Powder Modul

Die speziellen Anforderungen der Mikrosystemtechnik werden durch die Standardprozesse und -materialien der Halbleiter-Technologie nur unzureichend abgedeckt. Für MEMS werden oftmals Strukturen mit einem gewissen Volumen benötigt. Die Abscheideverfahren der Halbleiter-Technologie sind, bis auf Ausnahmen, nur für dünne Schichten ausgelegt. Für MEMS ist eine möglichst breite Materialauswahl erwünscht. In der Halbleiter-Technologie sind nur ausgewählte Materialien verfügbar, die Einführung neuer ist aufwendig. Für MEMS sind hoch poröse Strukturen von großem Interesse. In der Halbleiter-Technologie ist das eher unerwünscht.

Am ISIT wurde ein innovatives, technologisches Verfahren entwickelt, das den speziellen Anforderungen der Mikrosystemtechnik weitgehend entgegenkommt. Es beruht auf der Agglomeration von µm-großem Pulver mittels Atomlagenabscheidung (ALD). Das Schema in der Abbildung links illustriert die Prozedur. Ähnlich wie bei der Herstellung keramischer Materialien wird dabei eine Form, in diesem Fall in einem Siliziumsubstrat, mit losem Pulver gefüllt. Während jedoch bei der Keramikherstellung die Materialverfestigung durch einen Sinterprozess unter Druck bei hohen Temperaturen erfolgt, wird bei dem neuen Verfahren das Substrat mit dem losen Pulver einem ALD-Prozeß bei Temperaturen bis 300°C ausgesetzt. Dank der extremen Eindringtiefe der sich bildenden ALD-Schicht werden alle Partikel innerhalb der einzelnen Mikroformen über Tiefen von mehreren 100 Mikrometern zu fest zusammenhängenden, porösen 3D-Körpern verbunden. Die Abbildung rechts zeigt oben einen 200mm-Siliziumwafer mit eingebetteten Al2O3-Mäandern, agglomeriert aus ca. 9 µm großen Partikeln mittels einer 75 nm dicken Al2O3-ALD-Schicht. Die REM-Aufnahme darunter zeigt einen einzelnen Mäander nach dem Brechen des Substrats.

Die porösen 3D-Körper sind schrumpfungsfrei, mechanisch stabil und thermisch beständig. Auch Strukturabmessungen unter 50 µm lassen sich mit hoher Präzision realisieren. Dank der nahezu perfekten Umhüllung durch die ALD-Schicht sind die Partikel vor äußeren Einflüssen gut geschützt. Substrate mit eingebetteten porösen 3D-Körpern überstehen Standardprozesse der MEMS- und IC-Fertigung bei bis zu 400°C unbeschadet, so dass eine umfassende Nachbearbeitung zur Herstellung mikromechanischer Bauelemente möglich ist. Die Powder-MEMS-Technologie ermöglicht es erstmals, nahezu beliebige Materialien auf universelle Weise auf planaren Substraten zu integrieren.

Das neue Verfahren bietet mehrere Freiheitsgrade. Zum einen kann die innere Oberfläche einer porösen 3D-Struktur genutzt werden. Die Partikel dienen dabei quasi als Gerüst. Die Mäander, die in der Abbildung zu sehen sind, bilden z. B. die Basisstruktur miniaturisierter, chromatographischer Säulen. Durch zusätzliche Beschichtungen können die Eigenschaften der inneren Oberfläche weiter modifiziert werden. Zum anderen lassen sich die Eigenschaften des die Partikel bildenden Materials ausnutzen. Die Abbildung weiter unten zeigt REM-

Aufnahmen eines Arrays freistehender Mikro-Permanentmagnete, hergestellt aus NdFeB-Pulver. Starke magnetische Felder auf kleinstem Raum sind für viele MEMS-Aktuatoren und -Sensoren interessant, wie z. B. magnetische betätigte Mikroschalter, Scanner oder Energy-Harvester, Strom- oder Sauerstoffsensoren. Die Koerzitivfeldstärke HC solcher Mikromagnete entspricht der des Bulk-Materials, die Remanenzfeldstärke BR verhält sich proportional zur Porosität. Für NdFeB-Mikromagnete mit ca. 50 % Porosität werden 890 mT (HC) bzw. 460 mT (BR) erreicht. Die Reproduzierbarkeit der magnetischen Eigenschaften und deren thermische Stabilität sind ausgezeichnet.

Wird die Powder-MEMS-Technologie mit den anderen Technologieplattformen (Piezo, EpiPoly) kombiniert, eröffnen sich völlig neue Möglichkeiten der Realisierung von MEMS-Bauelementen. Bisher unerreichte Anwendungen können bedient werden. Ein Beispiel dafür ist der AlN-basierter, piezoelektrischer Vibrations-Harvester in Abb. 3. Dank des integrierten NdFeB-Arrays kann der Piezo-Wandler durch magnetische Wechselfelder, z. B. verursacht durch einen sich bewegenden Permanentmagneten, zum Schwingen angeregt werden. Auf diese Weise lassen sich neben Vibrationen auch Rotationsbewegungen zur Erzeugung elektrischer Energie nutzen.

Abb. 1: Schematische Darstellung des neuen Verfahrens zur Herstellung poröser 3D-Mikrostrukturen (links), Foto eines 8-Zoll-Siliziumsubstrats mit eingebetteten, porösen Mäandern, hergestellt aus ca. 9 µm großen Al2O3-Partikeln (rechts oben), sowie REM-Aufnahme einer derartigen Struktur nach dem Brechen des Substrats (rechts unten).

Abb. 2: REM-Aufnahmen eines freistehenden NdFeB-Mikromagnetarrays mit unterschiedlichen Beschleunigungsspannungen. Bei 10 kV wird die nur 75 nm dicke ALD-Hülle vom Elektronenstrahl penetriert, so dass die darunter befindlichen, agglomerierten NdFeB-Partikel sichtbar werden.

Abb. 3: Fotos eines Vibrations-Energy-Harvesters mit integriertem Mikormagnet-Array am freistehenden Ende des AlN-basierten, piezoelektrischen Wandlers von der Oberseite (a) bzw. von der Unterseite (b).