Das Projektteam Go gRIEn der Ilmenau School of Green Electronics (ISGE) erforscht Nachhaltigkeit in der Mikrochipherstellung. Bei der Mikrostrukturierung von Glas sollen zukünftig weniger umweltschädigende Chemikalien zum Einsatz kommen.
Forschung
Nachhaltig und leistungsfähig: Forschungsteam der TU Ilmenau setzt auf Glas in der Mikroelektronik
Ob E-Autos, Smartphones oder Smart Home − die Nachfrage nach Halbleitern wächst stetig und mit ihr der ökologische Fußabdruck der Elektronikindustrie. Ein wesentlicher Teil dieser Umweltbelastung entsteht bei der Strukturierung der Mikrochips. Dabei werden winzige, hochpräzise Muster mithilfe von Ätzverfahren in Werkstoffe wie Silizium erzeugt. Erst diese Strukturen verleihen den Mikrochips ihre Funktionsfähigkeit: Sie leiten Strom, isolieren empfindliche Bereiche oder helfen dabei, Lichtsignale präzise zu übertragen.
Ätzverfahren, darunter das so genannte trockenchemische Ätzen, kommen weit verbreitet in der Halbleiterproduktion zum Einsatz. Sie sind nicht nur energieaufwändig, sondern setzen auch schädliche Gase frei. So bilden sich beispielsweise beim Einsatz von fluorhaltigen Ätzgasen Fluorcarbonverbindungen, die als Ewigkeitschemikalien bekannt sind. In der Natur sind sie nicht abbaubar und können sich über Jahrzehnte in der Umwelt anreichern. Aufwändige Reinigungssysteme in Produktionsanlagen können zwar einen Großteil dieser Stoffe zurückhalten, jedoch nicht vollständig zersetzen. Angesichts der weltweit wachsenden Chipproduktion gewinnt die Entwicklung umweltfreundlicherer Herstellungsverfahren daher zunehmend an Bedeutung.
Mikroelektronikprozesse ohne umweltschädliche Chemikalien
Das Forschungsteam um Dr. Ulrike Brokmann (Materialwissenschaft), Dr. Christoph Weigel (Mikrosystemtechnik) und Promotionsstudent Anant Bhardwaj möchte neue Ansätze entwickeln, die es ermöglichen, bereits im Ätzprozess auf schädliche Chemikalien weitgehend zu verzichten und diese durch umweltfreundlichere Alternativen zu ersetzen. Konkret konzentriert sich das Forschungsteam auf das so genannte reaktive Ionenätzen (RIE), eine Schlüsseltechnologie in der Mikrochipfertigung. Ziel des Teams ist es, die dabei verwendeten fluorhaltigen und klimaschädlichen Prozessgase deutlich zu reduzieren –ohne dabei Abstriche bei der technischen Qualität zu machen, wie Dr. Brokmann erklärt:
Wir wollen nicht nur die umweltschädlichsten Prozesse verbessern, sondern langfristig Alternativen aufzeigen. Dazu gehören neue Gasmischungen, bessere Prozesskontrolle und das tiefe Verständnis der Wechselwirkungen zwischen Material und Ätzprozess.
Für dieses Vorhaben setzt die Projektgruppe auf ein bekanntes, jedoch in der Mikroelektronik bisher vergleichsweise wenig genutztes Material: Glas. Mithilfe von Plasmaätzen, einem Verfahren, das üblicherweise bei Silizium angewandt wird, wollen die Forschenden untersuchen, wie sich silikatische Gläser und Glaskeramiken ohne umweltschädliche Prozessgase präzise bearbeiten lassen. Dr. Weigel sieht großes Potenzial in dem Material:
Noch ist Glas in der Mikroelektronikfertigung weniger erforscht als Silizium. Wir hoffen, mit unseren wissensbasierten Ansätzen auch Grundlagen für die umweltfreundlichere Mikro- und Nanostrukturierung anderer Materialien der Mikrosystemtechnik und Mikroelektronik schaffen zu können – ohne dabei an Leistung einzubüßen.
Nachhaltiges Engineering durch interdisziplinäre Zusammenarbeit
Mit ihrer Grundlagenforschung wollen die Wissenschaftler*innen einen Beitrag für eine nachhaltigere Chipproduktion leisten, so Dr. Weigel. Um das zu erreichen, bündeln sie ihre Expertise und ermöglichen dem Promotionsstudenten Anant Bhardwaj, wissenschaftlicheFragestellungen aus unterschiedlichen Blickwinkeln zu beleuchten und eine Brücke zwischen Grundlagenforschung und potenziellen Technologieanwendungen zu schlagen. Gemeinsam mit seinem Team möchte der june Wissenschaftler die Grundlage für umweltfreundlichere Verfahren schaffen, die langfristig in der Mikroelektronik Anwendung finden können:
Ich profitiere enorm von der Expertise meiner beiden Betreuer*innen und lerne, wie echte interdisziplinäre Forschung funktioniert. Zudem bringt die ISGE uns mit anderen Gruppen zusammen, um den gesamten Lebenszyklus nachhaltiger Elektronik ganzheitlich zu betrachten und gemeinsam einen wichtigen Schritt hin zu einem nachhaltigen Engineering zu gehen.
Serie Ilmenau School of Green Electronics (ISGE)
In der UNIonline-Serie zur Ilmenau School of Green Electronics (ISGE) stellen wir die Projektteams vor, die mit ihrer Forschung einen Beitrag zu einer umweltfreundlicheren IT leisten wollen. Gefördert von der Carl-Zeiss-Stiftung, bringt die ISGE Forschende interdisziplinär zusammen, um Elektronik nachhaltiger zu gestalten – angefangen bei intelligenten Materialien über energieschonende Datenverarbeitung bis hin zu langlebigen Elektroprodukten.