Praxiswissen Mikrosystemtechnik : Grundlagen, Technologien, Anwendungen ; mit 55 Tabellen

500 Pages·2006·10.68 MB·German

by  Friedemann Völklein

Kontakt: Prof. Dr. F. Völklein
FH Wiesbaden Am Brückweg 26
University of Applied Sciences 65428 Rüsselsheim
[email protected]
IMtech
Institut für Mikrotechnologien:
Ihr Partner in Sachen Mikrosystemtechnik-F&E
Technologien und Equipment:
● Dünnschichttechnik: PECVD,
E-Beam- und Sputteranlagen
Ihre Möglichkeiten:
● Photolithographie
● Nass- und Trockenätz- ● Wir bearbeiten Ihre F&E-Aufträge
techniken: RIE, IBE
● Wir beraten Sie oder
● Lasermikrostrukturierung recherchieren
● Hochenergie-Ionenstrahlquelle ● Wir planen und realisieren mit Ihnen
F&E-Projekte
● AFM-/STM-/MFM-Analysemethoden
● Wir betreuen Studierende,
● Modellierungs-/ Simulationssoftware die bei Ihnen arbeiten
Friedemann Völklein
Thomas Zetterer
Praxiswissen
Mikrosystemtechnik
Aus dem Programm
Elektrotechnik
Mikrowellenelektronik
von W. Bächtold
Vieweg Handbuch Elektrotechnik
herausgegeben von W. Böge und W. Plaßmann
Elementeder angewandten Elektrotechnik
von E. Böhmer
Elemente der Elektrotechnik –
Repetitorium und Prüfungstrainer
von E. Böhmer
Mechatronik
herausgegeben von B. Heinrich
Sensoren für die Prozess- und Fabrikautomation
herausgegeben von S. Hesse und G. Schnell
Hochfrequenztechnik
von H. Heuermann
Elektronik für Ingenieure
herausgegeben von L. Palotas
Grundkurs Leistungselektronik
von J. Specovius
Elektronik
von D. Zastrow
vieweg
Friedemann Völklein
Thomas Zetterer
Praxiswissen
Mikrosystem-
technik
Grundlagen – Technologien –
Anwendungen
2., vollständig überarbeitete und
erweiterte Auflage
Mit 367 Abbildungen und 55 Tabellen
Vieweg Praxiswissen
Bibliografische Information der Deutschen Bibliothek
Die Deutsche Bibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliographie;
detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über <http://dnb.ddb.de> abrufbar.
Das Buch erschien in der 1. Auflage unter dem Titel Einführung in die Mikrosystemtechnik
ebenfalls im Vieweg Verlag.
1. Auflage August 2000
2., vollständig überarbeitete und erweiterte Auflage Januar 2006
Alle Rechte vorbehalten
©Friedr. Vieweg & Sohn Verlag/GWV Fachverlage GmbH, Wiesbaden, 2006
Lektorat: Reinhard Dapper
Der Vieweg Verlag ist ein Unternehmen von Springer Science+Business Media.
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bar. Das gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Übersetzungen,
Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in
elektronischen Systemen.
Umschlaggestaltung:Ulrike Weigel, www.CorporateDesignGroup.de
Technische Redaktion: Andreas Meißner, Wiesbaden
Druck und buchbinderische Verarbeitung: MercedesDruck, Berlin
Gedrucktauf säurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier.
Printed in Germany
ISBN 3-528-13891-2
V
Vorwort zur 2. Auflage
Die Mikrosystemtechnik hat in den zurückliegenden Jahren eine beeindruckende rasante Ent-
wicklung genommen. Dies gilt sowohl hinsichtlich der Entwurfswerkzeuge und Technologien,
die für die Realisierung von Mikrosystemen entwickelt wurden, als auch bezüglich neuer An-
wendungsfelder für Mikrosysteme. Neben den etablierten Technologien der Halbleiter-
Mikroelektronik nutzt man inzwischen zahlreiche neue technologische Verfahren. Eine Viel-
zahl von physikalischen Effekten und Materialien kommt in mikrosystemtechnischen Funkti-
onselementen und Komponenten zur Anwendung, so dass neben mikroelektronischen nun auch
eine Fülle von mikrofluidischen, mikrooptischen, mikromechanischen Bauelementen, Sensoren
und Aktoren zur Verfügung steht. Darauf aufbauend wird in Zukunft vor allem der System-
aspekt im Vordergrund der Entwicklung stehen.
Dieses Buch soll Studierenden und Fachleuten aus Forschung und Entwicklung einen Einstieg
in die faszinierende Welt der Mikrosystemtechnik geben. Dabei haben wir (in Kap. 2) zunächst
großen Wert auf eine möglichst gründliche Darstellung der technologischen Basis, d. h. der zur
Verfügung stehenden Materialien und Verfahren gelegt. Aufbauend auf der Kenntnis dieser
technologischen „Werkzeuge“ stellen wir in Kap. 3 mikromechanische, mikrooptische, mik-
rofluidische Funktionselemente und Komponenten (Grundstrukturen) bzw. Sensoren und Akto-
ren dar, wobei in Anbetracht der inzwischen erreichten Vielfalt nur eine beispielhafte Auswahl
getroffen werden konnte. Kap. 4 widmet sich der Systemintegration: neben den Schwerpunkten
Aufbau- und Verbindungstechnik und Systemsimulation wird hier auch auf Fragen von Zuver-
lässigkeit und Qualitätssicherung eingegangen. In Kap. 5 beschreiben wir exemplarisch an drei
ausgewählten kommerziell erfolgreichen Mikrosystemen deren Realisierung von der Entwurfs-
phase bis zum Test des fertigen Produktes.
Im Vergleich zur 1. Auflage haben wir wesentliche Erweiterungen, die aktuelle Entwicklungen
berücksichtigen, vorgenommen, so dass das Buch um ca. 90 Seiten angewachsen ist. Stichwor-
te für diese Erweiterungen sind: poröses Silizium als multifunktionell nutzbares Substratmate-
rial, Lasertechnik für der 3D-Mikrostrukturierung, Technologien der Mikrofluidik und Bio-
MEMS, Mikroaktoren und deren Wirkprinzipien, Aufbau- und Verbindungstechnik auf Chip-
ebene, neue mikrooptische Komponenten.
Wir danken allen, die durch positive wie kritische Bemerkungen zur 1. Auflage die Gestaltung
der 2. Auflage gefördert haben. In die Überarbeitung und Erweiterung des Buches sind zahlrei-
che Anregungen und Forschungsergebnisse von Fachkollegen eingeflossen. Dafür möchten wir
uns vor allem bei Mitarbeitern aus dem Institut für Mikrotechnik Mainz (IMM), sowie aus den
Firmen Heimann Sensor GmbH Dresden/Eltville und SCHOTT AG Mainz bedanken. Unser
besonderer Dank gilt Herrn Dr. Peter Schwarz, Fraunhofer-Institut für Integrierte Schaltungen
Dresden, der sein umfangreiches Kapitel zur Simulation von Mikrosystemen aktualisiert hat.
Neue Inhalte haben auch Prof. Dr. H.-D. Bauer (FH Wiesbaden) zur Laser-Mikrobearbeitung
und Prof. Dr. Ch. Thielemann (MPI für Polymerforschung Mainz) mit dem Abschnitt Bio-
MEMS beigetragen. Nicht zuletzt danken wir A. Meier, M. Thust sowie den Mitarbeitern des
Vieweg-Verlages für die intensive Unterstützung bei der Manuskriptgestaltung.
Fraglos wird es auch in der überarbeiteten und erweiteren Auflage Anlass für Verbesserungen
geben. Über entsprechende Anregungen aus dem Leserkreis freuen wir uns.
Wiesbaden, im Dezember 2005 Friedemann Völklein, Thomas Zetterer
VII
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung..........................................................................................................................1
1.1 Von der Mikroelektronik zur Mikrosystemtechnik....................................................1
1.2 Was ist ein Mikrosystem?..........................................................................................4
1.3 Anwendungsfelder und Trends der Mikrosystemtechnik...........................................5
1.4 Literatur......................................................................................................................7
2 Basistechnologien der Mikrosystemtechnik........................................................8
2.1 Reinraumtechnologie.................................................................................................8
2.2 Substrate und Materialien.........................................................................................13
2.2.1 Bulk-Materialien.........................................................................................13
2.2.2 Dünne Schichten.........................................................................................27
2.2.3 Wandlungseffekte.......................................................................................29
2.2.3.1 Mechanisch ⇔elektrische Wandlung.......................................30
2.2.3.2 Thermisch ⇔elektrische Wandlung.........................................31
2.2.3.3 Magnetisch ⇔elektrische Wandlung........................................33
2.2.3.4 Optisch ⇔elektrische Wandlung..............................................35
2.2.4 Literatur......................................................................................................36
2.3 Dünnschichttechnologie...........................................................................................40
2.3.1 Herstellung und Charakterisierung dünner Schichten.................................40
2.3.1.1 Beschichtungsmethoden............................................................40
2.3.1.2 Ionenimplantation......................................................................54
2.3.1.3 Charakterisierungsmethoden für dünne Schichten.....................59
2.3.2 Lithographie................................................................................................66
2.3.2.1 Prinzip und Anwendungen der Lithographie.............................66
2.3.2.2 Verfahrensführung.....................................................................68
2.3.2.3 Belichtungs-Verfahren und -Apparaturen..................................78
2.3.2.4 Resists........................................................................................85
2.3.2.5 Maskenherstellung.....................................................................90
2.3.2.6 Komplexe Resisttechnologien....................................................95
2.3.3 Ätzen.........................................................................................................100
2.3.3.1 Nassätzen.................................................................................102
2.3.3.2 Trockenätzen............................................................................104
2.3.3.3 Lift-off-Technik.......................................................................108
2.3.4 Literatur....................................................................................................100
2.4 Dreidimensionale Mikrostrukturierungsmethoden.................................................113
2.4.1 LIGA-Technik mit Röntgentiefenlithographie.........................................113
2.4.2 UV-LIGA und SU8-Resist-Technologie..................................................117
2.4.3 Mikrostrukturierung mit Laserstrahlung...................................................123
2.4.3.1 Laserstrahlung als Werkzeug...................................................123
2.4.3.2 Laserablation............................................................................123
2.4.3.3 Laser-LIGA..............................................................................127
2.4.3.4 Materialauftragende Laserverfahren........................................128
VIII Inhaltsverzeichnis
2.4.3.5 Mikroverbindungstechnik mit Lasern......................................129
2.4.3.6 Technische Ausführung und wirtschaftliche Aspekte..............129
2.4.4 Anisotrope Ätztechniken für Silizium......................................................130
2.4.4.1 Anisotropes Nassätzen von Silizium........................................130
2.4.4.2 Ätzstopverfahren......................................................................133
2.4.4.3 Anisotropes Plasmaätzen.........................................................134
2.4.5 Photostrukturierung von Glas...................................................................136
2.4.6 Mikrofunkenerosion..................................................................................138
2.4.7 Literatur....................................................................................................139
3 Grundstrukturen und Anwendungen................................................................143
3.1 Mikromechanische Grundstrukturen und Fertigungsprozesse................................143
3.1.1 Ätzgruben in Silizium...............................................................................144
3.1.2 Design-Regeln..........................................................................................150
3.1.3 Membranen...............................................................................................153
3.1.4 Zungen und Biegebalken..........................................................................157
3.1.5 Spitzen und Spitzenarrays.........................................................................159
3.1.6 Mesa-Strukturen........................................................................................162
3.1.7 Dreidimensionale teilbewegliche Mikrostrukturen...................................163
3.1.8 Trocken-Ätztechniken für mikromechanische Grundstrukturen...............164
3.1.9 Literatur....................................................................................................166
3.2 Mikrooptische Grundstrukturen und Fertigungsprozesse.......................................168
3.2.1 Freistrahlstrukturen...................................................................................170
3.2.2 Glasfaserkompatible mikrooptische Strukturen........................................182
3.2.3 Lichtleitende Strukturen............................................................................184
3.2.4 Elektrooptische Bauelemente....................................................................191
3.2.5 Literatur....................................................................................................200
3.3 Mikrosensoren, Mikroaktoren und Fertigungsprozesse..........................................203
3.3.1 Thermische Mikrosensoren.......................................................................203
3.3.1.1 Berührende Temperatursensoren..............................................203
3.3.1.2 Thermische Sensoren zur
berührungslosen Temperaturmessung......................................207
3.3.1.3 Vakuum-Mikrosensoren...........................................................212
3.3.1.4 Flow-Sensoren.........................................................................214
3.3.1.5 AC/DC-Thermokonverter........................................................217
3.3.2 Druck- und Beschleunigungssensoren......................................................218
3.3.2.1 Piezoresistive Drucksensoren...................................................218
3.3.2.2 Aufbau und Funktion piezoresistiver Drucksensoren..............222
3.3.2.3 Kapazitive Drucksensoren.......................................................226
3.3.2.4 Beschleunigungssensoren........................................................227
3.3.3 Gassensoren..............................................................................................230
3.3.4 Chemisch sensitive Feldeffekt-Transistoren (CHEMFETs).....................233
3.3.5 Teststrukturen...........................................................................................235
3.3.6 Aktoren.....................................................................................................237
3.3.6.1 Elektrostatische Wirkprinzipien...............................................238
3.3.6.2 Elektrokinetische Wirkprinzipien............................................246
3.3.6.3 Elektrisch-Mechanische Wirkprinzipien (Piezoelektrizität)....249
3.3.6.4 Thermische Wirkprinzipien.....................................................259
3.3.6.5 Magnetische Wirkprinzipien....................................................268
Inhaltsverzeichnis IX
3.3.6.6 Bauelemente für die Vakuum-Mikroelektronik.......................272
3.3.7 Literatur....................................................................................................274
3.4 Mikrofluidische Grundstrukturen und Fertigungsprozesse....................................280
3.4.1 Filter und Trennmembranen (Permeation)................................................287
3.4.2 Mischer und Wärmetauscher....................................................................289
3.4.3 Fluidkanäle und Düsen.............................................................................291
3.4.4 Mikropumpen und -ventile.......................................................................294
3.4.5 Fluidverstärker und -schalter....................................................................297
3.4.6 Durchflusssensoren (Flow-Sensoren).......................................................298
3.4.7 Chemische Analysesysteme......................................................................299
3.4.8 Mikroreaktoren.........................................................................................303
3.4.9 BioMEMS.................................................................................................305
3.4.9.1 Materialien für BioMEMS.......................................................306
3.4.9.2 Biosensoren..............................................................................307
3.4.9.3 BioLab-on-a-Chip....................................................................311
3.4.10 Literatur....................................................................................................312
4 Systemintegration......................................................................................................317
4.1 Aufbau von Mikrosystemen...................................................................................317
4.1.1 Mikroelektronik – technologische Basis der Mikrosystemtechnik...........319
4.2 Monolithische Integration......................................................................................320
4.2.1 Mikrosensoren/-aktoren auf der Basis der CMOS-Technologie...............320
4.2.2 CMOS-basierte komplexe Integrations-Prozesse.....................................324
4.2.3 Integration auf der Basis der Bipolaren Prozesstechnologie.....................327
4.2.4 Anwendung der Opferschichttechnologie.................................................328
4.3 Hybride Integration von Mikrosystemen................................................................331
4.3.1 Substratherstellung durch Dünn- und Dickschichttechnik........................331
4.3.2 Bauelemente in Dünn- und Dickschichttechnik........................................333
4.3.2.1 Herstellung und Eigenschaften von
Dickschicht-Bauelementen......................................................334
4.3.2.2 Herstellung und Eigenschaften von
Dünnschicht-Bauelementen.....................................................337
4.3.3 SMD-Bauelemente...................................................................................340
4.3.4 Ungehäuste Halbleiterbauelemente (Chip-and-Wire-Technik).................342
4.4 Aufbau- und Verbindungstechnik (AVT)...............................................................344
4.4.1 Bedeutung der AVT für die Mikrosystemtechnik.....................................344
4.4.2 Chip-Level-Packaging..............................................................................347
4.4.3 Chipbearbeitung........................................................................................354
4.4.4 Chipmontage (Die bonding).....................................................................355
4.4.5 Bonden von Silizium und Glas.................................................................360
4.4.5.1 Anodisches Bonden.................................................................360
4.4.5.2 Silicon Direct Bonding (SDB),
Silicon Fusion Bonding (SFB).................................................362
4.4.5.3 Wafer-Wafer-Bonden mit Zwischenschichten.........................363
4.4.6 Elektrische Kontaktierung........................................................................364
4.4.6.1 Drahtbonden.............................................................................364
4.4.6.2 Tape-Automated-Bonding (TAB)............................................368
4.4.6.3 Flip-Chip-Technik....................................................................369
X Inhaltsverzeichnis
4.4.6.4 Ball-Grid-Arrays (BGA)..........................................................370
4.4.6.5 Beamlead-Kontaktierung.........................................................371
4.4.6.6 Multi-Chip-Packaging..............................................................372
4.4.7 Literatur....................................................................................................375
4.5 Systemsimulation...................................................................................................380
4.5.1 Einordnung................................................................................................380
4.5.2 Modellierungs- und Simulationsebenen....................................................381
4.5.3 Auswahl des Systemsimulators.................................................................382
4.5.4 Modellierungsansätze...............................................................................382
4.5.5 Beschreibungsmittel..................................................................................388
4.5.5.1 Mathematische Verhaltensbeschreibung..................................388
4.5.5.2 VHDL-AMS............................................................................389
4.5.5.3 Modelica..................................................................................392
4.5.6 Anwendungsbeispiel: Beschleunigungssensor..........................................395
4.5.7 Automatische Modellgenerierung.............................................................399
4.5.8 Simulatorkopplung: Prinzip......................................................................408
4.5.9 Simulatorkopplung: Anwendungsbeispiel................................................409
4.5.10 Literatur....................................................................................................414
4.6 Zuverlässigkeit und Qualitätssicherung von Mikrosystemen.................................417
4.6.1 Begriffsdefinition......................................................................................417
4.6.2 Testmethoden............................................................................................420
4.6.3 Bewertung und Berechnung von Ausfallraten..........................................423
4.6.4 Identifikation von Ausfallmechanismen...................................................430
4.6.5 Qualitätssicherung.....................................................................................444
4.6.6 Literatur....................................................................................................451
5 Beispiele komplexer Mikrosysteme..........................................................................453
5.1 AFM-Messkopf......................................................................................................453
5.2 Miniaturellipsometer..............................................................................................459
5.2.1 Theoretische Grundlagen..........................................................................459
5.2.2 Komponenten des Mikroellipsometers.....................................................461
5.2.3 Aufbau des Gesamtsystems......................................................................465
5.3 Thermopile-Arrays für Wärmebildsysteme............................................................467
5.3.1 Entwurf und Simulation............................................................................467
5.3.2 Technologie: Design und Herstellung.......................................................475
5.3.3 Integration: Ausleseelektronik, ASIC.......................................................476
5.3.4 Aufbau- und Verbindungstechnik.............................................................477
5.3.5 Test...........................................................................................................479
5.3.6 Anwendungsbeispiel: Fahrzeuginnenraumüberwachung..........................480
5.4 Literatur..................................................................................................................481
Sachwortverzeichnis..........................................................................................................483