Kapitel 1 : MEMS

Mikroelektromechanische Systeme, oft auch als MEMS bezeichnet, sind eine Technologie, bei der mikroskopisch kleine Geräte hergestellt werden, die sowohl elektronische als auch mechanische Komponenten enthalten. MEMS bestehen aus Komponenten mit einer Größe von 1 bis 100 Mikrometern (d. h. 0,001 bis 0,1 mm), und die Größe von MEMS-Bauelementen reicht in der Regel von 20 Mikrometern bis zu einem Millimeter (d. h. 0,02 bis 1,0 mm). Die Größe von Komponenten, die in Arrays gestapelt sind (z. B. digitale Mikrospiegelvorrichtungen), kann jedoch größer als 1000 mm2 sein. In den meisten Fällen bestehen sie aus einer Kerneinheit, die Daten verarbeitet (ein integrierter Schaltkreis, z. B. ein Mikroprozessor), sowie mehreren Komponenten, die mit der Umgebung interagieren (z. B. Mikrosensoren).

Die Kräfte, die durch den Elektromagnetismus in der Umgebung (z. B. elektrostatische Ladungen und magnetische Momente) und die Fluiddynamik (z. B. Oberflächenspannung und Viskosität) erzeugt werden, sind für MEMS wesentlichere Designprobleme als für größere mechanische Bauelemente. Dies liegt daran, dass MEMS ein großes Verhältnis von Oberfläche zu Volumen aufweisen. Im Gegensatz zur molekularen Nanotechnologie und molekularen Elektronik zeichnet sich die MEMS-Technologie dadurch aus, dass bei den beiden letztgenannten Technologien die Oberflächenchemie berücksichtigt werden muss.

Man erkannte die Möglichkeiten sehr kleiner Maschinen, noch bevor es die Technologie gab, mit der sie hergestellt werden konnten (zum Beispiel Richard Feynmans berühmte Rede von 1959 mit dem Titel "There's Plenty of Room at the Bottom"). Sobald MEMS mit modifizierten Verfahren zur Herstellung von Halbleiterbauelementen hergestellt werden konnten, die typischerweise bei der Herstellung elektronischer Geräte verwendet werden, waren sie praktisch anwendbar. Formgebung und Beschichtung, Nassätzen (KOH, TMAH), Trockenätzen (RIE und DRIE), Funkenerosion (EDM) und andere Technologien, mit denen winzige Geräte hergestellt werden können, gehören zu dieser Kategorie.

Nanotechnologie und nanoelektromechanische Systeme (NEMS) sind die Produkte ihrer Konvergenz im Nanobereich.

Ein frühes Beispiel für ein MEMS-Bauelement ist der Resonanzgate-Transistor, der 1965 von Robert A. Wickstrom für Harvey C. Nathanson erfunden wurde. Bei diesem Transistor handelte es sich um eine Adaption des MOSFET. Ein weiteres frühes Beispiel ist der Resonistor, ein elektromechanischer monolithischer Resonator, den Raymond J. Wilfinger zwischen den Jahren 1966 und 1971 patentieren ließ. In den 1970er und frühen 1980er Jahren wurde eine Vielzahl von MOSFET-Mikrosensoren entwickelt, um verschiedene Eigenschaften zu überwachen, darunter physikalische, chemische, biologische und umweltbedingte Eigenschaften.

1986 war das Jahr, in dem der Begriff "MEMS" zum ersten Mal verwendet wurde. Die S.C. Neben Jacobsen hat J.E. Durch einen Vorschlag, der am 15. Juli 1986 bei der DARPA eingereicht wurde und den Namen "Micro Electro-Mechanical Systems (MEMS)" trug, war Wood, der Co-PI war, derjenige, der als erster den Begriff "MEMS" vorschlug. Das Projekt wurde an die University of Utah vergeben. Während eines Vortrags, der von S.C. eingeladen wurde, wurde dem Publikum der Begriff "MEMS" vorgestellt. "Micro Electro-Mechanical Systems (MEMS)" wurde von Jacobsen auf dem IEEE Micro Robots and Teleoperators Workshop vorgestellt, der vom 9. bis 11. November 1987 in Hyannis, Massachusetts, stattfand. Ein von J.E. eingereichtes Manuskript war die Quelle für die Veröffentlichung des Begriffs "MEMS". Laut Wood, S.C. Jacobsen und K.W. Im Rahmen des IEEE Proceedings Micro Robots and Teleoperators Workshop, der vom 9. bis 11. November 1987 in Hyannis, Massachusetts, stattfand, hielt Grace einen Vortrag mit dem Titel "SCOFSS: A Small Cantilevered Optical Fiber Servo System". Zusätzlich zu den MEMS-Strukturen werden seit ihrer Implementierung CMOS-Transistoren hergestellt.

Sowohl kapazitive als auch ohmsche Schalttechnologien sind die beiden grundlegenden Formen der MEMS-Schalttechnik. Änderungen der Kapazität werden durch die Verwendung einer beweglichen Platte oder eines Sensorelements bei der Entwicklung eines kapazitiven MEMS-Schalters hervorgerufen. Ausleger, die durch elektrostatische Kräfte gesteuert werden, werden zur Ansteuerung von ohmschen Schaltern verwendet. Die Metallermüdung des MEMS-Aktuators (Cantilever) und der Kontaktverschleiß sind zwei Faktoren, die zum Ausfall ohmscher MEMS-Schalter führen können. Ausleger können sich mit der Zeit verbiegen, was zu Kontaktverschleiß führt.

Die MEMS-Fertigung ist aus der Prozesstechnologie hervorgegangen, die bei der Herstellung von Halbleiterbauelementen verwendet wird. Zu den grundlegenden Prozessen, die bei der MEMS-Herstellung zum Einsatz kommen, gehören das Abscheiden von Materialschichten, das Strukturieren durch Fotolithographie und das Ätzen, um die gewünschten Formen zu erzielen.

Wenn es um die MEMS-Verarbeitung geht, ist eines der grundlegenden Bauelemente die Fähigkeit, dünne Materialschichten mit einer Dicke von einem Mikrometer bis zu etwa hundert Mikrometern abzuscheiden. Trotz der Tatsache, dass die Messung der Schichtabscheidung von wenigen Nanometern bis zu einem Mikrometer reichen kann, bleibt das NEMS-Verfahren gleich. Im Folgenden werden die beiden unterschiedlichen Arten von Abscheidungsprozessen erörtert.

PVD, was für "Physical Vapor Deposition" steht, ist eine Methode, bei der ein Material von einem Target entfernt und mit Hilfe eines Dampfes auf einer Oberfläche abgeschieden wird. Der Prozess des Sputterns, bei dem ein Ionenstrahl Atome von einem Target freisetzt, so dass sie sich durch den Zwischenraum bewegen und sich auf dem gewünschten Substrat ablagern können, und der Prozess des Verdampfens, bei dem ein Material entweder mit Hilfe von Hitze (thermische Verdampfung) oder eines Elektronenstrahls (E-Beam-Verdampfung) in einem Vakuumsystem von einem Target verdampft wird, sind beides Beispiele für Techniken, die verwendet werden können, um dies zu erreichen.

Die chemische Gasphasenabscheidung (CVD) ist eine der Techniken, die unter die Kategorie der chemischen Abscheidung fallen. Bei diesem Prozess reagiert ein Quellgasstrom auf dem Substrat, um das benötigte Material aufzubauen. LPCVD, was für Low-Pressure Chemical Vapor Deposition steht, und PECVD, was für Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition steht, sind zwei Beispiele für die Kategorien, in die je nach den Besonderheiten der Technik weiter unterteilt werden können. Es besteht auch die Möglichkeit, Oxidfilme durch den Prozess der thermischen Oxidation zu züchten. Bei diesem Verfahren wird der Wafer, der normalerweise aus Silizium besteht, Sauerstoff und/oder Dampf ausgesetzt, um eine dünne Schicht aus Siliziumdioxid auf der Oberfläche zu erzeugen.

Das Übertragen eines Musters auf eine Substanz wird als Musterbildung bezeichnet.

Im Zusammenhang mit MEMS wird Lithographie oft als der Prozess der Übertragung eines Musters in ein lichtempfindliches Material definiert, indem das Material selektiv einer lichtähnlichen Strahlungsquelle ausgesetzt wird. Ein Beispiel für eine Substanz, die eine Veränderung ihrer physikalischen Eigenschaften erfährt, weil sie einer Strahlenquelle ausgesetzt wird, wird als fotografisch empfindlich bezeichnet. Wenn ein lichtempfindliches Material selektiv Strahlung ausgesetzt wird (z. B. durch Maskierung eines Teils der Strahlung), wird das Muster der Strahlung auf dem Material auf das belichtete Material übertragen. Dies liegt daran, dass die Merkmale der Regionen, die verfügbar gemacht werden, und derjenigen, die nicht verfügbar sind, unterschiedlich sind.

Danach kann die freiliegende Zone entfernt oder behandelt werden, was schließlich eine Maske für das darunter liegende Substrat bildet. Die Photolithographie wird häufig in Verbindung mit dem Nass- und Trockenätzen sowie der Abscheidung von Metall- oder anderen dünnen Schichten eingesetzt. Wenn es um die Erstellung von Strukturen geht, wird die Fotolithographie manchmal anstelle jeder Form des Nachätzens eingesetzt. Die Erzeugung von SU8-basierten quadratischen Blöcken ist ein Beispiel für eine Linse, die auf dem SU8-Algorithmus basiert. Eine Halbkugel, die als Linse fungiert, wird dann durch Schmelzen des Fotolacks gebildet, was der nächste Schritt ist.

Der Prozess, bei dem ein Elektronenstrahl strukturiert über eine Oberfläche abgetastet wird, die mit einer Schicht bedeckt ist (als Resist bezeichnet), wird als Elektronenstrahllithographie (oft als Elektronenstrahllithographie abgekürzt) bezeichnet. Bei diesem Prozess wird der Lack "freigelegt" und dann selektiv entweder freiliegende oder nicht belichtete Bereiche des Lacks entfernt (als "Entwicklung" bezeichnet). Ähnlich wie bei der Photolithographie besteht das Ziel darin, extrem kleine Strukturen im Inneren des Resists zu erzeugen, die dann auf das Substratmaterial übertragen werden können, typischerweise durch den Prozess des Ätzens. Es wird auch für die Entwicklung von nanoskaligen Strukturen verwendet, zusätzlich zu den Zwecken, integrierte Schaltkreise herzustellen. Der grundlegende Vorteil der Elektronenstrahllithographie besteht darin, dass sie eine der Methoden ist, mit denen die Beugungsgrenze des Lichts überschritten und Merkmale im Nanobereich geschaffen werden können. Die Herstellung von Fotomasken für den Einsatz in der Fotolithographie, die Kleinserienfertigung von Halbleiterbauelementen sowie Forschung und Entwicklung sind alles Bereiche, die eine breite Anwendung für diese Art der maskenlosen Lithographie gefunden haben. Der Durchsatz der Elektronenstrahllithographie ist die wichtigste Einschränkung dieser Technik. Dies bezieht sich auf die extrem lange Zeit, die benötigt...