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Im Forschungsprojekt NEST (New Screening Tool for Efficient Semiconductor Manufacturing) arbeiten das Fraunhofer IPMS, Fraunhofer IZM und DIVE Imaging Systems GmbH gemeinsam im Rahmen des GreenICT@FMD-Kompetenzzentrums an einem neuartigen Screening-Werkzeug für die Halbleiterproduktion. Ziel ist es, durch den Einsatz von hyperspektraler Bildgebung Defekte frühzeitig zu erkennen, Ressourcen zu schonen und Produktionsprozesse effizienter und umweltfreundlicher zu gestalten.

Die Halbleiterfertigung umfasst bis zu 1.500 Prozessschritte, z.B. Ätzen, Beschichtung und Lithografie, und erfordert höchste Qualitätskontrollen. Rund 50 % der Fertigungsschritte entfallen auf Messtechnik, wofür monatlich tausende Kontroll-Wafer verwendet werden. Das verursacht hohe Kosten, CO₂-Emissionen und Energieverbrauch.

Eine Umweltpotenzialanalyse im 28-nm-Prozess mit 25.000 Wafer-Starts pro Monat ergab: Durch hyperspektrale Inspektionslösungen lassen sich der Einsatz von Kontroll-Wafern um mindestens 25 % sowie über 118.000 kg CO₂ pro Monat einsparen. Weitere Vorteile: weniger Wasser- und Chemikalienverbrauch, verbesserte Energieeffizienz und gesteigerter produktiver Waferertrag durch frühzeitige Prozessabweichungs-Erkennung.

Industrietaugliche Wafer-Inspektion mit DIVE und Fraunhofer IPMS

Das von DIVE Imaging Systems entwickelte VEpioneer®-System ist das erste hyperspektrale Inspektionssystem, das zuverlässig unter Reinraumbedingungen arbeitet. Es analysiert in nur 20 Sekunden berührungslos Oberflächeneigenschaften und Abweichungen von Spezifikationen. Mit Hilfe integrierter KI-Algorithmen wird der Testaufwand deutlich reduziert und die Prozesskontrolle signifikant verbessert.

Das Fraunhofer IPMS unterstützt die Entwicklung mit seinem Know-how in der optischen Sensorintegration und Reinraumqualifikation. Auch nach Projektabschluss bleibt das System am Center Nanoelectronic Technologies (CNT) des Fraunhofer IPMS für Kundentests, Datenanalysen und die Weiterentwicklung mit automatisierter Waferhandhabung und Tool-Integration im Einsatz.

Das Fraunhofer IPMS ist Teil der FAMES-Pilotlinie, eine Pilotlinie gefördert aus dem European Chips Act.

Die FAMES-Pilotlinie treibt die Entwicklung von energieeffizienten Chips für digitale, analoge und Hochfrequenzanwendungen (RF) maßgeblich voran. Im Mittelpunkt stehen fünf zukunftsweisende Technologien:

• FD-SOI-Plattformen mit neuen Strukturgrößen bei 10 nm und 7 nm für energieoptimierte digitale Schaltungen
• Vielfältige integrierte nichtflüchtige Speichertechnologien (eNVM) wie OxRAM, FeRAM, MRAM und FeFETs für zuverlässige Datenspeicherung bei geringem Energiebedarf
• Hochfrequenz-Komponenten wie Schalter, Filter und Kondensatoren für moderne Anwendungen wie 5G, IoT und Edge Computing
• Zwei fortschrittliche 3D-Integrationsmethoden:
  • Heterogene Integration zur Kombination unterschiedlicher Chiplets und Materialien
  • Sequenzielle Integration zur vertikalen Transistorstapelung für maximale Integrationsdichte
• Miniaturisierte Induktivitäten zur Integration von DC-DC-Wandlern in Power-Management-ICs (PMICs)

Diese Technologien stärken die europäische Halbleiterindustrie nachhaltig und ermöglichen kompakte, leistungsstarke und energieeffiziente Elektroniksysteme für zukünftige Anwendungen.

Das Fraunhofer IPMS im Projekt

Mit der gemeinsamen Expertise von Fraunhofer IPMS und IZM-ASSID bieten wir auf 300 mm eine einzigartige Umgebung zur Entwicklung, Integration und Charakterisierung neuartiger Speichermaterialien und -stacks. Unser Ziel: Den Weg von der Materialidee bis zur funktionsfähigen Speicherlösung entscheidend zu beschleunigen. Dabei fokussieren wir uns auf ferroelektrische Speicher sowie Compute-in-Memory (CiM)-Beschleuniger.

Unsere Arbeitsschwerpunkte: 

• Integration von Hafniumdioxid (HfO₂)-Ferroelektrika 
• Benchmark und Integration von nitridhaltigen Ferroelektrika
• Umweltbewertung hochintegrierter Elektronik
• Compute-in-Memory (CiM)-Beschleuniger

Mehr dazu erfahren Sie auf der Projektwebseite.

Das Fraunhofer IPMS forscht daran, Sensoren nachhaltiger zu machen. Daher entwickeln wir im Projekt "REISEN" ressourcenschonende Herstellungsverfahren für ISFET-basierte pH-Sensoren. Herkömmliche Materialien wie Tantal sind zwar wirksam, aber kostspielig und in der Versorgung kritisch. Ziel ist es, sie durch kostengünstige, energieeffiziente Alternativen mit vergleichbarer Leistung zu ersetzen.

Fokus der Fraunhofer IPMS Forschung 

• Bonding-freie ISFET-Integration zur Eliminierung seltener Metalle wie Palladium und Silberlegierungen
• Funktionalisierung des Sensors auf Waferebene durch mikropräzises Dispensieren zur Verringerung des Materialabfalls
• Vermeidung flacher Beschichtungsprozesse, die einen Materialverlust von über 99 % verursachen
• Geringerer Einsatz reaktiver und toxischer Substanzen zur Verbesserung der Arbeitssicherheit und der Umweltverträglichkeit

Diese Fortschritte senken die Produktionskosten erheblich, minimieren die Umweltbelastung und unterstützen die Entwicklung umweltfreundlicher Halbleitersensoren der nächsten Generation.

Kompaktes Evaluierungskit für Nb₂O₅-basierte ISFETs

Das Fraunhofer IPMS bietet ein Plug-and-Play-Evaluierungskit für Nb₂O₅-basierte ISFETs zur pH-Sensorik an. Das USB-C-betriebene Gerät ermöglicht einfache Tests mit integrierter Referenzelektrodenunterstützung und Temperaturkompensation. Für batteriebetriebene Systeme ist auch eine analoge Variante mit geringem Stromverbrauch erhältlich. Beide Optionen sind kompakt, benutzerfreundlich und für genaue und effiziente pH-Messungen optimiert.

Neuromorphes Computing bietet einen innovativen Ansatz für besonders energieeffiziente und damit nachhaltige Hardwarelösungen. Durch die Nachbildung der adaptiven Funktionsweise des menschlichen Gehirns ermöglicht diese Technologie eine leistungsstarke Datenverarbeitung bei minimalem Energieverbrauch. Das ist ideal für intelligente Sensorik, Edge-KI und dezentrale Systeme. Sie eignet sich besonders für zukunftsweisende Anwendungen in Industrie 4.0, Smart Cities und autonomer Mobilität, bei denen Effizienz und Leistung gleichermaßen gefragt sind.

Fraunhofer IPMS: Expertise im Neuromorphic Computing

Das Fraunhofer IPMS zählt zu den führenden Forschungseinrichtungen auf dem Gebiet der neuromorphen Hardware. Dafür entwickeln wir spezialisierte Materialien, Technologien und komplette Hardware-Lösungen, die besonders für den Einsatz im Edge-Bereich optimiert sind, beispielsweise in intelligenten Sensoren und dezentralen Systemen, die eigenständig Daten verarbeiten und Entscheidungen treffen können.

👉 Mehr erfahren Sie über den Link in der blauen Box.

In einer zunehmend vernetzten Welt wächst der Datenbedarf exponentiell. Um dieser Herausforderung zu begegnen, konzentriert sich das Glemoris-Projekt auf die Entwicklung rekonfigurierbarer intelligenter Oberflächen (RIS) als Schlüsseltechnologie für die nächste Generation der drahtlosen Kommunikation. Diese Technologie ermöglicht eine dynamische Anpassung der Signalübertragung, um die Effizienz und Kapazität von Kommunikationsnetzen deutlich zu steigern.

Das Hauptziel des Glemoris-Projekts ist die Entwicklung eines neuartigen, energieeffizienten HF-Schalters, der die Anforderungen der Signalübertragung von 6G-Netzen erfüllt. Durch den Einsatz fortschrittlicher CMOS-Technologie und innovativer Designmethoden werden wir die Energieeffizienz der verwendeten Komponenten maximieren und gleichzeitig die Kommunikationsqualität verbessern.

Schwerpunkte:

1. Entwicklung eines energieeffizienten HF-Schalters: Ziel ist es, den Stromverbrauch des Schalters auf weniger als 1 W zu senken und gleichzeitig eine hohe Leistung und schnelle Schaltzeiten zu erreichen.
2. Integration von HF-Schaltern in RIS-Elemente: Die Entwicklung von Steuerungsalgorithmen zur dynamischen Anpassung der Signalübertragung wird die Effizienz und Flexibilität des Systems erhöhen.
3. Systemtests und Validierung: Es werden umfangreiche Tests in realistischen Szenarien durchgeführt, um die Leistungsfähigkeit der entwickelten Technologien zu demonstrieren.

Fraunhofer IPMS: Umfassende Expertise in der Entwicklung und Charakterisierung von integrierten Schaltungen (ICs), insbesondere von RF-Schaltern mit extrem niedrigem Stromverbrauch

Das Fraunhofer IPMS leitet die Entwicklung und Implementierung von CMOS-Schaltern, die für rekonfigurierbare intelligente Oberflächen (RIS) von entscheidender Bedeutung sind. Der Schwerpunkt liegt auf einer deutlichen Senkung des Energieverbrauchs bei gleichbleibend hoher Leistung. Diese innovativen Schaltungen werden für die Anforderungen von 6G optimiert, mit dem Ziel, den Stromverbrauch auf unter 1 W zu senken und Schaltgeschwindigkeiten von weniger als 1 µs zu erreichen.

Die Charakterisierung erfolgt unter Verwendung fortschrittlicher interner Messtechnik, die eine präzise Bewertung der Leistungsparameter gewährleisten. Darüber hinaus wird das Fraunhofer IPMS die Integration dieser ICs in RIS-Module unterstützen und dabei eng mit Partnern in Taiwan zusammenarbeiten, um die technologischen Ziele des Projekts zu erreichen und die Grundlage für zukünftige Anwendungen in der drahtlosen Kommunikation zu schaffen.

5G- und 6G-Kommunikation erfordert Synchronisation, Kommunikation mit geringer Latenz und eine stabile Signalgenerierung über mehrere Frequenzbänder hinweg, um die versprochenen hohen Datenraten zu erreichen. Moderne Bauelemente sind eine Grundvoraussetzung, und das Fraunhofer IPMS erforscht innovative Materialien, um diese Anforderungen zu erfüllen.

Aus diesem Grund entwickelt das Fraunhofer IPMS innovative Hochfrequenzkomponenten auf Basis von ferroelektrischem Hafniumoxid (HfO₂). Ziel sind integrierte Varaktoren, die in moderne RF-CMOS-Systeme eingebettet werden können und eine analoge Modulation von Hochfrequenzsignalen ermöglichen. Diese neuartigen Komponenten sollen dazu beitragen, drahtlose Kommunikationstechnologien wie 5G und 6G deutlich leistungsfähiger und energieeffizienter zu machen.

Fraunhofer IPMS: Experten für innovatives ferroelektrisches Hafniumoxid (HfO₂)

Das Fraunhofer IPMS entwickelt und validiert Bauelemente auf Basis ferroelektrischer Hafniumoxid-Dünnschicht-Varaktoren. Die Schwerpunkte liegen dabei auf Chipdesign, BEoL-Integration, Charakterisierung und Systemintegration. Unser Ziel ist es, integrierte Chip-Systeme mit einem Reifegrad von TRL 5 zu entwickeln.

Durch die Verwendung von ferroelektrischem Hafniumoxid lässt sich eine höhere Energieeffizienz erzielen. Die Komponenten sind miniaturisiert und weniger anfällig für Temperaturschwankungen. Eine erhöhte Linearität bei der Abstimmung führt auch zu erheblichen Fortschritten in der Komponentenarchitektur. Da sie auch mit CMOS-Technologie hergestellt werden können, dem Industriestandard in der Mikroelektronikfertigung, sind sie ideal skalierbar und kosteneffizient.