AbscheideverfahrenBearbeiten
Einer der grundlegenden Bausteine in der MEMS-Bearbeitung ist die Fähigkeit, dünne Materialschichten mit einer Dicke von einem Mikrometer bis zu etwa 100 Mikrometer abzuscheiden. Der NEMS-Prozess ist derselbe, obwohl die Messung der Schichtabscheidung von einigen Nanometern bis zu einem Mikrometer reicht. Es gibt zwei Arten von Abscheidungsprozessen, wie folgt.
Physikalische Abscheidung
Physikalische Dampfabscheidung („PVD“) besteht aus einem Prozess, bei dem ein Material von einem Target entfernt und auf einer Oberfläche abgeschieden wird. Zu den Techniken gehören das Sputtern, bei dem ein Ionenstrahl Atome aus einem Target freisetzt, die sich dann durch den Zwischenraum bewegen und sich auf dem gewünschten Substrat ablagern, und das Verdampfen, bei dem ein Material entweder durch Wärme (thermisches Verdampfen) oder durch einen Elektronenstrahl (E-Beam-Verdampfung) in einem Vakuumsystem von einem Target verdampft wird.
Chemische Abscheidung
Chemische Abscheidungstechniken umfassen die chemische Gasphasenabscheidung (CVD), bei der ein Strom von Quellgas auf dem Substrat reagiert, um das gewünschte Material wachsen zu lassen. Dies kann weiter in Kategorien unterteilt werden, je nach den Details der Technik, z. B. LPCVD (chemische Gasphasenabscheidung bei niedrigem Druck) und PECVD (plasmaunterstützte chemische Gasphasenabscheidung).
Oxidschichten können auch durch die Technik der thermischen Oxidation gezüchtet werden, bei der der (typischerweise Silizium-) Wafer Sauerstoff und/oder Dampf ausgesetzt wird, um eine dünne Oberflächenschicht aus Siliziumdioxid zu wachsen.
PatterningEdit
Patterning in MEMS ist die Übertragung eines Musters in ein Material.
LithographieEdit
Lithographie im MEMS-Kontext ist typischerweise die Übertragung eines Musters in ein lichtempfindliches Material durch selektive Belichtung mit einer Strahlungsquelle wie Licht. Ein lichtempfindliches Material ist ein Material, das eine Veränderung seiner physikalischen Eigenschaften erfährt, wenn es einer Strahlungsquelle ausgesetzt wird. Wenn ein lichtempfindliches Material selektiv mit Strahlung belichtet wird (z. B. durch Maskierung eines Teils der Strahlung), wird das Muster der Strahlung auf dem Material auf das belichtete Material übertragen, da sich die Eigenschaften der belichteten und unbelichteten Bereiche unterscheiden.
Dieser belichtete Bereich kann dann entfernt oder behandelt werden, wodurch eine Maske für das darunterliegende Substrat entsteht. Die Photolithographie wird typischerweise mit Metall- oder anderen Dünnschichtabscheidungen, Nass- und Trockenätzungen verwendet. Manchmal wird die Fotolithografie auch verwendet, um Strukturen ohne jede Art von Nachätzung zu erzeugen. Ein Beispiel ist die SU8-basierte Linse, bei der SU8-basierte quadratische Blöcke erzeugt werden. Dann wird der Fotolack geschmolzen, um eine Halbkugel zu bilden, die als Linse fungiert.
ElektronenstrahllithografieBearbeiten
Elektronenstrahllithographie (oft abgekürzt als Elektronenstrahllithographie) ist das Verfahren, bei dem ein Elektronenstrahl strukturiert über eine mit einem Film (dem sogenannten Resist) bedeckte Oberfläche gescannt wird („Belichtung“ des Resists) und selektiv entweder belichtete oder nicht belichtete Bereiche des Resists entfernt werden („Entwicklung“). Der Zweck ist, wie bei der Fotolithografie, sehr kleine Strukturen im Resist zu erzeugen, die anschließend auf das Substratmaterial übertragen werden können, oft durch Ätzen. Sie wurde für die Herstellung von integrierten Schaltkreisen entwickelt und wird auch für die Erzeugung von Nanotechnologie-Architekturen eingesetzt.
Der Hauptvorteil der Elektronenstrahllithografie ist, dass sie eine der Möglichkeiten ist, die Beugungsgrenze des Lichts zu überwinden und Strukturen im Nanometerbereich zu erzeugen. Diese Form der maskenlosen Lithografie hat breite Anwendung in der Herstellung von Fotomasken gefunden, die in der Fotolithografie, der Kleinserienproduktion von Halbleiterkomponenten und in der &Forschungsentwicklung eingesetzt werden.
Die wichtigste Einschränkung der Elektronenstrahllithografie ist der Durchsatz, d. h. die sehr lange Zeit, die benötigt wird, um einen ganzen Siliziumwafer oder ein Glassubstrat zu belichten. Eine lange Belichtungszeit macht den Anwender anfällig für Strahldrift oder Instabilität, die während der Belichtung auftreten können. Außerdem wird die Durchlaufzeit für die Nachbearbeitung oder das Neudesign unnötig verlängert, wenn das Muster nicht ein zweites Mal geändert wird.
IonenstrahllithographieBearbeiten
Es ist bekannt, dass die fokussierte Ionenstrahllithographie die Fähigkeit hat, extrem feine Linien (weniger als 50 nm Linie und Abstand wurden erreicht) ohne Proximity-Effekt zu schreiben. Da das Schreibfeld in der Ionenstrahllithographie jedoch recht klein ist, müssen großflächige Muster durch Aneinanderfügen der kleinen Felder erzeugt werden.
Ion Track TechnologyEdit
Die Ionenstrahltechnologie ist ein Tiefschneidewerkzeug mit einer Auflösungsgrenze um 8 nm, das für strahlungsresistente Mineralien, Gläser und Polymere geeignet ist. Sie ist in der Lage, Löcher in dünnen Schichten ohne jeglichen Entwicklungsprozess zu erzeugen. Die Strukturtiefe kann entweder durch den Ionenbereich oder durch die Materialdicke definiert werden. Es können Aspektverhältnisse bis zu mehreren 104 erreicht werden. Die Technik kann Materialien unter einem definierten Neigungswinkel formen und texturieren. Es können zufällige Muster, Einzel-Ionen-Spur-Strukturen und gezielte Muster, die aus einzelnen Einzelspuren bestehen, erzeugt werden.
RöntgenlithographieBearbeiten
Die Röntgenlithographie ist ein Verfahren, das in der Elektronikindustrie eingesetzt wird, um Teile einer dünnen Schicht selektiv zu entfernen. Es verwendet Röntgenstrahlen, um ein geometrisches Muster von einer Maske auf einen lichtempfindlichen chemischen Fotoresist, oder einfach „Resist“, auf dem Substrat zu übertragen. Eine Reihe von chemischen Behandlungen graviert dann das erzeugte Muster in das Material unter dem Fotolack.
Diamant-Strukturierung
Ein einfacher Weg, Muster in die Oberfläche von Nanodiamanten zu ritzen oder zu erzeugen, ohne sie zu beschädigen, könnte zu neuen photonischen Geräten führen.
Diamant-Strukturierung ist eine Methode zur Herstellung von Diamant-MEMS. Sie wird durch das lithografische Aufbringen von Diamantschichten auf ein Substrat wie z. B. Silizium erreicht. Die Muster können durch selektive Abscheidung durch eine Siliziumdioxid-Maske oder durch Abscheidung gefolgt von Mikrobearbeitung oder fokussiertem Ionenstrahlfräsen gebildet werden.
Ätzverfahren
Es gibt zwei grundlegende Kategorien von Ätzverfahren: Nassätzen und Trockenätzen. Bei ersterem wird das Material durch Eintauchen in eine chemische Lösung aufgelöst. Bei letzterem wird das Material gesputtert oder mit reaktiven Ionen oder einem Dampfphasenätzmittel aufgelöst.
NassätzenBearbeiten
Beim nasschemischen Ätzen wird Material selektiv abgetragen, indem ein Substrat in eine Lösung getaucht wird, die es auflöst. Die chemische Natur dieses Ätzprozesses bietet eine gute Selektivität, was bedeutet, dass die Ätzrate des Zielmaterials bei sorgfältiger Auswahl wesentlich höher ist als die des Maskenmaterials.
Isotropes Ätzen
Das Ätzen verläuft in allen Richtungen mit der gleichen Geschwindigkeit. Lange und schmale Löcher in einer Maske erzeugen v-förmige Rillen im Silizium. Die Oberfläche dieser Rillen kann atomar glatt sein, wenn das Ätzen korrekt ausgeführt wird, wobei Abmessungen und Winkel extrem genau sind.
Anisotropes ÄtzenEditieren
Bei einigen Einkristallmaterialien, wie z. B. Silizium, werden je nach kristallografischer Ausrichtung des Substrats unterschiedliche Ätzgeschwindigkeiten erreicht. Dies ist als anisotropes Ätzen bekannt und eines der häufigsten Beispiele ist das Ätzen von Silizium in KOH (Kaliumhydroxid), wobei Si <>-Ebenen etwa 100-mal langsamer ätzen als andere Ebenen (kristallographische Orientierungen). Daher führt das Ätzen eines rechteckigen Lochs in einem (100)-Si-Wafer zu einer pyramidenförmigen Ätzgrube mit 54,7° Wänden, statt zu einem Loch mit gekrümmten Seitenwänden wie beim isotropen Ätzen.
HF-Ätzen
Flusssäure wird üblicherweise als wässriges Ätzmittel für Siliziumdioxid (SiO
2, auch BOX für SOI genannt) verwendet, meist in 49%iger Konzentration, 5:1, 10:1 oder 20:1 BOE (Buffered Oxide Etchant) oder BHF (Buffered HF). Sie wurden erstmals im Mittelalter zum Ätzen von Glas verwendet. In der IC-Fertigung wurde sie zur Strukturierung des Gate-Oxids verwendet, bis der Prozessschritt durch RIE ersetzt wurde.
Flusssäure gilt als eine der gefährlichsten Säuren im Reinraum. Sie durchdringt bei Kontakt die Haut und diffundiert direkt in den Knochen. Daher wird der Schaden erst bemerkt, wenn es zu spät ist.
Elektrochemisches Ätzen
Elektrochemisches Ätzen (ECE) zur dotierstoffselektiven Entfernung von Silizium ist eine gängige Methode, um das Ätzen zu automatisieren und selektiv zu steuern. Es wird ein aktiver p-n-Dioden-Übergang benötigt, und jede Art von Dotierstoff kann das ätzresistente („ätzstoppende“) Material sein. Bor ist das gebräuchlichste Ätzstopp-Dotiermittel. In Kombination mit dem oben beschriebenen anisotropen Nassätzen wurde ECE erfolgreich zur Steuerung der Silizium-Membrandicke in kommerziellen piezoresistiven Silizium-Drucksensoren eingesetzt. Selektiv dotierte Bereiche können entweder durch Implantation, Diffusion oder epitaktische Abscheidung von Silizium erzeugt werden.
TrockenätzenBearbeiten
DampfätzenBearbeiten
XenondifluoridBearbeiten
Xenondifluorid (XeF
2) ist ein isotropes Trockenätzverfahren für Silizium, das ursprünglich 1995 an der University of California, Los Angeles für MEMS angewendet wurde. XeF
2 wird hauptsächlich zur Ablösung von Metall- und dielektrischen Strukturen durch Unterätzen von Silizium verwendet und hat im Gegensatz zu Nassätzmitteln den Vorteil einer reibungsfreien Ablösung. Seine Ätzselektivität gegenüber Silizium ist sehr hoch, so dass es mit Photoresist, SiO
2, Siliziumnitrid und verschiedenen Metallen zur Maskierung arbeiten kann. Seine Reaktion auf Silizium ist „plasmalos“, ist rein chemisch und spontan und wird oft im gepulsten Modus betrieben. Modelle der Ätzwirkung sind verfügbar, und Universitätslabors und verschiedene kommerzielle Geräte bieten Lösungen mit diesem Ansatz an.
Plasmaätzen
Moderne VLSI-Prozesse vermeiden das Nassätzen und verwenden stattdessen das Plasmaätzen. Plasma-Ätzer können in verschiedenen Modi arbeiten, indem sie die Parameter des Plasmas anpassen. Gewöhnliches Plasma-Ätzen arbeitet zwischen 0,1 und 5 Torr. (Diese in der Vakuumtechnik gebräuchliche Druckeinheit entspricht etwa 133,3 Pascal.) Das Plasma erzeugt energetische freie Radikale, die neutral geladen sind und an der Oberfläche des Wafers reagieren. Da die neutralen Teilchen den Wafer von allen Seiten angreifen, ist dieser Prozess isotrop.
Das Plasmaätzen kann isotrop sein, d.h. eine seitliche Unterätzungsrate auf einer strukturierten Oberfläche aufweisen, die in etwa der nach unten gerichteten Ätzrate entspricht, oder anisotrop sein, d.h. eine kleinere seitliche Unterätzungsrate aufweisen als die nach unten gerichtete Ätzrate. Eine solche Anisotropie wird beim reaktiven Ionen-Tiefenätzen maximiert. Die Verwendung des Begriffs Anisotropie für das Plasmaätzen sollte nicht mit der Verwendung desselben Begriffs für das orientierungsabhängige Ätzen verwechselt werden.
Das Quellgas für das Plasma enthält in der Regel kleine Moleküle, die reich an Chlor oder Fluor sind. Tetrachlorkohlenstoff (CCl
4) ätzt zum Beispiel Silizium und Aluminium, Trifluormethan ätzt Siliziumdioxid und Siliziumnitrid. Ein sauerstoffhaltiges Plasma wird verwendet, um den Fotolack zu oxidieren („veraschen“) und seine Entfernung zu erleichtern.
Das Ionenfräsen oder Sputter-Ätzen verwendet niedrigere Drücke, oft so niedrig wie 10-4 Torr (10 mPa). Dabei wird der Wafer mit energiereichen Ionen von Edelgasen, oft Ar+, beschossen, die durch Impulsübertragung Atome aus dem Substrat herausschlagen. Da das Ätzen durch Ionen erfolgt, die sich dem Wafer annähernd aus einer Richtung nähern, ist dieser Prozess stark anisotrop. Andererseits weist er eine eher schlechte Selektivität auf. Das Reaktiv-Ionen-Ätzen (RIE) arbeitet unter Bedingungen, die zwischen dem Sputter- und dem Plasmaätzen liegen (zwischen 10-3 und 10-1 Torr). Tiefes reaktives Ionenätzen (DRIE) modifiziert die RIE-Technik, um tiefe, schmale Strukturen zu erzeugen.
SputteringEdit
Reaktiv-Ionen-Ätzen (RIE)Bearbeiten
Beim Reaktiv-Ionen-Ätzen (RIE) wird das Substrat in einem Reaktor platziert und verschiedene Gase werden eingeleitet. Mit einer HF-Stromquelle wird in dem Gasgemisch ein Plasma gezündet, das die Gasmoleküle in Ionen zerlegt. Die Ionen werden auf die Oberfläche des zu ätzenden Materials beschleunigt und reagieren mit ihr, wobei ein anderes gasförmiges Material entsteht. Dies wird als der chemische Teil des reaktiven Ionenätzens bezeichnet. Es gibt auch einen physikalischen Teil, der dem Sputtering-Abscheidungsprozess ähnlich ist. Wenn die Ionen eine ausreichend hohe Energie haben, können sie Atome aus dem zu ätzenden Material herausschlagen, ohne dass eine chemische Reaktion stattfindet. Es ist eine sehr komplexe Aufgabe, Trockenätzprozesse zu entwickeln, die ein Gleichgewicht zwischen chemischem und physikalischem Ätzen herstellen, da es viele Parameter gibt, die eingestellt werden müssen. Durch Veränderung des Gleichgewichts ist es möglich, die Anisotropie der Ätzung zu beeinflussen, da der chemische Teil isotrop und der physikalische Teil stark anisotrop ist, kann die Kombination Seitenwände bilden, die Formen von abgerundet bis vertikal haben.
Deep RIE (DRIE) ist eine spezielle Unterklasse von RIE, die immer beliebter wird. Bei diesem Verfahren werden Ätztiefen von Hunderten von Mikrometern mit nahezu senkrechten Seitenwänden erreicht. Die primäre Technologie basiert auf dem sogenannten „Bosch-Verfahren“, benannt nach der deutschen Firma Robert Bosch, die das ursprüngliche Patent anmeldete, bei dem sich zwei verschiedene Gaszusammensetzungen im Reaktor abwechseln. Derzeit gibt es zwei Varianten des DRIE. Die erste Variante besteht aus drei verschiedenen Schritten (der ursprüngliche Bosch-Prozess), während die zweite Variante nur aus zwei Schritten besteht.
In der ersten Variante ist der Ätzzyklus wie folgt:
(i) SF
6 isotropes Ätzen;
(ii) C
4F
8 Passivierung;
(iii) SF
6 anisoptropes Ätzen zur Bodenreinigung.
In der 2. Variante werden die Schritte (i) und (iii) kombiniert.
Beide Varianten arbeiten ähnlich. Das C
4F
8 erzeugt ein Polymer auf der Oberfläche des Substrats, und die zweite Gaszusammensetzung (SF
6 und O
2) ätzt das Substrat. Das Polymer wird durch den physikalischen Teil des Ätzens sofort weggesputtert, allerdings nur an den horizontalen Flächen und nicht an den Seitenwänden. Da sich das Polymer im chemischen Teil der Ätzung nur sehr langsam auflöst, lagert es sich an den Seitenwänden an und schützt diese vor dem Ätzen. Dadurch können Ätzseitenverhältnisse von 50 zu 1 erreicht werden. Mit dem Verfahren kann ein Siliziumsubstrat problemlos komplett durchgeätzt werden, und die Ätzraten sind 3-6 mal höher als beim Nassätzen.
Die-Präparation
Nach der Präparation einer großen Anzahl von MEMS-Bauelementen auf einem Siliziumwafer müssen die einzelnen Dies separiert werden, was in der Halbleitertechnik als Die-Präparation bezeichnet wird. Bei einigen Anwendungen geht der Trennung ein Wafer-Backgrinding voraus, um die Waferdicke zu reduzieren. Das Dicing des Wafers kann dann entweder durch Sägen unter Verwendung einer Kühlflüssigkeit oder durch einen trockenen Laserprozess, das sogenannte Stealth Dicing, erfolgen.