Integration nanostrukturierter Siliziumoberflächen als mechanische Funktionselemente Leistungsparameter und Zuverlässigkeit

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1 Integration nanostrukturierter Siliziumoberflächen als mechanische Funktionselemente Leistungsparameter und Zuverlässigkeit Mike Stubenrauch, Michael Fischer, Christoph Kremin, Morris Schwandt, Siegmar Hecht, Martin Hoffmann Technische Universität Ilmenau, Institut für Mikro- und Nanotechnologien Folie 1

2 2 2 2 Agenda Einführung / Motivation Technologie ncf-polymer Maske Si + + SF x SF x ncf-polymer Maske F* F* + SF x Si + + SF x SF x ncf-polymer + SF x F* F* Maske Si Ilmenauer Ansatz für das Bonden mit Nanostrukturen Silizium-Silizium Klettverschluss Silizium-Polymer-Bonden Silizium-Keramik-Bonden (Michael Fischer) Anwendungsfelder / Ausblick Zusammenfassung Folie 2

3 Motivation Black Silicon als smart structure RIE: Reaktives Ionenätzen von Silizium ein Standard-Prozess für die Herstellung von MEMS Black Silicon: nadelartige Strukturen mit Mikro- und Nanometer-Dimensionen Selbstmaskierung beim Ätzen, bekannt als unerwünschter Nebeneffekt bekannt seit ca. 20 Jahren (Jansen / Elvenspoek, MESA Institut) Bisher existierende Anwendungsfelder: Optische Absorberelemente Anti-Reflex-Beschichtungen (Solarzellen) Folie 3

4 Technologie Nanostrukturierung Nadelerzeugung mit ASE Flächenvergrößerung von bis zu 1:20 durch Nanostrukturierung zweiseiten- Lithografie Trockenätzen Black-Silicon Prozess Technologieplan für MEMS mit nanostrukturierten Oberflächen Ausnutzung von Selbstorganisation zur großflächigen Erzeugung von Nanostrukturen Implementierung der Nanostrukturierung in Standard-Technologiepläne Schutz der Nanostrukturen vor Beschädigung während der weiteren Prozesse Folie 4

5 Grundlagen des Nanoklettverschlusses kraftunterstützte, tzte, formschlüssige ssige Verbindung verstärkt rkt durch Adhäsion F halt =F form +F reib +F adh lösbare Verbindung (bei kleinen Fügekräften) Verschiedene Justiermethoden (Mask-Aligner oder vordefinierte mechanische Positionen) Einfache Fixierung der Bauteile bzw. Wafer mit kleinen Fügekräften Kompression bis zu 50 MPa für dauerhafte Verbindungen Haltekräfte bis zu 20 MPa sind möglich (neue Ergebnisse) Starke Streuung der Messergebnisse (meist bedingt durch Probenpräparation und Versuchsanordnung) 5 mm Folie 5

6 Zuverlässigkeitstests Probenpräparation 1.) 2.) Silizium Glas Wasserfilm Abstandshalter Drehgelenke Testchip in einer Halterung Fügevorgang der Testchips Chip auf Träger geklebt 1 mm 5 mm gebondete Chips 5x5 mm² Chip für Wechselbelastungstests Fügevorrichtung unter dem Mikroskop Chips vor und nach der Montage auf die Träger Folie 6

7 Zuverlässigkeitstests Prüfstand Probe Motoreinheit mit Exzenter Stahlseil Hebel Prinzip der Probeneinspannung und Kraftmessung Reale Umsetzung Komplette Prüfeinrichtung Folie 7

8 Zuverlässigkeitstests Ergebnisse N 20 Proben wurden statisch belastet um die Qualität der Bondverbindung zu prüfen die meisten Proben zeigen Frühausfälle im statischen Belastungsfall einige Proben (2) erreichten Zyklenzahlen von über 1 Million Lastwechseln bei 80 % der Nennlast Oberflächenfehler führen zu großen statistischen Schwankungen und damit zu schwierigen Versuchsbedingungen für Wechsellastexperimente Probenoptimierung zwingend erforderlich Lichtmikroskopische Aufnahmen von Fehlstellen auf der Chipoberfläche REM-Aufnahmen nach Zerstörung der Probe Folie 8

9 Si-Polymer-Bonden Grundlagen Umformung der Polymer-Matrix Durchdringung von Polymerbauteil und nanostrukturierter Oberfläche Nach Abkühlung (Zusammenziehen des Polymers) feste Verbindung Fügeparameter: T: ca C (bei Polypropylen) Druck: ca. 1-5 MPa ( N/cm²) Viskosität im Interface unbekannt Dauer: ca. 3-4 s spez. Wärmekapazität in J/(g K) Wärmeleitfähigkeit in W/(m K) therm. Dehnung in 1/K PP Silizium Folie 9

10 Si-Polymer-Bonden Ergebnisse Bonden von PP mit Si-Oberflächen Haltekraft Brown Si (ICP) Black Si (RIE) poliertes Si Si und Klebstoff Vergleich mit anderen Bondmethoden zeigt die große Haltekraft der Si-Polymer-Verbindung mit Black Silicon aus der STS ICP Maschine Maximalwerte bis zu 20 MPa erreichbar Versagen der Fügestelle immer in der Polymermatrix (geschwächte Stelle durch das Fügen) Folie 10

11 Si-Polymer-Bonden Möglichkeiten / Eigenschaften Luer-Adapter mit Schlauchanschluss Mikrofluidchip mit Gräben auf der Rückseite Verschiedene Polymeradapter an kleinen Si-Chips Black Silicon Interface Komplexer Fluidchip mit indirekten Schlauchankopplungen Möglichkeiten: Direkte Schlauchankopplungen (totvolumenfrei) Integrierte Luer-Adapter (male + female) Eigenschaften: Flüssigkeitsdicht Bedingt gasdicht Sterilisierbar Festigkeiten bis zu 20 MPa Bio-Mikrosystem mit zwei Seitenanschlüssen Direkte Schlauchankopplung mit Zugentlastung Folie 11

12 Anwendungen / Ausblick pick-and-place für Mikroelektronische Komponenten Black Silicon Mikroreaktor mit Platin- Katalysator Super-hydrophobe Oberflächen BioMEMS für die Zellkultivierung Zellen auf Silizium-Nadeln (Nanostrukturen) Folie 12

13 Zusammenfassung Black Silicon eignet sich als mechanisches Funktionselement Stabile Bondverbindungen für f r Mikrosysteme sind realisierbar Nahezu beliebige Umgebungsbedingungen zulässig (für r Si-Si) Si) Kompatibel zu Elektronik, MEMS-Prozessen und Biologie Kombination des Bondverfahrens mit anderen Anwendungen von Black Silicon realisierbar (Silizium, Polymere, Keramik, Glas) Festigkeiten bis zu 20 MPa (2000 N/cm²) ) nachgewiesen Erste Zuverlässigkeitsuntersuchungen mit guten Ergebnissen (1 Mio. Lastwechsel ohne Versagen) Folie 13

14 Danksagung Dipl.-Ing. M. Fischer Prof. Dipl.-Ing. Dr. med. H. Witte em. Prof. Dr.-Ing. H. Wurmus Dr. rer.. nat. C. Schilling Dr.-Ing. V. Cimalla Dipl.-Chem. K. Friedel Dipl.-Ing. S. Stoebenau Dipl.-Ing. J. Burgold Dipl.-Ing. O. Nagel B. Hartmann G. Harnisch M. Klett Dr.-Ing. J. Bagdahn Dipl.-Ing. M. Bernasch Dipl.-Ing. S. Schönfelder Ansprechpartner: TU Ilmenau; PF ; Ilmenau Folie 14