Startschuss für die nächste Generation der Nanosystemtechnik
Das Ziel ist klar definiert: Im Projekt »FunALD« soll eine neue Klasse ultradünner funktionaler Materialien auf Basis der ALD-Technologie entwickelt werden. Das hochkarätige Partnerkonsortium ermöglicht damit der Mikro- und Nanosensorik ein breites, zukunftsfähiges Entwicklungsfeld für eine Vielzahl von innovativen und intelligenten Sensoren.
Im Rahmen des Leitmarktwettbewerbs »NeueWerkstoffe.NRW« der Landesregierung Nordrhein-Westfalen startete am 01.01.2017 unter der Leitung des Fraunhofer-Instituts für Mikroelektronische Schaltungen und Systeme IMS das Projekt »Funktionale ultradünne Werkstoffe durch Atomlagenabscheidung für die nächste Generation der Nanosystemtechnik« (kurz »FunALD«). Während der dreijährigen Projektdauer soll eine neue Klasse von ultradünnen funktionalen Materialien auf Basis der ALD-Technologie für mechanische Sensoren und Gassensorik entwickelt werden. Das hochkarätige Partnerkonsortium setzt sich neben dem Fraunhofer IMS aus dem Institut für Umwelt & Energie, Technik & Analytik e. V. (IUTA), der Ruhr-Universität Bochum sowie der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf und der ExTox Gasmess-Systeme GmbH zusammen. Als assoziierte Partner wirken zudem der Automobilzulieferer paragon AG und Aixtron SE, ein führender Hersteller von Abscheideanlagen für die Halbleiterindustrie, mit. Das Vorhaben wird aus Mitteln des Europäischen Fonds für regionale Entwicklung (EFRE) gefördert und durch den Projektträger Jülich betreut.
Schlüsseltechnologie des 21. Jahrhunderts
In der modernen Mikrosystemtechnik dienen CMOS-Wafer als »intelligente« Substrate, die mit analogen und digitalen Ansteuer-, Auslese- oder Schnittstellenschaltungen versehen sind. Sind sehr kleine Systeme gefragt oder müssen kleine Signale über möglichst kurze Wege ausgelesen werden, können direkt auf dem CMOS durch Post-Integration Schichten, Strukturen und Bauelemente integriert werden. So entstehen kompakte, clevere Single-Chip-Mikrosysteme, die in Zeiten von Industrie 4.0 und Internet der Dinge (IoT) vielfältig einsetzbar sind. Die Mikrosystemtechnik ist daher eine der Schlüsseltechnologien des 21. Jahrhunderts. Im EFRE-Projekt »FunALD« geht das Forschungkonsortium noch einen wesentlichen Schritt weiter: Nano-Elektroden werden nicht durch Aufdispensieren von Nanopartikeln, sondern auf Basis des ALD-Verfahrens hergestellt. Bei diesem Verfahren (Atomic Layer Deposition) werden ultradünne Einfach- und Mehrfachschichten, mit einer Schichtdicke von weniger als 50 Nanometern, Atomlage für Atomlage abgeschieden. Diese ALD-Materialien erlauben künftig ein sehr breites Anwendungsfeld, so können z. B. ultrasensitive freitragende Nanodrähte aus einem Metalloxid für die Gas- oder Biosensorik genutzt werden.
»Die im Projekt »FunALD« untersuchten freistehenden ALD-Nanostrukturen versprechen eine hohe Empfindlichkeit und eine kurze Ansprechzeit der neuen Gassensoren. Das Duisburger Institut für Umwelt & Energie, Technik & Analytik e. V. (IUTA) bringt sich mit seiner Kompetenz auf dem Gebiet der Referenzanalytik im Spurenkonzentrationsbereich und anwendungsorientierten Testung von Gas- und Partikelsensoren in das Projekt ein.
Sieger im EFRE-Landeswettbewerb
„Vernetzte Sensoren und Detektoren sind eine der Grundvoraussetzungen für neue innovative IT-basierte Prozessanalysen und –steuerungskonzepte sowie für maßgeschneiderte Dienstleistungen, die wir zusammen mit unseren FuE-Partnern entwickeln. Die neue Generation von miniaturisierten Sensoren ermöglicht beispielsweise die online Spurenanalytik von gasförmigen Substanzen im ppb-Bereich und ist Grundlage für Anwendungen im Bereich von Gaswarngeräten oder Detektion von Filterdurchbrüchen als Signalgeber für den bedarfsgerechten Filterwechsel, so Dipl. Chemiker Hartmut Finger, Projektleiter im Bereich Luftreinhaltung und Filtration im IUTA. Mit „FunALD“ kann IUTA seine Kompetenzen auf dem Gebiet der Gas- und Aerosolmesstechnik beyond state of the art erweitern, ein wichtiges Momentum, um die im IUTA-Netzwerk engagierten Unternehmen mit neuen Impulsen für innovative Anwendungen zu unterstützen.
Der Spezialist für Gaswarngeräte, die ExTox Gasmess-Systeme GmbH aus Unna, arbeitet bereits schon langjährig mit dem IUTA zusammen und appliziert testweise die Sensoren in den Geräten. Nach einer Phase im IUTA-Labor geht es mit den neuen Sensoren in den Feldtest: Der Automobilhersteller Paragon AG prüft die Luftgütesensoren direkt im Fahrzeug auf ihre Praxistauglichkeit.
Als Hersteller von MOCVD-Anlagen betreut die AIXTRON SE aus Herzogenrath während des Projekts die Anlagen. Prof. Dr. Heuken von AIXTRON sieht das Potenzial der neuen Klasse ultradünner Werkstoffe als klar gegeben.
Dass das Projekt als Basis zur Etablierung einer neuen Generation effizienter, kompakter und intelligenter Sensorik gesehen wird, bestätigt auch der Gewinn im EFRE-Landeswettbewerb »Neue Werkstoffe«. Durch eine spätere Anwendung der ALD-Materialien für intelligente Mikro- und Nanosensoren ist eine Vielzahl neuer Applikationen möglich. So können zum Beispiel neue Themen an Instituten und Universitäten verankert werden. Durch die anwendungsnahe Vorentwicklung und Bereitstellung aller relevanter Werkstoffe kann zudem unmittelbar im Anschluss an das Projekt mit der industriellen Entwicklung gestartet werden. Miniaturisierte, clevere Sensoren als Grundlage künftiger Nano- und Mikrosystemtechnik stärken somit nicht nur Industrie und Wissenschaft, sondern auch den Technologiestandort NRW.
Dieses Vorhaben wurde aus Mitteln des Europäischen Fonds für regionale Entwicklung (EFRE) gefördert.
Aktuelle Ergebnisse finden Sie auch auf der Webseite des Fraunhofer-Instituts für Mikroelektronische Schaltungen und Systeme IMS
