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Die Mikromechanik ist der Bereich der Mikrosystemtechnik, der sich mit Konstruktion, Herstellung und Anwendung kleinster mechanischer Bauelemente von wenigen bis mehreren 100 µm befasst. Man unterscheidet einfache Strukturen (z. B. Gitter, Löcher, Kanäle), Sensoren, Aktoren (z. B. Relais, Schalter, Ventile, Pumpen) und Mikrosysteme (Mikromotoren, Druckköpfe). Zur Herstellung werden Technologien eingesetzt, die auch in der Mikrochip-Fertigung zum Einsatz kommen (z. B. galvanische Verfahren, Ätzverfahren, Lasertechnik), es werden aber auch die Photolithographie, Dünnschicht-, Siebdruck- und LIGA-Technik genutzt.

Silizium-Bulk-Mechanik

Freistehende mechanische Strukturen werden durch ein- oder beidseitiges Ätzen aus einem Silizium-Wafer gewonnen. Geätzt wird nur der Teil der nicht von einer Ätzmaske abgedeckt wird. Durch die geschickte Wahl der Kristallebenen können hochgenaue Strukturen mit senkrechten Wänden oder in einem festen Winkel von 54,74° zueinander angeordnete Flächen durch einen eigentlich isotropen Ätzprozess hergestellt werden. Der Winkel von 54,74° ergibt sich bei Ätzung der 100-Ebene zur 111-Ebene. Die Anisotropie des Ätzvorganges ergibt sich, da die Atome in der 111-Ebene des Siliziums mehr Bindungen im Kristallgitter haben.

Silizium-Oberflächen-Mikromechanik

Mechanische Strukturen werden durch mehrere Ätz- und Abscheidungsvorgänge an der Waferoberfläche gewonnen. Der besondere Vorteil dieser Technik besteht darin, dass sich die mikromechanischen Strukturen zusammen mit elektrischen Schaltungen auf einem Mikrochip vereinigen lassen; teilweise sind sogar gemeinsame Prozessschritte zwischen mechanischem und elektrischen Teil möglich. Durch diese Integration lassen sich nicht nur Fertigungskosten reduzieren, sondern auch Lösungen realisieren, die bei räumlicher Trennung von elektrischen und mechanischen Komponenten nicht denkbar wären, etwa wegen parasitärer Kapazitäten an elektrischen Verbindungen zwischen den Komponenten.

Zu den bereits realisierten mikromechanischen Systemen zählen elektromechanische Schalter für Höchstfrequenzanwendungen, mechanisch abstimmbare Kondensatoren, Beschleunigungssensoren (z. B. zum Auslösen von Airbags) und Drehratensensoren (Rotationssensoren, Gyroskope) zum Einsatz in Navigationssystemen oder Fahrerassistenzsystemen.

Fertigungsschritte

Am Beispiel eines kapazitiven Beschleunigungssensors sollen die möglichen Prozessschritte in der Silizium-Oberflächen-Mikromechanik verdeutlicht werden:

Auf die obersten Siliziumschichten des elektrischen Prozesses wird zunächst eine Opferschicht aus einem Material, das später in einem Nassätzverfahren wieder entfernt werden kann, abgeschieden. Diese Opferschicht wird nun an den Stellen, wo später Stützen für die mechanische Struktur entstehen sollen, bis zur Siliziumschicht weggeätzt.

In die dabei entstehenden Lücken wird beim nachfolgenden Prozessschritt Silizium abgeschieden, so dass eine polykristalline Siliziumschicht entsteht, die mit der unteren Schicht durch Stützen verbunden ist.

Nachdem die neu entstandende Schicht durch einen weiteren Ätzprozessschritt (z. B. anisotropes Trockenätzen) strukturiert wurde, kann in einem Nassätzverfahren die Opferschicht unter der Polysiliziumschicht entfernt werden, so dass eine annähernd beliebig strukturierte Schicht entsteht.

Im Falle eines Beschleunigungssensors enthält diese Schicht eine große Fläche (Referenzmasse) und dünne Stege, die diese Fläche mit verankerten (also durch Säulen mit der unteren Schicht verbundenen) Strukturen verbindet. Diese Stege wirken als Balkenfedern, so daß die Referenzmasse unter dem Einfluss von Kräften beweglich ist.

Wird der gesamte Chip nun in der Chipebene beschleunigt, wirkt eine Kraft auf die Referenzmasse, so dass sie aus ihrer Ruheposition ausgelenkt wird. Dadurch ändern sich die Abstände und damit die Kapazitäten zwischen diesem beweglichen Teil und den angrenzenden unbeweglichen Strukturen in der Ebene. Diese meist sehr schwachen Kapazitätsänderungen können nun von der CMOS-Schaltung auf demselben Chip ausgewertet werden.

Um die Kapazitätsänderungen so groß wie möglich zu machen, werden in der Regel Referenzmasse und unbewegliche Teile als Struktur von ineinandergreifenden Kämmen gestaltet: je tiefer die Zinken der Kämme ineinander eintauchen, desto höher wird die Kapazität.

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