Heike Isemann Ferienakademie 2005. Was ist Mikromechanik? Grundlagen Mikrostrukturierung...

Heike IsemannHeike IsemannFerienakademie 2005Ferienakademie 2005

• Was ist Mikromechanik?

• Grundlagen

• Mikrostrukturierung

– Silizium-Bulk-Mikromechanik

– Oberflächenmikromechanik

• LIGA-Verfahren

• Mikrosystemtechnik

– Beispiel: Beschleunigungssensoren

Gliederung:

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

GrundlagenGrundlagen

• Ätzen: Isotropie Diffusionsbegrenzung Anisotropie Reaktionsbegrenzung

Nasschemisches Ätzen:

z.B. HNA-Ätzlösungen (isotrop)

KOH-Lösungen (anisotrop)

Trockenätzen



– 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 H2OÄtzrate HNA-Lösung [µm]


– KOH: - Kaliumhydroxid

- Als wässrige Lösung mit 20%-50% Gewichtsanteil

- Ätzrate reaktionslimitiert

- Ätzstopp bei p++-Schicht


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:

•Während der Oxidation: Injektion von Elektronen aus der Grenzschicht in den Kristall

Si + 2OH- Si(OH)2++ + 4e-

•Anschließende Reduktion verbraucht die Elektronen4H2O + 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

- elektrochemischer Ätzstopp

Dotierungsabhängigkeit der Ätzrate Elektrochemischer Ätzstopp

Anisotropie der Ätzrate auf der (100)-Oberfläche


Wagon wheel

Silizum-Bulk-MikromechanikSilizum-Bulk-Mikromechanik

Silizium-Bulk-Mikromechanik• Grundlegende Ätzformen:

– Gruben und Gräben

– Mesas und Spitzen

– Sprungbretter

– Membranen

– Brücken

Silizum-Bulk-MikromechanikSilizum-Bulk-Mikromechanik

Beispiel: Gruben– (100)-Orientierung des Wafers

– Strukturierung der Maskierungsschicht (z.B. SiO2)

– Ätzung durch anisotrope Ätzlösung: R(111) << R(100)

– Ätzrate reaktionsbegrenzt

OberflächenmikromechanikOberflächenmikromechanik

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:


– 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

• 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

• 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

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


L

I

G

A

Verfahren

LIGA-VerfahrenLIGA-Verfahren

Röntgentiefenlitographie-Galvanoformung-Abformung


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


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


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



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

– Ausnutzung der Sekundärelektronen für konische

Strukturen und Strukturen mit sphärischer Oberfläche

AnwendungsbeispieleAnwendungsbeispiele

Anwendungsbeispiele

Mikroturbine aus Nickel zur Messung von Gasdurchfluss Durchmesser 130µm

Linearaktor Länge 200µm, Breite 50µm

Elektrostatischer Mikromotor Rotordurchmesser: 400µm

Detailausnahme: gezackte Elektroden, Abstände: 4µm

Mikrosystemtechnik

MikrosystemtechnikMikrosystemtechnik

MEMS –

Micro-Electro-Mechanical-Systems

Mikromechanischer Drehratensensor für ESP

Integration von elektrischen und mechanischen Komponenten in einem Bauteil

• 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

Realisierungsmöglichkeiten

Piezoresistiver Beschleunigungssensor

Kapazitiver Beschleunigungssensor


Kapazitiver BeschleunigungssensorMessprinzip


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


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


Sensoren von Bosch zur Beschleunigungsmessung bei einem Unfall. (Airbag)

Rasante Entwicklung der MEMS:•Verwendung von Herstellungstechniken ähnlich

der der Mikroelektronik•Bedienung von Massenmärkten (Automobilindustrie, Tintenstrahldrucker, …)

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

RöntgentiefenlithographieRöntgentiefenlithographie

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

Eigenschaften der Röntgentiefenlithographie

RöntgentiefenlithographieRöntgentiefenlithographie

• 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: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

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