Packaging von selbstaktuierten piezoresistiven Cantilver-Feldern

Abstract:
Selbstaktuierte piezoresistive Cantilever stellen eine Alternative zu laserbasierten optischen Oberflächenscansystemen für den Einsatz in Atomkraftmikroskopen (AFM) dar. Der Vorteil des selbstaktuierten piezoresistiven Cantileverarrayprinzips liegt in der Abtastgeschwindigkeit und der Möglichkeit der Parallelisierung des Abbildungsprozesses. Der kombinierte Sensor/Aktor ist kompakt und nutzerfreundlich im Vergleich zu Standard AFM mit Laserdetektoren. Die Auflösung der Oberflächentopologie ist besser als 0,2 nm. Der parallele Betrieb von Cantilever-Arrays kann die Scan-Dauer eines AFMs drastisch reduzieren bzw. die Untersuchung größerer Bereiche ermöglichen (z.B. bei der Defektsuche auf Halbleiterwafern). Die Herstellung dieser Sensoren bzw. Sensorfelder erfolgt mittels Mikro- und Nanostrukturierungsverfahren in Silizium. Die Integration dieser Bauelemente kann aufgrund der erforderlichen Schnittstellen zum Messsystem nicht im Waferformat erfolgen. Einzelsensoren können auf Leiterplatten bzw. Keramik (Dünn- oder Dickschichtkeramik) montiert werden. Aufgrund der Anschlussdichte der elektrischen Kontakte bei Sensorfeldern ist deren Integration mit den beiden genannten Substrattechnologien problematisch. Darüber hinaus sind zusätzliche Anforderungen wie eine hohe mechanische Stabilität des Trägersubstrats, ein angepasster thermischer Ausdehnungskoeffizient an Silizium, niedrige ohmsche Verluste der Verbindungsstrukturen und minimales Signalübersprechen nötig. Aus den genannten Gründen wurde eine Trägertechnologie auf Basis von niedrigsinternder Mehrlagenkeramik (engl. Low Temperature Cofired Ceramics = LTCC) gewählt. LTCC hat eine relativ hohe laterale Strukturauflösung, die mittels Feinliniensiebdruck, fotostrukturierbaren Dickschichtpasten, Ätztechnologie bzw. Dünnschichtprozessen Leitungsbreiten und –abstände von unter 50 µm ermöglicht. Durch die nahezu freie Wahl von Verbindungslagen können Abschirmebenen zur Reduktion des Übersprechens einfach implementiert werden. Die mechanische Strukturierbarkeit im grünen und gesinterten Zustand bietet eine Vielfalt von Gestaltungsmöglichkeiten zur Optimierung der Aufbauten.