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«Vom Fachbereich für Physik und Elektrotechnik der Universität Bremen zur Erlangung des akademischen Grades Doktor-Ingenieur (Dr.-Ing.) genehmigte ...»

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Integration von galvanisch realisierten Sensorstrukturen

auf mikroelektronischen CMOS-Schaltungen

Vom Fachbereich für Physik und Elektrotechnik

der Universität Bremen

zur Erlangung des akademischen Grades

Doktor-Ingenieur (Dr.-Ing.)

genehmigte Dissertation

von

Dipl.-Ing.

Michael Christian Wycisk

Referent: Prof. Dr. rer. nat. Josef Binder

Korreferent: Prof. Dr. phil. nat. Dieter Silber

Eingereicht am: 19. Dezember 2000 Tag des Promotionskolloqiums: 28. Februar 2001 Vorwort Diese Dissertation entstand im Rahmen eines Verbundprojektes am Institut für Mikrosensoren, -Aktuatoren und -Systeme (IMSAS) der Universität Bremen. Da eine solche Arbeit niemals ohne die Unterstützung und Hilfe einer Vielzahl von Personen entsteht, möchte ich mich bei all denen bedanken, die zu dieser Arbeit beigetragen haben.

Herzlichst bedanken möchte ich mich bei meinen langjährigen Wegbestreitern Herrn Sven Michaelis und Herrn Tore Tönnesen für die fruchtbare Teamarbeit.

Herrn Prof. Dr. J. Binder danke ich für die Betreuung dieser Arbeit, für die vielen konstruktiven Vorschläge und die Unterstützung während der Zeit am IMSAS.

Herrn Prof. Dr. D. Silber danke ich für das Interesse an dieser Arbeit und für die Bereitschaft zur Übernahme des Korreferats.

Herrn Dr. O. Kayser danke ich für die vielen fachlichen Diskussionen und den aufbauenden Worten in manch schwieriger Situation.

Mein Dank gilt dem gesamten VESIMA-Team. Ich danke Cord, Nikas, Fatih, Oliver, Eduard, Christian, Michael, Petra, Jörg, Frank, Udo, Lars, Matthias, Marco und Andreas für die engagierte Arbeit und die Geduld mit einem teilweise ungeduldigen Projektleiter.

Ebenfalls möchte ich mich bei der IMSAS-Crew für die Unterstützung bedanken. Besonders möchte ich mich bei Herrn Shafi, Frau Michels, Herrn Bödecker und Herrn Ersöz bedanken, die entscheidend an der technologischen Umsetzung der erarbeiteten Konzepte mitgewirkt haben. Des weiteren wäre das Gelingen der Dissertation nicht ohne die infrastrukturelle Hilfe von Frau Krüger, Frau Meijvogel und Herrn Bischoff möglich gewesen.

Schließlich danke ich meinen WiMi-Kollegen, bei denen neben der wissenschaftlichen auch die sportlichen Herausforderungen im Vordergrund standen. Ich danke Andreas, Oliver, Heiko, Ralf, Holger und Olaf für die unzähligen Squashsätze und Andreas nochmals für die vielen nicht ganz freiwillig spendierten Cola in der Mensa.

Ich möchte mich bei meinen Eltern bedanken, die mir mein Studium und damit auch diese Promotion ermöglichten, bei meinen Geschwistern für die ständige Unterstützung und Hilfe wenn ich mal nicht weiter wußte.

Schließlich gilt mein besonderer Dank Antje, die mich in den letzten Jahren mehr als einmal wieder aufgebaut hat und viele Wochenenden ohne mich verbringen mußte.

Michael Christian Wycisk Bremen, Dezember 2000 :

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Inhaltsverzeichnis Kapitel 1: Einleitung

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Verzeichnis verwendeter Symbole

Verzeichnis verwendeter Abkürzungen

Verzeichnis betreuter Diplom-, Studien- und Projektarbeiten

Veröffentlichungen

Inhaltsverzeichnis Einleitung KAPITEL 1

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1.1 Galvanische Additivtechnik als innovative Integrationstechnologie Die hier vorgestellte Arbeit befaßt sich mit der Lösung einer technologischen Aufgabenstellung aus dem Bereich einer jungen Ingenieurwissenschaft, der Mikrosystemtechnik (MST).

Die Mikrosystemtechnik ist eine Technologie, die mehrere, bislang nicht direkt bzw. allenfalls über aufwendige Schnittstellen kombinierbare, Einzeltechniken integrativ auf einer zuvor nicht realisierbaren miniaturisierten Ebene zusammenführt. Ein Mikrosystem, bestehend aus einer Signalverarbeitung und den miniaturisierten sensorischen und aktorischen Komponenten, ermöglicht eine Vielzahl neuer Anwendungen, die mit rein mikroelektronischen Systemen nicht realisiert werden könnten.

Ziel ist es, neuartige Produkte zu entwickeln, diese industriell herzustellen und gewinnbringend zu vertreiben. Hierbei bedient sich die MST vorzugsweise der aus der Halbleitertechnologie hervorgegangenen Mikrotechniken. Das zur Verfügung stehende Material- und Technologiespektrum wird durch die MST erheblich zur Realisierung von elektrischen, mechanischen, optischen, chemischen und biologischen Funktionen erweitert [2]. Die MST ist demnach eine konsequente Weiterentwicklung der Mikroelektronik auf nicht-elektronische Gebiete. Die Vorteile, die sich durch die MST bei

der Gestaltung neuer Produkte ergeben, zeigen sich in [3]:

• extrem kleinen Konstruktionsvolumina und -gewichten, hoher Funktionsdichte

• geringem Verbrauch von Werkstoffen und geringer Energieumsetzung

• neuartiger Informationsakquisition, -aufbereitung und -verteilung (bionische Konzepte, neuronale Netze)

• kurzen Reaktionszeiten durch kurze Informationswege, kleine Massen und geringe thermische Trägheit

• hoher Meßqualität durch Einsatz von Sensorarrays, Datenverarbeitung vor Ort, Anwendung statistischer Verfahren

• hoher Zuverlässigkeit durch eingebaute Selbsttestroutinen, Redundanz von Subsystemen, fehlertolerante Übertragungsverfahren.





In allen wichtigen Industrieländern sind umfangreiche Aktivitäten zur Entwicklung und Nutzung der MST zu erkennen. Beim internationalen Vergleich zeichnen sich jedoch deutliche Unterschiede im Hinblick auf die Strategien zur Entwicklung und Anwendung der MST ab. Innerhalb der USA konzentriert sich die Forschung und Entwicklung auf Micro(opto)electromechanical Systems (MOEMS). In Japan wird durch ein enges und staatlich gefördertes Bündnis von Industrie, Wissenschaft und Politik derzeit hauptsächlich die Mikrorobotik und die Mikromaschinentechnik (micromachining) verfolgt. In Europa dagegen ist die gesamte Technologievielfalt der MST verankert. Der

Einleitung: Galvanische Additivtechnik als innovative Integrationstechnologie

treibende Motor für die dynamischen Aktivitäten sind die traditionell starken Branchen für die industrielle Anwendung der MST. In den USA sind es die datenverarbeitende Industrie und die Hersteller der entsprechenden Peripheriegeräte, in Japan die Hersteller von Konsum- und Unterhaltungselektronik und in Europa die Automobilindustrie bzw. die Hersteller von Telekomunikationsgeräten [4]. Im direkten Vergleich der Nationen sind die USA derzeit führend. Japan und Europa folgen gleichauf, wobei Deutschland innerhalb Europas das Feld anführt [5].

Eine vor kurzem im Auftrag der Europäischen Union erstellte Marktstudie prognostiziert im Zeitraum von 1996 bis 2002 eine Verdreifachung des Umsatzes der MST von rund 12 Mrd. US$ auf rund 34 Mrd. US$. Zu den wichtigsten Marktsegmenten mit signifikanten Umsätzen und Stückzahlen gehören derzeit Schreib-Lese-Köpfe für Festplatten und Druckköpfe für Tintenstrahldrucker. Weitere umsatzstarke Bereiche sind Herzschrittmacher, In-Vitro-Diagnostik, Hörapparate und schließlich Druck- und Inertialsensoren [6]. Wichtig ist hierbei zu erwähnen, daß die eigentliche ökonomische Marktwirkung der MST sich erst durch die Integration einzelner MST-Komponenten in komplexe Produktsysteme und Wertschöpfungsketten entfaltet. Man spricht hier von der sog. Hebelwirkung der MST (eng: leverage effect [1]). Diese Hebelwirkung tritt nur dann ein, wenn durch das MST-Produkt eine höhere Funktionalität, höhere Sicherheit und höhere Platzersparnis bei geringeren Herstellungskosten erreicht wird.

Aufgrund dieses Hintergrundes wurde mit der vorliegenden Arbeit, im Rahmen des Verbundprojektes "VESIMA- Vertikal Strukturiertes Intelligentes Mikroschalter Array", eine neue Integrationstechnologie für herkömmliche IC-Technologien und komplexe Sensorsysteme erarbeitet.

Durch diese Möglichkeit der Integration von Auswerteschaltung und Sensorstruktur wird durch die Realisierung einer Ein-Chip-Lösung ein neuer Grad der Miniaturisierung bei Sensorsystemen erreicht. Des weiteren wird durch die galvanische Additivtechnik die Möglichkeit für eine flexible und modulare Systemarchitektur gegeben, die die Fertigung für verschiedene Produktionsmengen mit vertretbaren Kosten gestattet. Hierdurch können neben den großen Halbleiterherstellern auch kleinund mittelständische Unternehmen Mikrosysteme und Komponenten der MST mit akzeptablen Investitionen fertigen [7].

Am Beispiel einer Anwendung der MST innerhalb der Automobilindustrie und einer sich gleichzeitig ergebenen Spin-Off-Anwendung für Transportüberwachungssysteme wird die vertikale Realisierung eines Inertial-Sensor-Arrays auf einem CMOS-Substrat gezeigt.

CMOS-Schaltung + = +

–  –  –

Durch diese Technologieentwicklung wird das zuvor beschriebene Marktpotential der MST am Beispiel der galvanische Additivtechnik, durch die Konzeption eines Massenproduktes (Automobilbereich) und einer Nischenanwendung (Transportüberwachung), aufgezeigt.

Bei der MST wird, ähnlich wie bei der Mikroelektronik, eine Reduzierung der Herstellungskosten und eine höhere Funktionsdichte durch eine höhere Integrationstiefe angestrebt. Treibende Faktoren hierfür sind

• kurze Signallaufzeiten für Hochfrequenzanordnungen

• eine Signalverstärkung kleinster Signalpegel

• eine integrierte Verbindung von Sensoren, Aktoren und der Auswerteelektronik

• ein Aufbau von intelligenten Sensor- und Aktorsystemen zu Arrays Ein sich daraus ableitender Trend der Integrationstechnik hängt im Wesentlichen von den anwendungsübergreifenden Eigenschaften der MST-Produkte ab. Diese ergeben sich aus der Adaptionsfähigkeit der Mikrosysteme, d.h. aus der Möglichkeit des Zusammenwirkens mit Makrosystemen [8].

Ebenso müssen Kompatibilitätsaspekte bei der Zusammenführung von verschiedenen Basisstechnologien berücksichtigt werden.

1.2 Zielsetzung und Gliederung dieser Arbeit

Das Ziel dieser Arbeit besteht in der Technologieentwicklung für die Realisierung eines Schwellwertschalters in galvanischer Additivtechnik mit dem Hintergrund einer industriellen Prototypenentwicklung für den Bereich der Automobilindustrie und den Bereich der Transportüberwachung.

Vorangegangene Arbeiten innerhalb des Verbundprojektes VESIMA [18-19] ermöglichten die Herstellung von diskreten nicht auf IC-Substraten integrierten Sensorstrukturen. Aufgrund hoher Ausbeuteverluste durch Stickingeffekte (Sticking während der Opferschichtätzung und Sticking im Kontaktbereich bei Betrieb) konnte aber bisher keine systematische Charakterisierung der Funktionsmuster durchgeführt werden.

Innerhalb der vorliegenden Arbeit wird die Entwicklung einer Schnittstelle zwischen den Prozessen der Schaltungstechnik (CMOS, BiCMOS etc.) und der Sensorherstellung (Galvanik) vorgestellt.

Durch diese Interfacetechnologie wird eine Kompatibilität der Herstellungsprozesse geschaffen, um die Systemkomponenten Sensor und Auswerteschaltung zu vereinen.

Der technologische Schwerpunkt der Arbeit liegt in einer Technologiemodifikation in Form von Einzelprozeßentwicklungen, die hohe Ausbeuten bei der Herstellung von galvanischen Funktionsmustern ermöglicht.

Durch die Charakterisierung der Muster werden Erkenntnisse für das dynamische Verhalten der Mikroschalter, insbesonder in Bezug auf Dämpfungseigenschaften und Schaltverhalten dargestellt und diskutiert. Weiterhin ergibt sich aus den Daten der Charakterisierung ein Rückschluß auf die Technologie der galvanischen Additivtechnik und deren Prozeßschwankungen.

Abschließend wird die Möglichkeit der industriellen Umsetzung der galvanischen Additivtechnik mit Gold als Funktionsschicht diskutiert und mögliche Alternativen vorgestellt.

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1.3 Integrationsmethoden In den folgenden Abschnitten werden die derzeit hauptsächlich verwendeten Integrationstechnologien der MST vorgestellt und die Vor- bzw. Nachteile gegenüber der additiven Integration diskutiert.

1.3.1 Hybride Integration Unter der hybriden Integration versteht man den Aufbau und die Verknüpfung von Bauelementen aus unterschiedlichsten Materialien und Herstellungstechnologien. Die folgende Abbildung zeigt ein Anwendungsbeispiel für die Automobilindustrie in hybrider Bauweise. Zwei separate Chips für mikromechanische und mikroelektronische Komponenten werden gefertigt und mittels Verfahren der Aufbau und Verbindungstechnik (AVT) auf einem gemeinsamen Substrat aufgebaut.

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Abb. 1.2: Hybrid integrierter Beschleunigungssensor (Quelle: Fa. Robert Bosch) Die separate Herstellung der ICs und Sensoren ermöglicht eine unabhängige Entwicklung und Prozeßführung der Komponenten. Hierdurch entsteht eine hohe Technologievielfalt und es kann immer auf die neueste und leistungsfähigste Prozeßgeneration für die IC- und Sensorherstellung zurückgegriffen werden. Des weiteren ergeben sich kurze Entwicklungszeiten für neue Produkte, da die Teilkomponenten modular austauschbar sind. Ebenso spielen in diesem Zusammenhang Ausbeuteaspekte und somit Stückpreise eine entscheidende Rolle, da die Herstellung der Einzelkomponenten durch Basistechnologien entsteht und die Ausfallquote der Einzelbauteile durch Produktionsfehler gegenüber Spezial- oder Mischprozessen gering ist. Der größte Nachteil der Hybridtechnik ist der erhöhte Aufwand in der Aufbau- und Verbindungstechnik, um die Einzelkomponenten elektrisch miteinander zu verbinden. Im Fall einer Automobilanwendung reicht der Temperaturarbeitsbereich von - 40 °C bis 125 °C. Es können mechanische Beanspruchungen mit Beschleunigungen bis 50 g auftreten. Dies stellt für die elektrischen Kontaktierungen, den Bondverbindungen und das Gehäuse eine hohe Belastung dar. Des weiteren wird eine hohe chemische Resistenz gegenüber Öl, Benzin, Alkohol, Waschlaugen, Salznebel und Spritzwasser gefordert sowie eine Lebensdauer von 10 Jahren [3]. Ein weiterer Nachteil der Hybridtechnik ist, daß diese durch die verwendeten separaten Systeme an ein Mindestmaß von Substratgröße gebunden ist. Dieser erhöhte Flächenbedarf spiegelt sich im Preis des Gesamtsystems wieder. Des weiteren sind elektrische Kontaktstellen bei Belastung technologiebedingte Schwachstellen des Systems. Eine Reduzierung der elektrischen Kontakte zwischen den Einzelelementen weisen höher integrierte Systeme der monolithischen Integration auf.

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