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Charakterisierung und Modellierung freistehender Silizium Membranen auf SOI-Basis für Drucksensor-Anwendungen

Characterization and modelling of free standing silicon membranes based on SOI for pressure sensor applications
 
: Goehlich, Andreas; Jupe, Andreas; Stühlmeyer, Martin; Celik, Yusuf; Schmidt, Alexander; Vogt, Holger

Saile, Volker (Chairman) ; VDE/VDI-Gesellschaft Mikroelektronik, Mikro- und Feinwerktechnik -GMM-:
MEMS, Mikroelemente, Systeme. Proceedings CD-ROM : MikroSystemTechnik Kongress 2015, 26. - 28. Oktober 2015 in Karlsruhe
Berlin: VDE-Verlag, 2015
ISBN: 978-3-8007-4100-7
S.610-613
MikroSystemTechnik Kongress <6, 2015, Karlsruhe>
Deutsch, Englisch
Konferenzbeitrag
Fraunhofer IMS ()
freestanding SOI-membrane; modelling; characterization; stress

Abstract
Freistehende Silizium-Membranen bilden die Grundlage für viele MEMS-Anwendungen, z.B. für Drucksensoren, CMUT's oder Mikroheizer. Kristallines Silizium ist aufgrund seiner sehr guten mechanischen und piezoresistiven Eigenschaften insbesondere für MEMS-Anwendungen gut geeignet [1,2]. SOI-Wafer eignen sich zudem besonders gut für die Herstellung freitragender Membranen, da sich Kavitäten im Handle-Substrat des SOI-Wafers durch Tiefenätzen z.B. mit dem Bosch-Prozess mit einem selektiven Ätzstopp auf dem vergrabenen Oxid erzeugen lassen. Von großer Bedeutung für die praktische Anwendbarkeit ist die Freiheit von mechanischen Spannungen des Schichtstapels, da die eingefrorene mechanische Spannung zu Verwerfungen der Membran und zu deutlichen Nichtlinearitäten führen kann. Die Kontrolle solcher mechanischen Spannungen ist daher von großer Wichtigkeit. Im Rahmen eines Drucksensor-Entwicklungsprojektes wurden durch Trockenätzen (DRIE: deep reactive ion etching) freistehende Silizium-Membranen unterschiedlicher Geometrie mit gebondeten SOI-Wafern (BSOI) bzw. mit Dünnfilm-SOI-Wafern mit
einer zusätzlich epitaktisch aufgewachsenen Schicht erzeugt. Die erzeugten Membranen wurden mit Hilfe von Inter-ferenz-Mikroskopie charakterisiert und die gemessene Auslenkung wurde mit theoretischen Rechnungen verglichen.

 

Free standing silicon membranes form the basis for many MEMS applications, e.g. for pressure sensors, CMUT's or microheaters. Crystalline silicon is well suited [1, 2] due to its excellent mechanical and piezoresistive properties particularly for pressure sensor applications. SOI-wafer substrates also are particularly suitable for producing free standing membranes, as cavities in the handle substrate of the SOI wafer can be produced by deep reactive ion etching e.g. with the Bosch process with the additional possibility of a selective stopping on the buried oxide. Of great importance for the practical applicability is the absence of mechanical stresses in the layer stack, because the frozen stress can lead to distortions of the membrane and to significant nonlinearities. The control of such mechanical stresses is therefore of great importance. As part of a pressure sensor development project free standing silicon membranes with different geometry were generated by dry etching (DRIE) on basis of bonded SOI-wafers (BSOI) or with thin film SOI-wafers with an additional epitactically grown silicon layer. The prepared membranes were characterized by means of interference microscopy and the measured deflection has been compared to theoretical calculations.

: http://publica.fraunhofer.de/dokumente/N-364365.html