IMtech. Institut für Mikrotechnologien: Ihr Partner in Sachen Mikrosystemtechnik-F&E. Technologien und Equipment: Ihre Möglichkeiten:

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1 FH Wiesbaden University of Applied Sciences Kontakt: Prof. Dr. F. Völklein Am Brückweg Rüsselsheim IMtech Institut für Mikrotechnologien: Ihr Partner in Sachen Mikrosystemtechnik-F&E Technologien und Equipment: Dünnschichttechnik: PECVD, E-Beam- und Sputteranlagen Photolithographie Nass- und Trockenätztechniken: RIE, IBE Lasermikrostrukturierung Hochenergie-Ionenstrahlquelle AFM- / STM- / MFM-Analysemethoden Modellierungs- / Simulationssoftware Ihre Möglichkeiten: Wir bearbeiten Ihre F & E-Aufträge Wir beraten Sie oder recherchieren Wir planen und realisieren mit Ihnen F&E-Projekte Wir betreuen Studierende, die bei Ihnen arbeiten

2 Friedemann Völklein Thomas Zetterer Praxiswissen Mikrosystemtechnik

3 Aus dem Programm Elektrotechnik Mikrowellenelektronik von W. Bächtold Vieweg Handbuch Elektrotechnik herausgegeben von W. Böge und W. Plaßmann Elemente der angewandten Elektrotechnik von E. Böhmer Elemente der Elektrotechnik Repetitorium und Prüfungstrainer von E. Böhmer Mechatronik herausgegeben von B. Heinrich Sensoren für die Prozess- und Fabrikautomation herausgegeben von S. Hesse und G. Schnell Hochfrequenztechnik von H. Heuermann Elektronik für Ingenieure herausgegeben von L. Palotas Grundkurs Leistungselektronik von J. Specovius Elektronik von D. Zastrow vieweg

4 Friedemann Völklein Thomas Zetterer Praxiswissen Mikrosystemtechnik Grundlagen Technologien Anwendungen 2., vollständig überarbeitete und erweiterte Auflage Mit 367 Abbildungen und 55 Tabellen Vieweg Praxiswissen

5 Bibliografische Information der Deutschen Bibliothek Die Deutsche Bibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliographie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über < abrufbar. Das Buch erschien in der 1. Auflage unter dem Titel Einführung in die Mikrosystemtechnik ebenfalls im Vieweg Verlag. 1. Auflage August , vollständig überarbeitete und erweiterte Auflage Januar 2006 Alle Rechte vorbehalten Friedr. Vieweg & Sohn Verlag/GWV Fachverlage GmbH, Wiesbaden, 2006 Lektorat: Reinhard Dapper Der Vieweg Verlag ist ein Unternehmen von Springer Science+Business Media. Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung außerhalb der engen Grenzen des Urheberrechtsgesetzes ist ohne Zustimmung des Verlags unzulässig und strafbar. Das gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. Umschlaggestaltung: Ulrike Weigel, Technische Redaktion: Andreas Meißner, Wiesbaden Druck und buchbinderische Verarbeitung: MercedesDruck, Berlin Gedruckt auf säurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier. Printed in Germany ISBN

6 V Vorwort zur 2. Auflage Die Mikrosystemtechnik hat in den zurückliegenden Jahren eine beeindruckende rasante Entwicklung genommen. Dies gilt sowohl hinsichtlich der Entwurfswerkzeuge und Technologien, die für die Realisierung von Mikrosystemen entwickelt wurden, als auch bezüglich neuer Anwendungsfelder für Mikrosysteme. Neben den etablierten Technologien der Halbleiter- Mikroelektronik nutzt man inzwischen zahlreiche neue technologische Verfahren. Eine Vielzahl von physikalischen Effekten und Materialien kommt in mikrosystemtechnischen Funktionselementen und Komponenten zur Anwendung, so dass neben mikroelektronischen nun auch eine Fülle von mikrofluidischen, mikrooptischen, mikromechanischen Bauelementen, Sensoren und Aktoren zur Verfügung steht. Darauf aufbauend wird in Zukunft vor allem der Systemaspekt im Vordergrund der Entwicklung stehen. Dieses Buch soll Studierenden und Fachleuten aus Forschung und Entwicklung einen Einstieg in die faszinierende Welt der Mikrosystemtechnik geben. Dabei haben wir (in Kap. 2) zunächst großen Wert auf eine möglichst gründliche Darstellung der technologischen Basis, d. h. der zur Verfügung stehenden Materialien und Verfahren gelegt. Aufbauend auf der Kenntnis dieser technologischen Werkzeuge stellen wir in Kap. 3 mikromechanische, mikrooptische, mikrofluidische Funktionselemente und Komponenten (Grundstrukturen) bzw. Sensoren und Aktoren dar, wobei in Anbetracht der inzwischen erreichten Vielfalt nur eine beispielhafte Auswahl getroffen werden konnte. Kap. 4 widmet sich der Systemintegration: neben den Schwerpunkten Aufbau- und Verbindungstechnik und Systemsimulation wird hier auch auf Fragen von Zuverlässigkeit und Qualitätssicherung eingegangen. In Kap. 5 beschreiben wir exemplarisch an drei ausgewählten kommerziell erfolgreichen Mikrosystemen deren Realisierung von der Entwurfsphase bis zum Test des fertigen Produktes. Im Vergleich zur 1. Auflage haben wir wesentliche Erweiterungen, die aktuelle Entwicklungen berücksichtigen, vorgenommen, so dass das Buch um ca. 90 Seiten angewachsen ist. Stichworte für diese Erweiterungen sind: poröses Silizium als multifunktionell nutzbares Substratmaterial, Lasertechnik für der 3D-Mikrostrukturierung, Technologien der Mikrofluidik und Bio- MEMS, Mikroaktoren und deren Wirkprinzipien, Aufbau- und Verbindungstechnik auf Chipebene, neue mikrooptische Komponenten. Wir danken allen, die durch positive wie kritische Bemerkungen zur 1. Auflage die Gestaltung der 2. Auflage gefördert haben. In die Überarbeitung und Erweiterung des Buches sind zahlreiche Anregungen und Forschungsergebnisse von Fachkollegen eingeflossen. Dafür möchten wir uns vor allem bei Mitarbeitern aus dem Institut für Mikrotechnik Mainz (IMM), sowie aus den Firmen Heimann Sensor GmbH Dresden/Eltville und SCHOTT AG Mainz bedanken. Unser besonderer Dank gilt Herrn Dr. Peter Schwarz, Fraunhofer-Institut für Integrierte Schaltungen Dresden, der sein umfangreiches Kapitel zur Simulation von Mikrosystemen aktualisiert hat. Neue Inhalte haben auch Prof. Dr. H.-D. Bauer (FH Wiesbaden) zur Laser-Mikrobearbeitung und Prof. Dr. Ch. Thielemann (MPI für Polymerforschung Mainz) mit dem Abschnitt Bio- MEMS beigetragen. Nicht zuletzt danken wir A. Meier, M. Thust sowie den Mitarbeitern des Vieweg-Verlages für die intensive Unterstützung bei der Manuskriptgestaltung. Fraglos wird es auch in der überarbeiteten und erweiteren Auflage Anlass für Verbesserungen geben. Über entsprechende Anregungen aus dem Leserkreis freuen wir uns. Wiesbaden, im Dezember 2005 Friedemann Völklein, Thomas Zetterer

7 VII Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung Von der Mikroelektronik zur Mikrosystemtechnik Was ist ein Mikrosystem? Anwendungsfelder und Trends der Mikrosystemtechnik Literatur Basistechnologien der Mikrosystemtechnik Reinraumtechnologie Substrate und Materialien Bulk-Materialien Dünne Schichten Wandlungseffekte Mechanisch elektrische Wandlung Thermisch elektrische Wandlung Magnetisch elektrische Wandlung Optisch elektrische Wandlung Literatur Dünnschichttechnologie Herstellung und Charakterisierung dünner Schichten Beschichtungsmethoden Ionenimplantation Charakterisierungsmethoden für dünne Schichten Lithographie Prinzip und Anwendungen der Lithographie Verfahrensführung Belichtungs-Verfahren und -Apparaturen Resists Maskenherstellung Komplexe Resisttechnologien Ätzen Nassätzen Trockenätzen Lift-off-Technik Literatur Dreidimensionale Mikrostrukturierungsmethoden LIGA-Technik mit Röntgentiefenlithographie UV-LIGA und SU8-Resist-Technologie Mikrostrukturierung mit Laserstrahlung Laserstrahlung als Werkzeug Laserablation Laser-LIGA Materialauftragende Laserverfahren

8 VIII Inhaltsverzeichnis Mikroverbindungstechnik mit Lasern Technische Ausführung und wirtschaftliche Aspekte Anisotrope Ätztechniken für Silizium Anisotropes Nassätzen von Silizium Ätzstopverfahren Anisotropes Plasmaätzen Photostrukturierung von Glas Mikrofunkenerosion Literatur Grundstrukturen und Anwendungen Mikromechanische Grundstrukturen und Fertigungsprozesse Ätzgruben in Silizium Design-Regeln Membranen Zungen und Biegebalken Spitzen und Spitzenarrays Mesa-Strukturen Dreidimensionale teilbewegliche Mikrostrukturen Trocken-Ätztechniken für mikromechanische Grundstrukturen Literatur Mikrooptische Grundstrukturen und Fertigungsprozesse Freistrahlstrukturen Glasfaserkompatible mikrooptische Strukturen Lichtleitende Strukturen Elektrooptische Bauelemente Literatur Mikrosensoren, Mikroaktoren und Fertigungsprozesse Thermische Mikrosensoren Berührende Temperatursensoren Thermische Sensoren zur berührungslosen Temperaturmessung Vakuum-Mikrosensoren Flow-Sensoren AC/DC-Thermokonverter Druck- und Beschleunigungssensoren Piezoresistive Drucksensoren Aufbau und Funktion piezoresistiver Drucksensoren Kapazitive Drucksensoren Beschleunigungssensoren Gassensoren Chemisch sensitive Feldeffekt-Transistoren (CHEMFETs) Teststrukturen Aktoren Elektrostatische Wirkprinzipien Elektrokinetische Wirkprinzipien Elektrisch-Mechanische Wirkprinzipien (Piezoelektrizität) Thermische Wirkprinzipien Magnetische Wirkprinzipien

9 Inhaltsverzeichnis IX Bauelemente für die Vakuum-Mikroelektronik Literatur Mikrofluidische Grundstrukturen und Fertigungsprozesse Filter und Trennmembranen (Permeation) Mischer und Wärmetauscher Fluidkanäle und Düsen Mikropumpen und -ventile Fluidverstärker und -schalter Durchflusssensoren (Flow-Sensoren) Chemische Analysesysteme Mikroreaktoren BioMEMS Materialien für BioMEMS Biosensoren BioLab-on-a-Chip Literatur Systemintegration Aufbau von Mikrosystemen Mikroelektronik technologische Basis der Mikrosystemtechnik Monolithische Integration Mikrosensoren/-aktoren auf der Basis der CMOS-Technologie CMOS-basierte komplexe Integrations-Prozesse Integration auf der Basis der Bipolaren Prozesstechnologie Anwendung der Opferschichttechnologie Hybride Integration von Mikrosystemen Substratherstellung durch Dünn- und Dickschichttechnik Bauelemente in Dünn- und Dickschichttechnik Herstellung und Eigenschaften von Dickschicht-Bauelementen Herstellung und Eigenschaften von Dünnschicht-Bauelementen SMD-Bauelemente Ungehäuste Halbleiterbauelemente (Chip-and-Wire-Technik) Aufbau- und Verbindungstechnik (AVT) Bedeutung der AVT für die Mikrosystemtechnik Chip-Level-Packaging Chipbearbeitung Chipmontage (Die bonding) Bonden von Silizium und Glas Anodisches Bonden Silicon Direct Bonding (SDB), Silicon Fusion Bonding (SFB) Wafer-Wafer-Bonden mit Zwischenschichten Elektrische Kontaktierung Drahtbonden Tape-Automated-Bonding (TAB) Flip-Chip-Technik

10 X Inhaltsverzeichnis Ball-Grid-Arrays (BGA) Beamlead-Kontaktierung Multi-Chip-Packaging Literatur Systemsimulation Einordnung Modellierungs- und Simulationsebenen Auswahl des Systemsimulators Modellierungsansätze Beschreibungsmittel Mathematische Verhaltensbeschreibung VHDL-AMS Modelica Anwendungsbeispiel: Beschleunigungssensor Automatische Modellgenerierung Simulatorkopplung: Prinzip Simulatorkopplung: Anwendungsbeispiel Literatur Zuverlässigkeit und Qualitätssicherung von Mikrosystemen Begriffsdefinition Testmethoden Bewertung und Berechnung von Ausfallraten Identifikation von Ausfallmechanismen Qualitätssicherung Literatur Beispiele komplexer Mikrosysteme AFM-Messkopf Miniaturellipsometer Theoretische Grundlagen Komponenten des Mikroellipsometers Aufbau des Gesamtsystems Thermopile-Arrays für Wärmebildsysteme Entwurf und Simulation Technologie: Design und Herstellung Integration: Ausleseelektronik, ASIC Aufbau- und Verbindungstechnik Test Anwendungsbeispiel: Fahrzeuginnenraumüberwachung Literatur Sachwortverzeichnis