Mikroelektronik und Mikrosystemtechnik völlig neue Dimensionen der Miniaturisierung

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1 Mikroelektronik und Mikrosystemtechnik völlig neue Dimensionen der Miniaturisierung Inhalt Silizium als Baumaterial der Elektrotechnik Mikroelektronik gestern und heute Silizium kann mehr bewegliche Elemente Wandlerelemente für Messfühler Beispiel 1: Inertialsensoren Beispiel 2: Mikrospiegel Andere Materialien neue Möglichkeiten Visionen für die Zukunft TU Chemnitz, Zentrum für Mikrotechnologien Fraunhofer IZM Chemnitz Kontakt:

2 Fraunhofer Institute Reliability and Microintegration Branch Chemnitz Chemnitz University of Technology MEMSFAB CHEMNITZ

3 Nano Mikro - Makro Smart Systems Integration Bridging the Gap between Chip and Application [nm], [µm] Nanostructures to [m] Application 1000 nm = 1 µm 1000 µm = 1 mm 1000 mm = 1 m

4 Halbleiter als Grundmaterial der Elektronik Si Si Si P B Si undotiert Si n-dotiert Si p-dotiert n p n p n Diode Transistor (bipolar)

5 1947 The First Transistor 23. Dezember 1947 W. Shockley, John Bardeen and Walter Brattain Nobelpreis 1956

6 First Chip based on Planar (Silicon) Technology Fairchild Semiconductor First Integrated Circuit available as a monolithic Chip Resistor-Transistor Logic (RTL) Product

7 a new era of integrated electronics i4004 int e l annonciert die Entwicklung des Microprocessors 2250 Transistoren 4 bit Microprocessor 4 Informationsbits gleichzeitig bei einer Rate von 0.06 MHz 10 µm Technology

8 1981 The First PC IBM PC 5150 i8088 processor mit 4.77 MHz There is no reason for any individual keine Festplatte to have a computer in their home. $ 2880 mit 64 kbytes RAM Vorläufer (5100 von 1975) kostete $ Ken Olson, 1977 President, 29 Chairman 000 Transistoren; and Founder 3 µm of Technology Digital Equipment Corp. 640 k ought to be enough for anybody Bill Gates, 1981 (though today he denies he said it)

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10 small, small World It`s a small, small

11 Front End of Line Vorraussetzung: Design des Layouts Definition der Leistungsfähigkeit Erzeugung der kleinsten Strukturen vom Wafer Verträglichkeit der Prozess und Materialien

12 Back End of Line

13 Nanoelectronics road to 2015 (1) More Moore Source: A. Ionescu, European NanoDay 2007

14 More than moore/smart Systems

15 Vom Sand zum Silizium-Einkristall SiO 2 + 2C Si +2CO K Source: Christian Heedt; Wacker Siltronic AG; 4. Dresdner Sommerschule Mikroelektronik 2003

16 Vom Sand zum Silizium-Einkristall Schleifen der Oberfläche des Einkristalls Sägen in Scheiben Abrunden der Kanten abwechselnde Schleif- und chemische Bearbeitung der Oberflächen mechanisches Beschädigen der Rückseite mit Ausheilen Polieren End-Cleaning Weiterbearbeitung nach Kundenwunsch Wie eben muß ein Wafer sein? Wenn ein 200 mm Wafer so groß wie Deutschland ist, wie hoch dürfte die Zugspitze sein? 6 mm!

17 Fertigung im Reinraum Herstellung vieler Elemente auf einem Wafer Wafergrößen: 4, 6, 8, 300 mm Abscheidung dünner Schichten (nm µm) Fotolithografie Erzeugung von Strukturen Ätzprozesse Montage mehrere Wafer (Bonden) Vereinzeln/Verdrahten/Verpacken

18 Herstellung Licht Si-Einkristall Maske Linse Chip nach Lackentwickeln Dünnschicht Struktur Si-Wafer Si-Wafer Wafer mit Fotolack Chip nach Ätzen der Schicht

19 Herstellung Dotieren des Si (Hineinschießen en von P oder B) Chip nach Abscheiden und Strukturieren einer weiteren Schicht Aufbringen und Strukturieren der Kontakte (Al) Zersägen (Diamantsäge- blatt) ) in einzelne Chips Entfernen der Lackschicht

20 Silizium vielseitiger Werkstoff für f r Mikroelektronik und Mikrosystemtechnik Inhalt Silizium als Baumaterial der Elektrotechnik Mikroelektronik gestern und heute Silizium kann mehr bewegliche Elemente Wandlerelemente für Messfühler Beispiel 1: Inertialsensoren Beispiel 2: Mikrospiegel

21 Silizium vielseitiger Werkstoff in ausreichender Menge und guter Qualität verfügbar ausgereifte Fertigungstechnologien hervorragende mechanische Eigenschaften (Anisotropie beachten!) linear-elastisches Materialverhalten bis zum Bruch Dichte E-Modul [100] [110] [111] Gleitmodul Zugfestigkeit Si-Wafer Mikrostrukturen Bruchzähigkeit <100> <110> <111> Härte (Mohs) 7, kg/m³ 130 GPa 169 GPa 188 GPa 70 GPa < 7 GPa GPa < 1 GPa 0,95 MPa m 0,5 0,9 MPa m 0, MPa m 0,5 Kristallgitter: kubisch-flächenzentriert

22 3D-Strukturierung Anisotropes nasschemisches Ätzen in KOH (30%, 60 C/80 C) {111}-Fläche, {100}-Fläche Böschungswinkel 54,7 Maske Si-Oberkante Si-Unterkante d t RIE-Plasmaätzen (ASE-Multiplexprozess) 1. Passivierung (C 4 F 8 ) 2.a) Öffnung Grabenboden 2.b) Isotropes Si-Ätzen (SF 6 )

23 Deep Dry Etching of Si The Bosch Multiplex Process Deep structures for large signals Optimisation of dry etching processes for trenches with high aspect ratio (25:1) (50 µm standard, 80 µm proven) 56 µm 2 µm

24 Commercialized MEMS in Automotive Applications Robert Bosch GmbH Reutlingen Hot-film air flow sensor Electronic motor control Pressure sensors for air pressure, take in pressure, combustion room pressure Surface micromechanics for angular rate sensors and acceleration sensors Airbag sensor

25 Signalwandlung für f r Messfühler Veränderlicher Widerstand Veränderliche Kapazität Si-Feder Veränderlich: Länge l, spez. Widerstand ρ (Querschnitt A) R = ρ l A Veränderlich: Länge l, Breite b Plattenabstand d ε Dielektrizitätskonstante (8,86 x AS/Vm Luft) lb C= ε F = d 2 U ε lb 2 d

26 + hohe Sensitivität + hohe Dynamik + leistungsarme Ansteuerung + elektrostatische Krafterzeugung und kapazitive Detektion kombinierbar 1. Abstandsvariation (parallel) d 0 Das kapazitive Wandlerprinzip w U Großes dc/dw nichtlineare Kennlinie d 0 α Fläche A 2. Abstandsvariation (Winkel) U Beispiel: Drucksensor Großes dc/dα nichtlineare Kennlinie d 0 3. Flächenvariation le w Breite b, Länge l U Breite b Beispiel: Mikrospiegel Kleines dc/dw lineare Kennlinie im Überdeckungsbereich Beispiel: Beschleunigungss.

27 Krafterzeugung mit elektrischem Feld

28 Beispiel 1: Beschleunigungssensor Sensorprinzip: Kraftwirkung auf eine träge Masse: F = m a Deckplatte C1 bewegliche Elektrode x = F/k d0 x Grundplatte F Siliziumfeder C2 feste Elektroden Auswertung der Kapazitätsänderung (1) ε A C 1 = + d 0 + x Cpar Rahmen Feder Masse ε A (2) C 2 = + d 0 x ( 3) C = C1 C 2 Cpar Elektrode

29 Bewegungsverhalten des Feder-Masse Masse-Systems FEM simulation of the mechanical behaviour Rahmen Feder Masse First natural mode (used) e.g. 220 Hz Second natural mode (e.g. 4 khz) Elektrode Siliziumfeder (Biegebalken): Federkonstante k abhängig von E-Modul, Länge, Breite und Dicke Lineares Verhalten

30 Montage aus mehreren Waferebenen First bonding step Fourth bonding step Pendel aus einkristallinem Si mit 10 µm dicken Federn Thirth bonding step Second bonding step Komplettiertes Sensorchip mit Stirnseitenanschlüssen Größe (6 x 6 x 1,2) mm³

31 Aufbau Glas-Silizium-Glas Glaswafer Waferverbund Chip (10 mm x 7 mm x 2 mm)

32 Technologievariante mit Trockenätzen movable electrode l e fixed electrode Bewegliche Masse des Sensors in AIM- Technologie Gap d 0

33 AIM-Technologie: Sensorprototypen low g AIM7 sensor with IMD 9801 ASIC CLCC44 AIM7E sensor with M ASIC (ELMOS) PLCC44 AIM5 sensor with AD7746 (24 Bit) > evaluation by HL Planar AIM5I sensor with CVC ASIC (GEMAC)

34 Sensor zur Messung langsamer Drehungen (Gyro( Gyro) Makro: Foucault sches Pendel Mikro: Sensor der Firma Bosch

35 Sensor zur Messung langsamer Drehungen (Gyro( Gyro) Kapazitive mikromechanische Sensoren: Gierwinkel für ESP Drehratensensor (Gyroscope) Navigation (IMU): > 500 $ KFZ-Anwendungen: 50 $ Low-cost Anwendungen: < 3 $ Nickwinkel Robert Bosch GmbH Zukünftige Anwendungsgebiete: Wankwinkel für Überroll-Detektion Inertial Measurement Unit (IMU) XSENS Motion Technologies, NL

36 Sensor zur Messung langsamer Drehungen (Gyro( Gyro) Kapazitive mikromechanische Sensoren: Gierwinkel für ESP Drehratensensor (Gyroscope) Navigation (IMU): > 500 $ KFZ-Anwendungen: 50 $ Low-cost Anwendungen: < 3 $ Nickwinkel Robert Bosch GmbH Wankwinkel für Überroll-Detektion Inertial Measurement Unit (IMU) XSENS Motion Technologies, NL Zukünftige Anwendungsgebiete:

37 Anwendung: Navigationssysteme LCR-93 (Firma LITEF): Attitude and Heading Reference System (3 faseroptische Gyros, 3 MEMS B-Messer)

38 Beispiel 2: Mikromechanische Spiegel Torsionsfeder 2α Spiegelplatte α d0 1 Feststehende Elektroden 2 3 1D-Torsionsspiegel (optische Fläche 3 mm x 2 mm)

39 Beispiel 2: Mikromechanische Spiegel 1D-Scanner (6 x 9 mm²): Resonanzfrequenz 500 Hz Kaskadierter 1D-Scanner Resonanzfrequenz 24 khz 2D-Scanner (3 x 3 mm²): Resonanzfrequenz 2,3 khz Streifenarray (6 x 0,25 mm²): Resonanzfrequenz 25 khz 2D-Spiegelarray (400 x 400 µm²): Resonanzfrequenz 16 khz

40 Beispiel 2: Mikromechanische Spiegel

41 5 x 5 Spiegelarray A1 A2 A3 B2 C3 Komponentenentwurf Systementwurf Applikation von Komponenten im System Theoretische und experimentelle Analyse bewegter Komponenten Zuverlässigkeit Schichtspannungen und Reflexions- verhalten an Scannerkomponenten

42 5 x 5 Spiegelarray Eigenschwingform des gesamten Mikrospiegelarrays Rotation um Längsachse L 1050 Hz

43 5 x 5 Spiegelarray Eigenschwingform des gesamten Mikrospiegelarrays Translation in z-richtung z 4100 Hz

44 Anwendung Scanner zur Bildprojektion Optical Engine Siemens VDO Automotive AG und BMW Scannereinheit (zweiachsig) Laser rot Laser IR Laser blau RGB Video- Controller NLO Spalte Zeile Scancontroller Bildebene

45 Anwendung Scanner zur Bildprojektion Fast axis scanner Mirror diameter 2.2 mm Maximum deflection: ± 5.5 deg. Scanning frequency: 15,79 khz 24,18 khz Slow axis scanner Mirror size: 2.5 mm x 11 mm Maximum deflection: ± 6 deg. Scanning frequency: Hz

46 Scanner für f r schnelle Achse

47 Scanner zur Bildprojektion

48 Scanner zur Bildprojektion: Texas Instruments Texas Instruments: Digital Mirror Device (DMD) für Projektionssystem - Binary operating cells (+10 and -10 ) - Active CMOS-addressing - Cell size: 16 µm x 16 µm - up to 1280 x 1024 cells - Materials: Al mirror, special hinge alloy - Fill-factor approx. 90%

49 New fields: MOEMS, BIOMEMS, MICROFLUIDICS Lamellar grating spectrometer (IMT Neuchatel) PCR-system (Institut für Mikrotechnik Mainz) Optical fibre switch (Sercalo Microtechnologies Ltd.) Lab on a chip for blood analysis (Univ. of Cincinnati)

50 Polymer basierte Chipkarte für die Bioanalyse Reader Cardridge/chip Application Electrical interface µf Actuator Channel Surface Funct. µfluidic Channel Substrate Biological interface Reader OLEDs Fluidicoptical interface SPR-Layer Biological Surface Functionalization Sample / Reagents Lab on the Chip - Siemens Waveguide Substrate Integrierte Chipkarte (Fluidik, Optik, Biochemie)

51 Polymer basierte Chipkarte für die Bioanalyse Abdeckfolie Aktuator Sammelstelle Bewegung der Flüssigkeit wird direkt auf dem Chip gesteuert: Gel-gefüllte Kavität 2 Elektroden Bei Anlegen einer Spannung wird 2 H 2 O zersetzt in H2 + O2 Gasblasen treiben Flüssigkeit in Kanal Reservoirs/ Proben µf Kanäle Optischer Sensor (später integriert) Polymer Chip mit interierter Pumpe

52 Examples of Smart Systems Integration: Sensor Networks Information on navigation Trafficinformation Office Virtual Secretary Personal Information business public transport Smart House communication with smart shoes transmitting information to your personal communicator and virtual secretary Smart briefcase & smart shoes serving as personal communicators

53 Examples of Smart Systems Integration: Wearable Sensors Smart Glasses Smart Briefcase Smart Cards Smart Watch Smart Shoe Personal Communicator

54 Neue Studiengänge nge Fakultät t für f Elektrotechnik und Informationstechnik Elektrotechnik und Informations- und Kommunikationstechnik mit dem Abschluss Bachelor of Science sechs Semester ab Wintersemester 2007 / 2008

55 Elektrotechnik mit dem Abschluss Bachelor of Science Basismodule Mathematisch-physikalische Grundlagen Elektrotechnische Grundlagen Informatik und Informationstechnik Technische Grundlagen Berufsfeldmodule Automatisierungstechnik Elektrische Energietechnik Mikrosystem- und Gerätetechnik Mikro- und Nanoelektronik Fachübergreifende nichttechnische Module Modul Praktische Ausbildung Modul Bachelor-Arbeit 1. bis 4. Semester 5. bis 6. Semester 2. bis 6. Semester 5. bis 6. Semester 6. Semester

56 Informations- und Kommunikationstechnik mit dem Abschluss Bachelor of Science Basismodule Mathematisch-physikalische Grundlagen Elektrotechnische Grundlagen Informationstechnische Grundlagen Ergänzungsmodule Informationstechnik Vertiefungssmodule Schwerpunktmodule Schwerpunkt Hochfrequenztechnik Schwerpunkt Nachrichtentechnik Schwerpunkt Schaltkreisentwurf Schwerpunkt Datenkommunikation Schwerpunkt Digitale Schaltungen Wahlpflichtmodule Fachübergreifende nichttechnische Module Modul Praktische Ausbildung Modul Bachelor-Arbeit 1. bis 4. Semester 2. bis 4. Semester 4. bis 6. Semester 5. bis 6. Semester 5. bis 6. Semester 4. bis 6. Semester 5. bis 6. Semester 6. Semester

57 Neue Studiengänge nge Fakultät t für f Elektrotechnik und Informationstechnik Mikrosysteme und Mikroelektronik mit dem Abschluss Master of Science deutsch und englischsprachig Micro and Nano Systems mit dem Abschluss Master of Science englischsprachig vier Semester ab Wintersemester 2008 / 2009

58 Neue Studiengänge nge Fakultät t für f Naturwissenschaften ab Wintersemester 2008 / 2009 Umstellung von Diplomstudiengängen ngen auf Bachelor und Master