Stoffübertragung über Elastomerstempel erreicht Herstellung 3D-integrierter Mikroelektronik im industriellen Maßstab
Integrierte Schaltkreise oder „Chips“ ersetzten die einzelnen Komponenten und Lötverbindungen herkömmlicher Elektronik durch zahlreiche Schaltungselemente auf einem Halbleiterwafer. Dies ermöglichte eine immer größere Funktionalität und höhere Leistung, wesentlich kleinere Größen und Gewichte und einen geringeren Energieverbrauch. Außerdem wurden in Bezug auf Herstellung und Prüfung die Kosten gesenkt und die Abfälle verringert. Integrierte photonische Schaltkreise ermöglichen das Gleiche für optische Geräte und die Optoelektronik. Da die Leistungsansprüche kontinuierlich steigen, ist für die Geräteskalierung und Kostenreduktion ein neuer Betriebsmodus erforderlich. Die heterogene Integration verbindet in einem sogenannten System-in-Package ungleiche und separat hergestellte Komponenten auf einer gemeinsamen Plattform. Das EU-finanzierte Projekt MICROPRINCE hat eine Halbleiterherstellungs-Pilotlinie für die heterogene Integration auf Basis eines der vielversprechendsten in der Entwicklung befindlichen Verfahren der letzten fünfzehn Jahren eingerichtet. Ein breites Spektrum von Demonstratoren ebnet den Weg für Innovationen, um die Produktionsreife der bahnbrechenden Systeme auf multidisziplinäre Felder auszuweiten.
Ein Gummistempel für fast jede Art von „Papier“
Aufgrund der steigenden Komplexität von Komponenten oder Produkten erhöht sich die Fehlerwahrscheinlichkeit, was zu mehr Ausschuss und Kosten sowie weniger Ausbeute führt. Die Integration mehrerer „Chiplets“ oder Subsysteme ist praktischer und wirtschaftlicher als die Herstellung monolithischer Systeme. Einer der vielversprechendsten Ansätze ist das Micro-Transfer-Printing (μTP), ein Verfahren, das auch als Stoffübertragung bezeichnet wird. Beim μTP wird ein Elastomerstempel genutzt, um bis zu Tausende Chiplets oder Wafer-gefertigte Systeme im Mikromaßstab gleichzeitig von einem Substrat auf ein anderes Substrat zu bewegen – so wie die Tinte in einem Stempelkissen auf Papier übertragen wird. Bislang wurde das Verfahren vor allem in Laboren zur wissenschaftlichen Forschung genutzt.
Demonstrierte Flexibilität für Hightech-Anwendungen von morgen
MICROPRINCE richtete eine μTP-Pilotlinie im Reinraum der X-FAB MEMS Foundry ein und brachte vier Hightech-Produkte hervor. Dabei handelte es sich um Hall-Platten aus Galliumarsenid für Stromsensoren der nächsten Generation, Umgebungslichtsensoren für Reaktionen des menschlichen Auges, Galliumnitrid-LED für Fahrzeugumgebungsbeleuchtungsmodule und Indiumphosphid-Photodioden in photonischen Silizium-Schaltkreisen. Diese Produkte wurden in funktionalen Demonstratoren für Umgebungsbeleuchtungssensoren, für Fahrpersonal/Pakete von Fahrzeugumgebungsbeleuchtungen und für integrierte photonische Infrarot-Silizium-Spektrometer verwendet. Sebastian Wicht, Koordinator von MICROPRINCE und Programmleiter für das Stoffübertragungsverfahren in der X-FAB MEMS Foundry erklärt hierzu: „zusätzlich zur Schaffung der µTP-Pilotlinie unterstützten generische Prozessentwicklungen das ausgezeichnete µTP-Potenzial für die 3D-Integration mit hoher Ausbeute, hohem Durchsatz und hoher Ausrichtungsgenauigkeit. Wir demonstrierten eine Printing- oder Übertragungsausbeute von bis zu 99 %, bei Fehlausrichtungen von weniger als 1,0 µm. Systeme mit Größen von nur 100 µm x 100 µm x 5 µm wurden effektiv übertragen und auf Komplementär-Metalloxidhalbleiter-Target-Dies gestapelt.“
Massives Parallelpackaging und herausragende Leistung bei minimalem Abfall
Das µTP-Verfahren ermöglicht die Übertragung Tausender Mikrosysteme in einem einzigen Schritt bei exzellenter Genauigkeit für einen sehr hohen Durchsatz bei vergleichsweise geringen Kosten. Es übertrifft den aktuellen Stand der Technik durch eine Minimierung der Packagegröße und beseitigt nahezu die Verschwendung kostspieliger Materialien und Elemente. Das Fazit von Wicht: „MICROPRINCE hat den Weg für die industrielle µTP-Umsetzung für die 3D- und heterogene Integration geebnet. Es wird die Entwicklung innovativer Produkte mit herausragender Leistung, kleineren Packagegrößen oder sogar neuen Funktionen auf Gebieten unterstützen, die von industriellen und Verbraucherprodukten bis zur Biomedizin reichen.“ Interessierte Kundschaft ist dazu angehalten, sich an die X-FAB MEMS Foundry zu wenden, um Ideen für neue Anwendungen in dem Produktbereich vorzubringen.
Schlüsselbegriffe
MICROPRINCE, µTP, heterogene Integration, Pilotlinie, Sensoren, Wafer, 3D-Integration, photonischer Schaltkreis, Elastomerstempel, Micro-Transfer-Printing, Stoffübertragung, System-in-Package
