Zukunftspreis: Ausgezeichnete Mikrostrukturierung
Manche reden nur von Revolutionen, Franz Lärmer kann auf seine eigene zurückblicken: Es war im Jahr 1990, als der Physiker in der Bosch-Forschung auf eine Idee kam, wie man Silizium frei und hochpräzise strukturieren könnte. Zwei Jahre feilten er und Kollegen an der Idee, dann kam 1992 der Durchbruch mit einer technischen Lösung, die ganze Entwicklerteams auf den Plan rief: Die Bosch-Forschung und der Geschäftsbereich AE in Reutlingen trieben die so benannte Oberflächen-Mikromechanik (OMM) vehement voran, bis 1996 mit einem Beschleunigungssensor als Auslöseeinheit für den Airbag das erste Serienprodukt vom Band lief.
Beim sogenannten „Bosch-Prozess“ nutzen die Forscher Prozessanlagen aus der etablierten Halbleitertechnik. Mit einem Fotolack versiegeln sie zunächst die Siliziumoberfläche. Die zu bearbeitenden Stellen werden dann durch fotographische Belichtung und Entwicklung frei gemacht vom Fotolack. Diese Bereiche werden dann einem Plasma im zyklischen Wechsel zwischen Ätz- und Passiviergasen ausgesetzt: Mit dem Ätzgas Schwefelhexafluorid wird Silizium mit Unterstützung durch Ionen aus dem Plasma von der Oberfläche abgetragen. Es entsteht eine Vertiefung. Das Passiviergas Octafluorcyclobutan überzieht diese Vertiefung mit einer Kunststoffschicht zum Schutz der Seitenwände. Dann wiederholt sich die Abfolge von Tieferätzen und Wandauskleidung. Es entsteht ein Graben mit extrem senkrechten Wänden und frei vorgebbarer Geometrie.
"Die Revolution liegt für mich darin, dass wir durch diese neue Technik des Plasmaätzens jede beliebige Siliziumstruktur herstellen und damit das klassische Nassätzen der Mikromechanik komplett ersetzen konnten", erklärt Lärmer. "Weltweit wird Silizium heute praktisch nur noch mit dem Bosch-Prozess strukturiert".
Opferschichten geben die filigranen Strukturen frei
Mit dem Bosch-Prozess können vor allem senkrechte Strukturen hochpräzise und effizient in Siliziumoberflächen eingeätzt werden. Wenn dann noch das Material unter den Strukturen, die sogenannte Opferschicht entfernt wird, erhält man frei bewegliche Elemente, z.B. einen Balken, der sich verbiegt, sobald das gesamte Bauteil beschleunigt oder abgebremst wird. Diese elektrisch messbare Verbiegung macht das mikromechanische Bauteil zum Beschleunigungssensor.
Um die Strukturen zu unterätzen und damit frei beweglich zu machen, brachte Lärmers Kollege Michael Offenberg das Opferschichtätzen in dampfförmiger Flusssäure ins Spiel. In einer Sandwichstruktur mit Silizium als Basis wird zunächst die Opferschicht Siliziumdioxid (SiO2) aufgebracht. Darauf wird mit einem Epitaxie genannten Verfahren eine weitere Siliziumschicht abgeschieden. Diese obere Schicht können die Forscher mit dem Bosch-Prozess strukturieren, bis sie auf das untenliegende SiO2 stoßen. In einer Atmosphäre von Flusssäuredampf löst sich dann das SiO2 auf und gibt die schwingenden Balken- und Federelemente, etwa bei den Inertialsensoren frei, ohne sie zu verkleben.
Eine besondere Form der Opferschichttechnik setzt Bosch bei den im Jahr 2007 in Serie gegangenen OMM-Drucksensoren ein: Ein kleiner Bereich eines Siliziumsubstrats wird elektrochemisch mit einer Säure behandelt, so dass eine poröse, wannenförmige Siliziummodifikation entsteht. Darüber scheiden die Forscher eine weitere Schicht Silizium ab. Bei einer Temperaturbehandlung bei rund 1000 Grad Celsius zerfällt das poröse Silizium wie Badeschaum und hinterlässt einen Hohlraum mit einem Innendruck von nur einem Millibar. Zum Vergleich: Der normale Luftdruck auf Höhe des Meeresspiegels liegt bei rund 1000 Millibar. Je nach Höhe des äußeren Luftdrucks verbiegt sich die Siliziumschicht über dem Hohlraum mit dem Referenzluftdruck. Eingearbeitete elektromechanische Wandlerelemente registrieren diese Verbiegung und liefern elektrische Messwerte, um die Membranverbiegung in den Umgebungsdruck umzurechnen. Auch bei dieser Entwicklung haben die Bosch-Forscher von der Gerlinger Schillerhöhe und der Geschäftsbereich AE in Reutlingen, hier vor allem unter der Federführung von Stefan Finkbeiner, sehr eng kooperiert, um die neuen Herstellungstechniken und -anlagen bereitzustellen und die Sensorprodukte bis zur Serienreife zu entwickeln.
Weitere Informationen
