MEMS – Herstellung, Bauformen, Realisierungen

MEMS – Mikroelektromechanische Systeme 

MEMS – 

Herstellung, Bauformen, 

Realisierungen 

Ralf Drescher - 24.06.2003 - Seminar MEMS 1 / 41


Welche Themen werden behandelt? 

1. Einleitung - Was sind MEMS? 

2. Basistechnologien der Mikrosystemtechnik 

2.1 Lithographiebasierte Verfahren 

2.2 Miniaturisierung herkömmlicher Fertigungsverfahren 

2.3 Hilfsverfahren 

3. MEMS - Grundstrukturen und deren Funktionsweise 

3.1 Wichtige Theoretische Erkenntnisse 

3.2 Membrane 

3.3 Feder-Masse-Systeme 

3.4 Combdrives 

4. Fallbeispiele 

4.1 Beschleunigungssensor 

4.2 Drucksensor 

5. Ausblick: Lab-on-a-Chip 



1. Was sind MEMS? 

Mikro 

Elektro 

Mechanische 

Wie der Name schon nahelegt, handelt es sich bei 

MEMS um miniaturisierte Systeme mit sowohl 

elektrischen/elektronischen als auch mechanischen 

Komponenten 

Systeme 

Bubble Jet Druckkopfdüse 

Heizelement 

Ø 40µm 

Tintenreservoir 



2. Basistechnologien der Mikrosystemtechnik 

2.1 Lithographiebasierte Verfahren 

2.1.1 Fotolithographie 

2.1.2 LIGA – Lithographie, Galvanik, Abformung 

2.1.3 Elektronenstrahlstrukturierung 

2.2 Miniaturisierung herkömmlicher Fertigungsverfahren 

2.3 Hilfsverfahren 

2.3.1 Thin Film Deposition and Doping 

2.3.2 Wet Chemical Etching 

2.3.3 Dry Plasma Etching 

2.3.4 Surface Micromachining – Sacrificial Layers 



2.1.1 Fotolithographie 

Vorteile: 

• Weitverbreitete Technologie 

• Kostengünstig bei Massenfertigung 

• Mechanik & Elektronik in einem IC 

• Strukturbreiten bis in den nm-Bereich 

Nachteile: 

• Nur „flächige“ Strukturen möglich 

• Materialien sind von der verwendeten 

Technologie abhängig 



2.1.2 LIGA – Lithographie, Galvanik, Abformung 

Bei diesem im Forschungszentrum Karlsruhe entwickelten 

Verfahren wird eine relativ dicke Schicht röntgenempfindlichen 

Kunststoffs (meist PMMA = Plexiglas) auf 

einem Metallträger mit Hilfe von Röntgentiefenlithographie 

(1:1 Maske!) belichtet. 

Die nach dem Ätzen entstandene Form 

Durch den metallischen Träger besteht nun die Möglichkeit 

an diesen galvanisch Metall anzulagern. 



2.1.2 LIGA – Lithographie, Galvanik, Abformung (Fortsetzung) 

Setzt man den Galvanisierungsvorgang fort, bis sich eine 

Dicke Metallschicht auf der Oberfläche gebildet hat... 

...erhält man entweder das gewünschte Bauteil aus Metall... 

...oder eine Metallform, die zum Spritzgiessen oder 

Heissprägen von Kunststoffen dienen kann. 



2.1.2 LIGA – Lithographie, Galvanik, Abformung (Fortsetzung) 

Vorteile: 

• Sehr hohes Aspektverhältnis - je nach Struktur bis zu 50 – 500! und eine 

Oberflächenqualität im Submikrometerbereich 

• Strukturhöhen bis zu 3mm 

• Grosse Materialpalette: Kunststoffe, Metalle, Keramiken 

Nachteile: 

• Zwingend: Direktbelichtung mit 1:1 Maske 

• Herstellung von 1:1 Masken ist sehr teuer 

• Erst ab sehr grossen Stückzahlen wirtschaftlich 



2.1.3 Elektronenstrahlstrukturierung 

Ein Elektronenstrahlschreiber steuert einen 

(geformten) Elektronenstrahl rasterförmig über 

einen elektronenempfindlichen Resist. 

Leider ist dieses serielle Schreiben sehr 

zeitaufwendig und eignet sich deshalb nicht 

für die Massenproduktion. 

Unverzichtbar ist diese Verfahren allerdings für 

die Herstellung hochauslösender Masken (z.B. 

für die Röntgentiefenlithografie aus 2.1.2) oder 

die Produktion von Prototypen. 

Die Auflösungsgrenze liegt bei etwa 10-20nm. 



2.2 Miniaturisirung herkömmlicher Fertigungsverfahren 

Fräswerkzeug mit einer 

Schnittbreite von 50 µm 

Durch Einsatz von CNC-Hochpräzisionsmaschinen 

ist es möglich viele der üblichen 

Formgebungsverfahren wie 

• Schneiden 

• Bohren 

• Drehen 

• Fräsen 

• Sandstrahlen 

• Laserabtragung 

• Funkenerosion 

auch im mikrotechnologischen Bereich mit 

einer Genauigkeit von bis zu 1µm einzusetzen 



2.2 Miniaturisirung herkömmlicher Fertigungsverfahren (Fortsetzung) 

Vorteile: 

• Vollkommen 3-dimensionale Strukturen möglich 

• „kostengünstige“ Fertigung von Prototypen 

• Grosse Materialpalette 

Nachteile: 

• Feinste Stukturen nur etwa 10-100µm (1 bis 2 

Grössenordnungen grösser als bei 

lithographischen Verfahren) 

• Jedes Werkstück muss einzeln gefertigt werden 

• Kosten bei Massenfertigung sinken nicht so 

stark wie bei lithographischen Verfahren 

• Aspektverhältnis je nach Material nur 1-10 

Laserstrukturiertes 

menschliches Haar 

Ø 60µm 



2.3.1 Thin Film Deposition and Doping 

Ziel dieser Verfahren: 

An- bzw Einlagerung von Fremdstoffen an/in Siliziumstrukturen zwecks Herstellung von 

• Leitern 

• Widerständen 

• Opferschichten 

• Maskierungsschichten 

Folgende Verfahren werden anschliessend kurz vorgestellt: 

• Silicon Dioxide („oxide“) 

• CVD – Chemical Vapour Deposition 

• Evaporation (Bedampfung) 

• Sputter Deposition 

• Doping (Dotierung) 



2.3.1 Thin Film Deposition and Doping (Fortsetzung) 

• Silicon Dioxide („oxide“) 

• Oxidation von Silizium in einer O 2 - oder einer H 2 O -Atmosphere 

(800°C – 1200°C). 

• Verwendung als Masken- und als Opferschicht (Sacrificial Layer). 

• Problem: Volumenzuwachs der Struktur. Eine Oxidschicht 

der Dicke d verbraucht eine Siliziumschicht der Dicke 0,44d. 

=> Oberfächenspannungen. Einsatz nur bei spannungsunempfindlichen 

Strukturen. 

• Besondere Verfahren: 

LOCOS („LOCal Oxidation of Silicon“): Oxidation begrenzt auf 

Fläche, die nicht von einer Maskenschicht (z.B. „Silicon nitride“) 

abgedeckt ist. 

SIMOX („Separation by IMplantation of OXigen“): Einbringen von 

Sauerstoff in tiefere Schichten des Wafers mit Hilfe von 

Ionenimplantation. 




• CVD – Chemical Vapour Deposition 

• Gasförmige Ausgangsverbindungen 

(„Precursor“) werden an heissen Wafern 

vorbeigeleitet. 

• Chemische Struktur bricht auf; 

nichtflüchtige Anteile des Precursors lagern 

sich ab, flüchtige werden abgesaugt. 

• Unterstützende Massnahmen: 

Zuführung von zusätzlicher Energie durch 

Plasma oder Laser, Senkung des 

Umgebungsdrucks 

• Wird verwendet zum Auftragen von: 

- Polysilizium 

- Siliziumnitrid („nitride“) 

- PSG („phosphor silicate glass“ => 

Opferschicht) 




• Evaporation (Bedampfung) 

• Aufzudampfendes Material wird durch 

Erhitzen in den gasförmigen Zustand 

überführt und kondensiert dann auf dem 

kalten Wafer. 

• Max. Temperatur: etwa 1200°C 

(=> Materialauswahl) 

• Materiale hauptsächlich Elemente, da die 

Zusammensetzung beim Aufdampfen von 

Stoffgemischen schwer zu steuern ist. 

• Mögliche Heizquellen sind z.B. 

Elektronenstrahl oder ein Wolframfaden. 

Elektronenstrahlverdampfer 




• Sputter Deposition 

Plasmafeld zwischen zwei geladenen Platten 

generiert Ar + -Ionen. Diese treffen mit hoher 

kinetischer Energie auf das negativ geladene 

Target (Kathode) und schlagen Atome aus dem 

Atomgitter, die sich auf dem Wafer (Anode) 

ablagern. 

• Doping (Dotierung) 

Einbringen von Fremdatomen (z.B. Phosphor, Bor) 

in das Siliziumgitter zwecks Veränderung der 

elektrischen aber auch mechanischen und 

chemischen Eigenschaften. 

2 Hauptverfahren: Ionenimplantation und Diffusion 



2.3.2 Wet Chemical Etching 

Einführung ins Ätzen von Mikrostrukturen: 

Bei allen Ätzverfahren, die bei der Fertigung von ICs und MEMS verwendet werden 

unterscheidet man zwei grosse Hauptgruppen: 

isotrope und anisotrope 

Während isotrope Ätzverfahren gleichmässig in alle Richtungen ätzen, wodurch es zu 

Unterätzungen kommen kann (siehe Abb.), tragen anisotrope Ätzverfahren das zu 

ätzende Material z.B. senkrecht zur Waferoberfläche oder entlang von Atomebenen ab. 



2.3.2 Wet Chemical Etching (Fortsetzung) 

• Ältestes Verfahren in der Mikrosystemtechnik 

• Verwendete Ätzbäder sind z.B. HF- und HNO 3 - 

Lösungen (sehr korrisiv!!!) 

• Setzt Existenz von Materialien voraus, die gut mit 

der Siliziumfertigung harmonieren, aber von der 

Ätzlösung nicht angegriffen werden. Für o.g. Lösung 

dient z.B. Siliziumnitrid als Maskenmaterial 

• Bei Strukturen im Submikrometer-Bereich spielt 

dieses Verfahren keine sehr grosse Rolle mehr, da 

sich mit anisotropischen Trockenätzverfahren eine 

deutlich höhere Genauigkeit erreichen lässt. 

• Oberhalb des µm-Bereichs weiterhin sehr wichtig, 

da einfacher, billiger, sauberer (=> selektives 

Entfernen von Resist). 



2.3.2 Wet Chemical Etching (Fortsetzung) 

• Wichtiger Faktor beim Nassätzen: der Ätzstopp 

Da sich das Ätzverhalten zwischen dotiertem und undotiertem Silizium 

unterscheidet, kann man diese Eigenschaft nutzen, um einen Ätzvorgang bzgl. der 

Ätztiefe zu begrenzen. Dies geschieht mit Hilfe von dotierten Siliziumlagen, die z.B. 

per Ionenimplantation in der gewünschten Tiefe erzeugt wurden. 

Ebenfalls als Ätzstopp verwendet werden vergrabene SiO 2 -Schichten (=> SIMOX). 

Resist 

Silizium 

Dot. Silizium 

Silizium (Substrat) 



2.3.3 Dry Plasma Etching 

• Anisotropische Ätzverfahren – Ätzrichtung ist 

durch den Ionenfluss vorgegeben 

• Wichtigstes Verfahren zur Erstellung von hohen 

Strukturen mit geraden Wänden 

• Das Grundprinzip haben alle Plasmaätzverfahren 

gemeinsam: Im Plasma generierte Ionen werden 

von umgekehrt geladenem Substrat angezogen 

und gehen mit dem zu ätzenden Material eine 

flüchtige Verbindung ein, die abgesaugt wird. 

• Ionen werden immer senkrecht zum Wafer 

beschleunigt => sie treffen – in erster Näherung – 

nie die Wände. 

• Unterschiede zwischen den Verfahren liegen z.B. 

in der Wahl der Ionenquelle, den chemischen 

Zusätzen und dem Arbeitsdruck. 



2.3.3 Dry Plasma Etching (Fortsetzung) 

Beispiel: RIE – Reactiv Ion Etching 

Plasma besteht 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 SiO x F y – Schicht vom Boden und 

bilden das flüchtige CO x F y 

Das Verhältnis aus diesen 3 Reaktionen bildet nun 

die Grundlage für eine Reihe von Variationsmöglichkeiten, 

die sich hauptsächlich in der Qualität 

der Wände auswirken. 



2.3.3 Dry Plasma Etching (Fortsetzung) 

Wie bekomme ich nun aber schöne gerade Wände? 

Lösung: Black Silicon Method 

Mikrograss 

zu viel 

O 2 

zu wenig 

Farbe/Oberfläche 

grau 

glatt 

schwarz 



2.3.4 Surface Micromachining – Sacrificial Layers (Opferschicht) 

Wie fertige ich Gebilde, die auf grossen Flächen 

vom Substrat getrennt sind und nur von wenigen 

Aufhängungspunkten gehalten werden? 

Dies erreicht man mit so genannten 

Opferschichten 

Das Verfahren ist einfach: 

• Auftragen der Opferschicht 

• Formen der Opferschicht 

• Auftragen der Baustrukturschicht 

• Formen der Baustrukturschicht 

• selektives Wegätzen der Opferschicht 



2.3.4 Surface Micromachining – Sacrificial Layers (Fortsetzung) 

Im Zusammenhang mit den Opferschichten gibt es 

eine Interessante Anwendung von CVD: 

Geschlossene Hohlräume 

Wie wir gerade eben gelernt haben, erzeugt man 

Hohlräume mit Opferschichten. Möchte man aber 

eine geschlossene Struktur um die Opferschicht 

haben, hat man das Problem, dass man die 

Opferschicht nicht mehr wegätzen kann... 

Lösung: 

1. feine Löcher lassen, durch die die Ätzflüssigkeit 

eindringen kann. 

2. Verschliessen der Löcher nach dem Ätzen mit 

CVD 



3. MEMS - Grundstrukturen und deren Funktionsweise 

3.1 Wichtige theoretische Erkenntnisse 

3.2 Membrane 





3.1 Wichtige theoretische Erkenntnisse 

Bei der Miniaturisierung von mechanischen und elektrischen 

Konstruktionen gilt zu beachten, dass sich die meisten physikalischen 

Eigenschaften nicht linear mit der Grösse ändern! 

Flächen ~ l 2 

Volumen (und damit z.B. auch die Masse) ~ l 3 . 

Eine für MEMS sehr wichtige 

Grösse ist z.B. das Durchbiegen 

eines Stabs unter seinem eigenen 

Gewicht ζ. ζ ~ l 2 , was zur Folge hat, 

dass eine Struktur die 10 mal kleiner 

ist sich 100 mal weniger durchbiegt. 

Sie ist also deutlich steifer als die 

grössere Struktur. 



3.1 Wichtige theoretische Erkenntnisse (Fortsetzung) 

Mit dieser Erkenntnis können wir nun auch erklären, warum bei dieser 

Struktur unten die quadratische Masse allein von 2 kleinen Auslegern 

gehalten werden kann, ohne auf dem Boden aufzuliegen... 



3.2 Membrane 

Erster Ansatz zum Messen an einer 

Membran: 

Piezowiderstand 

Membran 

Kapazitive Messung: 

Membran 

Verbesserung: gleiche Membranlast, 

doppelte Widerstandsänderung: 


Membran 

Kondensatorplatten 

Hauptanwendungesgebiet für 

Membrane sind Kraft- und 

Drucksensoren (passiv) aber 

auch Mikropumpen (aktiv). 



3.2 Membrane (Fortsetzung) 

Fertigungsschritte: 

Erweiterung des Messbereichs 

durch Kraftkompensation: 

F 0 

F E 

+ 

- 

Membran mit 

Verschiebungsdetektor 

Verstärker 

v out 

Rückstelleinrichtung 

für Membran 

Die Rückstelleinrichtung 

verhindert, dass die Membran mit 

dem Trägermaterial in Berührung 

kommt, was das Ende des 

Messbereichs bedeutet. 




Prinzip: 

F=k*x F=m*a => a=k*x/m 

m 

x 

Bauformen: 


m 

Wir sehen: Unter optimalen 

Bedingungen ist die Beschleunigung, 

die die Masse m erfährt proportional 

zur Verschiebung x. 

Hauptanwendungsgebiet sind 

Beschleunigungssensoren. 

m 

C 




Prinzip: 

a) & b) c) & d) 

a) Kapazitiver Verschiebungssensor in x-Richtun 

x,F 

y 

z 

x 

C 1 

C 2 

F => C 1 > C 2 

Combdrives können verschiedene 

Funktionen erfüllen: 

• Kapazitiver Verschiebungssensor in 

x-Richtung 

• Verschiebungsaktuator in x-Richtung 

• Rotationsaktuator um x-Achse 

• Hebeaktuator in z-Richtung 

b) Verschiebungsaktuator in x-Richtung 

U 1 

U 2 

U 1 

U 2 

x,F 

U 1 > U 2 => F 



3.4 Combdrives (Fortsetzung) 

c) Rotationsaktuator um x-Achse 

F 

U 

U => F 

d) Hebeaktuator in z-Richtung 

F 

U 

U => F 



4. Fallbeispiele (Realisierungen) 

Eine grosse Packung 

Gummibärchen für denjenigen 

der mir folgende 3 Fragen 

(richtig) beantworten kann*: 

1. Welche Grundstrukturen 

werden hier verwendet? 

2. Was für eine Art von 

Sensor ist diese Struktur? 

3. Wozu sind die ganzen 

Löcher gut? 

* Sorry, Professoren und andere 

Titelträger sind leider 

ausgeschlossen ;-) 



4.1 Beschleunigungssensor (Lösung) 

Bei vorangegangener Struktur handelt es sich um den 2-Achsen- 

Beschleunigunssensor ADXL202(E) der Firma Analog Devices. 

Ein paar technische Daten: 

• Messbereich: ±2g 

• Auflösung: 5mg 

• Betriebsspannung: 3V – 5,25V 

• Stromaufnahme:


4.1 Beschleunigungssensor (Fortsetzung) 

Wichtigere Anwendungsgebiete: 

• KFZ-Sicherheitstechnik: 

- Airbagsteuergeräte (Crashdetektion) 

- ESP-Steuergeräte 

• Motiontracking-Systeme für VR-Anwendungen 

BlueTrak der Uni Bonn 

• Systemüberwachung von Maschinen 

(Messung von Vibrationen) 



4.2 Drucksensor 

Poly-Si 

Dehnungsstreifen 

Nitride 

Membran 

Anschluss 

(Metall) 

Vakuum/Referezdruck 

Poly-Si 

Dehnungsstreifen 

Nitride 

Membran 



4.2 Drucksensor (Fortsetzung) 

Anwendungsgebiete: 

• Chemische Industrie - Prozessüberwachung 

• Sensorik für Flugzeuge (Höhenmesser, Barometer) 

• Medizintechnik - von Einwegblutdrucksensoren bis 

zu Blutdrucküberwachungssensoren in Herzkatheterspitzen 

(Bild) 



5. Ausblick – Lab-on-a-chip 

• Gegenstand vieler Forschungsarbeiten 

• Abfolgen von chemischen und biologischen Prozessen werden in einem Chip realisiert 

• Spart Energie, Hilfschemikalien, Laborfläche und Arbeitskräfte 

• Geräte werden transportabel (z.B.: Analyse von DNA noch am Ort eines Verbrechens) 

• Verfahren lassen sich einfach parallelisieren 



5. Ausblick – Lab-on-a-chip (Fortsetzung) 

Heizelement 

Membran 

Mikropumpe zum Transport von Flüssigkeiten im Chip 

Mit LIGA-Technologie hergestellte 

Miniturbine zum Messen von Gasdurchfluss 



Ende 



Literaturverzeichnis 

• „Mechanical Microsensors“ - Elwenspoek, Wiegerink 

• „Einführung in die Mikrosystemtechnik“ – Völklein, Zetterer 

• VLSI-Skript WS02/03 TI Uni Mannheim – Prof. Fischer 

• http://www.analog.com 

• http://hikwww1.fzk.de/pmt/arbeitsthemen/d_index_fertigung.html 

• http://www.oxfordlasers.com 

• http://www.ece.gatech.edu/research/labs/vc/theory/oxide.html 

• http://www.sandia.gov/1100/CVDwww/cvdinfo.htm 

• http://grover.mirc.gatech.edu/ 

• http://www.leb.e-technik.uni-erlangen.de/lehre/mm/html/deposition_sputter.htmRti 

• http://www.memsguide.com/MEMSequipments-Etchingprocess_dry_RIE_def.htm 

• Comparison of Bosch and cryogenic processes for patterning high aspect ratio features in silicon by 

Martin J. Walker - Oxford Instruments Plasma Technology 

• http://mitghmr.spd.louisville.edu/course98/pressuregen.html 

• Micromachined Mirrors by Robert Alan Conant, Berkeley 1993,2000 

• http://www.joy-stick.net/reviews/gamepads/freestyl.htm 

• http://www.novasensor.com/ 

• http://www.devicelink.com/mem/archive/96/01/003.html

MEMS – Herstellung, Bauformen, Realisierungen

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