Atomic Layer Deposition

Das Fraunhofer IMS bietet eine große Auswahl modernster ALD-Prozesse für die innovative Sensorik.

Atomic Layer Deposition (ALD)-Technologie

Das Fraunhofer IMS bietet Ihnen innovative Dünnschichtabscheidungsverfahren auf Basis der ALD-Technologie. Präzise Schichtdickenkontrolle, exzellente Konformität und eine hohe Materialvielfalt öffnen den Weg für neue Applikationen.

Das Fraunhofer IMS entwickelt im Projekt ZellMOS kleinste Nanosensoren auf ALD-Basis für die Zellkontaktierung.
© Fraunhofer IMS
Am Fraunhofer IMS hergestellte ALD 3D Nanoelektroden um biologische Zellen intrazellulär mit integrierten Schaltungen zu verbinden
Picosun R-200: Einzelwafer Prozesse (200 mm)
© Fraunhofer IMS
Picosun R-200: Einzelwafer Prozesse (200 mm)

Fortschrittliche Prozesstechnologie für neue MEMS- und NEMS-Devices

Medienresistente Schutzschichten (für Sensoren, optische Beschichtungen, Hochkapazität-Trench-Kondensatoren, neue NEMS-Devices für Gassensoren, Biosensoren mit Nanodrähten, ultradünne freistehende Membranen: All dies ist mit moderner ALD-Technologie (Atomic Layer Deposition) realisierbar.

ALD ist ein Abscheidungsprozess, der auf chemische Oberflächenreaktionen von mindestens zwei Präkusoren basiert. Der Prozess ermöglicht ein schichtweises Wachstum hochwertiger Schichten mit Dicken im Bereich 1-100 nm. Eine stetig wachsende Auswahl an ALD-Materialien ermöglicht neue innovative Sensoranwendungen. Im Rahmen der Forschungsfabrik Mikroelektronik Deutschland (FMD) agiert das Fraunhofer IMS als ALD-Kompetenzzentrum. Am Fraunhofer IMS steht die ALD-Technik für 200 mm-Wafer zur Verfügung.

Anwendungsbereich der ALD-Technologie

Da die Prozess-Temperatur bei der ALD-Abscheidung im Vergleich zu herkömmlichen CVD-Verfahren niedrig ist, können ALD-Schichten insbesondere auf Substraten mit integrierten Schaltungen, d. h. auf CMOS-Wafern, abgeschieden werden. Somit kann die ALD-Technologie für unterschiedliche MEMS, NEMS oder CMOS-bezogene Anwendungen eingesetzt werden, wie z. B.:

  • Kostengünstige 3D-NEMS-Technologien zur Erzeugung freistehender Nanostrukturen auf CMOS-Oberflächen mit höchster Reproduzierbarkeit sind durch das Fraunhofer IMS entwickelt und patentiert worden.
  • Medienresistente Schichten für Sensor-Applikationen wie z. B. Drucksensoren oder zur Verkapselung medizinischer Implantate. Aluminiumoxid (Al2O3) und Tantalpentoxid (Ta2O5) stehen als ALD-Passivierung zur Verfügung. Auf Wunsch können weitere ALD-Materialien am Fraunhofer IMS implementiert werden.
  • Elektrische oder optische Abschirmungen können durch metallische Schichten wie Ruthenium (Ru) hergestellt werden. Darüber hinaus können ALD-Schichten als transparente leitfähige Elektrodenschichten z. B. für optische Sensoren oder Solarzellenanwendungen eingesetzt werden.
  • Aufgrund der hohen Konformität des ALD-Prozesses können Dielektrika ideal als Isolation in Trench-Kondensatoren verwendet werden. Für Trench-Kondensatoren stehen High- und Medium-k-Dielektrika zur Verfügung. Das Fraunhofer IMS hat Erfahrung in der Entwicklung von Trench-Kondensatoren für Hochtemperatur-Anwendungen (mehr als 250 °C) auf Basis von ALD-Schichten.

Die ALD-Technologie bietet die Möglichkeit, freistehende 3D-MEMS- oder NEMS-Strukturen mit Wanddicken im Nanometer-Bereich auf CMOS-Oberflächen zu realisieren. Die Kombination verschiedener ALD-Materialien ermöglicht die exakte Einstellung der physikalischen und chemischen Parameter der freistehenden Struktur. Aufgrund der nanoskaligen Wanddicke und einer geringen mechanischen sowie thermischen Masse eignen sich die 3D-Strukturen ideal für fortschrittliche Sensoranwendungen in der Gas- oder Biosensorik. Des Weiteren werden am Fraunhofer IMS Nanowire, ultradünne Membranen und Cantilever mit Hilfe der ALD-Technologie hergestellt.

Sonderlösungen für beliebig geformte Bauelemente, wie z. B. verpackte Sensoren oder Beschichtungen mit Sondermaterialien, können auf Anfrage realisiert werden.

Verfügbare ALD-Prozesse

Material Typ. Temperatur Homogenität Widerstand Max. Filmdicke Applikationen
Al2O3 200 °C - 300 °C 98 %   50 - 100 nm Schutzschicht,
Medium-k-Dielektrikum
Ta2O5 275 °C 90 %   15 nm Schutzschicht,
High-k-Dielektrikum
ZnO 200 °C 96 % 5240 µΩcm 75 nm Transparente leitende Schicht
AZO 200 °C 96 % 2075 µΩcm 75 nm Transparente leitende Schicht
TiAlCN 400 °C 80 % 560 µΩcm 100 nm Leitende Schicht, Barriere
TiN 400 °C 75 % 140 µΩcm 30 nm Leitende Schicht, Barriere
Ru

350 °C

85 % 20 µΩcm 50 nm Leitende Schicht, elektrische oder optische Abschirmung

ALD Vorteile auf einem Blick

  • Sehr hohe Konformität der abgeschiedenen Schichten. Die sehr gute Seitenwandbedeckung von ALD-Schichten in Kavitäten mit hohem Aspektverhältnis ermöglicht Anwendungen für 3D-Technologien.
  • Präzise Schichtdicken durch Monolayer-Wachstum
  • Die abgeschiedenen Schichten sind von hoher Qualität und nahezu frei von Pinholes.
  • Eine wachsende Materialvielfalt steht zur Verfügung: Metalle, Isolatoren, High-k Dielektrika, funktionale Materialien für Sensoren (z. B. Metalloxide), optische Materialien sowie transparente leitfähige Oxide werden durch das Fraunhofer IMS bereitgestellt.

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