10.2 Beschichtungsverfahren aus der Gasphase

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1 10.2 Beschichtungsverfahren aus der Gasphase Beschichtungsverfahren aus der Gasphase Neben den thermischen Oxidschichten wird eine Vielzahl weiterer dünner Schichten auf Wafern und anderen Substraten erzeugt. Die Schichtabscheidung erfolgt dabei meist im Vakuum. Generell wird zwischen Verfahren der physikalischen und chemischen Gasphasenabscheidung unterschieden. Bei der physikalischen Gasphasenabscheidung wird das Ausgangsmaterial verdampt oder zerstäubt und setzt sich auf der Oberläche ab, bei der chemischen Gasphasenabscheidung erfolgt eine chemische Reaktion, typischerweise an der Substratoberläche. PVD Physical Vapour Deposition CVD Chemical Vapour Deposition Abbildung Beschichtungsverfahren Überblick Physikalische Gasphasenabscheidung Die Prozesse der physikalischen Gasphasenabscheidung (Physical Vapour Deposition, PVD) umfassen unter anderem die Verfahren Aufdampfen und Kathodenzerstäuben (Sputtern). Die besonderen Vorteile der PVD-Verfahren liegen in einer nahezu uneingeschränkten Auswahl an realisierbaren Schichtmaterialien. Das Ausgangsmaterial liegt hierbei typischerweise als Festkörper (Platte Target, Pulver) vor. Der PVD-Prozess lässt sich generell in drei Schritte unterteilen: 1. Erzeugung der Gasphase des schichtbildenden Materials, durch Verdampfen oder Sputtern (Zerstäuben) 2. Transport von der Quelle zum Substrat 3. Schichtwachstum auf dem Substrat Verdampfen Beim Verdampfen wird das Beschichtungsmaterial in einem Tiegel so stark erhitzt, dass es verdampt und sich auf dem Substrat als Schicht abscheidet. Dieses Verfahren setzt Hochvakuum oder sogar Ultrahochvakuum voraus. Je besser das Vakuum, desto geringer ist die Anwesenheit von Fremdstofen. Im Ultrahochvakuum (UHV) ist daher der Einbau von Fremdatomen deutlich reduziert. Allerdings ist die Erzeugung und Bereitstellung aufwendiger und teurer.

2 Beschichtungstechnologien Beim Verdampfen wird das zu verdampfende Material in einer Vakuumkammer (Druck kleiner 0,1 Pa) in einem Tiegel auf Temperaturen nahe seinem Siedepunkt erhitzt. Die Tiegel bestehen meist aus hochschmelzenden Metallen oder Keramiken (W, Mo, Ta, BN) oder aus Graphit. Das verdampte Material verlässt die Oberläche und schlägt sich auf allen Oberlächen, die sich in Sichtlinie zum Verdampfungsschifchen beinden, nieder. Abbildung zeigt eine schematische Darstellung des thermischen Verdampfens. Substrat mit Schicht Materialdampf Material Heizung (bis 2000 C) zur Vakuumpumpe Abbildung Schematische Darstellung des thermischen Verdampfens Alternativ kann das Material auch durch Beschuss mit einem Elektronenstrahl oder Laserstrahl verdampt werden. Abbildung zeigt einen Elektronenstrahlverdampfer. Die hochenergetische Strahlung gibt die Energie an das zu verdampfende Material ab und erwärmt dieses. Der wesentliche Vorteil dieses Verfahrens ist, dass die Erwärmung auf der Oberläche des zu verdampfenden Materials erfolgt, während der Tiegel Drehbarer Substrathalter Verdampfungsmaterial Abbildung Verdampfungsanlage des impt Hannover Schwingquarz Magnetspulen zur Ablenkung des Elektronenstrahls

3 10.2 Beschichtungsverfahren aus der Gasphase 263 selbst mit Wasser gekühlt werden kann. Des Weiteren kann die eingekoppelte Leistung und somit die Aufdampfrate im Gegensatz zum thermischen Verdampfen exakt geregelt werden. Abbildung zeigt den schematischen Aubau einer Elektronenstrahlaufdampfanlage. Die Elektronen werden mittels eines Heizdrahtes emittiert und durch eine Anode beschleunigt. Um die Elektronen in das Aufdampfgut zu lenken, wird senkrecht zur Zeichenebene ein Magnetfeld erzeugt. Dieses Magnetfeld zwingt die Elektronen aufgrund der Lorentzkrat auf eine Kreisbahn. Die auf das Aufdampfgut autrefenden Elektronen schmelzen dieses und es kommt zum Aufdampfprozess. Substrat Dampf Wasserkühlung Elektronenquelle Abbildung Schematische Darstellung des Elektronenstrahlverdampfens Beim Bogen- oder Arc-Verdampfen wird das zu verdampfende Material auf ein positives Potenzial gelegt und zwischen der Kammer und dem Target ein Lichtbogen gezündet, der das schichtbildende Material schmilzt und verdampt. Dabei wird ein großer Teil des verdampten Materials ionisiert. Am Substrat kann zusätzlich eine negative Spannung (eine sogenannte Biasspannung) angelegt werden. Dadurch werden die Ionen auf das Substrat fokussiert. Ferner kann hierdurch dem verdampten Material eine hohe kinetische Energie übertragen werden, sodass das resultierende Schichtwachstum nachhaltig beeinlusst wird. Beim Verdampfen wird das Beschichtungsmaterial durch Erhitzen in die Gasphase überführt. Kathodenzerstäuben/Sputtern Beim Kathodenzerstäuben, dem sogenannten Sputtern, liegt das schichtbildende Material in Form eines Festkörpers als Target vor. Dieses wird durch Beschuss mit Ionen (meist Argon) aus einem Plasma (siehe Exkurs Plasma am Ende des Kapitels) zerstäubt, sodass sich die ausgeschlagenen Atome und Ionen als Schicht abscheiden können. Das Plasma wird typischerweise durch eine Gleichspannung mehrerer hundert Volt (DC-) oder hochfrequente Wechselspannung (HF- bzw. RF-Sputtern) erzeugt. Beim DC-Sputtern können ausschließlich leitfähige Targets verwendet werden, während beim HF-Sputtern darüber hinaus auch isolierende Targetmaterialien eingesetzt werden können. Für die Schichtherstellung wird die Vakuumkammer, der sogenannte Rezipient, evakuiert, d. h. üblicherweise auf einen Druck kleiner Pa gebracht. Anschließend wird ein Prozessgas, üblicherweise Argon, eingelassen (Druckbereich von 0,1 Pa bis 10 Pa) und an die Elektroden, speziell an das Target, als Kathode eine Spannung angelegt. Dadurch wird im Rezipient ein Plasma gezündet und positive Abschnitt Exkurs Plasma

4 Beschichtungstechnologien Gasionen erzeugt, die auf die Targetoberläche trefen und Atome ausschlagen (siehe Abbildung 10.16). Wasserkühlung Abbildung Photo einer Inline- Sputteranlage Abbildung Schematischer Aubau einer DC-Magnetron- Sputter-Anlage Tabelle 10.4 Prozessparameter zum Sputtern BIAS Spannung Parameter Gasluss Arbeitsdruck z S N x y Lorentzkrat ist in die Zeichenebene hinein gerichtet B x _ v aufwachsende Schicht Wert Ar: sccm 0,1 10 Pa + N S E v B _ B x Ar-Ion S N Magnet Target Lorentzkrat ist aus der Zeichenebene heraus gerichtet Substrat Elektron Leistung am Target Einige 100 W bis einige 10 kw (abhängig von der Targetläche) Um die Sputterausbeute zu erhöhen, wird heutzutage eine sogenannte Magnetron- Anordnung benutzt. Hierbei beinden sich hinter dem Target Magnete, die ein zusätzliches Magnetfeld senkrecht zum Feld zwischen Kathode und Anode erzeugen. In Folge der Lorentzkrat werden erzeugte Sekundärelektronen auf Kreisbahnen vor der Targetoberläche gelenkt, sodass sich die Verweilzeit vor dem Target erhöht und somit eine verstärkte Ionisation des Plasmagases direkt vor dem Target stattindet. Das erhöhte Angebot an Ionen führt schließlich zu einem verstärkten Materialabtrag an der Targetoberläche. Des Weiteren ist es möglich, durch Zugabe von Reaktivgasen wie Sauerstof oder Stickstof auch Oxide oder Nitride herzustellen. Im Beispiel des CMOS (siehe Abbildung 10.1) wird Titan gesputtert und zusätzlich Stickstof (N 2 ) als Reaktivgas während des Sputterns eingelassen. Dadurch entsteht eine Titannitridschicht, welche im CMOS als Difusionsbarriere dient. Durch das Anlegen einer Spannung am Substrat, der sogenannten Biasspannung, kann ein zusätzlicher Ionenbeschuss der aufwachsenden Schicht bewirkt werden, der zu einer Veränderung der Schichteigenschaten führen kann. Mithilfe der Biasspannung können Eigenschaten wie Schichtspannung, Vernetzungsgrad, Härte oder Topographie innerhalb bestimmter Grenzen eingestellt bzw. variiert werden. Beim Sputtern wird das Beschichtungsmaterial durch Beschuss einer Oberläche mit Ionen in die Gasphase gebracht.

5 10.2 Beschichtungsverfahren aus der Gasphase Chemische Gasphasenabscheidung Bei der chemischen Gasphasenabscheidung (Chemical Vapour Deposition, CVD) wird das schichtbildende Material mithilfe eines sogenannten Precursors (Trägergas) in das Reaktionsgefäß, den Rezipienten, eingeleitet (Reagenz 1 und 2) und bildet nach einer chemischen Reaktion eine Schicht auf dem Substrat aus. Die gasförmigen Reststofe (Reaktionsprodukte) werden über das Pumpsystem abgeführt (siehe Abbildung 10.17). Voraus setzung für die Schichtherstellung mittels CVD ist die Verfügbarkeit lüchtiger Verbindungen aus schichtbildenden Komponenten. Die entscheidenden Faktoren für alle CVD-Prozesse sind: der Gasluss, d. h. die Menge der Reaktivkomponenten, die zur Schichtbildung zur Verfügung stehen; die Reaktionsraten der chemischen Reaktion zur Filmbildung an der Oberlä che; der Abtransport der Reaktionsprodukte nach der Schichtbildung. Die chemischen Reaktionen können sowohl thermisch als auch durch Ionenbeschuss der Oberläche aktiviert werden. Je nach Art der Aktivierung spricht man von thermischer oder plasmaaktivierter CVD. Bei der chemischen Gasphasenabscheidung bildet sich das Beschichtungsmaterial durch chemische Reaktion in der Gasphase im Rezipienten. Hauptstrom der Reaktionsgase 1) Difusion der Reaktanden 5) Difusion der Reaktionsprodukte Grenzschicht Grenzläche Substrat 2) Adsorption der Reaktanden an der Oberläche 3) Chemische Reaktion 4) Desorption von adsorbiertem Material Oberlächendifusion Abbildung Prinzip der chemischen Gasphasenabscheidung Thermisch aktivierte Gasphasenabscheidung Bei der thermisch aktivierten Gasphasenabscheidung wird die Energie zur Anregung der Reaktion thermisch zugeführt. Diese Energie kann in Form einer Direktheizung, Strahlungsheizung oder durch Hochfrequenzinduktion zur Verfügung gestellt werden. Eine weitere Unterscheidung der thermischen aktivierten Gasphasenabscheidung erfolgt anhand der verwendeten Druckbereiche, in denen der Prozess abläut. Findet die Gasphasenabscheidung bei Atmosphärendruck statt, wird von Atmosphärendruck- Gasphasenabscheidung (Atmospheric Pressure CVD, APCVD) gesprochen, während hingegen Prozesse im Druckbereich von 10 Pa bis 100 Pa als Niederdruck-Gasphasenabscheidung (Low Pressure CVD, LPCVD) bezeichnet werden.

6 Fertigstellung mikrotechnischer Produkte Abschnitt 15.4 Die Rückseitenmetallisierung wird vor oder nach der Waferprozessierung durchgeführt. Das hängt von der jeweiligen Technologie für das entsprechende Bauteil ab. Rückseitenmetallisierungen werden immer dann benötigt, wenn man eine zuverlässig leitende Chiprückseite wie z. B. zum Schalten eines LeistungsMOSFETs (Funktion siehe Abschnitt 15.4 ) benötigt Verringerung der Scheibendicke Die Verringerung der Waferdicke zum Erreichen der Enddicke erfolgt durch mechanischen oder chemischen Abtrag auf der Waferrückseite. Der mechanische Abtrag wird durch Schleifen und Läppen erzielt. Um einen schnellen Abtrag des Wafers zu erreichen, werden Schleifmaschinen mit rotierenden, diamantbesetzten Schleifscheiben eingesetzt. Dies hat gleichzeitig aber auch einen groben Abtrag zur Folge und kann bei späteren Verfahrensschritten mit Nachteilen verbunden sein. Anschließend wird der Wafer durch ein Läppverfahren fein geschlifen. Je nach Oberläche des Wafers werden dabei unterschiedliche Läppscheiben und passende Läppmittel (z. B. Siliciumcarbidpulver vermischt mit Wachs) eingesetzt. Um dabei die Wafervorderseite vor Schmutz zu schützen, wird diese mit einer Folie geschützt. Alternativ zum mechanischen Abtrag werden auch chemische Verfahren, wie Nassätzen, eingesetzt. Dabei wird das Material durch verdünnte Fluss- oder Salpetersäuren abgetragen. Auch hier wird die strukturierte Wafervorderseite mit Lack oder Wachs geschützt. Dieser Ätzschritt wird häuig auch nach Läpp- oder Schleifprozessen eingesetzt, um Kristallstörungen zu entfernen. Abbildung 14.3 Prinzipdarstellung Läppen Peter Wolters GmbH Trennen Wie bereits in den vorigen Kapiteln beschrieben, werden Chips nicht einzeln hergestellt, sondern auf einem Wafer prozessiert (Batch-Prozess). Dadurch können die Produktionskosten wesentlich reduziert werden. Damit die einzelnen Chips weiterverarbeitet werden können, müssen sie aus dem Waferverbund gelöst werden. Dieser Prozessschritt ist ein sehr kritischer Schritt, da hier durch die mechanische Bearbeitung des Wafers feine Strukturen und Membranen zerstört oder verunreinigt werden können.

7 14.1 Waferbearbeitung 403 Abbildung 14.4 Präzisions-Diamant-Ritzgerät MR200 zum manuellen Ritzen für das deinierte Trennen strukturierter Si-Wafer Zum Trennen des Wafers werden die folgenden Verfahren benutzt: Ritzen und Brechen Trennschleifen (Sägen) Lasertrennen Die älteste Methode ist das Anritzen und anschließende Brechen des Wafers. Hier wird mit einem Diamanten unter geringem Druck der Wafer an der Oberläche angeritzt. Dabei wird der Kristall beschädigt und es entstehen Gitterspannungen, sodass schon geringe mechanische Belastungen zum Bruch entlang der Ritzlinie führen. Siliciumkristalle brechen bevorzugt entlang der 100-Ebenen. Atome in [100]-Oberlächen haben zwei freie Bindungen und zwei, die in den Kristall hineinragen (siehe Kapitel 2, 9 und 12 ). Der Wafer wird bei diesem Verfahren auf einer selbstklebenden Folie ixiert und geritzt. Anschließend wird er über eine Kante oder eine nach außen gewölbte Fläche geführt, sodass er in einzelne Chips gebrochen werden kann. Dieses Verfahren ist durch den Waferdurchmesser und die damit gleichzeitig erhöhte Scheibendicke begrenzt. Eine solche Ritzmaschine ist in Abbildung 14.4 dargestellt. Kapitel 2, 9, 12 Vorteile schnelle Präparation für den Laborbereich Nachteile begrenzt auf die Kristallorientierung des Wafers Oxiddicken (> 100 nm) zerstören die Spitze des Diamanten Tabelle 14.1 Vor- und Nachteile des Verfahrens Ritzen und Brechen

8 Fertigstellung mikrotechnischer Produkte Abbildung 14.6 Wafer auf Blue Tape Abbildung 14.7 Blick auf rotierendes Sägeblatt mit Wasserkühlung Abbildung 14.5 Wafersäge zum Trennschleifen Abbildung 14.8 Ungesägter Wafer Blick in die Markierung zum Sägen Abbildung 14.9 Gesägter Wafer Blick in die Markierung zum Sägen Die gängigste Form der obengenannten Verfahren zum Trennen der Wafer ist das Vereinzeln der Chips durch Trennschleifen. Dies wird umgangssprachlich auch als Sägen bezeichnet. Die Sägeblätter bestehen aus Metallfolien mit unterschiedlichen Dicken im Bereich von 20 bis 85 µm. Zusätzlich sind Sägeblätter mit Diamantpartikeln besetzt. Das Sägeblatt dreht mit einer typischen Drehzahl von U/min entlang einer Sägestraße. Diese ist üblicherweise zwischen 50 und 100 µm breit. Für eine eindeutige Positionierung der Sägestraße verfügt jeder Wafer über Justiermarken in horizontaler und vertikaler Richtung (siehe Abbildungen 14.8 und 14.9). Bevor ein Wafer durch Sägen vereinzelt werden kann, muss dieser auf eine spezielle Sägefolie (blue tape) gespannt werden (siehe Abbildung 14.6). Nach dem Sägen bleiben die einzelnen Chips auf dieser Folie haten und können so weiterverarbeitet werden. Nach dessen Fixierung auf der Sägefolie wird die Sägemaschine (siehe Abbildung 14.5) mit dem Wafer bestückt und anschließend anhand der Justiermarken ausgerichtet. Die Chips können nun entsprechend ihrer vorgegebenen Sägestraße vereinzelt werden. Sägen ist ein mechanischer Vorgang, bei dem Material abgetragen wird. Während des Sägevorgangs wird deshalb mit deionisiertem bzw. Reinstwasser gespült, sodass der entstehende Siliciumstaub sofort abtransportiert wird. Als positiver Nebenefekt wird damit gleichzeitig auch das Sägeblatt gekühlt (siehe Abbildung 14.7).

9 14.1 Waferbearbeitung 405 Um die Chips später weiterverarbeiten zu können, wird die Sägefolie nur angesägt (ca. 20 µm tief), sodass die Chips im Verbund bleiben. Anschließend werden die gesägten Chips auf der Folie noch gespreitzt. Die Folie wird dabei noch einmal zusätzlich auseinandergezogen, sodass sich der Abstand zwischen den Chips vergrößert. Dieses Vorgehen stellt sicher, dass beim anschließenden Weiterverarbeiten der Chips keine Chipkanten abplatzen oder abbrechen. Vorteile Bearbeitung vieler Materialien (auch Oxid oder Nitrid) Unabhängig von der Kristallorientierung Trennen aller gängigen Wafergrößen möglich vergleichsweise schnelles Verfahren Nachteile Verschleiß der Sägeblätter, daraus ergibt sich auch eine nicht konstante Schnittqualität ungeeignet für sehr kleine Chips, da die Chips während des Sägevorgangs abfallen können Chipping -> Abplatzen der gesägten Kanten auf der Vorder- und Rückseite des Wafers Tabelle 14.2 Vor- und Nachteile des Trennschleifens Exkurs doppelseitiges Trennschleifen Der Einsatz von doppelseitigen Sägen richtet sich nicht nach der Waferdicke, sondern der geforderten Qualität. In diesem Fall bedeutet es, dass das Frontside-(Vorderseite)- Chipping (also das Abplatzen von Silicium am gesägten Rand der Chips) so minimal wie möglich sein soll. Ein weiterer Grund können Aubauten sein, die nur eine geringe Aulageläche auf dem Blue Tape bieten. Der Wafer liegt also teilweise hohl auf. Dadurch kommt es zu einem verstärkten Backside-(Rückseite)-Chipping. Ablauf beim doppelseitigen Trennschleifen Der Wafer wird erst auf der einen Seite zu einem Drittel der Waferdicke eingesägt. Dabei ist der Wafer auf ein UV (Blue) Tape gespannt. Dieses Tape verliert nach der Belichtung seine Adhäsionskrat, sodass der eingesägte Wafer problemlos auf ein neues Blue Tape gespannt werden kann. Anschließend wird es so möglich, die andere Seite zu sägen. Das Vereinzeln der Chips kann auch mithilfe eines Lasers erfolgen. Dieses Verfahren wird als Lasertrennen bezeichnet. Dabei erhitzt ein Laserstrahl mit ca. 1 µm Wellenlänge das Wafermaterial entlang der Sägestraße. Anschließend wird, wie beim Verfahren Ritzen und Brechen, der Wafer über eine Kante oder eine nach außen gewölbte Fläche geführt, sodass er in einzelne Chips gebrochen werden kann. Im Vergleich zum Trennschleifen ist es bei diesem Verfahren egal, welche Härte das zu schneidende Material besitzt. Jedoch spielen die optischen Eigenschaten der Materialien eine große Rolle. Gold und Kupfer, was ot in der Siliciumtechnologie verwendet wird, relektieren den Laser stark. Dadurch können nur geringe Dicken geschnitten werden. Eingesetzt wird dieses Verfahren bei empindlichen Bauelementen wie z. B. Chips mit Membranen. Hier kann schon ein winziger Wassertropfen den Chip zerstören.

10 Fertigstellung mikrotechnischer Produkte Abbildung Schematische Darstellung La sertrennen Abbildung Laserschneiden: detaillierter Blick mit wasserstrahlgeführtem Laser Tabelle 14.3 Vor- und Nachteile des Lasertrennens gegenüber Trennschleifen Vorteile einsetzbar bei sehr kleinen Chipgrößen verschiedene Formen der Chips realisierbar kaum Chipping konstante Schnittqualität keine mechanischen Kräte geringe Verbrauchskosten kein Werkzeugverschleiß ideal für sehr dünne Wafer (z. B. Smart Cards) Nachteile Erhitzung des Materials kann zur Schädigung des Chips führen nicht alle Materialien können geschnitten werden höhere Anschafungskosten und größerer Platzbedarf der Maschine Sägen ist ein kritischer Prozess, da durch die mechanische Bearbeitung feinste Strukturen zerstört werden können Chipmontage und Wafermontage Die Chips liegen nun vereinzelt auf dem Blue Tape vor. Chips, die während des Produktionsprozesses, z. B. durch Sägefehler, beschädigt werden, können durch spezielle Diagnoseverfahren identiiziert werden. Damit die fehlerhaten Chips anschließend nicht mehr weiterverarbeitet werden, müssen sie entsprechend gekennzeichnet werden. Die Chips, die nicht für einen weiteren Aubau zur Verfügung stehen, werden entweder direkt auf dem Wafer mit einem Farbpunkt gekennzeichnet (siehe Abbildung 14.12) oder in Form einer (Land-) Karte vom Wafer (wafer map) dargestellt (siehe Abbildung 14.13). Das direkte Markieren fehlerhater Chips auf dem Wafer nennt man inken (ink dt.: Tinte). Der fehlerhate Chip wird dabei mit einer Tinte farbig markiert. Dieses Verfahren wird benutzt, wenn Chips manuell aufgebaut werden, um den Operator optisch darüber zu informieren, diesen Chip nicht weiter zu verarbeiten.

11 14.2 Chipmontage und Wafermontage 407 Silicon Wafer Map Analysis Perfekter Chip Chip fehlerhaft, aber verwendbar Chipausfall Abbildung Ein geinkter Chip Abbildung Darstellung einer Wafer Map Werden Chips dagegen maschinell weiterverarbeitet, wird eine Karte vom Wafer und den fehlerhaten Chips erstellt. Dazu wird jeder Chip zunächst optisch beurteilt (rating) und bekommt anschließend eine Nummer zugeordnet. Diese entspricht einer bestimmten Farbe und charakterisiert die Güte des Chips. Anschließend kann die Karte des gesamten Wafers mit einer speziellen Sotware dargestellt werden. Nachdem der Chip gesägt und gekennzeichnet wurde, kann der weitere Aubau auf ein Substrat erfolgen. Das Substrat dient dabei als Träger zur Chipbefestigung und kann als metallischer Systemträger (z. B. lead frame), als vorgefertigter Gehäuseboden, als Schichtschaltung oder als Leiterplatte vorliegen. Dabei werden viele Anforderungen an die Chipmontage gestellt. Die Substrate dienen zur mechanischen Kontaktierung des Chips, als elektrischer Kontakt an der Rückseite und zur Abführung der Verlustwärme an die Umgebung. Die Chipverbindung muss daher mechanisch stabil sein, einen geringen elektrischen und thermischen Widerstand aufweisen und gleichzeitig zuverlässig sein, um eine lange Lebensdauer zu garantieren. Um den Chip mechanisch zu kontaktieren gibt es verschiedene Verfahren, die im folgenden Abschnitt dargestellt und detailliert erläutert werden. Abhängig von den technologischen Anforderungen und Randbedingungen müssen Chips nicht nur einzeln, sondern auch im Verbund als ungesägter Wafer aufgebaut werden. Im Abschnitt wird auf diese Besonderheit noch einmal gesondert eingegangen Chipbonden Die Befestigung der Chips erfolgt durch Löten, Anglasen oder Kleben. Dies kann automatisch oder manuell mithilfe einer Bestückungsanlage, genannt Chipbonder (die bonder), erfolgen. Dazu werden die gesägten Chips, die sich auf der Folie beinden, eingespannt. Eine Nadel drückt auf die Rückseite des Chips und von der Vorderseite wird mithilfe eines Vakuumtools der Chip aufgenommen. Anschließend kann dieser über Manipulatoren positioniert werden.

12 Mikrosysteme Monika Leester-Schädel Erforderliche Vorkenntnisse Grundlagen Elektrotechnik 16.1 Sensoren Abbildung 16.1 Das iphone 4GS von Apple mit verschiedenen Sensoren Sensoren werden überall dort benötigt, wo eine physikalische Größe erfasst werden soll. Physikalische Größen sind z. B. Temperatur, Geschwindigkeit bzw. Beschleunigung, Krat oder Masse. Dementsprechend gibt es Temperatursensoren, Beschleunigungssensoren, Kratsensoren etc. Inzwischen sind überall im Alltag die verschiedensten Sensoren zu inden. Zur Verdeutlichung der Funktionsweise einiger ausgesuchter Sensoren wurden bekannte Beispiele gewählt, die im Folgenden zunächst vorgestellt werden. Im Anschluss werden der Aubau und der physikalische Efekt der Sensoren genauer beschrieben und weitere interessante Anwendungen genannt Beispiele für den Einsatz von Sensoren Beispiel 1 Sogenannte Smartphones, wie z. B. das iphone von Apple (siehe Abbildung 16.1), haben erstaunliche Funktionen, die sie nur mithilfe von Mikrosensoren und deren Signalen ausführen können: 1. Wird das iphone gedreht, dreht sich die Anzeige auf dem Display ebenfalls. Auch Spiele reagieren auf das Drehen und Neigen des Geräts ( Beschleunigungssensor, Drehratensensor). 2. Einige Aktionen können durch ruckartiges Schütteln des iphones ausgelöst werden ( Beschleunigungssensor). 3. Die Eingabe erfolgt über die Berührung des Displays. Es reagiert auf Tippen, Streichen und Ziehen. Diese Aktionen sind auch mit mehreren Fingern gleichzeitig möglich ( Berührungssensor). 4. Einige iphones sind gleichzeitig Navigationsgeräte inklusive Kompass ( Magnetfeldsensor). 5. Wird das iphone zu heiß, fährt das System herunter ( Temperatursensor). 6. Das iphone reduziert die Beleuchtung des Displays, wenn man telefoniert ( Annäherungssensor). 7. Die Beleuchtung des Displays wird auch an das Umgebungslicht angepasst ( Umgebungslichtsensor). 8. Das iphone kann photographieren, die Kamera hat einen passiven Autofokus ( CMOS-Sensoren). Beispiel 2 Wii Fit von Nintendo wurde entwickelt, damit Sie mit Spaß an der Bewegung Ihre Fitness trainieren können..., schreibt Nintendo auf seiner Homepage ( Das

13 16.1 Sensoren 493 dazugehörige Balance Board erfasst Bewegungen und Gewichtsverlagerungen, die der Benutzer ausführt, und überträgt diese Signale an die Spielkonsole (siehe Abbildung 16.2). Der Benutzer kann z. B. Gleichgewichts- und Muskelübungen machen, kann aber auch Snowboarden, Joggen, Boxen etc. Das Balance Board hat dafür mehrere Drucksensoren in der Fläche verteilt und ähnelt damit einer elektronischen Waage. In der Fernbedienung der Wii (siehe Abbildung 16.3) stecken ebenfalls Sensoren, und zwar ein 3-D-Beschleunigungssensor und optische Sensoren. Mithilfe des Beschleunigungssensors werden Bewegungen der Fernbedienung in allen Richtungen (auch Drehbewegungen) erfasst und an die Spielkonsole weitergegeben. Die optischen Sensoren sind notwendig, um die Position der Fernbedienung relativ zur Sensor Bar, die mit Infrarot-LEDs ausgestattet ist, zu bestimmen. Die Sensor Bar ist wiederum mit der Spielkonsole verbunden und sendet ihre Signale an diese weiter. Für die exaktere Messung von komplexen Bewegungsabläufen kann die Fernbedienung durch einen Drehratensensor ergänzt werden ( MotionPlus ). Möchte man außerdem das eigene Wohlbeinden, d. h. genauer den Puls und den Sauerstofgehalt des Bluts, überwachen, stellt Nintendo einen Puls-Sauerstof-Sensor zur Verfügung, der ebenfalls in die Fernbedienung integriert wird. Im folgenden Abschnitt werden die meisten Sensoren dieser beiden Anwendungsbeispiele erläutert: Beschleunigungssensoren, Drehratensensoren, Berührungssensoren, Magnetfeldsensoren, Temperatursensoren und Drucksensoren. Darüber hinaus werden: Verformungssensoren, Kratsensoren und Sensoren auf der Basis von Frequenzänderungen näher beschrieben. Dabei werden: der kapazitive Efekt, die magnetische Induktion, der thermomechanische, der thermoelektrische, der piezoresistive und der piezoelektrische Efekt erklärt. Die optischen Sensoren werden in Abschnitt 17.4 behandelt. Abbildung 16.2 Wii Balance Board von Nintendo Abbildung 16.3 Wii-Fernbedienung Abschnitt 17.4 Sensoren kommen überall dort zum Einsatz, wo physikalische Größen erfasst oder gemessen werden sollen. Die Sensorsignale werden genutzt, um eine Reaktion auf die physikalischen Größen auszulösen (physikalische Größe: das Handy wurde gedreht, Reaktion: die Anzeige auf dem Display wird ebenfalls gedreht).

14 Mikrosysteme Abschnitt Kapazitive Sensoren Beschleunigungssensoren Drehratensensoren Berührungssensoren Kapazitive Sensoren funktionieren wie ein Plattenkondensator mit einer oder zwei festen und einer beweglichen Elektrode. Die Elektroden sind in der Lage, elektrische Ladungen zu speichern. Die Ladungen auf beiden Elektroden haben unterschiedliche Vorzeichen, sodass sich zwischen den Elektroden ein elektrisches Feld aubaut. Bewegt man die Elektroden aufeinander zu und verringert damit ihren Abstand, so erhöht sich die Kapazität des Kondensators und umgekehrt. Über die Kapazität kann also der Abstand zwischen den Elektroden bestimmt werden, solange die anderen Faktoren bekannt sind und sich nicht verändern. Die Kapazität ist ein Maß für die Ladungsmenge Q pro angelegter Spannung V. Ihre Einheit ist das Farad [F]. Als feste Elektrode wird häuig eine Metallschicht auf der Trägerstruktur (z. B. Silicium) aufgebracht und strukturiert. Die elektrische Kontaktierung der Elektroden wird über Leiterbahnen aus demselben Material realisiert. Die Leiterbahnen führen zum Rand des Bauteils, wo sich Kontaktpads beinden. Die bewegliche Elektrode wird z. B. als Membran oder Balken ausgeführt, die/der ebenfalls metallisiert wird. Als Dielektrikum dient i. Allg. die Lut, die sich zwischen den Elektroden beindet. Wirkt eine äußere Krat auf die bewegliche Elektrode, wird sie ausgelenkt. Die Abstandsänderung zur festen Elektrode kann über die Messung der Kapazität bestimmt werden. Die Größe der Krat kann wiederum über das Maß der Auslenkung berechnet werden. Kapazitive Sensoren können auch aus drei Elektroden bestehen: zwei feststehenden und einer beweglichen, die zwischen den beiden feststehenden federnd aufgehängt ist (siehe Abbildung 16.5). Der Vorteil dieses Aubaus ist, dass man immer zwei Messwerte hat: die Kapazitätsänderung zwischen der festen Elektrode Nr. 1 und der beweglichen und die Kapazitätsänderung zwischen der beweglichen und der festen Elektrode Nr. 2. Im Optimalfall sind beide Messwertbeträge gleich groß, nur das Vorzeichen ist entgegengesetzt. In der Praxis entstehen jedoch Messungenauigkeiten, die durch einen solchen Diferentialkondensator besser ausgeglichen werden können. feste Elektrode bewegliche Elektrode feste Elektrode bewegliche Elektrode Abbildung 16.4 Schematische Darstellung eines kapazitiven Sensors mit einer festen und einer beweglichen Elektrode, rechts: Elektrodenbewegung parallel zum elektrischen Feld, links: Elektrodenbewegung senkrecht zum elektrischen Feld. Die Federn sind Sinnbild für eine elastische Verbindung zur festen Umgebung.

15 16.1 Sensoren 495 bewegliche Mittelelektrode feste Elektrode Feder Dämpfer Zur Verstärkung dieses Efektes wird am freien Balkenende ot eine zusätzliche Masse eine seismische Masse angebracht (der Begrif seismisch kommt aus dem Griechischen und bedeutet erschüttern). Damit steigt die Empindlichkeit des Sensors, d. h., der kleinste messbare Wert wird noch kleiner. Für dieses Prinzip wird der Fachausfeste Elektrode Masse m m a Links Abbildung 16.5 Schematische Darstellung eines kapazitiven Sensors mit zwei festen und einer beweglichen Elektrode Rechts Abbildung 16.6 Feder-Masse-Dämpfer-System: Eine Masse m hängt an einer Feder mit einer Federsteiigkeit k. Die Masse schwingt, wenn eine Beschleunigung a auf das System wirkt. Da keine Feder unendlich elastisch ist, hört die Masse nach einer gewissen Zeit von selbst auf zu schwingen. Dies ist durch die Dämpfung bzw. die Dämpfungskonstante β berücksichtigt. Ändert sich der Abstand bzw. die Fläche von zwei Elektroden, ändert sich auch die Kapazität des Kondensators. Die Kapazitätsänderung kann gemessen und damit als Wert für die Abstandsänderung der Elektroden verwendet werden. Dieses Messprinzip wird kapazitives Messprinzip oder kapazitiver Efekt genannt. Der kapazitive Efekt kann für verschiedene Sensoranwendungen verwendet werden: Kapazitive Beschleunigungs- und Drehratensensoren Beschleunigungs- und Drehratensensoren gehören zu den sogenannten Inertialsensoren. Als Inertialsensoren bezeichnet man Sensoren, die die Bewegung eines Objektes in einem Inertialsystem (= ein Koordinatensystem, in dem sich Körper geradlinig und gleichförmig bewegen) detektieren können. Dabei muss kein Bezug zu einem Punkt außerhalb des Sensors hergestellt werden. Ein Beschleunigungssensor misst die Beschleunigung eines Körpers bei einer linearen Bewegung, ein Drehratensensor die Rotationsgeschwindigkeit eines Körpers. Durch mathematische Umrechnung kann aus der Beschleunigung die Geschwindigkeit und aus ihr wiederum die zurückgelegte Strecke bestimmt werden. Kapazitive Beschleunigungssensoren haben als bewegliche Elektroden häuig einen schmalen Balken, der auf einer Seite befestigt ist (= einseitig eingespannter Balken). Wirkt eine Beschleunigung, schwingt das freie Balkenende in Richtung der Beschleunigung und federt anschließend in seine Ausgangsposition zurück. Während sich der Balken bewegt, ändert sich ständig der Abstand zwischen der beweglichen und der bzw. den festen Elektrode(n) und damit die Kapazität. Die Kapazitätsänderung ist ein Maß für die Auslenkung der beweglichen Elektrode. Die Auslenkung wiederum lässt auf den Wert der Beschleunigung schließen.

16 Mikrosysteme Beschleunigung Abbildung 16.7 Kapazitiver Beschleunigungssensor aus Silicium und Glas mit zwei feststehenden Elektroden und einer beweglichen Elektrode in der Mitte (Diferentialkondensator) Silicium Elektroden seismische Masse Glas druck Feder-Masse-Dämpfer-System verwendet (siehe Abbildung 16.6). In diesem Fall ist nicht der Balken, sondern die Masse, die eine ebene Unterseite hat, metallisiert und stellt die Elektrode dar. In Abbildung 16.7 ist ein Beschleunigungssensor aus Silicium und Glas mit zwei festen und einer beweglichen Elektrode dargestellt. Die bewegliche Elektrode besteht wie oben beschrieben aus einem dünnen, einseitig eingespannten Balken und einer seismischen Masse am freien Balkenende. Die Glasebenen dienen dazu, die Siliciumbauteile mittels anodischem Bonden miteinander verbinden zu können. Da Glas ein Isolator ist, werden die beiden festen Elektroden aus einer aufgedampten oder gesputterten Metallschicht strukturiert. Von ihnen führen Leiterbahnen aus demselben Material bis an den Rand des Bauteils und werden dort elektrisch kontaktiert. Die bewegliche Elektrode aus dotiertem Silicium wird direkt angeschlossen. Der in Abbildung 16.7 dargestellte Beschleunigungssensor ist eindimensional. Das heißt, er kann Beschleunigungen nur in eine Richtung messen, und zwar senkrecht zu der Ebene, in der Balken und Masse liegen. Diese Richtung wird im Allgemeinen als z-richtung deiniert. Man bräuchte also drei Beschleunigungssensoren, die jeweils im rechten Winkel zueinander stehen, um Beschleunigungen in x-, y- und z-richtung erfassen zu können. Die Sensoren sind zwar schon sehr klein, ein Paket aus drei Einzelsensoren ist für viele Anwendungen aber noch zu groß. Das Prinzip wurde daher weiterentwickelt, sodass drei Elektrodensysteme auf einem einzigen Chip hergestellt werden können (siehe Abbildung 16.8). Die Elektroden für die Erfassung von Beschleunigungen in z-richtung liegen auch hier wieder in der Chipebene. Die Elektroden für die x- und die y-richtung werden senkrecht zur Chipoberläche strukturiert. Die Technologien zur Herstellung solcher Strukturen sind inzwischen so weit fortgeschritten, dass 3-D-Beschleunigungssensoren kommerziell und preisgünstig verfügbar sind. Sie werden z. B. in Handys und in der Wii-Fernbedienung eingebaut. Wird zwischen den Elektroden eine Gleichspannung angelegt, besteht die Gefahr, dass Störeinlüsse das Messsignal verfälschen. Störsignale können besser und einfacher herausgeiltert werden, wenn an die Elektroden Wechselspannung angelegt wird. Der in Abbildung 16.9 dargestellte ADXL330 von der Firma Analog Devices wird zum Beispiel mit einer Rechteck-Wechselspannung mit einer Frequenz von 1 MHz be -