Ziel der Entwicklung
Die Motivation für das Projekt lag in der Notwendigkeit, ein robustes Messsystem für Schichtspannungen (Filmkräfte) in dünnen Schichten zu entwickeln, das die Lücken im aktuellen Stand der Technik schließt. Wirtschaftliche Impulse kamen aus der Dünnschichttechnik, MEMS-Herstellung, Biosensorik und galvanischen Beschichtungsprozessen, wo Präzisionsmessungen im Bereich von 1 N/m bis in den mN/m-Bereich für die Prozessoptimierung und Qualitätssicherung unerlässlich sind.
Problemstellung
Viele Anwendungen wie optische Datenspeicher, Hartstoffschichten, Biosensoren oder Korrosionsschutz nutzen dünne Schichten, deren mechanische Spannungen ein kritisches Qualitätsmerkmal darstellen. Bestehende Cantilever-basierte Sensoren leiden unter hoher Querempfindlichkeit gegenüber Fluidströmung, Problemen in Elektrolyten, empfindlicher kapazitiver Auslesung und aufwendiger optischer Detektion, was sie für industrielle In-situ-Messungen ungeeignet macht.
Entwicklungsziele
Gelöst wurde die Entwicklung eines piezoresistiven Sensors mit beidseitig eingespanntem Biegebalken oder allseitig eingespannter Biegeplatte, der hohe Empfindlichkeit (z. B. 100 µV/Nm statisch, 170 Hz/Nm dynamisch) bei geringer Empfindlichkeit gegenüber Störgrößen wie Strömung oder Oberflächenspannung bietet. Weitere Ziele umfassten die einfache, reproduzierbare Fertigung via MEMS-Prozesse, Funktion in Elektrolyten durch Passivierung und skalierbare Messbereiche bis unter 1 µNm.
Dies ermöglicht eine präzise Überwachung in Halbleiterprozessen, biologischen Beschichtungen und chemischen Abscheidungen, steigert die Bauteilstabilität und optimiert Prozesse signifikant.
Vorteile und Lösungen
Statt empfindlicher einseitig befestigter Cantilever (wie ein federnder Hebelarm) verwendet der Sensor beidseitig oder allseitig eingespannte Strukturen: einen stabilen Biegebalken oder eine dünne Platte aus Silizium. Eine piezoresistive Wheatstone-Brücke (vier Widerstände, die sich bei Dehnung ändern) misst die Biegung direkt elektrisch – ohne empfindliche Laser oder Kapazitäten. Die empfindliche Schicht wird einfach auf die Unterseite aufgebracht, ohne Maskierung, und erzeugt durch innere Spannung eine messbare Verformung.
Entwicklungsschritte
– Simulation: FEM-Modelle (z. B. Comsol) testeten Geometrien (Länge 1–3 mm, Dicke 5–20 µm) und Berechnungen zeigten: Beidseitige Einspannung erhöht Empfindlichkeit um Faktor 3 (100 µV/Nm statisch).
– Fertigung: MEMS-Prozesse (Implantation piezoresistiver Widerstände, Tiefenätzung, SOI-Wafer für Platten) schufen robuste Chips mit Taststift-Kontaktierung.
– Optimierung: Teilbeschichtung steigert Sensitivität um 50%, Passivierung ermöglicht Einsatz in Flüssigkeiten; dynamische Auswertung (Resonanzfrequenz) erreicht <1 µNm.
– Tests: Nickel-Beschichtungen, Vibrometer/Drucktests bestätigten Simulationen (z. B. 170 Hz/Nm dynamisch).
Dies schafft ein stabiles, skalierbares System für Industrieanwendungen.
Zielgruppe und Zielmarkt
Zielgruppen umfassen Hersteller in Dünnschichttechnik, MEMS/Halbleiterfertigung, Biosensorik/Medizintechnik, galvanischen/chemischen Beschichtungen sowie flexible Elektronik und Korrosionsschutz – primär für KMU in Deutschland, Europa und global (z. B. USA, Asien), wo präzise Schichtspannungsmessung Prozesse optimiert.
Nutzen für Anwender
Anwender profitieren von In-situ-Überwachung von Filmkräften (1 N/m bis mN/m), was Rissbildung, Delamination und Instabilitäten verhindert. Prozessfenster werden erweitert und die Ausbeute wird gesteigert – z. B. in CVD/PVD-Prozessen oder Biosensor-Assays für label-free Detektion von Biomolekülen.
Transfer in Unternehmen
Der Transfer erfolgt stufenweise: Labor-Demonstratoren (Chips auf TO-Sockeln), OEM-Module mit Elektronik/Kalibrierung, Pilotprojekte mit KMU für Validierung, Auftragsforschung/Verbundprojekte sowie Messepräsentationen (Sensor+Test, electronica). Die Rückseitige Beschichtung und Taststift-Kontaktierung erleichtern eine Integration in Anlagen.
Wirtschaftliche Effekte
Für das CiS Forschungsinstitut ergeben sich Umsatzsteigerungen durch Erweiterung des MEMS-Portfolios, Folgeprojekte, kundenspezifische Fertigung und Know-how-Transfer (z. B. Ausbildung, Prozessdiagnostik).
Anwendungsbeispiele
Bereits realisiert wurden Nickel-Beschichtungstests sowie Druckkalibrierung. Pilotpotenziale sind noch in der Biosensorik (Antikörper-Bindung), Galvanik (Teiltauchen) und Halbleiterprozessen.
Zurzeit wird noch die Möglichkeit einer Patentanmeldung überprüft.
