Ferienakademie 2005 Heike Isemann

Gliederung: Was ist Mikromechanik? Grundlagen Mikrostrukturierung Silizium-Bulk-Mikromechanik Oberflächenmikromechanik LIGA-Verfahren Mikrosystemtechnik Beispiel: Beschleunigungssensoren

Was ist Mikromechanik? Mechanische Bauelemente im µm-Bereich Einsatz von Methoden zur Herstellung aufbauend auf Mikroelektronik Werkstoff hauptsächlich Silizium Dreidimensionale Ausdehnung der Bauteile Mikrosystemtechnik: Integration von elektrischen und mechanischen Bauteilen Hauptanwendungsfeld Sensorik und Aktuatorik

Grundlagen Kristallographie: Aspektverhältnis: Verhältnis Strukturhöhe zu Strukturbreite Selektivität: Quotient der Ätzraten zweier Materialen  SA:B = RA /RB

Nasschemisches Ätzen: z.B. HNA-Ätzlösungen (isotrop) Grundlagen Ätzen: Isotropie  Diffusionsbegrenzung Anisotropie  Reaktionsbegrenzung Nasschemisches Ätzen: z.B. HNA-Ätzlösungen (isotrop) KOH-Lösungen (anisotrop) Trockenätzen

Flusssäure, Salpetersäure, Essigsäure Grundlagen HNA: - hydrofluoric acid, nitric acid, acetic acid Flusssäure, Salpetersäure, Essigsäure HF, HNO3,CH3COOH - Ätzstopp an niedrig dotierten n- und p- Schichten - Ätzprozess diffusionslimitiert (isotrop) - geringe Selektivität gegenüber SiO2 HNA: hoch dotierte n- oder p-Dotierung Dichte > 10 hoch 18 erhöhen Ätzrate um ca. Faktor 150 Ätzrate 2 -940 µm/min HNO3 oxidiert das Silizium: 3 Si + 4 HNO3  3 SiO2 + 4NO + 2 H2O HF trägt das Oxid ab: 3 SiO2 + 18 HF  3 H2SiF6 + 6 H2O Gesamtgleichung: 18 HF + 4 NHO3 + 3 Si  3 H2SiF6 + 4 NO + 8 H2O Ätzrate HNA-Lösung [µm]

- Als wässrige Lösung mit 20%-50% Gewichtsanteil Grundlagen KOH: - Kaliumhydroxid - Als wässrige Lösung mit 20%-50% Gewichtsanteil - Ätzrate reaktionslimitiert - Ätzstopp bei p++-Schicht

Ätzstopp Abbruch des Ätzvorgangs an bestimmten Strukturen Vorteile: Grundlagen Ätzstopp Abbruch des Ätzvorgangs an bestimmten Strukturen Vorteile: Unabhängig von Schwankungen in der Ätzrate durch Temperatur oder Konzentrationsschwankungen Die Bestimmung des kritischen Zeitpunktes entfällt

Chemie des KOH - Ätzens: Grundlagen Chemie des KOH - Ätzens: Während der Oxidation: Injektion von Elektronen aus der Grenzschicht in den Kristall Si + 2OH-  Si(OH)2++ + 4e- Anschließende Reduktion verbraucht die Elektronen 4H2O + 4e-  4H2O- 4H2O-  4 OH- + 4H+ + 4e- 4OH- + 2H2 Si(OH)2++ + 4OH-  SiO2(OH)2-- + 2H2O Gesamtbruttogleichung: Si + 2OH- + 2H2O  SiO2(OH)2-- + 2H Entfernung der Elektronen an der Grenzfläche erzeugt Ätzstopp

Wie kann man Elektronen entfernen? - p+ Ätzstopp Grundlagen Wie kann man Elektronen entfernen? - p+ Ätzstopp - elektrochemischer Ätzstopp Dotierungsabhängigkeit der Ätzrate Elektrochemischer Ätzstopp

Anisotropie der Ätzrate auf der (100)-Oberfläche Grundlagen Anisotropie der Ätzrate auf der (100)-Oberfläche Wagon wheel

Silizium-Bulk-Mikromechanik Silizum-Bulk-Mikromechanik Silizium-Bulk-Mikromechanik Grundlegende Ätzformen: Gruben und Gräben Mesas und Spitzen Sprungbretter Membranen Brücken

Beispiel: Gruben (100)-Orientierung des Wafers Silizum-Bulk-Mikromechanik Beispiel: Gruben (100)-Orientierung des Wafers Strukturierung der Maskierungsschicht (z.B. SiO2) Ätzung durch anisotrope Ätzlösung: R(111) << R(100) Ätzrate reaktionsbegrenzt

Oberflächenmikromechanik Techniken zur Herstellung von Mikrostrukturen aus Dünnschichten auf der Oberfläche von Substraten Polysilizium-Mikromechanik Opferaluminium-Mikromechanik Keine Veränderungen am Substrat Anwendung der Opferschichttechnik

Prozessschritte: Oberflächenmikromechanik Polysilizium strukturieren mit anisotropem Trockenätzen

Ätzrate diffusionsbegrenzt Oberflächenmikromechanik Opferschicht definiert Abstand zwischen Basisschicht und darüber liegenden Dünnschichten Elektrischer Kontakt und Verankerung der Mikrostrukturschicht durch Öffnungen in der Opferschicht Mehrfache Wiederholung der Prozessschritte und komplexere Strukturen zu erhalten (Zahnräder, Getriebe, Kurbelwellen,…) Ätzrate diffusionsbegrenzt

Polysilizium-Mikromechanik Oberflächenmikromechanik Polysilizium-Mikromechanik Mikrostrukturen werden aus Polysilizium gefertigt Polysilizium eines der wichtigsten Materialien der Oberflächenmikromechanik Kompatibel mit Hochtemperaturprozessen Einfache Dotierung und Strukturierung Elektrostatischer Mikromotor, hergestellt mit Polysilizium-Mikromechanik

Opferaluminium-Mikromechanik Oberflächenmikromechanik Opferaluminium-Mikromechanik SALE Prozess (sacrificial aluminium etching  Opferaluminiumätzung Mögliches Ätzmittel: NPA-Lösung (nitric, phosphoric, acetic acids  Salpeter-, Phosphor- und Essigsäure) Anwendung: z.B. thermischer Drucksensorstruktur oder Mikrokanal

Theoretische Erkenntnisse Oberflächenmikromechanik Theoretische Erkenntnisse Warum können solche freitragenden Strukturen nur mit wenigen Aufhängepunkten realisiert werden? Viele physikalische Eigenschaften nehmen nicht mit der Größe ab: Flächen ~ a2; Volumen ~ a3 Durchbiegen eines Stabes ζ ~ a2

LIGA-Verfahren L I G A V e r f a h r e n

Röntgentiefenlitographie-Galvanoformung-Abformung LIGA-Verfahren Röntgentiefenlitographie-Galvanoformung-Abformung

Einflüsse auf die Strukturqualität LIGA-Verfahren Einflüsse auf die Strukturqualität Viele Komponenten spielen eine Rolle, u.a. Ungenügende Selektivität des Entwicklers Andere physikalische Effekte Neigung der Absorber- wände zum Strahl Erzeugung von Sekundärelektronen Fresnel-Beugung Photoelektronen Divergenz der Strahlung

Galvanische Abscheidung LIGA-Verfahren Galvanische Abscheidung Galvanische Abscheidung: Überwiegende Verwendung der Nickelgalvanik Vorteil: exakte Abformung und geringe innere Spannungen (Rissbildung) Verwendung der metallischen Form als Werkstück zur Vervielfältigung möglich Wabenstruktur durch Nickelgalvanik Minimale Strukturbreite 4µm Zum Vergleich: ein menschliche Haar

LIGA-Verfahren Kunststoffabformung Möglichkeit der Vervielfältigung für die Massenfertigung durch diverse Verfahren Hohe Anforderungen an Abformwerkzeuge: Kein Verkanten Abformung mit Abbildungsgenauigkeit im Submikrometerbereich Vermeidung von Volumenänderungen beim Aushärten

LIGA-Verfahren 3D-Strukturierung Mit Standart-LIGA-Verfahren sind nur Strukturen mit konstanter Strukturhöhe möglich Gestufte Strukturen können erreicht werden durch: Belichtung mit zweiter Maske und anderer Strahlungsdosis bzw. Gebrauch eines Absorbers aus zwei verschiedenen Materialien

Neigung von Maske und Probe um gewünschten Winkel zum Röntgenstrahl LIGA-Verfahren Neigung von Maske und Probe um gewünschten Winkel zum Röntgenstrahl Ausnutzung der Sekundärelektronen für konische Strukturen und Strukturen mit sphärischer Oberfläche

Anwendungsbeispiele Anwendungsbeispiele Mikroturbine aus Nickel zur Messung von Gasdurchfluss Durchmesser 130µm Linearaktor Länge 200µm, Breite 50µm Elektrostatischer Mikromotor Rotordurchmesser: 400µm Detailausnahme: gezackte Elektroden, Abstände: 4µm

MEMS – Micro-Electro-Mechanical-Systems Mikrosystemtechnik Mikrosystemtechnik MEMS – Micro-Electro-Mechanical-Systems Integration von elektrischen und mechanischen Komponenten in einem Bauteil Mikromechanischer Drehratensensor für ESP

Mikrosystemtechnik Sensoren: Bauteil, das neben bestimmten physikalischen oder chemischen Eigenschaften auch die stoffliche Beschaffenheit seiner Umgebung erfassen kann. Aktoren: (Wandler; auch: Aktuatoren) setzen elektronischen Signale in mechanische Bewegung oder andere physikalische Größen (z. B. Druck oder Temperatur) um

Beschleunigungssensor Mikrosystemtechnik Beschleunigungssensor Realisierungsmöglichkeiten http://ehmext.et.tu-dresden.de/testsite/index.php?id=476 (Bild 2) Piezoresistiver Beschleunigungssensor Kapazitiver Beschleunigungssensor

Kapazitiver Beschleunigungssensor Messprinzip Mikrosystemtechnik Kapazitiver Beschleunigungssensor Messprinzip

Herstellung / Funktionsweise Mikrosystemtechnik Herstellung / Funktionsweise Herstellung z.B. mittels Opfelschichtverfahren Elastisch aufgehängte Masse (typ. 0,7µg) Berührungslos verzahnte Struktur von frei beweglicher und befestigten Teilen „Finger“ als Kondensatoren Beschleunigung  Positionsänderung der Masse  Kapazitätsänderung  Spannungssignal

2-Achsen Beschleunigungssensor Mikrosystemtechnik 2-Achsen Beschleunigungssensor

Beschleunigungssensor im Automobil: Beispiel ESP Mikrosystemtechnik Beschleunigungssensor im Automobil: Beispiel ESP ESP enthält die Funktionen von ABS und ASR Erkennung von Bewegung quer zur Fahrtrichtung 25-mal/s Abgleich von gewünschter und tatsächlicher Fahrtrichtung durch Steuergerät Reduzierung der Motorkraft bzw. gezieltes Abbremsen einzelner Räder Drehbewegung  Schleuderbewegung

Kritisches Ausweichmanöver mit und ohne ESP Mikrosystemtechnik Kritisches Ausweichmanöver mit und ohne ESP

Rasante Entwicklung der MEMS: Mikrosystemtechnik Rasante Entwicklung der MEMS: Verwendung von Herstellungstechniken ähnlich der der Mikroelektronik Bedienung von Massenmärkten (Automobilindustrie, Tintenstrahldrucker, …) Sensoren von Bosch zur Beschleunigungsmessung bei einem Unfall. (Airbag)

Mikrosystemtechnik Beispiel Robert Bosch GmbH: Seit zehn Jahren mikromechanische Sensoren im Automobil: bereits mehr als 400 Millionen Sensoren gefertigt! Drucksensor Dreiachsiger Beschleunigungssensor

Weiterführende Informationen: Literatur: - W. Menz: Mikrosystemtechnik für Ingenieure - A.Heuberger: Mikromechanik Mikrosystemtechnikkongress: 10.10.2005 – 12.10.2005 Freiburg

Zusatzfolien

Synchrotronstrahlung Röntgentiefenlithographie Synchrotronstrahlung relativistische Elektronen Zentripetalbeschleunigung durch Magnetfeld Kreisbahn scharf gebündelte elektromagnetische Strahlung der beschleunigten Ladung in jeweiliger Flugrichtung (Aufweitung nur 0,1 – 1 mm pro Meter) Spektrum von Infrarot bis in den Röntgenbereich Elektrisches Feld senkrecht auf Magnetfeld  Lorentzkraft  Kreisbahn

Eigenschaften der Röntgentiefenlithographie Synchrotronstrahlung aus Elektronenspeicherring; typische Energie der Elektronen: 2,5GeV (z.B. ANKA, ELSA, …) Sehr hohes Aspektverhältnis – je nach Struktur bis zu 50 – 500 Strukturhöhen bis zu 3mm Oberflächenqualität im Submikrometerbereich Aber: Direktbelichtung mit 1:1 Maske Masken / Bestrahlung sehr teuer

Chemie des KOH - Ätzens: Grundlagen Chemie des KOH - Ätzens: Oxidation: OH–-Ionen und Wassermoleküle spielen die zentrale Rolle bei der Reaktion An der Grenzfläche reagieren die Hydroxylionen mit den Si-Atomen Si + 2OH-  Si(OH)4++ + 4e- Siliziumkomplex ist bereits vom Kristall isoliert, jedoch aufgrund seiner positiven Ladung noch an den Kristall adsorbiert Die Elektronen werden in das Leitungsband injeziert Reduktion: Die Überschusselektronen reagieren mit den Wassermolekülen, die an der Siliziumoberfläche abgelagert sind 4H2O + 4e-  4H2O- 4H2O-  4 OH- + 4 H+ + 4e- 4OH- + 2H2

Dadurch wird ein Aufbau negativer Ladungen im Silizium verhindert Der Wasserstoff führt zur Blasenbildung Der oxidierte Siliziumkomplex ist nicht mehr mit dem Kristall verbunden Jedoch findet elektrostatische Anziehung seiner positiven Ladung von der negativ geladenen Grenzschicht statt Der Siliziumkomplex reagiert mit OH--Ionen weiter: Si(OH)2++ + 4OH-  SiO2(OH)2-- + 2H2O Die dabei entstandenen negativen Siliziumkomplexe werden von der negativen Grenzschicht abgestoßen und im alkalischen Medium gelöst: Diffuion in die Lösung Die Gesamtbruttogleichung lautet: Si + 2OH- + 2H2O  SiO2(OH)2-- + 2H2