Mikroelektronische Sensoren Vorlesung_01 2.pdf

2 Arbeitsmaterial zur Lehrveranstaltung Diese Unterlagen sind nur als Arbeitsmaterial zur Lehrveranstaltung bestimmt. Alle Rechte sind vorbehalten, auch die der fotomechanischen Wiedergabe und der Speicherung in elektronischen Medien. Das Erstellen und Verbreiten von Kopien auf Papier, auf Datenträ...

2 Arbeitsmaterial zur Lehrveranstaltung Diese Unterlagen sind nur als Arbeitsmaterial zur Lehrveranstaltung bestimmt. Alle Rechte sind vorbehalten, auch die der fotomechanischen Wiedergabe und der Speicherung in elektronischen Medien. Das Erstellen und Verbreiten von Kopien auf Papier, auf Datenträgern oder im Internet, insbesondere als PDF, ist nur mit ausdrücklicher Genehmigung gestattet und wird widrigenfalls juristisch verfolgt. Ebenso ist es untersagt, das Arbeitsmaterial auf ein öffentlich zugängliches Forum oder soziales Netz, beispielweis „Facebook“ o. ä., zu stellen. Mikroelektronische Sensoren Einleitung Einleitung Prof. Dr. Michael Ćurčić Hochschule Düsseldorf Einleitung 2 University of Applied Sciences 01.10.2024 Inhalt 1. Einleitung 2. Einführung in die Sensorik 3. Transducer 4. Aktor 5. Mikrosystemtechnik 6. Basistechnologien (Thermisches PVD, Sputtern) Hochschule Düsseldorf Einleitung 3 University of Applied Sciences 01.10.2024  https://www.precitec.com/de/optische-3d-messtechnik/anwendungen/waferinspektion/ Einleitung Durch den Fortschritt in der Halbleiterelektronik und dem Einsatz moderner Mikrocontroller ist die industrielle Fertigungstechnik in allen Bereichen extrem leistungsfähig geworden. Allerdings können Mikrocontroller nur elektrische Signale verarbeiten oder ausgeben. Daher müssen physikalische, biologische oder chemische Messgrößen zunächst in elektrische Signale umgesetzt oder andere elektrische Größen in andere Signale umgesetzt werden. Hochschule Düsseldorf Einleitung https://www.zeiss.de/semiconductor-manufacturing-technology/smt-magazin/fuer- 4 University of Applied Sciences eine-nachhaltigere-welt.html 01.10.2024  Einleitung Zum Erfassen von Messgrößen werden Sensoren benötigt. Zum aktiven umwandeln von Messgrößen werde Aktoren benötigt. Diese stellen die Schnittstellen zwischen den Signalen der Mikroelektronik und der physikalischen, biologischen oder chemischen Messgröße dar. Hochschule Düsseldorf Einleitung 5 University of Applied Sciences 01.10.2024  Einführung in die Sensorik Was ist ein Sensor ? IEC-Definition: Ein Sensor ist das primäre Element in einer Messkette, dass eine Eingangsgröße in ein geeignetes Messsignal umsetzt. Heute werden nicht nur die Sensoren sondern auch die Signalverarbeitung auf dem Si-Chip integriert. Wird zusätzlich ein Mikroprozessor/Mikro- controller integriert, so spricht man von einem https://www.elecbee.com/de-28405-C0987-16-Sensor-Modules-Kit-for-Raspberry-Pi-Human- Smart-Sensor oder Intelligentem-Sensor. Sensor-Smoke-Sensor-Raindrop-Sensor-Module Hochschule Düsseldorf Einführung in die Sensorik 6 University of Applied Sciences 01.10.2024 Einführung in die Sensorik Was ist ein Sensor ? Messfenster Physikalische, chemische oder Sensor- Sensor- Signal- Intelligente biologische Element I Element II bearbeitung Elektronik Größe Sensorelement Integrierter Sensor Intelligenter Sensor Hochschule Düsseldorf Einführung in die Sensorik 7 University of Applied Sciences 01.10.2024  Einführung in die Sensorik Was ist ein Mikrosensor ? Ein Mikrosensor ist ein miniaturisierter Sensor, der Mikroelektronik-Kompatibel ist ! Beispiel: Mikromechanischer 1 Mikromechanik Sensor 2 ASIC (Application specific integrated circuit) 1 2 4 3 Verbindungsdrähte (Bonddrähte) 3 4 Leiterplatte(PCB) Robert Bosch GmbH Hochschule Düsseldorf Einführung in die Sensorik 8 University of Applied Sciences 01.10.2024 Transducer Ein Sensor ist ein Spezialfall eines Transducers ! Was ist aber ein Transducer? Der Sensor als Transducer Energie des Umweltsignals Ein Transducer wandelt eine (Meßgröße) Energieform in eine andere um. chem. magn. elektr. therm. resistiver chemischer Sensor Resistiver chemischer Sensor mech. Messgröße: strahl. chemisch strahl. mech. Energieform des Zugeführte Energie: therm. Ausgangsignals externe Spannung elektr. Ausgangssignal: magn. chem. Gemessene Spannung/Strom Zugeführte Energie Hochschule Düsseldorf Transducer 9 University of Applied Sciences 01.10.2024  Aktor Elektromotor Was ist ein Aktor bzw. ein Aktuator ? Aktoren sind das Gegenstück zu Sensoren. Diese bilden das Stellglied in einem Regelkreis (DIN 19226 „Regelungs- https://at.rs-online.com/web/p/gleichstrommotoren/5366046 und Steuerungstechnik). Ein Aktuator wandelt elektrische Laserdiode Energie in mechanische Bewegung, Druck, Temperatur, Strahlung etc. um. https://www.lasertack.com/en/1w-525nm-laser-diode/ Hochschule Düsseldorf Aktor 10 University of Applied Sciences 01.10.2024  Aktor Aktor Regelabweichung Steuergröße Stellgröße Regelgröße 𝑤(𝑡) 𝑒(𝑡) 𝑢(𝑡) Stell- 𝑦(𝑡) Regel- 𝑥(𝑡) - Regler Steller Führungs- glied strecke größe Rückkopplung Mess- Rückkopplung glied Hochschule Düsseldorf Aktor Sensor 11 University of Applied Sciences 01.10.2024  Mikrosystemtechnik Mikrosystemtechnik = Wortsynthese aus Mikrotechnik und Systemtechnik. Die Wortsynthese entstand 1985 in Die Aktorik ist jedoch nur ein Teilgebiet, da der BRD. größere Wege und Kräfte mit Hilfe von mikromechanischen Strukturen nur schwer Unter Mikrotechnik versteht man: erreichbar sind. Mikromechanik, Mikrooptik, Mikroelektronik, …. Beispiele: Mikromotor, Mikroventil, Mikropumpe, Mikroschalter, Mikro Ideales bzw. größtes Einsatzgebiet ist mechanischer Resonator. die Sensorik. https://inst.eecs.berkeley. edu/~ee245/fa09/lecture s/Lec10p.SurfaceMicrom achiningIII.pdf Hochschule Düsseldorf Mikrosystemtechnik 12 University of Applied Sciences 01.10.2024 Mikrosystemtechnik Silizium – ein besonderer Werkstoff Silizium im Vergleich zu Stahl ➔ Um Faktor 3 geringere Dichte ➔ 4-mal höhere Streckgrenze ➔ 3-fach geringere Wärmeausdehnung ➔ Keine plastische Deformation https://www.vde-wuerttemberg.de/resource/blob/1626698/6a4a186d3efd4977a078c79af13ffc4d/vortragsfolien---pdf-data.pdf Hochschule Düsseldorf Mikrosystemtechnik 13 University of Applied Sciences 01.10.2024  https://www.frandroid.com/culture- Mikrosystemtechnik tech/securite- applications/235346_attention- gyroscope-smartphone-entendre https://www.coventor.co m/tag/mems-micro- mirror/ MEMS-Drehratensensor Mikrospiegel Definition: Die Mikrosystemtechnik integriert mechanische, optische, chemische und biologische Funktionen zusammen mit elektrischen oder elektronischen Funktionen auf einem MEMS-Mikrophone Active Pixel Sensor Chip. Hochschule Düsseldorf Mikrosystemtechnik 14 University of Applied Sciences 01.10.2024  Mikrosystemtechnik Aktiver Sensor Ein aktiver Sensor benötigt eine Energiequelle. Die Messgröße moduliert den Energiefluss. Energie Widerstandsthermometer Photowiderstand Hall-Sensor (Magnetfeld-Sensor) Elektrische Meßgröße Ausgangssignal Drehratensensor Sensor Dehnungsmessstreifen … Hochschule Düsseldorf Mikrosystemtechnik 15 University of Applied Sciences 01.10.2024  Mikrosystemtechnik Passiver Sensor Ein passiver Sensor wandelt die Messgröße in eine andere Energieform um. Thermoelement Photozelle Elektrodynamischer Wandler Elektrisches Meßgröße Ausgangssignal Piezoelektrischer Wandler Sensor Magnetostriktiver Wandler Hochschule Düsseldorf Mikrosystemtechnik 16 University of Applied Sciences 01.10.2024 Basistechnologien Thermisches PVD (Phycical Vapor Deposition) In der Mikrosystemtechnik werden für Sensoren oder Aktoren viele dünne Schichten (Dicke 10nm…5µm) eingesetzt. Beispiele: temperaturempfindliche Schichten Leiterschichten Isolationsschichten vergrabene Schichten (z.B. integrierte Optik) Hochschule Düsseldorf Basistechnologien der Sensorik/Aktorik 17 University of Applied Sciences 01.10.2024 Basistechnologien Substrat (Wafer) Thermisches PVD Im Vakuum (p=10-4Pa, 1Pa=1N/m2=10-5bar) wird der Schichtwerkstoff durch Erhitzen in die Gasphase überführt und auf dem Substrat kondensiert (durch Diffusion). Der niedrige Druck (Vakuum) ist nötig, damit die Dampfteilchen auch das Substrat erreichen und nicht durch Streuungen an Gasteilchen verloren gehen (Mittlere freie Weglänge: Ist die Zu verdampfendes mittlere Weglänge, bevor es zum Stoß Material mit anderen Teilchen kommt)! Verdampfer Vakuum Hochschule Düsseldorf Basistechnologien der Sensorik/Aktorik 18 University of Applied Sciences 01.10.2024 Basistechnologien Substrat (Wafer) Thermisches PVD Das verdampfte Material kann neben den reinen ballistischen Transport Laser- oder durch elektrische/magnetische Elektronenstrahl Felder durch die Kammer geführt werden. Das Heizen (Verdampfen) kann dabei Direkt (analog Elektroherd) Induktiv (analog Induktionsherd) mit Elektronenstrahl Zu verdampfendes mit Laserstrahl Material erfolgen. Verdampfer Vakuum Hochschule Düsseldorf Basistechnologien der Sensorik/Aktorik 19 University of Applied Sciences 01.10.2024 Basistechnologien Substrat (Wafer) Thermisches PVD Durch Rotation des Substrats erreicht man deutlich homogenere Laser- oder Schichten. Elektronenstrahl Beim Kondensieren der Dampfteilchen an der Oberfläche des Substrats können diese sich (je nach Energie) an der Oberfläche entlang (Oberflächendiffusion) Zu verdampfendes bewegen, um einen energetisch Material günstigen Platz zu finden. Verdampfer Vakuum Hochschule Düsseldorf Basistechnologien der Sensorik/Aktorik 20 University of Applied Sciences 01.10.2024 Basistechnologien Substrat (Wafer) Thermisches PVD Mit verschiedenen PVD-Varianten können fast alle Metalle und auch Laser- oder Kohlenstoffe in sehr reiner Form Elektronenstrahl abgeschieden werden. Mit Reaktivgasen wie Sauerstoff, Stickstoff oder Kohlenwasserstoffe, lassen sich auch Oxide, Nitride oder Carbide abscheiden. Zu verdampfendes Material Verdampfer Vakuum Hochschule Düsseldorf Basistechnologien der Sensorik/Aktorik 21 University of Applied Sciences 01.10.2024 Basistechnologien Substrat (Wafer) Thermisches PVD Im allgemeinen entscheiden die Prozessparameter (Substrat, Laser- oder Reinheit, Substrattemperatur, Elektronenstrahl Aufdampfrate, Restgas, Druck, etc..) über die Qualität der Schicht! Achtung: Legierungen entmischen sich in der Gasphase! Zu verdampfendes Material Verdampfer Vakuum Hochschule Düsseldorf Basistechnologien der Sensorik/Aktorik 22 University of Applied Sciences 01.10.2024 Basistechnologien Substrat (Wafer) Thermisches PVD Mit der Schichtdicke nehmen auch die Eigenspannungen zu. Laser- oder Elektronenstrahl Ablösen vom Substrat (Delamination) Keine beliebigen Schichtdicken möglich Zu verdampfendes Material Verdampfer Vakuum Hochschule Düsseldorf Basistechnologien der Sensorik/Aktorik 23 University of Applied Sciences 01.10.2024 Basistechnologien Kathodenzerstäubung (Sputtern) Mechanismus des Sputterns: - Kathode (Target) Zunächst wird in einem Inertgas (reagieren chemisch nicht gerne) 𝑈𝐾𝐴 ≈ 1 … 5 𝑘𝑉 e- (10-2..10-3 mBar) eine Gasentladung 3 − 5 𝑐𝑚 𝐸 Ar+ (Plasma) mit Hilfe der Hochspannung 𝑈𝐾𝐴 gezündet. Ar Plasma M Die erzeugten Gasionen werden auf hohe Geschwindigkeiten (hohe Energie) Anode Substrat beschleunigt und treffen auf das Target. (Wafer) + Hochschule Düsseldorf Basistechnologien der Sensorik/Aktorik 24 University of Applied Sciences 01.10.2024 Basistechnologien Kathodenzerstäubung (Sputtern) Mechanismus des Sputterns: - Kathode (Target) Dabei wird das Material (M) aus dem Target als neutrales Atom 𝑈𝐾𝐴 ≈ 1 … 5 𝑘𝑉 e- herausgeschlagen und fliegt zum 3 − 5 𝑐𝑚 𝐸 Ar+ Substrat. Ar Plasma Dabei kondensieren die Targetatome auf M dem Substrat zu einer dünnen Schicht. Anode Substrat (Wafer) + Hochschule Düsseldorf Basistechnologien der Sensorik/Aktorik 25 University of Applied Sciences 01.10.2024 Basistechnologien DC-Sputtern Für eine gute Sputterausbeute sollten die Masse des Ions und des Targetatoms - etwa gleich groß sein (optimaler Kathode (Target) Impulsübertrag). 𝑈𝐾𝐴 ≈ 0.1 … 5 𝑘𝑉 e- Das Sputtergas sollte inert sein, damit es 3 − 5 𝑐𝑚 𝐸 Ar+ nicht mit dem Targetatom unerwünscht Plasma reagiert. Ar M Argon bietet sich als Sputtergas an: Anode Substrat (Wafer) ZAr=18, MAr=40 + Hochschule Düsseldorf Basistechnologien der Sensorik/Aktorik 26 University of Applied Sciences 01.10.2024 Basistechnologien DC-Sputtern Auch Legierungen lassen sich sputtern, da diese sich nicht entmischen beim - Sputtern. Kathode (Target) Nichtleitende Materialien lassen sich 𝑈𝐾𝐴 ≈ 0.1 … 5 𝑘𝑉 e- nicht mit Gleichspannung DC-Sputtering 3 − 5 𝑐𝑚 𝐸 Ar+ sputtern (da die positiven Ladungen von Plasma Ar+ nicht abgebaut werden können. Das Ar negative Potential am Target wird M abgebaut. → Keine Beschleunigung der Substrat Ar+-Ionen mehr. → Der Sputterprozess Anode (Wafer) endet von selbst). + Hochschule Düsseldorf Basistechnologien der Sensorik/Aktorik 27 University of Applied Sciences 01.10.2024 Basistechnologien DC-Sputtern - Die entstehenden Sekundärelektronen Kathode (Target) helfen weiter, den Sputter-Prozess aufrecht zu erhalten. 𝑈𝐾𝐴 ≈ 0.1 … 5 𝑘𝑉 e- 3 − 5 𝑐𝑚 𝐸 Ar+ Steigerung der Ionisationsrate bzw. der Abscheiderate beim Sputtern kann Ar Plasma dadurch erreicht werden, dass zusätzlich M ein Magnet „über“ dem Target platziert wird. Anode Substrat (Wafer) + Hochschule Düsseldorf Basistechnologien der Sensorik/Aktorik 28 University of Applied Sciences 01.10.2024 Basistechnologien DC-Sputtern Durch das angelegte Magnetfeld 𝐵 wirkt S N S - auf die Elektronen nun zusätzlich die Kathode (Target) Lorentz-Kraft. 𝑈𝐾𝐴 ≈ 0.1 … 5 𝑘𝑉 Diese zwingt die Elektronen sich nun auf 3 − 5 𝑐𝑚 𝐸 e- Ar+ 𝐵 einer Spiralbahn zu Bewegen. Ar Plasma Folglich vergrößert sich der Weg und es M werden mehr Argon Atome ionisiert. Anode Substrat Abscheiderate steigt! (Wafer) + Hochschule Düsseldorf Basistechnologien der Sensorik/Aktorik 29 University of Applied Sciences 01.10.2024 Basistechnologien DC-Magnetron-Sputtern Nichtleitende Materialien lassen sich nicht mit Gleichspannung DC-Sputtering S N S - sputtern (da die positiven Ladungen von Kathode (Target) Ar+ nicht abgebaut werden können. Das negative Potential am Target wird 𝑈𝐾𝐴 ≈ 0.1 … 5 𝑘𝑉 abgebaut. → Keine Beschleunigung der 3 − 5 𝑐𝑚 e- 𝐵 Ar+-Ionen mehr. → Der Sputterprozess 𝐸 Ar+ Plasma endet von selbst). Ar M Aushilfe: Wechselfeld, das auf das Substrat Plasma wirkt! Anode (Wafer) + Hochschule Düsseldorf Basistechnologien der Sensorik/Aktorik 30 University of Applied Sciences 01.10.2024 Basistechnologien HF-Sputtern Während der positiven Halbwelle können wegen der geringen Masse viel mehr Elektronen das Target erreichen/stoßen Kathode (Target) als Ionen während der negativen C Halbwelle. e- 3 − 5 𝑐𝑚 Aufgrund der Quasineutralität lädt sich Ar+ 𝑈𝑅𝐹 das Target im Mittel negativ relativ zum Plasma Plasma auf „Self-Bias“. M Der Kondensator 𝐶 sorgt dafür, dass das Anode Substrat Target gleichstrommäßig isoliert (d.h. die (Wafer) Elektronen nicht abfließen können) ist. Hochschule Düsseldorf Basistechnologien der Sensorik/Aktorik 31 University of Applied Sciences 01.10.2024 Basistechnologien HF-Sputtern Wählt man eine Frequenz (ISM Kathode (Target) 13,56MHz) bei der die Ionen nicht mehr C folgen können (die Elektronen schon), so e- fliegen aufgrund des „Self-Bias“ positive 3 − 5 𝑐𝑚 Ar+ 𝑈𝑅𝐹 Ar+-Ionen zum Target! Plasma M Das „Self-Bias“ wirkt im Prinzip wie eine Gleichspannung beim DC-Sputtering. Anode Substrat (Wafer) Hochschule Düsseldorf Basistechnologien der Sensorik/Aktorik 32 University of Applied Sciences 01.10.2024 Basistechnologien HF-Magnetron-Sputtern S N S Kathode (Target) C e- Stand der Technik 3 − 5 𝑐𝑚 Ar+ 𝑈𝑅𝐹 Plasma M Anode Substrat (Wafer) Hochschule Düsseldorf Basistechnologien der Sensorik/Aktorik 33 University of Applied Sciences 01.10.2024 Basistechnologien DC- vs. HF-Sputtern DC-Sputtern HF-Sputtern ursprüngliche Sputtermethode Abgleich-Netzwerk notwendig für effektive Einkopplung der RF-Energie. Einfacher Kammeraufbau (Schwingkreis in Resonanz) nur leitende Materialien Ionisationswahrscheinlichkeit ist höher Elektroden gelangen auf Wafer Leitende und nichtleitende Materialien →Plasmaschäden Weniger Elektroden auf dem Wafer Prozessdruck: hoch, 45-135 mBar Prozessdruck: niedrig, 1-30 mBar Sehr niedrige Sputterrate (0,5 nm/s) (Magnetron 20nm/s) Höhere Abscheiderate (1 nm/s) (Magnetron >20nm/s) Hochschule Düsseldorf Basistechnologien der Sensorik/Aktorik 34 University of Applied Sciences 01.10.2024 **Mikroelektronische Sensoren: Ein Überblick** **Einführung und Grundlagen** **Mikrocontroller** können nur elektrische Signale verarbeiten, daher sind **Sensoren und Aktoren** entscheidend für die Umwandlung physikalischer, biologischer oder chemischer Messgrößen **Sensoren** sind primäre Elemente in Messketten, die Eingangssignale in geeignete Messsignale umwandeln **Sensor-Typen und Eigenschaften** **Mikrosensoren** sind miniaturisierte, mikroelektronik-kompatible Sensoren Es gibt **aktive Sensoren** (benötigen Energiequelle) und **passive Sensoren** (wandeln Messgröße direkt um) **Mikrosystemtechnik** Integriert **mechanische, optische, chemische und biologische Funktionen** auf einem Chip **Silizium** ist ein besonderer Werkstoff mit herausragenden mechanischen Eigenschaften **Herstellungstechnologien** **Thermisches PVD** (Physical Vapor Deposition) ermöglicht das Aufbringen dünner Schichten für Sensoren und Aktoren **Sputtern** ist eine weitere wichtige Technologie zur Schichtherstellung, mit verschiedenen Varianten wie **DC-Sputtern** und **HF-Sputtern**