MEMS: Mikro Elektro Mechanische Systeme

VLSI Design 03/04 - MEMS 

MEMS: 

Mikro Elektro Mechanische Systeme 

http://www.mems-exchange.org/MEMS/what-is.html 

P. Fischer, TI, Uni Mannheim, Seite 1

� Die Integration von 

- mechanischen Elementen 

- Sensoren 

- Aktuatoren 

- Elektronik 

auf einem gemeinsamen Siliziumsubstrat 


Was sind MEMS ? 

� Simultane Herstellung vieler MEMS auf Wafern (wie bei Chips) mit ähnlichen Technologien 

� Meist werden zu einem 'normalen' Chip-Prozess weitere 'Micromachining' Schritte hinzugefügt. 

� Diese Prozessschritte dürfen die fertigen Schaltungen (CMOS, Bipolar oder BiCMOS) nicht zerstören! 

� Hauptschritte sind 

- Ablagerung von ('dicken') Materialschichten 

- selektives, meist anisotropes Ätzen 

� Man unterscheidet 

- 'bulk micromachining' (tiefe Löcher, Waferbonden,.. – hier nicht weiter behandelt) 

- 'surface micromachining' (flache Strukturen auf der Oberfläche) 


� Sehr einfach (Wafer wird in Flüssigkeit getaucht) 

� Für sehr feine Strukturen weniger geeignet 

� Meist Isotrop, d.h. gleichmäßig in alle Richtungen) 

� Mit speziellen Chemikalien (KOH) auch anisotrop 


Naßchemisches Ätzen 

� Verschiedene Lagen können als Ätzstopp dienen, z.B. 

- eine dotierte (implantierte) Schicht in der Tiefe 

- eine SiO 2 Schicht in der Tiefe (SIMOX) 

Lack 

Silizium 

Dotiertes Silizium 

Silizium (Substrat) 

anisotrop (KOH) 

isotrop 


� Wafer wird mit einem Plasma 'bombardiert' 


Trockenes Plasma - Ätzen 

� Die Ionen des Plasmas werden durch elektrisches Feld senkrecht auf den Wafer zu beschleunigt 

� Dadurch sehr anisotropes Ätzen möglich (Ionen treffen hauptsächlich den Boden ⇒ senkrechte Wände!) 

� Die Chemie des Ätzens wird durch die Zusammensetzung des Plasmas bestimmt 

� Beispiel für Reactive Ione Etching (RIE): 

Plasma aus 3 Komponenten: 

- SF 6 ⇒ F* - Radikale 

- O 2 ⇒ O* - Radikale 

- CHF 3 ⇒ CF x + - Ionen 

Jede der Komponenten hat eine spezielle Aufgabe: 

- F* ätzt chemisch Silizium zu flüchtigem SiF 4 

- O* passiviert die Si-Oberfläche mit SiO x F y 

- CF x + löst die SiOx F y – Schicht vom Boden zum flüchtigen CO x F y 

� Dadurch bei 'richtiger' Mischung sehr glatte Wände. 



Beispiel für Plasma Ätzen 



Opferschichten 

� Werden benötigt, um freitragende Strukturen und Membranen herzustellen 

Opferschicht aufbringen 

Opferschicht strukturieren (spätere Befestigungspunkte) 

obere Lage aufbringen 

obere Lage strukturieren 

Entfernen der Opferschicht 

Eine geschlossene Struktur 

(Membran) benötigt Löcher in 

der oberen Lage zum Ätzen 

der Opferschicht. Die Löcher 

können später z.B. mit CVD 

verschlossen werden 



freitragende Strukturen 

� Mit zunehmender Reduktion der Strukturgröße L werden Strukturen immer steifer: 

Die Massen sinken wie L 3 , die Biegemomente aber nur wie L 2 . 

'Gewicht' 

Aufhängung 

Aufhängung 

Auslese 



Probleme 

� Die Technologie ist nicht ganz so einfach, da sich die Strukturen durch Spannungen durchbiegen können 


1. Widerstand mit 

Piezoeigenschaften 

('Dehnungsmeßstreifen') 

2. Kapazität 


Messung der Ablenkung 

Beispiel: 

Drucksensor 

Poly-Si Meßstreifen 

Membran aus Nitride 


� Kraft wird elektrostatisch erzeugt: 'Comb-Drive': 


Bewegliches Teil 

Bewegung 

� Mit diesem Prinzip sind nur kleine Auslenkungen möglich 

U = 0: keine Kraft 

U < 0: Kraft nach links 

U > 0: Kraft nach rechts 

� Die elektrostatische Kraft kann benutzt werden, um bei der Messung von Auslenkungen gegenzuregeln, 

so daß die Kapazität konstant bleibt. Dadurch ist ein größerer Meßbereich möglich. 


Messung und 

Gegenregelung x 

(Combdrive) 


Beispiel: xy-Beschleunigungssensor 

Aufhängungspunkt 

freitragende Masse 

Anschlag ? 

Federn 

Löcher zum Ätzen 

ADXL202(E) der Firma Analog Devices 

Messung und 

Gegenregelung x 

(Combdrive) 


� Verschiedene Möglichkeiten, z.B. 


Verkippungen 



Mikrospiegel mit 2 Freiheitsgraden 

http://buffy.eecs.berkeley.edu/ResearchSummary/03abstracts/chapter4.html 



Größere Wege 

� Ein bewegliches Element wird stückweise weiterbewegt. 

� Eine Kupplung verbindet das Element jeweils mit einem Vorschubelement: 

Rückstellfeder 

Vorschub 

Kupplung 

BIDIRECTIONAL INCHWORM MOTORS AND TWO- DOF ROBOT LEG OPERATION 

Presented by Dr. Seth Hollar with Sarah Bergbreiter, Professor Kris Pister 

University of California, Berkeley - BSAC 



Beispiel: 'Walking Robot' 


� Erste Gehversuche: Siehe Videos 


'Walking Robot' 



Details der Beine 



Wozu MEMS ? 

� Viele Anwendungen in unterschiedlichen Bereichen: 

einige existieren bereits, andere sind in der Entwicklung, weitere werden folgen 

� Niedrige Kosten durch parallele Massenfabrikation und Integration aller (oder vieler) Systemkomponenten 

� Miniaturisierung 

� Bei Sensoren ist Auswerteelektronik direkt am Sensor, so daß S/N optimal ist 

� Beschleunigungs-, Drehraten-, Vibrationssensoren 

� Magnetsensoren, Temperatursensoren, chemische Sensoren 

� Mikromotoren, Mikroroboter 

� Mikroventile, Pumpen, ... ('lab on a chip') 

� Druckköpfe 

� Mikrospiegel (Beamer, optische Crossbars,...) 

� Mini-Mikrophone 



Wer kann MEMS herstellen ? 

� Die meisten großen Firmen arbeiten massiv an der Entwicklung von Technologien 

� Immer mehr Produkte kommen auf den Markt. 

� In Europa gibt es von Europractice eine MEMS-Initiative: 

Wie bei den Chips können Universitäten und kleine Unternehmen Software für den Entwurf erhalten und 

die MEMS auf MPW (Multi Project Wafer) Runs fabrizieren lassen.

MEMS: Mikro Elektro Mechanische Systeme

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