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Selbstaufrollende Chip-Membran vereint Kondensatoren und Induktivitäten in einer Nanostruktur

| Redakteur: Richard Oed

Analoge Filternetzwerke finden sich in Mobiltelefonen ebenso wie in vernetzten IoT- und Edge-Computing-Geräten. Aber sie sind groß. Forscher der University of Illinois haben mit einer selbstaufrollenden 3D-Membran ein platzsparendes Herstellungsverfahren für integrierte Schaltkreise entwickelt.

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Elektronenmikroskop-Aufnahme der von der University of Illinois entwickelten 3D-Induktivitäten (blau) und Kondensatoren (gelb) auf Basis von selbstaufrollenden Membranen.
Elektronenmikroskop-Aufnahme der von der University of Illinois entwickelten 3D-Induktivitäten (blau) und Kondensatoren (gelb) auf Basis von selbstaufrollenden Membranen.
(Bild: Xiuling Li / University of Illinois)

Um Eingangssignale zu verstärken oder um Störsignale zu eliminieren, werden in Hochfrequenzschaltungen oft analoge Filter aus Induktivitäten und Kondensatoren eingesetzt. Aufgrund ihrer Größe stehen sie aber einer weiteren Miniaturisierung von integrierten Schaltkreisen im Weg. Einem Team von Forschern der University of Illinois in Urbana-Champaign um die Professorin für Elektrotechnik und Informatik, Xiuling Li, ist es jetzt gelungen, ein platzsparendes Herstellungsverfahren zu entwickeln und zu demonstrieren.

Dabei wird das herkömmliche 2D-On-Chip-Design von konzentrierten oder verteilten Filternetzwerken, die aus separaten Induktivitäten und Kondensatoren bestehen, auf einer einzigen 3D-Rollmembran platziert. Diese Rollmembran enthält die beiden voneinander unabhängig entworfenen Bauelemente und nehmen damit nach Aussage der Wissenschaftler mit einer Fläche von circa 0,09 mm2 und einem Volumen von ungefähr 0,01 mm3 bis zu 10-mal weniger Platz auf einem Chip ein, als vergleichbare Filter.

Im Labor verwendete das Team ein spezielles Ätz- und Lithografieverfahren, um 2D-Schaltkreise auf sehr dünne Membranen aufzubringen. Dabei werden die Kondensatoren und Induktivitäten planar in einer einzigen Ebene miteinander und mit Masse- oder Signalleitungen verbunden. Die Mehrschichtmembran rollt sich dann selbstständig zu einem dünnen Nano-Röhrchen und kann so auf einem Chip aufgebracht werden.

Die zur Erstellung der Schaltkreise auf den 2D-Membranschichten verwendeten Masken können so abgestimmt werden, dass jede Art elektrischer Wechselwirkungen erzielt werden können, die für eine bestimmte Applikation notwendig sind. Nach Aussage von Doktorand Mark Kraman ist „das Experimentieren mit verschiedenen Filterdesigns mit dieser Technik relativ einfach, da wir nur diejenigen Maskenstruktur modifizieren müssen, wo wir Änderungen vornehmen wollen.“

Komplexe Schaltungen sind ebenfalls möglich

Die Untersuchung der gerollten Komponenten im Labor zeigte, dass sich die Filter in der derzeitigen Form für Anwendungen im Frequenzbereich von 1 bis 10 GHz eignen. Basierend auf früheren Forschungen gehen die Entwickler aber davon aus, dass diese Methode nicht nur für den Einsatz in hochfrequenten Kommunikationssystemen geeignet sind, sondern auch andere Frequenzen, beispielsweise im Megahertz-Bereich möglich sind.

Bisher wurden verschiedene einfache Hochpass- und Tiefpassfilter sowie Resonatoren implementiert. Nach Angabe des Forschungsteams sei mit den Prozessschritten aber jede beliebige Kombination von Filternetzwerken möglich, also auch komplexere Bandpässe oder Bandsperrfilter. „Unsere Art, Induktivitäten und Kondensatoren monolithisch zu integrieren, könnte die Integration passiver elektronischer Schaltungen auf eine ganz neue Ebene bringen“, sagt Xiuling Li. „Es gibt praktisch keine Grenze für die Komplexität oder Konfiguration von Schaltungen, die auf diese Weise hergestellt werden können, alles mit einem Maskensatz.“

Die bisher gefertigten Filter verwenden zur Herstellung einen standardisierten Halbleiterprozess. Die Ausbeute liegt derzeit bei 70 bis 80%, wobei die Testfertigung auf Wafern mit zwei Zoll durchgeführt wurde. Derzeit ist die Herstellung dieser sogenannten S-RuM-(Self-Rolled-Up Membrane-)Bauelemente noch sehr fehleranfällig. So bereitet den Wissenschaftlern die Gasdiffusion während der letzten lateralen Trockenätzphase ebenso noch Probleme wie die ESD-Spannungen. Man sei den Lösungen aber schon sehr nahe.

Der Herstellungsprozess umfasst die Abscheidung von Metallen durch Elektronenstrahlverdampfung und Lithografie, um das Metallmuster und den Ätzprozess zu definieren. Der letzte Ätzschritt löst dann den Selbstrollprozess der gestapelten Membran aus.
Der Herstellungsprozess umfasst die Abscheidung von Metallen durch Elektronenstrahlverdampfung und Lithografie, um das Metallmuster und den Ätzprozess zu definieren. Der letzte Ätzschritt löst dann den Selbstrollprozess der gestapelten Membran aus.
(Bild: Xiuling Li / University of Illinois)

Unterstützt wurde dieses Projekt von der National Science Foundation der Vereinigten Staaten von Amerika und dem Jaingsu Industrial Technology Research Institute in China. Die vollständige Veröffentlichung mit dem Titel „Monolithic Heterogeneous Integration of 3D Radio Frequency L−C Elements by Self‐Rolled‐Up Membrane Nanotechnology“ kann hier bezogen werden: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1002/adfm.202004034

(ID:46809401)