Wafer-Mikrooptik reift zum Industriestandard
Bei der Herstellung von Mikrokomponenten und -systemen konnten sich Verfahren der Halbleitertechnik in zahlreichen neuen Anwendungsgebieten etablieren. Jüngst hinzugekommen sind Prozesse wie das Nanoimprint und die Laserbelichtung, bei der die Mikrostrukturen ohne Umwege über die Maskentechnik erzeugt werden.
Bild 1. Mikrooptische Wafer und Komponenten (v.l.n.r.): 8-Zoll- Wafer im Reinraum, Disc mit Mikrolinsen und Blenden für die Mikroskopie, doppelseitiges Zylinderlinsenarray (Beam-Twister), miniaturisierte Stereo-Kamera im Größenvergleich zu einem 1-Cent-Stück (Quelle: Awaiba)
Der immense Erfolg der Halbleiterindustrie bei der Miniaturisierung von Elektronik eröffnete auch neue Wege für eine kostengünstige und hochpräzise Herstellung von miniaturisierten Mikrokomponenten und -systemen. Etablierte Herstellungstechnologien der Halbleiterindustrie finden nun neue Anwendungen. Nach sehr zögerlichen Anfängen in den 1980er-Jahren haben sich waferbasierte Herstellungsmethoden in der Produktion von Mikrosystem- (MST-) Komponenten sehr erfolgreich etabliert.
Heute sind viele Produkte unseres Alltags ohne die auf Waferbasis hergestellten MST-Schlüsselkomponenten nicht mehr vorstellbar. Beispiele hierfür finden sich im Automobil (Airbagsensor, Beschleunigungsmesser und Gyroskope, Fluss- und Drucksensoren, Klimasensoren, Mikroscanner für Head-up-Display) und in den Smartphones der letzten Generation (Mikrofon, Kamera, Antenne, Druck- und Temperatursensoren, Kompass, Bewegungs- und Abstandssensoren). Diese MST-Komponenten müssen auch bei extremen Bedingungen hinsichtlich Temperatur, Feuchtigkeit, Vibration, Stößen und anderen Umwelteinflüssen absolut zuverlässig sein (Bild 1). Nur die perfekt optimierten Herstellungstechnologien der Halbleiterindustrie machen die Produktion dieser komplexen Mikrosysteme für wenige Dollars in hohen Stückzahlen möglich.
Hochtechnologien der Halbleiterindustrie, zum Beispiel die Mikrostrukturierung im Sub-µm-Bereich, Beschichtungs- und Ätzverfahren, das Wafer-Bonden, Polieren (CMP), Trennen (Diamantsägen) und das Packaging auf Chip- und Wafer-Level (Wafer-Level-Packaging, WLP) werden heute sehr erfolgreich bei der Fertigung von Mikrosystemen eingesetzt.
Die Halbleiterindustrie, die schon sehr früh versucht hat, ihre Technologien in sogenannten SEMI-Standards zusammenzuführen, verwendet als einheitliche Basis den Wafer, eine planpolierte runde Scheibe aus Silizium. Die einzige wesentliche Änderung bei den Wafern war der Durchmesser. 1970 lag der Industriestandard noch bei einem Waferdurchmesser von 2 Zoll. Heute ist man in den führenden Halbleiterfabriken bei 300 mm angekommen. Für die Herstellung von Mikrosystemen wird meist eine 8-Zoll-Technologie (200 mm) verwendet. Ältere Fabriken und Forschungslabore arbeiten teilweise noch mit 4 oder 6 Zoll.
Da sich die Industrie auf planare Waferscheiben mit genormten Größen beschränkt, lassen sich in der Produktion beliebige Technologien und Maschinen verschiedener Hersteller für einen Fertigungsprozess kombinieren. Planare 2D-Wafer bringen jedoch ein wesentliches Handicap für die Herstellung von Mikrosystemen mit sich. Will man 3D-Komponenten fertigen, so müssen entweder einzelne 2D-Komponenten übereinandergestapelt oder zusätzliche Technologien zum 3D-Packaging in die Wafer-Fab eingeführt werden. Auch in der Halbleiterindustrie ist mittlerweile ein Trend zu 3D zu beobachten. Moderne Packagingmethoden erlauben es, verschiedene planare Komponenten mittels Through-Silicon Vias (TSV) vertikal zu verdrahten ...
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