Die Forschungsgruppe Diagnostics, Sensors & Emerging Modules (DSE) verbindet prozessnahe Halbleiteranalytik und Fehlerdiagnostik mit der Entwicklung photonisch basierter Sensorkonzepte und neuartiger Technologiemodule. In den beiden komplementären Teams Material Analysis and Metrology (MAM) und Device and Module Development (DMD) arbeiten wir an der Schnittstelle von Material, Prozess, Bauelement und Anwendung.
Gemeinsam mit Unternehmen, insbesondere kleinen und mittleren Unternehmen, sowie wissenschaftlichen Partnern entwickeln wir anwendungsspezifische Analyseverfahren, Prozessabläufe im Reinraum und Demonstratoren. Eine besondere Stärke der DSE-Gruppe liegt darin, Kompetenzen von der Material- und Bauelementanalyse über photonische Sensorik bis zur technologischen Integration zusammenzuführen. Dadurch können wir neue Ideen frühzeitig bewerten, ihre technische Machbarkeit untersuchen und erfolgreiche Ansätze in Forschungs-, Transfer- und Verbundvorhaben überführen.
Forschungsrelevanz und Anwendungsfelder
Die steigende Komplexität von Halbleitermaterialien, Prozessstrukturen und elektronisch-photonisch integrierten Systemen erfordert leistungsfähige Analyseverfahren und ein tiefes physikalisches Verständnis der gewonnenen Messdaten. DSE unterstützt die Entwicklung und Optimierung von Halbleiterprozessen, die Qualifizierung von Technologien und Anlagen sowie die Lokalisierung und Ursachenanalyse von Fehlern. Weitere Anwendungsfelder sind photonische Sensorik und Biosensorik, vertrauenswürdige Elektronik, Rückseitentechnologien und die schonende Integration empfindlicher oder biofunktionalisierter Bauelemente.
Insbesondere kleinen und mittleren Unternehmen bietet DSE Zugang zu spezialisierter Analyseinfrastruktur und interdisziplinärer Technologiekompetenz. Technologische Fragestellungen können zunächst in Machbarkeitsstudien konkretisiert und anschließend in gemeinsame Entwicklungs- oder Transferprojekte überführt werden. Über die eigenen Forschungsschwerpunkte hinaus initiiert und koordiniert DSE interdisziplinäre Forschungs- und Entwicklungskonsortien, führt komplementäre Partner aus Industrie und Wissenschaft zusammen und bringt die Kompetenzen der Gruppe gezielt in nationale und europäische Verbundvorhaben ein. Die enge Zusammenarbeit mit weiteren Forschungsgruppen und Servicebereichen des IHP ermöglicht die Überführung erfolgreicher Ansätze in Prototyping-, Service- und Transferpfade.
Zentrale Forschungsziele
Material Analysis and Metrology (MAM)
- Weiterentwicklung materialanalytischer, metrologischer und fehlerdiagnostischer Verfahren für Halbleitermaterialien, Prozessstrukturen, Bauelemente und Module
- Entwicklung neuer Analyse- und Designed-in-Test-Konzepte für photonische Bauelemente und elektronisch-photonisch integrierte Systeme
- Unterstützung von Prozessentwicklung sowie Technologie- und Anlagenqualifizierung durch quantitative Material- und Strukturanalytik
- Entwicklung anwendungsspezifischer Präparations-, Mess- und Analyseabläufe einschließlich der wissenschaftlichen Interpretation komplexer Messdaten
Device and Module Development (DMD)
- Entwicklung photonisch basierter Sensorkonzepte und Bauelemente, insbesondere für die Biosensorik
- Entwicklung und Optimierung anwendungsspezifischer Prozessabläufe im Reinraum
- Weiterentwicklung von Local-Backside-Release- und Local-Backside-Etching-Verfahren
- Anwendung niedrigtemperaturfähiger Integrationskonzepte, beispielsweise NanoWiring, für empfindliche und biofunktionalisierte Bauelemente
Übergreifende Ziele
- Entwicklung kontrollierter Verfahren für Rückseitenzugang und Rückseitendünnung für fortschrittliche Analyseanwendungen
- Erforschung aktiver Rückseitenschutzkonzepte für vertrauenswürdige Elektronik
- Überführung explorativer Technologieansätze in Machbarkeitsstudien und anwendungsnahe Demonstratoren
- Einbettung neuer Technologieideen in interdisziplinäre Forschungs- und Transferkonsortien
Forschungsbereiche
Materialanalytik, Metrologie und Fehleranalyse
Das Team Material Analysis and Metrology charakterisiert Halbleitermaterialien, dünne Schichten, Prozessstrukturen und mikroelektronische Bauelemente. Es unterstützt interne und externe Partner bei der Prozess- und Fehleranalyse sowie bei der Identifizierung und wissenschaftlichen Bewertung der zugrunde liegenden physikalischen und chemischen Ursachen. Damit leistet MAM einen wesentlichen Beitrag zur Prozessentwicklung, Prozesskontrolle, Technologiequalifizierung und Fehlerdiagnose. Die analytischen Verfahren werden außerdem für die Qualifizierung von Prozessanlagen nach Neubeschaffungen, Prozessänderungen oder Instandsetzungen eingesetzt.
Untersucht werden unter anderem Topografien und Schichtaufbauten, die chemische Zusammensetzung und Stöchiometrie von Materialien sowie Dotierstoffkonzentrationen und Tiefenprofile. Struktur- und Aufbauanalysen ermöglichen darüber hinaus die Bewertung von Geometrien, Materialkombinationen und fertigungstechnischen Merkmalen mikroelektronischer Bauelemente.
Hierfür steht ein breites Spektrum sich ergänzender Verfahren zur Verfügung. Dazu gehören Rasterelektronenmikroskopie (SEM), Transmissionselektronenmikroskopie (TEM), Focused Ion Beam (FIB), Auger-Elektronenspektroskopie (AES), Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS), Time-of-Flight-Sekundärionen-Massenspektrometrie (ToF-SIMS), dynamische Sekundärionen-Massenspektrometrie (D-SIMS) sowie photonische und laserbasierte Verfahren zur Fehlerlokalisierung.
Die Arbeit des Teams geht über die Durchführung einzelner Messungen hinaus. MAM entwickelt anwendungsspezifische Präparations-, Mess- und Analyseabläufe, passt Verfahren an neue Materialien und Bauelemente an und übernimmt die wissenschaftliche Interpretation komplexer Messdaten, Spektren, Tiefenprofile und mikroskopischer Befunde.
Analyseverfahren für photonische Bauelemente
Ein strategischer Schwerpunkt der DSE-Gruppe ist die Entwicklung neuer Analyse- und Diagnoseverfahren für photonische Bauelemente und elektronisch-photonisch integrierte Systeme. Während photonische und laserbasierte Methoden auch zur Fehlerlokalisierung in elektronischen Schaltungen eingesetzt werden, steht hier das photonische Bauelement selbst im Mittelpunkt der Analyse.
DSE entwickelt hierfür vollständige Analyseabläufe – von der Definition geeigneter Messgrößen und Teststrukturen über die elektrische und optische Charakterisierung bis zur Fehlerlokalisierung und physikalischen Ursachenanalyse. Ein besonderes Entwicklungsfeld sind Designed-in-Test-Konzepte, bei denen Analyse- und Diagnosemöglichkeiten bereits beim Entwurf eines photonischen Bauelements berücksichtigt werden. Dadurch sollen Prozessabweichungen, Fehler und Leistungseinschränkungen später gezielter lokalisiert und verstanden werden können.
Photonische Bauelemente und Biosensorik
Das Team Device and Module Development entwickelt photonisch basierte Sensorkonzepte, Bauelemente und anwendungsspezifische Technologiemodule. Einen Schwerpunkt bildet die photonische Biosensorik.
Für diese Anwendungen entwickelt DMD geeignete Prozessabläufe im Reinraum und nutzt und erweitert unter anderem den am IHP etablierten Local-Backside-Release- beziehungsweise Local-Backside-Etching-Prozess. Damit kann die photonisch aktive Sensorfläche gezielt von der Rückseite zugänglich gemacht werden, während optische und elektronische Anschlüsse auf der Vorderseite für die weitere Systemintegration verfügbar bleiben.
DSE verbindet Bauelemententwicklung, Reinraumprozessierung, Charakterisierung und Analyse, um neue Sensorkonzepte bis zu anwendungsnahen Demonstratoren weiterzuentwickeln.
Transferbeispiel: photonischer Biosensor-Demonstrator
Gemeinsam mit HyPhoX und im Joint Lab von IHP und Technischer Hochschule Wildau werden photonische Sensor- und Integrationskonzepte zu systemnahen Demonstratoren weiterentwickelt. Eine dort vorgestellte mobile Biosensorplattform verbindet optische, elektronische, mikrofluidische und biochemische Funktionen in einem kompakten Analysesystem. Die Plattform adressiert die schnelle Detektion biologischer Zielstrukturen in Flüssigkeiten und damit Anwendungen unter anderem in der medizinischen Diagnostik, Lebensmittelanalytik, Umweltüberwachung und industriellen Prozesskontrolle.
Weiterführende Information: HyPhoX und der photonische Biosensor-Demonstrator
Ausgewählte Veröffentlichungen
- CMOS-Compatible Silicon Photonic Sensor for Refractive Index Sensing Using Local Back-Side Release, IEEE Photonics Technology Letters, 2020. DOI: 10.1109/LPT.2020.3019114
- Back-Side Release of Slot Waveguides for the Integration of Functional Materials in a Silicon Photonic Technology With a Full BEOL, IEEE Transactions on Components, Packaging and Manufacturing Technology, 2020. DOI: 10.1109/TCPMT.2020.3011149
- Optimization of Local Backside Released Micro-Ring Resonators for Sensing Applications Using Silicon Photonic Integrated Circuits in an SOI Technology, Proceedings of SPIE, 2025. DOI: 10.1117/12.3056481
Rückseitentechnologien und vertrauenswürdige Elektronik
DSE entwickelt Verfahren für den kontrollierten Zugang zur Rückseite integrierter Schaltungen. Dazu gehören anwendungsspezifische Präparationsabläufe sowie das lokale oder vollflächige Rückseitendünnen einzelner Chips für nachfolgende Analyseverfahren.
Ein am IHP entwickeltes Verfahren nutzt einen materialselektiven Prozessstopp, um integrierte Schaltungen kontrolliert bis unmittelbar an die aktive Bauelementebene zu dünnen und ihre Funktionalität für nachfolgende Untersuchungen zu erhalten.
Weiterführende Information: Internationale Patentanmeldung WO2025088095A1 – Method and device for backside thinning of an integrated circuit
Aufbauend auf den Kompetenzen in photonischen Bauelementen, Rückseitenprozessierung und Systemintegration erforscht DSE außerdem aktive Schutzkonzepte für die Rückseite sicherheitskritischer Halbleiterchips. Eine patentgeschützte Architektur nutzt integrierte Lichtemitter und Detektoren, um Veränderungen an einem verbundenen Schutz- und Schaltungssystem erkennen zu können. Die technologische Umsetzung und die Entwicklung der erforderlichen Reinraumprozesse befinden sich gegenwärtig in einer frühen Forschungs- und Entwicklungsphase.
Weiterführende Information: Europäisches Patent EP4086950B1 – Semiconductor device with backside protection mechanism
Niedrigtemperaturintegration empfindlicher Bauelemente
Ein weiteres Entwicklungsfeld sind schonende Integrations- und Verbindungsverfahren für temperaturempfindliche und biofunktionalisierte Bauelemente und Sensoren. Hierzu untersucht DSE unter anderem nanodrahtbasierte Verbindungstechnologien wie NanoWiring.
DSE konzentriert sich auf die anwendungsspezifische Anpassung und Nutzung solcher Verbindungstechnologien für empfindliche Sensoren und Bauelemente. Ziel ist es, diese mit möglichst geringer thermischer und mechanischer Belastung in funktionsfähige Module und Demonstratoren zu integrieren. Die Arbeiten erfolgen in enger Zusammenarbeit mit den zuständigen Integrationsgruppen des IHP und externen Technologiepartnern.
Sprechen Sie uns an, wenn Sie eine technologische Fragestellung gemeinsam bewerten, eine Machbarkeitsstudie entwickeln oder ein Forschungs- oder Transfervorhaben initiieren möchten.
