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Mechanische Strukturierung von Silizium-Einzelchips

Stefanova, Nataliya and Meiss, Thorsten and Werthschützky, Roland (2013):
Mechanische Strukturierung von Silizium-Einzelchips.
In: MikroSystemTechnik Kongress 2013, Aachen, Deutschland, 14.-16. Oktober 2013, [Conference or Workshop Item]

Abstract

Mit dem Fortschritt der Technologien steigen die Anforderungen an die Miniaturisierung der Sensoren. Für besonders kleine Sensoren, z.B. zur Anwendung in der Medizintechnik, wird die Auswerteelektronik direkt auf dem Sensor-Chip strukturiert. Aufgrund der hohen Kosten zur Herstellung von integrierter Elektronik werden die sogenannten Multi-Projekt-Wafer angeboten (MPW) um die Kosten für Chipentwicklung bei Prototypen zu verringern. Hierbei erhält der Chipdesigner nur Siliziumstückchen von begrenzter Größe, wodurch eine weitere mechanische Strukturierung zum Sensor nicht mehr konventionell im Waferverbund möglich ist. Zur Strukturierung des mechanischen Grundkörpers wird deshalb nach geeigneten Verfahren geforscht, die eine Strukturierung am Einzelchip ermöglichen.

Neben dem klassischen Verfahren der Volumen-Mikromechanik stellen konventionelle Verfahren wie Laserbearbeitung, Mikrofunkenerosion und Ultraschallbearbeitung eine Alternative dar. Zur Auswahl eines Strukturierungsverfahrens wurden Kriterien abgeleitet, anhand deren eine Bewertung durchgeführt wurde.

Die Laserbearbeitung mittels Ultrakurzpulslaser hat sich aufgrund ihrer hohen Prozessflexibilität, guten Bearbeitungsqualität und geringer thermischer Belastung als geeignetes Verfahren für Strukturierung am Einzelchip erwiesen. Damit lassen sich ohne aufwendige Prozessschritte komplexe Formen herstellen. Dieses Verfahren ist von der Leitfähigkeit des Materials unabhängig und wegen der kontaktlosen Bearbeitung wird das Material mechanisch nicht belastet. Im Gegensatz zur klassischen Volumen-Mikromechanik sind keine Lithographie- und Maskierungsschichten notwendig.

Mittels eines Ultrakurzpulslasers wird eine Grube auf der Rückseite eines CMOS-Silizium-Chips strukturiert. Zur Charakterisierung des Einflusses der Laserbearbeitung auf die integrierte Elektronik werden Messungen an Testchips mit p-MOS-Transistoren durchgeführt. Ein wichtiger elektrischer Parameter der MOS-Transistoren ist die Schwellenspannung (Threshold-Spannung Uth). Diese wird vor und nach der Bearbeitung des Chips gemessen und analysiert. Es konnte nachgewiesen werden, dass die Laserbearbeitung eine minimale Änderung der Schwellenspannung verursacht. Damit bleibt die Elektronik funktionstüchtig.

Neben der prinzipiellen Eignung des Verfahrens sind weitere Verbesserungen anzustreben. Zum einen müssen Materialablagerungen auf der Chipoberfläche reduziert werden. Zu deren Beseitigung ist eine Nachreinigung der Chipoberfläche erforderlich. Zum anderen kann die Steilheit der konisch verlaufenden Flanken gesteigert werden. Für einen rechtwinkligen Flankenverlauf ist eine Trepanieroptik anzuwenden.

Die Erkenntnis dieser Untersuchung zeigt, dass der Einsatz der Lasertechnologie in Hinsicht auf eine wirtschaftliche und präzise Mikrochipbearbeitung von immer größerer Bedeutung ist.

Item Type: Conference or Workshop Item
Erschienen: 2013
Creators: Stefanova, Nataliya and Meiss, Thorsten and Werthschützky, Roland
Title: Mechanische Strukturierung von Silizium-Einzelchips
Language: German
Abstract:

Mit dem Fortschritt der Technologien steigen die Anforderungen an die Miniaturisierung der Sensoren. Für besonders kleine Sensoren, z.B. zur Anwendung in der Medizintechnik, wird die Auswerteelektronik direkt auf dem Sensor-Chip strukturiert. Aufgrund der hohen Kosten zur Herstellung von integrierter Elektronik werden die sogenannten Multi-Projekt-Wafer angeboten (MPW) um die Kosten für Chipentwicklung bei Prototypen zu verringern. Hierbei erhält der Chipdesigner nur Siliziumstückchen von begrenzter Größe, wodurch eine weitere mechanische Strukturierung zum Sensor nicht mehr konventionell im Waferverbund möglich ist. Zur Strukturierung des mechanischen Grundkörpers wird deshalb nach geeigneten Verfahren geforscht, die eine Strukturierung am Einzelchip ermöglichen.

Neben dem klassischen Verfahren der Volumen-Mikromechanik stellen konventionelle Verfahren wie Laserbearbeitung, Mikrofunkenerosion und Ultraschallbearbeitung eine Alternative dar. Zur Auswahl eines Strukturierungsverfahrens wurden Kriterien abgeleitet, anhand deren eine Bewertung durchgeführt wurde.

Die Laserbearbeitung mittels Ultrakurzpulslaser hat sich aufgrund ihrer hohen Prozessflexibilität, guten Bearbeitungsqualität und geringer thermischer Belastung als geeignetes Verfahren für Strukturierung am Einzelchip erwiesen. Damit lassen sich ohne aufwendige Prozessschritte komplexe Formen herstellen. Dieses Verfahren ist von der Leitfähigkeit des Materials unabhängig und wegen der kontaktlosen Bearbeitung wird das Material mechanisch nicht belastet. Im Gegensatz zur klassischen Volumen-Mikromechanik sind keine Lithographie- und Maskierungsschichten notwendig.

Mittels eines Ultrakurzpulslasers wird eine Grube auf der Rückseite eines CMOS-Silizium-Chips strukturiert. Zur Charakterisierung des Einflusses der Laserbearbeitung auf die integrierte Elektronik werden Messungen an Testchips mit p-MOS-Transistoren durchgeführt. Ein wichtiger elektrischer Parameter der MOS-Transistoren ist die Schwellenspannung (Threshold-Spannung Uth). Diese wird vor und nach der Bearbeitung des Chips gemessen und analysiert. Es konnte nachgewiesen werden, dass die Laserbearbeitung eine minimale Änderung der Schwellenspannung verursacht. Damit bleibt die Elektronik funktionstüchtig.

Neben der prinzipiellen Eignung des Verfahrens sind weitere Verbesserungen anzustreben. Zum einen müssen Materialablagerungen auf der Chipoberfläche reduziert werden. Zu deren Beseitigung ist eine Nachreinigung der Chipoberfläche erforderlich. Zum anderen kann die Steilheit der konisch verlaufenden Flanken gesteigert werden. Für einen rechtwinkligen Flankenverlauf ist eine Trepanieroptik anzuwenden.

Die Erkenntnis dieser Untersuchung zeigt, dass der Einsatz der Lasertechnologie in Hinsicht auf eine wirtschaftliche und präzise Mikrochipbearbeitung von immer größerer Bedeutung ist.

Uncontrolled Keywords: Silizium-Einzelchip, Laserbearbeitung, CMOS-Chip, mechanische Strukturierung, MOS-Transistor
Divisions: 18 Department of Electrical Engineering and Information Technology > Institute for Electromechanical Design > Measurement and Sensor Technology
18 Department of Electrical Engineering and Information Technology > Institute for Electromechanical Design
18 Department of Electrical Engineering and Information Technology
Event Title: MikroSystemTechnik Kongress 2013
Event Location: Aachen, Deutschland
Event Dates: 14.-16. Oktober 2013
Date Deposited: 13 Mar 2015 10:23
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