MEMS-Fertigungstechnologie: Produktionsanlagen für die MEMS-Technologie und die Sensorherstellung
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Anlagen für die MEMS-Technologie

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Produktionsanlagen für die MEMS-Technologie

MEMS steht für Micro Electro Mechanical Systems oder elektromechanische Mikrosysteme. Das können einerseits Bauteile sein wie z.B. Mikropumpen oder Mikromotoren, aber auch Mikrosensoren oder Messsysteme. Das Spezielle an dieser Technologie ist, dass die mechanischen Komponenten genau wie die elektronischen Schaltkreise aus dem gleichen Material gefertigt werden, meist Silicium und im gleichen Substrat.
Siliciumwafer dienen schon lange Zeit als Material für die Herstellung von integrierten Schaltkreisen. Nun ist es möglich geworden mechanische und frei bewegliche Bauteile sowie Membranen, Messzungen oder andere Strukturen in das Silicum zu integrieren, auf dem gleichzeitig elektrische Schaltungen aufgebaut werden. Dies gelang hauptsächlich durch Verbesserung von Ätzverfahren zur Strukturierung von Siliciumscheiben und Bond-Techniken zur Verbindung von zwei Siliciumscheiben. Der Vorteil liegt auf der Hand: Es können sehr kleine mechanische Bauteile hergestellt werden, die bereits Ansteuerung oder Messauswertung im Bauteil integriert haben.
Grundsätzlich werden für die Herstellung solcher MEMS-Bauteile die gleichen Maschinen und Anlagen verwendet wie in der Halbleiterfertigung. Normalerweise sind jedoch die Anforderungen bzgl. der nötigen Strukturgrößen deutlich geringer als in der Halbleiterproduktion. Zudem werden solche Bauteile oft in Kleinserien produziert, was den Einsatz von kleinen, kostengünstigen Anlagen mit niedrigem Durchsatz erfordert. Oft sind sogar Anlagen mit manueller Beladung gewünscht. Herstellungsanlagen können daher kostengünstiger ausgelegt werden, was die nötigen Investitionen für eine MEMS-Fabrik senkt und es somit auch kleineren Firmen ermöglicht in diese Technologie einzusteigen. Dieser Umstand hat in den letzten Jahren zu einem starken Anwachsen von Firmen geführt die Bauteile oder Sensoren in MEMS-Technologie fertigen.
Die Hersteller von Halbleiter-Produktionsanlagen haben sich ebenfalls auf diese Entwicklung eingestellt und bieten Anlagen an, die auf die MEMS-Fertigung zugeschnitten sind. Hier werden nun einige Beispiele für Anlagen genannt, die für die Fertigung von MEMS-Bauteilen eingesetzt werden können.

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Lithographie

Für die Strukturierung von Schichten sind wie in der normalen Halbleiterfertigung auch Anlagen zur Aufbringung von fotoempfindlichem Lack, zur Aushärtung des Lacks, der Belichtung des Fotolacks sowie der Entwicklung des Fotolacks nötig. Anschließend folgt der entsprechende Prozessschritt, meist Materialabtrag / Ätzen oder Materialabscheidung. Nach diesem Prozessschritt muss der Fotolack wieder entfernt werden. Diese Prozesse entsprechen denen in der normalen Halbleiterfertigung, nur mit dem Unterschied, dass die maximale Auflösung in der Regel geringer ist.
Die Aufbringung, Entwicklung und Entfernung des Fotolacks kann auf Spin-Anlagen erfolgen. Dabei wird auf einen rotierenden Wafer Fotolack, Entwickler oder auch Lösungsmittel zur Entfernung des Fotolacks aufgebracht. Durch die Rotation des Wafers verteilt sich das Material gleichmäßig über den Wafer. Überschüssiges Material wird abgeschleudert. Solche Spin-Anlagen werden beispielweise von der Fa. Zeus hergestellt. Kleinere Versionen mit manueller Beladung sind ebenso verfügbar wie vollautomatische Systeme.

Belacker, Entwickler, Stripper

Das Kernstück jeder Lithographie ist immer die Belichtungsanlage. Hier müssen die Strukturen in genügend hoher Auflösung in den Fotolack übertragen werden. In der Halbleiterfertigung werden dafür oft hochauflösende Stepper eingesetzt, die allerdings recht teuer sind. Für die MEMS-Fertigung werden selten Auflösungen unter 1µm benötigt; die Kosten für die Belichtungsanlagen stehen im Vordergrund. Daher werden für die MEMS-Fertigung meist sogenannte Mask-Aligner eingesetzt. Eine Maske wird zwischen Belichtungsoptik und Wafer plaziert. Die Maske kann entweder im Kontaktverfahren direkt auf den Wafer gepresst werden, oder in geringem Abstand über dem Wafer positioniert werden (proximity mode). Mask Alignern zeichnen sich durch ein besonders gutes Preis-Leistungs-Verhältnis aus. Es gibt sehr günstige Anlagen für das Kontaktverfahren. Manuelle und automatische Beladung sind möglich.

Mask Aligner

Für die Entfernung von Fotolack (strippen) nach dem Prozessschritt werden neben nasschemischen Verfahren oft auch sogenannte Verascher eingesetzt, das sind Plasmaätzanlagen, die mit einem Sauerstoffplasma den Fotolack effektiv entfernen können. Die Fa. SNTEK stellt solche Verascher in manueller oder vollautomatischer Version kostengünstig her.

Fotolack-Verascher RIE Plasmaverascher
Plasmaverascher zur Entfernung von Fotolack

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Materialabtrag durch Plasmaätzanlagen und Nassätzanlagen

Die Strukturierung von MEMS-Bauteilen im Silicium erfolgt im Wesentlichen durch Ätzschritte, vor allem durch Plasmaätzen oder Trockenätzen. Dabei wird bei niedrigem Druck in der Reaktionskammer ein Plasma erzeugt, das sehr reaktive Chlor- oder Fluorradikale enthält. Diese werden in Richtung des Siliciumwafers beschleunigt, wo sie mit dem Silicium reagieren und flüchtige Verbindungen erzeugt werden. Es findet ein Materialabtrag statt. Für die Herstellung mechanischer Strukturen in MEMS-Bauteilen ist unter anderem die Fähigkeit zum Ätzen tiefer Strukturen wichtig. Die Firma SNTEK stellt solche Plasmaätzanlagen her, mit der auch tiefe Gräben bis geätzt werden können. Es stehen Anlagen mit manueller sowie mit automatischer Beladung von Kassette zu Kassette zur Verfügung.

MEMS Plasmaätzanlage manueller Plasmaätzer MEMS Plasma-Ätzer Automatisches Plasmaätzsystem für MEMS-Anwendungen
SNTEK Plasmaätzer, geeignet für die MEMS-Herstellung

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Schichtabscheidung durch PECVD oder LPCVD

Zum Aufbau elektromechanischer Mikrosysteme ist oft auch die Abscheidung von leitenden oder dielektrischen Schichten nötig. Meist wird poly-Silicium, Siliciumoxid oder Siliciumnitrid abgeschieden. Dabei ist es wichtig, die Spannung in den Schichten zu kontrollieren, die dadurch entsteht, dass die abgeschiedene Schicht andere Gitterabstände als die zugrunde liegene Substratschicht aufweist.
Die Abscheidung selbst kann durch Plasma-gestützte chemische Abscheidung aus der Gasphase erfolgen, das sogenannte PECVD-Verfahren. Durch die Erzeugung reaktiver Moleküle im Plasma kann die Abscheidetemperatur relativ niedrig gehalten werden. Die entsprechenden Anlagen sehen den Anlagen für die Plasmaätzung sehr ähnlich.
Alternativ kann das LPCVD-Verfahren eingesetzt werden, bei dem die Reaktion thermisch und bei leichtem Unterdruck erfolgt. Diese hierfür eingesetzten Anlagen heissen LPCVD-Öfen. Die im Vergleich zur Plamsaabscheidung höheren Temperaturen belasten die Bauteile stärker, führen aber auch zu einer gleichmäßigeren Schichtabscheidung. Hersteller von solchen LPCVD-Anlagen ist die Fa. Koyo Thermo Systems. Es stehen kleine Öfen für 25 Wafer und manueller Beladung zu Verfügung aber auch Anlagen mit mittelgroßer Kapazität und automatischer Beladung.

LPCVD-Ofen

Für die Erzeugung von Oxidschichten kann auch ein normaler Oxidationsofen eingesetzt werden. In diesem Fall wird das Siliciumoxid nicht abgeschieden, sondern durch Oxidation des Siliciumsubstratmaterials erzeugt.

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CMP und Bonden

Zur Erzeugung von inneren Strukturen ist es oft hilfreich, wenn nach der Bearbeitung zwei oder mehrere Wafer zusammengefügt werden können. Dieser Prozess wird Bonden genannt. Wenn die Oberfläche der zu verbindenden Wafer sehr eben ist, dann bilden sich zwischen den Oberflächenatomen beider Wafer sofort Bindungen aus, umso mehr, je glatter die Oberfläche ist. Durch Tempern in einem Ofen läßt sich die Verbindung der Wafer weiter verbessern.
Voraussetzung ist dafür eben diese sehr glatte Oberfläche. Diese kann durch einen chemisch-mechanischen Polierschritt erzeugt werden, die sogenannte CMP-Technologie. Die Fa. Alpsitec stellt solche CMP-Anlagen in verschiedenen Ausführungen her, für manuelle Beladung oder automatische Beladung aus der Kassette. Mehrere Polierkammern können zu einer größeren Produktionsanlage zusammengeschaltet werden.

CMP-Anlage

Neben der Ebenheit der Oberfläche ist natürlich auch deren Sauberkeit entscheidend, sowohl für das Bonden wie auch für die Vorbereitung der Abscheidung von Schichten. Hierfür können wiederum Nassreinigungsanlagen der Fa. Zeus eingesetzt werden.

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