Heterointegration von Bauelementen und Technologien

Das Hauptziel der heterogenen Integration ist die Realisierung multifunktionaler Mikrosysteme mit größerer Leistungsfähigkeit, verbesserter Funktionalität und kleinem Formfaktor.

Die Forschungsgruppe Heterointegration von Bauelementen und Technologien (HDT) kombiniert verschiedene Disziplinen und Fachkenntnisse ausgehend von Materialien und Bauelementen, FEM-Modellierung & Simulation in multiphysikalischen Domänen bis hin zu Halbleiter- sowie Aufbau- und Verbindungstechnologien, um neue Komponenten und Technologiemodule speziell für Hochfrequenzanwendungen zu entwickeln.

Forschungsziele

Die Forschungsaktivitäten der Forschungsgruppe HDT gliedern sich im Wesentlichen in drei verschiedene Säulen:

  • Integration von MEMS und Sensorik
  • Wafer-Level-Packaging und 3D-Integration
  • Mikrofluidik für Millimeterwellen-/ THz-Sensorik

Forschungsschwerpunkte

  • RF-​Module für Package-Integration
  • Wafer-​to-Wafer-Verbindungsprozesse
  • mm-​Wellen-Modulintegration
  • siliziumbasierte Meta-Materialien

Das Forschungsthema MEMS & Sensoren umfasst die Entwicklung verschiedener Arten von mikroelektromechanischen Komponenten (MEMS) wie HF-MEMS-Schalter/Varaktoren sowie MEMS-basierte Sensoren wie thermische Detektoren. HF-MEMS-Schalter sind in den IHP-SiGe-BiCMOS-Technologien eingebettet, um unerwünschte Verbindungsverluste aufgrund der sehr hohen Frequenzen zu minimieren. Damit können vielversprechende integrierte Schalt-/Tuning-Lösungen für Millimeterwellenfrequenzen realisiert werden. MEMS-Technologien sind außerdem zwingend erforderlich, um eine Vielzahl an Sensoren zu realisieren, wie z. B. thermische Detektoren für Infrarotsensorik. Einer der Haupttreiber für die Integration von MEMS und Sensoren ist das Potential für eine Integration derartiger MEMS-basierter Komponenten, zusammen mit den auf CMOS/BiCMOS-Technologien basierenden integrierten Auswerteschaltungen.

Das Forschungsthema 3D-Integration umfasst ein breites Spektrum an Wafer-Level-Packaging-Komponenten und -Technologien, insbesondere für Hochfrequenzanwendungen. Heutzutage werden Wafer-Level-Packaging und 2.5/3D-Integration als Haupttreiber für die Entwicklung leistungsstarker, multifunktionaler Systemintegration gesehen. Through-Silicon Vias (TSV) sind ein Beispiel für die 2.5/3D-Integration, um verschiedene ICs oder Halbleitertechnologien mit hoher Integrationsdichte und kleinem Formfaktor zu kombinieren. Wafer-Level-Packaging-Technologien werden auch entwickelt, um das Fan-in- und Fan-out-Wafer-Level-Packaging (FI/FO-WLP) von integrierten Schaltungen zu ermöglichen, was heutzutage eine der Hauptanforderungen an das Hochfrequenz-Packaging darstellt. Verschiedene Techniken wie interposerbasiertes Wafer-Level-Packaging sind in der Entwicklung, um eine universelle 2.5/3D-Packaging-Plattform für SiGe-BiCMOS-Hochfrequenz-ICs zu realisieren. Diese Interposer können auch nützlich sein, um passive Komponenten mit hoher Güte und Antennen im Package zu integrieren. Eine der wichtigsten Voraussetzungen für die 3D-Integration ist eine 200-mm-Wafer-Bonding-Pilotlinie mit verschiedenen temporären und permanenten Wafer-Bonding-Technologien, welche in einer separaten Reinraumumgebung betrieben wird. Temporäres Waferbonden wird hauptsächlich zum Handling dünner Wafer eingesetzt, wohingegen permanentes Waferbonden, z. B. für Layer-Transfer und zur Herstellung elektrischer Verbindungen, auf Waferebene angewandt werden. 

Das Forschungsthema Mikrofluidik umfasst die Entwicklung einer mikrofluidischen Plattform, welche auf der SiGe-BiCMOS-Technologie des IHP basiert, um Biosensoren und THz-Sensor-Anwendungen zu ermöglichen. Die eingebettete BiCMOS-Mikrofluidik ermöglicht eine kleine, kostengünstige und reproduzierbare integrierte BiCMOS-Mikrofluidik-Plattform, z. B. für die Zellanalyse und Point-of-Care-Diagnostik.

Forschungsergebnisse

In den letzten Jahren wurde die Integration verschiedener Komponenten und Technologiemodule innerhalb der IHP-SiGe-BiCMOS-Technologie erfolgreich demonstriert. Es wurden Through-Silicon Vias (TSV) mit hohem Aspektverhältnis innerhalb der 130-nm-SiGe-BiCMOS-Technologie SG13S/G2 sowie in passiven Silizium-Interposer integriert, die zum verbesserten HF-Grounding von integrierten Hochfrequenzschaltkreisen sowie zur heterogenen 3D-Integration eingesetzt werden können. Die Leistungsfähigkeit von TSVs wurde mit sehr geringen Dämpfungen von weniger als 1 dB pro TSV-Übergang selbst bis 300 GHz nachgewiesen und zeigt damit das enorme Potential für den Einsatz im mm-Wellen- und Sub-THz Frequenzbereich. Als zweites Beispiel wurde eine Wafer-Level-Packaging-Technologie entwickelt, die auf einem Al-Al-Wafer-Level-Thermokompressions-Bonden basiert, wodurch zuverlässige elektrische Verbindungen mit einem feinen Pitch auf Waferebene ermöglicht werden konnte. Es wurden elektrische Verbindungen mit sehr geringen Kontaktwiderständen im mΩ-Bereich und niedrigen Übergangsverlusten realisiert, womit Wafer-Level-Packaging-Anwendungen im mm-Wellen- und sub-THz-Bereich möglich sind. Schließlich wurden als Beispiel aus dem Bereich MEMS und Sensoren hochleistungsfähige ungekühlte µ-Bolometer auf SiGe/Si-Multi-Quantum-Well-Basis (MQW) demonstriert. Thermische Detektoren mit sehr hohen Temperaturkoeffizienten des Widerstands (TCR) von > 5 %/K konnten gezeigt werden. Die Integration dieser thermischen Detektoren, zusammen mit der CMOS-Ausleseschaltung, erfolgt hierbei durch einen Layer-Transfer-Prozess, der auf SiO2-SiOFusionbonden bei geringen Temperaturen basiert.

Dr. Matthias Wietstruck

IHP
Im Technologiepark 25
15236 Frankfurt (Oder)
Deutschland

Telefon: +49 335 5625 609
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