Ziel der Entwicklung

Die zunehmende Etablierung der nicht dispersiven Infrarotsensorik (NDIR) im Bereich der Gasdetektion erfordert vermehrt die Anpassung der Emitter- und Sensorsysteme für die entsprechende Anwendung und deren Umgebungsbedingungen. Durch die Erschließung neuer Anwendungsgebiete steigen somit auch die Anforderungen an die Auslegung und Herstellung der Emitter- und Sensorsysteme. So ist es in der Regel notwendig, das Abstrahlverhalten und Funktionsfähigkeit der IR-Emitter auf die spezifische Anwendung anzupassen. Diese Neuauslegung der IR-Emittern erfordert daher die Anpassung der Strukturierung und des Schichtsystems. Dies umfasst mehrere Lithografie-Schritte und Hochvakuum-Technologien, die zur Herstellung der Prototypen notwendig sind, bevor deren Funktionsweise getestet und analysiert werden kann. Demnach ist die Prozessfolge für die Entwicklung von Prototypen der IR-Emittern sehr zeit-, kosten- und materialintensiv. Zur Reduktion dieser Kosten wurden alternative Prozesstrecken auf Basis der Inkjet-Technologie und der galvanischen Abscheidung hinsichtlich ihrer Tauglichkeit für die Herstellung von IR-Emittern-Prototypen untersucht.
Das Ziel des Projektes bestand demnach darin, eine komplett neue Prozessstrecke auf den genannten Verfahren zu evaluieren und dabei weitestgehend auf die Verwendung von Lithografie- und Hochvakuum-Schritten zu verzichten.

Vorteile und Lösungen

Zur Realisierung des Projektvorhabens wurde sich dazu entschieden, auf ein hausinternes Layout für Infrarot-Emitter zurückzugreifen. Die Herstellung sowie die Funktionalisierung der Strukturierung und des Schichtsystems wurde dabei mithilfe des LP50 Inkjet Druckers und der galvanischen Abscheidung durchgeführt.
Damit das Layout von dem LP50 gelesen und gedruckt werden kann, war es zu Beginn notwendig, das Emitter-Design im GDS-II-Format in ein Bitmap-Format umzuwandeln. Bei der Umwandlung der Dateiformate kam es zu Schreibfehler. Daher mussten die Fehler im Layout korrigiert werden. Der Vorteil des Inkjet-Printing liegt hierbei klar in der Einfachheit der Anpassung des Emitter-Designs. So kann das Layout mit der entsprechenden Software in wenigen Minuten geändert und über den Drucker direkt auf dem Wafer appliziert werden, ohne dafür Lithografie-Masken herstellen zu müssen. Im Anschluss wurden die metallischen und isolierenden Schichten, bestehend aus hexagonalem Bornitrid, Silber und Zinndioxid, mithilfe des Inkjet-Verfahrens direkt nach dem vorgegebenen Design strukturiert auf den Wafer gedruckt. Dementsprechend konnten die Lithografie- und Ätzschritte zur Strukturierung eingespart werden. Damit eine hohe Leitfähigkeit der gedruckten Schicht erzielt wird, ist es notwendig, diese nach deren Druck zu Sintern. Dieser Prozess wurde in einem Rapid Thermal Annealing Ofen in einem Temperaturbereich zwischen 130°C und 500°C unter Stickstoff-Atmosphäre durchgeführt. Somit konnte die Leitfähigkeit, je nach Material und Druckparameter, um einen Faktor von 10-1000 gesteigert werden. Weiterhin verbessert sich durch die Sinterung auch die Haftung zwischen dem Substrat und den einzelnen Schichten. Zum Abschluss wurden die Emitter durch Laserschneiden vereinzelt und mittels Flip-Chip-Bonden auf einer Leiterkarte aufgebracht.
In einem nächsten Schritt wurde mittels strom-/spannungsgeführter Galvanik versucht, eine weitere Metallschicht auf der gedruckten Schicht aufzuwachsen, um die Schicht weiter zu funktionalisieren. Aufgrund der aggressiven Chemikalien der Galvanikbäder kam es hier überwiegend zum Abtrag der Startschicht, und eine Abscheidung fand nur auf besser haftenden Schichten statt.
In einem separaten Versuchsdurchlauf, wurden Membranen auf einem hochdotierten Si-Wafer mit einem spezifischen Widerstand von 0,28-0,32 Ohm*cm gefertigt. Im Anschluss wurde in Zusammenarbeit mit dem Fachbereich Elektrochemie und Galvanotechnik der TU Ilmenau versucht, diese Membranen mittels strom-/spannungsgeführter Galvanik mit Platin zu beschichten, um somit eine Heizwiderstandsschicht zu erzeugen.
Ungeachtet der noch zu lösenden Haftungsprobleme zwischen dem Silizium-Substrat und den gedruckten sowie den galvanischen Schichten liegt der entscheidende Vorteil dieser Prozessstrecke klar in der Flexibilität der Layout-Gestaltung und der zu applizierenden Materialien. So bietet der Inkjet-Druck die Möglichkeit, elektrisch leitende, isolierende als auch halbleitende Materialien und Fotolacke aufzubringen. Die in einem weiteren Schritt durch die Galvanik zusätzlich funktionalisiert werden können. Daher bietet diese Prozessfolge eine flexible Lösung für die Gestaltung von Prototypen.

Zielgruppe und Zielmarkt

Die Ergebnisse des Projektvorhabens richten sich vor allem an die FuE-Anwendungen. Eine Anwendung im Consumer-Bereich und der Industrie ist derzeit noch nicht ersichtlich.
Potenzielle Kunden sind mittelständische Unternehmen im Bereich der FuE sowie Hersteller und Dienstleister im Bereich der Gas-Sensorik.
Auf Basis technologischer Plattformen und Flexibilität bezüglich der Systemgestaltung kann das CiS Forschungsinstitut kundenspezifische Lösungen anbieten, Prototypen und Kleinserien fertigen. Wir stellen technische Dokumentationen bereit, wenn wir den Transfer der Fertigung in die Praxis durchführen. Das CiS Forschungsinstitut kann damit einen vollständigen Entwicklungs- und Fertigungsprozess für kundenspezifische Lösungen anbieten. Dies ist besonders für innovative, klein- und mittelständische Unternehmen attraktiv.
Veröffentlichungen in Fachzeitschriften, auf Social-Media-Kanälen sowie Homepage sind Bestandteil unserer Transferaktivitäten. Zudem werden die Ergebnisse mittels Postern, Vorträgen und Demonstratoren auf Fachkongressen und spezifischen Messen einem breiten Publikum vorgestellt.