Oberflächenmikrobearbeitung für MEMS
1980
- Richard S. Muller
- Roger T. Howe
Oberflächenmikrobearbeitungsprozesse MEMS Die Herstellung von Bauelementen erfolgt durch Abscheidung und Strukturierung dünner Schichten auf einem Substrat. Dabei wird zunächst eine Opferschicht (z. B. Siliziumdioxid) abgeschieden, strukturiert, anschließend eine Strukturschicht (z. B. Polysilizium) abgeschieden und schließlich die Opferschicht entfernt, um die mechanische Struktur freizulegen. Dieses Verfahren ermöglicht die Erzeugung komplexer, freistehender Mikrostrukturen direkt auf der Waferoberfläche.
Surface micromachining is a cornerstone of MEMS fabrication, enabling the creation of intricate mechanical systems on top of a substrate, typically a silicon wafer. The process is additive, building structures layer by layer, which contrasts with the subtractive nature of bulk micromachining. A typical process flow begins with the deposition of an isolation layer, like silicon nitride, on the substrate. Following this, a sacrificial layer, often a type of silicon dioxide called phosphosilicate glass (PSG), is deposited using Low-Pressure Chemical Vapor Deposition (LPCVD). This layer is then patterned using photolithography and etching, defining the areas where the final structure will be anchored to the substrate and the gaps beneath moving parts.
Anschließend wird die Strukturschicht, meist polykristallines Silizium (Polysilizium), über der strukturierten Opferschicht abgeschieden. Diese Polysiliziumschicht wird dann selbst strukturiert, um die Geometrie der gewünschten mechanischen Bauteile wie Balken, Zahnräder oder Membranen zu definieren. Diese Abfolge von Abscheidung und Strukturierung von Opfer- und Strukturschichten kann mehrfach wiederholt werden, um hochkomplexe, mehrstufige Strukturen zu erzeugen. Der letzte, entscheidende Schritt ist der Ablöseprozess. Der Wafer wird in ein Ätzmittel, typischerweise Flusssäure (HF), getaucht, das die Opferschichten aus Polysilizium selektiv entfernt, ohne die Polysilizium-Strukturschichten oder die Siliziumnitrid-Isolationsschicht anzugreifen. Dadurch können sich die Polysiliziumstrukturen frei bewegen und sind durch ihre vorgesehenen Verankerungen über dem Substrat aufgehängt.
Ein wesentlicher Vorteil dieser Technik ist ihre inhärente Kompatibilität mit Standard-CMOS-Fertigungsprozessen. Dies ermöglicht die monolithische Integration von MEMS-Bauelementen mit ihrer Steuer- und Signalverarbeitungselektronik auf demselben Chip, was zu kleineren, kostengünstigeren und leistungsfähigeren Systemen führt. Die Oberflächenmikrobearbeitung ist jedoch nicht ohne Herausforderungen. Die häufigste Fehlerursache beim Ablösen ist die sogenannte „Haftung“. Dabei werden die abgelösten Strukturen, sobald sie benetzt sind, während des Trocknens durch Kapillarkräfte auf das Substrat gezogen und haften aufgrund intermolekularer Kräfte wie der Van-der-Waals-Kräfte dauerhaft daran. Um dieses kritische Problem zu mindern, wurden verschiedene Strategien zur Verhinderung der Haftung entwickelt, beispielsweise die Trocknung mit überkritischem CO₂ oder spezielle Oberflächenbeschichtungen.
UNESCO Nomenclature: 3313
- Wirtschaftsingenieurwesen
Verwendung
Weitverbreitete Verwendung
Vorläufer
- photolithography techniques from the semiconductor industry
- chemical vapor deposition (CVD) for thin film growth
- wet and dry etching processes
- integrated circuit (IC) fabrication technology
Anwendungen
- digital micromirror devices (DMDs) in projectors
- inertial sensors (accelerometers and gyroscopes) in smartphones
- pressure sensors
- inkjet printer heads
- RF MEMS switches
Potenzielle Innovationsideen
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Verwandt mit: Oberflächenmikrobearbeitung, MEMS, Fertigung, Dünnschicht, Polysilizium, Opferschicht, Ätzen, Mikrofertigung, Lithographie, Haftung.
