MEMS Technologien und Applikationen

Überblick über industrielle Kundenprojekte im Bereich MEMS Technologien und Applikationen

Das Fraunhofer IMS betreibt neben einem CMOS-Reinraum einen Reinraum für Mikrosystemtechnik (MST Lab & Fab). Hier können auf Wafern aus der CMOS-Linie verschiedene Funktionalitäten integriert werden, wie MEMS-Sensoren oder -Aktoren, funktionale Schichten oder mehrere Wafer dreidimensional integriert werden. Das Portfolio mit industriellen Kunden bereits entwickelter MEMS-Applikationen umfasst bspw. Drucksensoren für bis zu 2000 bar und mit Einsatztemperaturen bis 300 °C.  Die zugrundeliegende MEMS-Technologie wird neben der klassischen Druckmessung auch für Vibrationssensoren, Mikrophone und Schallgeber genutzt.

Solarzellen können integriert mit CMOS hergestellt werden und erlauben so die Versorgung autarker Sensoren. Trench-Kondensatoren stehen als Energiespeicher zur Verfügung. Das Fraunhofer IMS entwickelt CMOS-kompatible Thermopiles, die sich aufgrund der Integration mittels post-processing besonders für flächengünstige Imager anbieten. Biosensorik wird mittels akustischer Massensensoren adressiert: Mit Flexural Plate Wave und Surface Acoustic Wave Sensoren können biologisch interessante Substanzen auf geeignet funktionalisierten Membranen quantitativ und zeitlich hochaufgelöst nachgewiesen werden. Freistehende Nanostrukturen sind in einer Vielfalt von Formen und Materialien durch unsere Opferschicht-Technologie mit Gasphasen-Ätzen und Atomic-Layer-Deposition (ALD) möglich.

Herstellung von Bildsensoren im MST Lab&Fab

Bei Bildsensoren erlaubt die 3D-Integration mittels Waferbonding oder SLID (Solid-Liquid-Interdiffusion)-Bonding komplexe oder laufzeitkritische Signalverarbeitung unmittelbar am Pixel sowie den Einsatz der jeweils optimalen Substrate und Technologien für Detektor und Signalverarbeitung. Für die elektrische Verbindung mehrere Wafer stehen verschiedene Technologien wie TSVs (Through-Silicon-Vias) oder Kupfer-Zinn-Bumps zur Auswahl. Schwerpunkte liegen neben Bildsensorik im sichtbaren Spektrum bei nahem Infrarot, das für Laufzeitmessungen (Time of Flight, TOF) und damit 3D-Bildsensorik zum Einsatz kommt. Der Spektralbereich des fernen Infrarots (far infrared, FIR) wird mit einem CMOS-integrierten Bolometer, mit bis zu 320x256 Pixeln adressiert. Die Integration des Infrarotsensors auf dem CMOS-Wafer erfolgt im MST Lab und Fab.

Foundry-Dienstleistungen im MST Lab&Fab

Neben vollständigen MEMS-Lösungen bietet Fraunhofer IMS auch Foundry-Dienstleistungen im Mikrosystemtechnik Lab&Fab an. Der Reinraum verfügt über Lithografie bis 0,35µm mit der Möglichkeit, Rückseite zu Vorderseite mit 200 nm Genauigkeit zu justieren. Neben den Standardlacken sind Lackdicken bis 40 µm möglich sowie Farblacke. Mit dedizierten Anlagen können bereits vollintegrierte Wafer verbunden (Direct-Wafer Bonding) oder vereinzelte Schaltungen auf Wafern (Chip to Wafer Bonding) gebondet werden. Für Plasmaprozesse stehen Sputtern (PVD), Plasma-unterstützte Abscheidung (PE-CVD) und Reaktives Ätzen (RIE) sowie Tiefenätzen (DRIE) zur Verfügung. Spezialitäten sind hier die Abscheidung von reinem Bor (pure boron) als ultradünne Passivierung oder Kontaktierung, Siliziumkarbid, Germanium sowie verschieden dotiertes, amorphes Silizium. Mittels Galvanik können Sichten und Strukturen bis zu 40 µm aus Gold, Kupfer, Zinn und Nickel erzeugt werden. Atomic Layer Deposition (ALD) eignet sich als hochkonforme, biokompatible Passivierung sowie aufgrund der hervorragenden Konformität für viele MEMS Applikationen. Hier sind sowohl eine Vielzahl von Oxiden und Nitriden als auch metallische Schichten wie Titannitrid und Ruthenium möglich.

Die Prozesse eignen sich aufgrund niedriger Temperatur alle zur Post-CMOS Integration. Umfangreiche Charakterisierung und Analytik unterstützen die Entwicklung und ermöglichen präzise Erzeugniskontrollen. Dazu verfügt das MST Lab & Fab über ein 3D-Mikroskop, ein Rasterkraftmikroskop (AFM), ein Elektronenmikroskop (REM) mit EDX, ein Rasterelektronenmikroskop für kritische Strukturen (CD-SEM), Ellipsometer und Profilometer.