Folie 1

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Ferienakademie 2005
Heike Isemann
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Gliederung

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

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(No Transcript)
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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

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Grundlagen

• Grundlagen
• Kristallographie
• Aspektverhältnis Verhältnis Strukturhöhe zu
  Strukturbreite
• Selektivität Quotient der Ätzraten zweier
  Materialen ? SAB RA /RB

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Grundlagen

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

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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
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Grundlagen

• KOH - Kaliumhydroxid
• - Als wässrige Lösung mit 20-50 Gewichtsanteil
• - Ätzrate reaktionslimitiert
• - Ätzstopp bei p-Schicht

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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

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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

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Grundlagen
Wie kann man Elektronen entfernen? - p
Ätzstopp - elektrochemischer Ätzstopp
Dotierungsabhängigkeit der Ätzrate
Elektrochemischer Ätzstopp
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Grundlagen
Anisotropie der Ätzrate auf der (100)-Oberfläche

Wagon wheel
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Silizum-Bulk-Mikromechanik

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

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Silizum-Bulk-Mikromechanik

• Beispiel Gruben
• (100)-Orientierung des Wafers
• Strukturierung der Maskierungsschicht (z.B. SiO2)
• Ätzung durch anisotrope Ätzlösung R(111) ltlt
  R(100)
• Ätzrate reaktionsbegrenzt

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Oberflächenmikromechanik
Oberflächenmikromechanik

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

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Oberflächenmikromechanik

• Prozessschritte

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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

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Polysilizium-Mikromechanik
Oberflächenmikromechanik

• 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
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Opferaluminium-Mikromechanik
Oberflächenmikromechanik

• 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

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Theoretische Erkenntnisse
Oberflächenmikromechanik

• 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 ? a2

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LIGA
LIGA-Verfahren
Verfahren
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Röntgentiefenlitographie-Galvanoformung-Abformung
LIGA-Verfahren
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Einflüsse auf die Strukturqualität
LIGA-Verfahren

• 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

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Galvanische Abscheidung
LIGA-Verfahren

• 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
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Kunststoffabformung
LIGA-Verfahren

• 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

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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

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LIGA-Verfahren

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

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

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Mikrosystemtechnik
Beschleunigungssensor
Realisierungsmöglichkeiten
Piezoresistiver Beschleunigungssensor
Kapazitiver Beschleunigungssensor
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Mikrosystemtechnik
Kapazitiver BeschleunigungssensorMessprinzip
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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

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Mikrosystemtechnik
2-Achsen Beschleunigungssensor
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Mikrosystemtechnik
Beschleunigungssensor im AutomobilBeispiel 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

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Mikrosystemtechnik
Kritisches Ausweichmanöver mit und ohne ESP
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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)
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Mikrosystemtechnik
Beispiel Robert Bosch GmbH Seit zehn Jahren
mikromechanische Sensoren im Automobil bereits
mehr als 400 Millionen Sensoren gefertigt!
Drucksensor
Dreiachsiger Beschleunigungssensor
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• Weiterführende Informationen
• Literatur - W. Menz Mikrosystemtechnik für
• Ingenieure
• - A.Heuberger Mikromechanik
• Mikrosystemtechnikkongress
• 10.10.2005 12.10.2005
• Freiburg

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Zusatzfolien
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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

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Eigenschaften der Röntgentiefenlithographie
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 11 Maske
• Masken / Bestrahlung sehr teuer

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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

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• 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