Herausforderung Niederdruck-MEMS-Sensoren

Mikro-elektromechanische Systeme (MEMS) sind zentrale Bausteine moderner Sensorik. Dank halbleiterbasierter Fertigung ermöglichen sie die Miniaturisierung und Massenproduktion vielfältiger Sensoren, etwa zur Druckmessung in Luft oder Flüssigkeiten – in Einheiten wie hPa, Bar oder PSI. 

Drucksensoren messen Druckdifferenzen, entweder zwischen zwei Prozessdrücken oder relativ zum atmosphärischen Druck. Letzterer variiert zwar leicht durch Wetter oder geografische Lage, was meist vernachlässigbar ist. Für einen konstanten Referenzdruck wird oft ein nahezu absolutes Vakuum genutzt, wie beim Barometer, um Veränderungen des atmosphärischen Drucks absolut zu messen. 

Zur Messung der Druckdifferenz wird in den meisten Fällen eine Membran aus Stahl, Keramik oder Silizium eingesetzt. Die Druckdifferenz führt zu einer Auslenkung der Membran, die wiederum gemessen werden muss. Sind Material und Auslenkung bekannt, lässt sich daraus die Druckdifferenz ableiten. 

Eine häufige Messmethode nutzt Widerstände, die sich mit der Membranauslenkung ändern. Die Wheatstone-Brücke wandelt kleine Widerstandsänderungen zuverlässig in ein Spannungssignal um. Zwei Widerstände bilden einen Spannungsteiler, zwei den anderen. Die Differenz der Ausgangsspannungen entspricht dem Signal der Brücke. R1 und R3 verringern ihren Widerstand bei Druck, R2 und R4 erhöhen ihn. Die Brücke wird über eine Spannung zwischen A und C versorgt. Druck auf den Sensor steigert den Pegel bei B und senkt ihn bei D, wodurch eine positive Ausgangsspannung zwischen B und D entsteht. 

Bei unbelasteter Membran strebt man meist 0 mV an, etwa R1=R2=R3=R4=3500 Ω bei 5 V Versorgungsspannung. Dann liegen B und D bei 2,5 V. Unter maximaler Belastung ändert sich der Widerstand um ±30 Ω, wodurch B auf 2,521 V steigt, D auf 2,479 V sinkt, und ein Ausgangssignal von 42,1 mV entsteht. Dieses Signal kann verstärkt und weiter konditioniert werden, um maximale Genauigkeit zu erreichen. 

Bei piezoresistiven MEMS-Drucksensoren besteht die Membran aus Silizium. Wesentliche Parameter sind Fläche und Dicke: Für kleinere Druckdifferenzen werden größere und dünnere Membranen benötigt. Die Auslenkung wird über Piezowiderstände gemessen, die ihren Widerstand unter mechanischer Spannung ändern. Sie werden am Membranrand platziert, wo die mechanische Zugspannung am größten ist. 

Je nach Orientierung zur Membrankante steigt oder sinkt der Widerstand. Parallel zur Kante wirkt die Zugspannung wie eine Querschnittsvergrößerung des Leiters und verringert den Widerstand. Senkrecht angeordnet entspricht die Zugspannung einer Verlängerung des Leiters und erhöht den Widerstand. Diese Analogie veranschaulicht den piezoresistiven Effekt, ohne dass sich die Widerstände physisch verformen. 

Vom rohen Wafer zum MEMS-Chip  

Ein großer Teil der Prozesse zur Herstellung von MEMS-Bauteilen stammt aus der klassischen Halbleiterindustrie. Dazu gehören Verfahren wie Materialabscheidung, Fotolithografie, Ionenimplantation und Ätzen sowie verschiedene Reinigungsmethoden, um Wafer von Partikeln und Reaktionsprodukten zu befreien. Zusätzlich gibt es spezielle Ätzverfahren, die nur in der MEMS-Produktion eingesetzt werden. 

Ein zentraler Schritt ist die Abscheidung von Dünnfilmen auf dem Wafer, um unterschiedliche Materialien aufzubringen, z. B. Metalle für elektrische Verbindungen. Ein Beispiel ist die chemische Gasphasenabscheidung, bei der reaktive Gase auf den Wafer diffundieren, dort reagieren und als feste Schicht von 1–10 nm ausfallen. Nebenprodukte werden vom Wafer entfernt. 

Um die Dünnschichten nutzbar zu machen, müssen sie strukturiert werden. Ein wesentlicher Schritt ist die Fotolithografie: Auf den Wafer wird ein Fotolack aufgebracht und durch eine optische Maske selektiv belichtet. Dabei verändern sich die chemischen Eigenschaften des Lackes, sodass in einem Positivlack die belichteten Bereiche entfernt werden können, während im Negativlack die unbelichteten Regionen entfernt werden. Nach der Lithografie sind definierte Waferbereiche exponiert, andere geschützt, was für nachfolgende Schritte wie Ätzen oder Ionenimplantation genutzt wird. 

Bei der Ionenimplantation werden Fremdatome gezielt in die Waferoberfläche eingebracht, meist um elektrische Eigenschaften zu verändern, etwa die Leitfähigkeit von Silizium für die Fertigung von Piezowiderständen. Alternativ kann ein maskierter Wafer selektiv geätzt werden. Ätzverfahren unterscheiden sich in Nassätzen mit flüssigen Lösungen und Trockenätzen mittels Plasma. Typisch ist das Strukturieren von Materialien oder Entfernen von Hilfsschichten wie Fotolack. Bei beiden Schritten ist die Ätzselektivität entscheidend, z. B. wenn Aluminium auf Silizium abgeschieden wurde: Das Ätzmedium soll Aluminium stark angreifen, Fotolack und Silizium jedoch weitgehend schonen. 

Ein spezielles Trockenätzverfahren ist das Deep Reactive Ion Etching (DRIE), mit dem tiefe, weitgehend orthogonale Strukturen erzeugt werden. Zuerst wird der Wafer maskiert, dann wird Material durch SF6-Ionenplasma abgetragen. Um die senkrechte Wand zu erhalten, werden Ätz- und Passivierungsschritte abwechselnd durchgeführt, bis die gewünschte Tiefe erreicht ist. DRIE erzeugt Mikrostrukturen mit weitgehend orthogonalen Wänden und charakteristischer welliger Oberfläche. 

Im Vergleich zum klassischen Nassätzen mit Kaliumhydroxid (KOH) hat DRIE Vor- und Nachteile. DRIE erfordert die Einzelbearbeitung jedes Wafers, was höhere Kosten pro Wafer verursacht, erlaubt aber kleinere Chipgrößen durch senkrechte Wände unter der Membran, reduziert somit die Kosten pro Chip und ermöglicht das orthogonale Ätzen beliebiger Geometrien, während KOH anisotrop nur rechteckige Strukturen zulässt. Für Niederdrucksensoren ist die Ebenheit der Membranrückseite entscheidend: DRIE liefert eine deutlich gleichmäßigere Oberfläche, was bei dünnen Membranen die Abweichung von der Sollstärke reduziert, während KOH-geätzte Membranen uneben sind. 

Absolut oder differenziell? 

Je nach Anwendung wird zwischen absoluter, relativer oder differenzieller Druckmessung unterschieden. Bei absoluten Drucksensoren muss auf der einen Seite der Membran ein Vakuum erzeugt und gehalten werden, was am einfachsten über Waferbonding realisiert wird. 

Beim Waferbonden werden zwei Wafer flächig miteinander verbunden. Bei MEMS-Drucksensoren handelt es sich bei einem Wafer um einen Siliziumwafer, wie oben beschrieben. Der zweite Wafer kann ebenfalls aus Silizium bestehen, häufiger wird jedoch ein Glaswafer verwendet. 

Es gibt verschiedene Waferbondverfahren, wobei bei MEMS-Drucksensoren das anodische Bonden am weitesten verbreitet ist. Dabei bilden die beiden polierten und behandelten Wafer unter Temperatur und elektrischer Spannung eine starke Verbindung. 

Waferbonden wird eingesetzt, um Absolutdrucksensoren herzustellen. Der Druck auf einer Seite der Membran muss dabei konstant gehalten werden. Dies gelingt, indem unter Vakuum ein Glaswafer auf die Rückseite des MEMS-Drucksensorwafers gebondet wird. So kann der von vorne einwirkende Druck relativ zum auf der Rückseite herrschenden Vakuum und damit absolut gemessen werden. 

Vom MEMS-Chip zum Drucksensor 

Piezoresistive MEMS-Drucksensoren wandeln mechanische Spannung in elektrische Signale um. Für ein genaues Signal soll die mechanische Spannung möglichst ausschließlich durch den beaufschlagten Druck verursacht werden, während andere Quellen minimiert werden. 

Die wichtigste Störquelle ist die Temperatur. Unterschiedliche Materialien dehnen sich bei Temperaturänderungen unterschiedlich aus, was zu mechanischen Spannungen führt. Dies wird bereits beim Chip-Design berücksichtigt, z. B. durch symmetrischen Aufbau kritischer Strukturen oder die Wahl thermisch ähnlicher Materialien. 

Auch die Verbindung zwischen Chip und Gehäuse, der sogenannte Die-Attach, ist entscheidend. Differenzen in der thermischen Expansion zwischen Siliziumchip und Gehäuse können bei Temperaturänderungen signifikante Spannungen erzeugen. Beispielsweise weist Silizium eine thermische Expansion von 2,56 × 10⁻⁶/K auf, Kunststoff hingegen 26 × 10⁻⁶/K. Besonders bei Niederdrucksensoren kann dies das Signal stark beeinflussen. Deshalb sollten verschiedene Klebstoffe und Applikationsmethoden getestet werden. 

Wichtige Eigenschaften des Die-Attach sind Festigkeit, Abstand zwischen Chip und Gehäuse sowie Kontamination der Chipwände. Ein weicher Die-Attach absorbiert Spannungen besser. Der Abstand zwischen Chip und Gehäuse sollte ausreichend groß sein, ohne dass der Klebstoff an den Chipwänden hochwandert, da dies die Entkopplung reduziert. 

Ein Rückseitenglas am Sensorchip kann den Die-Attach erleichtern, ähnlich wie bei Absolutdrucksensoren durch Waferbonden. Glas hat eine thermische Expansion nahe der von Silizium (3,2 × 10⁻⁶/K vs. 2,56 × 10⁻⁶/K), wodurch temperaturbedingte Spannungen minimal bleiben und vom Gehäuse kommende Spannungen weitgehend absorbiert werden. So kann der Chip einfacher verklebt werden. 

Nachteil von Glas ist seine amorphe Struktur: Es kann langfristig geometrisch „fließen“ und mechanische Spannungen im Siliziumchip erzeugen. Dies zeigt sich insbesondere bei Niederdrucksensoren als Zero-Offset-Drift. Für höchste Langzeitstabilität bei niedrigen Drücken ist ein Siliziumchip mit optimalem Die-Attach einem Chip mit Rückseitenglas vorzuziehen. 

Welche Sensorkonstruktion und Die-Attach-Technologie die beste ist, hängt von der Applikation ab. Anwendung, Medium und Druckbereich müssen zusammen betrachtet werden, um den optimalen Sensor zu designen und herzustellen.