Manfred Kasper Mikrosystementwurf Entwurf und Simulation von Mikrosystemen Mit 182 Abbildungen und 44 Tabellen Springer
1. Einführung 1 1.1 Entwicklung der Mikroelektronik 1 1.2 Mikrosystemtechnik und.nanotechnologie 5 1.3 Chancen der Miniaturisierung 7 1.4 Größenänderung, Skalierung 9 1.5 Skalierung, Ähnlichkeit und Kennzahlen 13 1.5.1 Die Ableitung der Kennzahlen der Thermik 15 1.5.2 Kennzahlen der Elektrodynamik 16 1.5.3 Anwendung der Kennzahlen 19 1.5.4 Skalierungsgesetze aus Kennzahlen 20 1.6 Lernen aus der Natur Bionik 24 1.7 Einfluß der Abmessungen auf die Gestalt 28 1.8 Thesen zum Mikrosystementwurf 30 2 Technologien der Mikrosystemtechnik 36 2.1 Feinwerktechnik 37 2.2 Lithographie :.: 37 2.3 Schichtabscheidung 39 2.3.1 Thermische Oxidation 40 2.3.2 CVD-Verfahren 41 2.3.3 PVD-Verfahren 42 2.3.4 Galvanische und stromlose Metallabscheidung 44 2.4 Strukturierung 46 2.4.1 Naßchemisches Ätzen 46 2.4.2 Anisotropes Ätzen von Silizium 48 2.4.3 Trockenätzverfahren._..' 51 2.4.4 Laserbearbeitung 53 2.5 Prozeßabläufe 56 2.5.1 Silizium Mikromechanik 56 2.5.2 LIGA-Verfahren 58 2.5.3 Herstellung frei beweglicher Strukturen 59 2.5.4 Prozeßfolge zur Herstellung integrierter Schaltungen 61
VIII Inhaltsverzeichnis Werkstoffe der Mikrosystemtechnik 64 3.1 Phänomenologische Beschreibung 67 3.2 Darstellung und Transformation tensorieller Materialdaten 72 3.3 Diffusion in Festkörpern 75 3.4 Eigenschaften dünner Schichten 78 3.5 Oberflächeneigenschaften 83 3.6 Monte-Carlo- und Ab-initio-Simulation 85 Allgemeine Entwurfsmethoden 88 4.1 Entwurfsablauf 89 4.1 Spezifikation 93 4.2 Lösungsmethoden für die Systemstudie, Konzeptphase 95 4.3 Ergebnisse der Konzeptphase 100 Systemsimulation 103 5.1 Simulationsebenen 103 5.2 Netzwerkanalyse, Analogsimulation 105 5.3 Nichtlineare Netzwerke 114 5.4 Netzwerkanalyse zeitabhängiger Signale, transiente Analyse 119 5.5 Lösung des transienten Problems 122 Beschreibung physikalischer Vorgänge durch Netzwerkmodelle 129 6.1 Beschreibung durch Netzwerkgleichungen 130 6.2 Separation von Zeitkonstanten und Aggregation 134 6.3 Vollständigkeit und Vernachlässigung kleiner Effekte 142 6.4 Feldänderung bei der Wellenausbreitung 145 6.5 Bondgraphen 147 Makromodeile 153 7.1 Konzept der Makromodelle 153 7.2 Modellerstellung eines Beschleunigungssensors '. 156 7.3 Identifikation für Makromodelle 166 7.4 Grundlagen der Zeitbereichsmethoden 170 7.5 Parameterschätzung durch Entwicklung 175 7.6 Signalunabhängige Transformationen mit orthogonalen Polynomen 182 7.7 Nachbildung im Frequenzbereich 186 7.8 Nichtlineare Systeme 189
IX 8 Numerische Feldberechnung 195 8.1 Differenzenverfahren 196 8.2 Finite-Elemente-Methode 202 8.3 Behandlung der Randbedingungen 211 8.4 Variationsprobleme und Galerkin-Verfahren 214 8.5 Wahl der Ansatzfunktionen * 217 8.6 Netzgenerierung 220 8.7 Fehlerabschätzung und adaptive Netzgenerierung 223 8.8 Weitere Finite-Elemente-Ansätze 225 9 Systemintegration 234 9.1 Elektronische Komponenten 234 9.2 Signalübertragung 238 9.3 Anschluß-und Verbindungsdichte 244 9.4 Ausbeute und Test 250 9.5 Zuverlässigkeit 255 10 Physikalischer Entwurf und Systemintegration 261 10.1 Modulentwurf 263 10.2 Partitionierung 267 10.3 Plazierung 274 10.4 Thermische Plazierung, Zuverlässigkeitsaspekte, 280 allgemeine Kopplungen 10.5 Verdrahtung 284 11 Systemoptimierung 291 11.1 Optimierungsziele, Optimierungsaufgabe 291 11.2 Optimierungsverfahren 297 11.3 Quasi-Newton-Methoden 300 11.4 Konjugierte Gradientenverfahren 302 11.5 Ableitungsfreie Suchmethoden 305 11.6 Stochastische Optimierungsverfahren,..'.' 307 11.6 Behandlung der Nebenbedingungen 316 12 Mikroaktoren 320 12.1 Energiewandlung 320 12.2 Elektromagnetische Aktoren 323 12.3 Elektrostatische Mikromotoren 327 12.4 Piezoelektrische Aktoren 334
12.5 Thermisch-mechanische Aktoren 337 12.4 Reibung und Verschleiß 343 13 Sensoren 348 13.1 Signalerfassung und Signalaufbereitung 349 13.2 Sensoren für mechanische Größen '. 354 13.2.1 Piezoresistive Sensoren 354 13.2.2 Kapazitive Sensoren 361 13.2.3 Piezoelektrische Sensoren 363 13.2.4 Resonanzsensoren 363 13.2.5 Oberflächenwellen Sensoren 367 13.3 Chemo- und Biosensoren 369 13.4 Mehrkomponentenanalyse für Sensoren 373 Sachverzeichnis 377