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Nachhaltige Halbleiterfertigung durch hyperspektrale Bildgebung

© DIVE imaging systems Gmbh

Im Forschungsprojekt NEST (New Screening Tool for Efficient Semiconductor Manufacturing) arbeiten das Fraunhofer IPMS, Fraunhofer IZM und DIVE Imaging Systems GmbH gemeinsam im Rahmen des GreenICT@FMD-Kompetenzzentrums an einem neuartigen Screening-Werkzeug für die Halbleiterproduktion. Ziel ist es, durch den Einsatz von hyperspektraler Bildgebung Defekte frühzeitig zu erkennen, Ressourcen zu schonen und Produktionsprozesse effizienter und umweltfreundlicher zu gestalten.

Die Halbleiterfertigung umfasst bis zu 1.500 Prozessschritte, z.B. Ätzen, Beschichtung und Lithografie, und erfordert höchste Qualitätskontrollen. Rund 50 % der Fertigungsschritte entfallen auf Messtechnik, wofür monatlich tausende Kontroll-Wafer verwendet werden. Das verursacht hohe Kosten, CO₂-Emissionen und Energieverbrauch.

Eine Umweltpotenzialanalyse im 28-nm-Prozess mit 25.000 Wafer-Starts pro Monat ergab: Durch hyperspektrale Inspektionslösungen lassen sich der Einsatz von Kontroll-Wafern um mindestens 25 % sowie über 118.000 kg CO₂ pro Monat einsparen. Weitere Vorteile: weniger Wasser- und Chemikalienverbrauch, verbesserte Energieeffizienz und gesteigerter produktiver Waferertrag durch frühzeitige Prozessabweichungs-Erkennung.

Industrietaugliche Wafer-Inspektion mit DIVE und Fraunhofer IPMS

Das von DIVE Imaging Systems entwickelte VEpioneer®-System ist das erste hyperspektrale Inspektionssystem, das zuverlässig unter Reinraumbedingungen arbeitet. Es analysiert in nur 20 Sekunden berührungslos Oberflächeneigenschaften und Abweichungen von Spezifikationen. Mit Hilfe integrierter KI-Algorithmen wird der Testaufwand deutlich reduziert und die Prozesskontrolle signifikant verbessert.

Das Fraunhofer IPMS unterstützt die Entwicklung mit seinem Know-how in der optischen Sensorintegration und Reinraumqualifikation. Auch nach Projektabschluss bleibt das System am Center Nanoelectronic Technologies (CNT) des Fraunhofer IPMS für Kundentests, Datenanalysen und die Weiterentwicklung mit automatisierter Waferhandhabung und Tool-Integration im Einsatz.

Energieeffiziente Halbleitertechnologien für digitale, analoge und HF-Anwendungen

Die FAMES-Pilotlinie treibt die Entwicklung von energieeffizienten Chips für digitale, analoge und Hochfrequenzanwendungen (RF) maßgeblich voran. Im Mittelpunkt stehen fünf zukunftsweisende Technologien:

  • FD-SOI-Plattformen mit neuen Strukturgrößen bei 10 nm und 7 nm für energieoptimierte digitale Schaltungen
  • Vielfältige integrierte nichtflüchtige Speichertechnologien (eNVM) wie OxRAM, FeRAM, MRAM und FeFETs für zuverlässige Datenspeicherung bei geringem Energiebedarf
  • Hochfrequenz-Komponenten wie Schalter, Filter und Kondensatoren für moderne Anwendungen wie 5G, IoT und Edge Computing
  • Zwei fortschrittliche 3D-Integrationsmethoden:
    • Heterogene Integration zur Kombination unterschiedlicher Chiplets und Materialien
    • Sequenzielle Integration zur vertikalen Transistorstapelung für maximale Integrationsdichte
  • Miniaturisierte Induktivitäten zur Integration von DC-DC-Wandlern in Power-Management-ICs (PMICs)

Diese Technologien stärken die europäische Halbleiterindustrie nachhaltig und ermöglichen kompakte, leistungsstarke und energieeffiziente Elektroniksysteme für zukünftige Anwendungen.

Nachhaltige Sensortechnologie: Ressourceneffiziente ISFET-Entwicklung für die pH-Sensorik

Nahaufnahme einer Platine mit ionensensitiven Feldeffekttransistoren (ISFETs)
© Fraunhofer IPMS
Nahaufnahme einer Platine mit ionensensitiven Feldeffekttransistoren (ISFETs)
Ansteuerbox für Nb2O5-ISFETs und einer AG/AgCl-Referenzelektrode mit und ohne Gehäuse inkl. den Anschlüssen für das analoge Auslesen.
© Fraunhofer IPMS
Ansteuerbox für Nb2O5-ISFETs und einer AG/AgCl-Referenzelektrode mit und ohne Gehäuse inkl. den Anschlüssen für das analoge Auslesen.

Das Fraunhofer IPMS forscht daran, Sensoren nachhaltiger zu machen. Daher entwickeln wir im Projekt "REISEN" ressourcenschonende Herstellungsverfahren für ISFET-basierte pH-Sensoren. Herkömmliche Materialien wie Tantal sind zwar wirksam, aber kostspielig und in der Versorgung kritisch. Ziel ist es, sie durch kostengünstige, energieeffiziente Alternativen mit vergleichbarer Leistung zu ersetzen.

Fokus der Fraunhofer IPMS Forschung 

  • Bonding-freie ISFET-Integration zur Eliminierung seltener Metalle wie Palladium und Silberlegierungen
  • Funktionalisierung des Sensors auf Waferebene durch mikropräzises Dispensieren zur Verringerung des Materialabfalls
  • Vermeidung flacher Beschichtungsprozesse, die einen Materialverlust von über 99 % verursachen
  • Geringerer Einsatz reaktiver und toxischer Substanzen zur Verbesserung der Arbeitssicherheit und der Umweltverträglichkeit

Diese Fortschritte senken die Produktionskosten erheblich, minimieren die Umweltbelastung und unterstützen die Entwicklung umweltfreundlicher Halbleitersensoren der nächsten Generation.

Kompaktes Evaluierungskit für Nb₂O₅-basierte ISFETs

Das Fraunhofer IPMS bietet ein Plug-and-Play-Evaluierungskit für Nb₂O₅-basierte ISFETs zur pH-Sensorik an. Das USB-C-betriebene Gerät ermöglicht einfache Tests mit integrierter Referenzelektrodenunterstützung und Temperaturkompensation. Für batteriebetriebene Systeme ist auch eine analoge Variante mit geringem Stromverbrauch erhältlich. Beide Optionen sind kompakt, benutzerfreundlich und für genaue und effiziente pH-Messungen optimiert.

Neuromorphic Computing: Energieeffiziente und nachhaltige Elektronik

Neuromorphes Computing bietet einen innovativen Ansatz für besonders energieeffiziente und damit nachhaltige Hardwarelösungen. Durch die Nachbildung der adaptiven Funktionsweise des menschlichen Gehirns ermöglicht diese Technologie eine leistungsstarke Datenverarbeitung bei minimalem Energieverbrauch. Das ist ideal für intelligente Sensorik, Edge-KI und dezentrale Systeme. Sie eignet sich besonders für zukunftsweisende Anwendungen in Industrie 4.0, Smart Cities und autonomer Mobilität, bei denen Effizienz und Leistung gleichermaßen gefragt sind.

Fraunhofer IPMS: Expertise im Neuromorphic Computing

Das Fraunhofer IPMS zählt zu den führenden Forschungseinrichtungen auf dem Gebiet der neuromorphen Hardware. Dafür entwickeln wir spezialisierte Materialien, Technologien und komplette Hardware-Lösungen, die besonders für den Einsatz im Edge-Bereich optimiert sind, beispielsweise in intelligenten Sensoren und dezentralen Systemen, die eigenständig Daten verarbeiten und Entscheidungen treffen können.

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