Broschüre Mikro-Nano-Integration

116 Pages·2011·5.39 MB·German

Hessisches Ministerium
für Wirtschaft, Verkehr und Landesentwicklung
www.hessen-nanotech.de
Mikro-Nano-Integration
Einsatz von Nanotechnologie in der Mikrosystemtechnik
Hessen Nanotech

Mikro-Nano-Integration
Einsatz von Nanotechnologie
in der Mikrosystemtechnik
Band 13der Schriftenreihe
der Aktionslinie Hessen-Nanotech
Impressum
Mikro-Nano-Integration – Einsatz von Nanotechnologie
in der Mikrosystemtechnik
Band 13 der Schriftenreihe der Aktionslinie
Hessen-Nanotech des Hessischen Ministeriums
für Wirtschaft, Verkehr und Landesentwicklung
Erstellt von
mst-Netzwerk Rhein-Main e.V. –
Kompetenz netzwerk Mikrosystemtechnik
c/o IHK Darmstadt
Rheinstraße 89, D-64295 Darmstadt
Telefon [phone]
www.mst-rhein-main.de
Dipl.-Ing. Felix Greiner
Prof. Dr.-Ing. Helmut F. Schlaak
Technische Universität Darmstadt
Institut für Elektromechanische Konstruktionen
Dr. Guido Tschulena
sgt Sensorberatung Dr. Guido Tschulena
Dipl.-Ing. Winfried Korb
arteos GmbH
Redaktion
Sebastian Hummel
Siehe Abb. 55 (Quelle: Technische Universität Darmstadt:
Hessisches Ministerium I. Stöhr, F. Greiner, Prof. Dr.-Ing. H. F. Schlaak)
für Wirtschaft, Verkehr und Landesentwicklung
Dr. Rainer Waldschmidt
Alexander Bracht
Markus Lämmer
Hessen Agentur, Hessen-Nanotech
Herausgeber
HA Hessen Agentur GmbH
Abraham-Lincoln-Straße 38-42
D-65189 Wiesbaden
Telefon [phone]
Telefax 0611 774-8620
www.hessen-agentur.de
Der Herausgeber übernimmt keine Gewähr für die
Richtigkeit, die Genauigkeit und die Vollstän digkeit
der Angaben. Die in der Veröffentlichung geäußerten
Ansichten und Meinungen müssen nicht mit der
Meinung des Herausgebers übereinstimmen.
© Hessisches Ministerium für Wirtschaft,
Verkehr und Landesentwicklung
Kaiser-Friedrich-Ring 75
D-65185 Wiesbaden
www.wirtschaft.hessen.de
Vervielfältigung und Nachdruck –
auch auszugsweise – nur nach vorheriger Titel: Quellen der Abbildungen:
schriftlicher Genehmigung. groß: GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH,
Darmstadt (Prof. Dr. R. Neumann) in Kooperation mit der Tech-
nischen Universität Darmstadt (Fachgebiet Chemische Analytik,
Gestaltung: WerbeAtelier Theißen, Lohfelden Prof. Dr. W. Ensinger und Institut für Elektromechanische
Konstruktionen, Prof. Dr.-Ing. H. F. Schlaak)
Druck: Werbedruck GmbH Horst Schreckhase, Spangenberg
klein v.l.n.r.: Fachhochschule Wiesbaden, Institut für Mikrotech-
nologien IMtech, Prof. Dr. habil. F. Völklein; Universität Kassel,
www.hessen-nanotech.de Institut für Nanostrukturierungstechnologie und Analytik INA,
Prof. Dr. H. Hillmer; Nanoscribe GmbH, Karlsruhe, Prof. Dr. M.
1. Auflage Mai 2009 Wegener
2., unveränderte Auflage November 2011
Inhalt
Aktionslinie Hessen-Nanotech .............................................2
Vorwort ............................................................................................3
Zusammenfassung .....................................................................4
1
Von Nanotechnologie und Mikrosystem-
technik zur Mikro-Nano-Integration ..................................8
2
Wirtschaftliche Potenziale der
Mikro-Nano-Integration ........................................................17
3
Vom Nanomaterial zum MNI-System .............................23
4
Produktchancen und Anwendungen
der Mikro-Nano-Integration ................................................38
5
Innovationspotenziale für
hessische Unternehmen .......................................................82
6
Forschungsförderung .............................................................87
7
Anhang ..........................................................................................94
1
Dieter Posch
Hessischer Minister für
Wirtschaft, Verkehr und
Landesentwicklung
Hessen Nanotech
Aktionslinie Hessen-Nanotech
Die Aktionslinie Hessen-Nanotech des Hessi-
schen Ministeriums für Wirtschaft, Verkehr
und Landesentwicklung bündelt und koordi-
niert die Aktivitäten des Landes Hessen im
Bereich der Nano- und Materialtechnologie
sowie der angrenzenden Felder der Ober flä-
chentechnologie, der Mikrosystemtechnolo-
gie und der Photonik.
Die bei der landeseigenen Wirtschaftsförde-
rungsgesellschaft HA Hessen Agentur GmbH
angesiedelte Aktionslinie hat das Ziel, die
Wettbewerbsfähigkeit hessischer Technolo-
gie-und Dienstleistungsunternehmen weiter
zu stärken.
Dazu werden Kompetenzen, Erfahrungen
und Potenziale des Wirtschaftssektors dar ge-
stellt und weiterentwickelt. Eine wichtige
Rolle spielt dabei die Vernetzung von
T echnologieanbietern und -anwendern.
Aufgaben der Aktionslinien sind auch das
Technologie- und Standortmarketing, die
Organisation des Informationsaustauschs
und die Informationsvermittlung sowie die
Förderung der Netzwerkbildung.
www.hessen-nanotech.de
2
Vorwort
Mikro
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B n
Nano
Wer möchte heute auf automatisch auslösende Airbags oder elektronische Stabilitätsprogramme
im Automobil verzichten? Diese Produkte sind ohne eine ausgefeilte Mikrosystemtechnik nicht
möglich. Doch die „klassische“ Mikrosystemtechnik gelangt zunehmend an ihre Grenzen. Die
steigenden Anforderungen an die Systemtechnik hinsichtlich Miniaturisierung und Erweiterung
des Leistungsspektrums sind mit gängigen Methoden und Materialien nicht zu erfüllen.
Einen Ausweg bietet die Nanotechnologie. Mit ihr können Materialien bereitgestellt und Verfahren
entwickelt werden, um Bauteile technisch leistungsfähiger und gleichzeitig kleiner produzieren
zu können. Dank der Nanotechnologie können zukünftig etwa Sensibilität und Lebensdauer von
Sensoren erhöht werden bei gleichzeitiger Senkung des Energie- und Materialverbrauchs.
Die Mikro-Nano-Integration, die Kombination aus beiden Disziplinen, wird der Mikrosystemtechnik
zu großen Entwicklungssprüngen verhelfen. Die Innovationskraft deutscher Unternehmen und
Forschungseinrichtungen ist europaweit Spitze und erlaubt ein Kopf-an-Kopf-Rennen mit den USA
und führenden asiatischen Industrienationen. Hessen ist mit starken Firmen, herausragenden
Forschungs einrichtungen sowie aktiven Cluster- und Netzwerkinitiativen in einer hervorragenden
Position.
Die Produkte der Mikro-Nano-Integration werden zunehmend in unseren Alltag einziehen und in
wenigen Jahren nicht mehr wegzudenken sein. Dass hessische Produkte dabei an der Spitze stehen
werden, zeigt ein Beispiel aus der Raumfahrt: Der Mars-Rover Spirit, der seit 2004 den Mars unter-
sucht, wurde mit Sensoren eines hessischen Unternehmens ausgestattet und erfüllt auch unter den
äußerst schwierigen klimatischen Bedingungen des roten Planeten zuverlässig seine Pflicht.
Ich bin zuversichtlich, dass insbesondere der hessische Mittelstand auf dem Gebiet der Mikro-
Nano-Integration seine Chancen nutzen wird. Die vorliegende Broschüre soll dabei helfen, indem
sie einen Überblick über aktuelle und zukünftige Möglichkeiten gibt und den aktuellen Forschungs-
stand zeigt.
Dieter Posch
Hessischer Minister für Wirtschaft,
Verkehr und Landesentwicklung
3
Zusammenfassung
Die Mikro-Nano-Integration bringt die Nanotechno- Ursprünglich hatte sich die MST aus der Silizium-
logie in die Mikrosystemtechnik und baut so die Brü- basierten Halbleitertechnik der Elektronik entwickelt.
cke zwischen dem Nanokosmos und dem täglichen Die Massenfertigungstechnik wurde von dort über-
Leben, der Makrowelt. Gegenüber den etablierten nommen und bringt heute wesentliche Kostenvor-
Nanotechnologie-Anwendungen, wo die Nanoef- teile gegenüber großen Systemen. Durch ihren
fekte nur vollflächig (z.B. kratzfeste Oberflächen) Querschnittscharakter stellt die MST in zahlreichen
oder im Volumen ausgenutzt (z.B. Füllstoffe) ver- Anwendungsfeldern eine wichtige Schnittstelle zwi-
wendet werden, bietet die Mikro-Nano-Integration schen der Makrowelt und dem Mikro- sowie neuer-
(MNI) die Möglichkeit, Effekte der Nanoskaligkeit dings auch dem Nanokosmos dar. Diese Anbindung
gezielt innerhalb der gewünschten Mikrostrukturen leistet die Aufbau- und Verbindungstechnik (AVT),
verfügbar zu machen. Für komplexe Systemlösun- mit deren Hilfe z. B. einem Mikrosensor das zu mes-
gen wird die MNI künftig eine Schlüsselfunktion sende Gas aus der Prozessanlage sicher zugeführt
übernehmen. wird. Gleichzeitig wird das Mikrosystem vor der
rauen Umgebung geschützt. Auf der anderen Seite
Mikrosystemtechnik der Größenskala verkleinern sich jedoch die Struk-
turen in der Mikro- und Nanoelektronik von heute
Die Mikrosystemtechnik (MST) hat sich in den ver-
130 nm auf 45 nm im Jahr 2010, so dass die MST
gangenen 20 Jahren von einem Forschungsgebiet
ebenfalls durch ständige Miniaturisierung (Down -
mit dem Fokus auf Einzelkomponenten zu einer
scaling) in die Nanowelt vordringt.
industriellen Querschnittstechnologie gewandelt.
Besonders der Einsatz in der Automobilelektronik Somit kommt der Mikrosystemtechnik mehr und
hat zu diesem Durchbruch beigetragen. Die klassi- mehr die Aufgabe zu, die Brücke zwischen der
schen Komponenten der Mikrosystemtechnik, die Makrowelt und der Nanotechnologie zu schlagen.
Sensoren und Aktoren, werden heute in großen Diese Brückenfunktion wird heute unter dem Begriff
Stückzahlen gefertigt. Sie bilden die Basis für breit Mikro-Nano-Integration und die entscheidende
gestreute Anwendungen in Elektronik, Mechanik, Schnittstelle zwischen Mikro- und Nanowelt unter
Optik sowie Biologie und Chemie. Moderne Mikro- Mikro-Nano-Interface beziehungsweise Nano-Mikro-
systeme sind inzwischen vernetzt, autark und intelli- Interface breit diskutiert.
gent und weit mehr als eine Komponente. Sie haben
sich zu eigenständigen Knoten in intelligenten Sys-
temen wie z. B. Sensornetzwerken entwickelt. Durch
die fortschreitende Miniaturisierung werden damit
ständig weitere Anwendungsbereiche erschlossen.
Mit einem Weltmarktvolumen von etwa 20 Milliarden
US-Dollarim Jahr2008 hat die MST unmittelbar eine
hohe wirtschaftliche Bedeutung errungen. Dazu zäh-
len Produkte wie Schreib-Leseköpfe und Tinten-
strahldruckköpfe für Computer, wie Drucksensoren
und Drehratensensoren im Kraftfahrzeug oder wie
Mikrospiegel für Beamer. Betrachtet man den Wert
der Systeme, deren Funktion durch die MST erst
ermöglicht wird, so liegt das Marktvolumen bei
einem etwa zehnfachen Betrag.
4
Nanotechnologie Mikro-Nano-Integration (MNI)
In den vergangenen zehn Jahren hat sich die Nano- In welcher Weise kommen nun die Objekte der
technologie ebenfalls als eine Querschnittstechno- Nanotechnologie mit der Mikrosystemtechnik in
logie mit vielen Anwendungen in unterschiedlichen Berührung? Unter dem Begriff Mikro-Nano-Inte grat-
Lebensbereichen etabliert. Als gemeinsames Merk- ion werden die Integration von Nanoobjekten und -
mal dient die Kleinheit der Grundbausteine, die eine strukturen in die Mikro- und Makroebene sowie der
charakteristische Größe von einigen Nanometern bis Einsatz von Nanotechnologie-basierten Effekten in
zu 100 nm, also einem zehntausendstel Millimeter, Mikrosystemen verstanden. Die MNI macht die
erreichen. Nanoskalige Füllstoffe sorgen für verbes- Nanotechnologie „anschlussfähig“ für den Einsatz in
serte Fahreigenschaften von Autoreifen, nanoskalige neuen Produkten. Für komplexe Systemlösungen
Partikel auf Oberflächen erleichtern die Reinigung wird die MNI künftig eine Schlüsselfunktion über-
beziehungsweise verhindern die Schmutzab lage - nehmen. Dabei werden zwei entgegengesetzte Vor-
rung auf Textilien und Fassaden. Nanoschichten gehensweisen verfolgt: Top-Down und Bottom-Up,
ermöglichen die dichte Informationsspeicherung in siehe Abbildung 1.
Festplattenlaufwerken. Diese herausragenden Eigen-
Der Top-Down-Ansatz entspricht im Wesentlichen
schaften aus dem Nanokosmos machen solche und
der stetig fortgeführten Miniaturisierung. Die Pro-
viele andere Produkte auf dem Markt erfolgreich.
zesse der MST können immer kleinere Strukturen
Die Nanotechnologie behandelt Nanoobjekte und herstellen beziehungsweise bearbeiten, so dass die
-strukturen wie z.B. Titandioxid-Nanopartikel, Koh- funktionalen Strukturen kleiner als 100 nm werden.
lenstoff-Nanoröhren (CNT: Carbon-Nano-Tube) sowie Diese Vorgehensweise wird beispielsweise bei Sili-
Aluminiumdioxid-Nanopartikel oder Nanoporen in zium-basierten Mikrosensoren angewendet, bei
Polymeren. Sie werden oft direkt in und auf makro- denen durch Downscaling die Empfindlichkeit
skopischen Produkten eingesetzt und können dort gesteigert wird.
ihre Qualitäten nur zum Teil ausspielen.
Beim Bottom-Up-Ansatz werden Nanoobjekte in
Mikrokomponenten integriert, und dadurch die
Effektivität bzw. Funktionalität der Mikrosysteme ver-
bessert. Eine besondere Herausforderung bildet das
gezielte Einbringen der Nanoobjekte in die Mikro-
systeme. Dazu werden Nanoobjekte in Mikro struk-
turen nur an den Stellen synthetisiert, die zuvor
durch geeignete Strukturierungsprozesse vorberei-
Mikro
tet wurden. Ein anderer Weg nutzt die physikalisch-
chemischen Prinzipien der Selbstorganisation aus,
die sich durch die Selbstausrichtung und/oder
Selbstmontage (Self-Assembly) von Nanoobjekten
p MNI beschreiben lassen.
U
T
-
m o
p
Mikro-Nano- Abbildung 1:
o -
D
Die Mikro-Nano-Integration (MNI) umfasst die
t Integration o
t Integration von Nanoobjekten, Nanostrukturen
o w
B n bzw. Effekten der Nanotechnologie in Mikrosys-
teme. Man spricht vom Top-Down-Ansatz beim
Downscaling von Mikrostrukturen in den Nano-
meterbereich. Bei der Bottom-Up-Vorgehens-
weise werden dagegen Nanoobjekte gezielt und
Nano
geordnet in Mikrosysteme eingebracht.
5
Chancen der MNI Herausforderungen der MNI
Obwohl die MNI noch ein sehr junges Forschungs- Das etablierte große Marktvolumen der Mikro -
gebiet darstellt, sind bereits zahlreiche Anwen- systemtechnik lässt für die Mikro-Nano-Integration
dungsgebiete erschlossen worden. Dazu zählen die ein hohes Marktpotenzial erwarten. Auf dem Weg
Sensorik, Aktorik, Elektronik, Optik sowie Chemie dahin ist jedoch ein Nadelöhr zu überwinden, siehe
und Energiesysteme. Einige MNI-Systeme sind Abbildung 2. Um die Nanoobjekte in technische
bereits als Produkte auf dem Markt erhältlich. Anwendungen überführen zu können, muss die
Technologie weiterentwickelt werden, z. B. die Mate-
Derzeit bringt der Einsatz von Nanotechnologie
rialtechnologie, die Strukturierung sowie die Posi-
in der Fertigung der Mikrosystemtechnik und der
tionierung. Eine besondere Herausforderung bilden
Mikroelektronik entscheidende Wettbewerbs vor-
die Gestaltung und Anordnung – die „Baupläne“ –
teile. So ermöglicht nanoporöses Silizium in der
die von den zunächst ungeordneten Nanoobjekten
Drucksensor-Fertigung niedrigere Prozesskosten.
zur geordneten Systemintegration in die Mikro -
Die Selbstorganisation von Nano poren wurde
systeme mit konkreten technischen Anwendungen
erfolg reich in die Fertigung leistungsfähigerer
führen. Die Lösung dieser Aufgaben ist letztlich ent-
Mikrochips integriert.
scheidend, den technologischen Vorsprung der
Der Brückenschlag von der Nanotechnologie in die heimischen Unternehmen zu sichern.
Mikro- und Makroumgebung birgt die Chance
Effekte der Nanotechnologie gezielt innerhalb der
gewünschten Mikrostrukturenverfügbar zu machen.
Dies bedeutet einen entscheidenden Gewinn an
Funktionalität gegenüber den etablierten Nanotech-
nologie-Anwendungen. Dort werden bisher Nano- Abbildung 2:
Engpass Mikro-Nano-Integration.
effekte meist vollflächig (z. B. kratzfeste Oberflächen)
(Quelle: in Anlehnung an Bachmann, G.:
oder im Volumen ausgenutzt (z. B. Füllstoffe).
Innovationsschub aus dem Nanokosmos,
VDI-Technologiezentrum, 1998, S.123)
Schon heute ermöglichen Grenzflächeneffekte
an Nanoschichten den kommerziellen Erfolg von
Magnetfeldsensorenin Computerfestplatten und Sen-
soren für die Raddrehzahl bei den Stabilitätspro- Nanoobjekte
grammen im Kraftfahrzeug. CO -Sensoren mit MNI-
2
Schicht für Klimaanlagen überwachen die Luftqualität.
In der faseroptischen Kommunikationstechniksind Positionieren Strukturieren
nanotechnologisch optimierte optische A npassungs - Analysieren Technologisches
multidisziplinäres
schichten bereits im Einsatz. Optische Filter mit pho- Materialien Verständnis
tonischen Kristallen werden bald verstärkten Einsatz
finden.
Nanoporöse Metalloxid-Oberflächen steigern die
Baupläne und Gestaltung im
Leistungsfähigkeit chemischer Sensorenund werden Grenzbereich menschlichen Zugriffs
in Kürze kommerziell verfügbar sein. Elektrisch kon-
taktierte Carbon-Nano-Tubes (CNTs) und Nanodrähte
eröffnen ganz neue Möglichkeiten in der Nieder-
et
temperatur-Gassensorik und der Gasströmungs - ark für
m
sensorik. me to SpTeBicith-er AEtnorgmininagerees-
Nanoschichten erlauben neue Ansätze in der Auf- ti
bau- und Verbindungstechnik, die damit den Anfor-
derungen nach Niedertemperaturprozessen und EleNkatnroon-ik TeMRcöohndntogelreonnge-ie EleELkiotnrgzoeinkle-n- LIiMnthdeoutghstorradipeelhlneie
weiter miniaturisierten Kontakten nachkommen wird.
Nahfeld- Qualitäts- Generierung Positionieren …
Techniken Sicherung von mit nm-
Asphären Genauigkeit
Technische Anwendung
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