MEMS: Mikro Elektro Mechanische Systeme.

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1 MEMS: Mikro Elektro Mechanische Systeme P. Fischer, TI, Uni Mannheim, Seite 1

2 Was sind MEMS? Die Integration von - mechanischen Elementen - Sensoren - Aktuatoren - Elektronik auf einem gemeinsamen Siliziumsubstrat Simultane Herstellung vieler MEMS auf Wafern (wie bei Chips) mit ähnlichen Technologien Meist werden zu einem 'normalen' Chip-Prozess weitere 'Micromachining' Schritte hinzugefügt. Diese Prozessschritte dürfen die fertigen Schaltungen (CMOS, Bipolar oder BiCMOS) nicht zerstören! Hauptschritte sind - Ablagerung von ('dicken') Materialschichten - selektives, meist anisotropes Ätzen Man unterscheidet - 'bulk micromachining' (tiefe Löcher, Waferbonden,.. hier nicht weiter behandelt) - 'surface micromachining' (flache Strukturen auf der Oberfläche) P. Fischer, TI, Uni Mannheim, Seite 2

3 Naßchemisches Ätzen Sehr einfach (Wafer wird in Flüssigkeit getaucht) Für sehr feine Strukturen weniger geeignet Meist Isotrop, d.h. gleichmäßig in alle Richtungen) Mit speziellen Chemikalien (KOH) auch anisotrop Verschiedene Lagen können als Ätzstopp dienen, z.b. - eine dotierte (implantierte) Schicht in der Tiefe - eine SiO 2 Schicht in der Tiefe (SIMOX) anisotrop (KOH) Lack Silizium Dotiertes Silizium Silizium (Substrat) isotrop P. Fischer, TI, Uni Mannheim, Seite 3

4 Trockenes Plasma - Ätzen Wafer wird mit einem Plasma 'bombardiert' Die Ionen des Plasmas werden durch elektrisches Feld senkrecht auf den Wafer zu beschleunigt Dadurch sehr anisotropes Ätzen möglich (Ionen treffen hauptsächlich den Boden senkrechte Wände!) Die Chemie des Ätzens wird durch die Zusammensetzung des Plasmas bestimmt Beispiel für Reactive Ione Etching (RIE): Plasma 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 zum flüchtigen CO x F y Dadurch bei 'richtiger' Mischung sehr glatte Wände. P. Fischer, TI, Uni Mannheim, Seite 4

5 Beispiel für Plasma Ätzen P. Fischer, TI, Uni Mannheim, Seite 5

6 Opferschichten Werden benötigt, um freitragende Strukturen und Membranen herzustellen Opferschicht aufbringen Opferschicht strukturieren (spätere Befestigungspunkte) obere Lage aufbringen obere Lage strukturieren Entfernen der Opferschicht Eine geschlossene Struktur (Membran) benötigt Löcher in der oberen Lage zum Ätzen der Opferschicht. Die Löcher können später z.b. mit CVD verschlossen werden P. Fischer, TI, Uni Mannheim, Seite 6

7 freitragende Strukturen Mit zunehmender Reduktion der Strukturgröße L werden Strukturen immer steifer: Die Massen sinken wie L 3, die Biegemomente aber nur wie L 2. Aufhängung 'Gewicht' Aufhängung Auslese P. Fischer, TI, Uni Mannheim, Seite 7

8 Probleme Die Technologie ist nicht ganz so einfach, da sich die Strukturen durch Spannungen durchbiegen können P. Fischer, TI, Uni Mannheim, Seite 8

9 Messung der Ablenkung 1. Widerstand mit Piezoeigenschaften ('Dehnungsmeßstreifen') Beispiel: Drucksensor 2. Kapazität Poly-Si Meßstreifen Membran aus Nitride P. Fischer, TI, Uni Mannheim, Seite 9

10 Bewegung Kraft wird elektrostatisch erzeugt: 'Comb-Drive': Bewegliches Teil U = 0: keine Kraft U < 0: Kraft nach links U > 0: Kraft nach rechts Mit diesem Prinzip sind nur kleine Auslenkungen möglich Die elektrostatische Kraft kann benutzt werden, um bei der Messung von Auslenkungen gegenzuregeln, so daß die Kapazität konstant bleibt. Dadurch ist ein größerer Meßbereich möglich. P. Fischer, TI, Uni Mannheim, Seite 10

11 Beispiel: xy-beschleunigungssensor freitragende Masse Messung und Gegenregelung x (Combdrive) Löcher zum Ätzen Anschlag? Messung und Gegenregelung x (Combdrive) Aufhängungspunkt Federn ADXL202(E) der Firma Analog Devices P. Fischer, TI, Uni Mannheim, Seite 11

12 Verkippungen Verschiedene Möglichkeiten, z.b. P. Fischer, TI, Uni Mannheim, Seite 12

13 Mikrospiegel mit 2 Freiheitsgraden P. Fischer, TI, Uni Mannheim, Seite 13

14 Größere Wege Ein bewegliches Element wird stückweise weiterbewegt. Eine Kupplung verbindet das Element jeweils mit einem Vorschubelement: Rückstellfeder Vorschub Kupplung BIDIRECTIONAL INCHWORM MOTORS AND TWO- DOF ROBOT LEG OPERATION Presented by Dr. Seth Hollar with Sarah Bergbreiter, Professor Kris Pister University of California, Berkeley - BSAC P. Fischer, TI, Uni Mannheim, Seite 14

15 Beispiel: 'Walking Robot' P. Fischer, TI, Uni Mannheim, Seite 15

16 'Walking Robot' Erste Gehversuche: Siehe Videos P. Fischer, TI, Uni Mannheim, Seite 16

17 Details der Beine P. Fischer, TI, Uni Mannheim, Seite 17

18 Wozu MEMS? Viele Anwendungen in unterschiedlichen Bereichen: einige existieren bereits, andere sind in der Entwicklung, weitere werden folgen Niedrige Kosten durch parallele Massenfabrikation und Integration aller (oder vieler) Systemkomponenten Miniaturisierung Bei Sensoren ist Auswerteelektronik direkt am Sensor, so daß S/N optimal ist Beschleunigungs-, Drehraten-, Vibrationssensoren Magnetsensoren, Temperatursensoren, chemische Sensoren Mikromotoren, Mikroroboter Mikroventile, Pumpen,... ('lab on a chip') Druckköpfe Mikrospiegel (Beamer, optische Crossbars,...) Mini-Mikrophone P. Fischer, TI, Uni Mannheim, Seite 18

19 Wer kann MEMS herstellen? Die meisten großen Firmen arbeiten massiv an der Entwicklung von Technologien Immer mehr Produkte kommen auf den Markt. In Europa gibt es von Europractice eine MEMS-Initiative: Wie bei den Chips können Universitäten und kleine Unternehmen Software für den Entwurf erhalten und die MEMS auf MPW (Multi Project Wafer) Runs fabrizieren lassen. P. Fischer, TI, Uni Mannheim, Seite 19

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