte das bislang größte weltraumtaugliche Teilchenphysik-Spektrometer, das sogenannte Alpha-Magnet-Spektrometer (AMS-02), entwickelt von 56 Institutionen aus 16 Ländern. Herzstück des Spektrometers sind Teilchendetektoren. Diese Siliziumdetektoren sind hochempfindliche Messeinheiten, etwa so dünn wie eine Visitenkarte mit tausenden Messzellen, und vermessen die Spur, die beim Durchflug hochenergetischer Teilchen entsteht. Das AMS-02 analysiert einerseits die kosmische Höhenstrahlung, die von der Erdatmosphäre absorbiert wird. Andererseits begibt sich das AMS auch auf die Suche nach Antimaterie, die als Ergebnis des Urknalls von einigen kosmologischen Modellen beschrieben wird. Von weltweit nur zwei Herstellern solcher Detektoren hatte das CiS Forschungsinstitut den Zuschlag erhalten. Das CiS Forschungsinstitut ist auch ein anerkannter Forschungspartner in europäischen Forschungsprojekten und -kooperationen. Gemeinsam mit Wissenschaftlern aus europäischen Universitäten und Unternehmen arbeiteten CiS-Forscher und -Entwickler im Rahmen des Netzwerkes NASCENT am Einsatz neuartiger mikro- und nanostrukturierter Polymere für Sensoren. Das europäischen Marie-Curie-Programm bot hierfür den notwendigen kreativen Rahmen, um Ergebnisse polymer-wissenschaftlichen und mikrosensorischen Forschungen und Entwicklungen miteinander zu verknüpfen. Das CiS engagiert sich für die Förderung des wissenschaftlichen und ingenieurtechnischen Nachwuchses. Zahlreiche Studenten der Thüringer Hoch- und Fachschulen werden bei der Anfertigung ihrer Bachelor- und Masterarbeiten bzw. in Praktika betreut. Naturwissenschaftlich interessierte Jugendliche können in begrenztem Umfang ebenfalls ein Praktikum in unserem Institut durchführen. 8

9 Im Geschäftsfeld Solar wurde ein Studentenseminar eingeführt. Das Seminar unterstützt die zielgerichtete Umsetzung der Bachelor- bzw. Masterarbeit. Intensiv werden fachlichen Aspekte über das eigene Arbeitsgebiet hinaus diskutiert, Präsentieren und Zeitmanagement trainiert. Bereits zum 3. Male fand am 4. November 2011 in Erfurt die Lange Nacht der Wissenschaften statt. Ca. 400 interessierte Besucher erforschten das Institutsleben in allen Bereichen. Der Blick durch das Elektronenmikroskop gestattete, alltägliche Dinge einmal anders zu sehen. Sensoren in den verschiedensten Anwendungen wurden demonstriert und erläutert sowie die Qualitätsprüfung für Solarmodule vorgestellt. Erfreulich ist das rege Interesses zahlreicher Jungendlicher an naturwissenschaftlichen Fragestellungen. So wurde auch rege nach Praktika, Studien- und Arbeitsmöglichkeiten gefragt. Das 2. Überwachungsausdit 2011 bestätigte dem CiS widerrum eine kontinuierliche Qualitätsarbeit. Mittels Zuschuss von Fördermitteln aus dem Modellvorhaben Investitionszuschuss technische Infrastruktur vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie, modernisierte und erweiterte das CiS seine technologsiche Grundausstattung. Zwei Plasma- Ätzsysteme gestatten nun, sensible mikromechanische und mikro-optoelektronische Komponenten sicher und reproduzierbar zu erzeugen. Insbesondere für die weitere Miniaturisierung bei vergleichbarer Signalmodulation sind diese Technologien bedeutsam. Sie ermöglichen die einfachere Überführung einiger Sensorprinzipen, von der Volumensiliziummikromechanik in die platzsparende Oberflächenmikromechanik. Eine neue Spin Process Station und ein Beschichter sind ebenfalls Bestandteil der Investmaßnahmen. Ebenfalls mit Unterstützung des Förderprogramms wurde für das hochgenaue Zuschneiden harter Substratmaterialien wie Korundkeramiken oder LTCC-Substraten ein 4 -Spindel Dicing System sowie ein automatisches Cleaning System erworben. Die Geräte dienen der Erforschung wirtschaftlicher Fertigung mikrooptischer Beleuchtungssysteme. Gerade die Erzeugung stabiler, reproduzierbarer senkrechter Schnittkanten sind eine Voraussetzung für marktnahe Forschungsergebnisse. 9

10 Im Jahr 2011 beteiligte sich das Institut an zahlreichen nationalen und internationalen Messen wie: Hannover Messe Industrie Messe Control, Stuttgart Laser World of Photonics Intersolar Europe in München Compamed/ Medica, Düsseldorf SENSOR+TEST, Nürnberg Photonics West, San Francisco 26th EU PVSEC in Hamburg Kooperationsforum Mikroystemtechnik, München Innovationstag Thüringen, Erfurt Mit Vorträgen und Postern präsentierten die Forscher des Institutes auf nationalen und internationalen Konferenzen und Tagungen wissenschaftliche Leistungen des Institutes. Stellvertretend werden aufgeführt: 26th European Photovoltaic Solar Energy Conference and Exhibition, Hamburg Kooperationsforum Mikrosystemtechnik, München Jenaer Industrietage Erfurter Wirtschaftskongress, Erfurt Konferenz Elmug4future, Suhl Photonics Prague 2011 EPoSS Annual Forum Towards Smart Systems Products, Barcelona, Spanien Mikrosystemtechnik Kongress 2011, Dortmund Symposium Biomedizinische Technik und medizinische Rehabilitation Waferbond 11, Zwickau 5th EURIPIDES Forum, Helsinki Sensordevices 2011, Nizza/St. Laurent du Var, Frankreich Das CiS Forschungsinstitut arbeitet intensiv mit seinen Gremien Aufsichtsrat, wissenschaftlicher Beirat sowie dem Vorstand zusammen. In den regelmäßigen Besprechungen wurde ausführlich über Förderstrukturen, deren Konsequenzen für wirtschaftsnahe Forschungseinrichtungen sowie die zukünftigen Entwicklungsschwerpunkte diskutiert. Der Wissenschaftliche Beirat, ein Gremium anerkannter Wissenschaftler bundesweiter Universitäten und Hochschulen, unterstützt das CiS 10

11 bei der jährlichen Analyse zur Fokussierung seiner Forschungsschwerpunkte und lieferte wertvollen Input. Im Namen der Institutsleitung danke ich besonders allen Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern, Doktoranden, Studenten und Praktikanten, die mit großem Engagement, Kreativität und Wissen unser Know-How erweitern und unsere Erfolge schaffen. Wir bedanken uns bei allen Bundes- und Landesministerien für Ihre Förderung, Beratung und Unterstützung. Ebenso gilt unser Dank allen Projektpartnern und Auftraggebern der Industrie für Ihr Vertrauen und konstruktive Kooperation. Wir danken auch allen Geschäftspartnern, dem wissenschaftlichen Beirat sowie den Mitgliedern des CiS e.v. für die fachliche Expertise, dem Interesse und der Unterstützung bei der weiteren Entwicklung unseres Forschungsinstitutes. Dr. H.-J. Freitag Geschäftsführer 11

12 3 Kompetenzen, Leistungen und Produkte Die drei Geschäftsfelder mikromechanische Mikrosysteme (MEMS), mikrooptische Mikrosysteme (MOEMS) und Solar bilden die Nahtstelle des Instituts zu den Kunden i.s. der Marketing- und Vertriebsfunktion. Sie stützen sich dabei auf die Leistungsfähigkeit und Kompetenz der Technologiefachbereiche Design und Simulation Waferprocessing Aufbau- und Verbindungstechnik Test und Analytik sowie der produktorientierten Fachbereiche Mikromechanische Sensoren Optische Mikrosensoren Photovoltaik 12

13 4 Überblick öffentlich geförderter Projekte Titel des FuE Projektes Korrosionsfestes LTCC-basiertes Taupunktsensorsystem für in-line Betrieb und hohe Gastemperaturen (CorDew) Kombinierte luft-/feuchtekalorische Untersuchung des Gleichgewichtsnervs (Vestibularnerv) (LF-Verfahren) Kosten- und energieverbrauchsoptimierte Herstellung und Kontrolle von Solarsilizium; Kontrolle von Solarsilizium über Ladungsträger Lebensdauermessungen-basierte Analytik (KeK) Entwicklung eines mikrooptischen Strahler-Empfänger-Moduls mit Signalverarbeitung, integrierbar in modulare Messköpfe und Ausbohrwerkzeuge mit telemetrischem Energie- und Datentransfers zur Charakterisierung von metallischen Oberflächen (SIAG) SIAG Grundlegende Untersuchungen zu Miniaturelektrodenarrays für die impedanzspektroskopische zelluläre Biosensorik (Mastitis) Ultraschallbasierte, intraorale diagnostische Plattform für den Einsatz im Dentalbereich Im Jahr 2011 wurden über 60 Förderprojekte bearbeitet. Diese sind den Geschäftsfeldern MEMS/Strahlungsdetektoren, Optoelektronik/MOEMS und Photovoltaik zugeordnet. Zuwendungsgeber sind die Europäische Kommission, die Bundes- und Thüringer Ministerien aus den Bereichen Wirtschaft, Forschung und Umwelt. In den Technologieplattformen amos und KD- Optimi sind weitere Einzelprojekte enthalten. Das Forschungsinstitut realisiert zahlreiche Industrieprojekte. Eine Auswahl befindet sich in der folgenden Tabelle. Projektträger 13 Reg.-Nr. Projektabschluss AiF KF WM8 Februar 2011 AiF KF FO0 Oktober 2012 AiF KF HA0 Oktober 2011 AiF KF /TL9 November 2011 AiF BR/2 Juni 2013 AIF VP HM1 Juni 2014 (dc.sens) DLC-Absolutdrucksensor BMWi VF August 2011 Verbesserte dreidimensionale Sensoraufbauten mit Interdigitalelektroden für die impedimetrische Zellkulturanalyse (3D cellsens) Entwicklung eines bestrahlungsresistenten Strahlungsdetektors mit neuer Isolierungstechnik (FSD) BMWi MF Juli 2012 BMWi MF Dezember 2011

14 Inerte applikationsspezifische Passivierungssysteme (IAB) BMWi MF September 2011 Bifaciale MWT - Solarzelle mit chemisch abgeschiedenen Metallkontakten (BiSAM) BMWi MF August 2011 Flache Emitter für Hocheffizienzsolarzellen BMWi (Flaem) VF August 2011 Laserunterstützte Herstellung von Silizium-Solarzellen (LaserSol) BMWi MF August 2011 Definition der Mikroklimata an kritischen Orten eines PV-Moduls (MiKli-PV) BMWi MF August 2011 Entwicklung von Modulen für eine leistungslose binäre Sensor-Aktor- BMWi VF August 2011 Plattform (BIZEPS) Entwicklung einer Mikro-Interferenz- Sensor-Technologie für einen MORES - interferometrischen Abstandssensor BMWi MF Dezember 2012 (MORIA) Nanostrukturierte Systemfenster für Infrarot Detektoren (NASY) BMWi MF Dezember 2011 Entwicklung von Analysetechnologien zur Optimierung von Materialeigenschaften und Oberflächenqualität für das BMWi MF Dezember 2011 Siliziumdirektbonding (OMO) PaReDs - Packaging für chemisch resistente Drucksensoren BMWi MF Dezember 2011 Prüfverfahren für Solarmodule (PaWiSo) BMWi MF Februar 2012 PerCon (perittivity conductivity Permittivität u. Leitfähigkeit) BMWi MF Dezember 2011 Design Rules zur Prognostischen Bewertung von SDB-Verbindungen BMWi MF Dezember 2011 (ProDB) Entwicklung von RoHS-kompatiblen und materialeffizienten Löttechniken für BMWi MF Juni 2011 Solarzellen (RoHSel) Entwicklung von Siliziumphotomultiplier (SPM) BMWi MF März 2011 Temperstabile PECVD-Schichten zur Passivierung von SiliziumSolarzellen BMWi IW Juli 2011 (TempaSil) Through-Silicon-Vias for Microsensors (TFM) BMWi VF März 2011 Entwicklung eines Optoelektronischen 3D Modul-Paares für optimierte Absorptionsrespektive BMWi MF März 2012 Reflexionsmodi (TM3DIOF) Totvolumenarme Messzelle für die Zustandsgrößen Druck, Temperatur, Volumenstrom, Konzentration für die BMWi MF Dezember 2011 Mikroverfahrenstechnik (ToMess), Unabhängiger Kompetenzpool für Leitpastenqualifizierung (Metallisierung) im BMWi MF Dezember 2011 Photovoltaikbereich (UnKoMet) 14

15 Entwicklung einer auf dem physikalischen Libellenprinzip basierenden optoelektronischen Anwenderplattform für Nullpunkt-Schwingungssensoren (VibSens) Entwicklung von Modulen für eine leistungslose binäre Sensor-Aktor- Plattform (MOBISA) ur Messung gasförmiger und flüssiger Partialdrücke Inerte applikationsspezifische Passivierungssysteme (IAB) BMWi VF September 2011 BMWi VF Juni 2011 BMWi MF September kSpekSens BMWi MF November 2011 "Hochauflösender kraftfreier Verkippungssensor" (KippMikroSens) Entwicklung eines kombinierten Kardio- Temperatursensors für Langzeitüberwachungen bei Risikogruppen (KomKaT-Sens) Entwicklung eines punkt-fokusierten Laser-basierten optischen Mikro-Moduls zur Fluoreszenzdiagnostik (LaserMSens) Mikrokabelkontaktierungen für Sensoren (Mi-Kab) Kalibrationsfreie Volumenstrommessung in Mikrostrukturen auf Basis integriertoptoelektronischer Sensorsysteme (MikroFlowSens) Kompetenzdreieck Optische Mikrosysteme KD Optimi BMWi MF Dezember 2011 BMWi MF Juli 2012 BMWi MF November 2011 BMWi MF Dezember 2011 BMWI VF April 2012 BMBF 16SV3702 Juli 2012 Betriebsphase II Aufstockungsantrag BMBF 16 SV 3596 Juni 2012 Qualifizierung von xµ-modulen (xµ-module (xµ-mq)) xµ-zelle Herstellung hocheffizienter Solarzellen auf ultradünnen Silizium-Wafern xµ-materialien für ultradünne Silizium- Solarzellen Teil 1 xµ-material Elektrische und mechanische Charakterisierung von Wafern und Solarzellen Teil 2 Optimierung des Float-Zone Verfahrens zur Herstellung von monokristallinen Siliziumkristallen für Solarzellen (FzSil) neue Laserprozesse für die Wafer- und Zellbearbeitung (PV Laser) ThinWafers - Spitzenclusterprodukt BMBF 03SF0337B Mai 2011 BMBF 03SF0335B März 2011 BMBF 03SF0336A März 2011 BMBF 03SF0336A Juni 2012 BMBF 03 SF 0384 B Mai 2011 BMBF 03SF0386 F Dezember 2012 BMBF 03 SF Dezember

16 Kompetenzdreieck Optische Mikrosysteme KD Optimi 20 Optimierung des Float-Zone Verfahrens zur Herstellung von monokristallinen Siliziumkristallen für Solarzellen (FzSil) Verbundvorhaben Spitzencluster Teilprojekt: Float-Zone-Verfahren und Charakterisierung von Silizium-Wafern und Solarzellen FZSil 2 Elektrische und mechanische Charakterisierung von Wafern und Solarzellen CZ Sil Sensitiver Mikroschalter (SEMIS) Bedarfsgerechte Sauerstoffgabe in der klinischen Ventilation (OXIvent) BMBF 16SV5474 September 2013 BMBF 03SF0384B Mai 2011 BMBF 03SF0410B Dezember 2013 BMBF 03SF0379B Juni 2012 BMBF 16SV5506K Januar 2014 BMBF 16SV5604 August 2014 LasVeGas BMBF 13N März 2015 Transfer neuartiger Mikro- und Nanokraftsensoren sowie notwendiger modularer Messtechnik zur elektrischen und mechanischen Charakterisierung (MNPQ) European Micro Nano Broker Plattform (EU MN Broker) Präzise Widerstände im Silizium für die Mikrosystemtechnik (PreSi) Optisch funktionalisierte Verkappungen auf Si-Basis für IR -Sensoren und IR- Emitter (OFKAP) BiZePs- Rasterelektronenmikroskopiesystem Entwicklung S-Line CPM 05 Strahlungsdetektoren Nanoskalige III-V-Strukturen auf Siliziumsubstraten (Nano-III-V-pins) PTB Physikalisch Technische Bundesanstalt, Braunschweig 11/08 März 2012 LEG TNA VI-2/2010 Februar 2013 TAB Thüringen TAB Thüringen 2010 WFN 0167 Dezember FE 9004 Juli 2013 TAB 2010 WIN 0145 Dezember 2012 Industrieforschung Industrieforschung Industrieforschung BMBF März

17 5 Ausgewählte F&E-Projekte Exemplarisch werden einige Projekte detailliert dargestellt: NO 2 - Photonendetektor PD - modularer Breitband-Multigasdetektor auf Basis photoakustischer und Chemolumineszensdetektoren Grundlegende Untersuchungen zu Miniaturelektrodenarrays für die impedanzspektroskopische zelluläre Biosensorik (Mastitis) Design Rules zur prognostischen Bewertung von SDB-Verbindungen (ProDB) Präzise Widerstände in Silizium für Mikrosystemtechnik (PReSi) Entwicklung einer Niedertemperatur- Kontaktierungstechnologie für Silizium-Solarzellen (Lotus) Entwicklung applikationsspezifischer kompakter zweikanaliger Spektralsensoren (2kSpekSens) Bifaciale MWT- Solarzelle mit chemisch abgeschiedenen Metallkontakten (BiSAM) Laserunterstützte Herstellung von Silizium-Solarzellen (LaserSol) Entwicklung eines kombinierten Kardio-Temperatursensors für Langzeitüberwachungen bei Risikogruppen (KomKaT-Sens) Nanomaterials for Application in Sensors, Catalysis and Emerging Technologies (NASCENT) Entwicklung von Modulen für eine leistungslose binäre Sensor-Aktor-Plattform (MOBISA) Entwicklung eines Siliziumphotomultiplier (SPM) Multisensormodul ToMess für die Erfassung von Druck, Temperatur, Volumenstrom und Konzentration in der Mikroverfahrenstechnik Entwicklung von Analysetechnologien zur Optimierung von Materialeigenschaften und Oberflächenqualität für das Siliziumdirektbonding Neuer piezoresistiver Mikrokraftsensor für die Kalibrierung von Tastschnittgeräten Inerte applikationsspezifische Passivierungssysteme IAP Integration von Sensor-Aktor-Funkionsmaterialien für die Realisierung energieautarker binärer Sensoren (BiZEPS) Sensitiver Mikroschalter (Sensitive micro switch) Hochauflösender kraftfreier Verkippungssensor (KippMikroSens) Entwicklung eines Optoelektronischen 3D Modul-Paares für optimierte Absorbtionsrespektive Reflexionsmodi (TM3DIOF) 17

18 5.1 NO2- Photonendetektor PD - modularer Breitband-Multigasdetektor auf Basis photoakustischer und Chemolumineszensdetektoren Jährlich werden mehrere tausend Gasspürgeräte für mehr als Kunden weltweit produziert. Sie werden u.a. eingesetzt in Systemen zur Lüftungsklappensteuerung, zur Abgassteuerung im Automotive-Bereich, der Luftqualitätsmessung in Innenräumen, in sicherheitstechnischen Anwendungen wie Branddetektion in U-Bahnen und in industriellen Fertigungsanlagen. Schwefel- und Stickoxide werden heute hauptsächlich mittels Chemolumineszens oder auch photoakustischer Sensoren applikationsspezifisch erfasst. Eine hochsensitive Optik und optimale Signalverarbeitung sind erforderlich, um auch kleine ppb-bereiche vollständig zu erfassen. Im Projekt werden beide Messverfahren kombiniert zu einem modularen Breitband- Multigasdetektor. Eine spezielle Photodiode und ein an diese angepasster Verstärker dienen der Signaldetektion. Das Gerät integriert anwendungsspezifisch verschiedene Mess- und Detektionsmodule für NOx (Chemolumineszensdetektor), Methan, Kohlenmonoxid, Kohlendioxid u.a. Zusätzlich werden die Baugröße verkleinert und durch die Multifunktionalität die Kosten verringert im Vergleich zu den derzeitigen am Markt befindlichen Chemolumineszensdetektoren. Als Anwendungsfelder sind zunächst Mess- und Detektionsanwendungen für Biogas, Abgas und Spurenanalyse vorgesehen. Amos vernetzt als Plattform klein- und mittelständische Unternehmen von der Machbarkeituntersuchung über die Wertschöpfungskette bis zur Herstellung von Kleinserien. In einem ersten Schritt werden die Breitband-Multigasdetektoren als Prototypen in kleinen Stückzahlen gefertigt und erprobt. 18

19 5.2 Grundlegende Untersuchungen zu Miniaturelektrodenarrays für die impedanzspektroskopische zelluläre Biosensorik (Mastitis) Es gibt bisher kein zuverlässig funktionierendes Verfahren, die Eigenschaften von Zellen in Suspensionen bei unbekannter Leitfähigkeit des Suspensionsmediums in einem Messvorgang zuverlässig zu bestimmen. Für verschiedene Überwachungsaufgaben in der Lebensmittelindustrie aber auch in der Biotechnologie soll eine Elektrodenkonfiguration entwickelt werden, die einerseits eine unabhängige Messung der Leitfähigkeit des Suspensionsmediums gestattet und andererseits die suspendierten Zellen elektrisch charakterisiert. Der konkrete Inhalt des Projektes ist die Erfassung der elektrolytischen Leitfähigkeit von Milch (z.b. für Mastitiserkennung) oder der Zelldichte in Zellsuspensionen. Der Anspruch des Projektes ist der experimentelle Beweis, dass eine miniaturisierte Elektrodenkonfiguration geeignet ist, die Impedanz eines Suspensionsmediums ohne den Einfluss suspendierter Partikel, Luftblasen oder Zellen zu bestimmen. Eine präzise Bestimmung des Anteils lebender Zellen in Suspensionen, Suspensionsbestandteilen oder Metaboliten direkt im Suspensionsmedium ist damit möglich. Für Vorversuche wurden Interdigitalstrukturen (IDS) hinsichtlich ihres Elektrodenmaterials, Substratmaterials und der verwendeten Passivierung variiert. Das grundsätzliche Layout basierte zunächst auf der HSFK-Familie (Hybrid- Streufeldkapazität) des CiS. Für die Impedanzmessungen wurde ein Front-End zur korrekten Erfassung der Strom- und Spannungssignale speziell für diese Elektroden durch den Projektpartner IBA angepasst. Die erste Charakterisierung durch die Vorversuche mit einer KCl-Verdünnungsreihe verweist auf eine prinzipiell bessere Eignung nichtpassivierter Elektroden. In der endgültigen Elektrodenkonfiguration wird mit einem Multiplexer bei einem Array von 25 Miniaturelektroden (Abstand 7 µm; Breite 5 µm) jede Elektrode einzeln ausgelesen. Die dafür notwendigen Chips fertigt das CiS. Verschiedene Layouts von Interdigitalstrukturen; zur Konfiguration wird ein Multiplexer verwendet. (Quelle: CiS Erfurt) Chipgröße ca. 16 mm, Sensor (rot) 5-7 µm 19

20 5.3 Design Rules zur prognostischen Bewertung von SDB-Verbindungen (ProDB) Komplexere und miniaturisierte mikroelektronische Bauelemente verlangen neben steigenden Anforderungen an die Maßgenauigkeit neue Methoden beim Verbinden und Kontaktieren von Bauteilen. Zum Silizium-Direkt-Bonden als bisher gängigstes Verfahren werden neue Aktivierungsverfahren erforscht, die ein Fügen der Bestandteile bei Temperaturen kleiner 200 C ermöglichen. Neue Entwurfregeln (Design Rules) für Bauteile (Devices) und Technologien betrachten speziell den Einfluss verschiedener Aktivierungsverfahren auf die Einsatzcharakteristika von Niedertemperatur-Silizium-direkt-gebondeten Mikrosystemen. Festigkeit- und Zuverlässigkeitsverhalten von Teststrukturen sowie Einsatzbedingungen und -grenzen von Realsystemen werden analysiert. Neue Materialkombinationen wie beispielsweise sensitive Polymere, die Häusung metallisierter Devicewafer und die Herstellung von MEMS mit vergrabenen Metallisierungsebenen erfordern das zur Verfügung stehende Temperaturbudget immer weiter einzuschränken. Innerhalb des Projekts wurden zunächst Anlagenanpassungen, Prozessoptimierungen und -entwicklungen vorgenommen. Diese ermöglichen nun, bei Annealingtemperaturen ab 120 C SDB-Verbindungen herzustellen, welche durch ihr hervorragendes Festigkeitsverhalten die Produktion mechanisch hochstabiler MEMS erlauben. Im CiS wurden 2 neue Plasmaaktivierungsprozesse etabliert, die erlauben, SDB-Verbindungen herzustellen, deren Festigkeiten bei 325 C Annealingtemperatur nur marg inal unter den etablierten Hochtemperatur- SDB-Prozessen liegen. Zwei wichtige Devicewafergrundtechnologien, optimiert auf das Waferlevelpackaging per SDB, wurden direkt in die Fertigung neuartiger Produkte transferiert. Die Langzeitstabilität der SDB-Verbindungen konnte innerhalb des Testzeitraums von 5000h unter kontrollierter Umgebung nachgewiesen werden. Es trat bei keiner der getesteten Kombinationen aus Aktivierung und Annealing eine Änderung der Bruchzähigkeit des Interface auf. Die Beständigkeit der Verbindungen gegen Hochfeuchte- und -temperaturbedingungen wurde am Beispiel der für Medical- und BioMEMS unerlässlichen Dampfsterilisierbarkeit untersucht. Die Demonstratoren wurden hierfür entsprechend realen Einsatzbedingungen, lastfrei einem verlängerten Dampfsterilisationszyklus bei 121 C ausgesetzt und im Nachgang geprüft. Bei den Tests konnte kein negativer Einfluss auf die Festigkeit des Interfaces nachgewiesen werden. Untersuchungen zur Widerstandsfähigkeit des Interfaces gegen wässrige Lösungen unter Last zeigten einen von der gewählten Aktivierungsvariante abhängigen Einfluss auf die Bruchzähigkeit des Interfaces. Je nach Bondvariante stellt sich in der Gegenwart von wässrigen Lösungen ein Festigkeitsverlust von 5-35% ein. Für Anwendungen, in denen derartige Bedingungen nicht 20

21 ausgeschlossen werden können, eignen sich daher nicht alle verfügbaren Prozessvarianten. Weitere Untersuchungen wiesen die Resistenz der Verbindung gegen Silikonöle unter Last, sowie die uneingeschränkte Temperaturwechselfestigkeit (-50 C bis 150 C) nach. Beim Aufbau von auf mechanische Spannungen sensitiver MEMS, bei denen die Ergebnisse des Projekts zur Anwendung kamen, konnte eine signifikante Verbesserung der elektrischen Performance unter Einhaltung der mechanischen Grenzwerte erzielt werden. 0,7 Plasma unterstützte Aktivierungen 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 AP-DBD- O2 120 LP-RF/DC- N2 120 LP-RF/DC- O2 120 AP-DBD-N2 120 LP-µ O2 325 LP-RF N2O 325 LP-RF/DC- O2 325 LP-DC N2 325 LP-RF/DC- N2 325 AP-DBD- O2 325 AP-DBD-N2 325 LP-RF N2 325 Vergleich der Bruchzähigkeiten plasmagestützer Aktivierungsverfahren Schnitt durch ein SD-gebondetes Mikrosystem 21

22 5.4 Präzise Widerstände in Silizium für die Mikrosystemtechnik (PReSi) Reg.-Nr. : 2010WFN 0167 Diffundierte Widerstände im Silizium werden in Sensoren für die Medizintechnik, in der Prozessmesstechnik in Industrieanlagen vielfältig angewandt. Der Markt verlangt ständig die Weiterentwicklungen dieser Sensoren in Bezug auf Messgenauigkeit und Stabilität und damit auf die Genauigkeit der Realisierung und Beschreibung der diffundierten Widerstände im Silizium. Während in der Standard-Si-Technologie absolute Genauigkeiten von ± 20%, bzw. Matching- Genauigkeiten von ±O.l % akzeptiert werden, sind für Applikationen in der Mikrosensorik 10-fach höhere Genauigkeiten insbesondere für den Absolutwert einzuhalten. Die Wissenschaftler des CiS Forschungsinstitutes stellen sich den immer höheren Forderungen der Reproduzierbarkeit der Herstellung diffundierter Widerstände im Silizium, wofür die Nutzung der Standard-CAD-Software zur Simulation der Herstellung und der damit verbundenen halbleiterphysikalischen Eigenschaften der diffundierten Widerstände unabdingbare Voraussetzung ist. Unseren Erfahrungen zeigen, dass die Standard-Beschreibung der Eigenschaften diffundierter Widerstände im Silizium nicht ausreichend genau ist, um Simulationen für die Anwendungen diffundierter Widerstände in der Mikrosensorik mit der nötigen Sicherheit durchführen zu können. Das Ziel des Projektes ist die Schaffung eines detailierteren und genaueren Modells für diffundierte Widerstände im Silizium, welches spezielle Probleme bei der Simulation beseitigt. Damit soll eine ausreichende Sicherheit bei der Vorausberechnung der Eigenschaften diffundierter Widerstände, die für die Anwendung in der Mikrosensorik dringend erforderlich ist, erreicht werden. Zusätzlich sind hochgenaue Verfahren zur Bestimmung des sheet resist und der realisierten effektiven Bahnbreiten und Längen erforderlich. Ergebnisse: Im CiS entwickelte Verfahren zur messtechnischen Bestimmung von Rsheet, Beff und Leff diffundierter Widerstandsbahnen 22

23 Der spezifische Widerstand ρ ist über der Breite des Diffusionsgebietes nicht konstant, am seitlichen Rand des Diffusionsgebietes sinkt die Dotierungskonzentration gegen 0, d.h. der spezifische Widerstand steigt gegen sehr große Werte. Darüber hinaus gibt es immer Verschiebungen der Lackkanten gegenüber dem Layout- oder Zeichenmaß b: b eff = b+2bv eff. Dotierungsprofil längs der Widerstandsbahn auf einer Schnittlinie längs der Bahn und direkt unterhalb der Halbleiteroberfläche. Dargestellt sind das Layoutmaß Länge der Widerstandsbahn = Abstand der Maskenkanten der Zuleitungsdotierung und der Ersatz des realen Dotierungsprofiles durch ein effektives Kastenprofil, welches die effektive Bahnlänge definiert. Für beide Messungen wurden Teststrukturen und Auswerteverfahren für die Messwerte entwickelt, die eine hochgenaue Bestimmung von Rsheet, Beff und Leff ermöglichen, welche dann die Ausgangsbasis für die Erstellung des detaillierteren und genaueren Modells für diffundierte Widerstände im Silizium bilden. 23

24 5.5 Entwicklung einer Niedertemperatur- Kontaktierungstechnologie für Silizium- Solarzellen (Lotus) Kristalline Solarzellen werden zur ihrer Nutzung üblicherweise im Modul verschaltet. Dazu wird die Vorderseite der einen Zelle mit der Rückseite der zweiten Zelle über ein belotetes Verbinderband kontaktiert. So entsteht ein Zellverbund von zehn bis zwölf Zellen, ein String. Fünf bis sechs Strings werden wiederum über Querverbinder in Reihe geschaltet und in einen Glas- Folien-Sandwich gepackt. Ein PV-Modul entsteht. Das zum Kontaktieren verwendete Lot ist heute noch bleihaltig. Ziel des Projekts Lotus ist die Entwicklung einer Kontaktierungstechnik zum Verschalten von kristallinen Solarzellen unter Vermeidung von thermomechanischen Belastungen durch hohe Löttemperaturen. Diese treten auf, wenn das bisherige Bleilot durch bleifreie Alternativen ersetzt wird. Gerade sehr dünne und fragile Zellen reagieren auf thermomechanische Belastungen beim Löten mit erhöhten Zellbruchraten. Zudem verlangen neuartige Zellkonzepte wie IBC-Zellen oder Heterojunctionzellen neue Kontaktierungstechnologien. Hier setzt das Lotus -Projekt an und adaptiert bereits vorhandene Lösungen aus der Mikrosystemtechnik unter Beachtung solarer Randbedingungen. Im zeitlichen Rahmen von zwei Jahren richtet sich der FuE-Fokus auf zwei Hauptrichtungen, der Eignungsuntersuchung von Niedertemperaturweichloten und auf die Adaption bereits im RFID- Bereich erfolgreich eingesetzten Klebetechnologien. Niedertemperaturlotverbindungen, zum Beispiel auf der Basis von bleifreien Zinn-Bismuth-Loten werden in der Leiterplattenbestückung erfolgreich verwendet. Je nach Bismuthanteil liegt die Löttemperatur zwischen 180 C und 210 C, welche de n bisherigen Randbedingungen beim Solarzellenkontaktieren entspricht oder sogar noch dessen Temperaturbereich unterschreitet. Materialseitige Fragenstellungen richten sich vor allem auf die Kombination und Interaktion mit der Metallisierung. Erste Versuche zum Kleben von Solarzellen mit hochgefüllten Silberleitklebern waren erfolgreich und bestätigten die generelle Machbarkeit unter elektrischen und mechanischen Aspekten. Kritisch hingegen werden aktuelle Preisentwicklungen aufgrund des Silbers und technologischapplikative Anforderungen zum Klebstoffauftrag und der Aushärtung gesehen. Dem mit neuen, schnellhärtenden Materialsystemen zu begegnen, ist derzeit Fokus des Projektes bis zum Ende der Laufzeit

25 Bisherige Ergebnisse Fixiervorrichtung für geklebte Verbinder auf Solarzellen Schliff durch eine Klebeverbindung 25

26 5.6 Entwicklung applikationsspezifischer kompakter zweikanaliger Spektralsensoren (2kSpekSens) Die optische Sensormessung mit Faser-Bragg-Gittern (FBG) nutzt Licht anstatt Strom sowie Glasfasern anstelle von Kupferdrähten. Sie sind nichtleitend, elektrisch passiv und werden durch elektromagnetische Störungen nicht beeinflusst. FBG-basierte Sensoren wurden für ein breites Einsatzspektrum mechanischer Sensorapplikationen entwickelt, vom Monitoring von Bauwerken, über zerstörungslose Prüfverfahren (wie Verbindungen) Teleüberwachungen (Ölbohrungen, Netzkabel, Pipelines) bis zu intelligenten Tragwerken (Flugzeugflügel, Schiffskörper), sowie für traditionelle Dehnungs-, Druck- und Temperaturmessungen. Üblicherweise werden vierkanalige Spektrometer verwendet. Eine preiswerte Alternative könnten kompakte zweikanalige Spektralsensoren bilden. Dazu ist es jedoch notwendig, Sensorlösungen und Auswerteverfahren zur Bewertung spektraler Strahlungsverteilungen zu entwickeln sowie Funktionstests durchzuführen. Technisch herausfordernd war es, mittels mikrosystemtechnischer Technologien des CiS kompakte Anordnungen von monolithischen Photodiodenarrays mit Filterarrays sowie zugehöriger Optik zu erarbeiten. Die kompakten Sensorlösungen erkennen kleine spektrale Verschiebungen von Reflexen von Bragg-Gittern (FBG) im nah-infraroten Bereich 0,8 bis 1,1µm. Das Messergebnis wurde aus dem Vergleich zweier Empfängerkanäle mit gegenläufiger spektraler Empfindlichkeit ( Spektralfilteranalysator ) gewonnen. Zuvor wurde eine kompakte Sensoranordnung, bestehend aus Fasereingang, Linse, Filter- und Photodiodenarray und sensornaher Elektronik realisiert und messtechnisch untersucht. Hierbei wurden die in bisherigen Filteranalysatoren üblichen Koppler eingespart, indem die Aufteilung in einem kompakten Modul erfolgt, das auch Filter und Empfänger enthält. Auf dem Photodiodenarray wurden lateral strukturierte Filterschichten erzeugt, um damit inhärente Fehlerkompensationseigenschaften von Matrixanordnungen mehrerer Filter und Empfänger zu nutzen. Hinzu kommt eine spezielle Ausleseschaltung, die gleichzeitig statische und dynamische Lasten an Bragg-Gitter-Sensoren erfassen kann. Im Ergebnis wurden folgende Parameter realisiert: a. Messbereich 971,3nm bis 973,2nm b. Kennlinienanstieg 0,056/nm c. Zufälliger Messfehler (RMS) bei 0,5µW eingestrahlter Leistung vom Bragg-Reflex: Statisch nach Temperaturkorrektur 1pm, dynamisch 1,2pm bei 50Hz Bandbreite oder 7,5pm bei 5kHz Bandbreite 26

27 Die weiteren Untersuchungen konzentrieren sich auf die Modifikation des Sensoraufbaus, da Polarisationseffekte zu Langzeit-Instabilitäten führen können. Unter Nutzung von kompakten preiswerten Superlumineszenz-Faserquellen, die seit Ende 2011 auf dem Markt verfügbar sind, können Messgerätehersteller mit der neuen Sensoranordnung den Systempreis reduzieren. Sensorresponse Signale S1 S2 S3 S4 Rsp Rsp Schwerpunktwellenlänge (nm) Quadranten-Spektralsensor und gemessene Kennlinien (aus Projektabschlussbericht) 27

28 5.7 Bifaciale MWT- Solarzelle mit chemisch abgeschiedenen Metallkontakten (BiSAM) Bei der Optimierung des Wirkungsgrades von Silizium-Solarzellen spielen zunehmend Überlegungen zur Verlegung der frontseitigen Kontakte auf die Rückseite der Solarzelle eine Rolle, um die Zelleneffizienz zu verbessern. Rückseitig kontaktierte Solarzellen bieten hinsichtlich der Verluste durch Verschattung und ohmschen Widerstände deutliche Verbesserungen gegenüber den Standard- Solarzellenkonzepten. Durch die Verlegung der Busbars auf die Rückseite der Solarzellen treten etwa 30 % weniger Verschattung auf und die Verbinderbändchen können deutlich größer dimensioniert werden. Damit sind im Vergleich bis zu 0,8 % abs. höhere Wirkungsgrade auf Modulebene möglich. Zudem bieten Rückkontaktzellkonzepte auch die Möglichkeit einer vereinfachten Modulherstellung, z.b. durch ein Pick-&-Place-Verfahren auf eine vorkonfektionierte Metallfolie. Auf Basis des Metallization-Wrap-Through-Solarzellkonzeptes soll eine kostengünstige und industrietaugliche Solarzelle entwickelt werden. Technologien wie die dielektrisch passivierte Zellrückseite und die chemische Metallabscheidung werden implementiert, wodurch Wirkungsgradsteigerungen von bis zu 1,5 % abs. erreicht werden können. Durch den bifacialen Charakter des entwickelten Solarzelltyps können diese Zellen sowohl in Standardmodule als auch in architektonisch attraktive transparente Solarmodule implementiert werden. Zunächst wurden die Einflussfaktoren identifiziert, die bei der Entwicklung eines neuen Zellkonzeptes wesentlich die elektrische Performance der Solarzelle bestimmen. Durch Simulationsrechnungen wurde eine geeignete Struktur identifiziert. Weiterhin wurde ein Design umgesetzt, das auf der Vorder- und der Rückseite ähnliche Kontaktgeometrien aufweist. Ausgewählt wurde die Anzahl von 69 Vias, mit einem Durchmesser von µm, angeordnet in 3 Reihen. Auf der Vorder- und der Rückseite werden knapp dünne Finger gedruckt werden (vgl. Abbildung). 28

29 Via (blauer Punkt) unter der Vorderseitenmetallisierung Vorgeschlagenes Design einer rückseitig zu kontaktierenden Solarzelle mit Vorderseite (links) und Rückseite (rechts). Die Vorderseitenmetallisierungen sind an den Stegen verbunden (siehe Bild unten) und werden an jeweils einem Via auf die Rückseite durchgefädelt. Dort laufen sie an den Lötbändchen zusammen (negativer Pol). Die Rückseite wird auch mit Fingern ankontaktiert. Hier erfolgt die Stromsammlung parallel zu den VS-Polen und wird zusammengefasst an der Zelloberkante. In diesen CAD-Zeichnungen auftretenden ungleichen Fingerbreiten sind bedingt durch die Bildschirmauflösung alle Finger haben die gleichen Abmaße. In der hauseigenen Solarzellenprozesslinie wird dieses Design zu einer Solarzelle prozessiert. Die Erzeugung der MWT Struktur verlangt einerseits die Herstellung von Löchern für die Durchmetallisierung und andererseits die Herstellung der Emitterstrukturen im Inline-Prozess. Diese Aufgaben werden mittels eines Lasersystems umgesetzt. Die Simulationsuntersuchungen favorisieren Löcher mit einem Durchmesser von etwa 100 µm auf der Zellvorderseite. 29

30 Für die Herstellung eines p+-dotierten Bereiches (Back surface field) an der Rückseite von Solarzellen wurden grundverschiedene Verfahren untersucht: Einerseits wurde Aluminiumpaste auf die Rückseite im Siebdruckverfahren ganzflächig aufgebracht und in einem Hochtemperaturschritt (Sintern) einlegiert. Verschiedene Dotierstärken wurden durch verschiedene Pasten und Sinterparameter realisiert. Die Untersuchung der Proben erfolgte über REM-Inspektion und Messung der Dotierkonzentration mittels Sekundärionenmassenspektroskopie (SIMS), sowie Schichtwiderstandsmessungen mit der 4-Spitzen-Methode. In der Abbildung sind exemplarisch 2 REM-Bilder mit unterschiedlich ausgeprägten Dotiertiefen zu sehen. REM-Aufnahmen des Aluminium-dotierten Bereiches unterhalb der körnigen siebgedruckten Aluminiumschicht. Im Bild links ist ein homogen ausgebildeter Bereich zu sehen (5-7 µm), im Bild rechts ist der Bereich unterbrochen. Weitere Varianten wurden untersucht. Eine Möglichkeit ist die Diffusion von Bor aus einem Borsilikatglas heraus. Neben dem Aufsetzen des Bor-Diffusionsprozesses und dem geeignet tiefen Eintreiben, stellt vor allen Dingen der Umgang des chemisch schwer ätzbaren Borsilikatglases eine Herausforderung dar. Ein weiteres Arbeitspaket umfasste die Probenbereitstellung für Nickel-Plating und Silizidierung. Hier wurden entsprechende Teststrukturen hergestellt, die sowohl eine Solarzellfläche als auch 30

31 eine kleine Teststruktur zur Bestimmung des Kontakt- und des spezifischen Widerstandes erlauben. Die Untersuchungen auf planaren Proben ergaben eine homogene Abscheidung von Nickel auf den im Vorfeld definierten Bereichen. REM-Bild eines Probenbereiches der den Teil eines Fingers (horizontale Linie) und eines Busbars (linker Rand) zeigt. Auf beiden Strukturen sind mit einer homogenen Nickelschicht versehen (Dicke etwa 3 µm), die im Gegensatz zur sonst verfügbaren Pyramidenstruktur eher blumenkohlartig wächst. Im EDX- Spektrum konnten eindeutig Nickel und Phosphor identifiziert werden. Durch das nachfolgende Tempern bildet sich zwischen Silizium und Nickel eine Nickelsilizid- Phase mit guten Kontakteigenschaften und notwendiger Haftkraft. Dabei wurde die Abhängigkeit der Qualität des Kontaktwiderstandes von den Temperbedingungen, insbesondere von der Temperatur bewiesen. Die weiteren Arbeiten fokussieren auf die Optimierung der Vorkonditionierung sowie des Abscheideverfahrens, um eine möglichst dünne und homogene Saatschicht zu erzeugen. Weiterhin sollen die Parameter für das Tempern dahingehend angepasst werden, dass geringe Kontaktwiderstände erzielt werden. 31

32 5.8 Laserunterstützte Herstellung von Silizium-Solarzellen (LaserSol) Damit Solarstrom preisgünstig zur Verfügung steht, müssen die Herstellkosten von kristallinen Silizium-Solarzellen reduziert, deren Effizienz verbessert und die Durchsatzraten in der Produktion erhöht werden. Zunehmend werden Laserprozesse als hochproduktive Verfahren eingesetzt, da sie lokal begrenzt, sehr flexibel und berührungslos arbeiten können. Im Projekt werden verschiedene Anwendungen von Laserstrahlverfahren für die Herstellung kristalliner Siliziumsolarzellen untersucht und auf eine einfache industrielle Umsetzbarkeit hin optimiert. Neben etablierten Prozessen wie Laser-Fired-Contacts und Laserdiffusion zählen dazu auch kaum verbreitete, wie die laserunterstützte Textur von Wafern oder das noch nicht untersuchte Lasersintern von Metallschichten zur Ankontaktierung von Emittern. In einem ersten Schritt wurden Ablationsprozesse simuliert. Für diese Vorgänge wird die Wechselwirkung von Materie und Energie in Form elektromagnetischer Wellen und Photonen im Stoffsystem untersucht. Zu betrachten sind hierbei im Wesentlichen das Absorptionsverhalten der beteiligten Komponenten: Silizium, Siliziumnitrid SiN X und Siliziumoxid SiO 2. Verschiedene Faktoren wie Temperatur und Wellenlänge beeinflussen das Verhalten. Insbesondere interessiert die Wechselwirkung mit der Laserstrahlung, die durch Pulsdauer, Laserleistung und Wellenlänge charakterisiert wird. Eine schädigungsarme Ablation wird durch die Nutzung von Pulsdauern im Femtosekundenbereich erwartet. Ein weiteres Arbeitspaket beschäftigt sich mit Ätzbarrieren. Siliziumnitrid und Siliziumoxid sind die typischen elektrischen Schichten. Sie bewähren sich als Schutz vor dem Eindringen von Dotanden oder dem Angriff verschiedener Ätzlösungen. Da allerdings die Prozesse anwendungsspezifisch geführt werden, ist eine individuelle Datenerhebung notwendig. Die durchgeführten Untersuchungen fokussierten sich auf die Bestimmung von Ätzraten in unterschiedlichen Medien, die für die Bearbeitung von Silizium wiederum geeignet sind: Zu diesen zählen in erster Hinsicht zwei unterschiedliche Ätzlösungen: basische Kaliumhydroxidlösung saure, gepufferte Fluss- und Salpetersäure-Lösung HF-HNO3-CH3COOH. Mit diesen sind verschiedene Tests durchgeführt worden, die allesamt eine ausreichend geringe Ätzrate aufwiesen, um sie als Ätzmaske einzusetzen. Mit einem derzeit verfügbaren Testlaser wurden erste Experimente zur Strukturierung von Siliziumnitridschichten auf texturiertem Silizium durchgeführt. Einige Ergebnisse sind in der 32

33 Abbildung unten zu sehen. Demnach muss eine gute Anpassung der Geräteperipherie (Galvospiegelkopf) auf das Lasersystem selbst erfolgen, da bei schlechter Anpassung der Zeitkonstanten des Scanners mit denen des Lasers keine gewollten runden Ablationsflächen erzeugt werden. Aufnahmen von lasergeöffneten Flächen aufgenommen mit einem optischen Mikroskop. Zu sehen ist die texturierte, mit Siliziumnitrid beschichtete Oberfläche, auf der mit einem Laser näherungsweise Runde Stellen bestrahlt wurden. Während links die ablatierten Flächen hinsichtlich der Form annähernd kreisrund sind, haben die Strukturen rechts einen deutlich elliptischen bis ovalen Charakter. Begründet werden kann dies durch die Bewegung des Laserstrahls mit Galvoscannerspiegeln und im Fall links noch nicht durchgeführte Anpassung der Gerätespezifikation. 33

34 5.9 Entwicklung eines kombinierten Kardio-Temperatursensors für Langzeitüberwachungen bei Risikogruppen (KomKaT-Sens) Die Körpertemperatur ist einer der wichtigsten Vitalparameter und unterliegt deshalb besonderer medizinischer Beobachtung. Im Hinblick auf den Einsatz der mikro-optischen Systeme in der Pulsoximetrie ist vor allem die Abhängigkeit der Perfusion von der Hauttemperatur bedeutsam. Eine sichere Bestimmung der Perfusion erfordert daher stets die Kontrolle der lokalen Körpertemperatur. Das Projekt zielt auf ein neues Multisensorsystem auf Basis der MORES -Plattform für kombinierte Pulsoximeter-Körpertemperatur-Messungen. Dazu wird zusätzlich thermisch sensitive Funktionalität in das bestehende mikro-optische MORES -Design integriert. Durch innovative Montagetechnologien wird weitestgehend eine von der Chiptemperatur unabhängige Bestimmung der lokalen Körpertemperatur gewährleistet. Kernziele des Projektes bilden die zeitgleiche Erfassung verschiedener sensorischer Messgrößen durch eine mobile Elektronik sowie eine hardwareseitige Integration und Miniaturisierung der Komponenten. Detailliert bedeutet dies u.a. : 24h-Messung von Pulsrate; Atemfrequenz Verwendung von zwei angepassten Wellenlängen zur Bestimmung der arteriellen Sauerstoffsättigung Lokale Körpertemperatur mit Genauigkeit +-0,1 C Thermische Verlustleistung <10mW Skizze mit Detailbeschreibung 34

35 Anhand von theoretischen Überlegungen bis hin zu diversen Musteraufbauten wurden geeignete Temperaturmessverfahren sowie Aufbauvarianten untersucht. Zur Erfassung der Temperatur wurden klassische Platinwiderstände verwendet, da diese hinsichtlich Stabilität, Genauigkeit, angestrebter Messbereich und Miniaturisierung die besten Parameter bieten. Die einzelnen Sensorkomponenten wurden zur elektro-mechanischen Verbindung diskret auf ein Metallstrukturiertes Glas montiert, was zu der herkömmlichen MoReS-Technologie eine Verbesserung der thermischen Entkopplung der Komponenten zur Folge hat. Zusätzlich zur Sensorentwicklung wurden folgende Produkte bzw. Verfahren entwickelt, optimiert oder gefertigt: Mobile Ausleseelektronik für 24h-Messbetrieb Optimierung der AV-Techniken (z.b. Flip-Chip-Technologie PT-Element) Erweiterung des Produktspektrums für die Remissions-Pulsoximetrie KomKatSens Sensor 35

36 5.10 Nanomaterials for Application in Sensors, Catalysis and Emerging Technologies NASCENT "Initial Training Networks" innerhalb des Europäischen Programms Marie Curie unterstützen die strukturierte Forschungsausbildung von Nachwuchswissenschaftlerinnen und -wissenschaftlern, insbesondere Doktorandinnen und Doktoranden, durch grenzüberschreitende Netzwerke von Einrichtungen im Rahmen eines gemeinsamen Forschungsausbildungsprogramms in einem bestimmten wissenschaftlichen Bereich oder Thema. Gemeinsam mit Wissenschaftlern aus europäischen Universitäten und Unternehmen arbeiteten CiS-Forscher und -Entwickler im Rahmen des Netzwerkes NASCENT am Einsatz neuartiger mikro- und nanostrukturierter Polymere für Sensoren. Im Mittelpunkt der wissenschaftlichen Kooperation standen dabei neuartige sogenannte Molecular Imprinted Polymers (MIPs) zur Erkennung und Identifikation von Elementen und Stoffen im Nanobereich. Entsprechend der CiS- Kompetenz auf dem Gebiet der optischen Mikrosensorik, wurde ein miniaturisierter optischer Sensor entwickelt, der Imprinted-Dünnfilm-Erkennungsmaterial mit optischer Detektierbarkeit verbindet. Grundlage bildete die CiS-MORES -Technologieplattform, die es erlaubt, eine Sensorik zu schafften, die einen Farbumschlag bei Änderung der optischen Eigenschaften z.b. von Polymeren signalisieren und messen kann. Das europäischen Marie-Curie-Programm bot hierfür den notwendigen kreativen Rahmen, um Ergebnisse polymer-wissenschaftlichen und mikrosensorischen Forschungen und Entwicklungen miteinander zu verknüpfen. Im Mittelpunkt standen die Schaffung eines wissenschaftlichen Klimas zwischen den Partnern, die Aktivierung einer europäischen Netzwerkarbeit, einschließlich der Teilnahme an internationalen Konferenzen und Veranstaltungen und nicht zuletzt die Finanzierung des Forschungsaufenthaltes für einen jungen Doktoranden aus einem EU- Mitgliedsland im CiS Forschungsinstitut für ein Jahr. Mit Dr. Tomas Martan vom Institut für Photonik und Elektronik der Akademie der Wissenschaften in Prag arbeitete im CiS ein Nachwuchswissenschaftler, dem es gemeinsam mit den verantwortlichen Entwicklungsingenieuren des Bereiches MOEMS gelang, das CiS Forschungsinstitut auch als wissenschaftlichen Partner des Europäischen Forschungsraumes zu präsentieren, die Mikrooptik-Kompetenzen für Farb- und Fluoreszenz-Messungen in die europäische Polymer-Community einzubringen und eine polymer-gestützte mikrooptische Konzentrationsmesssensorik für gasförmiges CO 2 als eine erste MORES -basierte prototypische Sensorlösung bereitzustellen. 36

37 Dafür stehen u. a. eine Reihe wissenschaftlicher Publikationen in internationalen Zeitschriften und internationaler Konferenzen, so allein 4 Publikationen über optische Sensorik basierend auf sensitiven Polymerschichten; Forschungsaufenthalte an den Universitäten von Compiègne (Frankreich) und Prag sowie die Teilnahme an wissenschaftlichen Netzwerk-Meetings und Schools, u.a. in London, Beer Sheva (Israel), Warschau und Paris; ein computer-gestütztes Evaluation Board für sensitive Schichtstrukturen aufgebaut auf ein MORES -Sensormodul. MORES -Sensormodul auf Glassträger zur CO2 Konzentrationsmessung mit sensitiver Schicht (basierend auf Spin-Coating Technologie) Mit der Entwicklung der dargestellten Basisvariante eines Pre-Prototypes (Bild 2) für einen neuartigen planaren optischen Remissionssensors für CO 2 -Konzentrationsmessungen konnte 2011 die erste Marie-Curie-Maßnahme für das CiS Forschungsinstitut erfolgreich abgeschlossen werden. Heute kooperiert das CiS Forschungsinstitut mit dem Institut für Photonics und Electronics Prag im Rahmen laufender EUREKA-Projekte und arbeitet somit auch weiterhin mit Dr. Martan zusammen. 37

38 Dr. Martan bei der Präparation der Sensorik mit Teilergebnissen zum Farbunterschied der sensitiven Schicht auf Glassubstrat für a) 0% und b) 100% CO2 Konzentration; c) das modifizierte MORES Modul 38

39 5.11 Entwicklung von Modulen für eine leistungslose binäre Sensor-Aktor-Plattform (MOBISA) Autonome vernetzte Sensorsysteme bieten vielfältige Einsatzmöglichkeiten. Mit ihnen lassen sich u.a. chemische Prozesse genauer und preiswerter steuern und regeln, Maschinen überwachen und miteinander verknüpfen, sicherheitsrelevante Objekte verfolgen und verwalten (z.b. gefährliche Güter und Gefahrstoffe unterwegs und im Lager), Umweltbedingungen erfassen (z. B. Luftgüte, Wetterdaten und Waldbrände), Produktqualität prüfen (Kühlkette bei empfindlichen Gütern wie Lebensmitteln und Arzneimitteln sichern) oder der Zustand von Bausubstanz überprüfen. Im Projekt war der Fokus auf die Entwicklung von Modulen für eine leistungslose binäre Sensor-Aktor-Plattform gerichtet für eine Anwendung in autonomen Sensornetzwerken. Da diese überwiegend kabellos sind, ist eine drahtlose Datenübertragung notwendig. Die Energieversorgung ist nur über Akkumulatoren und Energie Harvester möglich und gleichzeitig auch die wesentlichste Hürde bei dieser drahtlosen Anbindung, was den endgültigen Durchbruch dieser Systeme bisher verhindert hat. Die entwickelte leistungslose binäre Sensor-Aktor-Plattform bietet hier eine Lösung für eine neue Strategie im Energiemanagement. Ein Trend zur Energieeinsparung ist die Power Down -Schaltung der einzelnen Sensorknoten. Über ein Funkprotokoll werden die Sensorknoten geweckt und das Netz aufgebaut. Während der Wachphase werden relevante Daten ausgetauscht und bewertet. Der Sensorknoten kann sich vollständig im Power Down -Zustand befinden oder nur die Funkverbindung. Die letztere Variante hat den Vorteil, dass die Sensoren zu 100 % online sind und ein relevantes Ereignis aufnehmen können. Nachteilig gegenüber der ersten Strategie ist der höhere Bedarf an elektrischer Energie. Hier setzt die leistungslose binäre Sensor-Aktor-Plattform an. Die Messgröße generiert über ein sensitives Material eine Bewegung, welche einen elektromechanischen Schalter betätigt. Der Informationsgehalt beschränkt sich auf die wesentliche Information, Schwellwert überschritten oder unterschritten, repräsentiert durch den Schaltzustand hochohmig (offen) oder niederohmig (geschlossen). Die benötigte Energie zum Betätigen des Schalters liefert die Messgröße selbst. Das Schaltsignal weckt den Sensorknoten, das Netz wird aufgebaut und relevante Daten übertragen. Der Sensor benötigt für die Darstellung des Schaltzustandes keine elektrische Energie. Die binären Sensoren sind online, obwohl sich das System im Power Down -Zustand befindet. 39

40 Volumenänderung Kraft und Bewegung Messgröße Sensitives Element Transduser Erkennungs system Transducer Schlagartige Änderung des Übergangswiderstandes Elektrischer Mikrokontakt Interface Erkennung Arbeitsweise und Komponenten der leistungslosen binären Sensor-Aktor-Plattform Autonome vernetzte Sensorsysteme bestehen aus einer hinreichend großen Zahl von einzelnen miniaturisierten Sensorknoten, d.h. Mikrosystemen, welche eine integrierte Sensorik, erste Datenverarbeitung vor Ort im Sensorsystem, integrierte drahtlose Kommunikation für das Senden und Empfangen von Daten (Ad- Hoc und von und zur Infrastruktur) und eine autonome, d.h. der jeweiligen Applikation entsprechend von einem festen Netz unabhängige Energieversorgung, enthalten. Die leistungslose binäre Sensor-Aktor-Plattform kann für eine Reihe von Messgrößen eingesetzt werden. Hierfür sind verschiedene sensitive Materialien vorhanden. Neben dem Einsatz in autonom vernetzten Sensorsystemen ist auch die Verwendung in Zweipunktreglern leicht möglich. Insbesondere, wenn bedacht wird, dass über 70% aller Prozesse in der Industrie über diese einfachen Systeme gesteuert werden. 40

41 5.12 Entwicklung von Siliziumphotomultiplier (SPM) Silizium-Photomultiplier sind moderne Halbleiterdetektoren. Der Nachweis von Lichtsignalen geringer Intensität ist für viele Anwendungen von zentraler Bedeutung. Diese Detektoren werden entsprechend der spezifischen Einsatzbedingungen angepasst und ersetzen zunehmend herkömmlichen Photomultiplier-Röhren. Angewendet werden sie in der Medizintechnik, Biophotonik, und sie dienen auch der Weiterentwicklung des CMS-Experiments am CERN. Ein neuer Prototyp eines Siliziumphotomultipliers wurde im CiS Forschungsinstitut entwickelt. Der SiPM-Chip hat eine Fläche von 1 mm² mit bis zu 1024 Mikrozellen. Die Mikrozellen sind mit Polywiderständen verbunden und arbeiten im Geiger-Lawinen-Modus, so dass der SiPM eine interne Verstärkung besitzt und sich automatisch erholt. Eine Antireflexschicht wurde eingefügt, um die Photodetektionseffizienz für blaues Licht zu erhöhen. Eine systematische Evaluation (IV- Kennlinie, Verstärkung, Dunkelrate, Photodetektionseffizienz, Photoelektronspektrum) für den Prototyp wurde durchgeführt. Der SiPM ist in p-epi-silizium-wafern hergestellt worden. Ein flacher n+-p-übergang und eine darauf liegende Antireflexionsschicht können eine gute Quantenausbeute für die Blaulicht- Photonen ermöglichen. Weil der SiPM im Geiger-Modus arbeitet, ist ein möglichst gleich verteiltes elektrisches Feld im Sensor sehr wichtig. Nach numerischer Simulation bei der Durchbruchspannung, kann ein Schutzring neben dem Rand des PN-Übergangs dazu beigetragen, die elektrische Feldstärke am Rand zu reduzieren. Als eine Variante wurden flache Gräben zwischen die Mikrozellen eingeätzt, welches das optische Übersprechen reduziert. Foto eines SiPM-Prototyps vom CiS Das Photoelektronen-Histogramm-Spektrum von einem SiPM-Chip bei blauer LED (=430nm) mit 3V Überspannung 41

42 Eine systematische Charakterisierung wurde durchgeführt und die Durchlass- und Sperrkennlinien der SiPMs getestet. Sie zeigen das erwartete PN-Übergangsverhalten. Die Dunkelrate wird durch einen Diskriminator und einen Zähler bestimmt, welcher ausgelöst wird, sobald der Signalimpuls den Schwellwert überschreitet. Die kleine Dunkelrate des SiPM-Chips weist darauf hin, dass die Defektdichte im Lawinengebiet klein gehalten wurde. Unter einer blauen LED wurde ein Photoelektronenspektrum für den SiPM gemessen. Es können bis zu 7 Photonen aufgelöst werden. Weil die Verstärkung zu der Überspannung proportional ist, kann die Durchbruchspannung aus den Photoelektronen-Histogramm-Spektren bei unterschiedlichen Vorspannungen extrahiert werden. Die Verstärkung ist proportional zum Abstand des ersten Photoelektronen-Peaks zum Pedestal. 42

43 5.13 Totvolumenarme Messzelle für die Zustandsgrößen Druck, Temperatur, Volumenstrom, Konzentration für die Mikroverfahrenstechnik (ToMess) Mikrostrukturierte Reaktoren halten seit mehreren Jahren erfolgreich Einzug in die Chemielabore. Weltweite Forschungsaktivitäten zeigen eindrucksvoll, dass sich durch den Einsatz der mikroverfahrenstechnischen Komponenten eine Vielzahl von reaktionstechnischen Vorteilen in chemischen Prozessen erzielen lassen. Hingegen ist die Auswahl an geeigneten Sensoren zur Überwachung der Zustandsgrößen eher gering. Vielfach werden modifizierte Sensoren aus der Prozesstechnik verwendet. Nachteilig ist das im Vergleich zu mikroverfahrenstechnischen Komponenten hohe innere Volumen, welches durch die Verwendung verschiedener Sensoren für die vier wichtigen Zustandsgrößen Temperatur Druck Massen- oder Volumenfluss und Konzentration noch ansteigt. Die Messung der Zustandsgrößen ist sowohl für die Prozessführung als auch für die Betriebssicherheit der Anlage notwendig. Aus den speziellen Anforderungen für Sensoren in der Mikroverfahrenstechnik wurde ein Sensormodul entwickelt, welches diese Größen simultan aufnimmt und über geeignete Schnittstellen direkt in den mikroverfahrenstechnischen Prozess integriert werden kann. Sensorprinzip und Zielparameter Die Basis bildet eine Strömungszelle aus Silizium mit auf Silizium basierenden Sensoren. Die medienberührenden Werkstoffe sind weitgehend chemisch resistent und können über Schichtsysteme weiter passiviert werden, z.b. Siliziumnitrid. 43

44 Messzelle ToMess, ohne Fluidanschlüsse Prozessdruck Blende zur Volumenstrommessung Weg durch die Messzelle Differenzdrucksensor zur Volumenstrommessung, Temperaturdiode Interdigitalstruktur zur Impedanzspektroskopie Schnitt durch die Messzelle, mit Position der Sensoren für Prozessdruck, Volumenstrom, Konzentration und Temperatur Die komplette Durchflusszelle mit der Kanalplatte, die die vier Sensoren aufnimmt und das Fluid zu den Sensoren leitet. Der Druck wird piezoresistiv über implantierte Messwiderstände in der Siliziummembran ausgewertet. Die Kanalplatte ist derart ausgebildet, dass die Verweilzeitverteilung nicht wesentlich beeinflusst wird. Eine Temperaturdiode wird zur Temperaturmessung verwendet. Diese ist im Drucksensor integriert und dient gleichzeitig zur softwareseitigen Temperaturkompensation der Messbrücke. Der Volumenstrom leitet sich aus dem Differenzdruck an einer Engstelle ab. Den Abschluss bildet eine Interdigitalstruktur zur Impedanzmessung bzw. Impedanzspektroskopie. Die Konzentrationsmessung über die Impedanz stellt nur eine Möglichkeit dar, diese ist nur geeignet, wenn die Impedanz von der Konzentration abhängt, z.b. bei ionischen Flüssigkeiten. Über eine geeignete Schnittstelle (USB, kompatibel mit Labview, optional drahtlose Datenübertragung), ist die direkte Integration des Sensormoduls in einen Mikrostrukturreaktor und die in-situ-messung möglich. 44

45 Zustandsgröße Messprinzip Messbereich* Prozessdruck Piezoresistiv 0-16 bar Volumenstrom Differenzdruck und Messblende 0-10 ml/min Konzentration Elektrische Impedanzspektroskopie 1 khz-100 khz Temperatur Temperaturdiode -30 bis +130 C 45

46 5.14 Hochauflösender kraftfreier Verkippungssensor (KippMikroSens) Bei Waagen treten, je nach Position des Gewichtes auf der Waagschale, verschiedene Drehmomente in der Aufnahme des Schalenträgers auf. Diese Drehmomente verursachen durch Verformungen im Hebelwerk eine Änderung des Gewichtswertes in der Waagenanzeige. Diesen unerwünschten Effekt nennt man Ecklastfehler oder Fehler durch außermittige Belastung. Das Ziel des marktorientierten Vorhabens Hochauflösender kraftfreier Verkippungssensor besteht in der Entwicklung eines neuartigen opto-elektronischen Sensors zur Ermittlung der Waagschalenneigung. Mit diesem Sensorsignal soll die Größe des Drehmomentes am Schalenträger bestimmt werden und damit die auftretenden Ecklastfehler rechnerisch kompensiert werden. Übliche Sensorik (auf Basis von Dehnmessstreifen) zur Kompensation von Ecklastfehlern ist nicht kraftfrei ausgeführt. Es existieren elektrische Verbindungen zwischen der Waagschale bzw. Kraftaufnehmer und gehäusefesten Strukturen. Durch die Benutzung eines optischen Sensors, von dem nur ein Reflektor an den beweglichen Teilen der Waage angeordnet ist, wird jede verfälschende Kraft auf die beweglichen Teile der Waage vermieden, so dass der Ecklastsensor auch für Waagen geringer Höchstlast einsetzbar ist. Im Bild rechts ist eine fotografische Darstellung für eine realisierte Konzeption dargestellt. Dabei wird von einer planen Strahler-Empfänger- Baugruppe ausgegangen. Das Licht des zentral angeordneten Emitters wird zu einem Lichtring geformt und von einem Spiegel an der Waagschale zurück reflektiert. Der Sensor hat einen Messbereich von min. ±200 Winkelsekunden und eine Genauigkeit im Bereich von 5 Winkelsekunden. Die Auflösung liegt unter einer Winkelsekunde. 46

47 5.15 Entwicklung von Analysetechnologien zur Optimierung von Materialeigenschaften und Oberflächenqualität für das Siliziumdirektbonding Das Projekt umfasst Konzeption, Entwicklung und Umsetzung eines prozessbegleitenden Spektrums analytischer Technologien zur Verbesserung von Performance, Stabilität und Bauform von MEMS-Chips mit Schwerpunkt auf Homogenität und Defektarmut der Oberfläche in Vorbereitung des Siliziumdirektbondings von Chipwafern auf Rückkörper-Substrate. Die Entwicklung der erforderlichen Analysetechnologie beinhaltet dabei nicht nur Test und Einführung der eigentlichen Messverfahren, sondern besonders auch die Ermittlung spezieller Techniken zur Probenaufbereitung und die Rückführbarkeit des Verfahrens. Grundlegende materialwissenschaftliche Analysen und die erforderliche Probenaufbereitung kommen bisher hauptsächlich in der Grundlagenforschung zum Einsatz und spielen oftmals eine untergeordnete Rolle, obwohl durchaus ein gesteigertes Interesse an der Implementierung wissenschaftlicher Methoden in den Produktionsprozess besteht. Die Erfahrung zeigt jedoch, dass nur eine effektive Kombination aus technologischen und analytischen Verfahren inklusive einer individuellen Probenaufbereitung zum Gelingen führt, die als eigenständige Technologie fest implementiert und multiplikativ zur Verfügung gestellt werden muss. Die Selektion und Adaption adäquater Methoden aus dem breiten Spektrum der Oberflächen- und Dünnschichtanalytik, die Entwicklung ihres Zusammenspiels für ein bestmögliches Analyseergebnis mit hohem Informationsgewinn sowie die Ergänzung um neue Entwicklungen im Bereich Oberflächenkonditionierung und Planarisierung mittels CMP führte im Rahmen des Projektes OMO zur Schaffung eines innovativen Analyseapparates. Aus der Vergangenheit sind bereits verschiedenste Defekte und potentielle Fehlerquellen bekannt, die sich nicht nur im Hinblick auf das Siliziumdirektbonden, sondern auch hinsichtlich Stabilität und Ausbeute als kritisch erweisen können. Aus der Gesamtheit dieser kritischen Stellen ergaben sich die einzelnen Ansatzpunkte für die zu entwickelnden Analysekomplexe, die in der Abbildung (nächste Seite) skizziert sind und das Waferprocessing von Strukturierung (1) über Vorbehandlung der Bondoberflächen (2) bis zum Bonding (3) begleiten sollen. Ausgerichtet auf bekannte Problemstellungen wurden im Projektjahr 2009 zunächst bewährte Verfahren (SIMS, TOF-SIMS, Direkte TXRF, AFM, konfokale Mikroskopie, 3D-Wafer-Mapping, REM, FIB/REM, TEM, Kontaktwinkelmessungen) aus konventionellen Einsatzgebieten der Materialforschung und dem breiten Spektrum der Oberflächen- und Dünnschichtanalytik ausgewählt und ihre Eignung anhand der näheren Charakterisierung kritischer Stellen des Chipwafers (organische Kontaminationen und dünne Schichten (a) - Ätzgruben, mechanische Defekte, Epitaxiemuster und Handlingspuren (b) - kristallographische Defekte auf der Rückseite 47

48 der Siliziummembran (c)) sowie zur Bewertung der Qualität der Bondoberfläche (Partikeldichte (d) - Hydrophilität und Benetzungsgrad (e) - mikroskopische und makroskopische Rauheit (f) - Bindungszustände an der Festkörperoberfläche (g)) verifiziert. Bewährte Verfahren aus konventionellen Einsatzgebieten der Materialforschung wurden ausgewählt und innovativ eingesetzt. Ihre Eignung wurde anhand der näheren Charakterisierung bekannter Defekte verifiziert und letztendlich in die für ein umfassendes Technologieverständnis zwingend benötigte Analysetechnologie überführt. Mit Hilfe dieser effektiven Kombination ausgewählter Methoden aus dem breiten Spektrum der Oberflächen- und Dünnschichtanalytik sowie deren Anpassung auf Analyseziele, Probengeometrien und spezifische Fragestellungen konnte ein leistungsfähiges Instrument erarbeitet, angepasst und entwickelt werden, mit dem nun technologische Prozesse qualitativ und quantitativ bewertet, hohe Ansprüche an Ebenheit, Rauheit und Partikelfreiheit erfüllt und kritische Fehlstellen ausgeschlossen werden können. Die Projektergebnisse stehen einerseits für eine Vielzahl von Forschungsprojekten sowie für applikative, wirtschaftsnahe Entwicklungen zur Verfügung und können andererseits auch als Dienstleistungen angeboten oder als Technologien transferiert werden. Damit unterstützen die Projektergebnisse die Zielstellungen des CiS und verbessern die Verwertungsmöglichkeiten mit bestehenden Kunden und in bestehenden Projekten und eröffnen zahlreiche neue Möglichkeiten bei der Akquisition neuer Projekte. 48

49 5.16 Neuer piezoresistiver Mikrokraftsensor für die Kalibrierung von Tastschnittgeräten In Mikrosystemen werden zunehmend neue Materialien eingesetzt, die sich beim dimensionellen Messen nicht kooperativ verhalten. So werden beispielsweise weiche Resistmaterialien auf Polymerbasis nicht nur zur Strukturierung von Mikrosystemen, sondern auch als Grundmaterial für die Fertigung von Mikrostrukturen eingesetzt. Bei der dimensionellen Qualitätskontrolle solcher Systeme, die aus unterschiedlichen Materialien bestehen, treten systematische Messabweichungen auf. Bei Tastschnittmessungen an Polymerstrukturen sind antastkraftabhängige Deformationen die Hauptursache für Messabweichungen. Die vorhandenen Kalibriernormale für Antastkräfte haben zwei wesentliche Nachteile. Bei den Silizium-Biegebalken Kraftnormalen stört die starke Abhängigkeit der Biegesteifigkeit vom Ort der Krafteinleitung. Dieser Nachteil ist in den beidseitig eingespannten Siliziumbalken zwar stark reduziert, dafür weisen diese Normale eine recht starke Nichtlinearität der Kraft-Auslenkungskurve auf. In der PTB wurden daher im Rahmen des BMWi-geförderten MNPQ-Vorhabens Transfer neuartiger Mikro- und Nanokraftsensoren sowie notwendiger modularer Messtechnik zur elektrischen und mechanischen Charakterisierung neuartige Nanokraftsensoren zur Kalibrierung der Antastkraft von taktilen Oberflächenmessgeräten (Rasterkraftmikroskope, Tastschnittgeräte und Koordinatenmessgeräte) entwickelt. Als Design wurde ein beidseitig eingespannter Siliziumbiegebalken gewählt. Mittels Finite-Element- Modellierung wurden die Linearität der Steifigkeit, die Resonanzfrequenzen sowie die Spannungsverteilung untersucht. Es stellte sich heraus, dass die geringsten Nichtlinearitäten mit mäanderförmigen Dehnungselementen erreicht werden können. Zwei Varianten wurden gefertigt, ein flaches mittels nasschemischem Ätzen vom Projektpartner CiS Forschungsinstitut für Mikrosensorik und Photovoltaik GmbH (siehe Bild 1) und zum Vergleich ein hohes Mäanderdesign vom Institut für Halbleitertechnik der TU Braunschweig (siehe Bild 2). Das hohe Mäanderdesign konnte zunächst nur mit konventionellen 360 µm dicken Wafern realisiert werden, obwohl die Modellrechnungen für noch dickere, aber schwerer zu handhabende Wafer, noch kleinere Nichtlinearitäten von vorhersagt. Messfläche Piezoresistiver Mikrokraftsensor mit hohen mäanderförmigen Dehnungselementen vom IHT der TU Braunschweig (links: elektronenmikroskopische Aufnahme, rechts: Sensor in Halterung mit elektrischer Kontaktierung) 49

50 5.17 Inerte applikationsspezifische Passivierungssysteme IAP Ziel des Vorhabens war es, durch die Entwicklung angepasster gegen verschiedene Umweltbedingungen inerter Passivierungsschichten, die schon vorhandenen Technologie- und Designmodule für die Entwicklung und Herstellung von piezoresistiven Drucksensoren einerseits und Impedanzsensoren andererseits weiter zu entwickeln. Die Entwicklungsschwerpunkte lagen auf der Widerstandsfähigkeit der Sekundär-Passivierung gegen durch die jeweilige Applikation vorgegebene Umweltbelastung bei gleichzeitiger maximaler Schichtqualität und minimaler Beeinflussung der Sensor-Funktion durch die zusätzlichen Schichten, um weiterhin maximale Empfindlichkeit bei maximaler Reproduzierbarkeit und Robustheit gewährleisten zu können. Hauptvorteile des gewählten Ansatzes von rückwirkungsarmen Sekundär-Passivierungen sind der verbesserte Schutz vor negativen Umwelteinflüssen bei minimaler Beeinflussung der Sensor- Kennwerte sowie die Entkopplung kritischer Aufbau- und Verbindungstechnik-Schnittstellen vom Transducer. Im Ergebnis der Projektarbeiten wurde durch umfangreiche Versuchsprogramme und Simulationen ein Parametersatz für den Einsatz von Passivierungsschichten mit gezielt einstellbarer Vorverspannung gefunden (Abb. 1) und damit das diesbezügliche Alleinstellungsmerkmal des CiS Forschungsinstitutes ausgebaut. Durch umfangreiche Simulationen konnte ein parametrisiertes Modell des thermisch-transienten Verhaltens von piezoresistiven Druckmessbrücken entworfen werden (Abb. 2). Es wurden Messtechnik-Tools entwickelt und erprobt, mit denen MEMS-Strukturen mit unterschiedlichen Schichten sensitiv charakterisiert (Abb. 3), sowie Widerstandsmessbrücken zur Verhaltensbeschreibung und Fehlererkennung thermisch-transient und unter wechselnden klimatischen Bedingungen charakterisiert werden können (Abb. 4). Es wurde außerdem eine erhebliche Anzahl von Design- und Technologiemodulen neu- bzw. weiterentwickelt, die jeweils einzeln genutzt oder in technologische Abläufe des CiS integriert werden können. 50

51 Veröffentlichungen G. Brokmann, H. Übensee, G. Gerlach: Thermisches Verhalten von piezoresistiven Drucksensoren - Charakterisierung und Modellierung, 16. GMA/ITG-Fachtagung Sensoren und Messsysteme 2012 {RSen2Mem} + - I4 + - I3 C10 {CSen2Env} C9 {CSen2Env} C8 {CSen2Env} R18 R19 {RSen2Env} {RSen2Mem} R16 R17 {RSen2Env} {RSen2Mem} R14 R15 {RSen2Env} PARAMETERS: RSEN2ENV = 100G CSEN2ENV = 30n RSEN2MEM = 150 PARAMETERS: PARAMETERS: RMEM2ENV = 100G CMEM2ENV = 500n TENV = 0 RMEM2SUB = 20 Q_R = m PARAMETERS: PARAMETERS: RSUB2ENV = 100G RGK2ENV = 140 CSUB2ENV = 10u CGK2ENV = 5m RSUB2GK = I2 C1 {CSen2Env} + - I1 {RSen2Mem} R1 R8 V C7 {RSen2Env} {RMem2Sub} R5 R7 C5 {RMem2Env} {CMem2Env} {RSub2GK} R6 R12 C6 {RSub2Env} {CSub2Env} {CGK2Env} {RGK2Env} R13 0 Empfindlichkeit eines Drucksensors in Abhängigkeit von der Dicke der Passivierungsschichten SPICE-Ersatzschaltbild des Drucksensors zur Modellierung des transienten thermischen Verhaltens Lock-in-Thermografie-Bild Transientes Verhalten eines Drucksensors (Vergleich von Messungen und Simulationen) 51

52 5.18 Integration von Sensor-Aktor-Funkionsmaterialien für die Realisierung energieautarker binärer Sensoren (BiZEPS) Die Prozessregelung von nahezu 70% aller technischen und nicht-technischen Prozesse erfolgt auf Basis von Grenzwertparametern. Fast die gesamte Sensorik in der Gebäudeautomatisierung basiert auf der Zweipunktregelung. Zielstellung ist es generell, solche Sensorsysteme energiesparsam oder am besten energieautark zu realisieren. Als energieautarke Sensoren werden überwiegend Bausteine, die aus dem aktuellen Umfeld mit Energie versorgt werden gesehen. Die Vielzahl dieser verwendet das Energy Harvesting, die Wandlung der Umgebungsenergie in elektrische Energie. Die Autoren des Beitrags bestreiten einen alternativen Weg: die direkte Nutzung der Umgebungsenergie zum Schalten elektrischer Kontakte. Verwendung finden Funktionsmaterialien, die sehr sensitiv und definiert auf die Änderung von Umweltgrößen mit einer Form und/oder Volumenänderung reagieren. Die auf diese Weise generierte mechanische Arbeit schließt oder öffnet elektrische Kontakte in Abhängigkeit einer Messgröße. Das Resultat sind Sensoren, welche vollkommen auf elektrische Energie verzichten können. Die mikrosystemtechnischen Grundkonzepte bieten die Möglichkeit neue intelligente Funktionsmaterialien, deren Signalmodulation nicht mit elektrischen oder optischen Materialeigenschaften korreliert, einzusetzen. Bevorzugt wird eine geometrisch in mechanische Arbeit ungewandelte Signalmodulation. Die Verbindung dieser Funktionsmaterialien gepaart mit einem mechanischen Mikroschalter ergibt einen neuartigen binären leistungslosen Sensor. Relevante Messgrößen können Temperatur, Druck, Luftfeuchte aber auch chemische Größe sein. Bei Über- oder Unterschreiten einer bestimmten Grenze führt die Formänderungsarbeit zum Schalten des Mikroschalters und erst dann zu einem elektrisch relevanten Vorgang. Die folgende Abbildung zeigt das Prinzip dieser Plattform. BIZEPS öffnet oder schließt einen elektrischen Stromkreis abhängig von einem Schwellwert. Dieser Schwellwert kann ein Druck, eine Temperatur, ein ph-wert, eine relative Luftfeuchtigkeit oder ein anderer Messwert sein. Der Sensor bezieht die zum Schalten benötigte Energie aus dem Messmedium; diese wird gemäß in eine Bewegung und dann in einen Schaltzustand umgesetzt. Im einfachsten Fall wird mechanisch ein elektrischer Kontakt geschlossen. Die Umsetzung ist in der schematisch gezeigt. 52

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