- 1. Slide 1Mikrosysteme GrundlagenGrundlagen Mikro- und
NanosystemeMikro- und Nanosysteme Mikro- und Nanosysteme in der
Umwelt, Biologie und MedizinMikro- und Nanosysteme in der Umwelt,
Biologie und Medizin Prozesse: tzen, Beschichten, Bonden,
AbformenProzesse: tzen, Beschichten, Bonden, Abformen Dr. Marc R.
DusseillerDr. Marc R. Dusseiller
2. Slide 2Mikrosysteme MikrofabrikationMikrofabrikation tzentzen
3. Slide 3Mikrosysteme tzen - berblicktzen - berblick Selektivitt
zwischen tzmaske und MaterialSelektivitt zwischen tzmaske und
Material Chemisches tzen, NassChemisches tzen, Nass Glass (amorph)
in HFGlass (amorph) in HF Polymere (amorph, teilkr.) in
LsungsmittelnPolymere (amorph, teilkr.) in Lsungsmitteln Poly-Si
(polykristallin) in KOHPoly-Si (polykristallin) in KOH Metalle
(polykristallin) in versch. LaugenMetalle (polykristallin) in
versch. Laugen TrockentzenTrockentzen Sputtering
(Ionentzen)Sputtering (Ionentzen) Anisotrop, schlechte
Sel.Anisotrop, schlechte Sel. RIE (Chem. & Phys.)RIE (Chem.
& Phys.) Anisotrop, gute Sel.Anisotrop, gute Sel.
TiefentzenTiefentzen Si (einkristallin) in KOH (nass)Si
(einkristallin) in KOH (nass) Anisotrop, OrientierungAnisotrop,
Orientierung Si mit DRIESi mit DRIE (trocken)(trocken) Vertical
SidewallVertical Sidewall 4. Slide 4Mikrosysteme tzentzen
NasstzenNasstzen In tzflssigkeitenIn tzflssigkeiten Spannungen bei
TrocknungSpannungen bei Trocknung Gefhrliche LsungenGefhrliche
Lsungen Meist Isotrop oder Orientierungsabhngig (Si 100)Meist
Isotrop oder Orientierungsabhngig (Si 100) SchnellSchnell
TrockentzenTrockentzen In VakuumIn Vakuum Vielzahl an
tzgeometrienVielzahl an tzgeometrien AnisotropAnisotrop Vertical
SidewallVertical Sidewall Komplexere Maschinen ntigKomplexere
Maschinen ntig Zum Teil sehr langsamZum Teil sehr langsam 5. Slide
5Mikrosysteme Dnnschichttzen - TiefentzenDnnschichttzen -
Tiefentzen Aspect Ratio (Aspektverhltnis) =
Tiefe/StrukturbreiteAspect Ratio (Aspektverhltnis) =
Tiefe/Strukturbreite Dnnschichttzen 1 Substratmaterialien werden
getzt, Si, Glass, PMMA, ...Substratmaterialien werden getzt, Si,
Glass, PMMA, ... 6. Slide 6Mikrosysteme TiefentzenTiefentzen
Selektivitt ist immer eine Voraussetzung (SSelektivitt ist immer
eine Voraussetzung (Sa:b =a:b = RRaa:R:Rbb)) 7. Slide 7Mikrosysteme
Winkelabhngiges tzenWinkelabhngiges tzen Silizium einkristallin,
NasstzenSilizium einkristallin, Nasstzen SchnellSchnell
tzstopptzstopp Limitierte GeometrienLimitierte Geometrien Nur
entweder 100 oder 111Nur entweder 100 oder 111 8. Slide
8Mikrosysteme Isotropes und Anisotropes tzenIsotropes und
Anisotropes tzen Chemisches tzen, NassChemisches tzen, Nass Glass
in HFGlass in HF amorphamorph Polymere in LsungsmittelnPolymere in
Lsungsmitteln amorph, teilkr.amorph, teilkr. Poly-Si in KOHPoly-Si
in KOH polykristallinpolykristallin Metalle in versch.
LaugenMetalle in versch. Laugen polykristallinpolykristallin Si
AnisotropSi Anisotrop einkristallineinkristallin Physikalisches
tzen, TrockenPhysikalisches tzen, Trocken Sputtering
(Ionentzen)Sputtering (Ionentzen) RichtungRichtung 9. Slide
9Mikrosysteme TrockentzenTrockentzen Chemisches tzenChemisches tzen
BE (wird nicht besprochen)BE (wird nicht besprochen) Physikalisches
tzenPhysikalisches tzen SputternSputtern
IonenstrahltzenIonenstrahltzen KombiniertKombiniert RIERIE DRIEDRIE
10. Slide 10Mikrosysteme RIERIE AnwendungenAnwendungen GlasGlas
SiliziumSilizium OxideOxide MerkmaleMerkmale zT. kleine tzraten
(vgl. Nass.)zT. kleine tzraten (vgl. Nass.) Hohe SelektivittHohe
Selektivitt Isotrop/Anisotrop bis VertikalIsotrop/Anisotrop bis
Vertikal mglich durch Gasgemischmglich durch Gasgemisch 11. Slide
11Mikrosysteme DRIE ICP tzen ASE Bosch ProzessDRIE ICP tzen ASE
Bosch Prozess Deep Reactive Ion Etching tzgas: SF6, CHF3 mit O2
Passivierungsgas: CHF3, C2F6, C4F8 12. Slide 12Mikrosysteme
Cleanroom/ReinraumCleanroom/Reinraum PlasmatzenPlasmatzen ICP
(inductive coupled plasma etching)ICP (inductive coupled plasma
etching) 13. Slide 13Mikrosysteme MikrofabrikationMikrofabrikation
BeschichtungenBeschichtungen 14. Slide 14Mikrosysteme Konformitt
von BeschichtungenKonformitt von Beschichtungen 15. Slide
15Mikrosysteme Oxidieren von SiliziumOxidieren von Silizium Nass
(wet)Nass (wet) Si + 2HSi + 2H22OO SiO SiO22 + H+ H22 Trocken
(dry)Trocken (dry) Si + OSi + O22 SiO SiO22 16. Slide
16Mikrosysteme Spin CoatingSpin Coating Spin coatingSpin coating
Schichtdicke hngt ab vonSchichtdicke hngt ab von ViskosittViskositt
Drehgeschwindigkeit (RPM)Drehgeschwindigkeit (RPM)
PhotoresistsPhotoresists Funktionelle Polymerschichten (Leitfhige
Kunststoffe)Funktionelle Polymerschichten (Leitfhige Kunststoffe)
Sol-Gel Keramikbeschichtungen (~Glasur)Sol-Gel
Keramikbeschichtungen (~Glasur) tcoating K t= Schichtdicke K=
Konstante = Viskositt = Drehgeschindigkeit 17. Slide 17Mikrosysteme
Aufdampfen Evaporation (PVD)Aufdampfen Evaporation (PVD)
VerdampfenVerdampfen Nur flchtige MaterialienNur flchtige
Materialien Sehr reine SchichtenSehr reine Schichten Sehr gerichtet
(Wieso?)Sehr gerichtet (Wieso?) Hauptschlich MetalleHauptschlich
Metalle Probleme mit HaftungProbleme mit Haftung 18. Slide
18Mikrosysteme Sputtern (PVD)Sputtern (PVD) Sputtern =
zerstubenSputtern = zerstuben Plasma (DC oder AC)Plasma (DC oder
AC) Beschleunigung im E-Feld RichtungBeschleunigung im E-Feld
Richtung TargetTarget Herausschlagen der AtomeHerausschlagen der
Atome LegierungenLegierungen Isolatoren (Oxide, Nitride)Isolatoren
(Oxide, Nitride) VerunreinigungenVerunreinigungen Gute HaftungGute
Haftung Magnetron SputteringMagnetron Sputtering Geringere
TemperaturGeringere Temperatur Hhere AbscheidungsrateHhere
Abscheidungsrate Hhere Qualitt der SchichtHhere Qualitt der Schicht
19. Slide 19Mikrosysteme Cleanroom/ReinraumCleanroom/Reinraum
BeschichtungenBeschichtungen Plasma Sputtering (PVD)Plasma
Sputtering (PVD) 20. Slide 20Mikrosysteme Chemical Vapor Deposition
(CVD)Chemical Vapor Deposition (CVD) Zum Beispiel eine Beschichtung
mit Silizium:Zum Beispiel eine Beschichtung mit Silizium:
SiHClSiHCl33 + H+ H22 Si + 3 HCl Si + 3 HCl Gas + Gas Schicht + Gas
(Reaktionsprodukte knnen abgesaugt werden)Gas + Gas Schicht + Gas
(Reaktionsprodukte knnen abgesaugt werden) 21. Slide 21Mikrosysteme
Chemical Vapor Deposition (CVD)Chemical Vapor Deposition (CVD)
EpitaxieEpitaxie (Greek;(Greek; epiepi "above" and"above" and
taxistaxis "in ordered"in ordered manner")manner") Die Kristall
Orientierung kann weitergefhrt werdenDie Kristall Orientierung kann
weitergefhrt werden in der Beschichtungin der Beschichtung 22.
Slide 22Mikrosysteme Andere BeschichtungsverfahrenAndere
Beschichtungsverfahren Flssigphase, physikalischFlssigphase,
physikalisch SchmelzenSchmelzen SAMs (Self-assembled monolayersSAMs
(Self-assembled monolayers Langmuir-Blodget FilmeLangmuir-Blodget
Filme Dip-coatingDip-coating Drucken / SiebdruckDrucken / Siebdruck
Flssigphase, ChemischFlssigphase, Chemisch Elektrochemische
DepositionElektrochemische Deposition Stromlose
AbscheidungStromlose Abscheidung GalvanisierenGalvanisieren
Funtionale Bio-Molekulare BeschichtungenFuntionale Bio-Molekulare
Beschichtungen Kommt spterKommt spter 23. Slide 23Mikrosysteme
MikrofabrikationMikrofabrikation BondingBonding 24. Slide
24Mikrosysteme Bonding - VerbindungsverfahrenBonding -
Verbindungsverfahren Verbindung von zwei (teils)
mikrostrukturiertenVerbindung von zwei (teils) mikrostrukturierten
Substraten zu einem 3D DeviceSubstraten zu einem 3D Device
KlebenKleben Dicke Zwischenchichten, Verstopfen der StrukturenDicke
Zwischenchichten, Verstopfen der Strukturen GlasltenGlaslten Dicke
Zwischenschichten, thermische SpannungenDicke Zwischenschichten,
thermische Spannungen Eutektisches BondenEutektisches Bonden
Legierungsbildung am Interface zu anderen MetallenLegierungsbildung
am Interface zu anderen Metallen zB. Gold (370 C) oder Aluminium
(577 C)zB. Gold (370 C) oder Aluminium (577 C) Anodisches Bonden
(1000 V, 500 C)Anodisches Bonden (1000 V, 500 C) Diffusion von
NaDiffusion von Na++ Ionen aus dem Glas fhrt zu Anziehung derIonen
aus dem Glas fhrt zu Anziehung der Oberflchen und Si-O-Si
BindungOberflchen und Si-O-Si Bindung
SiliziumdirektbondenSiliziumdirektbonden Si-OH Bindungen an der
Oberflche fhrt zu Wasserbildung undSi-OH Bindungen an der Oberflche
fhrt zu Wasserbildung und Si-O-SiSi-O-Si 25. Slide 25Mikrosysteme
Bonding - VergleichBonding - Vergleich Verbindung von zwei (teils)
mikrostrukturiertenVerbindung von zwei (teils) mikrostrukturierten
Substraten zu einem 3D DeviceSubstraten zu einem 3D Device 26.
Slide 26Mikrosysteme FallbeispielFallbeispiel MEMS technology
Insulin NanopumpMEMS technology Insulin Nanopump Debiotech S. A.
Switzerland Debiotech S. A. Switzerland Ein Silizium MEMS kurz vor
der MarkteinfhrungEin Silizium MEMS kurz vor der Markteinfhrung 27.
Slide 27Mikrosysteme Fallbeispiel Nanopump VergleichFallbeispiel
Nanopump Vergleich http://www.debiotech.com Spirit - Roche
Diagnostics - Disetronics OmniPod - Insulet Corporation Cosmo -
Deltec - Smiths Medical MD, Inc. Nanopump - Debiotech 28. Slide
28Mikrosysteme Fallbeispiel - Debiotechs NanopumpFallbeispiel -
Debiotechs Nanopump http://www.debiotech.com 29. Slide
29Mikrosysteme Fallbeispiel - Debiotechs NanopumpFallbeispiel -
Debiotechs Nanopump How it works 30. Slide 30Mikrosysteme
Fallbeispiel - Debiotechs NanopumpFallbeispiel - Debiotechs
Nanopump http://www.debiotech.com
http://www.debiotech.com/products/msys/Nanopump.swf 31. Slide
31Mikrosysteme Fallbeispiel - Debiotechs NanopumpFallbeispiel -
Debiotechs Nanopump FabrikationFabrikation SOI (Silicon on
Insulator)SOI (Silicon on Insulator) tzen von hinten (DRIE)tzen von
hinten (DRIE) tzen von oben, Kanle, Ventiletzen von oben, Kanle,
Ventile Sensor (geheim)Sensor (geheim) Anti-Haft SchichtAnti-Haft
Schicht Bonding vn Glass mit ZugangBonding vn Glass mit Zugang
Piezomaterial integrationPiezomaterial integration
http://www.debiotech.com 32. Slide 32Mikrosysteme Fallbeispiel -
Debiotechs NanopumpFallbeispiel - Debiotechs Nanopump Sehr genaue
und konstante DosisSehr genaue und konstante Dosis (U) pro
Pumpenschlag(U) pro Pumpenschlag Geringer Fehler in der
FlussmengeGeringer Fehler in der Flussmenge auch bei kurzer
Betriebszeitauch bei kurzer Betriebszeit Grsse (bez. Kleine)Grsse
(bez. Kleine) DisposableDisposable 33. Slide 33Mikrosysteme
MikrofabrikationMikrofabrikation LIGA/3DLIGA/3D 34. Slide
34Mikrosysteme LIGALIGA LIGA Lithographie Galvanik AbformenLIGA
Lithographie Galvanik Abformen X-ray Lithographisches Strukturieren
eines PolymersX-ray Lithographisches Strukturieren eines Polymers
Galvanisches Abscheiden von NiGalvanisches Abscheiden von Ni
berwachsen der Mikrostrukturenberwachsen der Mikrostrukturen
Entfernen des SubstratesEntfernen des Substrates mechanisch oder
chemischmechanisch oder chemisch Entfernen des PolymersEntfernen
des Polymers Ni-Gussform fr weitereNi-Gussform fr weitere
AbformungsverfahrenAbformungsverfahren 35. Slide 35Mikrosysteme
LIGALIGA 36. Slide 36Mikrosysteme UV-Lithographische Strukturen
SU-8UV-Lithographische Strukturen SU-8 Poor mans LIGAPoor mans LIGA
Chemisch Verstrkter Photoresist (Epoxy vernetzt durch UV initierte
Surebildung)Chemisch Verstrkter Photoresist (Epoxy vernetzt durch
UV initierte Surebildung) Dicke Filme mit Spin-coating (bis
500Dicke Filme mit Spin-coating (bis 500 m)m) Vertical Side-wall
ohne tzen und ohne x-ray (im Gegensatz zu LIGA)Vertical Side-wall
ohne tzen und ohne x-ray (im Gegensatz zu LIGA) Hohe Festigkeit und
chemische Stabilitt durch hohe VernetzungHohe Festigkeit und
chemische Stabilitt durch hohe Vernetzung 37. Slide 37Mikrosysteme
Polymere Mikrofabrikation / ReplikationPolymere Mikrofabrikation /
Replikation 38. Slide 38Mikrosysteme Injection Molding -
MikroinjektionInjection Molding - Mikroinjektion Reaction Injection
Molding (RIM)Reaction Injection Molding (RIM) Komponenten eines
Polymer Precursors gespritztKomponenten eines Polymer Precursors
gespritzt zB. Polyurethan PrecursorszB. Polyurethan Precursors
Niedrige Viskositt, tiefe TemperaturNiedrige Viskositt, tiefe
Temperatur Schrumpfen whrend der Reaktion (bis 20%)Schrumpfen
whrend der Reaktion (bis 20%) Thermoplastic Injection Molding
(TIM)Thermoplastic Injection Molding (TIM) Polymer Granulat wird
geschmolzen und gespritzt (PMMA, PVC,Polymer Granulat wird
geschmolzen und gespritzt (PMMA, PVC, ABS, PE etc.)ABS, PE etc.)
Hohe Viskositt, hohe TemperaturHohe Viskositt, hohe Temperatur Auch
fr Keramiken geeignet zB. SchlickergussAuch fr Keramiken geeignet
zB. Schlickerguss 39. Slide 39Mikrosysteme Hot Embossing Heiss
PrgenHot Embossing Heiss Prgen Thermoplastische
PolymereThermoplastische Polymere Vorgeformtes Polymer Werkstck,
flachVorgeformtes Polymer Werkstck, flach zB. PMMAzB. PMMA
Temperatur ber TTemperatur ber Tgg damit die Viskositt klein
wirddamit die Viskositt klein wird Hohe Genauigkeit, kein
SchrumpfenHohe Genauigkeit, kein Schrumpfen Kostengnstigere
FormenKostengnstigere Formen 40. Slide 40Mikrosysteme Beispiel
Kunststoff MikrosystemBeispiel Kunststoff Mikrosystem 41. Slide
41Mikrosysteme Andere VerfahrenAndere Verfahren Casting/molding -
GiessenCasting/molding - Giessen 2-Komponenten
Pre-Polymere2-Komponenten Pre-Polymere Keramiken, Schlickerguss,
SinternKeramiken, Schlickerguss, Sintern
PulvermetallurgiePulvermetallurgie Lasermicromachining -
LaserablationLasermicromachining - Laserablation Lokales Erhitzen
des MaterialsLokales Erhitzen des Materials Schmelzen,
VerbrennenSchmelzen, Verbrennen Klassische
FeinwerktechnikenKlassische Feinwerktechniken Zerspanen, Frsen,
BohrenZerspanen, Frsen, Bohren 42. Slide 42Mikrosysteme
bersichtbersicht Aspect ratio AspektverhltnisAspect ratio
Aspektverhltnis Hhe der Mikrostruktur / WandstrkeHhe der
Mikrostruktur / Wandstrke 43. Slide 43Mikrosysteme Replikation, aus
meiner ErfahrungReplikation, aus meiner Erfahrung 44. Slide
44Mikrosysteme Fallbeispiel MicroneedlesFallbeispiel Microneedles
Neural InterfacesNeural Interfaces Microneedles for Drug
DeliveryMicroneedles for Drug Delivery 45. Slide 45Mikrosysteme
Microneedles - in-planeMicroneedles - in-plane Neural
InterfacesNeural Interfaces 46. Slide 46Mikrosysteme Microneedles -
out-of-planeMicroneedles - out-of-plane Drug DeliveryDrug Delivery
47. Slide 47Mikrosysteme Microneedles - out-of-planeMicroneedles -
out-of-plane Drug DeliveryDrug Delivery
