Garantierte Zuverlässigkeit für die Mikrosystemtechnik

Wir befinden uns mitten in einer Revolution: Mikrosysteme sind auf dem Weg, in zahlreiche Bereiche unseres Alltagslebens vorzudringen. So werden unsere Autos durch Mikrosysteme wie Beschleunigungssensoren und Gyroskope überwacht. In Spielkonsolen befinden sich Beschleunigungssensoren, und selbst der Herzschrittmacher wird durch den Beschleunigungssensor gesteuert. Mikrosysteme, die mechanische Größen in elektrische Signale umwandeln können, werden heute in Millionenstückzahlen gebaut und haben ihre Zuverlässigkeit bereits in Autos, Flugzeugen, Spielkonsolen und Handys unter Beweis gestellt. Trotzdem gibt es immer noch Bereiche, in denen die Mikrosysteme noch nicht in einem wünschenswerten Maß eingesetzt werden, beispielsweise in der Weltraumfahrt oder in der Medizintechnik. Das Kernproblem beim Transfer von der Automobilindustrie in diese Bereiche ist die Zuverlässigkeit bei kleinen Stückzahlen. Sowohl in der Medizintechnik als auch in der Weltraumfahrt sind jedoch ausreichend große Stückzahlen anzutreffen, sodass statistische Betrachtungen über die Ausfallmechanismen angestellt werden können.

Biokompatible MEMS

Es ist klar, dass beispielsweise bei implantierbaren Druck- oder Beschleunigungssensoren zusätzliche Anforderungen wie die Biokompatibilität und erhöhte Sicherheitsanforderungen berücksichtigt werden müssen. Bei genauerer Betrachtung stellt man jedoch fest, dass die MEMS-Komponenten sehr stark auf Technologien basieren, die für die Elektronik entwickelt wurden, und dass diese Komponenten auf Elektronik und Software angewiesen sind. Entsprechend wird auch die mechanische Revolution von der Elektronik und der dazugehörigen Software bestimmt. Auch in der Medizintechnik werden in Zukunft immer mehr elektronische Komponenten verwendet. In der Diagnostik sind Geräte wie NMR, Röntgen- und Bestrahlungsanlagen ohne Elektronik nicht mehr denkbar. In zunehmendem Maße wird Elektronik direkt in den Körper implantiert, sei es für Herzschrittmacher, Insulinpumpen, Innenohrprothesen für Schwerhörige (Cochlea-Implantat), Drucksensoren für ein Magenband oder Sensorik ganz allgemein zur Überwachung des Gesundheitszustands. Wie können nun die Anforderungen an eine hohe Zuverlässigkeit bei kleiner Stückzahl für medizin- und weltraumtechnische Anwendungen erfüllt werden? Dazu gibt es zwei Strategien, die zurzeit verfolgt werden, um eine kostenintensive Einzellösung zu umgehen:

1. Das Verwenden von bestehenden Komponenten wie Druck- oder Beschleunigungssensoren dank neuer Packaging-Techniken, die es erlauben Standard-Komponenten zu verwenden, und

2. die Entwicklung physikalischer Modelle, die auf atomistischer Basis die Alterungsprozesse beschreiben können.

Neu entwickelte Packaging-Konzepte, die mit hohen Anforderungen an die Zuverlässigkeit unter schwierigen räumlichen, klimatischen und mechanischen Bedingungen energieeffizient arbeiten müssen, bieten eine gute Basis und neue Möglichkeiten (Bild 1). Das Second-Order-Packaging eines Drucksensors erlaubt es, diesen biokompatibel zu verpacken und trotzdem auf die bekannte Siliziumtechnologie zurückzugreifen. Packaging und insbesondere das Stapeln von Chips zu heterogenen Schaltungen (3D-Packaging), hat aber auch das Potenzial, ebenfalls die dazugehörende Elektronik zu integrieren. Über solche Packaging-Ansätze lässt sich in Nischenmärkten mit kleinen Stückzahlen der Wettbewerb revolutionieren. Dank der neuen Packaging-Technologien können nun kostengünstig verschiedene kommerzielle Prozessoren mit spezifischen Sensoren kombiniert werden, sodass selbst in kleinen Nischen hochwertige und leistungsfähige Systeme zur Verfügung stehen, die selbst anspruchsvollen Randbedingungen der Medizintechnik genügen.

Alterungsprozesse auf atomistischer Ebene

Falls es gelingt, physikalische Modelle zu definieren, die auf atomistischer Basis die Alterungsprozesse beschreiben können, kann die Anzahl der Versuche und das Risiko für Nischenmärkte, wie die Medizin und die Weltraumtechnik, reduziert werden. Die Untersuchung der Systeme hinsichtlich physikalischer und elektrischer Parameter stellt große Anforderungen an die Leistungsfähigkeit der Analytik. Die Bedeutung der Analytik und der Metrologie für die Entwicklung und Überwachung neuer und bereits produktiver Technologien wird permanent unterschätzt. Die physikalisch-elektrischen und optischen Verfahren müssen in ihrer technischen Spezifikationeinen Vorlauf haben. Um in atomaren Größenordnungen zu strukturieren, muss man diese auch betrachten können. Analytische Methoden werden in allen Anwendungsbereichen der Mikro- und Nanoelektronik eingesetzt. Neben der Entwicklung ist deshalb die Bereitstellung etablierter und auch neuer Methoden und der dazu notwendigen Expertise erforderlich.

Analyse mit hochauflösenden Röntgentechnologien

Die Tatsache, dass viele der Sensoren aus monokristallinem Silizium bestehen, ermöglicht den Einsatz von höchstauflösenden Röntgentechniken zur atomistischen Untersuchung von Defekten. Ziel ist es, Alterungsphänomene auf atomistische Ursachen zurückzuführen. Wie Bild 2 zeigt, braucht es für das Verständnis der Alterungsprozesse der Mikrosysteme (MEMS) das Dreieck zwischen Simulation, Charakterisierung und Test. Drifts von physikalischen Parametern wie zum Beispiel Druck sind korreliert mit nichtelastischen Phänomenen der Siliziumstrukturen. Nichtelastische Effekte gehen mit der Bildung von Defekten einher. Röntgenmessungen mit einem hochauflösenden Diffraktometer erlauben die Messung der intrinsischen Spannung im Silizium (Bild 3). Falls nicht nur der kohärente Anteil, sondern auch der diffuse Anteil der Röntgenstrahlung gemessen wird, lässt sich ebenfalls die Defektdichte und dadurch auch die Defektmobilität bestimmen. Über die Mobilität von Defekten, die mithilfe der diffusen Streuung bestimmt werden kann, werden die Alterungsprozesse untersucht. Wird nun an einem Drucksensor die Grenzfläche zum Sensor gemessen, so kann die Spannung an den Grenzflächen bestimmt werden (Bild 4). Je größer der Spannungsgradient, umso größer ist das Risiko von beschleunigter Alterung. Durch die Variation der Bonding-Parameter kann nun versucht werden, die Spannungsgradienten und die Alterung zu minimieren.

Den Technologiestandort Europa stärken

Die Bedeutung des Industriestandorts Europa hängt in entscheidendem Maße davon ab, wie es gelingt, leistungsfähige, energieeffiziente und zuverlässige Systeme als Grundlage für innovative, international wettbewerbsfähige Produkte zu entwickeln. Die Frage, wie neue Innovationen geschaffen werden können, ist die essenzielle Frage für Europa, das auf freien Märkten nur mit Produkten höchster Qualität und Leistung dauerhaft wettbewerbsfähig bleiben kann. Unsere Gesellschaft ist immer stärker darauf angewiesen, die Kosten für die medizinische Versorgung unter Kontrolle zu halten. Hier kann die Technologie, und im Speziellen die Mikrosystemtechnik und die Mikroelektronik, mit ihrem Anteil an der Kostenreduktion wichtige Beiträge leisten, sofern die Sicherheit und die Alterungsphänomene beherrscht werden können. Ein weiterer wichtiger Themenkomplex sind die Folgen einer alternden Gesellschaft. Diese erfordert Assistenzsysteme, damit alte Leute möglichst lange ein eigenständiges Leben führen können. Neben derLebensqualität steht auch hier der Kostenaspekt der notwendigen Pflege im Vordergrund. Europa muss und wird sich in allen Bereichen der Wertschöpfungskette der Mikro- und Nanoelektronik sowie der Sensorik – von der Materialforschung über die Systementwicklung bis hin zur Produktion – weiter entwickeln. Erfolg werden nur diejenigen haben, denen es gelingt, die Mikrosysteme zuverlässig zu bauen.

AUTOREN
Prof. Dr. ALEX DOMMANN ist Vice-President
Program Manager for MEMS im CSEM in Neuchâtel/Schweiz;
alex.dommann@csem.ch

Dr. ANTONIA NEELS ist
Senior Project Manager XRD Application Lab
& Microscopy im CSEM in Neuchâtel/Schweiz;
antonia.neels@csem.ch

HERSTELLER
CSEM Centre Suisse d’Electronique
et de Microtechnique SA
CH-2002 Neuchâtel
Tel. +41 32 720-5111
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