Mikroelektromechanische Systeme (MEMS) haben sich für unzählige Branchen zu einer alles entscheidenden Technologie entwickelt – und ihr Marktvolumen wächst beständig weiter. MEMS sind kleine Bauelemente, die sowohl mechanische als auch elektronische Komponenten enthalten. Diese Bauelemente gibt es bereits seit mehreren Jahrzehnten und seit ihren Anfängen sind sie zu einer mehrere Milliarden Dollar schweren Sparte geworden. Ein grundlegendes Merkmal aller MEMS besteht darin, dass es sich nicht um Einzelgeräte bzw. -produkte handelt; stattdessen umfasst das MEMS-Konzept vielfältigste Herstellungstechniken bzw. Entwurfsprozesse, die zu unterschiedlichen Miniatursystemen führen. Eine weitere wesentliche Eigenschaft von MEMS bildet der Umstand, dass es sich nicht um serienmäßig produzierte, sondern um individuell auf ihre Anwendung hin entworfene bzw. gefertigte Produkte handelt. Sehen wir uns an, wie einzelne MEMS mithilfe bestimmter Verfahren hergestellt werden.

Was sind MEMS?

MEMS sind Kombinationen elektronischer und mechanischer Komponenten, deren Zusammenwirken kleine integrierte Bauelemente mit spezifischen Funktionen ermöglicht. MEMS gibt es in verschiedensten Formen und Größen und sie nutzen für ihre jeweiligen Systeme zahlreiche unterschiedliche Materialien und Komponenten. Um als „Mikrosystem“ eingestuft zu werden, dürfen die einzelnen MEMS-Bauelemente nicht größer sein als wenige Mikrometer. Abhängig von der Anzahl der gemeinsam verbauten Komponenten, kann die Größe funktionsfähiger MEMS-Bauelemente jedoch zwischen wenigen Mikrometern und mehreren Millimetern betragen.

Obwohl unzählige spezifische Geräte MEMS verwenden, enthalten alle MEMS-Bauelemente die eine oder andere Kombination aus mechanischen Mikrostrukturen, Mikrosensoren, Mikroaktoren und Mikroelektronik, die in Siliziumchips integriert sind. Innerhalb dieser allgemeinen Bauelemente-Bereiche bestehen MEMS aber noch aus vielen spezifischen Komponenten, denen sie ihre jeweiligen Eigenschaften verdanken, beispielsweise Hebel, Zahnräder, Kolben und Motoren. Diese einzelnen Komponenten werden je nach der vorgesehenen Funktion aus vielen verschiedenen Materialien hergestellt und umfassen in der Regel Folgendes:

• Silizium
• Siliziumbasierte Materialien wie Siliziumoxid, Siliziumnitrid oder Siliziumkarbid
• Dünne Metallbeschichtungen
• Polymere
• Glas
• Verschmolzene Quarzsubstrate
• Diamant
• Galliumarsenid
• Andere III-V-Verbindungshalbleiter und Formgedächtnis-Legierungen

Die Kombination von Komponenten, die mit MEMS möglich ist, bedeutet, dass die Bauelemente auf der Mikroebene messen, steuern und betätigen können, aber auf der Makroebene operative Effekte zeigen. Die Makroauswirkungen sind dabei die Summe der einzelnen Mikrokomponenten, deren Zusammenspiel spezifische Funktionen ermöglicht. Da MEMS aus derart vielen unterschiedlichen Komponenten bestehen, ist ihr Anwendungsbereich äußerst umfangreich, umfasst in der Regel jedoch verschiedenste Sensoren, Aktuatoren und Transducer für breitgefächerte technische bzw. wissenschaftliche Anwendungen.

MEMS-Herstellungsverfahren

Aufgrund der breiten Palette potenzieller Materialien und der Unmenge an Komponenten, die für MEMS infrage kommen, können zahlreiche Herstellungsverfahren Verwendung finden. Im Wesentlichen werden die elektronischen Bauelemente mithilfe von IC-Batch-Verfahren unter Einbeziehung integrierter Schaltungen hergestellt, während die mechanischen Teile mithilfe mikromechanischer Methoden erzeugt werden. Nichtsdestotrotz kommen heutzutage verschiedenste fortschrittliche Herstellungstechniken zum Einsatz, die durch Innovationen bei verfahrenstechnischen Instrumenten und durch hochpräzise Mikrofabrikationsmethoden möglich wurden, darunter sowohl lithographische als auch nicht-lithographische Anwendungen.

Die zur Erzeugung von MEMS eingesetzten mikromechanischen Verfahren ähneln den herkömmlichen Bearbeitungsmethoden, indem sie Werkstoffen spezifische Merkmale verleihen. Doch gibt es durchaus Unterschiede, da es Mikromaterialbearbeitungen ermöglichen, auf ein und demselben Wafer identische Merkmale tausendfach simultan zu erzeugen sowie zahlreiche Wafer gleichzeitig herzustellen. Der zweite wesentliche Unterschied besteht darin, dass Mikrobearbeitungsmethoden den Materialien Merkmale verleihen können, die mindestens um eine Größenordnung kleiner sind als herkömmliche Bearbeitungsmethoden.

Hinsichtlich der grundlegenderen Bearbeitungswerkzeuge kommen mehrere unterschiedliche Methoden zum Einsatz. Beispielsweise dienen Verfahren wie Epitaxie, Sputtern, Verdampfen, chemische Gasphasenabscheidungen oder Aufschleudern ausnahmslos dazu, dünne Beschichtungen aus Halbleitern, Metallen, Isolatoren oder Polymeren aufzutragen.

Demgegenüber werden lithographische Methoden dafür verwendet, lichtempfindliche Polymerbeschichtungen auf MEMS-Bauelemente aufzutragen, um diese anschließend im Mikrobereich wegzuätzen und so spezifische Muster bzw. Merkmale zu erzeugen. Beim Ätzen selbst kommen bei der Herstellung von MEMS sowohl Trocken- als auch Nassätzverfahren zum Einsatz. Beim elektrochemischen Ätzen ist Trockenätzen am verbreitetsten, doch wird Material auch mittels Plasmaätzen, reaktivem Ionenätzen und isotropem Nassätzen selektiv entfernt.

Zudem stehen zahlreiche fortschrittliche Bearbeitungsmethoden zur Verfügung, die keinerlei lithographische Techniken notwendig machen, um spezifische Merkmale, Muster oder Geometrien auf den einzelnen MEMS-Materialien bzw. -Bauelementen zu erzeugen. Beispielsweise ist es mithilfe der hochpräzisen maschinellen Bearbeitung möglich, Silizium und anderen Metallen bestimmte Formen und Merkmale in Größen von unter einem Mikrometer zu verleihen. Mithilfe dieser bedeutenden, nicht-lithographischen Methode lassen sich Formen wie retrograde Hinterschneidungen mit flachen Seitenwänden erzeugen, die mithilfe lithographischer Methoden schlicht unmöglich sind.

Eine weitere fortschrittliche Bearbeitungsmethode ist die Laserbearbeitung, die zur Erzeugung von Siliziumchips verwendet werden kann, aber auch beim Abtragen von Material und/oder beim Lochen von Metall, Keramik und Kunststoff zum Einsatz kommt. Demgegenüber bearbeiten Ultraschallbearbeitungsmethoden harte bzw. spröde Materialien wie Glas, Keramik oder Diamant mithilfe von Ultraschallwellen, während die elektrische Entladungsbearbeitung elektrische Entladungen einsetzt, um geringe Mengen leitfähigen Materials abzutragen. Neben diesen Verfahren gibt es noch andere, weniger verbreitete fortschrittliche Bearbeitungs- und Materialabtragungsmethoden, die kleine Merkmale und Muster erzeugen, darunter der Mikrokontaktdruck, die Nanopräge-Lithographie oder das Heißprägen.

Abgesehen von besagten Bearbeitungsmethoden kommen für spezifische Aufgabenstellungen weitere fortschrittliche Herstellungsverfahren zum Einsatz. Beispielsweise wird anodisches Bonden dazu verwendet, Siliziumwafer mit Glassubstraten zu verbinden, während direktes Bonden dazu dient, zwei Siliziummaterialien miteinander zu verschmelzen. Sol-Gel-Ablagerungsverfahren kommen bei der Beschichtung von MEMS-Bauelementen zum Einsatz, um für optische Absorption oder Gradientenindex-Entspiegelung zu sorgen. Darüber hinaus werden mithilfe galvanischer Methoden dünne Metallbeschichtungen erzeugt, beispielsweise aus Gold, Kupfer, Nickel oder Nickel-Eisen.

Fazit

Bei MEMS handelt es sich um weitverbreitete, mikroskopisch kleine Bauelemente, die seit vielen Jahren zum Einsatz kommen. Wie bei anderen gängigen Technologien stehen auch für die Herstellung von MEMS zahlreiche unterschiedliche Methoden zur Verfügung. Aufgrund der Vielzahl der dafür verwendeten Materialien und Komponenten ist die Herstellung von MEMS umfangreicher als die zahlreicher anderer Bauelemente im Kleinstformat. Gerade die Kombination unterschiedlichster Herstellungsverfahren hat dazu beigetragen, dass MEMS in unzähligen Anwendungen Verwendung finden. Aufgrund der Tatsache, dass die Fertigungsmethoden immer ausgefeilter und ihre Auflösungen immer engmaschiger werden, sind in Verbindung mit MEMS immer kleinere Merkmale bzw. Komponenten möglich.