Mikrosystemtechnik für Ingenieure

Prof. Wolfgang Menz, geb. 1938 in Berlin, studierte Physik in Bonn und Hamburg. Nach über 20 Jahren Tätigkeit in der Industrie (IBM und Robert Bosch GmbH) erhielt er einen Ruf an die Universität Karlsruhe und wurde gleichzeitig zum Leiter des Instituts für Mikrostrukturtechnik des Forschungszentrums Karlsruhe und der Universität Karlsruhe berufen. 1995 erhielt er den Ruf als Gründungsdekan des Fakultät für Angewandte Wissenschaften der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg i. Br. Prof. Menz war bis Oktober 2001 geschäftsführender Direktor des Instituts für Mikrosystemtechnik (IMTEK) und bis 2004 Orinarius für Prozesstechnologie. Seit Frühjahr 2004 ist er emeritiert. Dr.-Ing. Jürgen Mohr, geb. 1957 in Karlsruhe, studierte Physik an der Universität Karlsruhe. Direkt nach dem Studium fand er durch seine Anstellung am Institut für Mikrostrukturtechnik des Forschungszentrums Karlsruhe Zugang zur Mikrosystemtechnik. Er promovierte 1987 mit einer Arbeit auf dem Gebiet der Röntgenlithographie zur Herstellung von Mikrostrukturen. Im Jahre 1993 wurde er Leiter der Abteilung Röntgentiefenlithographie am Institut für Mikrostrukturtechnik. Außer für die Prozessentwicklung ist er heute für die anwendungsorientierte Forschungsarbeiten im Bereich der Mikrooptik am Forschungszentrum verantwortlich. Er ist Autor von über 200 Veröffentlichungen auf dem Gebiet der Mikrosystemtechnik. Oliver Paul schloss 1986 sein Physikstudium und 1990 seine Promotion zum Dr. sc. nat. an der ETH Zürich ab. Nach einem Postdoc-Aufenthalt am FhG-ISE nahm er ab 1992 am Labor für Physikalische Elektronik der ETH Zürich die Aufgaben eines Projekt- und Gruppenleiters sowie Lehrbeauftragten wahr. Seit 1998 leitet er den Lehrstuhl für Materialien der Mikrosystemtechnik am IMTEK der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg. Die Forschungsarbeit seiner Gruppe konzentriert sich auf die Mikrosystemtechnik auf der Basis von Silizium- und IC-Technologien und damit kompatiblen Prozessen, inklusive Entwurf, Herstellung, Materialeigenschaften, Charakterisierung und Theorie. Oliver Paul ist Mitautor von über 140 technischen Veröffentlichungen, drei Patenten und vier Büchern. Er hat unter anderem die Firma Sensirion mitbegründet und war Co-Chair der IEEE MEMS Conference 2004 in Maastricht, Niederlande.

"Die völlig neu bearbeitete Auflage des ersten umfassenden Lehrbuchs der Mikrosystemtechnik berücksichtigt die Trends dieses Gebietes der Ingenieurwissenschaften. Vor allem die Kapitel zur Silizium- und LIGA-Technik wurden stark erweitert... Das Buch spricht überwiegend fortgeschrittene Studenten der Ingenieurwissenschaften an, die einen fundierten Einstieg in das aktuelle Forschungsthema suchen. Auch gestandene Fachleute können sich hier einen guten Überblick über die theoretischen und experimentellen Grundlagen der Mikrosystemtechnik verschaffen."Wirtschaft Region Fulda IHK "Das Buch ist insgesamt ein gelungener Versuch, die Grundlagen der Mikrosystemtechnik in einem Lehrwerk darzustellen."CIT

• Vorwort xv1 Allgemeine Einführung in die Mikrostrukturtechnik 11.1 Was ist Mikrostrukturtechnik? 11.2 Von der Mikrostrukturtechnik zur Mikrosystemtechnik 92 Parallelen zur Mikroelektronik 152.1 Herstellung von Einkristallscheiben 152.1.1 Herstellung von Silizium-Einkristallen 172.1.1.1 Tiegelziehverfahren (Czochralski-Verfahren) 192.1.1.2 Zonenziehverfahren (Float-Zone-Verfahren) 212.1.1.3 Segregation 232.1.1.4 Weiterverarbeitung der Ingots 252.1.2 Herstellung von GaAs-Einkristallen 282.1.2.1 Bridgman- und Gradient-Freeze-Verfahren 282.1.2.2 LEC-Verfahren (Liquid Encapsulated Czochralski) 302.2 Technologische Grundprozesse 312.2.1 Herstellung eines integrierten Schaltkreises 332.2.1.1 Reinigung 332.2.1.2 Oxidation 342.2.1.3 Photolithographie 342.2.1.4 Ionenimplantation und Diffusion 352.2.1.5 Ätzen 352.2.1.6 Beschichtung 362.3 Weiterverarbeitung der integrierten Schaltungen 362.3.1 Anforderungen an die Aufbau- und Verbindungstechnik 372.3.2 Hybridtechniken 382.3.2.1 Dickschichttechnik 382.3.2.2 Bestücken und Löten der Schaltung 392.3.2.3 Montage und Kontaktierung ungehäuster Halbleiterbauelemente 402.4 Reinraumtechnik 412.4.1 Partikelmessung im Reinraum 452.5 Punktfehler und Ausbeute bei Halbleiterbauelementen 453 Physikalische und chemische Grundlagen der Mikrotechnik 493.1 Kristalle und Kristallographie 493.1.1 Gitter und Gittertypen 503.1.2 Stereographische Projektion 523.1.3 Silizium-Einkristall 563.1.4 Reziprokes Gitter und Kristallstrukturanalyse 583.2 Methoden zur Bestimmung der Kristallstruktur 653.2.1 Röntgenstrahlbeugung 653.2.2 Elektronenstrahlbeugung 673.3 Grundlagen der galvanischen Abscheidung 693.3.1 Phasengrenze Elektrode-Elektrolyt 723.3.1.1 Elektrisches und elektrochemisches Potential 723.3.2 Polarisation und Überspannung 753.3.3 Mechanismen der kathodischen Metallabscheidung 773.3.3.1 Migration 793.3.3.2 Diffusion 803.3.3.3 Konvektion 803.3.3.4 Stofftransportvorgänge während der Mikrogalvanoformung 833.4 Grundlagen der Vakuumtechnik 843.4.1 Mittlere freie Weglänge 843.4.2 Wiederbedeckungszeit 863.4.3 Geschwindigkeit von Atomen und Molekülen 873.4.4 Gasdynamik 893.4.5 Einteilung des technischen Vakuums 893.5 Vakuumerzeugung 913.5.1 Pumpen für Grob- und Feinvakuum 913.5.1.1 Verdrängervakuumpumpen 913.5.2 Hochvakuum- und Ultrahochvakuumpumpen 933.5.2.1 Treibmittelvakuumpumpen 953.5.2.2 Gas bindende Vakuumpumpen (Sorptionspumpen) 963.6 Vakuummessung 993.6.1 Druckmessdose 993.6.2 Wärmeleitungsvakuummeter 993.6.3 Reibungsvakuummeter 1003.6.4 Ionisationsvakuummeter mit unselbständiger Entladung (Glühkathode) 1003.6.5 Ionisationsvakuummeter mit selbständiger Entladung (Penning-Prinzip) 1013.6.6 Leckage und Lecksuche 1023.7 Eigenschaften von Dünnschichten 1033.7.1 Strukturzonenmodelle 1033.7.2 Haftfestigkeit der Schicht 1064 Materialien der Mikrosystemtechnik 1094.1 Materialeigenschaften 1114.1.1 Thermische Eigenschaften 1124.1.1.1 Wärmeleitfähigkeit 1134.1.1.2 Spezifische Wärme 1134.1.1.3 Latente Wärme 1144.1.1.4 Wärmeausdehnungskoeffizient 1144.1.2 Elektrische Eigenschaften 1154.1.2.1 Elektrische Leitfähigkeit 1154.1.2.2 Dielektrische Konstante 1164.1.2.3 Thermoelektrizität 1164.1.2.4 Piezoresistivität 1174.1.3 Mechanische Eigenschaften 1194.2 Kunststoffe 1204.2.1 Ordnung der Makromoleküle 1214.2.2 Polymere für die Lithographie 1224.2.3 Flüssigkristalle 1244.2.4 Flüssigkristalline Polymere 1254.2.5 Gele 1274.2.6 Elektrorheologische Flüssigkeiten 1294.3 Halbleiter 1314.4 Keramiken 1344.4.1 Keramik als Substrat 1344.4.2 Keramik als Material für Aktoren 1354.4.3 Keramik als Material für Gassensoren 1354.5 Metalle 1364.5.1 Magnetostriktive Metalle 1374.5.2 Anwendungen der Magnetostriktion 1394.5.3 Formgedächtnis-Legierungen 1404.5.3.1 Einwegeffekt 1414.5.3.2 Zweiwegeffekt 1424.5.3.3 Unterdrücktes Formgedächtnis 1434.5.3.4 Einsatz als Aktoren 1444.5.3.5 Herstellung 1444.5.3.6 Eigenschaften der Formgedächtnislegierungen 1455 Basistechnologien der Mikrotechnik 1475.1 Schichtabscheidung 1475.1.1 Physikalische Beschichtungstechniken 1475.1.1.1 Aufdampfen 1475.1.1.2 Sputtern (Kathodenzerstäuben) 1515.1.1.3 Ionenplattieren 1535.1.2 Chemische Beschichtungstechniken 1545.1.2.1 CVD-Verfahren 1545.1.2.2 Epitaxie 1605.1.2.3 GaAs-Epitaxie 1635.1.2.4 Plasmapolymerisation 1635.2 Schichtmodifikation 1645.2.1 Thermische Oxidation 1645.2.2 Diffusion 1655.2.3 Ionenimplantation 1675.3 Schichtabtragung (Ätzen) 1685.3.1 Physikalische und chemische Trockenätzverfahren 1705.3.1.1 Plasmaquellen 1725.3.1.2 Charakteristika der rein physikalischen Ätzprozesse 1735.3.1.3 Kombination chemischer und physikalischer Ätzprozesse 1785.3.1.4 Charakteristika des reaktiven Ionen- und Ionenstrahlätzens 1805.3.1.5 Das rein chemische Ätzen 1815.4 Analyse von Dünnschichten und Oberflächen 1845.4.1 Elektronenstrahl-Mikroanalyse (Electron Probe Microanalysis, Epm) 1855.4.2 Auger-Elektronenspektroskopie (AES) 1865.4.3 Photoelektronenspektroskopie (Electron Spectroscopy for Chemical Analysis, ESCA) 1875.4.4 Sekundärionen-Massenspektrometrie (SIMS) 1885.4.5 Sekundär-Neutralteilchen-Massenspektrometrie (SNMS) 1885.4.6 Ionen-Streuspektroskopie (ISS) 1895.4.7 Rutherford-Rückstreuungsspektroskopie (Rutherford Backscattering Spectroscopy, RBS) 1895.4.8 Rastertunnelmikroskop (Atomic Force Microscope, AFM) 1906 Lithographie 1916.1 Überblick und Historie 1916.2 Resists 1966.3 Verfahren der Lithographie 1986.3.1 Computer Aided Design (CAD) 1996.3.1.1 CAD-Entwurf 2006.3.1.2 Justiermarken und Teststrukturen 2026.3.1.3 Organisation des Entwurfs (Hierarchie, Layers) 2036.4 Elektronenstrahllithographie 2056.4.1 Gauß’scher Strahl 2066.4.2 Geformter Strahl 2116.4.3 Postprozessor 2136.5 Proximity-Effekt 2146.6 Optische Lithographie 2166.6.1 Masken 2176.6.2 Schattenprojektion 2186.6.3 Abbildende Projektion 2216.6.3.1 Ganzscheiben-Belichtung 2226.6.3.2 Moderne Lithographiemaschinen 2236.7 Weiterentwicklungen 2246.7.1 Phasenmasken 2246.7.2 Spezielle Resisttechnologien 2256.7.3 Optische Lithographie für die Mikrostrukturtechnik 2266.8 Ionenstrahllithographie 2316.9 Röntgenlithographie 2326.9.1 Masken für die Röntgenlithographie 2336.9.2 Röntgenlichtquellen 2346.9.3 Synchrotronstrahlung 2356.9.4 Einsatz der Röntgenlithographie 2407 Silizium-Mikromechanik 2417.1 Siliziumtechnologie 2427.1.1 IC-Prozesse und -Substrate 2437.1.2 Foundry-Technologien 2477.2 Silizium-Bulk-Mikromechanik 2487.2.1 Einleitung 2487.2.1.1 Ätzrate und Anisotropie 2507.2.1.2 Selektivität 2517.2.1.3 Prozesskompatibilität 2517.2.1.4 Einfachheit der Verwendung und Sicherheit 2527.2.1.5 Kosten 2537.2.2 Nasschemisches Ätzen 2537.2.2.1 HNA-Ätzlösungen 2537.2.2.2 Alkalihydroxid-Ätzlösungen 2557.2.2.3 Ammoniumhydroxid-Ätzlösungen 2597.2.2.4 Ethylendiamin-Brenzkatechin-Ätzlösungen 2607.2.3 Grundlegende Ätzformen 2617.2.3.1 Ätzgruben und -gräben 2627.2.3.2 Membranen 2647.2.3.3 Mesas und Spitzen 2647.2.3.4 Cantilever 2657.2.3.5 Brücken 2677.2.4 Ätzkontrolle 2687.2.4.1 Ätzstoppmechanismen 2687.2.4.2 Elektrochemisches Siliziumätzen 2717.2.4.3 Elektrochemische Siliziumporosifizierung 2737.2.5 Charakterisierung von anisotropen Nassätzmitteln 2747.2.6 Trockenätzen 2767.2.6.1 XeF2 –Ätzen 2767.2.6.2 Fertigung von Mikrostrukturen mit hohem Aspektverhältnis 2797.2.6.3 Anwendungen von trockenem Siliziumätzen 2817.3 Oberflächenmikromechanik 2857.3.1 Polysilizium-Mikromechanik 2877.3.2 Opferaluminium-Mikromechanik 2907.3.3 Opferpolymer-Mikromechanik 2927.3.4 Sticking 2937.4 Mikrowandler und -systeme in der Siliziumtechnologie 2947.4.1 Mechanische Bauteile und Systeme 2957.4.1.1 Drucksensoren 2967.4.1.2 Beschleunigungssensoren 2987.4.1.3 Drehratensensoren 3007.4.1.4 Stresssensoren 3027.4.2 Thermische Mikrobauteile und -systeme 3047.4.2.1 Temperaturmessung 3047.4.2.2 Durchflusssensoren 3087.4.2.3 Vakuum- und Drucksensoren 3117.4.3 Komponenten und Systeme für Strahlungssignale 3137.4.3.1 Ungekühlte Infrarotdetektoren 3137.4.3.2 Thermische Szenensimulatoren 3167.4.3.3 Lichtschalter 3167.4.4 Magnetische Bauteile und Systeme 3197.4.5 Chemische Mikrosensoren 3217.4.5.1 Mikrofluidische Komponenten und Systeme 3247.4.6 Mikromechanische Bauteile für die Signalverarbeitung 3267.5 Zusammenfassung und Ausblick 3288 LIGA-Verfahren 3298.1 Überblick 3298.2 Maskenherstellung 3318.2.1 Prinzipieller Aufbau einer Maske 3318.2.1.1 Absorber 3318.2.1.2 Trägerfolie 3328.2.2 Herstellung der Trägerfolien 3348.2.3 Strukturierung des Resists für Röntgenzwischenmasken 3358.2.3.1 Optische Lithographie 3358.2.3.2 Direkte Elektronenstrahllithographie 3368.2.3.3 Reaktives Ionenätzen 3378.2.3.4 Vergleich der Strukturierungsmethoden zur Herstellung von Zwischenmasken 3378.2.4 Goldgalvanik für Röntgenmasken 3378.2.5 Herstellung von Arbeitsmasken 3398.2.6 Justieröffnungen in Röntgenarbeitsmasken 3408.3 Röntgentiefenlithographie 3418.3.1 Herstellung von dicken Resistschichten 3418.3.1.1 Strahleninduzierte Reaktionen und Entwicklung des Resists 3438.3.2 Anforderungen an die absorbierte Strahlendosis 3478.3.3 Einflüsse auf die Strukturqualität 3508.3.3.1 Fresnel-Beugung, Photoelektronen 3518.3.3.2 Divergenz der Strahlung 3538.3.3.3 Neigung der Absorberwände zum Strahl 3548.3.3.4 Fluoreszenzstrahlung aus der Maskenmembran 3548.3.3.5 Erzeugung von Sekundärelektronen aus der Haft- und Galvanikstartschicht 3548.3.3.6 Quellen des Resists 3568.4 Galvanische Abscheidung 3568.4.1 Galvanische Abscheidung von Nickel für die Mikrostrukturherstellung 3578.4.2 Formeinsatzherstellung für die Mikroabformung 3618.4.3 Galvanische Abscheidung weiterer Metalle und Legierungen 3628.5 Kunststoffabformung im LIGA-Verfahren 3648.5.1 Herstellung von Mikrostrukturen im Reaktionsgießverfahren 3658.5.2 Herstellung von Mikrostrukturen im Spritzgießverfahren 3688.5.3 Herstellung von Mikrostrukturen im Heißprägeverfahren 3748.5.4 Herstellung von metallischen Mikrostrukturen aus abgeformten Kunststoffstrukturen (zweite Galvanoformung) 3778.5.4.1 Zweite Galvanoformung geprägter Mikrostrukturen 3778.5.4.2 Zweite Galvanoformung mit Hilfe einer metallischen Angussplatte 3778.5.4.3 Zweite Galvanoformung mit Hilfe elektrisch leitfähiger Kunststoffe 3798.5.4.4 Zweite Galvanoformung durch Beschichtung der Kunststoffstrukturen 3818.6 Variationen und ergänzende Schritte des LIGA-Verfahrens 3828.6.1 Opferschichttechnik 3828.6.2 3D-Strukturierung 3858.6.2.1 Gestufte Strukturen 3858.6.2.2 Geneigte Strukturen 3878.6.2.3 Konische Strukturen und Strukturen mit sphärischer Oberfläche 3888.6.2.4 Herstellung von Strukturen mit beweglicher Maske 3898.6.3 Herstellung Licht leitender Strukturen durch Abformung 3918.7 Protonenlithographie (DLP) – ein weiteres Strukturierungsverfahren zur Herstellung von Mikrostrukturen mit großem Aspektverhältnis 3948.8 Anwendungsbeispiele 3998.8.1 Starre metallische Mikrostrukturen 4008.8.1.1 Filter für das Ferne Infrarot 4008.8.1.2 Mikrospulen 4018.8.1.3 Mikrozahnräder, Mikrogetriebe 4038.8.2 Bewegliche Mikrostrukturen, Mikrosensoren, Mikroaktoren 4038.8.2.1 Beschleunigungssensoren 4048.8.2.2 Elektrostatischer Linearantrieb 4068.8.2.3 Elektromagnetischer Linearaktor 4078.8.2.4 Mikroturbine, Strömungssensoren, Mikrofräser 4128.8.2.5 Mikromotoren 4138.8.3 Fluidische Mikrostrukturen 4168.8.3.1 Mikrostrukturierte Fluidplatten 4168.8.3.2 Mikropumpen nach dem LIGA-Verfahren 4168.8.3.3 Mikrofluidische Schalter 4168.8.3.4 Mikrofluidische Linearaktoren 4188.8.4 LIGA-Strukturen für optische Anwendungen 4198.8.4.1 Einfache optische Elemente – Linsen, Prismen 4208.8.4.2 Mikrooptische Bank 4228.8.4.3 Mikrooptische Bänke mit Aktoren 4268.8.4.4 Funktionsmodule mit optisch aktiven Elementen – modulares Aufbaukonzept 4299 Alternative Verfahren der Mikrostrukturierung 4379.1 Ultrapräzisionsmikrobearbeitung 4389.1.1 Anwendungsbeispiele 4439.1.1.1 Mikrowärmeüberträger 4439.1.1.2 Mikroreaktoren 4459.1.1.3 Retrospiegel 4469.1.1.4 Mikropumpen 4479.2 Mikrofunkenerosion (von R. Förster) 4489.2.1 Physikalisches Prinzip 4489.2.1.1 Aufbauphase 4509.2.1.2 Entladephase 4519.2.1.3 Abbauphase 4519.2.2 Funkenerosive Bearbeitung keramischer Werkstoffe 4529.2.2.1 Siliziuminfiltriertes Siliziumcarbid (SiSiC) 4539.2.2.2 Siliziumnitrid (Si3 N4) 4549.2.2.3 Elektrisch nicht leitfähige Keramiken 4549.2.3 Verfahrensvarianten 4559.2.3.1 Funkenerosives Senken 4559.2.3.2 Funkenerosives Schneiden 4569.2.4 Anwendungsbeispiele 4599.3 Präzisionselektrochemische Mikrobearbeitung (von R. Förster) 4619.3.1 Vorgänge im Bearbeitungsspalt 4629.3.1.1 Spannungsabfall 4629.3.1.2 Anodische Metallauflösung 4649.3.2 Elektrolytlösungen 4669.3.2.1 Kenngrößen der Elektrolytlösungen 4689.3.3 Untersuchungen verschiedener Werkstoffe 4699.3.3.1 Eisen, Eisenlegierungen und Stähle 4699.3.3.2 Titan und Titanlegierungen 4709.3.3.3 Hartmetalle 4709.3.4 ECM-Senken mit oszillierender Werkzeugelektrode 4719.3.4.1 Prozesskenngrößen 4719.3.4.2 Darstellung der Vorgänge im Arbeitsspalt 4729.3.4.3 Werkzeugelektrodenwerkstoffe 4739.3.5 Elektrochemische Bearbeitungsverfahren in der Mikro-systemtechnik 4749.3.5.1 Elektrochemisches Mikrobohren 4749.3.5.2 Elektrochemisches Mikrodrahtschneiden 4749.3.5.3 Elektrochemisches Mikrofräsen 4759.3.5.4 Weitere Anwendungsbeispiele des Verfahrens in der Mikrosystemtechnik 4769.4 Replikationstechniken 4789.4.1 Spritzgießen 4789.4.2 Heißprägen 4809.5 Laserunterstützte Verfahren 48210 Aufbau- und Verbindungstechniken 48510.1 Hybridtechniken 48610.1.1 Substrate und Pasten 48610.1.2 Schichterzeugung 48910.1.2.1 Trocknen und Einbrennen der Pasten 49010.1.3 Bestücken und Löten der Schaltung 49010.1.4 Montage und Kontaktierung ungehäuster Halbleiterbauelemente 49310.2 Drahtbondtechniken 49310.2.1 Thermokompressionsdrahtbonden (Warmpressschweißen) 49410.2.2 Ultraschalldrahtbonden (Ultraschallschweißen) 49510.2.3 Thermosonicdrahtbonden (Ultraschallwarmschweißen) 49510.2.4 Ball-Wedge-Bonden (Kugel-Keil-Schweißen) 49610.2.5 Wedge-Wedge-Bonden (Keil-Keil-Schweißen) 49710.2.6 Vor- und Nachteile der einzelnen Drahtbondverfahren 49810.2.7 Prüfverfahren und Alternativen 49910.3 Alternative Kontaktierungstechniken 50010.3.1 TAB-Technik 50010.3.2 Flip-Chip-Technik 50110.3.3 Entwicklung neuer Kontaktierungssysteme 50310.4 Kleben 50310.4.1 Isotropes Kleben 50410.4.2 Anisotropes Kleben 50510.5 Anodisches Bonden 50711 Systemtechnik 51111.1 Definition eines Mikrosystems 51111.2 Sensoren 51311.3 Aktoren 51711.4 Signalverarbeitung 51911.4.1 Signalverarbeitung für Sensoren in Mikrosystemen 51911.4.2 Neuronale Datenverarbeitung für Sensorarrays 52311.5 Schnittstellen eines Mikrosystems 52811.5.1 IE-Übertragung 53111.5.1.1 Elektrische Mikro-/Makroankopplungen 53111.5.1.2 Optische Mikro-/Makroankopplungen 53311.5.1.3 Lichtwellenleiter-Ankopplungen 53311.5.1.4 Mechanische Mikro-/Makroankopplungen 53311.5.1.5 Ultraschallübertragung 53411.5.2 S-Übertragung 53511.5.2.1 Fluidische Mikro-/Makroankopplungen 53511.5.2.2 Fluidische Mikrokomponenten 53511.6 Entwurf, Simulation und Test von Mikrosystemen 53711.7 Modulkonzept der Mikrosystemtechnik 540Literatur 545Stichwortverzeichnis 565