Lithographie

Li-Fi – Optische drahtlose Kommunikation

Industrie 4.0

Indoornavigation und -ortung

RFID-Lösungen

Akustische Spektroskopie mit Ultraschall

300 mm Screening Fab

Eingebettete nicht-flüchtige Speicher (eNVM)

Intelligente Industrielösungen

Internet der Dinge und Industrie 4.0 – mit diesen aktuellen Megathemen verbinden sich große wirtschaftliche Chancen für die deutsche Industrie. Neben intelligenter Software ist für den Erfolg bei der Digitalisierung der Industrie auch optimal angepasste Hardware notwendig. Nur mit beiden Kompetenzen lässt sich die künftige Wettbewerbsfähigkeit der deutschen Industrie sichern. Das Fraunhofer IPMS bedient hier exemplarisch ein umfangreiches Spektrum mit sowohl photonischen als auch nicht-optischen MEMS, RFID-Lösungen inklusive zugehöriger Software sowie Technologieentwicklungen für die Halbleiterindustrie.

Lithographie

Flächenlichtmodulator mit 512×2048 individuell adressierbaren Spiegeln von 16×16 µm² Größe.
© Foto Fraunhofer IPMS

Flächenlichtmodulator mit 512×2048 individuell adressierbaren Spiegeln von 16×16 µm² Größe.

Die Dimensionen von Halbleiterstrukturen werden immer kleiner, dies erhöht stetig die Genauigkeitsanforderungen an die Belichtung und die Maskenherstellung für die Belichtung. Andererseits entstehen neue Lithographieanforderungen in den Bereichen Backend und Packaging, so z. B. in der 3D-Integration von Chips. Mittels Flächenlichtmodulatoren lassen sich hier neue effiziente Belichtungsmaschinen für die Halbleiterindustrie entwickeln.

Flächenlichtmodulatoren des Fraunhofer IPMS bestehen aus einer Anordnung von Mikrospiegeln (typisch >10 × 10 µm pro Spiegel) auf einem Halbleiterchip, wobei die Spiegelanzahl anwendungsspezifisch aktuell von einigen hundert bis zu mehreren Millionen Spiegeln variiert. Hierbei kommt in den meisten Fällen ein hochintegrierter anwendungsspezifischer elektronischer Schaltkreis (ASIC) als Basis der Bauelementearchitektur zum Einsatz, um eine individuelle analoge Auslenkung jedes Mikrospiegels zu ermöglichen. In Kombination mit Laserbelichtungsquellen lassen sich digital gesteuert hochgenaue Belichtungen z.B. für Halbleitermasken realisieren. Andere Bauelemente werden optimiert für das maskenlose Direktschreiben von Lithographiestrukturen (via Laser Direct Imaging und Elektronenstrahllithographie) z. B. für die Leiterplattenherstellung. Flächenlichtmodulatoren erlauben sehr hohe Datendurchsätze und bieten exzellente Perspektiven für hohe Produktivität.

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Li-Fi – Optische drahtlose Kommunikation

Ersatz von kurzen Kabeln und Steckverbindern bei Datenraten von bis zu 12,5 GBit/s.
© Foto Fraunhofer IPMS

Ersatz von kurzen Kabeln und Steckverbindern bei Datenraten von bis zu 12,5 GBit/s.

Die Voraussetzungen für die Produktionsarbeit der Zukunft sind dezentralisierte Fertigungsprozesse mit laufend überwachten Produktionsketten durch Maschine-zu-Maschine-Kommunikation. Dabei fallen oft große Datenmengen an, die bisher größtenteils über Kabel übertragen wurden. Eine drahtlose Übertragung per WLAN ist nicht effizient und zu langsam – die Nachfrage nach Alternativen wächst mit den Anforderungen an hohe Datenraten, Robustheit, geringen Energieverbrauch, Datensicherheit und Netzwerkfähigkeit.

Das Fraunhofer IPMS setzt beim drahtlosen Datenaustausch auf Licht. Übertragungsraten von bis zu 12,5 Gigabit pro Sekunde auf kurzen Distanzen und bis zu 1 Gigabit pro Sekunde bei Entfernungen von bis zu 30 Metern sind bereits möglich. Die Vorteile von drahtlosen Systemen liegen insbesondere bei beweglichen oder bewegten Anlagenteilen in der höheren Zuverlässigkeit und Sicherheit im Gegensatz zu verschleißanfälligen und teuren Spezialkabeln. Zudem entfallen teure Umrüst- und Wartungsarbeiten.

Deswegen wurden am Institut verschiedene Kommunikationsmodule entwickelt, die sich nach dem Plug-and-Play-Prinzip einfach in bestehende Steuerungssysteme und Maschineninfrastrukturen integrieren lassen und Daten schnell und sicher per Licht übertragen. Die auf Li-Fi Technologie basierenden Module ersetzen dort die verschleißanfälligen Hochfrequenz-Steckverbinder und ermöglichen damit eine bessere Kommunikation. Hochfrequente Signale können so schneller und zuverlässiger zwischen zwei Geräten übertragen werden. Die Module können Kabel- oder Steckverbindungen problemlos ersetzen und sind gegenüber verfügbaren Funklösungen bis zu zehnmal schneller.

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Industrie 4.0

Spezifische Fertigungsumgebung für Industrie 4.0.
© Foto Fraunhofer IPMS

Spezifische Fertigungsumgebung für Industrie 4.0.

Die Fertigung der Zukunft wird von einem hohen Automatisierungs- und Digitalisierungsgrad geprägt sein. Durch das Zusammenspiel von Maschinen, Produktion und Diensten in cyber-physischen Systemen (CPS) wird die intelligente Fabrik (Smart Factory) zu dezentralen, sich selbst steuernden Produktionsprozessen befähigt. Die Realisierung dieser Konzepte verlangt neuartige, leicht integrierbare, Systemlösungen für die Produktionsdatenerfassung und -verarbeitung.

Unter der Maßgabe einer One-Stop-Shop-Lösung entwickelt das Fraunhofer IPMS integrierte Hard- und Softwarelösungen, welche sich nach dem Plug-and-Work-Prinzip schnell und einfach in bestehende Produktionssysteme integrieren lassen. Die erhobenen Daten werden effizient verarbeitet und analysiert sowie datengetrieben Entscheidungen für den Produktionsprozess ermöglicht.

Ein am Fraunhofer IPMS entwickeltes Framework ermöglicht die einfache Erfassung von Maschinendaten und deren Analyse in einer Big Data-Lösung. Die Datenanalyse erfolgt durch den Einsatz von Methoden aus den Bereichen des Complex Event Processing, dem Process Mining und der Anomalieerkennung. Die hierdurch gewonnenen Erkenntnisse werden in weiteren Modulen z. B. für die Planung von vorbeugenden Wartungen, der Erkennung von Störungen im Produktionsprozess und der zentralen und dezentralen Produktionssteuerung (z. B. nach energetischen Geschichtspunkten) genutzt.

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Indoornavigation und -ortung

Real Time Location Services und Navigation in Gebäuden.
© Foto Fraunhofer IPMS

Real Time Location Services und Navigation in Gebäuden.

Besonders in Bezug auf Industrie 4.0 gewinnt die Ortung von elektronischen Gegenständen und die Lokalisierung von beweglichem Inventar innerhalb von Gebäuden, Lagerhallen und Produktionseinrichtungen zunehmend an Bedeutung. Um den aktuellen Aufenthaltsort von technischer Ausrüstung, Personal und Inventar ermitteln zu können sowie Besucher und Mitarbeiter schnell und komfortabel ans Ziel zu bringen, entwickelt das Fraunhofer IPMS Lösungen zur Innenraumnavigation und -ortung.

Mit seinen Systemen zur drahtlosen Ortung von Materialien, Gegenständen, Personen und Werkzeugen bietet das Fraunhofer IPMS seinen Kunden Real Time Location Services (RTLS) für eine lückenlose Verfolgung von mobilen Assets und die Navigation in Gebäuden. Die RTLS-Lösungen des Fraunhofer IPMS sind für den Einsatz in geschlossenen Gebäuden sowie in unterschiedlichsten Umgebungen wie z. B. Werkhallen, Krankenhäusern oder öffentlichen Gebäuden ausgelegt. Die Ortungsverfahren setzen auf eine bestehende WLAN-Infrastruktur auf. Die Installation von zusätzlicher Hardwareinfrastruktur für die Ortung entfällt. Per Android-App werden dem Anwender Standorte und Entfernungen zum lokalisierten Inventar angezeigt. Über Location Based Services wird der App-Nutzer zielgerichtet mit standortbezogenen Informationen versorgt und kann direkt aus der App heraus mit Objekten oder Maschinen in seiner Umgebung interagieren. Die Fraunhofer IPMS Lösung unterstützt Geofencing für die Markierung von speziellen Gebäudebereichen. Betrifft oder verlässt ein Objekt diese Bereiche werden regelbasiert Aktionen ausgelöst.

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RFID-Lösungen

Der ROAD-Server bietet eine einheitliche und herstellerunabhängige Schnittstelle für RFID-Reader-Hardware und RFID-Sensortransponder.
© Foto Fraunhofer IPMS

Der ROAD-Server bietet eine einheitliche und herstellerunabhängige Schnittstelle für RFID-Reader-Hardware und RFID-Sensortransponder.

RFID-Technologie kommt immer häufiger in modernen Produktions­umgebungen zum Einsatz, wenn es darum geht, Logistik- oder Fertigungsprozesse autonom zu kontrollieren oder Messwerte an schwer zugänglichen Orten oder bewegten Teilen wartungsfrei zu erfassen und ohne eigene Energiequelle und ohne jegliche Verkabelung zu übertragen. Das Fraunhofer IPMS entwickelt Lösungen, um die Integration neuer RFID-Komponenten in bestehende oder aufzubauende Prozessumgebungen zu erleichtern.

Für Industrie 4.0-Umgebungen bietet das Fraunhofer IPMS einen RFID-OPC-UA-AutoID (ROAD)-Server an. Diese Middleware ermöglicht die einfache Integration von RFID-Readern, RFID-Tags und RFID-Sensorik in komplexe Produktionsumgebungen unabhängig von deren Hersteller. Einmal auf Basis der OPC-UA-Schnittstelle implementierte Anwendungen können so auch bei Änderung der Reader- oder Transponder-Population unverändert weiter genutzt werden.

Im Bereich RFID-Sensorknoten entwickelt das Fraunhofer IPMS produktnahe Technologien für passive batterielose und wartungsfreie Sensorknoten für verschiedene Anwendungsbereiche. Diese unterstützen die RFID-Frequenzbereiche LF, HF und UHF und können beliebige Sensoren mit passiven Transpondern verbinden.

Akustische Spektroskopie mit Ultraschall

Illustration eines zweidimensionalen CMUT-Arrays im ausgelenkten Zustand.
© Foto Fraunhofer IPMS

Illustration eines zweidimensionalen CMUT-Arrays im ausgelenkten Zustand.

Die spektroskopische Untersuchung mittels Ultraschall ermöglicht insbesondere Aussagen über physikalische Kenngrößen von Materialien sowie zur chemischen Analyse von Dispersionen. So können mittels der Analyse der frequenzabhängigen Dämpfung und Schallgeschwindigkeit Aussagen über die Qualität und Zusammensetzung von Ölen, Alkohol-Wasser-Gemischen oder sonstigen Flüssigkeiten getroffen werden, eine ideale Ergänzung der optischen Spektroskopie.

Durch die Verwendung von kapazitiven mikromechanischen Ultraschallwandlern (CMUTs) können neue hochkompakte Umweltmesssysteme realisiert werden. Im Gegensatz zu gängigen piezoelektrischen Ultraschallelementen werden CMUTs mittels mikromechanischen Verfahren hergestellt und verfügen so über eine höchst kompakte Aufbauform. Hierbei ermöglichen die Sensoren durch eine monolithische Integration mit CMOS-Schaltungen die Realisierung von kompletten Analysesystemen auf einem Chip. Für die akustische Spektroskopie sind CMUTs ideal geeignet da sie in flüssige Medien extrem effizient den Schall einstrahlen können, die Detektion hochsensitiv ist und eine große Frequenzbandbreite verwendet werden kann.

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Eingebettete nicht-flüchtige Speicher (eNVM)

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Eingebettete Nicht-flüchtige Speicher (eNVM) als zentraler Baustein moderner System on Chip (SoC) Lösungen.

Eingebettete nicht-flüchtige Speicher (eNVM) gewinnen zunehmend an Bedeutung und sind als zentraler Baustein moderner System on Chip (SoC) Lösungen unverzichtbar. Durch eine Verschmelzung von Logik und Speicher auf einem Chip können Kosten und Formfaktoren minimiert und Energieeffizienz und Geschwindigkeit maximiert werden. Als Folge dieser Verschmelzung sind im speziellen Fall der eNVM-Lösungen nicht nur die Speicherzellen selbst und ihrer individuellen Charakteristika von zentrale Bedeutung, sondern auch deren Kompatibilität zu aktuellen Technologieplattformen.

Aufgrund dieser speziellen Anforderungen eingebetteter Speicherlösungen konzentriert sich das Fraunhofer IPMS auf zwei Schwerpunktthemen: zum einen die Erforschung und Optimierung neuartiger, nicht-flüchtiger Speicherzellen in Bezug auf Datenhaltung, Zyklenfestigkeit und Skalierung und zum anderen auf deren Integration in existierenden Technologie-Plattformen (bspw. 22 nm FDSOI, 28 nm HKMG oder auch 1X nm FinFET). Dies beinhaltet vor allem die Überführung neuer Materialien und Prozesse in eine 300 mm Fertigungsumgebung. Die im FEoL integrierten nicht-flüchtigen Speicherkonzepte FeFET und FLASH sowie die im BEoL integrierten RRAM- und MRAM stehen derzeit im Fokus der Forschungs- und Entwicklungsarbeiten des Fraunhofer IPMS und seiner Industrie- und Forschungspartner.

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Screening Services für Mikro- und Nanotechnologie

© Foto Fraunhofer IPMS

300 mm Screening Services für Mikro- und Nanotechnologie.

In der Halbleiterfertigung sind die Parameter der Verbrauchsmaterialien und das Equipment entscheidende Faktoren für die Prozessperformance. Für Zulieferer, Materialentwickler und Equipmenthersteller bietet das Fraunhofer IPMS eine Testumgebung für 200 und 300 mm Wafergrößen unter Industriebedingungen, die es ermöglicht, Evaluationen und Prozessparameteranpassungen für individuelle Produkte vorzunehmen und direkt wieder in die Produktionslinien der Hersteller zu integrieren.

Für die Bereiche Atomlagenabscheidung (ALD), Wafercleaning, Chemisch-mechanisches Planarisieren (CMP) und Kupferplattierung stehen neben umfangreichen Analytikinstrumenten, eigene Anlagen zur Verfügung, auf denen Chemikalien, Materialien und Prozesse untersucht und optimiert werden. Von der Prozessentwicklung über die Aufskalierung vom Labormaßstab zur Volumenproduktion bis hin zu Tests auf eigenen Wafern (für 2X nm Technologieknoten) stehen sämtliche Prozessschritte zur Verfügung. Durch das professionelle Waferhandling und das ISO 9001 Prozessmanagement sind ein direkter Waferaustausch und die risikolose Integration von Innovationen in die Produktionslinie gewährleistet.

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