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Siliziumwafer mit Mikro- und Nanostrukturen
Institut für Mikrosystemtechnik

Erstellung von Mikrostrukturen auf einem Siliziumwafer

Seit vielen Jahren forscht das Institut für Mikrosystemtechnik (iMST) an neuen Mikrosystemen, zugehörigen Modellierungs- und Herstellungsverfahren sowie Methoden zur Charakterisierung. Das iMST ist eines der größten Forschungsinstitute der HFU, die Forschungsergebnisse werden auch international wahrgenommen.

Mikrosysteme werden heute millionenfach in Automobilen (Sensoren), in der Kommunikationstechnik (Mikrofone und Hochfrequenzbauelemente, Smart Phones, Mikrospiegel in Projektoren, Druckköpfe in Tintenstrahldruckern) und in der Medizintechnik (Retina-Implantate, Cochlea-Implantate) eingesetzt. Dazu werden Strukturen im Bereich von Mikrometern benötigt, die mittels mikrotechnischer Verfahren erzeugt werden und elektronische und nichtelektronische Funktionen auf kleinstem Raum in einem System vereinen.

Das hochmotivierte, multidisziplinäre Team forscht in zahlreichen Kooperationsprojekten mit Unternehmen, wissenschaftlichen Einrichtungen und Universitäten an anwendungsorientierten Fragestellungen der Mikrosystemtechnik.

Forschungsgebiete

Das Institut für Mikrosystemtechnik hat mehrere Forschungsschwerpunkte:

Funktionale Beschichtungen

Funktionale Beschichtungen

Bearbeitete Oberfläche zur Erzeugung des Lotuseffekts
Lotuseffekt auf hydrophober Oberfläche

Lotuseffekt auf hydrophober Oberfläche

Funktionale Oberflächen tragen dazu bei, Werkstoffe ohne Änderung der Volumeneigenschaften an ihre Umgebung anzupassen. Zum einen kann die Oberfläche hydrophop/oleophob oder hydrophil/oleophil eingestellt werden, aber auch die Interaktion in physiologischer Umgebung (Biokompatibilität) lässt sich durch dünne Beschichtungen mit Schichtdicken im Bereich Nanometer bis Mikrometer maßgeschneidert einstellen. Ein weiteres Anwendungsfeld ist die Barriere gegen Diffusion von Gasen oder Flüssigkeiten. Damit können mit dünnen Schichten auch mechanisch flexible Bauteile oder aktive Implantate gegen harsche Umgebungen geschützt werden. Insbesondere für den Fall, dass die zu schützende Elektronik Gleichspannungspotenziale aufweist, ist eine 100-prozentige schützende Wirkung gegen Korrosion unabdingbar. Die Miniaturisierung von Medizinprodukten verlangt auch zunehmend hochspannungsfeste und biokompatible Isolationsschichten mit kleiner Schichtdicke.

  • Im Institut sind folgende Beschichtungen möglich:
  • physikalischer Gasphasenabscheidung (PVD)
  • plasmaunterstützter chemischer Gasphasenabscheidung (PECVD)
  • (optional plasmaunterstützter) Atomlagenabscheidung ((PE)ALD)
  • thermische Oxidation
  • Elektroplating
  • Spin coating
  • Abscheidung von Parylen

Besonders die homogene, defektfreie Beschichtung von komplexen Geometrien ist ein Schwerpunkt der Forschung und Entwicklung im Institut. Neben den Beschichtungsmethoden bestehen auch umfangreiche Möglichkeiten zur Validierung der Homogenität, Defekt-Freiheit und Stabilität der abgeschiedenen Schichten nach Auslagerung in thermischer, chemischer und zyklischer mechanischer Belastung.

Mikro- und Nanostrukturierungsverfahren

Mikro- und Nanostrukturierungsverfahren

Institut für Mikrosystemtechnik (I26617-1)

Die Fähigkeit zur gezielten Herstellung von Strukturen im Größenbereich Mikrometer (1 µm = 10⁻⁶ m) bis hin zu Nanometer (1 nm = 10⁻⁹ m) gehört zur Kernkompetenz in der Mikrosystemtechnik und damit auch im iMST. Die Strukturierung erfolgt dabei meist in einem zweistufigen Prozess, bei dem die Strukturen zunächst mittels Photolithographie in einen photosensitiven Lack erzeugt werden und diese dann nachfolgend mittels Ätztechnik in die darunterliegende Dünnschicht übertragen werden („negative Strukturierung“) oder z.B. durch Elektroplating abgeformt werden („additive Strukturierung“). Kleinste Strukturen bis 0,6 µm (laterale Dimension) und Toleranzen von rund +10% können am iMST durch maskengebundene Photolithographie und Laserdirektschreiben erzeugt werden. Als Ätztechniken für den zweiten Strukturierungsschritt, bei dem die Photoresiststrukturen in die Dünnschicht übertragen werden, stehen verschiedene nasschemische Verfahren für hochselektives Ätzen sowie für höchste Anforderung bei der Strukturgüte Reaktives Ionenätzen (RIE) mit hoher Anisotropie zur Verfügung.

Ein besonderes Forschungsfeld am iMST ist die Herstellung von quasi 3D-Mikrostrukturen mittels der sogenannten „Grayscale-Technologie“, zu der am iMST drei unterschiedliche Verfahren untersucht werden. Hier können Strukturhöhen bzw. –tiefen von typisch bis zu 50 µm erzeugt werden.

Zur Nanostrukturierung von Silizium wird an der Erzeugung von selbstorganisierter Nanostrukturen durch elektrochemisches Anodisieren von Silizium geforscht (poröses Silizium). Durch gezielte Nanostrukturierung können dabei z.B. Multilayer mit genau eingestelltem Brechungsindex als optische Filterschichten im sichtbaren bis zum MIR (mittleres Infrarot) erzeugt werden. Diese porösen Schichten werden am iMST auch für verschiedene Sensorprinzipien genutzt.

Für die Direktstrukturierung von dünnen Folien (z.B. 50 µm dick) steht ein ns-Laser (Nd:YAG, Wellenlänge von 1064 nm) zur Verfügung, allerdings können damit nur Strukturen im Größenbereich oberhalb 20 µm hergestellt werden.

Entwicklung miniaturisierter Sensoren und Aktoren

Entwicklung miniaturisierter Sensoren und Aktoren

Institut für Mikrosystemtechnik (I26618-1)

Miniaturisierte Sensoren und Aktoren sind Beispiele von Mikrosystemen und werden heute milliardenfach in PKW oder auch in Smart Phones eingesetzt. Am iMST ist eine langjährige Expertise in der Entwicklung mikromechanischer Sensoren und Aktoren (sogenannte MEMS-Sensoren und –Aktoren), vor allem auf Basis des Werkstoffes Silizium vorhanden. Hierzu gehören auch optische Systeme, die z.B. zur Fokussierung, in Laserscannern oder zur Filterung von Licht genutzt werden können, wozu jeweils aktorische Funktionen verwendet werden. In den letzten Jahren beschäftigt sich viele Forschungsprojekte am iMST mit flexiblen, auf Polymeren beruhenden Sensor-Aktor-Systemen. Der Anwendungsbereich liegt dabei meist in der Medizintechnik. Als Technologieplattform wird meist SOI (Silicon on insulator) genutzt.

Neben der beschriebenen Kompetenz im Bereich Mikro- und Nanostrukturierungstechnik werden zur zielgerichteten Entwicklung von Sensor- und Aktorsystemen sogenannte Finite-Elemente-Methoden verwendet, mit denen ganz unterschiedliche physikalische Fragestellungen und Systeme simuliert werden können.  Durch den Einsatz dieser sogenannten „multiphysics-Simulation“ können mehrfach zu durchlaufende, aufwändige Testfahren weitgehend vermieden werden und Sensor- und Aktorprototypen anhand vorgegebener Anforderungen prototypisch gezielt realisiert werden.

Beispiele für in den letzten Jahren entwickelte Sensoren:

  • MEMS-Neigungssensoren
  • Schalldosimeter für den Hörschutz
  • Refraktometer zur Bestimmung des Brechungsindex von Flüssigkeiten
  • Sensoren zur insitu-Detektion von Brandmarken beim Schleifen
  • Sensoren zur Charakterisierung von Gefäßeigenschaften

Beispiele für am iMST entwickelte Aktorik:

  • aktive Fokussiersysteme
  • taktile Displays
  • Systeme für Laserscanner
  • inchworm-Antriebe realisiert
  • bistabile mikromechanische Schalter

Eine wichtige Fragestellung bei der Verwendung von Sensor-Aktor-Systeme ist die Energieversorgung. Am m iMST wird an Energy Harvesting, bei dem die Systeme ihre Energie aus der Umgebung beziehen, und an besonderen Formen elektrochemisch gespeicherter Energie geforscht. Auch telemetrische Energieversorgung wird untersucht.

Oberflächen- und Grenzflächenanalytik

Oberflächen- und Grenzflächenanalytik

Mit Atomlagenabscheidung hergestellte Barriereschicht
Mit Atomlagenabscheidung hergestellte Barriereschicht

Querschnittspräparation einer Barriereschicht aus Aluminium/Titanoxid Nanolaminat

Die Oberflächen- und Grenzflächenanalytik im iMST beschäftigt sich mit der Untersuchung der Oberfläche und Schichtmorphologie einer Probe, also mit dem strukturellen Aufbau und dem Gefüge einer Schicht. Neben Rauheit und Stufenhöhe wird bei Bedarf auch eine chemische Analyse der Oberfläche und des oberflächennahen Bereiches erstellt. Dabei können Kontaminationen der Oberfläche, chemische Zusammensetzung des oberflächennahen Bereiches, oder beispielsweise auch die Benetzbarkeit als Folge einer Aktivierung der Oberflächen untersucht werden. Um die Schichteigenschaften des oberflächennahen Bereiches zu untersuchen werden in der Regel Querschnitts-Präparationen durchgeführt. Bei porösen Materialien kann damit zum Beispiel auch die Porengröße in die Tiefe hinein bestimmt werden. Die Querschnitts Präparationen kommt aber insbesondere auch bei Multilagen-Schichten (Nanolaminate) zum Einsatz.

Als verwendete Analysemethoden kommen unter anderem zum Einsatz:

  • Lichtmikroskopie
  • Rasterelektronenmikroskopie mit energiedispersiver Röntgenspektroskopie (EDX)
  • Transmissionselektronenmikroskopie mit EDX und Elektronenenergieverlustspektroskopie
  • Rasterkraftmikroskopie
  • Kontaktwinkelmessung
  • Ellipsometrie
  • Fourier-Transformations-Infrarotspektrometer

Insbesondere bei Schichten mit Strukturgrößen im Nanometer- oder Mikrometerbereich können mit diesen Analysemöglichkeiten grundlegende Fragestellungen und Validierungen von Schichteigenschaften durchgeführt werden. Das nachfolgende Bild zeigt eine Querschnittspräparation einer Barriereschicht bestehend aus einem Aluminiumoxid/Titanoxid Nanolaminat, welches mit Atomlagenabscheidung (ALD) hergestellt wurde. Das Bild wurde im Transmissionselektronenmikroskop aufgenommen.

Projekte

Institut für Mikrosystemtechnik (I26621-1)

In zahlreichen Kooperationsprojekten arbeitet das Institut für Mikrosystemtechnik mit Unternehmen, wissenschaftlichen Einrichtungen und Universitäten an anwendungsorientierten Fragestellungen. Die dadurch entstehenden Projekte nutzen modernste Technologien und tragen zu aktuellen Forschungsfragen im Bereich der Mikrosystemtechnik bei.

Der Technologietransfer von erarbeitetem Wissen in praktische Anwendungen steht ebenfalls im Fokus des Forschungsinstituts.

Labore und Ausstattung

Die herausragende Ausstattung am Studienzentrum Rottweil und im Technologielabor für Nano- und Mikrosysteme in Furtwangen werden am Institut für Mikrosystemtechnik genutzt.

Zentral werden im Studienzentrum Rottweil innovative Plasma-Beschichtungstechnologien fokussiert. Im Technologielabor für Nano- und Mikrosysteme wird eine vollständig ausgebaute Siliziumtechnologie betrieben. Diese ermöglicht das Bearbeiten von Strukturen bis in den Nanometerbereich und die prototypische Realisierung von Mikro- und Nanosystemen.

Für Studierende

Projekt- und Abschlussarbeiten

Projekt- und Abschlussarbeiten

Es besteht die Möglichkeit, Projekt- und Abschlussarbeiten am Institut zu aktuellen Projekten und Forschungsthemen zu verfassen. Die Ausarbeitung ist dabei häufig mit praktischer Laborarbeit verknüpft. Das Verfassen einer Projekt- oder Abschlussarbeit ermöglicht dabei schon früh in der beruflichen Laufbahn erste Einblicke in das Arbeiten im Bereich der Forschung zu erhalten. Aktuelle Ausschreibungen und zugehörige Ansprechpartner findet man unter Interner Link öffnet sich im gleichen Fenster:Services und Downloands. Bei allgemeinen Fragen zu Projekt- und Abschlussarbeiten am iMST:

  • Prof. Dr. Volker Bucher (buv@hs-furtwangen.de)
  • Prof. Dr. Ulrich Mescheder (mes@hs-furtwangen.de)
  • Prof. Dr. Stephan Messner (mess@hs-furtwangen.de)

 

Hiwi Stellen

Hiwi Stellen

Zur Unterstützung aktueller Themen und Aufgaben werden Stellen als wissenschaftliche Hilfskraft (Hiwi) angeboten. Die Aufgabengebiete können dabei weit gefächert sein und auch Arbeiten im Labor umfassen. Aktuelle Angebote unter Interner Link öffnet sich im gleichen Fenster:Services und Downloands.

Praktika und Vorlesungen

Praktika und Vorlesungen

Einige Angebote an Lehrveranstaltungen der Hochschule Furtwangen vermitteln ein Grundwissen der Mikrosystemtechnik und bieten dabei eine optimale Vorbereitung für eine berufliche Laufbahn in diesem Bereich. Studenten, die Interesse an der Mikrosystemtechnik haben, werden ermuntert, such über nachfolgende Lehrveranstaltungen zu informieren:

  • Beschichtungstechnologien mit Praktikum (Prof. Dr. Volker Bucher, in den Masterstudiengängen APE und MZ / MZT)
  • Intelligente Implantate in der Medizin (Prof. Dr. Volker Bucher, in den Masterstudiengängen TP und MZ / MZT)
  • Mikrofluidik (Prof. Dr. Stephan Messner, im Masterstudiengang MZ / MZT)
  • Mikrosystemtechnik (Prof. Dr. Stephan Messner, Pflichtfach im Bachelorstudiengang IME / WFT)
  • Mikrosystemtechnik - Technologien und Anwendungen (Prof. Dr. Stephan Messner, Wahlpflichtfach für Bachelorstudiengänge)
  • Plasma- / Thinfilm-Technology (Prof. Dr. Volker Bucher, Wahlfach in Bachelorstudiengängen, abwechselnd in Deutsch und Englisch)
  • Sensoren und Aktoren (Prof. Dr. Ulrich Mescheder, im Bachelor-Studiengang ELA)
  • Sensors and Actuators (Prof. Dr. Ulrich Mescheder, im Masterstudiengang SMA)
  • Technologien für Mikrosysteme und Mikroelektronik (Prof. Dr. Ulrich Mescheder, in den Masterstudiengängen SMA und MTZ)

Promotion

Vom Bachelor über den Master bis hin zur Promotion ist die Ausbildung an der Hochschule Furtwangen möglich. Auch am Institut für Mikrosystemtechnik besteht die Möglichkeit zu promovieren. Zurzeit forschen 6 Promovierende am Institut, die sich in Ihrer Arbeit mit verschiedensten Themen, unter anderem zu Sensor- und Aktorsystemen, Beschichtungsprozessen und -analysen, MEMS und funktionellen Oberflächen, beschäftigen.

Besonders enge Kontakte für Kooperationen und Betreuung bestehen zu den Universitäten Freiburg und Tübingen. Prof. Dr. Ulrich Mescheder ist assoziierter Professor an der Technischen Fakultät der Universität Freiburg und damit promotionsberechtigt.

Details zur Promotion finden Sie auf der Seite Externer Link wird in neuem Fenster geöffnet:Promovieren an der HFU.

Publikationen

Mitglieder und Ansprechpartner