1. Slide 1Mikrosysteme
GrundlagenGrundlagen
Mikro- und NanosystemeMikro- und Nanosysteme
Mikro- und Nanosysteme in der Umwelt, Biologie und MedizinMikro- und Nanosysteme in der Umwelt, Biologie und Medizin
Prozesse: Ätzen, Beschichten, Bonden, AbformenProzesse: Ätzen, Beschichten, Bonden, Abformen
Dr. Marc R. DusseillerDr. Marc R. Dusseiller
3. Slide 3Mikrosysteme
Ätzen - ÜberblickÄtzen - Überblick
Selektivität zwischen Ätzmaske und MaterialSelektivität zwischen Ätzmaske und Material
• Chemisches Ätzen, NassChemisches Ätzen, Nass
• Glass (amorph) in HFGlass (amorph) in HF
• Polymere (amorph, teilkr.) in LösungsmittelnPolymere (amorph, teilkr.) in Lösungsmitteln
• Poly-Si (polykristallin) in KOHPoly-Si (polykristallin) in KOH
• Metalle (polykristallin) in versch. LaugenMetalle (polykristallin) in versch. Laugen
• TrockenätzenTrockenätzen
• Sputtering (Ionenätzen)Sputtering (Ionenätzen) Anisotrop, schlechte Sel.Anisotrop, schlechte Sel.
• RIE (Chem. & Phys.)RIE (Chem. & Phys.) Anisotrop, gute Sel.Anisotrop, gute Sel.
• TiefenätzenTiefenätzen
• Si (einkristallin) in KOH (nass)Si (einkristallin) in KOH (nass) Anisotrop, OrientierungAnisotrop, Orientierung
• Si mit DRIESi mit DRIE (trocken)(trocken) Vertical SidewallVertical Sidewall
4. Slide 4Mikrosysteme
ÄtzenÄtzen
• NassätzenNassätzen
• In ÄtzflüssigkeitenIn Ätzflüssigkeiten
• Spannungen bei TrocknungSpannungen bei Trocknung
• Gefährliche LösungenGefährliche Lösungen
• Meist Isotrop oder Orientierungsabhängig (Si 100)Meist Isotrop oder Orientierungsabhängig (Si 100)
• SchnellSchnell
• TrockenätzenTrockenätzen
• In VakuumIn Vakuum
• Vielzahl an ÄtzgeometrienVielzahl an Ätzgeometrien
• AnisotropAnisotrop
• Vertical SidewallVertical Sidewall
• Komplexere Maschinen nötigKomplexere Maschinen nötig
• Zum Teil sehr langsamZum Teil sehr langsam
5. Slide 5Mikrosysteme
Dünnschichtätzen - TiefenätzenDünnschichtätzen - Tiefenätzen
Aspect Ratio (Aspektverhältnis) = Tiefe/StrukturbreiteAspect Ratio (Aspektverhältnis) = Tiefe/Strukturbreite
• Dünnschichtätzen << 1Dünnschichtätzen << 1
Dünne funktionale Schichten werden geätzt, Sensormaterialien, Leiterbahnen, ...Dünne funktionale Schichten werden geätzt, Sensormaterialien, Leiterbahnen, ...
• Tiefenätzen > 1Tiefenätzen > 1
Substratmaterialien werden geätzt, Si, Glass, PMMA, ...Substratmaterialien werden geätzt, Si, Glass, PMMA, ...
20. Slide 20Mikrosysteme
Chemical Vapor Deposition (CVD)Chemical Vapor Deposition (CVD)
• Zum Beispiel eine Beschichtung mit Silizium:Zum Beispiel eine Beschichtung mit Silizium:
SiHClSiHCl33 + H+ H22 → Si + 3 HCl→ Si + 3 HCl
Gas + Gas → Schicht + Gas (Reaktionsprodukte können abgesaugt werden)Gas + Gas → Schicht + Gas (Reaktionsprodukte können abgesaugt werden)
21. Slide 21Mikrosysteme
Chemical Vapor Deposition (CVD)Chemical Vapor Deposition (CVD)
• EpitaxieEpitaxie (Greek;(Greek; epiepi "above" and"above" and taxistaxis "in ordered"in ordered
manner")manner")
Die Kristall Orientierung kann weitergeführt werdenDie Kristall Orientierung kann weitergeführt werden
in der Beschichtungin der Beschichtung
24. Slide 24Mikrosysteme
Bonding - VerbindungsverfahrenBonding - Verbindungsverfahren
Verbindung von zwei (teils) mikrostrukturiertenVerbindung von zwei (teils) mikrostrukturierten
Substraten zu einem 3D DeviceSubstraten zu einem 3D Device
• KlebenKleben
Dicke Zwischenchichten, Verstopfen der StrukturenDicke Zwischenchichten, Verstopfen der Strukturen
• GlaslötenGlaslöten
Dicke Zwischenschichten, thermische SpannungenDicke Zwischenschichten, thermische Spannungen
• Eutektisches BondenEutektisches Bonden
Legierungsbildung am Interface zu anderen MetallenLegierungsbildung am Interface zu anderen Metallen
zB. Gold (370° C) oder Aluminium (577° C)zB. Gold (370° C) oder Aluminium (577° C)
• Anodisches Bonden (1000 V, 500° C)Anodisches Bonden (1000 V, 500° C)
Diffusion von NaDiffusion von Na++
Ionen aus dem Glas führt zu Anziehung derIonen aus dem Glas führt zu Anziehung der
Oberflächen und Si-O-Si BindungOberflächen und Si-O-Si Bindung
• SiliziumdirektbondenSiliziumdirektbonden
Si-OH Bindungen an der Oberfläche führt zu Wasserbildung undSi-OH Bindungen an der Oberfläche führt zu Wasserbildung und
Si-O-SiSi-O-Si
25. Slide 25Mikrosysteme
Bonding - VergleichBonding - Vergleich
Verbindung von zwei (teils) mikrostrukturiertenVerbindung von zwei (teils) mikrostrukturierten
Substraten zu einem 3D DeviceSubstraten zu einem 3D Device
26. Slide 26Mikrosysteme
FallbeispielFallbeispiel
MEMS technology Insulin Nanopump™MEMS technology Insulin Nanopump™ – Debiotech S. A. Switzerland– Debiotech S. A. Switzerland
Ein Silizium MEMS kurz vor der MarkteinführungEin Silizium MEMS kurz vor der Markteinführung
31. Slide 31Mikrosysteme
Fallbeispiel - Debiotech‘s NanopumpFallbeispiel - Debiotech‘s Nanopump
• FabrikationFabrikation
• SOI (Silicon on Insulator)SOI (Silicon on Insulator)
• Ätzen von hinten (DRIE)Ätzen von hinten (DRIE)
• Ätzen von oben, Kanäle, VentileÄtzen von oben, Kanäle, Ventile
• Sensor (geheim)Sensor (geheim)
• Anti-Haft SchichtAnti-Haft Schicht
• Bonding vn Glass mit ZugangBonding vn Glass mit Zugang
• Piezomaterial integrationPiezomaterial integration
http://www.debiotech.com
32. Slide 32Mikrosysteme
Fallbeispiel - Debiotech‘s NanopumpFallbeispiel - Debiotech‘s Nanopump
• Sehr genaue und konstante DosisSehr genaue und konstante Dosis
(U) pro Pumpenschlag(U) pro Pumpenschlag
• Geringer Fehler in der FlussmengeGeringer Fehler in der Flussmenge
auch bei kurzer Betriebszeitauch bei kurzer Betriebszeit
• Grösse (bez. Kleine)Grösse (bez. Kleine)
• DisposableDisposable
34. Slide 34Mikrosysteme
LIGALIGA
LIGA – Lithographie Galvanik AbformenLIGA – Lithographie Galvanik Abformen
X-ray Lithographisches Strukturieren eines PolymersX-ray Lithographisches Strukturieren eines Polymers
Galvanisches Abscheiden von NiGalvanisches Abscheiden von Ni
Überwachsen der MikrostrukturenÜberwachsen der Mikrostrukturen
Entfernen des SubstratesEntfernen des Substrates
mechanisch oder chemischmechanisch oder chemisch
Entfernen des PolymersEntfernen des Polymers
→→ Ni-Gussform für weitereNi-Gussform für weitere
AbformungsverfahrenAbformungsverfahren
36. Slide 36Mikrosysteme
UV-Lithographische Strukturen – SU-8UV-Lithographische Strukturen – SU-8
Poor man‘s LIGAPoor man‘s LIGA
Chemisch Verstärkter Photoresist (Epoxy vernetzt durch UV initierte Säurebildung)Chemisch Verstärkter Photoresist (Epoxy vernetzt durch UV initierte Säurebildung)
Dicke Filme mit Spin-coating (bis 500Dicke Filme mit Spin-coating (bis 500 μμm)m)
Vertical Side-wall ohne Ätzen und ohne x-ray (im Gegensatz zu LIGA)Vertical Side-wall ohne Ätzen und ohne x-ray (im Gegensatz zu LIGA)
Hohe Festigkeit und chemische Stabilität durch hohe VernetzungHohe Festigkeit und chemische Stabilität durch hohe Vernetzung
38. Slide 38Mikrosysteme
Injection Molding - MikroinjektionInjection Molding - Mikroinjektion
Reaction Injection Molding (RIM)Reaction Injection Molding (RIM)
Komponenten eines Polymer Precursors gespritztKomponenten eines Polymer Precursors gespritzt
zB. Polyurethan PrecursorszB. Polyurethan Precursors
Niedrige Viskosität, tiefe TemperaturNiedrige Viskosität, tiefe Temperatur
Schrumpfen während der Reaktion (bis 20%)Schrumpfen während der Reaktion (bis 20%)
Thermoplastic Injection Molding (TIM)Thermoplastic Injection Molding (TIM)
Polymer Granulat wird geschmolzen und gespritzt (PMMA, PVC,Polymer Granulat wird geschmolzen und gespritzt (PMMA, PVC,
ABS, PE etc.)ABS, PE etc.)
Hohe Viskosität, hohe TemperaturHohe Viskosität, hohe Temperatur
Auch für Keramiken geeignet zB. SchlickergussAuch für Keramiken geeignet zB. Schlickerguss
39. Slide 39Mikrosysteme
Hot Embossing – Heiss PrägenHot Embossing – Heiss Prägen
Thermoplastische PolymereThermoplastische Polymere
Vorgeformtes Polymer Werkstück, flachVorgeformtes Polymer Werkstück, flach
zB. PMMAzB. PMMA
Temperatur über TTemperatur über Tgg damit die Viskosität klein wirddamit die Viskosität klein wird
Hohe Genauigkeit, kein SchrumpfenHohe Genauigkeit, kein Schrumpfen
Kostengünstigere FormenKostengünstigere Formen
