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E-Book

Mikrosystemtechnik für Ingenieure

AutorOliver Paul, Wolfgang Menz
VerlagWiley-VCH
Erscheinungsjahr2012
Seitenanzahl592 Seiten
ISBN9783527663477
FormatPDF
KopierschutzDRM
GerätePC/MAC/eReader/Tablet
Preis79,99 EUR
Die dritte Auflage des mittlerweile zum Standardwerk gereiften Lehrbuchs trägt den rasanten Entwicklungen in diesem interdisziplinären Gebiet umfassend Rechnung. Insbesondere die Kapitel Siliziumtechnik, Materialien und Alternative Technologien wurden stark erweitert. Außerdem sind neue Anwendungsaspekte hinzugekommen. Somit schlägt dieses Lehrbuch weiterhin in einzigartiger Weise den Bogen von den Grundlagen der Mikrosystemtechnik bis hin zu den aktuellen Anwendungen in einer Vielzahl von High-Tech Entwicklungen.

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Inhaltsverzeichnis
Title page5
Inhalt7
Vorwort17
1 Allgemeine einführung in die mikrostrukturtechnik19
1.1 Was ist mikrostrukturtechnik?19
1.2 Von der mikrostrukturtechnik zur mikrosystemtechnik27
2 Parallelen zur mikroelektronik33
2.1 Herstellung von einkristallscheiben33
2.1.1 Herstellung von silizium-einkristallen35
2.1.1.1 Tiegelziehverfahren (czochralski-verfahren)37
2.1.1.2 Zonenziehverfahren (float-zone-verfahren)39
2.1.1.3 Segregation41
2.1.1.4 Weiterverarbeitung der ingots43
2.1.2 Herstellung von gaas-einkristallen46
2.1.2.1 Bridgmanund gradient-freeze-verfahren46
2.1.2.2 Lec-verfahren (liquid encapsulated czochralski)48
2.2 Technologische grundprozesse49
2.2.1 Herstellung eines integrierten schaltkreises51
2.2.1.1 Reinigung51
2.2.1.2 Oxidation52
2.2.1.3 Photolithographie52
2.2.1.4 Ionenimplantation und diffusion53
2.2.1.5 Ätzen53
2.2.1.6 Beschichtung54
2.3 Weiterverarbeitung der integrierten schaltungen54
2.3.1 Anforderungen an die aufbauund verbindungstechnik55
2.3.2 Hybridtechniken56
2.3.2.1 Dickschichttechnik56
2.3.2.2 Bestücken und löten der schaltung57
2.3.2.3 Montage und kontaktierung ungehäuster halbleiterbauelemente58
2.4 Reinraumtechnik59
2.4.1 Partikelmessung im reinraum63
2.5 Punktfehler und ausbeute bei halbleiterbauelementen63
3 Physikalische und chemische grundlagen der mikrotechnik67
3.1 Kristalle und kristallographie67
3.1.1 Gitter und gittertypen68
3.1.2 Stereographische projektion70
3.1.3 Silizium-einkristall74
3.1.4 Reziprokes gitter und kristallstrukturanalyse76
3.2 Methoden zur bestimmung der kristallstruktur83
3.2.1 Röntgenstrahlbeugung83
3.2.2 Elektronenstrahlbeugung85
3.3 Grundlagen der galvanischen abscheidung87
3.3.1 Phasengrenze elektrode-elektrolyt90
3.3.1.1 Elektrisches und elektrochemisches potential90
3.3.2 Polarisation und überspannung93
3.3.3 Mechanismen der kathodischen metallabscheidung95
3.3.3.1 Migration97
3.3.3.2 Diffusion98
3.3.3.3 Konvektion98
3.3.3.4 Stofftransportvorgänge während der mikrogalvanoformung101
3.4 Grundlagen der vakuumtechnik102
3.4.1 Mittlere freie weglänge102
3.4.2 Wiederbedeckungszeit104
3.4.3 Geschwindigkeit von atomen und molekülen105
3.4.4 Gasdynamik107
3.4.5 Die einteilung des technischen vakuums107
3.5 Vakuumerzeugung109
3.5.1 Pumpen für grobund feinvakuum109
3.5.1.1 Verdränger-vakuumpumpen109
3.5.2 Hochvakuumund ultrahochvakuumpumpen111
3.5.2.1 Treibmittelvakuumpumpen113
3.5.2.2 Gas bindende vakuumpumpen (sorptionspumpen)114
3.6 Vakuummessung117
3.6.1 Druckmessdose117
3.6.2 Wärmeleitungsvakuummeter117
3.6.3 Reibungsvakuummeter118
3.6.4 Ionisationsvakuummeter mit unselbständiger entladung (glühkathode)118
3.6.5 Ionisationsvakuummeter mit selbständiger entladung (penning-prinzip)119
3.6.6 Leckage und lecksuche120
3.7 Eigenschaften von dünnschichten121
3.7.1 Strukturzonenmodelle121
3.7.2 Haftfestigkeit der schicht124
4 Materialien der mikrosystemtechnik127
4.1 Materialeigenschaften129
4.1.1 Thermische eigenschaften130
4.1.1.1 Wärmeleitfähigkeit131
4.1.1.2 Spezifische wärme131
4.1.1.3 Latente wärme132
4.1.1.4 Wärmeausdehnungskoeffizient132
4.1.2 Elektrische eigenschaften133
4.1.2.1 Elektrische leitfähigkeit133
4.1.2.2 Dielektrische konstante134
4.1.2.3 Thermoelektrizität134
4.1.2.4 Piezoresistivität135
4.1.3 Mechanische eigenschaften137
4.2 Kunststoffe138
4.2.1 Ordnung der makromoleküle139
4.2.2 Polymere für die lithographie140
4.2.3 Flüssigkristalle142
4.2.4 Flüssigkristalline polymere143
4.2.5 Gele145
4.2.6 Elektrorheologische flüssigkeiten147
4.3 Halbleiter149
4.4 Keramiken152
4.4.1 Keramik als substrat152
4.4.2 Keramik als material für aktoren153
4.4.3 Keramik als material für gassensoren153
4.5 Metalle154
4.5.1 Magnetostriktive metalle155
4.5.2 Anwendungen der magnetostriktion157
4.5.3 Formgedächtnis-legierungen158
4.5.3.1 Einwegeffekt159
4.5.3.2 Zweiwegeffekt160
4.5.3.3 Unterdrücktes formgedächtnis161
4.5.3.4 Einsatz als aktoren162
4.5.3.5 Herstellung162
4.5.3.6 Eigenschaften der formgedächtnis-legierungen163
5 Basistechnologien der mikrotechnik165
5.1 Schichtabscheidung165
5.1.1 Physikalische beschichtungstechniken165
5.1.1.1 Aufdampfen165
5.1.1.2 Sputtern (kathodenzerstäuben)169
5.1.1.3 Ionenplattieren171
5.1.2 Chemische beschichtungstechniken172
5.1.2.1 Cvd-verfahren172
5.1.2.2 Epitaxie178
5.1.2.3 GaAs-epitaxie181
5.1.2.4 Plasmapolymerisation181
5.2 Schichtmodifikation182
5.2.1 Thermische oxidation182
5.2.2 Diffusion183
5.2.3 Ionenimplantation185
5.3 Schichtabtragung (ätzen)186
5.3.1 Physikalische und chemische trockenätzverfahren188
5.3.1.1 Plasmaquellen190
5.3.1.2 Charakteristika der rein physikalischen ätzprozesse191
5.3.1.3 Kombination chemischer und physikalischer ätzprozesse196
5.3.1.4 Charakteristika des reaktiven ionenund ionenstrahlätzens198
5.3.1.5 Das rein chemische ätzen199
5.4 Analyse von dünnschichten und oberflächen202
5.4.1 Elektronenstrahl-mikroanalyse (electron probe microanalysis, epm)203
5.4.2 Auger-elektronenspektroskopie (AES)204
5.4.3 Photoelektronenspektroskopie (electron spectroscopy for chemical analysis, esca)205
5.4.4 Sekundärionen-massenspektrometrie (SIMS)206
5.4.5 Sekundär-neutralteilchen-massenspektrometrie (SNMS)206
5.4.6 Ionen-streuspektroskopie (ISS)207
5.4.7 Rutherford-rückstreuungsspektroskopie (rutherford backscattering spectroscopy, RBS)207
5.4.8 Rastertunnelmikroskop (atomic force microscope, AFM)208
6 Lithographie209
6.1 Überblick und historie209
6.2 Resists214
6.3 Verfahren der lithographie216
6.3.1 Computer aided design (CAD)217
6.3.1.1 Cad-entwurf218
6.3.1.2 Justiermarken und teststrukturen220
6.3.1.3 Organisation des entwurfs (hierarchie, layers)221
6.4 Elektronenstrahllithographie223
6.4.1 Gauß’scher strahl224
6.4.2 Geformter strahl229
6.4.3 Postprozessor231
6.5 Proximity-effekt232
6.6 Optische lithographie234
6.6.1 Masken235
6.6.2 Schattenprojektion236
6.6.3 Abbildende projektion239
6.6.3.1 Ganzscheiben-belichtung240
6.6.3.2 Moderne lithographiemaschinen241
6.7 Weiterentwicklungen242
6.7.1 Phasenmasken242
6.7.2 Spezielle resisttechnologien243
6.7.3 Optische lithographie für die mikrostrukturtechnik244
6.8 Ionenstrahllithographie249
6.9 Röntgenlithographie250
6.9.1 Masken für die röntgenlithographie251
6.9.2 Röntgenlichtquellen252
6.9.3 Synchrotronstrahlung253
6.9.4 Einsatz der röntgenlithographie258
7 Silizium-mikromechanik259
7.1 Siliziumtechnologie260
7.1.1 IC-prozesse und -substrate261
7.1.2 Foundry-technologien265
7.2 Silizium-bulk-mikromechanik266
7.2.1 Einleitung266
7.2.1.1 Ätzrate und anisotropie268
7.2.1.2 Selektivität269
7.2.1.3 Prozesskompatibilität269
7.2.1.4 Einfachheit der verwendung und sicherheit270
7.2.1.5 Kosten271
7.2.2 Nasschemisches ätzen271
7.2.2.1 Hna-ätzlösungen271
7.2.2.2 Alkalihydroxid-ätzlösungen273
7.2.2.3 Ammoniumhydroxid-ätzlösungen277
7.2.2.4 Ethylendiamin-brenzkatechin-ätzlösungen278
7.2.3 Grundlegende ätzformen279
7.2.3.1 Ätzgruben und -gräben280
7.2.3.2 Membranen282
7.2.3.3 Mesas und spitzen282
7.2.3. 4 Cantilever283
7.2.3. 5 Brücken285
7.2.4 Ätzkontrolle286
7.2.4.1 Ätzstoppmechanismen286
7.2.4.2 Elektrochemisches siliziumätzen289
7.2.4.3 Elektrochemische siliziumporosifizierung291
7.2.5 Charakterisierung von anisotropen nassätzmitteln292
7.2.6 Trockenätzen294
7.2.6.1 Xef2-ätzen294
7.6.2.2 Fertigung von mikrostrukturen mit hohem aspektverhältnis297
7.2.6.3 Anwendungen von trockenem siliziumätzen299
7.3 Oberflächenmikromechanik303
7.3.1 Polysilizium-mikromechanik305
7.3.2 Opferaluminium-mikromechanik308
7.3.3 Opferpolymer-mikromechanik310
7.3.4 Sticking311
7.4 Mikrowandler und -systeme in der siliziumtechnologie312
7.4.1 Mechanische bauteile und systeme313
7.4.1.1 Drucksensoren314
7.4.1.2 Beschleunigungssensoren316
7.4.1.3 Drehratensensoren318
7.4.1.4 Stresssensoren320
7.4.2 Thermische mikrobauteile und -systeme322
7.4.2.1 Temperaturmessung322
7.4.2.2 Durchflusssensoren326
7.4.2.3 Vakuumund drucksensoren329
7.4.3 Komponenten und systeme für strahlungssignale331
7.4.3.1 Ungekühlte infrarotdetektoren331
7.4.3.2 Thermische szenensimulatoren334
7.4.3.3 Lichtschalter334
7.4.4 Magnetische bauteile und systeme337
7.4.5 Chemische mikrosensoren339
7.4.5.1 Mikrofluidische komponenten und systeme342
7.4.6 Mikromechanische bauteile für die signalverarbeitung344
7.5 Zusammenfassung und ausblick346
8 LIGA-verfahren347
8.1 Überblick347
8.2 Maskenherstellung349
8.2.1 Prinzipieller aufbau einer maske349
8.2.1.1 Absorber349
8.2.1.2 Trägerfolie350
8.2.2 Herstellung der trägerfolien352
8.2.3 Strukturierung des resists für röntgenzwischenmasken353
8.2.3.1 Optische lithographie353
8.2.3.2 Direkte elektronenstrahllithographie354
8.2.3.3 Reaktives ionenätzen355
8.2.3.4 Vergleich der strukturierungsmethoden zur herstellung von zwischenmasken355
8.2.4 Goldgalvanik für röntgenmasken355
8.2.5 Herstellung von arbeitsmasken357
8.2.6 Justieröffnungen in röntgenarbeitsmasken358
8.3 Röntgentiefenlithographie359
8.3.1 Herstellung von dicken resistschichten359
8.3.1.1 Strahleninduzierte reaktionen und entwicklung des resists361
8.3.2 Anforderungen an die absorbierte strahlendosis365
8.3.3 Einflüsse auf die strukturqualität368
8.3.3.1 Fresnel-beugung, photoelektronen369
8.3.3.2 Divergenz der strahlung371
8.3.3.3 Neigung der absorberwände zum strahl372
8.3.3.4 Fluoreszenzstrahlung aus der maskenmembran372
8.3.3.5 Erzeugung von sekundärelektronen aus der haftund galvanikstartschicht372
8.3.3.6 Quellen des resists374
8.4 Galvanische abscheidung374
8.4.1 Galvanische abscheidung von nickel für die mikrostrukturherstellung375
8.4.2 Formeinsatzherstellung für die mikroabformung379
8.4.3 Galvanische abscheidung weiterer metalle und legierungen380
8.5 Kunststoffabformung im liga-verfahren382
8.5.1 Herstellung von mikrostrukturen im reaktionsgießverfahren383
8.5.2 Herstellung von mikrostrukturen im spritzgießverfahren386
8.5.3 Herstellung von mikrostrukturen im heißprägeverfahren392
8.5.4 llung von metallischen mikrostrukturen aus abgeformten kunststoffstrukturen (zweite galvanoformung)395
8.5.4.1 Zweite galvanoformung geprägter mikrostrukturen395
8.5.4.2 Zweite galvanoformung mit hilfe einer metallischen angussplatte395
8.5.4.3 Zweite galvanoformung mit hilfe elektrisch leitfähiger kunststoffe397
8.5.4.4 Zweite galvanoformung durch beschichtung der kunststoffstrukturen399
8.6 Variationen und ergänzende schritte des liga-verfahrens400
8.6.1 Opferschichttechnik400
8.6.2 3d-strukturierung403
8.6.2.1 Gestufte strukturen403
8.6.2.2 Geneigte strukturen405
8.6.2.3 Konische strukturen und strukturen mit sphärischer oberfläche406
8.6.2.4 Herstellung von strukturen mit beweglicher maske407
8.6.3 Herstellung licht leitender strukturen durch abformung409
8.7 Protonenlithographie (DLP) – ein weiteres strukturierungsverfahren zur herstellung von mikrostrukturen mit großem aspektverhältn412
8.8 Anwendungsbeispiele417
8.8.1 Starre metallische mikrostrukturen418
8.8.1.1 Filter für das ferne infrarot418
8.8.1.2 Mikrospulen419
8.8.1.3 Mikrozahnräder, mikrogetriebe421
8.8.2 Bewegliche mikrostrukturen, mikrosensoren, mikroaktoren421
8.8.2.1 Beschleunigungssensoren422
8.8.2.2 Elektrostatischer linearantrieb424
8.8.2.3 Elektromagnetischer linearaktor425
8.8.2.4 Mikroturbine, strömungssensoren, mikrofräser430
8.8.2.5 Mikromotoren431
8.8.3 Fluidische mikrostrukturen434
8.8.3.1 Mikrostrukturierte fluidplatten434
8.8.3.2 Mikropumpen nach dem liga-verfahren434
8.8.3.3. Mikrofluidische schalter434
8.8.3.4 Mikrofluidische linearaktoren436
8.8.4 Liga-strukturen für optische anwendungen437
8.8.4.1 Einfache optische elemente – linsen, prismen438
8.8.4.2 Mikrooptische bank440
8.8.4.3 Mikrooptische bänke mit aktoren444
8.8.4.4 Funktionsmodule mit optisch aktiven elementen – modulares aufbaukonzept449
9 Alternative verfahren der mikrostrukturierung455
9.1 Ultrapräzisionsmikrobearbeitung456
9.1.1 Anwendungsbeispiele461
9.1.1.1 Mikrowärmeüberträger461
9.1.1.2 Mikroreaktoren463
9.1.1.3 Retrospiegel464
9.1.1.4 Mikropumpen465
9.2 Mikrofunkenerosion466
9.2.1 Physikalisches prinzip466
9.2.1.1 Aufbauphase468
9.2.1.2 Entladephase469
9.2.1.3 Abbauphase469
9.2.2 Funkenerosive bearbeitung keramischer werkstoffe470
9.2.2.1 Siliziuminfiltriertes siliziumcarbid (SiSiC)471
9.2.2.2 Siliziumnitrid (Si3N4)472
9.2.2.3 Elektrisch nicht leitfähige keramiken472
9.2.3 Verfahrensvarianten473
9.2.3.1 Funkenerosives senken473
9.2.3.2 Funkenerosives schneiden474
9.2.4 Anwendungsbeispiele477
9.3 Präzisionselektrochemische mikrobearbeitung479
9.3.1 Vorgänge im bearbeitungsspalt480
9.3.1.1 Spannungsabfall480
9.3.1.2 Anodische metallauflösung482
9.3.2 Elektrolytlösungen484
9.3.2.1 Kenngrößen der elektrolytlösungen486
9.3.3 Untersuchungen verschiedener werkstoffe487
9.3.3.1 Eisen, eisenlegierungen und stähle487
9.3.3.2 Titan und titanlegierungen488
9.3.3.3 Hartmetalle488
9.3.4 ECM-senken mit oszillierender werkzeugelektrode489
9.3.4.1 Prozesskenngrößen489
9.3.4.2 Darstellung der vorgänge im arbeitsspalt490
9.3.4.3 Werkzeugelektrodenwerkstoffe491
9.3.5 Elektrochemische bearbeitungsverfahren in der mikrosystemtechnik492
9.3.5.1 Elektrochemisches mikrobohren492
9.3.5.2 Elektrochemisches mikrodrahtschneiden492
9.3.5.3 Elektrochemisches mikrofräsen493
9.3.5.4 Weitere anwendungsbeispiele des verfahrens in der mikrosystemtechnik494
9.4 Replikationstechniken496
9.4.1 Spritzgießen496
9.4.2 Heißprägen498
9.5 Laserunterstützte verfahren500
10 Aufbauund verbindungstechniken503
10.1 Hybridtechniken504
10.1.1 Substrate und pasten504
10.1.2 Schichterzeugung507
10.1.2.1 Trocknen und einbrennen der pasten508
10.1.3 Bestücken und löten der schaltung508
10.1.4 Montage und kontaktierung ungehäuster halbleiterbauelemente511
10.2 Drahtbondtechniken511
10.2.1 Thermokompressionsdrahtbonden (warmpressschweißen)512
10.2.2 Ultraschalldrahtbonden (ultraschallschweißen)513
10.2.3 Thermosonicdrahtbonden (ultraschallwarmschweißen)513
10.2.4 Ball-wedge-bonden (kugel-keil-schweißen)514
10.2.5 Wedge-wedge-bonden (keil-keil-schweißen)515
10.2.6 Vor- und nachteile der einzelnen drahtbondverfahren516
10.2.7 Prüfverfahren und alternativen517
10.3 Alternative kontaktierungstechniken518
10.3.1 Tab-technik518
10.3.2 Flip-chip-technik519
10.3.3 Entwicklung neuer kontaktierungssysteme521
10.4 Kleben521
10.4.1 Isotropes kleben522
10.4.2 Anisotropes kleben523
10.5 Anodisches bonden525
11 Systemtechnik529
11.1 Definition eines mikrosystems529
11.2 Sensoren531
11.3 Aktoren535
11.4 Signalverarbeitung537
11.4.1 Signalverarbeitung für sensoren in mikrosystemen537
11.4.2 Neuronale datenverarbeitung für sensorarrays541
11.5 Schnittstellen eines mikrosystems546
11.5.1 Ie-übertragung549
11.5.1.1 Elektrische mikro-/makroankopplungen549
11.5.1.2 Optische mikro-/makroankopplungen551
11.5.1.3 Lichtwellenleiter-ankopplungen551
11.5.1.4 Mechanische mikro-/makroankopplungen551
11.5.1.5 Ultraschallübertragung552
11.5.2 S-übertragung553
11.5.2.1 Fluidische mikro-/makroankopplungen553
11.5.2.2 Fluidische mikrokomponenten553
11.6 Entwurf, simulation und test von mikrosystemen555
11.7 Modulkonzept der mikrosystemtechnik558
Literatur563
Stichwortverzeichnis583

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