U. Mescheder Mikrosystemtechnik
Mikrosystemtechnik Konzepte und Anwendungen Von Professor Dr. Ulrich Mescheder Fachhochschule Furtwangen University of Applied Sciences Mit 157 Bildern und 21 Tabellen ä3 B. G.Teubner Stuttgart Leipzig 2000
Die Deutsche Bibliothek - CIP-Einheitsaufnahme Ein Titeldatensatz für diese Publikation ist bei Der Deutschen Bibliothek erhältlich ISBN 978-3-519-06256-1 ISBN 978-3-322-94037-7 (ebook) DOI 10.1007/978-3-322-94037-7 Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechlich geschützt. Jede Verwertung außerhalb der engen Grenzen des Urheberrechtsgesetzes ist ohne Zustimmung des Verlages unzulässig und strafbar. Das gilt besonders fur VervieWiltigungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. 2000 B. G. Teubner Stuttgart. Leipzig Satz: Wemer Krämer-Kranz, Berlin Urnschlaggestaltung: Peter Pfitz, Stuttgart Titelbild: HSG-IMIT (Villingen-Schwenningen) mit freundlicher Genehmigung Wolfram Geiger
Inhaltsverzeichnis Vorwort 1 1 Einführung und Begriffsbestimmung 3 1.1 Begriffsdefinition Mikroystemtechnik... 3 1.2 Wirtschaftliche Bedeutung............................................. 6 1.3 Aufgaben zur Lernkontrolle.............................................. 10 2 Werkstoffe und technologische Grundlagen 11 2.1 Werkstoffe für Mikrosysteme... 11 2.2 Kristallographische Grundbegriffe... 12 2.3 Werkstoffdaten von Silizium............................................. 17 2.4 Übersicht über Herstellungsverfahren... 19 2.4.1 Aus Mikroelektronik abgeleitete Herstellungsverfahren... 20 2.4.1.1 2.4.1.2 2.4.1.3 Beschichtungsverfahren und Schichtbeeinflussung... 21 Belichtungsverfahren (Lithographie)... 27 Ätzverfahren... 31 2.4.2 Si-Bulk-Mikromechanik... 34 2.4.2.1 2.4.2.2 2.4.2.3 2.4.2.4 Anisotopes Ätzen von kristallinem Si... 34 Layoutregeln bei Si-Bulk-Mikromechanik... 36 Ätzlösungen für anisotropes Ätzen von Si... 39 Ätzstopp-Verfahren.................................... 41 2.4.3 Si-Oberflächenmikromechanik............ 45 2.4.3.1 Opferschichttechnik... 47 2.4.3.2 Stressreduktion in Funktionsschicht.................. 49
VI Inhaltsverzeichnis 2.4.3.3 Verklebungsproblematik bei Oberflächenstrukturen (stiction)................. 50 2.4.3.4 Anwendungsbeispiele der OFM... 51 2.4.4 LIGA-Verfahren......... 52 2.4.4.1 Tiefenlithographie... 53 2.4.4.2 Abformtechnik...... 54 2.4.4.3 Kostengünstige LIGA-Verfahren... 58 2.5 Aufgaben zur Lernkontrolle.............................................. 62 3 Mikromechanische Sensoren 65 3.1 Si-Drucksensoren... 65 3.1.1 Mechanische Eigenschaften... 66 3.1.2 Piezoresistiver Effekt............................................. 75 3.1.3 Gestaltungsbeispiele von Si-Drucksensoren... 87 3.1.4 Verbindungstechnik für Drucksensoren... 94 3.1.5 Betriebsverhalten piezoresistiver Drucksensoren... 97 3.1.6 Alternative Realisierungsprinzipien von Si- Drucksensoren... 99 3.1.7 Industrielle Realisierungsbeispiele von Drucksensoren... 103 3.2 Si-Beschleunigungssensoren... 105 3.2.1 Mechanische Beschreibung von Beschleunigungssensoren... 105 3.2.2 Wandlerprinzipien für mikromechanische Beschleunigungssensoren... 110 3.2.3 Realisierungsbeispiele von Beschleunigungssensoren... 111 3.3 Abgeleitete mikromechanische Sensoren... 117 3.3.1 Vibrationssensoren... 117 3.3.2 Neigungssensoren... 118 3.3.3 Drehratensensoren... 122 3.3.4 Mikromechanische Mikrofone... 124 3.4 Aufgaben zur Lernkontrolle... 126
Inhaltsverzeichnis vii 4 Aktorik in der Mikrosystemtechnik 130 4.1 Antriebsprinzipien... 131 4.1.1 Elektrostatische Antriebe... 131 4.1.2 Piezoelektrische Antriebe... 134 4.1.3 Magnetostriktive Antriebe... 141 4.1.4 Antriebe mit Formgedächtnis-Legierungen... 144 4.1.5 Thermische Aktoren... 149 4.1.6 Elektro- und Magnetorheologische Aktoren... 150 4.1.7 Elektromagnetische Aktoren... 153 4.2 Realisierungsbeispiele für Mikroaktoren... 154 4.2.1 Mikroventile und Mikropumpen... 155 4.2.2 Tintenstrahldruckköpfe... 162 4.2.3 Mikrospiegel... 167 4.2.4 Mikromechanische Verstelleinheiten... 171 4.2.5 Mikromotoren... 174 4.3 Fragen zur Lernkontrolle... 181 5 Optik in der Mikrosystemtechnik 184 5.1 Integrierte Optik... 184 5.1.1 Grundlegende Konzepte der integrierten Optik... 185 5.1.1.1 Prinzipien der Lichtführung in integrierten Lichtwellenleitern... 185 5.1.1.2 Bauformen von Streifenwellenleitern... 194 5.1.1.3 Werkstoffe der Integrierten Optik... 196 5.1.2 Grundelemente der Integrierten Optik... 198 5.1.2.1 Gradlinige Streifenlichtwellenleiter... 198 5.1.2.2 Gebogene Lichtwellenleiter... 199 5.1.2.3 Verzweigungselemente... 201 5.1.2.4 Richtkoppler... 201
viii Inhaltsverzeichnis 5.1.2.5 Modulatoren... 208 5.1.2.6 Gitterstrukturen... 217 5.1.3 Anwendungsbeispiele für integriert-optische Elemente... 218 5.1.3.1 Anwendungen in der Meßtechnik... 218 5.1.3.2 Anwendungen in der Nachrichtentechnik... 222 5.2 Diffraktive Optik... 226 5.2.1 Grundlegende Konzepte der diffraktiven Optik... 227 5.2.2 Herstellungsverfahren für diffrakt iv optische Bauelemente... 229 5.2.3 Diffraktiv-optische Bauelemente... 231 5.3 Aufgaben zur Lernkontrolle... 234 6 Systemtechniken 238 6.1 Integrationstechniken auf Chipebene... 240 6.1.1 Hybridintegration... 240 6.1.2 Monolithische Integration... 241 6.2 Verbindungstechnik auf Wafer- und Chipebene... 243 6.2.1 Anodische Verbindung... 245 6.2.2 Glaslotverbindung... 246 6.2.3 Eutektische Verbindung... 248 6.2.4 Si-Si-Direktverbindung... 249 6.2.5 Kleben... 250 6.2.6 Polymere Verbindungs schichten... 252 6.3 Gehäusetechnik... 253 6.3.1 Elektrische Kontaktierung... 254 6.3.2 Gehäusetypen... 257 6.3.3 Chipabdeckung... 260 6.4 Kommunikationsstrukturen innerhalb und zwischen Mikrosystemen. 261 6.4.1 Schnittstellenstandards... 262 6.4.2 Bus-Architektur... 267
Inhaltsverzeichnis IX 6.5 Mikrosystementwurf... 270 6.5.1 Entwurfsstrategien... 270 6.5.2 Modellierung von Mikrosystemen... 272 6.5.3 Simulation von Mikrosystemen... 279 6.5.4 Spezielle Simulatoren für Mikrosysteme... 283 6.6 Aufgaben zur Lernkontrolle... 285 Anhang 288 A Verzeichnis der verwendeten Formelzeichen... 288 B Beispiel einer FEM-Analyse eines mikromechanischen Sensors... 294 etabellenverzeichnis... 301 D Abbildungsverzeichnis... 302 Literaturverzeichnis 308 Sachindex 318
Vorwort Die Mikrosystemtechnik ist ein zwar junges, aber sich schnell entwickelndes Teilgebiet der Technik. Die wirtschaftliche Bedeutung wird bereits heute oft mit der der Mikroelektronik verglichen, obgleich viele Arbeiten noch immer Forschungscharakter haben. Aber die Möglichkeiten sind immens, erlaubt doch die Mikrosystemtechnik wie die Mikroelektronik ein "Wachsen ins Kleine" wie Walter Kroy - einer der geistigen "Väter" der Mikrosystemtechnik einmal treffend formulierte. Dadurch werden Systeme, die heute z.b. mit Methoden der Feinwerktechnik hergestellt werden, nicht nur kleiner und leistungsfähiger sondern insbesondere billiger. Da sehr unterschiedliche Funktionselemente zu Mikrosystemen vereinigt ("integriert") werden, ist die Entwicklung von Mikrosystemen komplex und hochgradig interdisziplinär. Zurecht haben sich daher in den vergangenen Jahren unterstützt durch entsprechende politische Vorgaben an vielen deutschen Hochschulen Studiengänge oder an etablierte ingenieurwissenschaftliche Studiengänge angegliederte Schwerpunkte gebildet, in denen Ingenieure in Mikrosystemtechnik ausgebildet werden. Dadurch ist eine wichtige Rahmenbedingung für die industrielle Umsetzung der Möglichkeiten, die Mikrosystemtechnik bietet, gegeben. Denn noch immer sind vielen - gerade kleinen und mittelständischen - Unternehmen die technischen Möglichkeiten der Mikrosystemtechnik nicht hinreichend bekannt. Ohne dieses Wissen können aber die Märkte der Mikrosystemtechnik nicht wachsen. Erst Vertrautheit und Erfahrung mit einem neuen technischen Feld ermöglicht eine zielgerichtete, erfolgreiche Produktentwicklung. Ein Lehrbuch über ein so junges Fachgebiet wie die Mikrosystemtechnik gibt notwendigerweise einen subjektiven, momentanen Blickwinkel wieder. Die Entwicklungen in der Mikrosystemtechnik sind noch lange nicht abgeschlossen, so daß man kein scharf abgrenzbares Gebiet vor sich hat. Ständig wird von neuen Entwicklungen berichtet, kommen neue Produkte auf den Markt. Das vorliegende Buch trifft eine auf der heutigen Sichtweise des Autors beruhende Auswahl an Themen, wobei versucht wurde, auch ganz aktuelle Entwicklungen zu berücksichtigen. Besonderer Wert wurde auf das Herausarbeiten der wesentlichen Konzepte der Mikrosystemtechnik gelegt. Immer wieder werden dazu gerade Werkstofffragen und Werkstoffeigenschaften intensiv behandelt.
2 Vorwort Das Buch basiert auf einer Vorlesungsreihe mit insgesamt sechs Semesterwochenstunden, die an der FH Furtwangen, Hochschule für Technik und Wirtschaft, seit 1992 im Hauptstudium der Mikrosystemtechnik bzw. der Feinwerktechnik angeboten wird. Die Auswahl und Gliederung erfolgt dabei einmal nach "Produkten": im Falle der Mikrosystemtechnik sind das Sensoren (Kapitel 3) und Aktoren (Kapitel 4). In den einführenden Kapiteln 1 und 2 wird auf die Begriffsbestimmung, wirtschaftliche Bedeutung und auf die Herstellungsverfahren eingegangen. Die Optik ist ein eigenständiges Fachgebiet. Die Mikrooptik und insbesondere die Integrierte Optik (der Begriff ist eigentlich älter als der Begriff Mikrosystemtechnik) können jedoch zumindest in Teilbereichen der Mikrosystemtechnik zugerechnet werden. Dieses Thema wird daher in einem eigenständigen Kapitel behandelt (Kapitel 5). Die Darstellung des "Systemgedankens" ist die sicherlich schwierigste Aufgabe bei einem Buch über Mikrosystemtechnik. In diesem Buch wird kein systemanalytischer, sondern ein "hardware-orientierter" Ansatz verfolgt: Der Systemgedanke wird an einzelnen Realisierungsbeispielen, anhand der Aufbau- und Verbindungstechnik und am Beispiel der Simulation erläutert. Ich hoffe, daß die gewählte Auswahl den Lesern Interessantes und Wissenswertes liefert, über Anregungen und auch Kritik würde ich mich sehr freuen (email: mescheder@fu-furtwangen.de). Zum Schluß möchten ich allen danken, die zum Gelingen des Buches beigetragen haben: Herrn Dr. Christoph Nachtigall für das kritische Korrekturlesen, Frau Dipl. Ing. Eva Spale, Frau Dipl. Ing. Christiane Kötter und meinem Sohn Stefan für die Unterstützung beim Anfertigen der Grafiken und bei der Bildbearbeitung. Herrn Dr. Jens Schlembach vom Teubner-Verlag danke ich für die Anregung zum Schreiben des Buches und die Begleitung während der (leider längeren) Realisierungsphase. Herr Werner Krämer-Kranz hat durch seine Arbeiten beim Setzen des Buches für ein ansprechendes Äußeres gesorgt. Danken möchte ich auch allen, die mich nicht nur in der durch Forschungs- und Lehraufgaben ohnehin schon mehr als ausgefüllten Zeit des Schreibens dieses Buches sondern auch darüberhinaus Unterstützung und Bestärkung gaben: Meinen Eltern, Freunden und meiner Familie. Furtwangen, Juni 1999