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»Wir sind bereit für die aktuellen und zukünftigen Herausforderungen der Elektronikforschung«

Dr. Stephan Guttowski heißt der neue Leiter der gemeinsamen Geschäftsstelle des Fraunhofer-Verbunds Mikroelektronik und der Forschungsfabrik Mikroelektronik Deutschland (FMD). Der langjährige Fraunhofer-Mitarbeiter übernahm die Leitung am 1. Januar 2021. Schon zuvor setzte er sich für die institutsübergreifende Kooperation innerhalb der FMD als Technologiepark-Manager für Heterointegration ein.
 

Dr. Guttowski, Glückwunsch zu Ihrer neuen Position. Wie fühlt es sich an, der Leiter der zusammengelegten Geschäftsstelle zu sein?

Vielen Dank! Es fühlt sich sehr gut an und trotz aller Widrigkeiten zur Bewältigung der Corona-Pandemie blicke ich mit Zuversicht in die Zukunft. Zum einen sind die Fußstapfen, in die ich nun trete, groß: Jörg Amelung und Michael Galetzka haben die FMD in den letzten drei Jahren erfolgreich durch die Aufbauphase geleitet, Patrick Bressler hat in der Nachfolge von Joachim Pelka die Geschäftsstelle des Fraunhofer-Verbunds Mikroelektronik durch diese bewegten Zeiten geführt. Zum anderen steht die gemeinsame Geschäftsstelle vor der Herausforderung, den bisherigen Erfolg fortzuführen und gleichzeitig Synergien für die Fraunhofer- und Leibniz-Institute in der FMD, deren Vertretung wir hier organisieren, in einem nachhaltigen Regelbetrieb zum Wohle aller zu heben.

Woran arbeiten Sie und Ihr Team gerade?

Neben den institutsübergreifenden Projekten, die die Geschäftsstelle koordiniert, sind wir aktuell dabei, unsere Außendarstellung zu schärfen. In wenigen Tagen veranstalten wir beispielsweise unsere Digitalkonferenz zur Verstätigung der FMD. Unter dem Motto: »Impulsgeber FMD: Angebot & Potenzial − Köpfe & Know-how« berichteten wir am 22. April 2021 über unser erweitertes Technologieangebot, aktuelle Forschungsprojekte und wie wir die Herausforderungen der Zukunft annehmen wollen.

Wo möchten Sie als der neue Geschäftsstellenleiter besondere Akzente setzen?

Für mich sind es vor allem drei Aufgabenbereiche, in denen wir als Geschäftsstelle sichtbar werden wollen. Zuerst einmal ist es das aktive Business Development auf der Basis der komplementären Kompetenzen unserer Institute. Das erfordert eine gute Zusammenarbeit auf den als wegweisend erkannten Gebieten. Hier sehe ich die zweite Aufgabe der Geschäftsstelle – die Expertinnen und Experten an einen Tisch zu bringen und ein gemeinsames technologisches Portfolio zu entwickeln. Den dritten Bereich unserer Tätigkeit sehe ich in der Kommunikation und der Sichtbarkeit unseres Leistungsangebots. Ich bin oft erstaunt, wie wenig über zukunftsweisende Ergebnisse der Forschungsarbeit bekannt ist. Daran müssen wir arbeiten, um gemeinsam die Zukunft nachfolgender Generationen zu sichern.

Und zu guter Letzt: Woher kommt Ihre Motivation?

Was mich antreibt, sind sowohl die ganz großen aber auch ganz kleine Themen. Ich denke, dass in einem Land wie Deutschland, Zukunft und Wohlstand kommender Generationen maßgeblich davon abhängen, dass wir den technologischen Fortschritt nicht nur verstehen, sondern selbst mitgestalten. Dass Unternehmen – egal ob große internationale Konzerne oder kleine erst frisch gegründete Startups – den bestmöglichen Zugang zu neuen Konzepten und Lösungen aus der Forschung erhalten. Gleichzeitig empfinde ich es als höchst motivierend mich mit den Forschenden auszutauschen und zu sehen, welche hervorragende Arbeit in unseren Instituten geleistet wird, mit welcher Begeisterung neue Ideen verfolgt und neue Ansätze erprobt werden.
 

Das Interview führte Akvile Zaludaite.

»Nur durch Vernetzung und Kooperation werden wir die Erwartungen an die moderne Mikroelektronik erfüllen«

Mikroelektronik bildet die Grundlage für die Innovationskraft in vielen Branchen. Um die europäische Halbleiter- und Elektronikindustrie im globalen Wettbewerb zu stärken wurde 2017 die Forschungsfabrik Mikroelektronik Deutschland (FMD) ins Leben gerufen. Über das Erreichte und die Erwartungen an die moderne Mikroelektronik sprachen wir mit dem Vorsitzenden der FMD und dem Sprecher des Fraunhofer-Verbunds Mikroelektronik, Professor Albert Heuberger.
 

Prof. Heuberger, der Aufbau der FMD ist weitgehend abgeschlossen: Was wurde erreicht und wie geht es jetzt weiter?

Die umfangreichen Investitionen in die Infrastrukturen der Institute konnten bis auf wenige durch die Covid19-Pandemie bedingte Verzögerungen abgeschlossen werden. Nun sind wir in der Phase der Umsetzung und Verstetigung des Modells der Forschungsfabrik Mikroelektronik Deutschland. Einen ersten Schritt haben wir mit der Neuaufstellung der Geschäftsstelle schon getan. Schon jetzt gilt die FMD als Vorbild, wenn es darum geht, unterschiedliche Kompetenzen der verschiedenen Institutionen mit einer gemeinsamen Strategie und mit gebündelten Angeboten an die Industrie aufzustellen.

Auch weiterhin gilt: Durch konsequente Verknüpfung und strategische Weiterentwicklung der Expertise unserer Institute auch zukünftig die technologische Souveränität und Attraktivität von Deutschland und Europa für die Spitzenforschung aufrechtzuerhalten! Es ist wichtig, die Zukunftsthemen zielgerichtet und gemeinsam voranzutreiben – um gegenüber den Wettbewerbern in den USA und Asien schneller zu agieren als in der Vergangenheit.

Mit der Digitalisierung stehen viele Branchen vor einem tiefgreifenden Umbruch. Welche Herausforderungen gilt es für die Mikroelektronik dabei zu bewältigen?

Künstliche Intelligenz (KI), Industrie 4.0, autonomes Fahren – all diese digitalen Entwicklungen benötigen neue Verfahren, Prozesse und Geschäftsmodelle für die Übertragung, Speicherung und Verarbeitung der Datenmengen. Die heute existierenden Computertechnologien werden neuen Anforderungen an Energieverbrauch, Datenverarbeitung und Transferzeiten kaum mehr gerecht. Mit der wachsenden Abhängigkeit von digitalen Netzen und Daten, steigen auch die Anforderungen an die Sicherheit. Dabei kommt vor allem der technologischen Souveränität, also der Selbstbestimmung und Kontrolle über Systeme und Daten, in Deutschland und Europa eine zentrale Rolle zu. Bislang führte die Marktmacht vor allem US-amerikanischer IT-Konzerne wie Microsoft und Google zu nahezu alternativlosen Abhängigkeiten. Gleiches gilt im Bereich der Chipfertigung, die zum überwiegenden Teil in Asien stattfindet.

Vertrauenswürdige Elektronik und Datensicherheit sind die Basis für alle digitalen, vernetzten Systeme, speziell für das Internet der Dinge, aber auch KI. Vor allem dort, wo personenbezogene oder sicherheitskritische Daten verarbeitet werden, wie in der Medizintechnik, beim autonomen Fahren oder bei kritischen Infrastrukturen, ist es essentiell, dass die Eigentümer die vollständige Kontrolle über ihre IKT-Systeme haben und Nutzer über die Eigenschaften der von ihnen genutzten Systeme informiert werden. Betrachtet werden muss dabei der gesamte Datenfluss – vom Endkunden bis zu der eigentlichen Hardware, die die Daten verarbeitet.

Können Sie uns Bespiele nennen wie die FMD der Industrie hierbei hilft?

Für neue Forschungsgebiete, die diese übergreifenden Kompetenzen brauchen, entwickeln wir komplette innovative Elektroniksysteme. Hierfür möchte ich drei Beispiele nennen. Im Projekt TRAICT (TrustedResourceAware ICT) arbeiten acht FMD-Institute mit weiteren zehn Fraunhofer-Instituten gemeinsam an Rahmenbedingungen, damit Informations- und Kommunikationstechnik vertrauenswürdig und datenschutzkonform ist und dabei selbstbestimmt und sicher genutzt werden kann. Die Kernfrage ist: Wie lässt sich die Verlässlichkeit kritischer elektronischer Komponenten und Systeme in global verflochtenen Liefer- und Wertschöpfungsketten validieren und gewährleisten? Viele kritische Komponenten digitaler Technologien werden heute außerhalb Europas hergestellt und in vielen Bereichen der digitalen Wertschöpfungskette besitzen ausländische Anbieter monopolähnliche Marktpositionen. Dies erzeugt eine große Abhängigkeit, die zum Nachteil Deutschlands werden könnte. Die im März gestartete Plattform für die Vertrauenswürdige Elektronik – kurz »Velektronik« – hat es sich zum Ziel gemacht, die komplette Wertschöpfungskette zu beleuchten und durchgehende Konzepte zu erstellen. Insgesamt sind 12 Partner – 11 Fraunhofer- und Leibniz-Institute der Forschungsfabrik Mikroelektronik Deutschland sowie das edacentrum – am Projekt beteiligt. Es sollen entsprechene Standards, Normen und Prozesse auf der Grundlage einer nationalen und europäischen Chipsicherheitsarchitektur entwickelt und in die Anwendung gebracht werden.

Trotz aller technischen Anstrengungen, immer energiesparendere elektronische Komponenten zu entwickeln, um insbesondere die durch elektronische Geräte unterstützte Mobilität zu erhöhen, ist der Gesamtenergieverbrauch der Informations- und Kommunikationstechnik kontinuierlich gestiegen. Aktuelle Entwicklungen zu lernfähigen Systemen und deren erwartete Verbreitung in allen Lebens- und Arbeitsbereichen verschärfen dieses Problem. Dabei wird sich der Energieverbrauch nicht nur auf große Rechenzentren konzentrieren, sondern vor allem auch in den sich immer weiterverbreitenden IoT-Geräten und -Systemen spürbar mehr Relevanz erlangen. Ein wachsender Anteil entfällt dabei auch auf die enorm zunehmende Übertragung von Daten. Für die Bewältigung dieser Herausforderungen plant die FMD ein Kompetenzzentrum für ressourcenschonende Informations- und Kommunikationstechnologien – kurz Kompetenzzentrum »Green ICT«.

Wir sind neugierig: Sie sind jetzt etwas mehr als ein Jahr der Vorsitzende der FMD und Sprecher des Verbunds. Was hat sich für Sie verändert?

Das letzte Jahr war für alle von uns mit großen Herausforderungen verbunden. Die Taktzahl der Online-Meetings und der fehlende persönliche Austausch mit den Kolleginnen und Kollegen der FMD hat auch meine Arbeitsweise und -kultur stark verändert. Ich bin dankbar, dass uns Technologie hier auch hilft, arbeitsfähig und in Kontakt zu bleiben. Mit der Rolle des Sprechers sind auch spannende Aufgaben, wie beispielsweise im Fraunhofer-Präsidium und in Europäischen Gremien verbunden. Ich finde es motivierend, dass aktuell die Bedeutung der Mikroelektronik für Zukunftsthemen wie Quantentechnologien oder die technologische Souveränität erkannt wird und dass ich auch persönlich Veränderungen in der deutschen Forschungslandschaft mitgestalten kann.
 

Das Interview führte Akvile Zaludaite.

Neue 3D-Drucker für Hochfrequenzkomponenten am Fraunhofer FHR

Ende 2020 erweiterte das Fraunhofer FHR seinen Standort Villip mit neuen Anlagen. Die ergänzende 5-Achs-Maschine, der Metalldrucker und das Kunststoff-Laser-System wurden im Rahmen der Forschungsfabrik Mikroelektronik Deutschland beschafft. Alex Shoykhetbrod ist einer der Forschenden, der an den drei Maschinen arbeitet. Heute erzählt er uns über die Vorteile der additiven Fertigungsverfahren.

Herr Shoykhetbrod, wie würden Sie Ihrer Großmutter Ihre Arbeit erklären?

Ich arbeite am Fraunhofer-Institut für Hochfrequenzphysik und Radartechnik FHR in der Abteilung Integrierte Schaltungen und Sensorsysteme und würde die Erklärung mit einem Zitat von Charles Darwin anfangen: »Es ist nicht die stärkste Spezies, die überlebt, auch nicht die intelligenteste, sondern eher diejenige, die am ehesten bereit ist, sich zu verändern«. Genau diesen Aspekt versuchen wir in unserer Forschungsgruppe zu adressieren. Jedes Projekt im Millimeterwellen-Bereich ist einzigartig und bringt verschiedene Herausforderungen mit sich: komplexe Geometrien, geringe Gewichtsanforderungen, Einsatz von Materialverbünden.

Wofür sind die neuen 3D-Drucker nützlich?

Die neuen Fertigungsmöglichkeiten in Kombination mit den traditionellen Verfahren ermöglichen es uns am Institut, schnell und agil auf die Anforderungen unserer Auftraggeber zu reagieren. Mithilfe der neuen Maschinen sind wir in der Lage, erweiterte Antennen-Konzepte, Wellenleiter-Komponenten, Filterstrukturen und Meta-Materialien zu fertigen. Diese existierten aufgrund der hohen mechanischen Komplexität bis heute nur konzeptionell in einer Simulationsumgebung. Der ausgebaute additive Fertigungspark in Villip ist dadurch sicherlich ein »Game-Changer«.

In welche anderen Bereiche fließen die Ergebnisse Ihrer Arbeit mit ein?

Es gibt eine Vielzahl von Anwendungsbereichen für die unsere Arbeitsergebnisse relevant sind. Ein Beispiel hierfür ist das Wärmemanagement, denn insbesondere Radarsysteme mit hoher Ausgangsleistung müssen effizient gekühlt werden. Mit additiven Fertigungsverfahren lässt sich die Oberfläche eines Kühlkörpers signifikant erweitern, was zur Steigerung des Wirkungsgrades führt. Gleichzeitig kann dieser Kühlkörper auch noch andere Zwecke erfüllen und beispielsweise als Teil eines Wellenleitersystems fungieren. Im Vergleich zu den traditionellen Fertigungsverfahren ermöglichen die Ergebnisse der neuen 3D-Drucker außerdem einen höheren Freiheitsgrad bei der Gestaltung der Hochfrequenzkomponenten. Die flexible Kontrolle über die Geometrie der Bauteile erlaubt eine Herstellung von viel leichteren Komponenten bei gleichbleibender Funktionalität. Hierdurch können hochintegrierte Radarsysteme mithilfe luftgetragener Systeme geflogen werden.

Neue Biosensoren detektieren Viren und Bakterien in Echtzeit

Mithilfe optischer Biosensoren könnten Bakterien und Viren in Sekundenschnelle detektiert werden. Patienten müssten nicht mehr tagelang auf ihre Testergebnisse warten, sterile Räume, medizinische Geräte, Produktionsprozesse und Lebensmittel könnten in Echtzeit überwacht werden. Am Fraunhofer IMS in Duisburg hat sich eine neue Arbeitsgruppe gegründet, die all das ermöglichen will.
 

Prof. Kruss, Bakterien und Viren in Echtzeit zu erkennen, das klingt ja nach einer großartigen Zukunftsaussicht. Wie würden Sie einem Laien die Funktionsweise Ihres geplanten Detektors erklären?

Wir arbeiten an Nanosensoren die man sich als extrem kleine Röhren vorstellen kann – 100.000 Mal kleiner als ein menschliches Haar. Sie leuchten in einem für den Menschen nicht sichtbaren Bereich (nahes Infrarot). Diese Nanoröhren können nun chemisch so dekoriert werden, dass sie in Gegenwart eines bestimmten Zielmoleküls ihr Leuchten verändern. So kann die Anwesenheit beispielsweise eines Virus-Partikels oder von Bakterien optisch angezeigt werden. Das besondere an unseren Sensoren ist, dass sie für eine Vielzahl von Anwendungen einsetzbar sind und äußerst klein, schnell und ultrasensitiv sind. Die aktuelle Lage zeigt, dass wesentlich mehr Diagnostik vorhanden sein sollte, um Pandemien eindämmen zu können. Stellen sie sich vor, man hätte für Jeden verfügbare Biosensoren, die in wenigen Minuten ein Ergebnis liefern und nicht so fehlerbehaftet wären wie aktuelle Tests.

An welchen Stellschrauben herrscht noch weiterer Forschungsbedarf?

Wir können bereits im Labormaßstab wichtige Pathogene wie Bakterien unterscheiden. Auf dem Weg zur Anwendung wollen wir die Erkennungsstrategien weiter ausdehnen um möglichst viele Dinge gleichzeitig erfassen zu können. Außerdem arbeiten wir an einem Prototyp zum Auslesen der Nanosensoren. Längerfristig wollen wir solche Sensorkonzepte aber noch wesentlich patientennäher einsetzen. Ein Beispiel sind intelligente Implantate, die Infektionen berührungsfrei und nicht-invasiv anzeigen.

Wie können wir uns ein solches Detektions-Gerät vorstellen?

Biosensoren erkennen chemische Strukturen, die charakteristisch für eine bestimmte Frage sind. Ein Beispiel wäre das Protein, mit dem das Coronavirus in menschliche Zellen eindringen kann. Die Nanosensoren erkennen genau diese Strukturen. Daher werden immer solche Nanosensoren, beispielsweise integriert in ein Hydrogel oder auf Papier, benötigt. Das Auslesen kann dann mit verschiedensten Geräten oder dafür optimierten Detektoren erfolgen.

Welchen Anteil hat die Mikroelektronik in Ihrem Vorhaben?

Unsere Nanosensoren liefern präzise Informationen über biologische Proben. Um sie auszulesen wird Licht genutzt und dieses muss detektiert werden können. Dazu kommen beispielsweise die Einzelphotonen Detektoren vom Fraunhofer-Institut für Mikroelektronische Schaltungen und Systeme IMS zum Einsatz. Außerdem muss für einen, von Endkunden nutzbaren, Biosensor ein hoch integriertes Gerät entwickelt werden, bei dem Mikroelektronik und Optik eine zentrale Rolle spielen.

Warum haben Sie sich dazu entschieden, Ihre Forschung beim Fraunhofer IMS voranzubringen?

Die Entwicklung von Biosensorik benötigt Expertise aus verschiedenen Bereichen: Von der Chemie und Physik über Ingenieurswissenschaften bis hin zur Medizin. Das Fraunhofer IMS verfügt über eine große Expertise im Bereich Systemintegration und bei hochsensitiven optischen Detektoren. Das ergänzt sich hervorragend mit meiner Expertise im Bereich der Nanosensoren und Erkennung von biologischen Motiven. Zusammen können wir so die nächste Generation an diagnostischen Werkzeugen entwickeln.
 

Vernetzungsplattform für vertrauenswürdige Elektronik

Um Elektronik sicher und zuverlässig einzusetzen, muss nachvollziehbar sein, was sie macht und wie sie aufgebaut ist. Aktuell gibt es technische Lösungen und Forschungsarbeiten zu einzelnen Aspekten einer vertrauenswürdigen Elektronik, aber noch niemanden, der die komplette Wertschöpfungskette ausreichend beleuchtet und durchgehende Konzepte liefert. Die »Plattform Vertrauenswürdige Elektronik« möchte hier Hilfe leisten.
 

Die vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) im Rahmen von Forschungsvorhaben für »Vertrauenswürdige Elektronik (ZEUS)« geförderte Plattform – kurz »Velektronik« – begann ihre Arbeit im März 2021. Dr. Johann Heyszl vom Fraunhofer-Institut für Angewandte und Integrierte Sicherheit AISEC war an dem Konzept maßgeblich beteiligt und ist der fachliche Leiter des Forschungsvorhabens. 12 Partner aus der Forschungsfabrik Mikroelektronik Deutschland und dem Verbund Mikroelektronik sowie das edacentrum sind in dem Projekt involviert.

Dr. Heyszl, darf man nicht automatisch jeder Elektronik vertrauen?

Durch die starke Internationalisierung in der Elektronikentwicklung ist das Thema Vertrauenswürdigkeit tatsächlich eine große Herausforderung. Vertrauenswürdig ist Elektronik, wenn sie allen unseren Erwartungen an Funktionalität und Spezifikationen entspricht und gleichzeitig keine Hintertüren oder Schwachstellen für Angreifer offenlässt. Anderweitig könnte das zu Manipulationen, Angriffen oder Ausfällen von ganzen Systemen führen.

Welche Ziele verfolgt das Projekt genau?

Die Vision des Projekts ist es, eine Vernetzungsplattform für vertrauenswürdige Elektronik als Schnittstelle zwischen Forschung und Unternehmen zu schaffen. Hierfür wird in allen Bereichen der Elektronikentwicklung, Fertigung und Analyse an Lösungskonzepten gearbeitet. Die Ergebnisse können anschließend innerhalb der Plattform, für weitere Forschungsvorhaben und vor allem von der Wirtschaft genutzt werden. So werden vertrauenswürdige elektronische Komponenten und Baugruppen zielgerichtet entwickelt, gefertigt, analysiert und danach integriert. Die Plattform »Velektronik« soll als Instrument für die komplette Wertschöpfungskette vertrauenswürdiger Elektronik fungieren und den Ausbau der Technologischen Souveränität in diesem Bereich für die deutsche Industrie und den öffentlichen Sektor auf dem globalen Markt unterstützen.

Stichwort »Technologische Souveränität«: Welche Rolle spielt vertrauenswürdige Elektronik in diesem Zusammenhang?

Wir sind in allen relevanten Anwendungsdomänen – ob in kritischen Infrastrukturen, in der Industrie 4.0, im Automobilbereich oder auch bei medizinischen Geräten – auf elektronische Komponenten angewiesen. Auf diese müssen wir uns verlassen und ihnen vertrauen können, um darauf letztendlich Produkte, Systeme und Infrastruktur aufzubauen. Technologische Souveränität bedeutet, dass wir vor dem Hintergrund einer stark internationalisierten Wertschöpfung die Hoheit darüber behalten, welche konkreten Eigenschaften technologische Komponenten unserer Produkte haben. Das sichert die Innovations- und Wettbewerbsfähigkeit deutscher Unternehmen, insbesondere des Mittelstands, nachhaltig. Je mehr wir fortschrittliche Elektronik selbst in Deutschland und Europa konzipieren, entwickeln, herstellen und absichern, desto besser können wir auch nachvollziehen, was Elektronik Dritter leistet oder auch nicht leistet. So können wir weltweit auf Augenhöhe kooperieren und Anforderungen an von uns genutzte oder betriebene Elektroniksysteme durchsetzen. 

Hochfrequenzelektronik für die 6G-Welt

Ob privat oder beruflich, unsere Welt wird immer digitaler – nicht zuletzt befeuert durch die aktuellen Einschränkungen des Lebens in Pandemiezeiten. Die neuen Kommunikationsstandards wie 5G und 6G versprechen eine höhere Datengeschwindigkeit, größere Netzkapazität und schnellere Reaktionszeit. Damit dies gelingt, müssen die dafür benötigten Hardware-Komponenten technologisch enorm weiterentwickelt werden. Dr. Hady Yacoub vom Leibniz FBH setzt genau hier an und erforscht Möglichkeiten für die Nutzung von neuen Frequenzbändern im mm-Wellen-Bereich.

Das Ferdinand-Braun-Institut, Leibniz-Institut für Höchstfrequenztechnik (FBH) ist ein Teil der Forschungsfabrik Mikroelektronik Deutschland (FMD) und bringt hierbei seine Expertise bei der Entwicklung von energieeffizienten Halbleiter-Komponenten ein. Es erforscht neuartige Materialien und entwickelt die notwendigen Bauelemente für Anwendungen wie Elektromobilität, Industrie 4.0 oder die mobile Kommunikation der Zukunft.

Dr. Yacoub, Sie forschen im Bereich der III/V-Elektronik und leiten am FBH das InP Devices Lab. Was versprechen Sie sich von Indiumphosphid?

Der zukünftige Kommunikationsstandard 6G zielt auf Frequenzen oberhalb von 100 GHz ab. Dies stellt neue Anforderungen an die Hardware sowie Hochfrequenzelektronik, was Konsequenzen für die Wahl der Halbleiter haben. Hetero-Bipolartransistoren (HBT) auf Basis des Halbleiters Indiumphosphid (InP) sind dank ihrer hohen Integrationsfähigkeit kompakt und liefern exzellente Leistungsdichten, hohe Betriebsspannung und damit, im Vergleich zu Silizium-basierten Technologien, hohe Ausgangsleistung. Zusammen mit mehrfachen Dünnschicht-Verdrahtungsebenen lassen sich komplexe monolithisch-integrierte Schaltungen auf geringer Fläche realisieren. Allerdings sind solche Schaltungen technologisch und prozesstechnisch sehr anspruchsvoll, da sie extrem skaliert werden müssen. Sie müssen also mehr Leistung auf kleinerer Fläche bieten – bei gleichbleibender Ausbeute.

Wie können Sie diese Herausforderung lösen?

Ganz klar mit einer leistungsfähigen Anlagentechnik. Um die technologischen Anforderungen zu meistern, hat das FBH im Rahmen der Forschungsfabrik Mikroelektronik Deutschland seine Anlagentechnik im Reinraum entsprechend aufgerüstet. Mit modernster E-Beam-Lithographie sind Strukturgrößen von nur 30 nm möglich. Weitere vollautomatische Hightech-Anlagen zum Ätzen oder Galvanisieren erhöhen nicht nur die Ausbeute und Homogenität der Schaltungen, sondern auch den Wafer-Durchsatz.

Welche Möglichkeiten ergeben sich dadurch für Ihren Forschungsbereich?

Die neue, leistungsfähige Infrastruktur wird in verschiedenen nationalen und europäischen Vorhaben zum Einsatz kommen. Eines davon ist das Projekt ULTRAWAVE, in dem ein Konsortium eine neuartige drahtlose Systemarchitektur für die Kommunikation mit verbesserter Netzdeckung und nie dagewesenen Datenraten entwickelt. Das FBH liefert die dafür benötigten monolithischintegrierten Schaltkreise, die auf dem hauseigenen InP-DHBT-Prozess basieren. Dank einer Point-to-Multipoint-Infrastruktur im D-Band bei 140 GHz bietet die Systemarchitektur 100 Gbps im Umkreis von einem Quadratkilometer. Dies soll erstmalig in einem Testversuch in Valencia erreicht werden – Point-to-Point-Systeme im gleichen Frequenzband wurden von anderen Gruppen bereits in ersten Versuchen demonstriert. Das ULTRAWAVE-System nutzt einen Standard-Modemzugang und ermöglicht eine drahtlose Datenübertragung von bis zu einem Kilometer.
 

FMD-Equipment im Einsatz beim Kabelmonitoring

Dr. Alexander Weiß hat im Januar 2021 die Leitung der Abteilung Multi Device Integration beim Fraunhofer ENAS übernommen. Im aktuellen Projekt »Kabelmonitoring«, in dem Herr Weiß aktiv ist, kommt Equipment zum Einsatz, das im Rahmen der Forschungsfabrik Mikroelektronik Deutschland (FMD) beschafft wurde. Auch sonst spielt die FMD für den Wissenschaftler eine wichtige Rolle in seinem beruflichen Alltag.
 

Dr. Weiß, womit beschäftigen Sie sich in Ihrer neuen Rolle?

Als erstes habe ich mich auf Organisatorisches konzentriert und einige Prozesse in der Abteilung neu aufgesetzt. Aktuell widme ich mich vor allem den strategischen Themen. Dabei geht es auch um unsere Rolle in der FMD. Grundsätzlich ist die Abteilung Multi Device Integration (MDI) nach wie vor Entwicklungspartner für neuartige Sensoren und Aktoren und deren Integration in applikationsnahe Systeme. Mit unseren zentralen Themenfeldern können wir wesentliche Beiträge in den FMD-Technologieplattformen »Sensorsysteme« und »MEMS-Aktoren« sowie deren weitergehende Anwendung innerhalb der FMD leisten. Letztlich ist auch hier für uns wichtig, dass wir auf Basis unserer Expertise durch anwendungsorientierte Forschung in den genannten Themenfeldern den Stand der Technik bereichern und zukünftig Wachstumsfelder besetzen.

Wie unterstützt die FMD Sie bei Ihrer Arbeit?

Die FMD bietet uns als Institut und als Abteilung einen großen Mehrwert. Das fängt bei institutsübergreifenden Kooperationen in internen Projekten an und geht weiter über gemeinsame Initiativen in Verbundprojekten sowie Industriekooperationen und setzt sich top-down bei der wunderbaren Ausstattung fort, die ja durch die FMD finanziert wurden. Zwei Bespiele kann ich gleich an dieser Stelle nennen: unsere neue »Probestation für den MEMS-Funktionstest auf Waferlevel-Niveau« und unser »komplexes optisches Analytikcluster zur Charakterisierung von optoelektronischen Systemen«.

Im Projekt Kabelmonitoring arbeiten Sie ja mit solchem Equipment. Was genau wird hier umgesetzt?

Die fehleranfälligsten Teile eines kabelgebundenen Stromnetzes sind Kabelverbindungen und Steckverbinder. Durch allmähliche Degradation der Kabelisolierung in Kombination mit hoher Spannung bilden sich zunehmend Teilentladungen aus. Letztlich gehen diese in extrem hohe Kurzschlussströme über. Die daraus resultierende Wärmeentwicklung führt schließlich zur Zerstörung. In diesem Projekt geht es darum, mit neuartigen Sensoren – in diesem Projekt beispielsweise einem Teilentladungssensor – autarke Multi-Sensor-Systeme zu entwickeln, die solche Fehler frühzeitig und zuverlässig erkennen. Die verwendeten Sensorknoten selbst bestehen aus einem drahtlosen Kommunikationsmodul, einem Stromwandlermodul und verschiedenen Sensoren zur Erfassung von Teilentladungen, Kabeltemperatur und äußeren Einflüssen wie Vibrationen oder Stößen. Mit der bereits angesprochenen Probestation charakterisieren wir hierbei beispielsweise die eingesetzten MEMS-Vibrationssensoren.

An welchem Projekt im FMD-Universum wären Sie außerdem gerne beteiligt?

Wir hören gegenwärtig viel von Quantencomputing und anderen fortschrittlichen Technologien. Ich könnte mir vorstellen, dass wir in der FMD gemeinsam quantenoptische Sensoren entwickeln. 

Innovative Chipintegration in Systeme der Mensch-Maschine-Interaktion 

In Bereichen wie Industrie 4.0, Smart Health, Smart Security und Automotive kommen zunehmend intelligente Systeme für die Mensch-MaschineInteraktion zum Einsatz. Hierbei sind Sensorsysteme für den nonverbalen Informationsaustausch im Nahdistanz- und Kontaktbereich sowohl für die Funktionalität als auch die Sicherheit essentiell.
 

Die wachsenden Anforderungen hinsichtlich einer energieeffizienten 3D-Erfassung und einer schnelleren Signalverwertung sind jedoch mit derzeit verfügbaren Lösungen nicht realisierbar. Fraunhofer-Forschende aus vier Instituten entwickeln im Projekt »ProtaktilUS« neue Ansätze. Die Ergebnisse sollen in eine modularisierte MEMS-Technologie- und Sensorplattform einfließen.

Herr Vanselow, was ist Ihre Aufgabe im Projekt?

Gemeinsam mit Kolleginnen und Kollegen aus den Fraunhofer-Instituten IPMS, IKTS und IFF arbeiten wir an der erstmaligen Chipintegration hochauflösender kapazitiver und ultraschallerzeugender Elemente auf einer CMOS-kompatiblen Plattform. Konkret wollen wir die Leistungsfähigkeit unseres Ansatzes am Beispiel des reaktiven Greifens in der Robotik zur Handhabung und zur Identifikation unterschiedlich beschaffener Objekte demonstrieren. Unser Part hier an der Fraunhofer EMFT ist die Miniaturisierung der mehrkanaligen Hochspannungselektronik, die für die Ansteuerung der mikroelektromechanischen Ultraschallwandler benötigt wird.

Welche kniffligen Herausforderungen haben Sie bereits im Projekt gelöst?

Wesentliche Herausforderungen bestanden in der Synthese von Lösungsmöglichkeiten für die Reduktion der Zahl der externen Komponenten, der Hochspannungsansteuerung der MEMS Strukturen und die Umsetzung in eine vollintegrierte Lösung. Wir können nun zum Beispiel mit unserem Ansatz die Ultraschall CMUT-Elemente ohne externe DC-Blocking Elemente ansteuern und trotzdem im rauscharmen Vorverstärker mit Niederspannungstransistoren arbeiten. Diese Lösung wird uns in Zukunft die nächsten Schritte bei der Integration von Ansteuerelektronik und MEMS-Elementen entweder in einem System-in-Package oder monolithischen Ansatz ermöglichen.

Die Projektarbeiten sollen den Grundstein für ein neues Fraunhofer-Geschäftsfeld legen. Welche Erwartungen sind damit verbunden?

Mit den entwickelten Modulplattformen MEMS, Elektronik und Signalverarbeitung wollen wir zukünftig den Zugang zu weiteren Applikationsfeldern in industriellen, medizintechnischen, Consumer-orientierten und sicherheitsbezogenen Sektoren eröffnen.

Was fasziniert Sie an der Entwicklung neuartiger Schaltungstechnik besonders?

Seit vielen Jahren bin ich immer wieder davon begeistert, welche neue Aufgabenstellungen bei dem Entwurf integrierter Schaltungen und speziell bei dem Design von analogen Schaltungen auftreten. So werden wir für wichtige Themen auch in Zukunft neue Lösungen benötigen. Wie können wir zum Beispiel den Energiehunger des Internets durch neuromorphe oder Quantencomputer reduzieren oder wie können wir durch smarte Sensorlösungen beim Umweltschutz helfen? Das macht für mich die Faszination an diesem Thema aus. 

Hochtemperaturschutzschichten für die Raumfahrt 

Bei Betriebstemperaturen von mehr als 1700 °C stehen Forschende vor großen Herausforderungen Bauteile für Luft- und Raumfahrtanwendungen zu entwickeln. Dr. Christian Reimann und Kevin Schuck vom Fraunhofer IISB fanden einen Weg solche Bauteile mit kostengünstigen ultrahochtemperaturbeständigen Schutzschichten zu versehen. Mit ihrer Idee gewannen die jungen Wissenschaftler den 3. Platz bei der DLR-Challenge der »INNOspace Masters« 2020.
 

Insbesondere in Triebwerken, Antrieben und Thermalschutzstrukturen für die Luft- und Raumfahrt ist eine derartig hohe Hitzeentwicklung problematisch. Bei üblichen Kohlenstofffaser-Kompositbauteilen kommt es zur aktiven Oxidation und zwangsläufig zur Zerstörung der Werkstoffe durch Partikelablation sowie Abplatzungen. Dies hat zur Folge, dass der bisherige Einsatz auf Anwendungen mit niedrigeren Temperaturen limitiert ist und Triebwerke sowie Antriebe ihr Potenzial nicht erreichen. 

Herr Reimann, Herr Schuck, erzählen Sie uns bitte von Ihrem Ansatz.

Das Herzstück unseres Ansatzes ist die bei uns am Fraunhofer IISB entwickelte Sprühbeschichtungstechnologie, die dabei hilft Bauteile für Luft- und Raumfahrtanwendungen mit ultrahochtemperaturbeständigen Schutzschichten zu versehen. Durch die Symbiose aus unserer Idee und der am Institut entwickelten Sprühbeschichtungstechnologie ist es nun möglich, die betroffenen Kohlenstofffaser-Kompositbauteile mit den temperaturbeständigen Oxidationsschutzschichten zu versehen. Dies führt dazu, dass Triebwerke und Antriebe auch bei höheren Temperaturen arbeiten und einen besseren Wirkungsgrad erreichen können.

Was hat sich für Sie nach der Auszeichnung verändert?

Der vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) initiierte Wettbewerb »INNOspace Masters« zeichnet jährlich innovative Ideen und Konzepte für den Transfer von Technologien, Diensten und Anwendungen von der Raumfahrt in andere Branchen und umgekehrt aus. Durch die Prämierung erhielten wir als Forscher Zugang zu weltweiten Wissenschaftsnetzwerken. Auch bekamen wir eine Förderung für die Durchführung unseres zweijährigen Forschungsprojektes »HOSSA«. Hierbei geht es darum, unsere Idee für die Hochtemperaturschutzschichten gemeinsam mit Firmen aus der Luft- und Raumfahrtindustrie in die praktische Anwendung zu bringen.

Von der Theorie in die Praxis. Wie weit sind Sie mit Ihrem Forschungsprojekt?

Nach der Prüfung der Projektunterlagen durch das DLR wollen wir Anfang Mai 2021 mit unserem Vorhaben starten. Durch die direkte Einbindung eines Industriebeirats aus Zulieferfirmen und Anwendern der Luft-und Raumfahrtindustrie sind wir sehr zuversichtlich, dass es zu weiteren Anschlussvorhaben und Technologieverwertungen kommen wird. Ein wesentlicher Punkt ist es auch, möglichst viele Anwendungsszenarien für die neuartige Technologie zu generieren. Hierbei ist unsere Expertise im Bereich der Halbleitermaterialherstellung und Prozessierung sehr nützlich. Es ist uns bereits gelungen, Unternehmen aus diesem Bereich für unseren Ansatz zu interessieren und die ersten Lizenzverhandlungen zu führen.

Effektives KI-Training mit LIDAR-Daten  

Künstliche Intelligenz (KI) kann nur so leistungsfähig operieren, wie es die Qualität der antrainierten Daten zulässt. Im Besonderen gilt dies beim Deep-Learning, das neuronale Netze nutzt, die vom menschlichen Gehirn inspiriert sind. Tools für das Labeling von Kamerabildern sind auf dem Markt bereits etabliert, entsprechende Tools für das Labeling von Laserscanner-Daten sind jedoch noch nicht verfügbar. 
 

Herr Schäufele, wie kann das Labeling Tool FLLT.AI dazu beitragen, dem Ziel der autonomen Mobilität näher zu kommen?

In vielen selbstfahrenden Fahrzeugen gehören LIDAR-Sensoren, also Laserscanner, zur Sensorik für die Umfelderkennung. Damit die Vehikel mit den Daten auch etwas anfangen können, muss die KI im Fahrzeug trainiert werden. Für LIDAR-Daten gibt es bis jetzt allerdings nur wenige verfügbare Datensätze. Mit unserem Labeling-Tool FLLT.AI kann man auf einfache Weise Datensätze für LIDAR-Daten erstellen. Zum einen kann man mit gleichzeitig aufgezeichneten Video-Daten automatisiert die LIDAR-Daten vorlabeln lassen. Zum anderen ist es einfach möglich, die LIDAR-Daten händisch nachzubearbeiten. Außerdem werden über Tracking Labels von einem LIDAR-Scan zum nächsten weitergeführt. So wird im Mittel nur noch 10 % der Zeit benötigt, um hochqualitative Lerndaten zu generieren.

Wie bringt der Mensch die KI voran und wird dies in Zukunft auch (fast) ohne ihn funktionieren?

Heutzutage ist es häufig so, dass man der KI beim sogenannten »Supervised Learning« Vorgaben machen muss. Die beim Training verwendeten Daten müssen von Menschen zuvor verarbeitet werden, in dem verschiedene Objekte in den Daten gelabelt werden. In der Zukunft kann das durch »Unsupervised Learning« zum Teil auch ohne Menschen funktionieren. Dabei versucht die KI beim Training Unterschiede in den Trainingsdaten zu bestimmen und so selbst Klassen zu finden. Die Prüfung, ob diese korrekt sind und die Festlegung der Parameter beim Training, müssen jedoch immer noch von einem Menschen bestimmt werden.

Wie wirkt Mikroelektronik mit Ihrem Tool zusammen?

Durch verschiedene Schnittstellen, die das FLLT.AI-Tool anbietet, können mit LIDAR Sensoren und Kameras aufgenommene Daten direkt in das FLLT.AI-Tool integriert werden. Außerdem arbeiten wir an der Integration weiterer Sensoren, wie RADAR. Für das Labeling der Daten verwenden wir eine eigene, sehr leistungsstarke KI-Server Farm, um die neuronalen Netze auszuführen. Gleichzeitig arbeiten wir aber auch im Projekt KI-Flex mit an der Entwicklung eines ASIC speziell für das Ausführen von neuronalen Netzen.

Was fehlt noch zum autonomen Vehikel, das ohne Sorgen auf die Straße gebracht werden kann?

Bei der Erkennung des Umfelds ist die Forschung für selbstfahrende Fahrzeuge schon sehr weit fortgeschritten. Damit können Verkehrsbereiche mit relativ geringer Komplexität, beispielsweise Autobahnen bereits gut beherrscht werden. Eine große Herausforderung ist noch die Entscheidungsfindung bei komplexen Verkehrsszenarien, wie man sie in Städten, aber auch auf Landstraßen mit Kreuzungen, vorfindet. Die Anzahl der möglichen Verkehrssituationen ist dort sehr hoch und erfordert daher eine riesige Menge an Daten, um die KI darauf vorzubereiten. 
 

Neue Systemarchitektur für THz-Frequenzbereichsspektroskopie

Terahertz-Sensorik bietet ein großes Anwendungspotenzial für die industrielle Qualitätsüberwachung. Dabei ist die Komplexität aktueller Messsysteme und der damit verbundene hohe Systempreis eine große Herausforderung. Hier ist die THz-Frequenzbereichsspektroskopie eine sehr attraktive Alternative zur etablierten Zeitbereichsspektroskopie, da sie sich einfacher realisieren lässt und robuster ist.
 

Dr. Liebermeister, Qualitätsüberwachung zum kleinen Preis klingt sehr vielversprechend, wie kam Ihr Team auf die Idee für dieses Projekt?

In der Qualitätsüberwachung gibt es viele nützliche Anwendungen für THz-Sensorik. Die aktuelle Technologie löst viele Messaufgaben, die bisher von keinem anderen Verfahren erfüllt werden konnten, aber der hohe Preis hat viele weiterführende Projekte verhindert. Vor diesem Hintergrund verfolgt das Fraunhofer HHI zwei unterschiedliche Konzepte: Die weit verbreitete THz-Zeitbereichsspektroskopie (TDS) und die eher nischenhafte THz-Frequenzbereichsspektroskopie (FDS). TDS dient gemeinhin als Arbeitstier, ihr Aufbau ist aber aufwendig und daher entsprechend kostspielig. FDS zeichnet sich durch eine niedrigere Messgeschwindigkeit aus. Diese Technologie kommt bisher in Nischen wie der Gasanalytik zum Einsatz. Sie hat den Vorteil, robuster und einfacher im Aufbau zu sein und wird sich in Zukunft sogar auf einem einzelnen photonisch-integrierten Chip realisieren lassen. Ich habe intensiv an FDS gearbeitet und konnte dabei eine alternative, vereinfachende Systemarchitektur entwickeln. Im Ergebnis ist ein neues FDS-System entstanden, das um zwei Größenordnungen schneller ist als bisherige FDS-Systeme und damit für viele Anwendungen konkurrenzfähig zur TDS wird. Darüber hinaus konnten Material- und Aufbauaufwand weiter reduziert werden. Meinen neuen Ansatz habe ich erfolgreich im Labor demonstriert.

Und wie kann sich ein Laie die Funktionsweise der Technologie vorstellen?

Aus zwei optischen Wellen (Laser) wird in einem speziellen nicht-linearen Bauteil, einem sogenannten Photomischer, eine elektromagnetische Welle mit der Differenzfrequenz der beiden optischen Wellen generiert. Auf diese Art und Weise lassen sich Frequenzen erzeugen, bei denen keiner der Laser selbst arbeiten kann. Nun lässt man diese THz-Welle an einem Probekörper reflektieren und leitet die Reflexion an einen zweiten Photomischer weiter. Wird dieser zusätzlich mit den gleichen beiden optischen Wellen gefüttert, kann man ein Messsignal abgreifen. Dieses Signal gibt Aufschluss darüber, wie die Probe die THz-Welle verändert hat – sowohl in ihrer Amplitude als auch in ihrer Phasenlage. Durch kontinuierliches Verändern der Frequenz einer der optischen Wellen, lässt sich die THz-Welle selbst wiederum in ihrer Frequenz durchstimmen und somit ein breites Reflexionsspektrum eines Probekörpers erfassen.

Welche Vorteile ergeben sich daraus?

THz-Frequenzen sind ungefährlich und bieten bei vielen Materialien (wie Kunststoffe oder Keramik) einen einzigartigen Kompromiss aus Eindringtiefe und räumlicher Auflösung. Dies erlaubt die berührungsfreie Messung von Wand-Beschichtungsdicken, wobei mehrere Lagen einzeln aufgelöst werden können. Ein einfaches Beispiel ist die Bestimmung der Dicke einer Plastikfolie. Diese kann eine Dicke von mehreren 10 µm haben. Mit unserem System können wir innerhalb von wenigen Millisekunden die THz-Reflexionseigenschaften breitbandig erfassen. Von Amplitudenveränderungen bei bestimmten Frequenzen lässt sich dann eindeutig auf die Foliendicke rückschließen. Das gleiche Prinzip gilt für mehrschichtige Proben, wie dem Lackstapel auf einer Autokarosserie. 

Führungswechsel im Bereich »Smart Sensing and Electronics« am Fraunhofer IIS 

Zum Jahresbeginn erfolgte die Stabübergabe des Forschungsbereichs Smart Sensing and Electronics am Fraunhofer IIS: Die neue Doppelspitze heißt Dr. Denise Müller-Friedrich und Dr. Jens-Uwe Garbas. Der Gründungsvater und bisheriger Leiter des Institutsbereichs, Josef Sauerer, verabschiedete sich Ende März in den Ruhestand.
 

In dem Forschungsbereich »Smart Sensing and Electronics« des Fraunhofer-Instituts für Integrierte Schaltungen IIS in Erlangen wird an der Entwicklung und Realisierung von praktischen und zukunftsorientierten Lösungen auf den Gebieten Medizintechnik, Wahrnehmungsbasierte und Integrierte Sensorsysteme und Chipentwicklung (IC-Design) gearbeitet. Die am Institut entwickelten integrierten Schaltungen stecken in Produktionsanlagen und Maschinen oder in Fahrzeugen namhafter Hersteller. Im Zusammenhang mit »kognitiver Sensorik« erforscht der Bereich Technologien für Sensorik und Datenübertragungstechniken sowie -analysemethoden. Damit wird die Funktion des klassischen intelligenten Sensors um eine kognitive Komponente erweitert. 

Das neue Duo

Der Elektroningenieur Dr. Jens Garbas kam nach seiner Promotion im Jahr 2010 an das Fraunhofer IIS. Dort verantwortete er unter anderem Strategie- und Geschäftsfeldentwicklung im Themenfeld Bildsensorik und künstliche Intelligenz. Zuletzt hatte er am Institut ein neues Geschäftsfeld zur wahrnehmungsbasierten Sensorik aufgebaut. Seine neuen Aufgaben werden vor allem die Gesamtstrategie und Personalführung umfassen. »Mein Ziel ist es, noch mehr Synergien zwischen den Geschäftsbereichen zu heben und dabei die Stärken in den etablierten Feldern auszubauen. Strategischen Initiativen und neuen Partnerschaften kommen dabei besondere Bedeutung zu«, so Dr. Garbas.

Dr. Denise Müller-Friedrich promovierte an der Universität Bayreuth im Fach Chemie. Nach verschiedenen Positionen in wissenschaftlichen Einrichtungen wechselte sie 2014 in die Industrie und war zuletzt als Leiterin Vertrieb und strategisches Marketing bei der Seuffer Unternehmensgruppe tätig. Seit 2017 verantwortete sie am Fraunhofer IIS als Referentin Teile des Bereichs Smart Sensing and Electronics. Nun wird sie sich vor allem um die Organisationsentwicklung, Strategie- und Businessprozesse und Finanzen kümmern. Dr. Müller-Friedrich: »Unsere Vision einer Entwicklung von smarten Sensoren, Mikroelektronik und Software für einen besseren Lebensalltag, ist der Antrieb für unsere Forschungsarbeit. Wir möchten an die fachlichen und strategischen Erfolge der vergangenen Jahre weiter anknüpfen, neue Initiativen starten und Themen und Menschen optimal vernetzen.«

Neue Fähigkeiten in der Prozessierung für die nächste Generation der MEMS und MOEMS 

Fritz Herrmann, Technical Sales Manager am Fraunhofer IPMS, berichtet in seinem Interview über die neue Fähigkeit des Instituts, »intelligent BSOI Wafer« herzustellen. Damit lassen sich MEMS und MOEMS mit anspruchsvollen Eigenschaften realisieren, die mit konventionellen Fertigungsansätzen und Technologiekonzepten kaum möglich sind. 

Herr Herrmann, was bedeutet »intelligent BSOI«?

BSOI steht für »bonded silicon on insulator« und bezeichnet einen speziellen Waferaufbau, welcher als Ausgangsmaterial unter anderem für moderne MEMS-Technologien (MEMS = Micro-Electro-Mechanical-Systems) zur Anwendung kommt. Der Aufbau eines BSOI-Wafer besteht grundlegend aus einem »Handlewafer« auf dem eine Oxidschicht abgeschieden ist. Die oberste, abschließende Schicht, der sogenannte »Device Layer«, ist eine angepasste Schicht, welche in diversen Technologien zur Anwendung kommt, auch über den MEMS-Bereich hinaus.

Wofür ist das nützlich?

Die Nachfrage an BSOI-Wafern steigt jährlich. Vor allem im MEMS-Bereich deswegen, weil anspruchsvolle Sensoren diese Wafer als Ausgangsmaterial benötigen. Dabei werden die Device Layer derzeit typischerweise mit unterschiedlichen Dicken, Materialien oder Dotierungen angeboten. Das Fraunhofer Institut für Photonische Mikrosysteme IPMS möchte nun mit seiner langjährigen Erfahrung im Bereich der Waferbearbeitung Features wie vergrabene Leiterbahnen oder Kavitäten zu den Device Layern hinzufügen, um die Kundenanforderungen noch individueller zu adressieren und einen Schritt weiterzugehen. Nicht zuletzt dadurch soll das Marktangebot an standardisierten BSOI-Wafern erweitert werden.

Wie konnte die Forschungsfabrik Mikroelektronik Deutschland dabei unterstützen?

Durch die Unterstützung der FMD konnten wir einen sogenannten »Grinder« beschaffen, der für das Abdünnen der Wafer genutzt wird um die Zieldicken der Device Layer einzustellen. Zudem haben wir durch die FMD eine 5-Zonen-CMP erhalten, die die Oberflächen planarisiert und so die Wafer zunächst fürs Bonden und anschließend auch für eine produktive Substratbearbeitung final präpariert. Wir sind sehr stolz, dass wir im Rahmen der Forschungsfabrik Mikroelektronik Deutschland diese zwei Anlagen zur Verfügung gestellt bekommen haben, die uns nun befähigen, intelligente BSOI-Wafer zu fertigen.

Smarte Mode kommt mit Mikroelektronik 

Kann Mode mehr als Kleiden? Im Projekt »Re-FREAM« suchen Kunstschaffende und Forschende gemeinsam nach Synergien aus Textil und Technik, um Kleidung smart zu gestalten. Um die dafür benötigten Integrationstechnologien und elektronischen Module kümmern sich Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler wie Christian Dils vom Fraunhofer IZM.
 

Herr Dils, während aus Uhren Smartwatches und aus Armbändern Fitness-Tracker wurden, ist Kleidung noch Kleidung geblieben. Ist Mode schon im digitalen Zeitalter angekommen?

Schon heute sind erste textile Produkte verfügbar, die Vitalfunktionen und Fitnessdaten aufnehmen und an ein Smartphone senden, vor Gefahren bei der Arbeit warnen oder ganz simpel, wärmen können. Im Vergleich zu Smartwatches oder Fitness-Trackern sind die elektronischen Textilien – die sogenannten E-Textilien – jedoch noch nicht auf dem Massenmarkt angekommen. Am Fraunhofer Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZM sind wir aber fest davon überzeugt, dass E-Textilien ein großes Innovations- und Wachstumspotential aufweisen.

Was wäre ein passendes Beispiel aus der Re-FREAM-Kooperation?

Das Vorhaben »Connextyle« rund um die Designerin und Produktentwicklerin Jessica Smarsch. Sie und ihr Team haben Kleidungsstücke entwickelt, die Rehabilitationsprozesse nach einem Schlaganfall optimieren können. Dafür werden die Muskelaktivitäten mit textilbasierten Elektromyographie-Sensoren gemessen und mittels dehnbarer Leiterbahnen an ein textilintegriertes Elektronikmodul gesendet. Anschließend können die Daten via Smartphone an die zuständigen Therapeuten übermittelt werden.

Die Anwendungsszenarien sind aber unbegrenzt und nicht nur auf Mode beschränkt. Ein Teilprojekt in Re-FREAM ist beispielsweise »Alma«, mit dem die italienische Designerin Giulia Tomasello Tabus rund um die weibliche Gesundheit aufdecken und ein Monitoring der vaginalen Flora realisieren möchte. Ein weiteres Beispiel wäre das Teilprojekt »Lovewear«, das Unterwäsche entwickelt, die besonders Menschen mit körperlichen Einschränkungen dabei helfen sollen, die eigene Intimität zu erforschen.

Welche technischen Herausforderungen müssen dabei bewältigt werden?

Besonders anspruchsvoll sind die Kontaktstellen zwischen Elektronik und Textilien, denn diese müssen im industriellen Maßstab herstellbar sein und beim Tragen sowie nach dem Waschen immer noch zuverlässig funktionieren. Möglich wird dies durch starke Miniaturisierung der elektronischen Module, spezielle Beschichtungs- und Verkapselungsverfahren oder auch durch textilgeeignete Kontaktierungstechnologien wie beispielsweise dem am Fraunhofer IZM speziell dafür entwickelten Bonding-Prozess. Eine weitere Herausforderung sind die integrierten Leiterstrukturen, die ähnlich weich, dehn-, bieg und faltbar wie Textilien sein müssen. Das Projekt befindet sich nun in der zweiten Phase.

Was können wir in den nächsten Monaten erwarten?

Während der drei Art-Tech-Projekte der ersten Phase wurden innovative Konzepte für tragbare und nachhaltige Gesundheitsanwendungen entwickelt. In der zweiten Phase haben wir wieder drei talentierte und motivierte Designer gefunden, mit denen wir uns weitere Umsetzungsvarianten für E-Textilien anschauen. Die Fortschritte können jederzeit auf unserer Projektwebseite verfolgt werden. Außerdem möchte ich alle Interessierten dazu einladen, sich über unsere Re-FREAM Gruppe auf LinkedIn zu vernetzen. 

Ätz-Expertin am Fraunhofer ISIT 

Oxidieren, Ätzen, Strukturieren, Polieren und Abscheiden gehören zum Arbeitsalltag von Dr. Marie Christin Wolff. Sie und Ihr Team beschäftigen sich am Fraunhofer ISIT mit Einzelprozessentwicklung in den Bereichen Nasschemie, Galvanik und chemisch-mechanisches Polieren (CMP).
 

Dr. Wolff, woran arbeiten Sie und Ihr Team gerade?

Einfach gesprochen stellen wir Mikrosysteme her. Mein Team und ich entwickeln die Einzelprozesse für geplante Bauelemente und kümmern uns um Prozessstabilität und das zugehörige Equipment. Wir bearbeiten dabei so ziemlich alle Prozesse, die etwas mit (ätzenden) Flüssigkeiten zu tun haben – das ist quasi der gemeinsame Nenner des Teams. Dazu gehören elektrochemische Abscheidungsprozesse in der Galvanik, aber auch chemisch-mechanisches Polieren von Wafer-Oberflächen. Dazwischen liegen dann alle Ätz- und Reinigungsprozesse in der Nasschemie. In der Forschungsfabrik Mikroelektronik Deutschland und dem Fraunhofer-Verbund Mikroelektronik engagieren wir uns derzeit in Expertengruppen, um die gemeinsamen Erfahrungen der Geräteverantwortlichen zu stärken. Hierbei ergeben sich gute Netzwerke und Austauschplattformen. Wir können Kunden aus diesem Pool einen Zweitlieferanten für Prozesse aufzeigen, komplett andere Prozesse anbieten oder Fachdiskussionen über Prozessführung anregen.

Wofür ist Ihre Arbeit nützlich?

Die Ergebnisse unserer Arbeit sind zentraler Bestandteil für die Herstellung von MEMSKomponenten und MEMS-Bauteilen. In dem 1000 m² Reinraum des Fraunhofer ISIT leisten Nasschemie, Galvanik und CMP einen wichtigen Beitrag in der Prozesskette, um Sensoren, Aktoren und Post-CMOS-Integration zu realisieren. Wir ätzen beispielsweise Elektrodenstrukturen und Membranen, scheiden Leiterbahnen und Pads ab und polieren Glas- und Metalloberflächen.

Welchen Anteil hat die Mikroelektronik in Ihrem Forschungsbereich?

Schaut man sich die Kette der Erstellung von Bauelementen an, dann sind wir Teil der Fertigung. In unserem Arbeitsalltag wenden wir unsere Prozesse auf unterschiedliche Materialien und Stacks an. Eine unserer Hauptaufgaben ist dabei die Integration und Evaluierung von für uns neuen Materialien in unseren bestehenden Anlagenpark, wie zum Beispiel Aluminiumscandiumnitrid, Parylene oder Galliumnitrid. Aber auch das Testen von anderen Ätzmedien, Schleifmaterialien oder Elektrolyten gehört dazu. Der Drahtseilakt besteht darin, die Prozesse trotz unterschiedlicher Substrate möglichst vergleichbar und reproduzierbar hinzubekommen. Gleichzeitig müssen die unterschiedlichen Anforderungen einer Machbarkeitsstudie mit einer Pilotfertigung und teilweise einer Produktion an denselben Anlagen kombiniert werden.

Was finden Sie besonders spannend an Ihrer Arbeit?

Die Kombination aus Praxisnähe und den Freiheiten, die eine Forschungsumgebung mit sich bringt, gefällt mir am besten. Außerdem bin ich noch nicht so lange in dem Kosmos der Mikroelektronik und Siliziumtechnologie, sodass für mich jedes neue Projekt spannend ist.

Zuverlässige Mikroelektronik durch Fehleranalyse mit Künstlicher Intelligenz   

Der Einsatz von Methoden des maschinellen Lernens bietet neuartige Möglichkeiten zur Automatisierung und damit Effizienzsteigerung der Fehlerdiagnostik. Gemeinsam mit Partnern will das Fraunhofer IMWS in einem internationalen Projekt dafür den Weg bereiten. Die neuen Methoden auf Basis der Künstlichen Intelligenz (KI) sollen helfen, komplexe Fehlermodi zu erfassen und auszuwerten.

Genau hier setzt das Projekt »Failure Analysis 4.0 – Key for reliable electronic devices in smart mobility and industry production« (FA 4.0) an. Bis März 2023 arbeiten die Partner aus Forschung und Industrie an Methoden für Fehleranalyse-Tools und -Workflows. »Die hohe Integrationsdichte ist eine ständige Herausforderung für die Qualität und Zuverlässigkeit von Bauelementen für die Mikroelektronik«, sagt Frank Altmann, der die Aktivitäten des Fraunhofer-Instituts für Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen IMWS innerhalb des neuen Projekts leitet. »Leistungsfähige und ständig verbesserte Methoden zur Fehleranalyse sind deshalb elementar wichtig.«

Weitgehend automatisierte Fehleranalyse und Datenmanagement

Um dieses gemeinsame Ziel im Projekt zu erreichen, konzentriert sich das Fraunhofer IMWS auf die Erforschung und Entwicklung von KI-Methoden zur Signalanalyse von zerstörungsfreier Defekterkennung – beispielsweise die akustische Mikroskopie oder Lock-in Thermographie. Die Idee: Konzepte des überwachten sowie des nicht überwachten maschinellen Lernens zu entwickeln und diese dann in Diagnostikgeräte für die Datenakquise und Auswertung zu integrieren. Die Forschenden arbeiten einerseits daran, einzelne Analysegeräte aus verschiedenen Stufen des Prozesses mit standardisierten Hard- und Software-Schnittstellen miteinander zu verbinden sowie andererseits Richtlinien und Datenbanksysteme für die Strukturierung, Verarbeitung und Speicherung von bauteilspezifischen Kenn- und Analysedaten zu definieren. Wenn man eine Verknüpfung zwischen den Daten aus unterschiedlichen Analysemethoden und dem Layout eines integrierten Schaltkreises erreicht hat und diese anschließend von einem trainierten und selbst lernenden Algorithmus analysiert werden, könnten Defekte automatisch erkannt, deren Signatur ermittelt, klassifiziert und mit katalogisierten Daten bereits bekannter Fehlerursachen verglichen werden. Mit diesen neuen innovativen Ansätzen können bisher nicht auffindbare komplexe Fehlerbilder identifiziert und der Zeit- und Kostenaufwand der Fehleranalysen erheblich verringert werden.

Erfolgreiche Fehlerdiagnostik mit KI-basierter Auswertung

Frank Altmann blickt optimistisch in die Zukunft und fasst das Vorhaben zusammen: »In den aktuellen Fehleranalyse-Workflows kommen zwar zahlreiche Methoden zum Einsatz, die sich ergänzende Analysedaten von Bauelementen liefern. Diese werden aber bisher nur manuell verknüpft. Die automatisierte, prozessübergreifende Bereitstellung und KI basierte Auswertung dieser Daten einschließlich Ableitung von Fehlerursachen haben ein enormes Potenzial, die Effizienz der Qualitätssicherung bei der Fertigung weiter zu erhöhen und damit die Produktzuverlässigkeit und Qualität bei immer kürzeren Entwicklungszeiten zu steigern.« 
 

Neue Bondtechnologien für Wafer-Level Packaging und 3D-Heterointegration

Als Teil der Forschungsfabrik Mikroelektronik Deutschland (FMD) modernisierte das Leibniz IHP in den vergangenen drei Jahren einen Teil seiner Forschungsinfrastruktur. Sebastian Schulze forscht im Bereich Al-Al Bonding und arbeitet in Frankfurt (Oder) an einem der neuen Hightech-Geräte – einem Hochvakuumbonder, der beispielsweise hilft, die hohen Temperaturen beim Bonden zu reduzieren und so die Bauelemente zu schonen.

Herr Schulze, woran arbeiten Sie gerade?

Ich arbeite am Leibniz-Institut für innovative Mikroelektronik und befasse mich zurzeit mit der Optimierung von physikalischen und chemischen Gasphasen-Abscheidungsverfahren zur Metallabscheidung und der Lösung von Technologieproblemen im Leitbahn- und Kontaktsystem. Durch die FMD und die damit einhergehende Modernisierung der Forschungsinfrastruktur des IHP hat sich mein Arbeitsfeld um das Thema Aluminium zu Aluminium (Al-Al) Waferbonden erweitert. Seit 2018 beschäftige ich mich mit dem Al-Al-Thermokompressionsbonden, der Präparation der dafür benötigten Wafer sowie der Nachbearbeitung und strebe in diesem Thema auch eine Promotion an. Zurzeit verbringe ich sehr viel Zeit im Labor und bin mit der Prozessentwicklung an einem neuen Waferbonder beschäftigt.

Was bedeutet »Waferbonden« und wofür wird es eingesetzt?

Beim Waferbonden geht es darum, zwei Wafer dauerhaft miteinander zu verbinden und einen niedrigen Kontaktwiderstand an der Al-Al-Grenzfläche zu gewährleisten. Bisher war die Oxidbildung auf den Al-Oberflächen eine der Haupteinschränkungen, um zuverlässige elektrische Verbindungen mit geringem Kontaktwiderstand zu realisieren. Erfolgreiches Bonden war nur bei einer sehr hohen Temperatur (> 400 °C) möglich. Der Hochvakuumbonder, an dem ich gerade arbeite, umgeht genau dieses Problem.

Wofür sind die neuen technischen Möglichkeiten in Ihrem Forschungsbereich wichtig?

Eine neuartige Oberflächenbehandlung auf Basis einer Plasmareinigung zusammen mit der Bearbeitung der Wafer unter Ultrahochvakuum ermöglicht ein oxidfreies Al-Al-Waferbonden. Dadurch können die Temperaturen beim Bonden auf ca. 150 C enorm reduziert werden. Dies schont die Bauelemente und vermindert thermomechanische Verspannungen beim Bonden. Eine weitere Besonderheit: eine optische Justierung mit einer sehr hohen Genauigkeit von unter 1 µm ermöglicht eine Herstellung von elektrisch-leitfähigen Al-Verbindungen mit ultrafeinen Abmessungen zwischen den Substraten. Mithilfe dieser neuen Bondtechnologie ergeben sich zukunftsweisende Möglichkeiten im Bereich Wafer-Level Packaging und der 3D-Heterointegration, bei der unterschiedliche Halbleitertechnologien vereinigt werden können, um so eine höhere Funktionalität und Leistung zu erhalten.
 

Robustes Quantencomputing für die Praxis 

Quantencomputing hat das Potenzial, eine Vielzahl von Industrien massiv und nachhaltig zu verändern und zahlreiche neue Anwendungen zu ermöglichen. Dazu zählen beispielsweise Simulationen neuer Materialien für effizientere Solarzellen und Batterien sowie datenintensive Anwendungen für Künstliche Intelligenz (KI) und Cybersicherheit.
 

Herr Roscher, Sie arbeiten in einem absoluten Trendbereich, dem Quantencomputing. Was ist das und wie kann die Gesellschaft hierdurch praktisch vorangebracht werden?

Ganz vereinfacht gesprochen sind Quantencomputer heutigen Rechnern für gewisse Aufgabenstellungen in puncto Verarbeitungsgeschwindigkeit um ein X-Faches überlegen. Anders gesagt: Quantenrechner sollen künftig Probleme in Sekunden lösen, für die bisherige Computer Jahrhunderte brauchen. Das macht zahlreiche neue Anwendungen möglich. Dazu zählen Lösungen für komplexe Optimierungsprobleme in der Logistik-, Finanz- und Versicherungsindustrie, aber auch eine bessere medizinische Diagnostik.

Und an welchen Stellen bringen Sie mit Ihrer täglichen Arbeit die Technologieentwicklung voran?

Im Rahmen der Entwicklung von Software Anwendungen für Quantencomputing konzentriert sich das Fraunhofer IKS mit seiner Expertise in Sachen Safety auf das Forschungsfeld »Zuverlässiges und robustes Quantencomputing«. Denn Quantencomputing bietet wie schon gesagt viele Möglichkeiten für innovative Problemlösungen, allerdings kann es erst dann einen echten Mehrwert liefern, wenn die Berechnungen zuverlässig und sicher sind. Neben der reinen Rechenleistung ist daher die Robustheit des Quantencomputing eine Grundvoraussetzung für einen erfolgreichen Einsatz in der Praxis.

Welchen konkreten Einfluss hat die Mikroelektronik auf Ihre Arbeit?

Unabhängig vom konkreten Quantencomputing-Projekt steckt Mikroelektronik in jedem Gerät, mit dem wir täglich arbeiten. Ohne die ständig steigende Rechenleistung auf allen Ebenen, wäre eine breite Anwendung des Maschinellen Lernens überhaupt nicht möglich. Der Erfolg von Künstlicher Intelligenz ist also auch ein Erfolg der Mikroelektronik.

Und was sind die größten Herausforderungen an denen Sie derzeit forschen?

Der Einsatz Neuronaler Netze in sicherheitskritischen Umfeldern ist sehr herausfordernd, da selbst kleine Veränderungen am Input wie beispielsweise einem Bild zu einem anderen Ergebnis der Berechnungen führen können. Benötigt wird also ein Qualitätsnachweis für die Berechnungen des Neuronalen Netzes. Dafür kommen bestimmte Algorithmen zum Einsatz, was aktuell jedoch nur für relativ einfach Netze funktioniert. Denn mit der Größe und Komplexität eines Neuronalen Netzes steigt die für die Nachweisführung benötigte Berechnungszeit massiv. Daher untersuchen wir am Fraunhofer IKS, wie die Optimierung und Absicherung autonomer, vernetzter Systeme mithilfe des Quantencomputing verbessert werden kann.

Zerstörungsfreies Prüfsystem für die Handprüfung 

Für die Qualitätssicherung in den unterschiedlichsten Industriebranchen sind Sensorsysteme der zerstörungsfreien Prüfung (ZfP) essentiell. Gerade bei der manuellen Prüfung sind die aktuellen unhandlichen Prüfsystemkonzepte jedoch eher hinderlich, da oft in schlecht zugänglichen Bereichen geprüft werden muss. Kevin Becker vom Fraunhofer IZFP forscht an Technologien, die den Einsatz erleichtern sollen.

Herr Becker, welche Herausforderungen sehen Sie bei der Entwicklung neuer Sensorsysteme für ZfP-Verfahren?

Unser Ziel am Fraunhofer-Institut für Zerstörungsfreie Prüfverfahren IZFP ist es unter anderem, Systeme zu entwickeln, welche neue Konzepte der Sensorsignalverarbeitung zur Anwendung bringen. Ein gutes Beispiel hierfür ist die Handprüfung, bei der vielfältige Randbedingungen berücksichtigt werden müssen – gute Handhabbarkeit, Miniaturisierung des gesamten Sensorsystems, geringe Latenz der Signalübertragung sowie eine Echtzeitdatenverarbeitung. Dies verlangt eine genaue Betrachtung der gesamten Signalkette, damit die Datenverarbeitung und -übertragung möglichst energieeffizient und ohne größere Verzögerung vonstattengeht. Wichtig ist es auch, schon vorab eine Klassifizierung der Daten vorzunehmen, um die Fehlererkennung für den Prüfer möglichst zu vereinfachen. Dadurch kann eine deutliche Verbesserung des Qualitätssicherungsprozesses erzielt werden.

Mit welchen Forschungsthemen beschäftigen Sie sich am Fraunhofer IZFP?

Im Kern meiner Forschungen geht es vor allem um die Entwicklung neuartiger Konzepte für energieeffiziente Mikroarchitekturen und KI Beschleuniger. Hierfür dient zunächst ein »Field Programmable Gate Array« (FPGA) als Entwicklungsplattform. Die darauf entwickelten Systeme sollen die Datenverarbeitung beschleunigen, möglichst energieeffizient arbeiten sowie neue Konzepte der biologisch inspirierten Informationsverarbeitung umsetzen. Bei solchen und ähnlichen Forschungsthemen arbeiten wir in enger Kooperation mit Instituten des Fraunhofer-Verbunds Mikroelektronik – beispielweise in dem Innovationsprogramm »TRAICT« (TrustedResource-Aware ICT). Hierbei untersuchen die beteiligten Forscherteams aus 18 Fraunhofer-Instituten gemeinsam Systemarchitekturen und deren Komponenten im Hinblick auf ihre Vertrauenswürdigkeit und Energieeffizienz.

An was genau arbeiten Sie gerade?

Aktuell arbeite ich an der Umsetzung eines Wirbelstrom-Prüfsystems für die Handprüfung. Bisher wurde ein Demonstrator realisiert, der zukünftig vor allem hinsichtlich Energieeffizienz und Performance optimiert wird: so können Daten nach einer Analog-Digital-Wandlung des Sensorsignals mittels Bluetooth auf ein Smartphone übertragen und dargestellt werden. Hierfür haben wir im Team die notwendige Programmierung des Mikrocontrollers vorgenommen sowie eine App entwickelt, welche die Daten auf dem Bildschirm des Smartphones darstellt.

Was finden Sie besonders spannend dabei?

Für uns ist es interessant, eine möglichst geringe Latenz zwischen der physikalischen Wechselwirkung mit dem Prüfobjekt, der Datenverarbeitung auf dem Mikrocontroller und der letztendlichen Darstellung auf dem Bildschirm des Smartphones zu erzielen. Eine Latenz von 100 ms ist für die Handprüfung schon deutlich zu lang. Künftig soll hier die Verknüpfung mehrerer Sensorsignale sowie die einhergehende Klassifikation der Daten realisiert werden.