Fertigungstechnik

Fertigungsverfahren

• Auf der Ebene des Sensorelementes sind Verfahren für

  • Materialaufbringung/-abscheidung,
  • Materialabtrag und
  • Strukturierung erforderlich

• Verfahren sind zunächst unabhängig davon, ob dem Sensorelement ein struktur- oder materialbasierter Effekt zugrunde liegt, bezüglich:

  • Kontaktierung,
  • Zuleitungen,
  • Elektroden,
  • definierte Größen aktiver Komponenten

• Bei Betrachtung integrierter Sensoren kommt der Bereich Aufbau- und Verbindungstechnik/Packaging mit weiteren typischen Fertigungsprozessen hinzu

• System-in-Foil-Technologien für die Materialintegration besonders geeignet

Fertigungsverfahren

Mikrosystemtechnische Sensoren

Mikrosystemtechnische Sensoren integrieren mikroelektronische und senorische/aktorische Komponenten und nutzen dafür (Fertigungs-)Methoden der Mikroelektronik und Halbleitertechnologie.

• Der klassische Werkstoff (als Substrat und/oder als Funktionsmaterial) der Mikrosystemtechnik ist Silizium.

• Andere Materialien können z. B. durch die bereits erwähnten Abscheideverfahren eingebracht werden und das Spektrum der umsetzbaren Funktionalitäten und Eigenschaftsprofile erweitern.

• Aufgrund der geringen Strukturgrößen erfordern Prozesse der Mikrosystemtechnik wie der Mikroelektronik in der Regel Reinräume.

Fertigungsverfahren

Reinräume

Fertigungsverfahren

Silizium

Silizium als zentraler Werkstoff

• Verfügbarkeit: Silizium gibt es wie Sand am Meer
• Einkristallin und in höchster Reinheit herstellbar
• Halbleiter, p- und n-Dotierung möglich mit Bor respektive Phosphor oder Arsen, Leitfähigkeitseinstellung
• Oxidation: Ausbildung von Isolationsschichten & Diffusionssperren
• Chemisch inert gegenüber vielen Materialien
• Mit alkalischen Medien anisotrop ätzbar
• Hohe Wärmeleitfähigkeit
• Geringe thermische Ausdehnung

Fertigungsverfahren

Wafer-basierte Prozesse

• Verarbeitung von Silizium geht einher mit Wafer-basierten Prozessen.

• Dies bedeutet u. a. Batch-Prozesse sowie eine in erster Näherung zweidimensional orientierte Vorgehensweise bei der Herstellung von sensorischen, aktorischen oder elektronischen Komponenten.

• Die Vergrößerung der Wafer-Fläche bietet Kostenvorteile und hängt ab vom Durchmesser der prozessstabil herstellbaren Si-Einkristalle

Fertigungsverfahren

Siliziumprozess

1. Herstellung des reinen Siliziums (Kristallzucht)
2. Photolitographische Strukturierung
3. Ätzen (Abtragen)
4. Aufdampfen und Sputtern (Auftragen)
5. Schneiden
6. (Verpacken)

Fertigungsverfahren

Photolithographie

• Photolithographie ist die zweidimensionale Strukturierung eines Photolacks (Photoresist) über eine Quelle:

  • gleichmäßige Belichtung durch eine Maske, deren Struktur auf den Photoresist projiziert wird.

• Je nach Reaktion auf die Belichtung wird zwischen Positiv- und Negativresist differenziert.

  • Die Bezeichnung Positiv- bzw. Negativresist kann bezogen auf die final erzeugte Struktur verstanden werden.
  • Bei Positivresist sind die erzeugten Öffnungen im Resist ein (positives) Abbild der Öffnungen der Maske, ebenso die in Folgeschritten erzeugten Strukturen.

• Belichtetet Bereiche müssen durch chemischen Entwicklungsvorgang abgetragen werden

• Dann kann der eigentliche Prozessschritt erfolgen (Auftrag/Abtrag)

• Der Photolack muss nach dem eigentlichen Prozessschritt wieder entfernt werden (Stripping)

Photolithographie

Photolithographie

Photolithographie

Substratbeschichtung

• Das Aufbringen des Photoresist erfolgt in der Regel über Spin Coating.

• Aus einer Düse wird der Photolack auf den rotierenden Wafer aufgebracht und verteilt sich von innen nach außen

[www.wikipedia.org]

Photolithographie

Belichtung

• Kontaktbelichtung und Proximitybelichtung (ca. 10-50 μm Abstand Maske-Substrat) bilden Maskenstrukturen in Originalgröße auf das Substrat ab.

• Projektionsbelichtung erlaubt bei Abbildungsmaßstäben von ca. 1:4-5 gröbere, damit kostengünstigere Masken für identische Strukturgrößen.

• Nachteil: Schrittweises Verfahren erforderlich, da das Substrat nicht in ei- nem Schritt komplett belichtet wird.

Photolithographie

Binärmasken

• Einfachste Variante sind binäre Masken, bestehend aus einem Glassubstrat, auf dem eine Chrom- oder eine opake Molybdänsilizid- Schicht aufgebracht ist (Bezeichnungen COG, OMOG).

• Die Cr- bzw. MoSi-Schicht ist undurchlässig für das zur Belichtung verwendete Licht. Nach einer Strukturierung, die die Beschichtung lokal entfernt, kann das Licht durch das freigelegte Glas auf das mit Photolack beschichteten Substrat fallen, verbleibendes Cr bzw. MoSi beschattet das Substrat in den übrigen Bereichen (Binärmaske).

• Die Strukturierung der Cr-/MoSi-Schicht erfolgt in der Regel ebenfalls über Lithographie, meist mittels maskenloser, direktschreibender Verfahren wie Laser- /→Elektronenstrahl-Lithographie.

Phasenmasken

• Bei Phasenmasken erfolgt die Abbildung einer Struktur auf dem Substrat nicht über eine Abdeckung/Abschattung, sondern über Interferenz in Folge von Phasenverschiebungen.

Photolithographie

• Die Phasenverschiebungen werden eingestellt, indem z. B. das transparente Substrat der Maske am entsprechenden Ort angeätzt wird.

• Die Differenz der im Material zurückzulegenden Strecken bewirkt im Zusammenspiel mit der verringerten Wellenlänge/Phasengeschwindigkeit die genutzt Phasenverschiebung.

Photolithographie

Auflösung

• Die Wellenlänge des verwendeten Lichts ist ein bestimmender Faktor für die minimal herstellbaren Strukturgrößen (minimum feature size/ critical dimension CD, depth of field DOF, NA: Numerische Apertur, λ: Wellenlänge):

• Optisch dichteres Medium (z. B. Wasser) erlaubt anderen Strahlengang zwischen letzter Linse und Substrat, möglicher Nachteil: Einfluss auf DOF ≥ Einfluss auf CD.

Elektronenstrahl-Lithographie

• Die Elektronenstrahl-Lithographie verwendet anders als die Photolithographie kein Licht, sondern einen Elektronenstrahl zur Belichtung einer dem Photoresist entsprechenden Beschichtung.

• Es existieren maskenbasierte Verfahren analog der Photolithographie wie auch maskenlose direct write-Verfahren.

• Die minimale erzielbaren Strukturgrößen sind in der Regel kleiner als bei der Photolithographie.

Sputter-Verfahren

• Beim Sputtern werden durch Beschuss mit energiereichen Ionen (z. B. Argon-Ionen) aus einem Festkörper, dem Target, Atome herausgerissen, die dann auf einem Substrat abgeschieden werden können.

[www.widkipedia.org]

Epitaxie

• Epitaxie beschreibt das gerichtete Aufwachsen einer Kristallschicht auf einem geeigneten Substrat des gleichen (Homoepitaxie) oder eines anderen Materials (Heteroepitaxie).

• Epitaxie-Verfahren lassen sich einteilen in

  • Flüssigphasenepitaxie
  • chemische Gasphasenepitaxie (CVD-Verfahren)
  • physikalische Gasphasenepitaxie (PVD-Verfahren)

• Silizium-Schichten werden in der Regel mit chemischen Gasphasen-Epitaxie-Verfahren hergestellt, Anwendungsbeispiele sind ICs, die nach dem SOI (Silicon-on-Insulator)-Prinzip aufgebaut sind.

• In der erzeugten Si-Schicht werden die Funktionselemente der ICs durch Dotierung realisiert.

• Dotierung bedeutet das Einbringen von Fremdatomen in ein Substrat zur Änderung der elektrischen Eigenschaften

Epitaxie

Silizium

• Erwärmung des Substrats auf ca. 600-1200°C im Vakuum
• Einbringen von Wasserstoff und gasförmigen Si-Verbindungen in die Vakuumkammer, z. B. Silan, Dichlorsilan, Trichlorsilan.
• Thermische Zersetzung der Si-Verbindungen in der Umgebung des Substrats, Abscheidung von Si-Atomen auf dessen Oberfläche.
• Schichtenwachstum in der Ebene energetisch bevorzugt, bis eine komplette Schicht abgeschieden ist.
• Dotierung kann parallel durchgeführt werden, etwa durch Zugabe gasförmiger Borverbindungen (Diboran, p-Dotierungen) bzw. Phosphor- und Arsenverbindungen (Phosphin, Arsin, n-Dotierung).

Drucksensoren

Si-basierte Sensorik/MEMS

Fertigungsschritte

Piezoresistiver Si-Drucksensor: Herstellung der Funktionsbereiche (Resisitive Sensoren der Wheatstone Messbrücke)

Drucksensoren

Drucksensoren

Drucksensoren

Drucksensoren

Drucksensoren

Druckverfahren

Gedruckte Sensorik

• DMS: Herstellung über maskenloses Drucken

Druckverfahren

Aerosol Jet-Druck

Druckverfahren

Inkjet-Druck

Druckverfahren

• Vergleich der beiden Druckverfahren hinsichtlich:
  • Erzielbare minimale und maximale Strukturgröße
  • Viskosität
  • Art/Material der Partikel/Tinte
  [iiw.kuleuven.be]

Druckverfahren

Sintern

• Sintern (Verschmelzung) der gedruckten Struktur ist nach dem Druckvorgang erforderlich!
• Beispiel Silbertinte:

Chipdünnung

• Silizium ist spröde und bruchempfindlich

  • Kann nicht nennenswert gebogen und nur wenig gedehnt werden bevor Bruch auftritt

• Aber: Die eigentliche funktionale Schicht eines Siliziumhalbleiters ist nur wenige Mikrometer dick!

  • Daher: Entfernung des Substrats und Reduktion auf funktionale Schicht

• Dünne Schichten sind wenigstens biegbar - Dehnung aber weiterhin ein Problem!

Zusammenfassung

• Da viele Sensoren als MEMS aufgebaut sind, werden vielfach für die Fertigung die Verfahren der Mikrosystemtechnik und der Mikroelektronik eingesetzt

• Silizium ist aus diesem Grund ein verbreiteter Substrat-, aber auch Funktionswerkstoff.

• Weitere Funktionalitäten können über Struktuierungsverfahren und/ oder über Integration weiterer Materialien eingebracht werden

  • Hierfür stehen z. B. PVD, CVD oder Druckverfahren zur Verfügung.

• Maskenlose Druckverfahren bieten hohe Flexibilität, Rolle-zu-Rolle-Verfahren hohe Produktivität auch für large area-Systeme, aber nicht die hohen Integrationsgrade der Siliziumtechnologie.

Materialintegration

Herausforderungen

Die vielen Probleme der Materialintegration:

Zentrale Herausforderung während der Fertigung von Materialien/Strukturen mit eingebetteten Sensorsystemen

• Mechanische Stabilität → Toleranz von mechanischer Belastung in Produktion und Betrieb

• Thermische Stabilität → Toleranz von thermischer Belastungen in Produktion und Betrieb

Funktionale Herausforderung

• Verträglichkeit mit der Matrix
  • Mechanische Anpassung: Anpassung an Steifigkeit, Festigkeit etc. des aufnehmenden Materials, Grenzflächeneigenschaften, Erzeugung innerer Spannungskonzentrationen, Eigenspannungen …
  • Thermische Anpassung: Anpassung des thermischen Ausdehnungskoeffizienten an das aufnehmende Material, Eigenspannungen …
  • Chemische und sonstige Verträglichkeit: Reaktion auf äußere Einflüsse wie Feuchtigkeit, spezielle chemische Einflüsse im Betrieb etc.

Vom Sensor zum System

Integration

Vorteile der Integration:

• Viel Funktion auf wenig Raum!

• Plug and Play: Einfachere Handhabung

  • Signal(vor-)verarbeitung und automatischer Kalibration, z.B. normierte Kennlinie, u. a. Drucksensor Streuung Si-basierter Drucksensor: ±1%, als integrierter Sensor: ±0,1%.

• EMV (Elektromagnetische Verträglichkeit): Kurze Signalwege für das ursprüngliche Sensorsignal, geringere Störanfälligkeit.

  • Stimmt das wirklich? Digitalelektronik und Wechselstromkreise induzieren unmittelbar Störungen in das Sensorsignal und sind hauptsächlich Störquelle.

• Herstellungskosten sind geringer

• Zuverlässigkeit: Systeme fallen an Schnittstellen aus

Vom Sensor zum System

Hybride Integration

Vorteile der hybriden Integration:

• Reduzierter Entwicklungsaufwand

• Mehr Freiheit und Flexibilität in der Auslegung/Gestaltung

• Möglichkeit der Reaktion (Produktanpassung) auf unabhängige Generationswechsel-Zyklen von Hauptkomponenten wie Datenverarbeitung und Sensor (i. d. R. Generationswechsel beim Sensorelement langsamer)

• Prozessausbeute insgesamt größer wg. unabhängiger Auswahl der Komponenten

Nachteile der hybriden Integration

• Optimale Miniaturisierung und Funktionalität nicht erreichbar

• Erhöhte Fehleranfälligkeit durch Schnittstellen (mechanisch, elektrisch)

Hybride Integration

Folienintegration

“SmartLabel”: Chemische bzw. Gassensorik inkl. Auswertung und Kommunikation.

Monolithische Integration (System-on-Chip)

System-on-Chip (SoC) Technologie:

• Hochkomplexe, aber für große Serien auch hocheffiziente Fertigungsprozesse (vgl. CMOS-Prozess)

• Einschränkung des nutzbaren Technologiespektrums für den Bereich Sensorik auf (z. B.) CMOS-kompatible Prozesse

• Hohe Zuverlässigkeit (vgl. Aufbau- und Verbindungstechnik als häufigste Fehlerquelle)

• Kurze Signalwege zum Ort der Datenverarbeitung, geringe parasitäre Kapazitäten

• Integration analog/digital auf einem Chip u. U. problematisch ]]

Monolithische Integration (System-on-Chip)

Beispiel Infineon KP125 Luftdrucksensor

Monolithische Integration (System-on-Chip)

Gedruckte Elektronik und Sensorik

System-in/on-Foil (SiF)

• System-in-Foil technologien bieten ein hohes Potenzial für die flächige (2D) Materialintegration

System-in/on-Foil (SiF)

Systemkomponenten

• Eine oder mehrere Verdrahtungsebenen
• Folienkomponenten: Sensoren, Batterien, Photovoltaische Zellen
• Integrierte Elektronik (gedünnt!)
• Passive Bauelemente (Widerstände, Kondensatoren, Induktivitäten)

Integrationsgrade

Homogene Integration

Das sensorische Material wird zusammen mit dem Funktionsmaterial/der Funktionsstruktur hergestellt (ein Prozess)

Heterogene Integration

Das sensorische Material wird es am Ende des Herstellungsprozesses des Trägermaterials/der Trägerstruktur aufgebracht (zwei Prozesse)

System-in/on-Foil (SiF)

System-in/on-Foil (SiF)

Kontaktierung

• Neben der Herstellung der Leiterbahnen ist die Kontaktierung der Bauelemente zentrales Problem

Mechanische Anpassung

Grundprinzipien, Last/Dehnung in der Ebene.

• Eliminierung der mechanischen Belastung durch Positionierung in der bezogen auf Biegung “neutralen Ebene”:
  • Unwirksam bei Belastung in der Strukturebene oder Druckbelastung dazu.

Mechanische Anpassung

Mechanische Anpassung

• Viele integrierbare Strukturen und Materialien besitzen nur geringe Dehn- und Biegbarkeit

• Um Sensornetzwerke in Materialien und Verbundwerkstoffe integrieren zu können bedarf es einer mechanischen Anpassung

• Komplexe Geometrien führen zu komplexer Verformung auch bei Belastung in der Ebene.

• Flexibilität als Dehnbarkeit über verteilte Strukturen:

Thermische Anpassung

• Der Temperaturausdehnungskoeffizient α ([10-6/K]) spielt bei der Kombination von Materialien und der Integration eine wesentliche Rolle

• Abweichungen der thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen eingebetteten Komponenten und aufnehmendem Material führt zu mechanischen Spannungen:

  • Bei ursprünglich spannungsfreiem Zustand als Folge von Temperaturänderungen im Betrieb.
  • Im Verlauf der Herstellung bei Abkühlung von einem Prozessschritt, der mit erhöhter Temperatur einhergeht ggf. auch in Form von Eigenspannungen, die im Betrieb den lastinduzierten Spannungen überlagert sind.

Daher sollten Verbundwerkstoffe und integerierte Komponenten ähnliche Temperaturausdehnungskoeffizient besitzen!