heike isemann
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Ferienakademie 2005. Heike Isemann. Gliederung:. Was ist Mikromechanik? Grundlagen Mikrostrukturierung Silizium-Bulk-Mikromechanik Oberflächenmikromechanik LIGA-Verfahren Mikrosystemtechnik Beispiel: Beschleunigungssensoren. Mechanische Bauelemente im µm-Bereich - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
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
GrundlagenGrundlagen
GrundlagenGrundlagen
– 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]
GrundlagenGrundlagen
– KOH: - Kaliumhydroxid- Als wässrige Lösung mit 20%-50%
Gewichtsanteil- Ätzrate reaktionslimitiert- Ätzstopp bei p++-Schicht
GrundlagenGrundlagen
Ätzstopp
Abbruch des Ätzvorgangs an bestimmten Strukturen
Vorteile:
– Unabhängig von Schwankungen in der Ätzrate durch Temperatur oder Konzentrationsschwankungen
– Die Bestimmung des kritischen Zeitpunktes entfällt
GrundlagenGrundlagen
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
GrundlagenGrundlagen
Wie kann man Elektronen entfernen?- p+ Ätzstopp
- elektrochemischer Ätzstopp
Dotierungsabhängigkeit der Ätzrate Elektrochemischer Ätzstopp
Anisotropie der Ätzrate auf der (100)-Oberfläche
GrundlagenGrundlagen
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
OberflächenmikromechanikOberflächenmikromechanik
• Prozessschritte:
OberflächenmikromechanikOberflächenmikromechanik
– 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
OberflächenmikromechanikOberflächenmikromechanik
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
OberflächenmikromechanikOberflächenmikromechanik
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
OberflächenmikromechanikOberflächenmikromechanik
L
I
G
A
Verfahren
LIGA-VerfahrenLIGA-Verfahren
Röntgentiefenlitographie-Galvanoformung-Abformung
LIGA-VerfahrenLIGA-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
LIGA-VerfahrenLIGA-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-VerfahrenLIGA-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-VerfahrenLIGA-Verfahren
LIGA-VerfahrenLIGA-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
LIGA-VerfahrenLIGA-Verfahren
– 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
MikrosystemtechnikMikrosystemtechnik
MikrosystemtechnikMikrosystemtechnik
Beschleunigungssensor
Realisierungsmöglichkeiten
Piezoresistiver Beschleunigungssensor
Kapazitiver Beschleunigungssensor
MikrosystemtechnikMikrosystemtechnik
Kapazitiver BeschleunigungssensorMessprinzip
MikrosystemtechnikMikrosystemtechnik
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
MikrosystemtechnikMikrosystemtechnik
2-Achsen Beschleunigungssensor
MikrosystemtechnikMikrosystemtechnik
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 RäderDrehbewegung Schleuderbewegung
MikrosystemtechnikMikrosystemtechnik
Kritisches Ausweichmanöver mit und ohne ESP
MikrosystemtechnikMikrosystemtechnik
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!
MikrosystemtechnikMikrosystemtechnik
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
GrundlagenGrundlagen
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-AtomenSi + 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 sind4H2O + 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