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06/20/2024 09:00

Entwickler von Dünnschicht-Gas-Sensoren profitieren von geheizter Substrat-Plattform

Julia Schulze Marketing & Kommunikation
Fraunhofer-Institut für Photonische Mikrosysteme (IPMS)

    Das Fraunhofer-Institut für Photonische Mikrosysteme IPMS entwickelt und
    fertigt individuelle beheizbare Test-Chips für die Charakterisierung neuer
    Materialien der Gas-Sensorik. Darauf abgeschiedene sensorische Schichten und
    deren anwendungsspezifische Parameter, wie Sensitivität und Selektivität,
    können damit gezielt untersucht werden. Individuell herstellbare Chip-Designs
    erlauben die optimale und hochgenaue Charakterisierung dieser dünnen
    Schichten.

    Der Nachweis von Gasen wie beispielsweise NO2, NH3, CO, H2S oder flüchtigen
    organischen Verbindungen (VOC) wie Aceton, Formaldehyd und Methanol ist von
    großer Bedeutung für die Beurteilung einer möglichen Gesundheitsgefährdung.
    Gas-Sensoren auf Basis von Einzelkomponenten-Metalloxiden und Materialien auf
    Kohlenstoffbasis leiden derzeit noch unter Einschränkungen, wie beispielsweise
    geringer Empfindlichkeit im unteren ppm- sowie ppb-Bereich und begrenzter
    Lebensdauer, was ihre umfassende Anwendung als Hochleistungs-Gas-Sensoren
    verhindert.
    Deshalb sind weiterführende Entwicklungen notwendig, um elektrische und thermische
    Eigenschaften in Verbindung mit hoher Empfindlichkeit, schnellem Ansprechverhalten,
    hoher Selektivität und schneller Wiederholbarkeit zu erzielen.
    Im Rahmen derartiger Entwicklungen spielt die Charakterisierung sensitiver Schichten
    eine entscheidende Rolle, um die verwendeten Materialien gezielt herstellen und
    einsetzen zu können. Das Fraunhofer IPMS entwickelt und fertigt für die Bewertung
    neuartiger Materialien Leitfähigkeits- und Einzeltransistorstrukturen. Diese Substrate
    können für die Charakterisierung elektrischer Materialkenngrößen von Dünnschicht-
    Gas-Sensoren genutzt werden. Darüber hinaus können diese Substrate auch als
    Grundlage für weiterführende Produktentwicklungen genutzt werden.
    »Häufig müssen Gas-Sensoren unter definierten Temperaturen betrieben werden.
    Unsere Substrate ermöglichen die gezielte Einstellung der Schichttemperatur, wodurch
    Materialien einfach und effektiv untersucht werden können. Dazu gehört auch die
    Untersuchung der Stabilität und Drift über verschiedene Zeiträume. Zudem kann das
    Verhalten in Prozessen bereits während der Schichtabscheidung untersucht werden.
    Um die Technologie individuell weiterzuentwickeln, suchen wir Partner und können
    auch vordesignte Chips für Messungen zur Verfügung stellen«, erläutert Dr. Alexander
    Graf, Leiter der Gruppe Gas Sensors and Systems.

    Vorteile der Substrate des Fraunhofer IPMS

    Die am Fraunhofer IPMS gefertigten Chip-Substrate bieten hochgenaue Strukturen und
    leistungsfähige Materialien, so dass damit eine vielversprechende Grundlage für die
    reproduzierbare Materialbewertung im Rahmen von FuE-Fragestellungen und
    Qualifizierung gegeben ist. Die Substrate ermöglichen die Verwendung
    kundenspezifischer Designs. Elektrodenstrukturen, z. B. unterschiedlicher Kanalweiten
    und -längen, können auf einem Chip aufgebracht werden, so dass
    anwendungsspezifisch die idealen Parameter genutzt werden können.
    Die Herstellung erfolgt regulär im Reinraum auf Siliziumwafern mit thermischem
    Siliziumdioxid (SiO2), wobei weitere Oxide wie Hafniumdioxid (HfO2) als Dielektrikum
    zur Verfügung stehen.
    Bei der Sensorentwicklung bestimmen die sensitiven Materialien die Leistungsfähigkeit
    des gesamten Sensors. Material- und Prozessentwickler können Halbleiterschichten aus
    einer Lösung sowie mittels chemischen (CVD) oder physikalischen (PVD)
    Gasphasenabscheideverfahren auf den Substraten aufbringen. Die folgende elektrische
    Charakterisierung ermöglicht die Aufnahme von Kennlinien und eine Bewertung
    anhand von Leitfähigkeit, Ladungsträgerbeweglichkeit und anderen
    Leistungsparametern. Sobald ein gassensitives Material in Kontakt mit dem Analyten
    kommt, führt dies zur Änderung der elektrischen Eigenschaften.
    Die Substrate des Fraunhofer IPMS bieten eine einfache Möglichkeit diese zu erfassen.
    Damit können die Sensormaterialien zum Beispiel hinsichtlich Sensitivität und Drift
    bewertet und anschließend, z. B. durch Anpassung der Abscheideparameter, optimiert
    werden. Durch die Herstellungstechnologie auf Waferlevel, stellen die Substrate auch
    eine interessante Grundlage für eine produktorientierte Entwicklung dar.
    Mit dem eigens entwickelten Prober können die Teststrukturen einfach kontaktiert und
    gemessen werden.

    Über das Fraunhofer IPMS
    Das Fraunhofer-Institut für Photonische Mikrosysteme IPMS steht für angewandte
    Forschung und Entwicklung in den Bereichen intelligente Industrielösungen,
    Medizintechnik und Mobilität. Forschungsschwerpunkte sind miniaturisierte Sensoren
    und Aktoren, integrierte Schaltungen, drahtlose und drahtgebundene
    Datenkommunikation sowie kundenspezifische MEMS-Systeme. In den beiden
    Reinräumen findet Forschung und Entwicklung auf 200 mm sowie 300 mm Wafern
    statt. Das Angebot reicht von der Beratung über die Prozessentwicklung bis hin zur
    Pilotserienfertigung.


    Contact for scientific information:

    Dr. Alexander Graf - alexander.graf@ipms.fraunhofer.de


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    Foto von Testsubstraten, links eines mit Heizstruktur, im Größenvergleich zum Eurocent
    Foto von Testsubstraten, links eines mit Heizstruktur, im Größenvergleich zum Eurocent
    Sebastian Lassak
    © Fraunhofer IPMS

    Beispiel-Wärmebildaufnahme eines per Vakuumsauger gehaltenen beheizten Testsubstrats des Fraunhofer IPMS
    Beispiel-Wärmebildaufnahme eines per Vakuumsauger gehaltenen beheizten Testsubstrats des Fraunhofer ...
    Sebastian Lassak
    @ Fraunhofer IPMS


    Criteria of this press release:
    Journalists
    Electrical engineering, Materials sciences, Physics / astronomy
    transregional, national
    Transfer of Science or Research
    German


     

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