Der Spanische Rat für Wissenschaftliche Forschung (CSIC) hat den Bereich Quanten-Nanofabrikation im Reinraum des Instituts für Mikroelektronik in Barcelona eröffnet. Die neue Einrichtung ist darauf ausgelegt, Strukturen, Bauteile und Schaltungen im nanometergenauen Maßstab zu erzeugen und zu analysieren, die für Quanten Technologien und fortschrittliche Mikroelektronik bestimmt sind. Das CSIC präsentiert sie als die größte spanische Forschungsinfrastruktur dieser Art.
Die Umgestaltung hat eine Investition von über 6 Millionen Euro erhalten. Die Mittel stammen aus dem PERTE Chip und dem Plan Complementario de Comunicaciones Cuánticas, mit europäischer Finanzierung aus Next Generation EU. Die Ausstattung wird der nationalen und internationalen wissenschaftlichen und technologischen Gemeinschaft zur Verfügung stehen, einschließlich Unternehmen, die Prototypen entwickeln oder validieren müssen, ohne über einen eigenen Reinraum zu verfügen.
Das fortschrittlichste Elektronenstrahllithografiesystem, das in Spanien installiert ist
Das zentrale Element des Bereichs ist ein Elektronenstrahl-Lithografiesystem EBPG 5150Plus. Diese Technik verwendet einen Elektronenstrahl, um direkt Muster von extrem kleiner Geometrie auf ein für den Prozess vorbereitetes Substrat zu zeichnen. Sie ermöglicht Arbeiten mit Geometrien, die mit herkömmlichen optischen Methoden schwer zu realisieren wären, und erweist sich als nützlich bei der Entwicklung von Quanten-Schaltkreisen, fotonischen Bauteilen und Sensoren.
Der Hersteller Raith gibt für diese Baureihe eine Spannenstärke von 100 kV, Strahlströme von bis zu 350 nA und eine Lithografieauflösung unter 5 Nanometern an. Zudem unterstützt er automatisierte Belichtungen von Wafern und mehreren Proben, mit automatischen Parameterwechseln und Kalibrierungsvorgängen.
Die Anlage integriert SEM/EBL-Mikroskope und ein Rasterkraftmikroskop (AFM). Diese Geräte ermöglichen es, Strukturen in den verschiedenen Fertigungsphasen zu inspizieren und ihre Merkmale im Nanometermaßstab zu vermessen. Die Fähigkeit, Muster zu erstellen und das Ergebnis innerhalb derselben Infrastruktur zu überprüfen, reduziert die Abhängigkeit von externen Laboren während der Iterationen eines Prototypen.
Eine Prototypenfabrik für Forschung und Unternehmen
Der neue Raum sollte nicht mit einer kommerziellen Anlage verwechselt werden, die große Stückzahlen von Halbleitern produziert. Seine Aufgabe besteht darin, Forschung, Entwicklung, Charakterisierung und fortgeschrittenes Prototyping zu erleichtern. Die Nutzer können Materialien, Prozesse und Entwürfe testen, bevor eine breitere Fertigung in Erwägung gezogen wird. Dieser geteilte Zugang gewinnt im Quantenbereich besondere Bedeutung, da die Kosten der Ausrüstung und die Arbeitsbedingungen es erschweren, dass jede Gruppe eine eigene Produktionslinie betreibt.
Der Bereich gehört zur Reinraum-Mikro- und Nanofabrikation des IMB-CNM und zur Singulären Wissenschaftlich-Technischen Infrastruktur Micronanofabs. Das Institut verfügt über vier Jahrzehnte Erfahrung in Design und Fertigung von Mikroelektronik.
Der Projektumfang sieht eine zweite Phase vor. Das CSIC erklärt, dass in den kommenden Monaten eine weitere Erweiterung beginnen wird, finanziert durch die Ausschreibung Singulars Institucionals, das Departement für Forschung und Universitäten der Generalitat de Cataluña und das FEDER-Programm von Katalonien 2021-2027. Die Institution hat bislang noch nicht im Detail mitgeteilt, welche neuen Geräte integriert werden sollen oder welcher vollständige Zeitplan dieser Maßnahme zugrunde liegt.
Vom Gerätdesign zur potenziellen industriellen Nutzung
Die Verfügbarkeit für Forschende und Unternehmen zielt darauf ab, einen der schwierigsten Schritte der Technologietransfer abzudecken: Aus einem experimentellen Entwurf ein herstellbares, messbares und reproduzierbares Gerät zu machen. Bei Quanten-Technologien kann schon eine minimale Abweichung während der Herstellung das Verhalten des Bauteils verändern. Der Zugriff auf Lithografie- und Metrologie mit hoher Präzision in einer zugänglichen Einrichtung ermöglicht es, Prozesse zu vergleichen und Entwürfe zu korrigieren, bevor man eine andere Größenskala anstrebt.
Das CSIC verknüpft diese Fähigkeit mit zukünftigen Anwendungen in Quantenrechnen, sicheren Kommunikationssystemen, Sensorik, Energie und medizinischen Geräten.
Sie ergänzt zudem weitere Quanteninitiativen in Spanien. Das Barcelona Supercomputing Center beherbergt integrierte Quanten-Systeme mit MareNostrum 5, während sich das IMB-CNM hier auf die Fertigung und Charakterisierung von Bauelementen konzentriert. Es handelt sich um unterschiedliche Aufgaben innerhalb derselben technologischen Kette: Eine Infrastruktur führt Arbeitslasten aus, während die andere erforscht, wie Bauteile hergestellt werden können.
QuARC-CSIC wird 36 Forschungsgruppen koordinieren
Die Einweihung fügt sich in die vom CSIC vorgestellte Strategie für Wissenschaft und Quanten Technologien ein. Innerhalb dieser Strategie wurde QuARC-CSIC gegründet, das Zentrum für Quantenwissen und -technologien, das Kapazitäten aus verschiedenen Zentren vereint. Sein physischer Sitz wird in Madrid sein, doch wird es mit Instituten anderer Regionen zusammenarbeiten, einschließlich des IMB-CNM.
QuARC-CSIC wird sich auf die Interdisziplinäre Thematische Plattform QTEP-CSIC stützen, die 36 Forschungsgruppen aus 21 Instituten in neun autonomen Gemeinschaften vereint. Zu ihren Zielen gehören das Öffnen neuer Arbeitslinien, die Koordination nationaler und internationaler Kooperationen, die Erleichterung der Technologietransfer und die Unterstützung bei der Gründung von Unternehmen.
Der neue Bereich in Barcelona ergänzt diese Struktur durch eine konkrete physische Fähigkeit: die Herstellung und Messung von Geräten mit nanometergenaue Präzision innerhalb Spaniens. Nach der Investition von über 6 Millionen Euro wird die nächste relevante Kennzahl die Zahl der öffentlichen und privaten Projekte sein, die die Anlage nutzen, sowie die Prototypen, die die Laborphase überwinden.
