Ziel des Vorlaufforschungsprojektes war die Entwicklung eines robusten, elektrisch auslesbaren Sensors zur Bestimmung von Schichtspannungen bzw. Filmkräften in dünnen Schichten im Bereich von etwa 1 N/m bis hinunter in den mN/m‑ und µN/m‑Bereich. Dünne Funktionsschichten sind in Halbleiter‑ und MEMS‑Prozessen, galvanischen und chemischen Beschichtungen, optischen Schichten sowie in der Biosensorik von zentraler Bedeutung. Deren mechanische Spannung ist ein entscheidender Qualitäts‑ und Prozessparameter. Etablierte optisch ausgelesene Cantilever‑Systeme erreichen zwar hohe Sensitivität, sind jedoch strömungsempfindlich, in Elektrolyten schwer beherrschbar und apparativ aufwendig.
In dem erfolgreich abgeschlossenen Vorhaben des CiS Forschungsinstitutes wurde ein Sensorkonzept auf Basis piezoresistiver Biegeelemente verfolgt. Hierbei wurden drei verschiedene Layouts untersucht. Technologisch wurden die Strukturen mit CMOS‑kompatiblen Prozessen realisiert: Ionimplantation für Zuleitungen und Messwiderstände, Guardebenen, Tiefenätzen zur Einstellung der Balken‑ bzw. Membrandicke, Freistellung der Biegeelemente und Aufbau auf Testträgern oder TO‑Sockeln.
Im Ergebnis der Forschung erwies sich der beidseitig eingespannte Biegebalken als bevorzugte Struktur mit hoher Empfindlichkeit, guter Handhabbarkeit und deutlich reduzierter Querempfindlichkeit gegenüber Fluidströmungen. Eine ultradünne Biegeplatte ist hingegen besonders für hochsensitive dynamische Messungen bis in den µN/m‑Bereich geeignet. Damit steht ein technologisch anschlussfähiges Sensorkonzept zur Verfügung, welches das Spektrum filmkraftbasierter Sensorik in Dünnschichttechnik, Biosensorik, chemischer Sensorik und in‑situ‑Prozessüberwachung wesentlich erweitert.
Die beschriebenen Forschungs- und Entwicklungsarbeiten wurden im Forschungsprojekt „Nanolever“ durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWE) gefördert.
FKZ: 49VF220011
