FunALD: Funktionale ultradünne Werkstoffe durch Atomlagenabscheidung für die nächste Generation der Nanosystemtechnik

Hauptziel

Sensoren sind aus vielen Bereichen der Wirtschaft und des Alltags nicht mehr wegzudenken. Im Automobil detektieren sie Diesel- und Benzinabgase in der Außenluft und verhindern durch automatische Steuerung des Lüftungssystems das Eindringen der Schadstoffe in den Fahrzeuginnenraum. In der Lebensmittelproduktion überwachen sie die Ammoniak-Konzentration in Kälteanlagen und in Fabrikhallen kontrollieren sie zum Beispiel das Austreten von Methan aus dem Leitungsnetz. Luftgütesensoren sowie Sensoren in Mess-Systemen erfassen toxische und explosive Gase und warnen vor dem Austreten gefährlicher Schadstoffe.

Heute kommerziell erhältliche Sensoren sind allerdings für viele Anwendungen vergleichsweise zu wenig sensitiv und haben eine große Querempfindlichkeit, d. h. sie sprechen auch auf andere, nicht gewünschte Stoffe an. Der Schlüssel zu sensitiveren, spezifischeren und günstigeren Sensoren können neue, ultradünne und im Nanometerbereich strukturierte Materialien sein.

Im Rahmen des Projektes FunALD wird eine neue Art der Materialherstellung insbesondere für die Sensortechnik untersucht, die »Atomlagenabscheidung« (»Atom Layer Deposition«, kurz ALD). Mit dem ALD-Verfahren können Materialschichten ultradünn – Atomlage für Atomlage – gezielt abgeschieden und strukturiert werden. Es werden neue metallorganische Ausgangsmaterialien (»Precursoren«) für den ALD-Prozess entwickelt, Teststrukturen auf Basis von Schichten und Schichtenfolgen entworfen und hergestellt, sowie Messverfahren entwickelt werden, um die Schichten und Schichtenfolgen gezielt zu charakterisieren. Die Messverfahren werden so ausgelegt, dass die Eignung der ALD-Schichten für die spätere Anwendung in der Sensorik (insbesondere für Gase) validiert wird und so ihre gezielte Optimierung möglich wird.

Zudem ist es möglich, mit Hilfe der ALD-Technik freitragende dreidimensionale Bauelemente aufzubauen. Solche freitragenden Nanodrähte aus Metalloxiden eignen sich hervorragend für ultrasensitive Gas- oder Bio-Sensoren.

Verwertet werden die Erkenntnisse des Projekts dadurch, dass optimierte Schichtenfolgen am Fraunhofer IMS als Prozesse installiert werden, die der Industrie zur Sensorentwicklung bereitstehen. Prozesse für Precursoren, Schichtenfolgen oder Messverfahren stehen direkt für einen Transfer in die Anwenderindustrie zur Verfügung.

Bisherige Ergebnisse

Das Fraunhofer IMS hat viele Jahre Erfahrung mit ALD-Abscheidung diverser Materialien auf typischerweise Siliziumsubstraten. Verwendung finden diese Schichten z. B. als medienresistente Passivierung, Elektrodenmaterial oder auch als Dielektrikum in Kondensatoren. Im Rahmen des BMBF geförderten InMEAs-Projektes wurden z. B. 3D-Elektroden zur Nervenstimulation und freitragende Elektrodenstrukturen mit Hilfe von ALD-Schichten auf einer CMOS-Plattform erzeugt, was die generelle Machbarkeit einer solchen Technologie zeigt. Weiterhin laufen zurzeit Forschungsarbeiten, die sich mit Anwendungen im Bereich Infrarot- bzw. Gassensorik befassen.

© Fraunhofer IMS
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Förderung

Dieses Vorhaben wurde aus Mitteln des Europäischen Fonds für regionale Entwicklung (EFRE) gefördert.