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TU Berlin

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Forschung

Forschen in der staubfreien Zone

Die Herstellung von modernen Mikrochips und optoelektronischen Bauelementen erfordert Reinräume. Das Institut für Festkörperphysik verfügt mit dem Nanophotonikzentrum über ein solches anspruchs­volles Labor

Luca Sulmoni setzt einen Wafer in den ­Probenhalter des UV-Belichters (Mask-Aligner), damit der Fotolack auf dem Wafer belichtet werden kann
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Um in die Herzkammer des Nanophotonikzentrums zu gelangen, muss man in der ersten Schleuse seine Schuhe gegen weiße Reinraumschuhe tauschen, sich einen merkwürdigen Kopfputz mit Nackenschutz aufsetzen, in einen Ganzkörperanzug schlüpfen und Latexhandschuhe überstreifen. Das Ergebnis ist, dass man ein wenig so aussieht wie in einem berühmten Film von Woody Allen. Aber nur in diesem Outfit darf man in die zweite Schleuse, in der ein heftiger Luftstrahl einem die letzten Staubpartikel wegbläst und die schließlich in den Reinraum führt. Nicht einmal Papier aus der „Draußenwelt“, um sich Notizen zu machen, darf mitgenommen werden. Drinnen gibt es spezielles Reinraumpapier.

Ein Saphir-Substrat-Wafer mit Goldstrukturen
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So vom Staube befreit, betritt man den ersten Bereich des Reinraums. Es ist der Aufdampfplasmaraum, an den sich der Nasschemieraum und der Lithografieraum anschließen. Die drei Bereiche haben eine Fläche von 130 Quadratmetern. Der Fußboden ist ein löchriges Gitter. Die Luft, mittels Feinstfilter gereinigt, wird durch die Decke eingeleitet und durch die Löcher im Boden abgesaugt.

Zu dem Nanophotonikzentrum (NPZ) gehört neben dem Reinraum die Halbleiter-Epitaxie für die aufwendige und immens teure Herstellung der Halbleiter-Nanomaterialien.

Sarah Fischbach und Luca Sulmoni an der Plasmaätzanlage. Dort werden die Wafer geätzt und strukturiert
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Im Nasschemieraum: Luca Sulmoni an der Plasmaätzanlage (l.) und Sarah Fischbach am Rasterelektronenmikroskop
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Das Zentrum wird maßgeblich von Prof. Dr. Michael Kneissl, Leiter der Arbeitsgruppe Experimentelle Nanophysik und Photonik, und Prof. Dr. Stephan Reitzenstein, der das NPZ und die Arbeitsgruppe Optoelektronik und Quantenbauelemente leitet, genutzt. Es ist für ihre Forschungen zur Entwicklung verschiedenster nanophotonischer Halbleiterbauelemente essenziell. Denn ihre Herstellung ist nur unter den extrem kontrollierten und stabilen Bedingungen eines Reinraums möglich. Neben einer Temperatur von konstant 21 Grad Celsius, einer Luftfeuchtigkeit von 42 Prozent und gleichbleibendem Luftdruck muss die Umgebung nahezu partikelfrei sein, da jedes Körnchen Staub die hochkomplexe Struktur der nanophotonischen Bauelemente wie Leuchtdioden (LEDs) im ultravioletten (UV) Spektralbereich, UV-Laserdioden oder Quantenpunkt-basierte Einzelphotonenemitter zerstören kann.
Der Lithografieraum ist der reinste der drei Bereiche. Er hat die Reinheitsklassifizierung ISO 4. Das bedeutet, es sind maximal 352 Staubpartikel pro Kubikmeter erlaubt, wobei ein solcher Partikel gerade mal so groß ist wie der hundertste Teil eines Haardurchmessers. Im Vergleich: In einem normalen Büro finden sich 35 000 000 Partikel pro Kubikmeter. Das ist das 100 000-Fache der Partikel als im TU-Reinraum.

Schutzkleidung im Eingangsbereich
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Der Lithografieraum unterscheidet sich von den anderen zudem durch gelbes Licht. In ihm steht der Mask-Aligner, das wichtigste Gerät bei der Fertigung. Mit ihm wird die Struktur auf den mit Fotolack beschichteten Wafer aufgetragen. Diese Struktur bestimmt die Funktion des Bauelements, also ob es zum Beispiel ein nanostrukturierter Mikrolaser oder eine UV-LED werden soll. Das gelbe Licht sorgt dafür, dass auf dem Lack nur jene Stellen belichtet werden, die aktiv sein sollen.

Im Nasschemieraum werden die zuvor auf den Fotolack übertragenen Strukturen in die darunter liegende Schicht, zum Beispiel aus Galliumarsenid (Halbleitermaterial), geätzt. Im angrenzenden Aufdampfplasmaraum erfolgt die nanometergenaue Beschichtung der Bauelemente mit Metallen, um zum Beispiel elektrische Kontakte zu erstellen.
20 bis 30 Schritte sind notwendig, um unter anderem Leuchtdioden und Laser im ultravioletten Spektralbereich zu produzieren, mit denen sich die Arbeitsgruppe von Michael ­Kneissl beschäftigt. Mit Leuchtdioden im UV-B-Bereich können gezielt Schuppenflechte und Vitiligo, eine Pigmentstörung der Haut, behandelt werden. Zur Wasserdesinfektion von Viren und Bakterien kommen LEDs mit UV-C-Licht zum Einsatz.

Sarah Fischbach kontrolliert mit dem Raster­elektronenmikroskop, ob der Ätz­vorgang des Wafers erfolgreich war
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Das Team von Stephan Reitzenstein fertigt in dem Reinraum ebenfalls Lichtquellen, aber keine LEDs, sondern Einzelphotonenlichtquellen. Diese Halbleiterbauteile geben kontrolliert einzelne Lichtteilchen ab und spielen in der Quantenkryptografie eine wichtige Rolle. Quantenkryptografie ist neben der IT-Verschlüsselung eine andere Methode, um Daten abhörsicher zu transportieren, und auf ihr liegen große Hoffnungen. Hierbei werden einzelne Lichtteilchen (Photonen) zum ultrasicheren Transportmittel von Daten.

Das Team

Prof. Dr. Michael Kneissl, Leiter der Arbeitsgruppe Experimentelle Nanophysik und Photonik und geschäftsführender Direktor des Instituts für Festkörperphysik

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Ich bin Sprecher des Sonderforschungsbereich 787 „Halbleiter-Nanophotonik: Materialien, Modelle, Bauelemente“. Für die Arbeiten in diesem Sfb ist der Reinraum ein integraler Bestandteil. Derzeit forschen 70 Doktorandinnen und Doktoranden des im Sfb integrierten Graduiertenkollegs „School of Nanophotonics“ und fast alle benötigen das Nanophotonikzentrum oder die Bauelemente, die dort hergestellt werden, für ihre Dissertationen auf dem Gebiet der Halbleiter-Nanophotonik.

Dr. Luca Sulmoni, wissenschaftlicher Mitarbeiter in der Arbeitsgruppe Experimentelle Nanophysik und Photonik

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Der Reinraum ermöglicht es, alle Schritte zur Entwicklung von Halbleiterbauelementen als Prototypen mit industriekompatiblen Prozessen durchzuführen. Ich forsche an den kurzwelligen, also an UV-LEDs und UV-Hochleistungslaserdioden. Mein Ziel ist es unter anderem, die elektrischen Eigenschaften der Laserdioden zu verbessern, um deren Effizienz zu erhöhen. Diese Hochleistungslaserdioden im fernen UV-Spektralbereich werden in der Materialbearbeitung und in der medizinischen Diagnostik eingesetzt.

Prof. Dr. Stephan Reitzenstein, Leiter der Arbeitsgruppe Optoelektronik und Quantenbauelemente und Leiter des ­Nanophotonikzentrums

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Das Nanophotonikzentrum bildet die Grundlage für die Entwicklung neuartiger Quantenbauelemente auf Basis von Halbleiter-Nanostrukturen. Dabei ist es essenziell, dass mit modernen Anlagen die gesamte Herstellung vom epitaktischen Wachstum der Ausgangsstrukturen über die Materialcharakterisierung bis zur Nanostrukturierung der Bauelemente vor Ort durchgeführt werden kann. Solche exzellenten Bedingungen findet man in Deutschland nur an wenigen Universitäten vor.

Sarah Fischbach, wissenschaftliche Mitarbeiterin in der Arbeitsgruppe Optoelektronik und Quantenbauelemente

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Ich benötige das Reinraumlabor, um Einzelphotonenlichtquellen herzustellen. Diese können in der Zukunft helfen, eine abhörsichere Datenkommunikation zu gewährleisten. In den Reinräumen kann ich für diese neue Technologie verschiedenste Prozesse testen, um die Eigenschaften dieser Einzelphotonenlichtquellen zu verbessern. Gleichzeitig erlerne ich die typischen Halbleiterprozessierungsschritte, wie sie in der Industrie verwendet werden. Das ist für meine berufliche Zukunft sehr wichtig.

Stefan Bock, Laborverantwortlicher für den Reinraum am Institut für Festkörperphysik

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Unser Reinraum besticht durch seine Staubfreiheit. Diese Reinheit wird durch ein aufwendiges Filtersystem und einen leichten Überdruck erreicht. Die hohen Anforderungen an die Reinraumumgebung verlangen ein umfangreiches interdisziplinäres Fachwissen in der Physik und Chemie sowie ein enges Zusammenarbeiten mit der Gebäudetechnik. Neben den TU-Wissenschaftlern nutzen übrigens auch Forscher anderer Berliner Universitäten und Forschungseinrichtungen den Reinraum, weil er einer der wenigen in der Stadt ist.

Sybille Nitsche, "TU intern" 16. Februar 2018

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