mini|IMS CHIPS Neubau Reinraum Außenansicht
Das Institut für Mikroelektronik Stuttgart (IMS CHIPS) ist eine als gemeinnützig anerkannte Stiftung nach bürgerlichem Recht auf dem Forschungscampus Stuttgart-Vaihingen. Es betreibt wirtschaftsnahe Forschung auf dem Gebiet der Mikroelektronik in den Bereichen Silizium-Technologie, anwenderspezifische Schaltkreise (ASIC), Nanostrukturierung und Bildsensorik und engagiert sich in der beruflichen Weiterbildung. Das Institut ist Mitglied der baden-württembergischen Innovationsallianz (innBW), einer Kooperation von zwölf Vertragsforschungseinrichtungen in Baden-Württemberg. Einhundert Mitarbeiter arbeiten unter der Leitung von Joachim Burghartz auf ausgewählten Gebieten der Mikroelektronik und deren Anwendung in der Praxis.
Unter dem Handelsnamen IMS CHIPS tritt das Institut für Mikroelektronik Stuttgart unter anderem als Hersteller von Mikrochips und als Anbieter von verschiedenen Prozessdienstleistungen auf. Das Institut finanziert sich nach dem „Drittel-Prinzip“, d. h. ein Drittel des Etats muss aus Industrieeinnahmen erwirtschaftet werden, ein Drittel aus Fördermitteln der öffentlichen Hand und ein Drittel wird vom Land Baden-Württemberg als Grundzuschuss finanziert.
Geschichte mini|IMS CHIPS Logo bis Dezember 2025 Das Institut für Mikroelektronik Stuttgart wurde am 18. Juli 1983 auf Veranlassung der damaligen baden-württembergischen Landesregierung unter Beteiligung der Unternehmen Daimler-Benz, IBM, SEL und Siemens als Stiftung des öffentlichen Rechts in Stuttgart gegründet. Das IMS gehört zu den ersten Instituten, die Anfang der 1980er Jahre in Deutschland gegründet wurden, um die heimischen Industrieunternehmen im Wettbewerb um Anteile am Mikroelektronik-Weltmarkt, insbesondere mit dem aufstrebenden Japan, nachhaltig unterstützen zu können. Es entstand in dieser Zeit ein regelrechter Wettbewerb zwischen den Bundesländern um Standorte und um Köpfe für die neuen Mikroelektronik-Institute. 2003 erfolgte wie bei anderen Vertragsforschungseinrichtungen des Landes Baden-Württemberg eine Umwandlung der Rechtsform in eine Stiftung nach bürgerlichem Recht. Grundlage hierfür war das „Gesetz zur Umwandlung von öffentlich-rechtlichen Forschungseinrichtungen in Stiftungen bürgerlichen Rechts“.
Im Vorfeld der Gründung spielten Personal- und Standortentscheidungen eine wichtige Rolle: Nordrhein-Westfalen plante 1982, dem Stuttgarter Professor Ernst Lüder die Leitung eines Mikroelektronik-Instituts in Duisburg zu übertragen. In der sich zuspitzenden Konkurrenz zwischen den Bundesländern bemühte sich Baden-Württemberg jedoch, Lüder in Stuttgart zu halten, und stellte ihm die Leitung eines vergleichbaren, neu aufzubauenden Instituts in Aussicht. Impulse hierfür kamen insbesondere aus dem Umfeld der Universität Stuttgart und der Firma Standard Elektrik Lorenz AG, Stuttgart (SEL), die Anfang 1983 einen Vorschlag zum Aufbau einer mikroelektronischen Forschungs-, Entwicklungs- und Fertigungsstruktur vorlegten, einschließlich eines Technologiezentrums sowie eines Design- und Test-Zentrums. Lüder entschied sich daraufhin, in Stuttgart zu bleiben; kurz danach wurde das Institut für Mikroelektronik Stuttgart im Juli 1983 gegründet.
Tätigkeitsfelder Universelle Geräteausstattung zur Chipfertigung und Nanostrukturierung Die Entwicklung und Herstellung von Mikrochips des Instituts ist nach der Qualitätsnorm ISO 9001 und der Herstelleranerkennung QC 001002-3 zertifiziert. Das Institut betreibt mit dem 2013 eröffneten Erweiterungsbau nun zwei Reinräume mit insgesamt ca. 1.000 m² Fläche und verfügt über die Geräteausstattung zur Bearbeitung von Wafern und zur Herstellung von CMOS- und Bipolar-Schaltkreisen. Wafer können im klassischen Verfahren der Maskenbelichtung und auch mittels Elektronenstrahl-Direktschreibe-Verfahren strukturiert werden.
Schwerpunkt Elektronenstrahl-Lithografie Das Institut besitzt zwei Elektronenstrahlschreiber des Jenaer Unternehmens Vistec, einen SB352HR und seit 2013 auch ein Modell vom Typ SB4050. Mit diesen Geräten lassen sich Strukturen kleiner 32 nm auf entsprechend belackten Siliziumwafern und Quarzsubstraten belichten. Der zweite Elektronenstrahlschreiber verfügt als Besonderheit über einen in der Vakuumkammer luftgelagerten Positioniertisch (air bearing stage) anstelle der bisher üblichen kugelgelagerten Positioniereinheit. Damit können neben relativ leichten Siliziumwafern auch mehrere Kilogramm schwere Quarzsubstrate nanometergenau positioniert werden. Derartige Quarzplatten dienen als Ausgangsmaterial für diffraktive optische Elemente (DOEs) und computergenerierte Hologramme (CGHs).
Im Zentrum einer Forschungskooperation mit dem Optik-Unternehmen ZEISS aus Oberkochen steht die Weiterentwicklung nanostrukturierter optischer Komponenten, die in hochkomplexen Lithografie-Optiken so genannter Waferscanner zum Einsatz kommen.. Abgerufen am 10. September 2014. Waferscanner gehören zu den präzisesten und aufwändigsten Anlagen in Fabriken zur Mikrochip-Herstellung und belichten die Schaltungsstrukturen auf Halbleiterwafer.
Nanostrukturierung als Dienstleistung Als Nanostrukturen bezeichnet man Strukturen im Bereich weniger Nanometer. Diese können mit den Methoden zur Mikrochipherstellung erzeugt werden (Belichtungs- und Ätzverfahren). Die Anwendung von Nanostrukturen geht weit über die Mikroelektronik hinaus. Ein wichtiges Anwendungsgebiet sind optische Elemente aus nanostrukturiertem Quarz. Durch die Möglichkeit, solche Strukturen extrem präzise auch auf großen Flächen zu erzeugen, können beispielsweise computergenerierte Hologramme oder diffraktive optische Elemente hergestellt werden. Es lassen sich auch dreidimensionale Strukturen im Nanometerbereich als „Stempel“ herstellen (Nano-Imprint-Lithografie), die wiederum als Werkzeug (Replikationsmaster) in der Herstellung von z. B. Festplatten (Strukturierung der Magnetschicht auf den Speicherplatten) verwendet werden. Ein weiteres Gebiet ist die Herstellung großflächiger Siliziummembranen mit freigeätzten Flächen (Stencil-Membranen), die als „Druckschablonen“ für die Herstellung organischer Elektronikschaltungen genutzt werden (organische Elektronik). Tarek Zaki von der Universität Stuttgart wurde für seine Arbeiten mit auf diese Weise hergestellten organischen Dünnfilm-Transistoren (organic thin film transistors), die zu einem Weltrekord bei der Schaltgeschwindigkeit führten, 2013 mit dem IEEE EDS PhD Fellowship Award ausgezeichnet.
Prozessentwicklung für ultradünne Mikrochips Für ein Verfahren zur Herstellung ultradünner MikrochipsMartin Zimmermann, Joachim N. Burghartz, Wolfgang Appel, Nils Remmers, Christian Burwick, Roland Würz, O. Tobail, M. B. Schubert, Günther Palfinger, J. H. Werner: A Seamless Ultra-Thin Chip Fabrication and Assembly Process. In: Electron Devices Meeting. 2006, ISBN 1-4244-0439-8. erhielt Prof. Joachim Burghartz den mit 100.000 Euro dotierten Landesforschungspreis 2009 des Landes Baden-Württemberg. Die Landesstiftung Baden-Württemberg finanzierte daraufhin das Projekt ChipFilm, in dem die praktische Umsetzung erforscht wurde. Für seine Arbeiten in ChipFilm erhielt Evangelos Angelopoulos vom IMS den GMM-Preis 2011 der VDE/VDI-Gesellschaft.GMM-Preis 2011. Abgerufen am 10. September 2014.
Gemeinsam mit der Robert Bosch GmbH entwickelte IMS Verfahren zur Herstellung ultradünner Mikrochips im vom Bundesforschungsministerium geförderten Projekt ProMikron für einen Einsatz in der Hochvolumenfertigung weiter. . Technische Informationsbibliothek u. Universitätsbibliothek, Kirchheim b. München 2010, abgerufen am 10. September 2014. Das Verfahren ermöglicht es, definierte Hohlräume, die von einer Siliziummembran überspannt sind, herzustellen. Auf diesen Membranen lassen sich in herkömmlicher Fertigungstechnik mikroelektronische Schaltungen realisieren. Am Ende der Prozessierung kann die Membran mit einem handelsüblichen Vakuumgreifer vom Wafer abgezogen werden, dabei brechen kontrolliert Ankerpunkte an den Kanten des Hohlraumes und geben den ultradünnen Chip frei.
Entwicklung und Kleinserienfertigung von Mixed-Signal- und Smart-Power-ASICs Mikrochips, die speziell im Auftrag eines Kunden entwickelt und produziert werden und gewöhnlich nicht im freien Handel verfügbar sind, nennt man ASICs (application-specific integrated circuits; Anwendungsspezifische integrierte Schaltung). Enthalten solche Chips Schaltungen mit digitalen (Binärlogik, Rechenwerke, Zustandsautomaten) und analogen Funktionen (Verstärker, Analog-Digital-Wandler, Digital-Analog-Wandler), spricht man von Mixed-Signal-ASICs. Diese haben eine besondere Bedeutung in allen Bereichen, in denen Sensoren für physikalische Größen oder andere Umweltparameter eingesetzt werden. Sensoren liefern gewöhnlich analoge Signale, die zur Übertragung und Weiterverarbeitung mit Digitaltechnik aufbereitet (Filterung, Verstärkung) und in digitale Werte umgewandelt werden müssen.
Smart-Power-ASICs sind dagegen Mikrochips, die in der Lage sind, elektrische Verbraucher direkt und ohne einen vorgeschalteten Leistungsverstärker ansteuern zu können. Sie können auch so ausgelegt werden, dass sie direkt mit höheren Spannungen betrieben werden können. Herkömmliche hochintegrierte Mikrochips wie Mikroprozessoren sind nur für Spannungen zwischen einem und drei Volt ausgelegt, höhere Spannungen würden die Chips zerstören. Smart-Power-ASICs können dagegen mit Spannungen von bis zu einigen hundert Volt betrieben werden und erlauben damit einen direkten Einsatz in vielen Gebieten der Energietechnik (Batterieüberwachung in Elektrofahrzeugen, intelligente Stromzähler, Photovoltaik), sie sind aber auch wichtiger Bestandteil moderner Automatisierungstechnik im Bereich der industriellen Steuerungen, die üblicherweise mit Signalen arbeitet, die 24 Volt Gleichspannung besitzen. Gewöhnliche Mikrochips können dort nur mit zusätzlichem Aufwand (Pegelwandler, Spannungsbegrenzer) verwendet werden, Smart-Power-ASICs können dagegen direkt eingesetzt werden, was eine starke Vereinfachung und einen effizienteren Aufbau von Industriesteuerungen ermöglicht.
Typische Anwendungen für die ASICs des Instituts bzw. IMS CHIPS sind die Steuerungs- und Regeltechnik sowie die Sicherheitstechnik. Die Chips steuern Elektromotoren, werten Sensorsignale aus oder dosieren Schmierstoffe und übertragen Daten an Maschinen und Anlagen. ASICs vom Institut für Mikroelektronik Stuttgart sind unter anderem in einfachen Infrarotfernbedienungen, Magnetventilsteuerungen aber auch in komplexen Weltraumanwendungen zu finden, beispielsweise in den deutschen Radarsatelliten TerraSAR-X und TanDEM-X.
CMOS-Bildsensoren mit logarithmierenden Pixelzellen Eine Besonderheit stellen CMOS-Bildsensoren nach dem HDRC-Prinzip dar, die sich aufgrund einer logarithmierenden Pixelzelle durch eine sehr hohe Helligkeitsdynamik von herkömmlichen CMOS-Bildsensoren unterscheiden. Für die logarithmierende Pixelzelle wurde dem Institut 1996 ein deutsches Patent erteilt, in der Folge wurde das Prinzip auch in der EU, in Japan, Kanada, den USA und weltweit patentiert. Im Bereich des maschinellen Sehens ist das sichere Kamerasystem SafetyEYE der Firma Pilz GmbH & Co. KG ein Beispiel für eine Anwendung eines HDRC-Sensors. Das System beobachtet z. B. Gefahrenzonen in Produktionshallen, wie sie bei Maschinen mit beweglichen oder drehenden Teilen bestehen. Bislang mussten solche Gefahrenzonen, etwa um Industrieroboter, aufwendig mit Absperrzäunen, Lichtschranken und Lichtvorhängen gesichert werden. SafetyEYE, das drei am Institut entwickelte HDRC-Bildsensoren enthält, ist ein von Berufsgenossenschaften zugelassenes Schutzsystem auf Kamerabasis. Es ermöglicht den Verzicht auf mechanische Schutzabtrennungen.