Das Unsichtbare messbar zu machen und physikalische Phänomene in praktisch nutzbare technologische Anwendungen zu übersetzen: Das ist das Ziel der Forschung von Rebecca Petrich, Promovendin am Institut für Mikround Nanotechnologien (IMN) MacroNano und dem Institut für Physik der TU Ilmenau. In UNIonline berichtet sie von ihrer Promotionsreise - mit Wafern und Mikrochips im Handgepäck von Ilmenau in den Schwarzwald über Schottland und Berlin bis ins Dreiländereck bei Basel zurück nach Ilmenau.
Ein auf spezielle industrielle Bedürfnisse zugeschnittenes, besonders energieeffizientes und hochempfindliches Messsystem, ein so genanntes MEMS-Magnetometer, zu entwickeln - vom Konzept bis zum fertigen Prototyp: So lautet der Forschungsauftrag der Firma Endress+Hauser an Rebecca Petrich im Rahmen des XMEN-Projekts. Es nutzt den magnetoelektrischen Effekt, um kleinste Magnetfeldänderungen zu messen, und soll eingesetzt werden, um Prozessund Kenngrößen zu überwachen.
Frau Petrich, warum haben Sie sich für diese Uni und dieses Thema entschieden?
Ich habe schon zu Schulzeiten hier an der Uni das Nawitur absolviert. Wir haben während der Ferien Schülerkurse belegt und Praktika gemacht. Das war eine großartige Erfahrung - wir haben programmiert, gefräst, verkabelt und viele verschiedene Bereiche kennengelernt. Die Schnittstelle von Naturund Ingenieurwissenschaften fand ich besonders reizvoll. Daher habe ich mich für den Studiengang Biomedizinische Technik entschieden. Im Laufe des Studiums hat mich zunehmend die Frage fasziniert: Wie lässt sich das Unsichtbare messbar machen?
Und dies Frage hat Sie zur Mikround Nanotechnologie gebracht?
Genau. Die konkrete Anwendung in der Medizin rückte irgendwann in den Hintergrund - stattdessen hat mich die grundlegende Fragestellung fasziniert. Deshalb habe ich im Master Mikround Nanotechnologien studiert und mich auf Mikrosensorik spezialisiert. Der Masterstudiengang ging damals über vier Semester und war sehr breit angelegt - von Werkstofforientierter Konstruktion bis zur Supramolekularen Chemie. Für mich war das der ideale wissenschaftliche Nährboden. In meiner Abschlussarbeit habe ich dann meinen ersten Sensor nach eigenem Konzept entwickelt. Dabei habe ich erste Soft Skills gelernt, um fristgerecht eine Idee bis zum Chip zu bringen.
Was macht die Art von Sensoren, die Sie in Ihrer Arbeit entwickeln, so besonders?
Die von mir entwickelten MEMS-Magnetometer sind geeignet, um schnell, genau, energieeffizient und budgetfreundlich messen zu können - selbst in Umgebungen mit vergleichsweise hohen Offsetbzw. Störfeldern. In solchen Situationen stoßen viele hochsensitive Magnetometer an ihre Grenzen, da sie durch die starke Umgebungsmagnetisierung gesättigt werden und gewissermaßen ,,blind" sind. Unsere Sensoren bleiben hingegen funktionsfähig. Zudem sind sie CMOS-kompatibel und lassen sich mit etablierten Mikrotechnologieverfahren effizient in großer Stückzahl herstellen und in industrielle Prozesse integrieren.
Wofür genau soll das Messgerät bei Ihrem Auftraggeber eingesetzt werden?
Bei Endress+Hauser sollen die Sensoren genutzt werden, um den Zustand in einem Tank von außen zu überwachen. Bisher erfolgt das oft noch invasiv, was einige Nachteile mit sich bringt. Ein Beispiel ist die aufwändigere Wartung.
Wie unterscheidet sich aus Ihrer Sicht eine solche industriegeförderte Promotion von anderen?
Wenn man im Rahmen eines Industrieprojekts promoviert, erhält man einen klaren Forschungsauftrag - und arbeitet im Interesse des Unternehmens. Das bedeutet, man muss die eigene Forschung von Beginn an auf praktische Anwendbarkeit ausrichten und dabei zahlreiche industrielle Rahmenbedingungen berücksichtigen. Bei öffentlich geförderten oder uni-finanzierten Promotionen ist das meist anders. Auch dort kann eine spätere Nutzung in der Industrie eine Rolle spielen, doch sie wird häufig eher als langfristige Perspektive betrachtet. Man forscht in erster Linie im Interesse der Allgemeinheit, aber auch aus akademischer Neugier. Beide Wege - industriell oder akademisch geprägt - bringen ihre ganz eigenen Herausforderungen und Chancen mit sich.
Worin lagen die besonderen Herausforderungen?
Eine der größten Herausforderungen bei der Chipentwicklung im Forschungsbetrieb ist die Prozessstabilität. In großen Fertigungsanlagen der Industrie werden meist die gleichen Prozesse gefahren und diese sind so stabilisiert, dass sie nahezu fehlerfrei laufen. Bei uns ist das anders: An derselben Anlage ändern sich die Parameter durch unterschiedliche Materialien und Prozesse häufig, was die Stabilität erschwert. Zudem sind wir eine Bildungseinrichtung, in der neben den Anlagenverantwortlichen auch Studierende und Promovierende die Anlagen bedienen, welche oft noch wenig Erfahrung besitzen. Das gehört zum Lernprozess, führt aber auch dazu, dass beispielsweise mal ein Wafer bricht oder eine Anlage ausfällt. Deshalb ist es wichtig, gut vorzuplanen und stets Alternativen bereit zu halten. So habe ich zum Beispiel am Ende zwei Prozesse an Industriepartner ausgelagert, um die Stabilität sicherzustellen.
Was waren das für Prozesse?
Die beiden risikoreichsten Schritte finden am Ende der Produktion statt: Dabei wird der gesamte Wafer, also das Trägermaterial für meinen Sensorchip, durchgeätzt, die einzelnen Chips werden voneinander getrennt und gleichzeitig die Sensorstrukturen freigestellt - und das alles, ohne die empfindlichen Strukturen zu beschädigen. Meine Sensoren funktionieren nur, wenn diese Strukturen frei schwingen können, was technisch eine große Herausforderung ist. Dafür setze ich eine Kombination aus einem SF6-Bosch-Ätzprozess und einem XeF2-Ätzprozess ein. Der erste Prozess ist recht aggressiv und birgt einige Risiken. Um die Eignung und mögliche Probleme frühzeitig zu erkennen, habe ich dazu Vorversuche am Zentrum für Mikround Nanotechnologien (ZMN) durchgeführt und den Prozess anschließend zu Hahn-Schickard im Schwarzwald transferiert.
Wie ging es von dort aus weiter?
Der letzte Prozessschritt fand in Schottland direkt beim Anlagenhersteller memsstar statt. Beim XeF2-Ätzprozess wird das letzte verbliebene Silizium entfernt. Ein großer Vorteil dieses Verfahrens ist, dass es sehr schonend arbeitet, da es nahezu ohne Energieeintrag auskommt. Dadurch eignet es sich besonders gut für empfindliche Strukturen. Allerdings stehen diese Strukturen aufgrund der Herstellung unter Eigenspannung. Erst am Ende lässt sich feststellen, ob sie intakt bleiben oder durch diese Spannung beschädigt werden - zum Beispiel durch Risse. Außerdem musste der Sensor anschließend noch den Rücktransport nach Deutschland sowie die Integration in den Produktionsbetrieb bei Endress+Hauser bei Berlin überstehen. Das war also wirklich eine anspruchsvolle Phase - nichts für schwache Nerven.
Das klingt nach einer aufreibenden Zeit...
Ja, das war es definitiv. Jedes Mal, wenn ich einen Schritt abgeschlossen hatte, war ich erleichtert und froh - aber gleichzeitig wusste ich auch: Die Wahrscheinlichkeit, dass am Ende wirklich alles funktioniert, ist sehr gering. Man kann nicht alle Details bis zum Schluss durchrechnen, es bleibt immer ein Risiko. Und selbst wenn die Chips den gesamten Herstellungsprozess und den Transport überstehen, wusste ich nicht, ob sie beim Kunden tatsächlich so funktionieren, wie geplant. Da ich mit neuen Materialien gearbeitet habe, ließ sich das Sensorverhalten vorher nicht genau vorhersagen - die Datenlage war einfach zu dünn. Erst nach etwa drei Jahren konnte ich die fertigen Sensoren beim Kunden testen und sehen, ob alles passt. Dort entscheiden oft nur wenige Sekunden darüber, ob Deshalb wurde es auch als Hochrisikoprojekt eingestuft.
Und haben Sie gewonnen?
Ja, und zwar richtig gut. Und das war alles andere als selbstverständlich. Denn das Messprinzip meines Auftraggebers verlangt einen ganz speziellen Sensor. Natürlich gibt es schon verschiedenste Magnetometer - aber keins, das genau diese Anforderungen erfüllt. Das heißt, wenn man zum Beispiel nicht den richtigen Frequenzbereich trifft, funktioniert der Sensor für den vorgesehenen Einsatz schlicht nicht.
Waren Sie dabei, als ihr Sensor getestet wurde und wie war der Moment für Sie?
Ja, ich war dabei - und es war ein unglaublicher Moment. Ich hatte über 100 verschiedene Chip-Varianten entwickelt und dem Kunden übergeben. Man kann im Vorfeld nicht genau berechnen, welche Variante die Parameter exakt trifft, also habe ich bewusst viele unterschiedliche Designs umgesetzt. Am Ende musste ich meinem Gefühl vertrauen. Dann haben wir den Sensor angeschlossen - und er hat auf Anhieb gepasst. In dem Moment hat es sich angefühlt, als wären wir auf dem Mond gelandet. Dieser Erfolg war nur möglich dank der großartigen Zusammenarbeit aller Beteiligten.
Was ist aufgrund dieser Erfahrungen der wichtigste Ratschlag, den Sie jungen Menschen geben würden, die sich für eine Karriere in der Wissenschaft interessieren?
Verlasst eure Komfortzone, seid mutig und vertraut auf eure Fähigkeiten.
Promovend*innen im Porträt
Die Promotion ist oft Sprungbrett für eine akademische Karriere und öffnet Türen in Industrie und Wirtschaft. Aber wie fühlt sich der Weg zur Doktorarbeit wirklich an? Welche Chancen, Herausforderungen und Erfahrungen bringt eine Promotion an der TU Ilmenau mit sich? In unserer neuen Serie ,,Promovend*in des Monats" geben junge Wissenschaftler*innen persönliche Einblicke in ihre Promotion, ihre Motivation und ihre Zukunftspläne.Rebecca Petrich absolvierte einen Bachelor in Biomedizinische Technik und einen Master in Microand Nanotechnologies an der Technischen Universität Ilmenau und ist derzeit wissenschaftliche Mitarbeiterin am Institut für Mikround Nanotechnologien (IMN) MacroNano der Universität, wo sie ihre Dissertationsschrift zu einem Forschungsauftrag der Endress + Hauser SE + Co. KG., der Entwicklung eines neuartigen Magnetometers im Projekt ,,XMEN", verfasst. Als Sprecherin im IMN Graduiertenkolleg und stellvertretende Vorstandsvorsitzende des Fördervereins für Mikround Nanotechnologien Ilmenau e.V. möchte sie vor allem den Austausch zwischen Wissenschaft und Wirtschaft fördern. So hat sie unter anderem eine Stellenund Projektbörse mit Unternehmen mitinitiiert und organisiert jährlich den PhD Day an der TU Ilmenau mit, eine Weiterbildungsund Networkingveranstaltung zur Förderung von Promovierenden.
