Dr.-Ing. Thomas Knieling, Dr.-Ing. Shanshan Gu-Stoppel, Dr. Wolfgang Reinert, Hans-Joachim Quenzer

MEMS-Prozesse für Quantencomputing und Quantensensorik

Seit 1994 ist das Fraunhofer ISIT eines der führenden Institute in Europa für angewandte Forschung in der MEMS-Entwicklung und -Verarbeitung. Produkte wie MEMS-Spiegel, Lautsprecher, Biosensoren und Mikrofluidik wurden in der ISIT-Reinraumfertigung (2500 m², 8" / 200 mm Silizium- und kristalliner Quarz / amorphes Glas-Wafer) hergestellt. Darüber hinaus werden in unseren eigenen Einrichtungen Transistoren und Batterien für Leistungselektronikanwendungen entwickelt. Sowohl MEMs als auch Leistungselektronik wurden bereits erfolgreich in Prototypen und Produkte umgesetzt.


MEMS-Prozesse und -Technologien

Das ISIT verfügt über ein umfangreiches Prozess- und Technologieportfolio (Abb. 1). Mehrere Produkte und Anwendungen wurden in industriellen und öffentlichen Forschungskooperationen realisiert.

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Abb. 1 Technologien und Anwendungsbeispiele: Von links nach rechts: Obere Zeile: Interdigitale Strukturen mit EPI-Poly-Technologie (Dicke 80 μm); optisches Glasgehäuse mit schrägen optischen Fenstern; Röntgenbild eines MEMS-Mikrospiegels in einem Glasgehäuse; piezogesteuerter 2D-MEMS-Mikrospiegel. Untere Zeile: Piezobetriebene MEMS-Lautsprecher; Energy Harvester Beam mit magnetischen Pulver-MEMS-Strukturen, beliebig geformte 3D-Pulver-MEMS-Strukturen; 3D-Vakuumgetter-Integration.
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Abb. 2 Feinplatzierung und Montage eines 180°-Spiegels mit hermetischer Glaskuppelabdeckung auf einem Si-Wafer. Die Versiegelung mit Getter und elektrischen Vias wird im Hochvakuum durchgeführt.

3D-Glasformung | Optisches Vakuum-Package für MEMS-Verkapselung

Die vom ISIT patentierte 3D-Glasformungstechnologie ermöglicht die Herstellung verschiedener optischer Komponenten wie Linsen, Spiegel, Prismen usw. in Verbindung mit einer hermetischen optischen Verpackung und einer Getterintegration zur Erzielung und Aufrechterhaltung eines hohen Vakuums.

Durch das Hinzufügen spezieller dielektrischer Beschichtungen wird es außerdem für UHV-Anwendungen vorbereitet, zum Beispiel für Ionenfallenanwendungen.


Piezo-Technologie basierend auf PZT, AlN und AlScN

Das ISIT hat langjährige Erfahrung mit dem Sputtern oder Aufdampfen von PZT (e3,1 = -12 1C/m²). ROHS-Beschränkungen, Materialverschlechterung und monopolare Eigenschaften von PZT haben jedoch zu neuen Entwicklungen geführt, bei denen gesputtertes AlN oder AlScN mit e3,1 = -1C/m² für AlN bzw. -2,4C/m² verwendet wird.

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Abb. 3 Prozessentwicklung einer mehrkanaligen Laserlichtquelle auf Basis einer optischen Glas-Silizium-Packaging-Plattform [2].

Modul-Services: Miniaturisierte Laserquellen

Basierend auf unseren MEMS-Wafer-Prozessen wurde eine modulare Glas-Silizium-Packaging-Plattform für die heterogene Integration von optischen Komponenten entwickelt [1]. Die Glasabdeckung bietet in diesem Beispiel ein hermetisches Sichtfenster. Die Montage und Drahtbondverbindung kann auf Einzelsubstraten, Panels und bis zu 200-mm-Wafern durchgeführt werden.

Silizium sorgt für die erforderliche Stabilität einer optischen Bank. Eine Präzisionsmontagemaschine mit In-situ-Laserlötung und aktiver Linsenanpassung bietet die erforderliche Infrastruktur zur Realisierung neuer optischer Konstruktionen und zur Herstellung von Demonstratoren, wie z. B. einer mehrkanaligen Laserlichtquelle (Abb. 3).

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Abb. 4 Design unserer neuen quasistatischen Spiegelgeneration. Links: Rosenknospenförmige 4-Elektroden-Aktor-Strukturen. Rechts: Au-beschichteter 5 mm Spiegel. Die Spiegelplatte wird auf den kleinen Stift zwischen den Elektroden geklebt (siehe linkes Bild Mitte).

MEMS-Anwendungsbeispiele:
MEMS optische Mikrospiegel

Neben unserer langjährig bewährten Resonanzspiegeltechnologie erweitert unser neues Piezoaktordesign (Abb. 4) und unsere Technologie den Anwendungsbereich erheblich [4,5].


Tab. 1 zeigt den Hauptparameterraum, wobei diese Parameter aufgrund physikalischer Einschränkungen nicht beliebig kombiniert werden können.

 

Parameter

Min. Max.
Frequency / Hz 100/ quasistatic 100000
Optical scan angle (FOV) / °
0,01 40
Aperture / mm 0,2 20

Tab. 1 Hauptparameter für quasistatische Spiegel.

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Abb. 5 Lineare Translationseigenschaften eines kreisförmigen quasistatischen Mikrospiegels von 2 mm. Die Spiegel können mit Metallen wie Au und Al beschichtet werden.

Neben Kippbewegungen können mit dieser Vier-Elektroden-Aktor-Architektur auch translatorische oder gemischte Spiegelbewegungen durchgeführt werden, die alle in einem geschlossenen Regelkreis durch eine sehr genaue optische oder piezoelektrische Positionserfassung präzise definiert werden. Simulationen haben gezeigt, dass bereits mit diesem ersten, nicht optimierten Design große Naben bis zu 200 μm erreicht werden können (Abb. 5).

Mögliche Anwendungen sind die Kompensation von externen Bewegungen im optischen oder atomaren Strahlengang in Gravimetern, die auf Atominterferometrie basieren.

Referenzen


[1] Stenchly et al., Modular packaging concept for MEMS and MOEMS, https://doi.org/10.1088/1742-6596/922/1/012015
[2] Reinert, W., A miniaturized RGB-laser light engine DOI: 10.1109/ESTC48849.2020.9229809
[3] S. Gu-Stoppel et al.: A triple-wafer-bonded AlScN driven quasi-static MEMS mirror with high linearity and large tilt angles; doi: 10.1117/12.2542800
[4] S. Gu-Stoppel et al.: A designing and manufacturing platform for AlScN based highly linear quasi-static MEMS mirrors with large optical apertures; doi: 10.1117/12.2583399