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Praktische Durchführung

Die Strukturen des Biegeschwingers wurden in zwei verschiedenen Prozessen gefertigt, die sich im Aufwand der Ätzprozesse des Post-Processing unterscheiden. Die erste Fertigung erfolgte in einem Standard-CMOS-Prozess von der Firma X-Fab in Dresden. Der zweite Run fand bei MOSIS in den USA im Rahmen eines für MEMS angepassten CMOS-Prozesses statt.

1. MOSIS-Run – 1-Schritt-Post-Processing

Zur Isolation und als Passivierung wurden in beiden Prozessen flächendeckend mehrere Schichten Silizium-dioxid abgeschieden. Dieser Siliziumdioxid-Stapel kann in dem MEMS-Prozess von MOSIS bereits in der Fab an definierten Stellen bis auf das Substrat geöffnet werden. Die gewünschten Stellen werden über einen speziellen Layer im Layout des Chips festgelegt. Bei Auslieferung der Chips war die Substratoberfläche an den entsprechenden Stellen bereits freigelegt und konnte ohne weitere Vorbehandlung mit EDP geätzt werden. Der EDP-Ätzprozess führte mit einer glattwandigen Kavität sowie präzisen Membranstrukturen zu hervorragenden Resultaten (Bild 3). Aufnahmen im Rasterelektronenmikroskop unter verschiedenen Winkeln zeigten, dass die Membran vollständig unterätzt ist.

2. X-Fab-Run – 2-Schritt-Post-Processing

Da bei X-Fab ein Öffnen des Siliziumdioxid-Stapels in der Fab nicht möglich war, musste vor dem Ätzen der Kavität das Siliziumdioxid entfernt werden. Das Post-Processing bestand demzufolge aus zwei Schritten. Die nasschemischen Ätzversuche mit Amoniumfluorid führten bei einer Einwirkzeit, nach der das Siliziumdioxid vollständig entfernt war, zu mehr oder weniger starken Deplatzierung der Metallschichten, teilweise sogar zur vollständigen Ablösung einzelner Schichten. Mittels einer Kombination aus Reaktivem Ionen-Ätzen (RIE) und einem nachfolgenden nasschemischen Ätzvorgang konnte zwar eine bessere Kontrollierbarkeit erreicht werden, die Ergebnisse waren jedoch nicht zufrieden stellend reproduzierbar. Die EDP-Ätzung lieferte - sofern das Siliziumdioxid im vorhergehenden Ätzschritt rückstandslos entfernt wurde - eine mit den MOSIS-Chips vergleichbare Kavität. Die Membranstrukturen waren jedoch aufgrund der vorhergehenden Behandlung mit Amoniumfluorid nicht so präzise und scharfkantig.

3. Resultate des Post-Processing nach dem MOSIS-Run

Eine EDP-Ätzreihe mit mehreren Chips des jeweiligen Runs zeigte sowohl bei den MOSIS- als auch bei den X-Fab-Chips eine gute Reproduzierbarkeit in der Herstellung der Kavität.



Bild 3 Rasterelektronenmikroskop-Aufnahme eines μ-Wandlers aus dem MOSIS-Run


Bild 3 zeigt einen Wandler aus dem MOSIS-Run nach dem Post-Processing. Die ebenmäßigen Wände der Kavität und die präzisen Kanten der verschiedenen Membranschichten sind gut sichtbar. Auf dem Boden der Kavität ist mittig unterhalb der Membran ein bergförmiger Silizium-Rückstand zu erkennen. Aufnahmen unter einem steileren Winkel zeigen, dass dessen Spitze jedoch deutlich unterhalb der Membran liegt, so dass diese durchaus zu freien Schwingungen in der Lage wäre.


Messungen

Um Aufschlüsse auf Eigenschwingungen oder Verbiegungen durch Anlegen einer Spannung zu gewinnen und die Materialkonstanten wie E-Modul oder Steifigkeit der Membran zu ermitteln, soll der Chip in verschiedenen Untersuchungen unterzogen werden. Die beiden geplanten Versuche werden im folgenden kurz erläutert, da die Durchführung vor Abgabeschluss nicht mehr vollständige umgesetzt werden konnte.

1. Michelson Interferrometer

Zur Detektion von Eigenschwingungen oder einfachen Verbiegungen, soll der Chip in einen Versuchsaufbau mit einem Michelson-Interferrometer integriert werden. Hierbei wird mit einem Strahlenteiler und entsprechender Optik ein Teilstrahl auf die Membran des Wandlers gelenkt, der anschließend mit dem Direktstrahl überlagert wird. Eine Bewegung der Membran würde eine Veränderung im Interferrenzmuster der Strahlen verursachen. Bewegungen sind bis zu Größenordnung von 300 nm, der Wellenlänge des Lasers mit einem Oszilloskop sichtbar gemacht werden. Ergebnisse lagen bei Abgabeschluss leider noch nicht vor.

2. TriboIndenter

Weiterhin werden die Strukturen einer mechanischen und tribologischen Charakterisierung unterzogen werden, die Aufschluss auf Materialkonstanten (E-Modul, Steifigkeit) sowie Verbiegungen oder Eigen-schwingungen geben soll. Beide Charakterisierungen können mit dem „TriboIndenter“ der Firma Hysitron durchgeführt werden. Das transducer-basierte System überträgt eine Kraft auf die Probe, indem ein Diamantprobekörper definierter Geometrien in das zu untersuchende Material gedrückt wird. Hierbei lässt sich die Diamantspitze mit einer lateralen Genauigkeit von ca. 10 nm auf der Probenoberfläche positionieren, wobei die maximale Last 10 mN beträgt.
In einem quasi-statischen Test wurde für den quadratischen Biegeschwinger ein rampenförmiger Be- und Entlastungszyklus aufgenommen. Die Belastung wurde über 5 sec linear erhöht, dann für 2 sec konstant ge-halten und schließlich wieder für 5 sec linear reduziert. Anhand der resultierenden Kraft-Weg-Kurve (Bild 4) kann auf die mechanischen Eigenschaften der Probe geschlossen werden.


Bild 4 Kraft-Weg-Kurve der Biegeschwinger-Membran unter Belastungszyklus


Die Steigung der Hysterese-Kurve in Bild 4 stellt die Steifigkeit der Membran dar. Mit einem relativ niedrigen Wert von 0,416 μN/nm ist die Membran des Biegeschwingers verhältnismäßig steif.
Weitere dynamische Tests mit einer zusätzlichen sinusförmigen Kraftkomponente (möglicher Frequenz-bereich von 5-300 Hz) sind geplant. Darüber hinaus soll in tribologischen Untersuchungen die Membran durch oszillierende Belastungstests zu Resonanzschwingungen angeregt werden, um dadurch Aufschluss auf deren Resonanzfrequenz zu erzielen.