Bulk-Mikromechanik

Die Bulk-Mikromechanik wendet Tiefenätztechniken zur Herstellung dreidimensionaler Mikrostrukturen an [Bue91, Heu89].

Grundstrukturen

Grundstrukturen der Bulk-Mikromechanik sind Gräben, Gruben, Löcher, Stege, mesaförmige Strukturen, Spitzen, Membranen, Brückenstrukturen, Biege- und Torsionsbalken.

Werkstoffe

Als Strukturwerkstoff spielt einkristallines Silizium (Si) eine dominierende Rolle aufgrund sei-ner hervorragenden mechanischen Eigenschaften und wegen seiner Kompatibilität zur Mikroelektronik. Weitere Strukturwerkstoffe sind die III/V-Halbleiter GaAs und InP, einkristalliner Quarz und Glas.

Häufig benutzte Schichtwerkstoffe zur Herstellung freistehender mikromechanischer Struktu-ren sind Si, GaAs, SiO2, Si3N4, SiON, Diamant und metallische Schichten.

Zur Herstellung von Funktionsschichten werden spezielle Dünnschichtmaterialien benutzt:

• Maskierschichten (z. B. Cr/Au, SiO2, Si3N4),

• Passivierschichten (z. B. SiO2, Si3N4, SiON, Polyimid),

• dielektrische Schichten (z. B. SiO2),

• Metallisierungs- und Widerstandsschichten (z. B. Al, Au),

• magnetische Schichten (z. B. NiFe),

• tribologische Schichten (z. B. MoS2, Diamant),

• sensitive Schichten (z. B. ZrO2, Phthalocyanin),

• Schichten zur Krafterzeugung (z. B. ZnO, PZT, TbFe, TiNi) [Qua95],

• optische Schichten (z. B. ZnO, SiON).

Grundprozesse

Die Grundprozesse der Bulk-Mikromechanik werden aus der Halbleitertechnologie übernom-men. Dies sind insbesondere Fotolithographie, Prozesse zur Schichterzeugung, Epitaxie, Ätz-techniken, Lift-off-Technik und Dotierungsverfahren [Sze83].

Spezielle Prozesse

Zusätzlich werden in der Bulk-Mikromechanik spezielle Prozesse eingesetzt, die durch Weiterentwicklung von Verfahren der Halbleitertechnologie, der Ultrapräzisionsmechanik und der Lasermaterialbearbeitung entstehen [Ohl95].

Doppelseitige Lithographie:

Bei mikromechanischen Elementen, die durch beidseitige Strukturierung der Substratwerkstof-fe entstehen, ist eine präzise Justierung von Substrat-Vorderseite zu -Rückseite erforderlich.

Naßchemisches Tiefenätzen:

Als Ätzlösungen werden vorzugsweise eingesetzt: Für Si fluoridhaltige, isotrop ätzende Lösungen (z. B. HF, HF/HNO3) und anisotrop ätzende basische Lösungen (z. B. EDP, KOH, TMAH, Hydrazin) [Pet82, Sei90, Tab92]; für GaAs isotrop (z. B.H2SO4/H2O2/H2O) und ani-sotrop ätzende Lösungen (z. B. NH4OH/H2O2/H2O)[Hjo93]; für InP z. B. HCl/H3PO4 (anisotrop) [Klo94]; für Quarz HF und NH4F/HF (beide anisotrop) [Wag95]; für Glas HF (isotrop), fotosensitive Gläser werden mit HF anisotrop geätzt [Die96].

Von großer Bedeutung sind Masken-Kompensationsstrukturen, mit deren Hilfe beim anisotro-pen Ätzen auch an konvexen Ecken, die im allgemeinen unterätzt werden, exakte Flächen und Kanten hergestellt werden können [Tha95].

Als Ätzstopptechniken kommen zum Einsatz: Bei Si die Ausnutzung der Selektivität von hochbordotierten Si-Schichten [Sei90] sowie dotierungs-abhängige, elektrochemische Ätzstoppverfahren [Lin89]; bei GaAs kann die Selektivität von AlGaAs-Schichten ausgenutzt oder wie bei Si dotierungsabhängige, elektrochemische Ätzstoppverfahren angewendet werden [Hjo93].

Durch Ätzen nach selektiver morphologischer Modifikation von Si, z. B. mittels Laserstrah-lung, können Löcher, Kanäle sowie Beam-on-Diaphragm-Strukturen hergestellt werden [Ala92].

Tiefenätzen mittels RIE (reactive ion etching):

Zum anisotropen plasmaunterstützten Ätzen mit hoher Ätzrate werden vorwiegend in RIE-Anlagen mit Plasmaquellen, die die Erzeugung sehr dichter Plasmen gestatten (ECR-, ICP-Quellen), folgende Prozeßgase eingesetzt: Für Si z. B. Cl2, SF6 (auch mit Zusätzen) [Esa95, Jan96]; für Quarz z. B. CHF3 [Wag95]; für GaAs z. B. Cl2 [Hjo93]. Ein spezielles Tiefenätzverfahren für Si wurde bei der Robert Bosch GmbH entwickelt und an STS (UK) und Plasma-therm (USA) zum Bau von Fertigungsanlagen lizensiert.

Spannungskompensierte Schichten

für mechanische Funktionen - vorzugsweise Si3N4-Schichten - können mit LPCVD (low pres-sure chemical vapor deposition) und PECVD (plasma enhanced CVD) unter Anwendung spe-zieller Techniken (z. B. Ionen-Implantation bei LPCVD, Frequency-Mixing bei PECVD) her-gestellt werden [Sto96].

Freiätzen von Mikrostrukturen:

Zur Herstellung freistehender Mikrostrukturen in der Bulk-Mikromechanik werden folgende Techniken angewendet: Naßchemisches Tiefenätzen, kombinierter Trocken- und naß-chemischer Ätzprozeß zum Freiätzen von Strukturen in (111)-Si-Substraten [Ens95], SCREAM-Prozess (single-crystal silicon reactive ion etching and metalisation) [Sha94], SIMPLE-Prozeß (silicon micromachining by single step plasma etching) und BSM-Prozesse (black silicon method) [Boe95].

Mehrebenen-Waferbonden:

Die Herstellung komplexer Systeme kann durch Zusammenfügen mehrerer jeweils separat strukturierter Substrate erfolgen. Fügepartner sind z. B. Si-Si, Si-Glas, Quarz-Quarz [Wat89], Si-Quarz (SOQ [Ton95]), Metall-Metall, Metall-Glas. Folgende Waferbondverfahren kommen zum Einsatz: Kleben [Rei86], Glaslottechnik [Mün92], eutektisches Bonden [Not95], anodi-sches Bonden [Esa90, Kan90], Silizium-Direkt-Bonden [Ben92].

Integration mit mikroelektronischen Komponenten

Die monolithische Integration von bulk-mikromechanischen und mikroelektronischen Komponenten ist in vielen Fällen möglich. Die Lösungswege und die erreichbaren Endergebnisse sind jedoch stark von dem verwendeten Standardschaltkreisprozess und den benutzten speziellen bulk-mikromechanischen Prozessen abhängig [Rie89, Sar92].

Urheberrechte