Max-Planck-Materialwissenschaftler erhält "Starting Grant" des Europäischen Forschungsrats

Zuverlässigere Mikroelektronik durch additive Mikrofertigung

Additive Fertigung
Forschung
Additive Manufacturing
Werkstoffe
Dr. Ramachandramoorthy, Leiter der Gruppen "Extreme Nanomechanics" und "Additive Manufacturing" am Max-Planck-Institut für Eisenforschung (MPIE), will eine neue Fertigungstechnik erforschen, um 3D-Metall-Mikroarchitekturen in mikroelektromechanischen Systemen durch additive Mikrofertigung herzustellen und zu testen. 

Laptops, Smartphones und viele andere elektronische Geräte basieren auf mikroelektromechanischen Systemen (MEMS). Die verwendete Mikroelektronik wird mit Hilfe der UV-Lithographie hergestellt. Diese Methode ist stabil und lässt sich leicht auf den industriellen Bedarf hochskalieren. Allerdings sind die Designmöglichkeiten und die Auswahl der Materialien begrenzt, da sie nur für Silizium und einige wenige Metalle geeignet ist. Zudem ist es bislang nicht möglich, mechanische Zuverlässigkeitstests unter realistischen Bedingungen durchzuführen.

Um diese Herausforderungen zu bewältigen, hat der Europäische Forschungsrat (ERC) nun Dr. Rajaprakash Ramachandramoorthy eine Anschubfinanzierung von 1,5 Millionen Euro für fünf Jahre gewährt. 

"In meinem Projekt werde ich die additive Mikrofertigung nutzen, um metallische 3D-Architekturen mit einer Auflösung im Mikrometer- und Nanobereich zu drucken. Diese Herstellungsmethode wird die Designfreiheit unter anderem für mikroelektronische Anwendungen erweitern. Darüber hinaus basiert die Herstellung auf lokaler galvanischer Abscheidung, was sie sehr vielseitig macht und das Drucken mit einer Vielzahl verschiedener Metalle wie Kupfer, Gold, Kobalt, Nickel und Silber ermöglicht", erklärt Ramachandramoorthy.

Bei der lokalen elektrolytischen Abscheidung wird eine elektrochemische Salzlösung verwendet, die durch eine Öffnung im Nanomaßstab fließt. Die Metallionen werden an der Arbeitselektrode reduziert und bilden ein Metalltröpfchen im Mikromaßstab. Mit nanometergenauen Piezopositionierern werden Tropfen für Tropfen 3D-Mikroobjekte aus Metall hergestellt.

Ein weiterer großer Vorteil des neuen Ansatzes besteht darin, dass Flüssigkeiten in die Metallmikroarchitekturen eingekapselt werden können, was neue Gestaltungsspielräume für das technische Design eröffnet. Beispielsweise könnten die gedruckten Mikroarchitekturen auch mit Fluoreszenzmarkern gefüllt werden, die bei Verformungen lokal ausfließen und so als Schadenssensoren dienen. Andere Anwendungsfelder sind z. B. die Verabreichung von Medikamenten oder die Temperaturmessung.

Die UV-Lithographie ist in der Anfangsphase sehr kostspielig, wird aber bei der Herstellung von MEMS-Bauteilen günstiger. Der additive Mikroherstellungsprozess, der in diesem ERC-Projekt erforscht werden soll, ist weniger kostspielig, und sobald der Prozess parallelisiert wird, wird er noch kostengünstiger. "Ich denke, dass in Zukunft eine Kombination aus beiden Techniken ideal ist. Die UV-Lithographie wird die Methode der Wahl bleiben, wenn es um die Herstellung von 2,5D-Mikroarchitekturen auf Siliziumbasis geht. Die additive Mikrofertigung hingegen wird immer dann interessant, wenn 3D-Mikroarchitekturen mit einer größeren Auswahl an Metallen benötigt werden oder die Einbindung von Flüssigkeiten angestrebt wird", erklärt Ramachandramoorthy.

"Ich bin sehr glücklich, dankbar und stolz, dass der ERC mein Projekt zur Förderung ausgewählt hat. Der Zuschuss ermöglicht es mir, meine Forschung weiter voranzutreiben, und ist auch ein wichtiger Schritt in meiner Karriere", sagt Ramachandramoorthy. 

Die Stipendien des Europäischen Forschungsrats gelten als eine der renommiertesten internationalen Forschungsförderungen. In dieser Antragsrunde wurden europaweit 2932 Vorschläge eingereicht, von denen 408 Wissenschaftler erfolgreich waren.

Dr. Ramachandramoorthy kam im August 2020 als Gruppenleiter ans MPIE. Zuvor war er als Marie-Curie-Postdoktorand an der Eidgenössischen Materialprüfungsanstalt (Empa) tätig. Ramachandramoorthy hat an der Northwestern University (USA) in theoretischer und angewandter Mechanik promoviert. Seine Forschung konzentriert sich auf das mechanische Verhalten von Materialien im kleinen Maßstab, wobei er hauptsächlich In-situ-Rastermikroskopie und Transmissionselektronenmikroskopie sowie Mikrofabrikation mit additiven Techniken einsetzt. 

Das internationale Team des Max-Planck-Instituts für Eisenforschung betreibt Grundlagenforschung zu Materialien für die Bereiche Mobilität, Energie, Infrastruktur, Medizin und Digitalisierung. Der Fokus liegt dabei auf nanostrukturierten metallischen Werkstoffen sowie Halbleitern, die bis auf die atomare und elektronische Skala analysiert werden. Dies ermöglicht dem MPIE-Team die Entwicklung neuer, maßgeschneiderte Struktur- und Funktionswerkstoffe.

www.mpie.de/xnano