Neuartige poröse Strukturen für MEMS: Erzeugung per Pulveragglomeration mittels ALD

Reimer, Tim Hinrich ORCID

In dieser Arbeit wurden verschiedene neuartige Strukturen für Anwendungen in MEMS erzeugt und charakterisiert, insbesondere poröse Strukturen aus Pulvern, die in Kavitäten in Silizium-Substraten eingefüllt und nachträglich verfestigt wurden. Die Methode der Wahl zur Verfestigung dieser Strukturen ist die Atomlagenabscheidung (ALD), die durch ihre Fähigkeit zur konformalen Beschichtung von Strukturen mit extremen Aspektverhältnissen in der Lage ist, die porösen Packungen aus losen Partikeln zu durchdringen und die Partikel mit einem mechanisch und chemisch stabilen Dünnfilm zu umschließen und somit zu einem festen Block zusammenzufügen. Diese Prozesse sind grundsätzlich alle auf 200-mm-Wafern durchführbar. Es wurden grundsätzliche Aspekte dieses Verfahrens anhand von Aluminiumoxid-Partikeln untersucht und die Integrierbarkeit und Kompatibilität mit Standardprozessen der Mikrosystemtechnik evaluiert. Mit Silica-Partikeln für die Hochleistungs-Chromatographie wurde eine Chromatographiesäule aus ALD-verfestigtem Pulver erzeugt und ein Demonstrator für ein miniaturisiertes Labon-a-Chip-Chromatographiesystem hergestellt, anhand dessen die grundlegende Machbarkeit eines solchen Gerätes gezeigt und eine Reihe von Problemfeldern für die zukünftige Entwicklung und Anwendungsreife aufgedeckt werden konnten. Mit NdFeB-Partikeln konnten hartmagnetische Strukturen mit hohem Energieprodukt (BR = 660 mT sowie µ0HC = 890 mT) erzeugt werden, die temperatur- und lösungsmittelbeständig und somit mit nachfolgenden Standardprozessen der MEMS-Herstellung kompatibel sind. Diese integrierten Permanentmagneten eignen sich z.B. für Energy-Harvester oder als Bestandteil von MEMS-Aktuatoren. Mit verschiedenen weichmagnetischen Partikeln auf Eisen-Basis konnten weichmagnetische Strukturen erzeugt werden, die neben ALD-Al2O3 auch mit ALD-Fe2O3 verfestigt wurden; es wurden hier Charakterisierungen vorgenommen und Ideen für weitere Untersuchungen erarbeitet, um eine Anwendungsreife herbeizuführen.

In this work, different novel 3D microstructures were created, evaluated and characterized for applications in MEMS. Special focus was given to three-dimensional porous bodies, created from powders which were filled into cavities in Si-substrates, and subsequently agglomerated into rigid structures by coverage with an ALD layer. The ALD method is capable of depositing highly conformal layers with precise thickness control and excellent step coverage. Its ability to cover extreme aspect ratios allows the ALD to penetrate the porous packings of loose particles, engulfing them within a mechanically and chemically stable anorganic thin film and bonding them into a rigid structure. All these processes can be performed using substrates of 200 mm diameter. Basic aspects of this method were investigated using Al2O3 particles, and compatibility with standard processes of microsystem manufacture was evaluated. SiO2-particles for commercial high performance liquid chromatography applications were employed to create a functional demonstrator for a lab-on-a-chip microchromatography tool, operating with a porous column of bonded particles, and problems that need to be resolved in future iterations could be identified. NdFeB-particles were bonded by ALD to form hard magnetic structures of high energy density (BR = 660 mT, µ0HC = 890 mT), which, unlike previously reported similar polymer-bonded structures, are resistent to high temperature as well as solvents, and which are compatible with follow-up processes of microfabrication. These integrated permanent magnets are, for example, useful for energy harvesters or MEMS actuators. In a similar fashion, soft magnetic materials were used to create soft magnetic structures, and ALD-Fe2O3 was employed in an attempt to increase the inductivity of these structures further.

Quote

Citation style:

Reimer, Tim Hinrich: Neuartige poröse Strukturen für MEMS: Erzeugung per Pulveragglomeration mittels ALD.

Rights

Use and reproduction:
No CC License (german copyright law applies)

Export