Heike Isemann

1. Ferienakademie 2005 Heike Isemann

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

4. 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 Was ist Mikromechanik?

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

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

7. 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 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]

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

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

10. 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

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

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

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

14. 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

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

16. Prozessschritte: Oberflächenmikromechanik

17. 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 Oberflächenmikromechanik

18. 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

19. 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

20. 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 Oberflächenmikromechanik Theoretische Erkenntnisse

21. LIGA-Verfahren LIGA Verfahren

22. LIGA-Verfahren Röntgentiefenlitographie-Galvanoformung-Abformung

23. 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 LIGA-Verfahren Einflüsse auf die Strukturqualität

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

25. 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 Kunststoffabformung

26. 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

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

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

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

30. 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

31. Mikrosystemtechnik Beschleunigungssensor Realisierungsmöglichkeiten Piezoresistiver Beschleunigungssensor Kapazitiver Beschleunigungssensor

32. Mikrosystemtechnik Kapazitiver BeschleunigungssensorMessprinzip

33. 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

34. Mikrosystemtechnik 2-Achsen Beschleunigungssensor

35. 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

36. Mikrosystemtechnik Kritisches Ausweichmanöver mit und ohne ESP

37. 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)

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

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

40. Zusatzfolien

41. 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 Röntgentiefenlithographie

42. 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 Röntgentiefenlithographie Eigenschaften der Röntgentiefenlithographie

43. 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

44. 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