MEMS Herstellung, Bauformen, Realisierungen

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1 MEMS Herstellung, Bauformen, Realisierungen Ralf Drescher Seminar MEMS 1 / 41

2 Welche Themen werden behandelt? 1. Einleitung - Was sind MEMS? 2. Basistechnologien der Mikrosystemtechnik 2.1 Lithographiebasierte Verfahren 2.2 Miniaturisierung herkömmlicher Fertigungsverfahren 2.3 Hilfsverfahren 3. MEMS - Grundstrukturen und deren Funktionsweise 3.1 Wichtige Theoretische Erkenntnisse 3.2 Membrane 3.3 Feder-Masse-Systeme 3.4 Combdrives 4. Fallbeispiele 4.1 Beschleunigungssensor 4.2 Drucksensor 5. Ausblick: Lab-on-a-Chip Ralf Drescher Seminar MEMS 2 / 41

3 1. Was sind MEMS? Mikro Elektro Mechanische Wie der Name schon nahelegt, handelt es sich bei MEMS um miniaturisierte Systeme mit sowohl elektrischen/elektronischen als auch mechanischen Komponenten Systeme Bubble Jet Druckkopfdüse Heizelement Ø 40µm Tintenreservoir Ralf Drescher Seminar MEMS 3 / 41

4 2. Basistechnologien der Mikrosystemtechnik 2.1 Lithographiebasierte Verfahren Fotolithographie LIGA Lithographie, Galvanik, Abformung Elektronenstrahlstrukturierung 2.2 Miniaturisierung herkömmlicher Fertigungsverfahren 2.3 Hilfsverfahren Thin Film Deposition and Doping Wet Chemical Etching Dry Plasma Etching Surface Micromachining Sacrificial Layers Ralf Drescher Seminar MEMS 4 / 41

5 2.1.1 Fotolithographie Vorteile: Weitverbreitete Technologie Kostengünstig bei Massenfertigung Mechanik & Elektronik in einem IC Strukturbreiten bis in den nm-bereich Nachteile: Nur flächige Strukturen möglich Materialien sind von der verwendeten Technologie abhängig Ralf Drescher Seminar MEMS 5 / 41

6 2.1.2 LIGA Lithographie, Galvanik, Abformung Bei diesem im Forschungszentrum Karlsruhe entwickelten Verfahren wird eine relativ dicke Schicht röntgenempfindlichen Kunststoffs (meist PMMA = Plexiglas) auf einem Metallträger mit Hilfe von Röntgentiefenlithographie (1:1 Maske!) belichtet. Die nach dem Ätzen entstandene Form Durch den metallischen Träger besteht nun die Möglichkeit an diesen galvanisch Metall anzulagern. Ralf Drescher Seminar MEMS 6 / 41

7 2.1.2 LIGA Lithographie, Galvanik, Abformung (Fortsetzung) Setzt man den Galvanisierungsvorgang fort, bis sich eine Dicke Metallschicht auf der Oberfläche gebildet hat......erhält man entweder das gewünschte Bauteil aus Metall......oder eine Metallform, die zum Spritzgiessen oder Heissprägen von Kunststoffen dienen kann. Ralf Drescher Seminar MEMS 7 / 41

8 2.1.2 LIGA Lithographie, Galvanik, Abformung (Fortsetzung) Vorteile: Sehr hohes Aspektverhältnis - je nach Struktur bis zu ! und eine Oberflächenqualität im Submikrometerbereich Strukturhöhen bis zu 3mm Grosse Materialpalette: Kunststoffe, Metalle, Keramiken Nachteile: Zwingend: Direktbelichtung mit 1:1 Maske Herstellung von 1:1 Masken ist sehr teuer Erst ab sehr grossen Stückzahlen wirtschaftlich Ralf Drescher Seminar MEMS 8 / 41

9 2.1.3 Elektronenstrahlstrukturierung Ein Elektronenstrahlschreiber steuert einen (geformten) Elektronenstrahl rasterförmig über einen elektronenempfindlichen Resist. Leider ist dieses serielle Schreiben sehr zeitaufwendig und eignet sich deshalb nicht für die Massenproduktion. Unverzichtbar ist diese Verfahren allerdings für die Herstellung hochauslösender Masken (z.b. für die Röntgentiefenlithografie aus 2.1.2) oder die Produktion von Prototypen. Die Auflösungsgrenze liegt bei etwa 10-20nm. Ralf Drescher Seminar MEMS 9 / 41

10 2.2 Miniaturisirung herkömmlicher Fertigungsverfahren Fräswerkzeug mit einer Schnittbreite von 50 µm Durch Einsatz von CNC-Hochpräzisionsmaschinen ist es möglich viele der üblichen Formgebungsverfahren wie Schneiden Bohren Drehen Fräsen Sandstrahlen Laserabtragung Funkenerosion auch im mikrotechnologischen Bereich mit einer Genauigkeit von bis zu 1µm einzusetzen Ralf Drescher Seminar MEMS 10 / 41

11 2.2 Miniaturisirung herkömmlicher Fertigungsverfahren (Fortsetzung) Vorteile: Vollkommen 3-dimensionale Strukturen möglich kostengünstige Fertigung von Prototypen Grosse Materialpalette Nachteile: Feinste Stukturen nur etwa µm (1 bis 2 Grössenordnungen grösser als bei lithographischen Verfahren) Jedes Werkstück muss einzeln gefertigt werden Kosten bei Massenfertigung sinken nicht so stark wie bei lithographischen Verfahren Aspektverhältnis je nach Material nur 1-10 Laserstrukturiertes menschliches Haar Ø 60µm Ralf Drescher Seminar MEMS 11 / 41

12 2.3.1 Thin Film Deposition and Doping Ziel dieser Verfahren: An- bzw Einlagerung von Fremdstoffen an/in Siliziumstrukturen zwecks Herstellung von Leitern Widerständen Opferschichten Maskierungsschichten Folgende Verfahren werden anschliessend kurz vorgestellt: Silicon Dioxide ( oxide ) CVD Chemical Vapour Deposition Evaporation (Bedampfung) Sputter Deposition Doping (Dotierung) Ralf Drescher Seminar MEMS 12 / 41

13 2.3.1 Thin Film Deposition and Doping (Fortsetzung) Silicon Dioxide ( oxide ) Oxidation von Silizium in einer O 2 - oder einer H 2 O -Atmosphere (800 C 1200 C). Verwendung als Masken- und als Opferschicht (Sacrificial Layer). Problem: Volumenzuwachs der Struktur. Eine Oxidschicht der Dicke d verbraucht eine Siliziumschicht der Dicke 0,44d. => Oberfächenspannungen. Einsatz nur bei spannungsunempfindlichen Strukturen. Besondere Verfahren: LOCOS ( LOCal Oxidation of Silicon ): Oxidation begrenzt auf Fläche, die nicht von einer Maskenschicht (z.b. Silicon nitride ) abgedeckt ist. SIMOX ( Separation by IMplantation of OXigen ): Einbringen von Sauerstoff in tiefere Schichten des Wafers mit Hilfe von Ionenimplantation. Ralf Drescher Seminar MEMS 13 / 41

14 2.3.1 Thin Film Deposition and Doping (Fortsetzung) CVD Chemical Vapour Deposition Gasförmige Ausgangsverbindungen ( Precursor ) werden an heissen Wafern vorbeigeleitet. Chemische Struktur bricht auf; nichtflüchtige Anteile des Precursors lagern sich ab, flüchtige werden abgesaugt. Unterstützende Massnahmen: Zuführung von zusätzlicher Energie durch Plasma oder Laser, Senkung des Umgebungsdrucks Wird verwendet zum Auftragen von: - Polysilizium - Siliziumnitrid ( nitride ) - PSG ( phosphor silicate glass => Opferschicht) Ralf Drescher Seminar MEMS 14 / 41

15 2.3.1 Thin Film Deposition and Doping (Fortsetzung) Evaporation (Bedampfung) Aufzudampfendes Material wird durch Erhitzen in den gasförmigen Zustand überführt und kondensiert dann auf dem kalten Wafer. Max. Temperatur: etwa 1200 C (=> Materialauswahl) Materiale hauptsächlich Elemente, da die Zusammensetzung beim Aufdampfen von Stoffgemischen schwer zu steuern ist. Mögliche Heizquellen sind z.b. Elektronenstrahl oder ein Wolframfaden. Elektronenstrahlverdampfer Ralf Drescher Seminar MEMS 15 / 41

16 2.3.1 Thin Film Deposition and Doping (Fortsetzung) Sputter Deposition Plasmafeld zwischen zwei geladenen Platten generiert Ar + -Ionen. Diese treffen mit hoher kinetischer Energie auf das negativ geladene Target (Kathode) und schlagen Atome aus dem Atomgitter, die sich auf dem Wafer (Anode) ablagern. Doping (Dotierung) Einbringen von Fremdatomen (z.b. Phosphor, Bor) in das Siliziumgitter zwecks Veränderung der elektrischen aber auch mechanischen und chemischen Eigenschaften. 2 Hauptverfahren: Ionenimplantation und Diffusion Ralf Drescher Seminar MEMS 16 / 41

17 2.3.2 Wet Chemical Etching Einführung ins Ätzen von Mikrostrukturen: Bei allen Ätzverfahren, die bei der Fertigung von ICs und MEMS verwendet werden unterscheidet man zwei grosse Hauptgruppen: isotrope und anisotrope Während isotrope Ätzverfahren gleichmässig in alle Richtungen ätzen, wodurch es zu Unterätzungen kommen kann (siehe Abb.), tragen anisotrope Ätzverfahren das zu ätzende Material z.b. senkrecht zur Waferoberfläche oder entlang von Atomebenen ab. Ralf Drescher Seminar MEMS 17 / 41

18 2.3.2 Wet Chemical Etching (Fortsetzung) Ältestes Verfahren in der Mikrosystemtechnik Verwendete Ätzbäder sind z.b. HF- und HNO 3 - Lösungen (sehr korrisiv!!!) Setzt Existenz von Materialien voraus, die gut mit der Siliziumfertigung harmonieren, aber von der Ätzlösung nicht angegriffen werden. Für o.g. Lösung dient z.b. Siliziumnitrid als Maskenmaterial Bei Strukturen im Submikrometer-Bereich spielt dieses Verfahren keine sehr grosse Rolle mehr, da sich mit anisotropischen Trockenätzverfahren eine deutlich höhere Genauigkeit erreichen lässt. Oberhalb des µm-bereichs weiterhin sehr wichtig, da einfacher, billiger, sauberer (=> selektives Entfernen von Resist). Ralf Drescher Seminar MEMS 18 / 41

19 2.3.2 Wet Chemical Etching (Fortsetzung) Wichtiger Faktor beim Nassätzen: der Ätzstopp Da sich das Ätzverhalten zwischen dotiertem und undotiertem Silizium unterscheidet, kann man diese Eigenschaft nutzen, um einen Ätzvorgang bzgl. der Ätztiefe zu begrenzen. Dies geschieht mit Hilfe von dotierten Siliziumlagen, die z.b. per Ionenimplantation in der gewünschten Tiefe erzeugt wurden. Ebenfalls als Ätzstopp verwendet werden vergrabene SiO 2 -Schichten (=> SIMOX). Resist Silizium Dot. Silizium Silizium (Substrat) Ralf Drescher Seminar MEMS 19 / 41

20 2.3.3 Dry Plasma Etching Anisotropische Ätzverfahren Ätzrichtung ist durch den Ionenfluss vorgegeben Wichtigstes Verfahren zur Erstellung von hohen Strukturen mit geraden Wänden Das Grundprinzip haben alle Plasmaätzverfahren gemeinsam: Im Plasma generierte Ionen werden von umgekehrt geladenem Substrat angezogen und gehen mit dem zu ätzenden Material eine flüchtige Verbindung ein, die abgesaugt wird. Ionen werden immer senkrecht zum Wafer beschleunigt => sie treffen in erster Näherung nie die Wände. Unterschiede zwischen den Verfahren liegen z.b. in der Wahl der Ionenquelle, den chemischen Zusätzen und dem Arbeitsdruck. Ralf Drescher Seminar MEMS 20 / 41

21 2.3.3 Dry Plasma Etching (Fortsetzung) Beispiel: RIE Reactiv Ion Etching Plasma besteht aus 3 Komponenten: SF 6 => F* Radikale O 2 => O* Radikale CHF 3 => CF x + Ionen Jede der Komponenten hat eine spezielle Aufgabe: F* ätzt chemisch Silizium zu flüchtigem SiF 4 O* passiviert die Si-Oberfläche mit SiO x F y CF x + löst die SiO x F y Schicht vom Boden und bilden das flüchtige CO x F y Das Verhältnis aus diesen 3 Reaktionen bildet nun die Grundlage für eine Reihe von Variationsmöglichkeiten, die sich hauptsächlich in der Qualität der Wände auswirken. Ralf Drescher Seminar MEMS 21 / 41

22 2.3.3 Dry Plasma Etching (Fortsetzung) Wie bekomme ich nun aber schöne gerade Wände? Lösung: Black Silicon Method Mikrograss zu viel O 2 zu wenig Farbe/Oberfläche grau glatt schwarz Ralf Drescher Seminar MEMS 22 / 41

23 2.3.4 Surface Micromachining Sacrificial Layers (Opferschicht) Wie fertige ich Gebilde, die auf grossen Flächen vom Substrat getrennt sind und nur von wenigen Aufhängungspunkten gehalten werden? Dies erreicht man mit so genannten Opferschichten Das Verfahren ist einfach: Auftragen der Opferschicht Formen der Opferschicht Auftragen der Baustrukturschicht Formen der Baustrukturschicht selektives Wegätzen der Opferschicht Ralf Drescher Seminar MEMS 23 / 41

24 2.3.4 Surface Micromachining Sacrificial Layers (Fortsetzung) Im Zusammenhang mit den Opferschichten gibt es eine Interessante Anwendung von CVD: Geschlossene Hohlräume Wie wir gerade eben gelernt haben, erzeugt man Hohlräume mit Opferschichten. Möchte man aber eine geschlossene Struktur um die Opferschicht haben, hat man das Problem, dass man die Opferschicht nicht mehr wegätzen kann... Lösung: 1. feine Löcher lassen, durch die die Ätzflüssigkeit eindringen kann. 2. Verschliessen der Löcher nach dem Ätzen mit CVD Ralf Drescher Seminar MEMS 24 / 41

25 3. MEMS - Grundstrukturen und deren Funktionsweise 3.1 Wichtige theoretische Erkenntnisse 3.2 Membrane 3.3 Feder-Masse-Systeme 3.4 Combdrives Ralf Drescher Seminar MEMS 25 / 41

26 3.1 Wichtige theoretische Erkenntnisse Bei der Miniaturisierung von mechanischen und elektrischen Konstruktionen gilt zu beachten, dass sich die meisten physikalischen Eigenschaften nicht linear mit der Grösse ändern! Flächen ~ l 2 Volumen (und damit z.b. auch die Masse) ~ l 3. Eine für MEMS sehr wichtige Grösse ist z.b. das Durchbiegen eines Stabs unter seinem eigenen Gewicht ζ. ζ ~ l 2, was zur Folge hat, dass eine Struktur die 10 mal kleiner ist sich 100 mal weniger durchbiegt. Sie ist also deutlich steifer als die grössere Struktur. Ralf Drescher Seminar MEMS 26 / 41

27 3.1 Wichtige theoretische Erkenntnisse (Fortsetzung) Mit dieser Erkenntnis können wir nun auch erklären, warum bei dieser Struktur unten die quadratische Masse allein von 2 kleinen Auslegern gehalten werden kann, ohne auf dem Boden aufzuliegen... Ralf Drescher Seminar MEMS 27 / 41

28 3.2 Membrane Erster Ansatz zum Messen an einer Membran: Piezowiderstand Membran Kapazitive Messung: Membran Verbesserung: gleiche Membranlast, doppelte Widerstandsänderung: Piezowiderstand Membran Kondensatorplatten Hauptanwendungesgebiet für Membrane sind Kraft- und Drucksensoren (passiv) aber auch Mikropumpen (aktiv). Ralf Drescher Seminar MEMS 28 / 41

29 3.2 Membrane (Fortsetzung) Fertigungsschritte: Erweiterung des Messbereichs durch Kraftkompensation: F Membran mit Verschiebungsdetektor Verstärker v out F E Rückstelleinrichtung für Membran Die Rückstelleinrichtung verhindert, dass die Membran mit dem Trägermaterial in Berührung kommt, was das Ende des Messbereichs bedeutet. Ralf Drescher Seminar MEMS 29 / 41

30 3.3 Feder-Masse-Systeme Prinzip: F=k*x F=m*a => a=k*x/m m x Bauformen: Piezowiderstand m Wir sehen: Unter optimalen Bedingungen ist die Beschleunigung, die die Masse m erfährt proportional zur Verschiebung x. Hauptanwendungsgebiet sind Beschleunigungssensoren. m C Ralf Drescher Seminar MEMS 30 / 41

31 3.4 Combdrives Prinzip: a) & b) c) & d) a) Kapazitiver Verschiebungssensor in x-richtun x,f y z x C 1 C 2 F => C 1 > C 2 Combdrives können verschiedene Funktionen erfüllen: Kapazitiver Verschiebungssensor in x-richtung Verschiebungsaktuator in x-richtung Rotationsaktuator um x-achse Hebeaktuator in z-richtung b) Verschiebungsaktuator in x-richtung U 1 U 2 U 1 U 2 x,f U 1 > U 2 => F Ralf Drescher Seminar MEMS 31 / 41

32 3.4 Combdrives (Fortsetzung) c) Rotationsaktuator um x-achse F U U => F d) Hebeaktuator in z-richtung F U U => F Ralf Drescher Seminar MEMS 32 / 41

33 4. Fallbeispiele (Realisierungen) Eine grosse Packung Gummibärchen für denjenigen der mir folgende 3 Fragen (richtig) beantworten kann*: 1. Welche Grundstrukturen werden hier verwendet? 2. Was für eine Art von Sensor ist diese Struktur? 3. Wozu sind die ganzen Löcher gut? * Sorry, Professoren und andere Titelträger sind leider ausgeschlossen ;-) Ralf Drescher Seminar MEMS 33 / 41

34 4.1 Beschleunigungssensor (Lösung) Bei vorangegangener Struktur handelt es sich um den 2-Achsen- Beschleunigunssensor ADXL202(E) der Firma Analog Devices. Ein paar technische Daten: Messbereich: ±2g Auflösung: 5mg Betriebsspannung: 3V 5,25V Stromaufnahme: <0,6mA Struktur überlebt Beschleunigungen bis 1000g Gehäuse: 5 x 4,5 x 1,78 mm Gewicht: <1 Gramm Preis (ab 100 St.) 10,20$ Zu finden in: Microsoft Freestyle Pro Gamepad Als Messgrösse dient hierbei der Anteil der Erdbeschleunigung, der sich beim Neigen des Pads auf den Sensor auswirkt. Ralf Drescher Seminar MEMS 34 / 41

35 4.1 Beschleunigungssensor (Fortsetzung) Wichtigere Anwendungsgebiete: KFZ-Sicherheitstechnik: - Airbagsteuergeräte (Crashdetektion) - ESP-Steuergeräte Motiontracking-Systeme für VR-Anwendungen BlueTrak der Uni Bonn Systemüberwachung von Maschinen (Messung von Vibrationen) Ralf Drescher Seminar MEMS 35 / 41

36 4.2 Drucksensor Poly-Si Dehnungsstreifen Nitride Membran Anschluss (Metall) Vakuum/Referezdruck Poly-Si Dehnungsstreifen Nitride Membran Ralf Drescher Seminar MEMS 36 / 41

37 4.2 Drucksensor (Fortsetzung) Anwendungsgebiete: Chemische Industrie - Prozessüberwachung Sensorik für Flugzeuge (Höhenmesser, Barometer) Medizintechnik - von Einwegblutdrucksensoren bis zu Blutdrucküberwachungssensoren in Herzkatheterspitzen (Bild) Ralf Drescher Seminar MEMS 37 / 41

38 5. Ausblick Lab-on-a-chip Gegenstand vieler Forschungsarbeiten Abfolgen von chemischen und biologischen Prozessen werden in einem Chip realisiert Spart Energie, Hilfschemikalien, Laborfläche und Arbeitskräfte Geräte werden transportabel (z.b.: Analyse von DNA noch am Ort eines Verbrechens) Verfahren lassen sich einfach parallelisieren Ralf Drescher Seminar MEMS 38 / 41

39 5. Ausblick Lab-on-a-chip (Fortsetzung) Heizelement Membran Mikropumpe zum Transport von Flüssigkeiten im Chip Mit LIGA-Technologie hergestellte Miniturbine zum Messen von Gasdurchfluss Ralf Drescher Seminar MEMS 39 / 41

40 Ende Ralf Drescher Seminar MEMS 40 / 41

41 Literaturverzeichnis Mechanical Microsensors - Elwenspoek, Wiegerink Einführung in die Mikrosystemtechnik Völklein, Zetterer VLSI-Skript WS02/03 TI Uni Mannheim Prof. Fischer Comparison of Bosch and cryogenic processes for patterning high aspect ratio features in silicon by Martin J. Walker - Oxford Instruments Plasma Technology Micromachined Mirrors by Robert Alan Conant, Berkeley 1993, Ralf Drescher Seminar MEMS 41 / 41