(openPR) Die wachsende Bedeutung moderner Mikro- und Nanotechniken erfordert neue Technologien, um die filigranen Strukturen zu beherrschen und in Schaltungen zu integrieren. Anlässlich eines Workshops, zu dem die VDE/VDI-Gesellschaft Mikroelektronik, Mikro- und Feinwerktechnik (GMM) namhafte Experten nach Seeheim-Jugenheim eingeladen hatte, wurden die jüngsten Innovationen auf diesem zukunftsträchtigen Sektor vorgestellt und diskutiert.
Die moderne Nanotechnologie ist den Kinderschuhen inzwischen entwachsen. Darauf wiesen Karsten Wolff, Philipp Dombert und Ulrich Hilleringmann vom Institut für Elektrotechnik und Informationstechnik der Universität Paderborn anlässlich des Workshops hin. „Nanopartikel zeigen als funktionelle Materialien in Mikrosystemen deutlich verbesserte Eigenschaften oder bieten kostengünstige Herstellungsverfahren im Vergleich zu konventionellen Materialien“, verdeutlichte Wolff. Auf diese Weise könnten Transistoren besonders effizient integriert und Sensoren mit gesteigerten Empfindlichkeiten hergestellt werden.
Angaben der Experten zufolge eröffnet insbesondere nanoskaliges Silizium aufgrund der fortgeschrittenen Technologie vielfältige Möglichkeiten. Um nanopartikuläre Materialien in Mikrosystemen mit elektronischen Teilkomponenten integrieren zu können, müssen jedoch die elektrischen Eigenschaften sowie die Möglichkeiten zu deren Kontaktierung ausreichend bekannt sein.
Wolff und seinen Kollegen ist es erstmal gelungen, halbleitende Schichten aus dotierten Silizium-Nanopartikeln mit Primärpartikelgrößen von etwa 16 bis 20 Nanometern zu untersuchen und zu charakterisieren. Dabei zeigte sich, dass die Kontakteigenschaften zwischen dem Silizium und den metallischen Elektroden die elektrische Leitfähigkeit des Systems maßgeblich beeinflussen.
Entwicklung geeigneter Verbindungstechniken
Für mikromechanische Sensoren und Aktoren kristallisiert sich die Aufbau- und Verbindungstechnik zunehmend als Kostenfaktor heraus. Bereits eingesetzte und daher etablierte Verfahren sind zum Beispiel das Silizium Direkt Bonden und das Anodische Bonden. Neben der Weiterentwicklung dieser Technologien rücken neue Verfahren in den Mittelpunkt des Interesses, die bereits bei niedrigen Prozesstemperaturen unterhalb von 350 °C eingesetzt werden können oder nur eine lokale Erwärmung der Verbindungsstelle erfordern. Hierauf wies anlässlich des Workshops Jörg Bräuer von der Fraunhofer-Einrichtung für Elektrische Nanosysteme (ENAS) in Chemnitz hin.
Gemeinsam mit dem ebenfalls in Chemnitz ansässigen Zentrum für Mikrotechnologien ist es Bräuer und seinen Kollegen gelungen, mit aus Nickel und Aluminium bestehenden Multilagensystemen zahlreiche Bondtests durchzuführen. Dabei konnten geeignete Lotsysteme ausgewählt und für das Verbinden von Silizium-Substraten eingesetzt werden. Neben den kommerziell verfügbaren makroskopischen und freistehenden Multilagensystemen konnten auch integrierte Schichtsysteme aus den Werkstoffen Aluminium und Titan mit Hilfe eines Magnetron-Sputter-Verfahrens auf Siliziumsubstrate abgeschieden werden.
Integration von Carbon Nano Tubes
Über verschiedene teils etablierte, teils visionäre Möglichkeiten zur Verbindung der Mikro- und Nanowelt mit Hilfe elektronenstrahl-gestützter Techniken berichtete Axel Rudzinski von der Dortmunder Raith GmbH. Dabei ging es unter anderem um die Frage, inwieweit sich Nano-Objekte wie zum Beispiel Carbon Nanotubes (CNTs) kontaktieren und in elektronische Schaltungen einbauen lassen.
„Als etablierte Technologie bietet die Elektronenstrahllithografie verschiedene Möglichkeiten, um CNTs zu kontaktieren“, erläuterte Rudzinski. Im einfachsten Fall würden zunächst zahlreiche Schaltungen lithografisch hergestellt und die CNTs anschließend auf der Oberfläche verteilt. Als Alternative biete sich die elektronenstrahl-induzierte Abscheidung aus der Gasphase an, bei der die Position des CNTs zunächst mit dem Elektronenstrahl vermessen und die Leiterbahnen anschließend „in-situ“ direkt aus der Gasphase abgeschieden werden. Ein weiterer Ansatz verfolge die Idee, CNTs mechanisch aufzunehmen, zur Schaltung zu transportieren und dort abzusetzen. Geeignete Nanomanipulatoren existierten bereits und könnten unter visueller Kontrolle eines Rasterelektronenmikroskops zur Positionierung genutzt werden.
Der letzte Clou: Biokompatible Brennstoffzellen
Eine revolutionäre Neuentwicklung für die Energieversorgung künftiger Mikrosysteme stellten Martin Bogner, Mathias Schnaitmann, Joachim Sägebarth und Hermann Sandmaier vom Lehrstuhl für Mikrosystemtechnik der Universität Stuttgart vor. Auslöser der Innovation war ein bisher ungelöstes Problem der Mikrosystemtechnik. „Die Energieversorgungen von Mikrosystemen verhindern oftmals eine unproblematische Entsorgung einmal anwendbarer Systeme, weil gesundheitsgefährdende Stoffe bei der Herstellung dieser Energieversorgungen verwendet wurden“, verdeutlichte Bogner anlässlich des Workshops.
Zu diesem Zweck wird am Lehrstuhl für Mikrosystemtechnik an einer Biobrennstoffzelle geforscht, die erstmals vollständig aus biokompatiblen Stoffen besteht und daher problemlos entsorgt werden kann. Die in der Brennstoffzelle eingesetzte Membrane besteht aus Chitosan, einem Abfallprodukt der Lebensmittelproduktion. Die für den Stoffwechsel zusätzlich benötigten Enzyme können jederzeit biotechnologisch einfach in großem Maßstab hergestellt werden. Diesen Biomembranen aus Chitosan und den Enzymen werden Carbon Nanotubes zugesetzt. Diese Nanopartikel erfüllen in der Membran drei Aufgaben. Sie sorgen für die elektrische Leitfähigkeit, erhöhen die reaktive Oberfläche und binden die benötigten Enzyme. Bogners Angaben zufolge wird auf diese Weise die Bindung der Substanzen an die Oberfläche der Carbon Nanotubes der Elektronentransport an den Elektroden deutlich
