Entwickler von Dünnschicht-Gas-Sensoren profitieren von geheizter Substrat-Plattform
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.
Wissenschaftlicher Ansprechpartner:
Dr. Alexander Graf - alexander.graf@ipms.fraunhofer.de
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