Halbleitertechnologie von A bis Z

Bulk Micromachining nutzt das Substrat selbst als Baumaterial: Es wird tief in den Wafer hineingeätzt, um dreidimensionale Strukturen wie Membranen, Kavitäten oder Gräben freizulegen. Das anisotrope KOH/TMAH-Ätzen aus einem früheren Kapitel ist ein klassisches Beispiel dafür – ebenso wie das DRIE-Verfahren, das noch steilere, tiefere Strukturen ermöglicht. Weil hier direkt im Kristall gearbeitet wird, lassen sich mit Bulk Micromachining vergleichsweise große, mechanisch robuste Strukturen erzeugen, oft mehrere zehn bis hunderte Mikrometer tief.

Der Nachteil: Bulk Micromachining verbraucht Wafer-Volumen und lässt sich nur eingeschränkt mit klassischer CMOS-Elektronik auf demselben Chip kombinieren, da die tiefen Ätzschritte empfindliche Schaltungsstrukturen beschädigen könnten. Zudem bestimmt die Kristallorientierung des Substrats maßgeblich die möglichen Formen – bei (100)-Silicium etwa immer den charakteristischen 54,74°-Winkel, sofern nicht auf DRIE zurückgegriffen wird.

Surface Micromachining geht den entgegengesetzten Weg: Statt in das Substrat hineinzuätzen, werden dünne Schichten auf der Waferoberfläche aufgebaut und wieder abgetragen – genau das Prinzip der Opferschichttechnik aus einem früheren Kapitel. Die eigentliche mechanische Struktur entsteht aus wenigen Mikrometern dicken, abgeschiedenen Schichten wie Polysilicium, nicht aus dem Substrat selbst.

Das erlaubt deutlich kleinere, feiner strukturierte Bauelemente und eine engere Integration mit klassischer CMOS-Elektronik auf demselben Chip, da die Fertigung mit ähnlichen Prozesstemperaturen und Werkzeugen wie die Standard-Halbleiterfertigung auskommt. Der Kompromiss: Die resultierenden Strukturen sind mechanisch weniger robust als bei Bulk Micromachining, da die dünnen Schichten geringeren Kräften standhalten, bevor sie brechen oder sich dauerhaft verformen.

Die Wahl zwischen beiden Ansätzen richtet sich vor allem danach, wie groß die benötigte Struktur ist und ob Elektronik auf demselben Chip integriert werden soll. Drucksensoren und Mikrofone, die eine vergleichsweise große, robuste Membran benötigen, greifen häufig auf Bulk Micromachining zurück. Beschleunigungssensoren mit feinen Kammstrukturen, bei denen die Auswerteelektronik direkt neben dem mechanischen Element sitzen soll, werden dagegen oft im Surface-Micromachining-Verfahren gefertigt.

In der Praxis kombinieren viele moderne MEMS-Bauelemente beide Ansätze: etwa eine per Bulk Micromachining freigelegte Kavität als Grundstruktur, auf der per Surface Micromachining feinere Sensorelemente aufgebaut werden.