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GrundlagenGrundlagen
Mikro- und NanosystemeMikro- und Nanosysteme
Mikro- und Nanosysteme in der Umwelt...
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MikrofabrikationMikrofabrikation
ÄtzenÄtzen
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Ätzen - ÜberblickÄtzen - Überblick
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ÄtzenÄtzen
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• Spannungen bei TrocknungSpa...
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Dünnschichtätzen - TiefenätzenDünnschichtätzen - Tiefenätzen
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TiefenätzenTiefenätzen
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Winkelabhängiges ÄtzenWinkelabhängiges Ätzen
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Chemical Vapor Deposition (CVD)Chemical Vapor Deposition (CVD)
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Chemical Vapor Deposition (CVD)Chemical Vapor Deposition (CVD)
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Andere BeschichtungsverfahrenAndere Beschichtungsverfahren
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MikrofabrikationMikrofabrikation
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Polymere – Mikrofabrikation / ReplikationPolymere – Mikrofabrikation / Replikation
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Injection Molding - MikroinjektionInjection Molding - Mikroinjektion
Reaction Injection Molding (RIM)...
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Hot Embossing – Heiss PrägenHot Embossing – Heiss Prägen
Thermoplastische PolymereThermoplastische Po...
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Beispiel Kunststoff MikrosystemBeispiel Kunststoff Mikrosystem
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Andere VerfahrenAndere Verfahren
Casting/molding - GiessenCasting/molding - Giessen
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ÜbersichtÜbersicht
Aspect ratio – AspektverhältnisAspect ratio – Aspektverhältnis
Höhe der Mikrostruk...
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Replikation, aus meiner ErfahrungReplikation, aus meiner Erfahrung
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Fallbeispiel MicroneedlesFallbeispiel Microneedles
Neural InterfacesNeural Interfaces
Microneedles fo...
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Microneedles - in-planeMicroneedles - in-plane
Neural InterfacesNeural Interfaces
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Microneedles - out-of-planeMicroneedles - out-of-plane
Drug DeliveryDrug Delivery
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  1. 1. Slide 1Mikrosysteme GrundlagenGrundlagen Mikro- und NanosystemeMikro- und Nanosysteme Mikro- und Nanosysteme in der Umwelt, Biologie und MedizinMikro- und Nanosysteme in der Umwelt, Biologie und Medizin Prozesse: Ätzen, Beschichten, Bonden, AbformenProzesse: Ätzen, Beschichten, Bonden, Abformen Dr. Marc R. DusseillerDr. Marc R. Dusseiller
  2. 2. Slide 2Mikrosysteme MikrofabrikationMikrofabrikation ÄtzenÄtzen
  3. 3. Slide 3Mikrosysteme Ätzen - ÜberblickÄtzen - Überblick Selektivität zwischen Ätzmaske und MaterialSelektivität zwischen Ätzmaske und Material • Chemisches Ätzen, NassChemisches Ätzen, Nass • Glass (amorph) in HFGlass (amorph) in HF • Polymere (amorph, teilkr.) in LösungsmittelnPolymere (amorph, teilkr.) in Lösungsmitteln • Poly-Si (polykristallin) in KOHPoly-Si (polykristallin) in KOH • Metalle (polykristallin) in versch. LaugenMetalle (polykristallin) in versch. Laugen • TrockenätzenTrockenätzen • Sputtering (Ionenätzen)Sputtering (Ionenätzen) Anisotrop, schlechte Sel.Anisotrop, schlechte Sel. • RIE (Chem. & Phys.)RIE (Chem. & Phys.) Anisotrop, gute Sel.Anisotrop, gute Sel. • TiefenätzenTiefenätzen • Si (einkristallin) in KOH (nass)Si (einkristallin) in KOH (nass) Anisotrop, OrientierungAnisotrop, Orientierung • Si mit DRIESi mit DRIE (trocken)(trocken) Vertical SidewallVertical Sidewall
  4. 4. Slide 4Mikrosysteme ÄtzenÄtzen • NassätzenNassätzen • In ÄtzflüssigkeitenIn Ätzflüssigkeiten • Spannungen bei TrocknungSpannungen bei Trocknung • Gefährliche LösungenGefährliche Lösungen • Meist Isotrop oder Orientierungsabhängig (Si 100)Meist Isotrop oder Orientierungsabhängig (Si 100) • SchnellSchnell • TrockenätzenTrockenätzen • In VakuumIn Vakuum • Vielzahl an ÄtzgeometrienVielzahl an Ätzgeometrien • AnisotropAnisotrop • Vertical SidewallVertical Sidewall • Komplexere Maschinen nötigKomplexere Maschinen nötig • Zum Teil sehr langsamZum Teil sehr langsam
  5. 5. Slide 5Mikrosysteme Dünnschichtätzen - TiefenätzenDünnschichtätzen - Tiefenätzen Aspect Ratio (Aspektverhältnis) = Tiefe/StrukturbreiteAspect Ratio (Aspektverhältnis) = Tiefe/Strukturbreite • Dünnschichtätzen << 1Dünnschichtätzen << 1 Dünne funktionale Schichten werden geätzt, Sensormaterialien, Leiterbahnen, ...Dünne funktionale Schichten werden geätzt, Sensormaterialien, Leiterbahnen, ... • Tiefenätzen > 1Tiefenätzen > 1 Substratmaterialien werden geätzt, Si, Glass, PMMA, ...Substratmaterialien werden geätzt, Si, Glass, PMMA, ...
  6. 6. Slide 6Mikrosysteme TiefenätzenTiefenätzen • Selektivität ist immer eine Voraussetzung (SSelektivität ist immer eine Voraussetzung (Sa:b =a:b = RRaa:R:Rbb))
  7. 7. Slide 7Mikrosysteme Winkelabhängiges ÄtzenWinkelabhängiges Ätzen • Silizium einkristallin, NassätzenSilizium einkristallin, Nassätzen • SchnellSchnell • ÄtzstoppÄtzstopp • Limitierte GeometrienLimitierte Geometrien • Nur entweder 100 oder 111Nur entweder 100 oder 111
  8. 8. Slide 8Mikrosysteme Isotropes und Anisotropes ÄtzenIsotropes und Anisotropes Ätzen • Chemisches Ätzen, NassChemisches Ätzen, Nass • Glass in HFGlass in HF amorphamorph • Polymere in LösungsmittelnPolymere in Lösungsmitteln amorph, teilkr.amorph, teilkr. • Poly-Si in KOHPoly-Si in KOH polykristallinpolykristallin • Metalle in versch. LaugenMetalle in versch. Laugen polykristallinpolykristallin • Si – AnisotropSi – Anisotrop einkristallineinkristallin • Physikalisches Ätzen, TrockenPhysikalisches Ätzen, Trocken • Sputtering (Ionenätzen)Sputtering (Ionenätzen) RichtungRichtung
  9. 9. Slide 9Mikrosysteme TrockenätzenTrockenätzen • Chemisches ÄtzenChemisches Ätzen • BE (wird nicht besprochen)BE (wird nicht besprochen) • Physikalisches ÄtzenPhysikalisches Ätzen • SputternSputtern • IonenstrahlätzenIonenstrahlätzen • KombiniertKombiniert • RIERIE • DRIEDRIE
  10. 10. Slide 10Mikrosysteme RIERIE • AnwendungenAnwendungen • GlasGlas • SiliziumSilizium • OxideOxide • MerkmaleMerkmale • zT. kleine Ätzraten (vgl. Nass.)zT. kleine Ätzraten (vgl. Nass.) • Hohe SelektivitätHohe Selektivität • Isotrop/Anisotrop bis VertikalIsotrop/Anisotrop bis Vertikal möglich durch Gasgemischmöglich durch Gasgemisch
  11. 11. Slide 11Mikrosysteme DRIE – ICP Ätzen – ASE – Bosch ProzessDRIE – ICP Ätzen – ASE – Bosch Prozess Deep Reactive Ion Etching Ätzgas: SF6, CHF3 mit O2 Passivierungsgas: CHF3, C2F6, C4F8
  12. 12. Slide 12Mikrosysteme Cleanroom/ReinraumCleanroom/Reinraum PlasmaätzenPlasmaätzen ICP (inductive coupled plasma etching)ICP (inductive coupled plasma etching)
  13. 13. Slide 13Mikrosysteme MikrofabrikationMikrofabrikation BeschichtungenBeschichtungen
  14. 14. Slide 14Mikrosysteme Konformität von BeschichtungenKonformität von Beschichtungen
  15. 15. Slide 15Mikrosysteme Oxidieren von SiliziumOxidieren von Silizium • „„Nass (wet)“Nass (wet)“ Si + 2HSi + 2H22OO → SiO→ SiO22 + H+ H22 • „„Trocken (dry)“Trocken (dry)“ Si + OSi + O22 → SiO→ SiO22
  16. 16. Slide 16Mikrosysteme Spin CoatingSpin Coating • Spin coatingSpin coating Schichtdicke hängt ab vonSchichtdicke hängt ab von ViskositätViskosität Drehgeschwindigkeit (RPM)Drehgeschwindigkeit (RPM) • PhotoresistsPhotoresists • Funktionelle Polymerschichten (Leitfähige Kunststoffe)Funktionelle Polymerschichten (Leitfähige Kunststoffe) • Sol-Gel Keramikbeschichtungen (~Glasur)Sol-Gel Keramikbeschichtungen (~Glasur) tcoating≈ Kυ  ω t= Schichtdicke K= Konstante ν= Viskosität ω= Drehgeschindigkeit
  17. 17. Slide 17Mikrosysteme Aufdampfen – Evaporation (PVD)Aufdampfen – Evaporation (PVD) • VerdampfenVerdampfen • Nur flüchtige MaterialienNur flüchtige Materialien • Sehr reine SchichtenSehr reine Schichten • Sehr gerichtet (Wieso?)Sehr gerichtet (Wieso?) • Hauptsächlich MetalleHauptsächlich Metalle • Probleme mit HaftungProbleme mit Haftung
  18. 18. Slide 18Mikrosysteme Sputtern (PVD)Sputtern (PVD) • Sputtern = zerstäubenSputtern = zerstäuben • Plasma (DC oder AC)Plasma (DC oder AC) • Beschleunigung im E-Feld RichtungBeschleunigung im E-Feld Richtung TargetTarget • Herausschlagen der AtomeHerausschlagen der Atome • LegierungenLegierungen • Isolatoren (Oxide, Nitride)Isolatoren (Oxide, Nitride) • VerunreinigungenVerunreinigungen • Gute HaftungGute Haftung • Magnetron SputteringMagnetron Sputtering • Geringere TemperaturGeringere Temperatur • Höhere AbscheidungsrateHöhere Abscheidungsrate • Höhere Qualität der SchichtHöhere Qualität der Schicht
  19. 19. Slide 19Mikrosysteme Cleanroom/ReinraumCleanroom/Reinraum BeschichtungenBeschichtungen Plasma Sputtering (PVD)Plasma Sputtering (PVD)
  20. 20. Slide 20Mikrosysteme Chemical Vapor Deposition (CVD)Chemical Vapor Deposition (CVD) • Zum Beispiel eine Beschichtung mit Silizium:Zum Beispiel eine Beschichtung mit Silizium: SiHClSiHCl33 + H+ H22 → Si + 3 HCl→ Si + 3 HCl Gas + Gas → Schicht + Gas (Reaktionsprodukte können abgesaugt werden)Gas + Gas → Schicht + Gas (Reaktionsprodukte können abgesaugt werden)
  21. 21. Slide 21Mikrosysteme Chemical Vapor Deposition (CVD)Chemical Vapor Deposition (CVD) • EpitaxieEpitaxie (Greek;(Greek; epiepi "above" and"above" and taxistaxis "in ordered"in ordered manner")manner") Die Kristall Orientierung kann weitergeführt werdenDie Kristall Orientierung kann weitergeführt werden in der Beschichtungin der Beschichtung
  22. 22. Slide 22Mikrosysteme Andere BeschichtungsverfahrenAndere Beschichtungsverfahren • Flüssigphase, physikalischFlüssigphase, physikalisch • SchmelzenSchmelzen • SAMs (Self-assembled monolayersSAMs (Self-assembled monolayers • Langmuir-Blodget FilmeLangmuir-Blodget Filme • Dip-coatingDip-coating • Drucken / SiebdruckDrucken / Siebdruck • Flüssigphase, ChemischFlüssigphase, Chemisch • Elektrochemische DepositionElektrochemische Deposition • Stromlose AbscheidungStromlose Abscheidung • GalvanisierenGalvanisieren • Funtionale Bio-Molekulare BeschichtungenFuntionale Bio-Molekulare Beschichtungen • Kommt späterKommt später
  23. 23. Slide 23Mikrosysteme MikrofabrikationMikrofabrikation BondingBonding
  24. 24. Slide 24Mikrosysteme Bonding - VerbindungsverfahrenBonding - Verbindungsverfahren Verbindung von zwei (teils) mikrostrukturiertenVerbindung von zwei (teils) mikrostrukturierten Substraten zu einem 3D DeviceSubstraten zu einem 3D Device • KlebenKleben Dicke Zwischenchichten, Verstopfen der StrukturenDicke Zwischenchichten, Verstopfen der Strukturen • GlaslötenGlaslöten Dicke Zwischenschichten, thermische SpannungenDicke Zwischenschichten, thermische Spannungen • Eutektisches BondenEutektisches Bonden Legierungsbildung am Interface zu anderen MetallenLegierungsbildung am Interface zu anderen Metallen zB. Gold (370° C) oder Aluminium (577° C)zB. Gold (370° C) oder Aluminium (577° C) • Anodisches Bonden (1000 V, 500° C)Anodisches Bonden (1000 V, 500° C) Diffusion von NaDiffusion von Na++ Ionen aus dem Glas führt zu Anziehung derIonen aus dem Glas führt zu Anziehung der Oberflächen und Si-O-Si BindungOberflächen und Si-O-Si Bindung • SiliziumdirektbondenSiliziumdirektbonden Si-OH Bindungen an der Oberfläche führt zu Wasserbildung undSi-OH Bindungen an der Oberfläche führt zu Wasserbildung und Si-O-SiSi-O-Si
  25. 25. Slide 25Mikrosysteme Bonding - VergleichBonding - Vergleich Verbindung von zwei (teils) mikrostrukturiertenVerbindung von zwei (teils) mikrostrukturierten Substraten zu einem 3D DeviceSubstraten zu einem 3D Device
  26. 26. Slide 26Mikrosysteme FallbeispielFallbeispiel MEMS technology Insulin Nanopump™MEMS technology Insulin Nanopump™ – Debiotech S. A. Switzerland– Debiotech S. A. Switzerland Ein Silizium MEMS kurz vor der MarkteinführungEin Silizium MEMS kurz vor der Markteinführung
  27. 27. Slide 27Mikrosysteme Fallbeispiel – Nanopump VergleichFallbeispiel – Nanopump Vergleich http://www.debiotech.com Spirit - Roche Diagnostics - Disetronics OmniPod - Insulet Corporation Cosmo - Deltec - Smiths Medical MD, Inc. Nanopump - Debiotech
  28. 28. Slide 28Mikrosysteme Fallbeispiel - Debiotech‘s NanopumpFallbeispiel - Debiotech‘s Nanopump http://www.debiotech.com
  29. 29. Slide 29Mikrosysteme Fallbeispiel - Debiotech‘s NanopumpFallbeispiel - Debiotech‘s Nanopump • How it works
  30. 30. Slide 30Mikrosysteme Fallbeispiel - Debiotech‘s NanopumpFallbeispiel - Debiotech‘s Nanopump http://www.debiotech.com http://www.debiotech.com/products/msys/Nanopump.swf
  31. 31. Slide 31Mikrosysteme Fallbeispiel - Debiotech‘s NanopumpFallbeispiel - Debiotech‘s Nanopump • FabrikationFabrikation • SOI (Silicon on Insulator)SOI (Silicon on Insulator) • Ätzen von hinten (DRIE)Ätzen von hinten (DRIE) • Ätzen von oben, Kanäle, VentileÄtzen von oben, Kanäle, Ventile • Sensor (geheim)Sensor (geheim) • Anti-Haft SchichtAnti-Haft Schicht • Bonding vn Glass mit ZugangBonding vn Glass mit Zugang • Piezomaterial integrationPiezomaterial integration http://www.debiotech.com
  32. 32. Slide 32Mikrosysteme Fallbeispiel - Debiotech‘s NanopumpFallbeispiel - Debiotech‘s Nanopump • Sehr genaue und konstante DosisSehr genaue und konstante Dosis (U) pro Pumpenschlag(U) pro Pumpenschlag • Geringer Fehler in der FlussmengeGeringer Fehler in der Flussmenge auch bei kurzer Betriebszeitauch bei kurzer Betriebszeit • Grösse (bez. Kleine)Grösse (bez. Kleine) • DisposableDisposable
  33. 33. Slide 33Mikrosysteme MikrofabrikationMikrofabrikation LIGA/3DLIGA/3D
  34. 34. Slide 34Mikrosysteme LIGALIGA LIGA – Lithographie Galvanik AbformenLIGA – Lithographie Galvanik Abformen X-ray Lithographisches Strukturieren eines PolymersX-ray Lithographisches Strukturieren eines Polymers Galvanisches Abscheiden von NiGalvanisches Abscheiden von Ni Überwachsen der MikrostrukturenÜberwachsen der Mikrostrukturen Entfernen des SubstratesEntfernen des Substrates mechanisch oder chemischmechanisch oder chemisch Entfernen des PolymersEntfernen des Polymers →→ Ni-Gussform für weitereNi-Gussform für weitere AbformungsverfahrenAbformungsverfahren
  35. 35. Slide 35Mikrosysteme LIGALIGA
  36. 36. Slide 36Mikrosysteme UV-Lithographische Strukturen – SU-8UV-Lithographische Strukturen – SU-8 Poor man‘s LIGAPoor man‘s LIGA Chemisch Verstärkter Photoresist (Epoxy vernetzt durch UV initierte Säurebildung)Chemisch Verstärkter Photoresist (Epoxy vernetzt durch UV initierte Säurebildung) Dicke Filme mit Spin-coating (bis 500Dicke Filme mit Spin-coating (bis 500 μμm)m) Vertical Side-wall ohne Ätzen und ohne x-ray (im Gegensatz zu LIGA)Vertical Side-wall ohne Ätzen und ohne x-ray (im Gegensatz zu LIGA) Hohe Festigkeit und chemische Stabilität durch hohe VernetzungHohe Festigkeit und chemische Stabilität durch hohe Vernetzung
  37. 37. Slide 37Mikrosysteme Polymere – Mikrofabrikation / ReplikationPolymere – Mikrofabrikation / Replikation
  38. 38. Slide 38Mikrosysteme Injection Molding - MikroinjektionInjection Molding - Mikroinjektion Reaction Injection Molding (RIM)Reaction Injection Molding (RIM) Komponenten eines Polymer Precursors gespritztKomponenten eines Polymer Precursors gespritzt zB. Polyurethan PrecursorszB. Polyurethan Precursors Niedrige Viskosität, tiefe TemperaturNiedrige Viskosität, tiefe Temperatur Schrumpfen während der Reaktion (bis 20%)Schrumpfen während der Reaktion (bis 20%) Thermoplastic Injection Molding (TIM)Thermoplastic Injection Molding (TIM) Polymer Granulat wird geschmolzen und gespritzt (PMMA, PVC,Polymer Granulat wird geschmolzen und gespritzt (PMMA, PVC, ABS, PE etc.)ABS, PE etc.) Hohe Viskosität, hohe TemperaturHohe Viskosität, hohe Temperatur Auch für Keramiken geeignet zB. SchlickergussAuch für Keramiken geeignet zB. Schlickerguss
  39. 39. Slide 39Mikrosysteme Hot Embossing – Heiss PrägenHot Embossing – Heiss Prägen Thermoplastische PolymereThermoplastische Polymere Vorgeformtes Polymer Werkstück, flachVorgeformtes Polymer Werkstück, flach zB. PMMAzB. PMMA Temperatur über TTemperatur über Tgg damit die Viskosität klein wirddamit die Viskosität klein wird Hohe Genauigkeit, kein SchrumpfenHohe Genauigkeit, kein Schrumpfen Kostengünstigere FormenKostengünstigere Formen
  40. 40. Slide 40Mikrosysteme Beispiel Kunststoff MikrosystemBeispiel Kunststoff Mikrosystem
  41. 41. Slide 41Mikrosysteme Andere VerfahrenAndere Verfahren Casting/molding - GiessenCasting/molding - Giessen 2-Komponenten Pre-Polymere2-Komponenten Pre-Polymere Keramiken, Schlickerguss, SinternKeramiken, Schlickerguss, Sintern PulvermetallurgiePulvermetallurgie Lasermicromachining - LaserablationLasermicromachining - Laserablation Lokales Erhitzen des MaterialsLokales Erhitzen des Materials Schmelzen, VerbrennenSchmelzen, Verbrennen Klassische FeinwerktechnikenKlassische Feinwerktechniken Zerspanen, Fräsen, BohrenZerspanen, Fräsen, Bohren
  42. 42. Slide 42Mikrosysteme ÜbersichtÜbersicht Aspect ratio – AspektverhältnisAspect ratio – Aspektverhältnis Höhe der Mikrostruktur / WandstärkeHöhe der Mikrostruktur / Wandstärke
  43. 43. Slide 43Mikrosysteme Replikation, aus meiner ErfahrungReplikation, aus meiner Erfahrung
  44. 44. Slide 44Mikrosysteme Fallbeispiel MicroneedlesFallbeispiel Microneedles Neural InterfacesNeural Interfaces Microneedles for Drug DeliveryMicroneedles for Drug Delivery
  45. 45. Slide 45Mikrosysteme Microneedles - in-planeMicroneedles - in-plane Neural InterfacesNeural Interfaces
  46. 46. Slide 46Mikrosysteme Microneedles - out-of-planeMicroneedles - out-of-plane Drug DeliveryDrug Delivery
  47. 47. Slide 47Mikrosysteme Microneedles - out-of-planeMicroneedles - out-of-plane Drug DeliveryDrug Delivery
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