Mikrobearbeitung in großen Mengen für MEMS
Die Mikrobearbeitung in großen Mengen ist ein subtraktives Fertigungsverfahren, das erzeugt MEMS Strukturen werden durch selektives Ätzen eines Substrats, typischerweise eines Siliziumwafers, erzeugt. Dabei kommen Nass- oder Trockenätzverfahren zum Einsatz, um das Material zu formen. Anisotrope Ätzmittel wie Kaliumhydroxid (KOH) sind weit verbreitet, da sie verschiedene Kristallflächen des Siliziums unterschiedlich schnell ätzen und so die Herstellung präziser V-förmiger Nuten und Vertiefungen ermöglichen.
Die Mikrobearbeitung von Bauelementen ist eine der ältesten und etabliertesten Methoden zur Herstellung von MEMS. Als subtraktives Verfahren werden die Strukturen des Bauelements direkt aus dem Substrat, üblicherweise einem einkristallinen Siliziumwafer, herausgearbeitet. Die Technik basiert maßgeblich auf dem Ätzen, das sich grob in nasschemisches (chemisches) und trockenes (plasmabasiertes) Ätzen unterteilen lässt.
Wet etching is the more traditional approach. It can be isotropic, etching at the same rate in all directions, which results in rounded, undercut features. More commonly for MEMS, anisotropic wet etching is used. This method exploits the fact that the etch rate in single-crystal silicon depends on the crystallographic orientation. Etchants like potassium hydroxide (KOH), tetramethylammonium hydroxide (TMAH), and ethylenediamine pyrocatechol (EDP) etch the (100) and (110) crystal planes much faster than the (111) planes. By aligning the mask pattern with the crystal axes on a (100)-oriented wafer, this property can be used to create precisely defined structures with angled sidewalls, such as V-grooves for fiber optics or pyramidal pits. The (111) planes act as natural etch-stops, allowing for excellent control over the final geometry. Diaphragms for pressure sensors are a classic application, formed by etching from the backside of a wafer until an etch-stop layer (like a heavily doped boron layer or an electrochemical stop at a p-n junction) is reached.
Trockenätzen, insbesondere Tiefenreaktives Ionenätzen (DRIE), hat sich zu einer dominanten Technik in der Mikrobearbeitung von Massenmaterialien entwickelt. DRIE ermöglicht die Herstellung sehr tiefer Strukturen mit hohem Aspektverhältnis und nahezu vertikalen Seitenwänden – etwas, das mit Nassätzen nicht möglich ist. Das gängigste Verfahren ist das „Bosch-Verfahren“, bei dem ein Ätzschritt (mit einem Plasma wie SF6) und ein Passivierungsschritt (mit einem polymerisierenden Gas wie C4F8) abwechselnd durchgeführt werden. Die Passivierungsschicht schützt die Seitenwände vor dem Ätzen und zwingt den Ätzprozess so, primär in vertikaler Richtung abzulaufen. Dieser Zyklus wird Hunderte oder Tausende Male wiederholt, um Ätztiefen von mehreren hundert Mikrometern zu erreichen. DRIE ist unerlässlich für die Herstellung moderner, leistungsstarker Inertialsensoren, mikrofluidischer Bauelemente und Through-Silicon-Vias (TSVs) für das 3D-Chip-Stacking.
UNESCO Nomenclature: 3313
- Wirtschaftsingenieurwesen
Verwendung
Weitverbreitete Verwendung
Vorläufer
- crystal orientation knowledge in silicon wafers
- development of chemical etchants for silicon
- photolithography for pattern definition
- masking materials resistant to etchants (e.g., silicon nitride)
Anwendungen
- pressure sensor diaphragms
- inkjet printer nozzles
- microfluidic channels
- atomic force microscope (AFM) cantilevers
- v-grooves for optical fiber alignment
Potenzielle Innovationsideen
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Verwandte Themen: Volumenmikrobearbeitung, MEMS, Ätzen, Silizium, anisotropes Ätzen, KOH, DRIE, Tiefenreaktives Ionenätzen, subtraktives Verfahren, Mikrofertigung.
