Materialcharakterisierung
Beheizte Test-Chips für Dünnschicht-Gassensoren
Das Fraunhofer IPMS hat eine Plattform entwickelt, die Entwicklern von Dünnschicht-Gassensoren eine präzisere und effizientere Charakterisierung sensorischer Schichten ermöglicht. Die beheizbaren Test-Chips könnten die Grundlage für zukünftige Hochleistungs-Gassensoren legen.
Der Nachweis von Gasen wie beispielsweise NO2, NH3, CO, H2S oder flüchtigen organischen Verbindungen (VOC) wie Aceton, Formaldehyd und Methanol ist entscheidend, um potenzielle Gesundheitsgefahren rechtzeitig zu erkennen. Gas-Sensoren auf Basis von Einzelkomponenten-Metalloxiden und von Materialien auf Kohlenstoffbasis haben derzeit aber noch einige Einschränkungen, wie etwa eine geringe Empfindlichkeit im unteren ppm- und ppb-Bereich sowie eine begrenzte Lebensdauer. Das verhindert ihre breite Anwendung als Hochleistungs-Gassensoren. Wissenschaftler arbeiten daran, elektrische und thermische Eigenschaften in Verbindung mit hoher Empfindlichkeit, schnellem Ansprechverhalten, hoher Selektivität und schneller Wiederholbarkeit zu erzielen. Eine entscheidende Rolle dabei spielt die Charakterisierung sensitiver Schichten, um die verwendeten Materialien gezielt herstellen und einsetzen zu können.
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Maßgeschneiderte Substrate für präzise Materialbewertung
Das Fraunhofer IPMS setzt auf Leitfähigkeits- und Einzeltransistorstrukturen für die Bewertung neuartiger Materialien. Die neuen Substrate können für die Charakterisierung elektrischer Materialkenngrößen von Dünnschicht-Gassensoren eingesetzt werden und dienen zudem als Grundlage für weiterführende Produktentwicklungen.
»Oft müssen Gassensoren unter definierten Temperaturen betrieben werden«, erklärt Dr. Alexander Graf, Leiter der Gruppe Gas Sensors and Systems am Fraunhofer IPMS. »Unsere Substrate ermöglichen die gezielte Einstellung der Schichttemperatur, wodurch sich Materialien einfach und effektiv untersuchen lassen.« Dazu gehöre auch die Untersuchung der Stabilität und des Drifts über verschiedene Zeiträume. Zudem könne das Verhalten in Prozessen bereits während der Schichtabscheidung untersucht werden. »Um die Technologie individuell weiterzuentwickeln, suchen wir aktuell nach Partnern. Wir können auch vordesignte Chips für Messungen zur Verfügung stellen«, so Graf weiter.
Viele Vorteile
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 F&E-Fragestellungen und der Qualifizierung gegeben ist. Die Substrate ermöglichen die Verwendung kundenspezifischer Designs. Elektrodenstrukturen, z. B. unterschiedliche Kanalweiten und -längen, können auf einem Chip aufgebracht werden, so dass anwendungsspezifisch die idealen Parameter nutzbar sind.
Effiziente Herstellung
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, ändern sich die elektrischen Eigenschaften.
Die Substrate des Fraunhofer IPMS bieten eine einfache Möglichkeit diese zu erfassen. Damit lassen sich die Sensormaterialien zum Beispiel hinsichtlich Sensitivität und Drift bewerten und anschließend – beispielsweise durch Anpassung der Abscheideparameter – optimieren. Durch die Herstellungstechnologie auf Waferlevel stellen die Substrate auch eine interessante Grundlage für eine produktorientierte Entwicklung dar. Mit dem eigens entwickelten Prober lassen sich die Teststrukturen einfach kontaktieren und vermessen.
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