Einführung in die Mikrosystemtechnik

Transkript

1 Gerald Gerlach Wolfram Dötzel Einführung in die Mikrosystemtechnik Ein Kursbuch für Studierende mit 169 Bildern, 49 Beispielen sowie 54 Aufgaben Fachbuchverlag Leipzig im Carl Hanser Verlag

2 Inhaltsverzeichnis 1 Einführung Was ist ein Mikrosystem? Mikroelektronik und Mikrosystemtechnik Anwendungsfelder und Entwicklungstrends Beispiel Drehratensensor Aufbau und Funktion Funktionskomponenten und -elemente 26 2 Skalierung und Ähnlichkeit Skalierung Ähnlichkeit und Kennzahlen 37 3 Werkstoffe Übersicht Einkristallines Silizium Beschreibung der Orientierung von Flächen und Richtungen im Kristall Oberflächeneigenschaften bei verschiedener Orientierung Anisotrope elastische Eigenschaften Festigkeit Siliziumscheiben Gläser Allgemeine Eigenschaften von Glas Viskoelastisches Verhalten Gläser in der Mikrosystemtechnik Polymere Thermoplastische Werkstoffe in der Mikrosystemtechnik Fotoresist Dünnschichten Siliziumoxid, Siliziumnitrid Elektrisch leitende Schichten Polysiliziumschichten Materialeigenschaften im Vergleich 85

3 Inhaltsverzeichnis 4 Mikrotechnische Fertigungsverfahren Überblick Reinheit in der Fertigung Reinraumtechnik Waferreinigung Lithografie Prinzip Lithografischer Prozess Minimal strukturierbare Linienbreiten Doppelseitenlithografie Lithografie in stark profilierten Strukturen Schichtherstellung Überblick Schichtkonformität Thermische Oxidation Aufdampfen Sputtern Chemische Gasphasenabscheidung Vergleich Schichtstrukturierung Grundlagen Nassätzen Trockenätzen Lift-off-Prozess Anisotropes nasschemisches Tiefenätzen Prinzip Anisotrope Ätzlösungen Ätzraten Ätzstoppverfahren Ätzfiguren Entwurf von Ätzmasken Dotierung Diffusion Ionenimplantation Vergleich der Dotierungsverfahren Verbindungsverfahren Eutektisches Bonden Anodisches Bonden Siliziumdirektbonden 152

4 Inhaltsverzeichnis Vergleich der Verbindungsverfahren Isolationstechniken SIMOX-Verfahren BESOI-Verfahren Smart-Cut-Verfahren Oberfiächenmikromechanik Prinzip Herstellung von Hohlräumen Haften beweglicher Strukturen Vergleich von Volumen- und Oberfiächenmikromechanik Oberflächennahe Mikromechanik Prinzip Verfahren HÄRMST Begriffsbestimmung LIGA-Verfahren Miniaturisierte klassische Verfahren Mikrospritzgießen Mikroheißprägen Mikrozerspanen Auswahl von mikrotechnischen Fertigungsverfahren Aufbau- und Verbindungstechnik Aufgaben und Anforderungen Aufgaben Zuverlässigkeitsgerechtes Packaging Funktionen der Aufbau- und Verbindungstechnik Mechanische Verbindungen Elektrische Verbindungen Wärmeabführung Verkapselung und Gehäusung Funktions- und Formelemente der Mikrosystemtechnik Mechanische Elemente Empfindlichkeit in Nutzrichtung Querempfindlichkeit Eigenfrequenz Dämpfung Güte 218

5 10 Inhaltsverzeichnis Amplitudengang Spannung an der Einspannstelle Fluidische Elemente Kennzahlen und Modellsysteme Elementtypen Fluidische Schnittstellen Entwurf mikrofluidischer Elemente und Komponenten Thermische Elemente Thermisch-elektrische Analogien Grundgleichungen für den Wärmetransport Ersatzschaltungen Sensoren und Aktoren Umkehrbare und parametrische Wandler Umkehrbare Wandler Parametrische Wandler Stationäre umkehrbare Wandler Wandler für Sensoren und Aktoren Elektrostatische Wandler Piezoelektrische Wandler Elektrodynamische Wandler Thermomechanische Wandler Piezoresistive Wandler Entwurf von Mikrosystemen Entwurfsmethoden und Werkzeuge Systeme mit konzentrierten Parametern Verhaltensbeschreibung elektromechanischer Systeme Analyse des statischen Verhaltens elektromechanischer Systeme Analyse elektromechanischer Systeme bei harmonischen Lasten Transiente Analyse elektromechanischer Systeme Systeme mit verteilten Parametern Verhaltensbeschreibung mittels analytischer Modelle Numerische Methoden auf der Basis der Finiten-Elemente-Methode Makromodellierung komplexer Systeme durch Ordnungsreduktion Einfluss technologischer Prozesse auf Mikrosystemeigenschaften Parameterbasierter Mikrosystementwurf Robuster Mikrosystementwurf. 342

6 Inhaltsverzeichnis 11 Anhang A Physikalische Konstanten 351 Anhang B Koordinatentransformation 352 B. 1 Elastische Koeffizienten 353 B.2 Piezoresistive Koeffizienten 356 Anhang C Eigenschaften von Siliziumoxid- und Siliziumnitrid-Schichten 359 Anhang D Nomenklatur von Dünnschichtprozessen 361 Anhang E Haftung bei oberflächen-mikromechanischen Strukturen 364 E.l Kapillarkräfte 364 E.2 Kritische Länge von Biegefedern 365 Symbolverzeichnis 367 Abkürzungsverzeichnis 375 Stichwortverzeichnis 380