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 06151 871284 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 0611 774-8614 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 p U m- To p o -D tt o o w 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 6