Technologiemodule

Technologien setzen sich aus Technologiemodulen zusammen. MEMS-Bauelemente werden auf Basis vorhandener, modifizierter und neuer Technologiemodule entwickelt. Das Fraunhofer IPMS verfügt u.a. über die nachfolgend dargestellten Technologiemodule:

Opferschichttechnologie für Oberflächen-MEMS

2-Ebenen-Mikrospiegel
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2-Ebenen-Mikrospiegel.

Mit Opferschichttechnologien können frei tragende und/oder bewegliche Strukturen auf der Waferoberfläche erzeugt werden. Typische Anwendungen sind Flächenlichtmodulatoren, Bolometer oder kapazitive mikromechanische Ultraschallwandler (CMUT).

Die funktionellen Strukturen werden auf einer Opferschicht hergestellt, die am Ende des Herstellungsprozesses durch isotropes Ätzen mittels Dampfphasen-Ätzung (HF, XeF2) entfernt wird.

Monolithische Integration von MEMS und CMOS

Querschnitt eines Pixels bestehend aus CMOS-Backplane und Spiegel
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Querschnitt eines Pixels bestehend aus CMOS-Backplane und Spiegel (Pitch 16 µm).

Die monolithische Integration von MEMS auf CMOS ist eine Integrationstechnologie zur Herstellung von integrierten Systemen auf Waferlevel. Das Fraunhofer IPMS entwickelt und fertigt monolithisch integrierte MEMS. Die MEMS-Strukturen werden nach dem CMOS-Prozess, der zur Herstellung der Ansteuerelektronik dient, hergestellt. Es werden sowohl am Fraunhofer IPMS hergestellte als auch in anderen CMOS-Linien hergestellte CMOS-Wafer verwendet.

Die Hauptanwendung monolithisch integrierter MEMS besteht für funktionale Matrixbauelemente wie Flächenlichtmodulatoren, Bolometer, kapazitive mikromechanische Ultraschallwandler (CMUT) oder Infrarotthermopilearrays.

Federelemente für Aktoren

Ausschnitt aus einem Flächenlichtmodulator
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Ausschnitt aus einem Flächenlichtmodulator.

Durch bewegliche Federelemente werden analoge Auslenkungen bis 4° in Flächen­lichtmodulatoren ermöglicht. Um langzeitstabile Auslenkungen zu erreichen, werden die Federn aus amorphen Materialen hergestellt. Extrem dünne Federelemente (100 nm), die in Mehrlagen-Aktor-Technologie hergestellt werden, gestatten große Auslenkungen bei niedrigen Antriebsspannungen.

Das Foto zeigt den Ausschnitt aus einem Flächenlichtmodulator. Der Spiegel in der linken unteren Bildhälfte wurde entfernt, so dass die Feder und die Elektroden des Aktors sichtbar werden.

Hochreflektierende Spiegelschichten

Weißlichtinterferometerbild von ausgelenkten Mikrospiegeln
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Weißlichtinterferometerbild von ausgelenkten Mikrospiegeln.

Das Fraunhofer IPMS entwickelt technologische Lösungen für hochreflektierende Spiegel für Wellenlängen von DUV bis VIS und NIR für Flächenlichtmodulatoren und MEMS Scanner. Speziell Anwendungen im DUV erfordern Spiegel mit einer Planarität im Bereich von wenigen Nanometern. Durch Multilayertechnologie werden die Spiegel an spezifische Anforderungen wie Resonanzfrequenz und Bestrahlungsstabilität angepasst.

Elektrische Isolation in Siliziumfilmen

Isolationstrench
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Isolationstrench.

Durch Isolationstrenches werden elektrisch isolierte Siliziumbereiche hergestellt. Damit können unterschiedliche Potentiale in einem Siliziumfilm geführt werden. Isolationstrenches werden beispielsweise für die Leitung von Antriebsspannungen in MEMS-Scannern verwendet und sind für Spannungen bis 250 V geeignet.

Isolationstrenches werden mittels DSi-Ätzen mit positivem Ätzprofil geätzt und anschließend verfüllt. Bei einer Siliziumdicke von 75 µm beträgt die kleinste Trenchbreite 2,5 µm.

Kammstrukturen in Silizium

Elektrodenkamm
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Elektrodenkamm.

Elektrostatische Kammantriebe, die beispielsweise in MEMS-Scannern eingesetzt werden, bestehen aus parallelen Siliziumplatten mit unterschiedlichen Potentialen. Für effektive Kammantriebe muss der Plattenabstand so klein wie möglich und konstant sein. Das wird durch DSi-Ätzen mit vertikalem Ätzprofil (90° ± 0,3°) erzeugt.

Bei einer Siliziumdicke von 75 µm beträgt die kleinste Trenchbreite 3 µm.

Membranen mit senkrechten Siliziumkanten

Array von Gruben in Si
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Array von Gruben in Si (50 µm, Tiefe 436 µm).

Durch DSi-Ätzen können Gruben in Si mit senkrechten Wänden (~90%) hergestellt werden. Bei einer Ätztiefe von 400 µm sind Gruben größer 50 µm realisierbar. Dieses Technologiemodul ist beispielsweise zur Herstellung von Membranen für IR-Thermopiles oder Strömungssensoren einsetzbar.

Anisotropes, nasschemisches Siliziumätzen

50 µm dicke Si-Membran für Drucksensor
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50 µm dicke Si-Membran für Drucksensor (Seitenansicht).

Durch nasschemisches Ätzen mit KOH oder TMAH werden Gruben in Si geätzt, deren Seitenwände einen Winkel von 54,75° haben. Die Ätztiefe kann mit sehr hoher Präzision gesteuert werden (z. B. ± 3 µm bei einer Ätztiefe von 500 µm). Dieses Verfahren wird beispielsweise zur Herstellung von Siliziummembranen für Drucksensoren oder in der Technologie für MEMS-Scanner angewendet.

Strukturerzeugung in Siliziumgruben

Metallisierung in Silizium-Grube
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Metallisierung in Silizium-Grube.

Durch die Herstellung von Strukturen in Tiefen bis zu 500 µm können funktionelle Elemente in Silizium-Gruben realisierbar.

Die herstellbaren Strukturbreiten hängen von der Grubentiefe ab. Das Foto zeigt ein Beispiel mit einer 100 µm breiten Metallstruktur in einer 300 µm tiefen Silizium-Grube.

Anwendungsbeispiele sind Leitbahnen und Kontakte in Silizium-Gruben oder TSV (Through Silicon Via).

Präzisionsbauelemente aus Silizium

MEMS-Chip für Mikrospektrometer
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MEMS-Chip für Mikrospektrometer.

MEMS-Technologien bieten die Möglichkeit, Strukturen mit Dimensionen kleiner als 1 µm mit dreidimensionalen Strukturen im Millimeterbereich zu kombinieren. Damit können Präzisionsbauelemente wie optische Aperturen und Blenden und Siliziumbauteile für Uhren hergestellt werden.

Das Foto zeigt als Beispiel die Rückseite eines MEMS-Chips, welches aus einem 1D-MEMS-Scanner und aus Strukturen besteht, die als Aperturen und Justagevorrichtung für eine Glasfaser zur Lichteinkopplung und einen Fotosensor dienen. Dieser MEMS-Chip wird in einem am Fraunhofer IPMS entwickelten Mikrospektrometer verwendet.