Ein Artikel zur Erläuterung der Grundlagen von Mikrosystemtechnik (MEMS)

Mikroelektromechanische Systeme (MEMS), auch als „Mikrosysteme“ bezeichnet, sind ein technologisches System, das die Integration von mechanischen Strukturen und elektronischen Schaltkreisen im Mikromaßstab ermöglicht und zudem eine der Schlüsseltechnologien für die praktische Umsetzung des Internets der Dinge darstellt. Im Folgenden werden der Aufbau und die Montage von MEMS, die zugrunde liegenden Technologien, die Fertigungsvorbereitung sowie zukünftige Entwicklungstrends erläutert.

Eine Klasse von technischen Systemen, die als Mikrosysteme bezeichnet wird, nämlich mikromechanisch-elektronische Systeme (MEMS) – das „Micro-“ steht dabei für „mikro“ –, bei denen mechanische Strukturen und elektronische Schaltungen im Mikromaßstab integriert werden, ist ebenfalls eine der zentralen Schlüsseltechnologien im Rahmen der Umsetzung des Internets der Dinge.

Bauteile, die Beschleunigungssensoren, Gyroskope, Drucksensoren, Mikrospiegel, Tintenstrahldruckköpfe, Mikrofone sowie Lautsprecher enthalten, gehören zu den typischen MEMS-Bauteilen. Bei der Herstellung und Montage dieser Bauteile kommen meist Halbleiterverfahren zum Einsatz. Ihr Kernstück ist ein auf Wafer-Ebene integrierter MEMS-Chip, der mikromechanische Strukturen und elektronische Schaltungen auf einem gemeinsamen Substrat vereint und so ein voll funktionsfähiges Mikrobauteil bildet.

Derzeit haben sich MEMS, die als wichtige elektronische Bauteile gelten, bereits in zahlreichen Bereichen durchgesetzt, darunter Haushaltsgeräte, Automobilelektronik, IoT-Endgeräte, Kommunikationsgeräte und medizinische Geräte.

MEMS und integrierte Schaltkreise (IC) weisen im Hinblick auf den Herstellungsprozess und die Miniaturisierungstechnologie zahlreiche Gemeinsamkeiten auf, doch hinsichtlich ihrer funktionalen Ausrichtung, ihrer Funktionsweise und ihrer Anwendungsbereiche weisen sie erhebliche Unterschiede auf.

Integrierte Schaltungen, die aus rein elektronischen Bauteilen wie Transistoren, Kondensatoren und Widerständen bestehen, dienen in erster Linie der Verarbeitung, Steuerung und logischen Verarbeitung elektrischer Signale sowie der Datenspeicherung; sie bilden den “Informationsverarbeitungskern” elektronischer Geräte.

Da MEMS die physikalische Bewegung sowie die Messung physikalischer Größen als Kernfunktion betrachtet, besteht es aus Sensoren, also Signalaufnehmern, und Aktoren, also Antriebseinheiten, wobei der Schwerpunkt auf der Umwandlung von “physikalischen Größen in elektrische Signale” oder der Auslösung mechanischer Bewegungen liegt. Was den Aufbau und die Form betrifft, so führen die Anwendungsbereiche von MEMS zu relativ großen Unterschieden hinsichtlich Aussehen, innerer Struktur und Abmessungen: Von Sensorchips im Mikrometerbereich bis hin zu integrierten Mikroaktuatoren fällt alles in den Bereich der MEMS. Zu den typischen Anwendungen gehören neben den bereits erwähnten Sensoren und akustischen Bauelementen auch Funktionskomponenten wie Mikroventile und optische Schalter.

Eine anschauliche Analogie kann dabei helfen, die jeweilige Rolle beider Komponenten zu verstehen: Wenn man integrierte Schaltkreise, die sich auf die Informationsverarbeitung und -speicherung konzentrieren, mit dem menschlichen Gehirn vergleicht, dann entsprechen MEMS, die sowohl mechanische Bewegungs- als auch Sensor-Funktionen vereinen und verschiedene physikalische Wirkungen ausüben, dem Bewegungsapparat und den Sinnesorganen des menschlichen Körpers. Erstere übernehmen die Informationsverarbeitung und -speicherung, während letztere für die Wahrnehmung der Umgebung und die Ausführung von Bewegungen zuständig sind. Gemeinsam unterstützen beide die Realisierung der umfassenden Funktionen moderner elektronischer Geräte.

Definition und Kernkomponenten von Mikrosystemtechnik (MEMS)

Bei mikromechanischen Systemen reichen die entscheidenden physikalischen Abmessungen von weit unter 1 Mikrometer bis zu mehreren Millimetern. Um zu beurteilen, ob es sich um ein mikromechanisches System handelt, kommt es im Wesentlichen darauf an, ob das Substrat zumindest teilweise Elemente mit mechanischen Funktionen enthält, unabhängig davon, ob diese Elemente beweglich sind oder nicht. Die Bandbreite der darin enthaltenen Bauteiltypen ist sehr vielfältig: Es gibt einfache Strukturen ohne mechanisch bewegliche Elemente ebenso wie komplexe mechatronische Systeme, bei denen mikroelektronische Technik und mikromechanische Strukturen auf ein und demselben Siliziumsubstrat integriert sind.

Ein wesentlicher Bestandteil von MEMS sind Mikrosensoren. Mikrosensoren gehören zur Kategorie der “Wandler” und sind in der Lage, eine Energieform in eine andere umzuwandeln. Zu MEMS gehören außerdem Mikroaktoren, die ebenfalls zur Kategorie der “Wandler” gehören und ebenfalls eine Energieform in eine andere umwandeln können.

Mikrosensoren dienen der Erfassung von Umgebungsdaten und wandeln physikalische oder chemische Signale wie Temperatur, Druck, Trägheitskräfte, chemische Substanzen, Magnetfelder und Strahlung in elektrische oder optische Signale um. In den letzten Jahrzehnten haben Forscher Mikrosensoren für nahezu alle Sensormodalitäten entwickelt und hergestellt, wobei viele dieser Mikrosensoren in ihrer Leistung ihre makroskopischen Pendants übertreffen. So weisen beispielsweise Drucksensoren auf der Ebene mikromechanischer Systeme (MEMS) eine bessere Leistung hinsichtlich Genauigkeit und Ansprechgeschwindigkeit auf.

In Anlehnung an die Massenfertigungstechniken der Halbleiterindustrie (IC-Industrie) konnten die Kosten pro Bauteil unter Wahrung der Leistungsfähigkeit erheblich gesenkt werden, wodurch die Kommerzialisierung von diskreten Silizium-Mikrosensoren erreicht wurde; das damit verbundene Marktumfeld befindet sich weiterhin im Wachstum.

Mikroaktuatoren sind als Aktorkomponenten in mikromechanischen Systemen zwar winzig, können jedoch Auswirkungen auf makroskopischer Ebene hervorrufen. Mittlerweile wurden zahlreiche Mikroaktuatoren entwickelt, darunter Mikroventile zur Steuerung von Gas- und Flüssigkeitsströmungen sowie optische Schalter und Spiegel zur Richtungsänderung von Lichtstrahlen, darüber hinaus eigenständig gesteuerte Mikrospiegel-Arrays für Anzeigezwecke, Mikroresonatoren, die für vielfältige Anwendungsbedingungen geeignet sind, Mikropumpen, die positiven Flüssigkeitsdruck erzeugen können, sowie Mikroklappen zur Regulierung der Luftströmung an Flugzeugflügeln und vieles mehr.

Die Forscher haben an der Vorderkante der Flugzeugflügel kleine Mikroaktoren angebracht und allein mit Hilfe dieser winzigen Bauteile die Steuerung der Flugrichtung realisiert. Dieses Flugzeug ist in der Lage, bei hoher Fluggeschwindigkeit eine 180-Grad-Wende mit einem Wenderadius von fast einem Flügelradius durchzuführen.

Erst wenn Mikrosensoren, Mikroaktoren und integrierte Schaltkreise auf ein und demselben Substrat integriert werden, kann das Potenzial von Mikrosystemtechnik (MEMS) voll ausgeschöpft werden. Die Sensoren erfassen Umgebungsinformationen, die elektronischen Bauteile verarbeiten diese Informationen und treffen Entscheidungen, während die Aktoren auf der Grundlage dieser Entscheidungen Aktionen ausführen und so den Zustand der Umgebung verändern. Genau dieses kooperative Modell macht MEMS zu einem wichtigen Bestandteil des Internets der Dinge (IoT): Wie “Augen, Ohren und Nase” sammeln, speichern, verarbeiten und tauschen sie kontinuierlich Informationen aus und arbeiten mit anderen vernetzten Geräten zusammen, um die Umgebung wahrzunehmen und zu steuern.

Kernmerkmale der MEMS-Technologie

Die MEMS-Technologie weist ganz eigene Merkmale auf, die ihr in vielen Bereichen eine entscheidende Rolle verschaffen.

Es wird unter Verwendung eines integrierten Schaltkreis-ähnlichen Fertigungsverfahrens hergestellt und ermöglicht die Integration verschiedener Funktionen auf einem einzigen Mikrochip. Mikrosensoren lassen sich integrieren, Mikroaktoren lassen sich integrieren, und auch Mikrostrukturen lassen sich mit der Mikroelektronik integrieren. Dies erhöht nicht nur die Funktionsdichte des Produkts, sondern leistet auch einen wichtigen Beitrag zur Verwirklichung des Internets der Dinge.

Aus Kostensicht orientiert sich das Verfahren an den Massenfertigungsverfahren im Bereich der integrierten Schaltkreise, auch wenn die Anschaffungskosten für die Produktionsanlagen und pro Wafer nicht gerade gering sind; durch die Massenproduktion lassen sich die Kosten jedoch auf eine große Anzahl von Chips verteilen, wodurch die Kosten für einzelne Bauteile oder Mikrochips komplexer mikromechanischer Systeme erheblich sinken. Genau diese Kosteneffizienz ermöglicht den großflächigen Einsatz von MEMS und sorgt dafür, dass Wartung und Austausch wirtschaftlich rentabel sind.

Dank der Technologie zur Herstellung integrierter Schaltkreise und der mechanischen Vorteile von Silizium sowie verschiedener anderer Dünnschichtmaterialien lässt sich durch deren Kombination die Stabilität und Haltbarkeit von mikromechanischen Produkten erheblich steigern – dies ist ein wesentlicher Vorteil von mikromechanischen Systemen. Silizium als Kernmaterial weist eine Streckgrenze auf, die der von Edelstahl nahekommt, und nimmt unter den technischen Werkstoffen hinsichtlich des Verhältnisses von Festigkeit zu Gewicht einen der vorderen Plätze ein, was die Grundlage für die hohe Zuverlässigkeit von MEMS bildet.

Mikroelektromechanische Systeme zeichnen sich durch eine besondere Eigenschaft aus, nämlich die Miniaturisierung, die zahlreiche Vorteile mit sich bringt. Ein Vorteil ist die verbesserte Tragbarkeit der Produkte, ein weiterer ist die Verringerung des Stromverbrauchs, und ein dritter besteht darin, dass mehr Funktionen auf kleinerem Raum integriert werden können, ohne das Gewicht des Produkts zusätzlich zu erhöhen. Gleichzeitig tragen die Verkürzung der Signalwege und die hochdichte Integration von Funktionen dazu bei, die Gesamtleistung der mechatronischen Systeme weiter zu steigern.

Technische Grundlagen der Mikrosystemtechnik

(1) Mikrosensor-Technologie

Mikrosensoren basieren auf verschiedenen physikalischen Prinzipien, darunter dem resistiven, dem magnetischen, dem photoelektrischen, dem piezoresistiven und dem piezoelektrischen Prinzip, und diese Prinzipien wurden bereits erfolgreich in MEMS-Bauteilen umgesetzt.

Der Widerstand von piezoresistiven Materialien ändert sich in Abhängigkeit von der Art der ausgeübten mechanischen Dehnung; dieses Phänomen tritt bei Halbleitern besonders deutlich zutage. Die Dehnung kann die Struktur der elektronischen Energiebänder des Materials verändern und somit die Streurate der Ladungsträger sowie deren Ausbreitungsrichtung beeinflussen. Der Dehnungskoeffizient ist ein entscheidender Parameter für piezoresistive Materialien. Er ist definiert als das Verhältnis der normierten Änderung des Widerstands zur Dehnung. Unter bestimmten Konfigurationen kann der Dehnungskoeffizient von Silizium Werte von bis zu 200 erreichen, während der Dehnungskoeffizient von metallischen Widerständen in der Regel nur zwischen 2 und 5 liegt.

Der Widerstand eines piezoresistiven Sensors, also des Dehnungsmesselements, wird in der Regel auf einer flexiblen Oberfläche oder Struktur angebracht. Mithilfe mikromechanischer Fertigungstechniken lässt sich das Substratmaterial selektiv entfernen, wodurch die Steifigkeit des Sensorbereichs verringert wird. Sensoren dieser Art finden häufig in der Automobilindustrie, der Medizintechnik sowie in der industriellen Steuerungstechnik Anwendung.

Abbildung 1: Zwei Silizium-Mikrosensoren, die unter Ausnutzung des Piezoresistiveffekts in Halbleitern hergestellt wurden

Bei Sensoren für mikromechanische Systeme (MEMS) finden kapazitive Sensoren aufgrund ihres einfachen Aufbaus breite Anwendung. Die Kapazität C der beiden Komponenten lässt sich anhand der Formel C = (ε₀ × ε_r × A) / d berechnen, wobei ε₀ die Dielektrizitätskonstante des Vakuums und ε_r die relative Dielektrizitätskonstante des Materials zwischen den Elektroden bezeichnet, A die Kapazitätsfläche und d den Elektrodenabstand. Die Messung bei kapazitiven Sensoren erfolgt hauptsächlich auf fünf Arten: Erstens durch Veränderung des Elektrodenabstands; zweitens durch Veränderung der Position der zentralen Elektrode relativ zu den beiden äußeren Elektroden, um eine Differenzmessung zu ermöglichen; drittens durch die Veränderung der Überlappungsfläche der Elektroden; viertens durch die Veränderung der differentiellen Überlappungsfläche der Elektroden; und fünftens durch die Veränderung der Position des Dielektrikums im Raum zwischen den Elektroden (wie in Abbildung 2 dargestellt).

Abb. 2: Verschiedene Konfigurationen von Kondensatoren als Sensorelemente

Der piezoelektrische Effekt ist ein wichtiges physikalisches Phänomen bei der Herstellung von Mikrosensoren. Er bezeichnet die Entstehung einer elektrischen Polarisation – also einer elektrischen Spannung – in einem Material durch mechanische Dehnung; umgekehrt wird durch Anlegen eines elektrischen Feldes eine mechanische Dehnung im Material induziert. Ersteres wird in Sensoren genutzt, Letzteres häufig in Aktoren. Silizium und Germanium gehören zu den Kristallen mit Zentrumsymmetrie und weisen keinen piezoelektrischen Effekt auf, es sei denn, es wird eine Dehnung induziert. Materialien ohne Symmetriezentrum wie Quarz, Bleititanatzirkonat (PZT) und Zinkoxid (ZnO) weisen hingegen piezoelektrische Eigenschaften auf. Dabei können PZT und ZnO in Form von Dünnschichten auf Substrate aufgebracht und für die Herstellung von mikromechanischen Systemen (MEMS) verwendet werden.

Beispiel für den Querschnitt eines piezoelektrischen MEMS-Lautsprechers

(2) Mikroaktuator-Technologie

MEMS-Aktuatoren basieren auf verschiedenen Prinzipien, darunter dem elektrostatischen, dem piezoelektrischen, dem magnetischen, dem Bimetall-Prinzip sowie dem Prinzip der Formgedächtnislegierungen (SMA). Jedes dieser Prinzipien weist eigene Merkmale auf, sodass die Auswahl je nach Anwendungsfall getroffen werden muss.

Der elektrostatische Antrieb nutzt die gegenseitige Anziehungskraft zwischen zwei entgegengesetzt geladenen Elektroden. Wenn eine Spannung V angelegt wird, lässt sich die zwischen den Elektroden entstehende Kraft F anhand der Formel F = (ε_0 × ε_r × A × V^2) / (2 × d^2) berechnen, wobei die Bedeutung der Parameter mit der Formel für die Kapazität übereinstimmt. Diese Antriebsart ist einfach herzustellen, lässt sich gut in elektronische Geräte integrieren, weist einen geringen Energieverbrauch und eine hohe mechanische Bandbreite auf. Allerdings verändert sich die Kraft nichtlinear in Abhängigkeit von der Verschiebung und der angelegten Spannung, die erzeugte Kraft ist relativ gering und die Betriebsspannung möglicherweise hoch.

Bimetall-Mikroaktoren nutzen die unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten zweier Materialien für ihre Funktionsweise. Die aus diesen beiden Materialien bestehende Verbundstruktur erzeugt bei Erwärmung thermisch induzierte Spannungen. Verfügt die Struktur über ausreichende Flexibilität, kommt es zu einer Durchbiegung, deren thermische Dehnung sich mithilfe einer Formel berechnen lässt.

Zur Berechnung, wobei αfilmA der thermische Ausdehnungskoeffizient der oberen Folie ist, αfilmB der thermische Ausdehnungskoeffizient der unteren Folie, die Temperatur des Bimetallelements und die Umgebungstemperatur.

Diese Art von Aktuatoren ermöglicht einen angemessenen Verfahrweg, wobei zwischen Auslenkung und Leistung ein linearer Zusammenhang besteht. Allerdings ist der Wärmeverlust relativ hoch, die mechanische Bandbreite gering, die Konstruktion und Fertigung vergleichsweise komplex und sie reagieren empfindlich auf Umgebungsbedingungen. Durch Aufbringen einer dünnen Aluminiumschicht auf einen dünnen, flexiblen Silizium-Ausleger und die Erzeugung von Joule-Wärme durch Stromdurchfluss durch die Aluminiumschicht lässt sich ein einfacher Bimetall-Mikroaktuator herstellen. Aufgrund der unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten der beiden Materialien kommt es zu einer Durchbiegung des Auslegers.

Ein häufig verwendetes Material für die Herstellung von Mikroaktoren ist die Formgedächtnislegierung (SMA), bei der es bei Erwärmung zu einem Phasenübergang von Martensit zu Austenit kommt und die zudem in den spannungsfreien Zustand zurückkehrt, d. h. einen Gedächtniseffekt aufweist. Bei der Verwendung als Aktuator befindet sich die SMA bei Raumtemperatur in der martensitischen Phase und ist spannungsfrei. Wird bei Raumtemperatur eine Dehnung aufgebracht, kann durch Erwärmung der Phasenübergang ausgelöst werden, wodurch die Dehnung rückgängig gemacht wird und somit eine hohe Energiedichte des Aktuators erzielt wird.

SMA kann mittels Sputterabscheidung auf Siliziumwafern als Dünnschicht aufgebracht werden, in der Regel unter Einsatz von Joule-Erwärmung. Es weist einen Memory-Effekt auf, der reversibel ist und wiederholt genutzt werden kann. Es zeichnet sich durch eine hohe Energiedichte aus und kann eine große Rückstelldehnung von über 81 TP3T erreichen. Allerdings ist der Energieverbrauch hoch und die mechanische Bandbreite gering, der Herstellungsprozess ist relativ komplex, und bei wiederholten Zyklen unter hohen Dehnungswerten kann es zu Ermüdungserscheinungen kommen.

(3) Gängige Werkstoffe für mikromechanische Systeme

Zu den Materialien für die Herstellung von MEMS-Bauteilen zählen Halbleiter, Metalle, Glas sowie Keramik und Polymere. MEMS-Bauteile müssen vielfältige funktionale Anforderungen erfüllen: elektrische, mechanische, chemische sowie thermische und weitere Anforderungen. Daher müssen bei der Materialauswahl sowohl die elektrischen als auch die nicht-elektrischen Eigenschaften umfassend berücksichtigt werden.

Silizium ist ein in mikromechanischen Systemen (MEMS) äußerst häufig verwendetes Material. Die entsprechende Infrastruktur und das Wissenssystem sind ausgereift, und es verfügt über hervorragende mechanische Eigenschaften: Die Streckgrenze liegt nahe an der von Edelstahl, und das Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht gehört zu den besten unter den technischen Werkstoffen. Allerdings weist Silizium auch Einschränkungen auf: Sobald die Dehnung einen bestimmten Grenzwert überschreitet, kommt es zu einem katastrophalen Versagen. Zudem ist das Material anisotrop, d. h., seine Eigenschaften ändern sich je nach Ausrichtung der Kristallachsen im Verhältnis zur Belastung. All dies muss bei der Konstruktion der Bauelemente berücksichtigt werden.

Was die Dünnschichtmaterialien betrifft, so finden neben monokristallinem Silizium auch polykristallines Silizium, Siliziumnitrid, abgeschiedenes Glas sowie Aluminium und ähnliche Dünnschichtmaterialien breite Anwendung bei der Herstellung von mikromechanischen Systemen (MEMS). Diese Dünnschichten werden in der Regel mittels chemischer Gasphasenabscheidung, also dem CVD-Verfahren, wie beispielsweise der Niederdruck-Chemischen Gasphasenabscheidung (LPCVD) oder der plasmaunterstützten chemischen Gasphasenabscheidung (PECVD), oder durch physikalische Gasphasenabscheidung (PVD), beispielsweise durch Verdampfen oder Sputtern, aufgebracht.

Die meisten dieser zahlreichen Techniken zur Dünnschichtabscheidung zeichnen sich durch eine hohe Kosteneffizienz aus und gehören zu den bevorzugten Verfahren in der Mikroelektronikfertigung. Allerdings entstehen dabei in der Regel erhebliche Restspannungen und Spannungsgradienten, was die Herstellung von MEMS-Bauteilen mit mechanischen Funktionen erschwert. Die Restspannungen und Spannungsgradienten der Dünnschichten hängen von der Materialart, der Abscheidetemperatur, dem Abscheidungsverfahren sowie dem Substratmaterial ab; ihr Wertebereich reicht von hohen Druckspannungen bis hin zu hohen Zugspannungen.

Die Prozessbedingungen und -abläufe hängen im Herstellungsprozess in hohem Maße von den Materialeigenschaften ab, insbesondere von den mechanischen Eigenschaften. Die nach der Abscheidung des Dünnschichts verbleibenden Spannungen können sich bei nachfolgenden thermischen Bearbeitungsschritten sehr deutlich verändern. Da zudem für jedes MEMS-Bauteil in der Regel ein maßgeschneiderter Fertigungsprozess zum Einsatz kommt, lassen sich die endgültigen Spannungswerte des Dünnschichts nur schwer im Voraus vorhersagen. Daher müssen die Entwicklung und Herstellung von MEMS-Bauteilen parallel zur Messung der Materialeigenschaften erfolgen. Durch iterative Designoptimierung werden dadurch auch die Entwicklungszeit und die Kosten erhöht.

Zudem ist die Bestimmung der Materialeigenschaften von Dünnschichten mit Schwierigkeiten verbunden, da es beispielsweise nicht möglich ist, nach dem Ablösen der Dünnschicht vom Substrat Belastungs-Durchbiegungs-Messungen durchzuführen; dennoch können die zahlreichen Teststrukturen, die derzeit im Bereich der mikromechanischen Systeme entwickelt wurden, zur Messung wichtiger Materialeigenschaften genutzt werden.

(IV) Entwurfswerkzeuge für mikromechanische Systeme

Im Vergleich zum Entwurf integrierter Schaltungen ist der Entwurf mikromechanischer Systeme wesentlich komplexer. Im Bereich der integrierten Schaltungen sind die Fertigungstechnologien und Entwurfsregeln relativ ausgereift; die Entwickler integrieren diese beiden Aspekte in computergestützte Entwurfswerkzeuge und berücksichtigen dabei ausschließlich elektrische Effekte. Auf diese Weise können sie mit der Entwurfsarbeit beginnen, wobei die entsprechenden Werkzeuge die Leistung der Bauelemente mit hoher Genauigkeit vorhersagen.

Bei der Entwicklung von MEMS-Systemen gibt es vielfältige Herausforderungen: Für jeden Bauteiltyp müssen maßgeschneiderte Fertigungsprozesse entwickelt werden; die Designregeln sind vor der Festlegung des Prozesses unbekannt, und die Materialeigenschaften hängen von den noch unbekannten Fertigungsprozessen und -bedingungen ab. Viele MEMS-Bauelemente weisen gleichzeitig zahlreiche physikalische Phänomene wie elektrische, mechanische, thermische und chemische Eigenschaften auf, wodurch stark gekoppelte Felder entstehen. Zudem müssen MEMS-Konstrukteure über fundierte Kenntnisse der Fertigungsverfahren verfügen.

Die Werkzeuge zur Prozessmodellierung entsprechen im Großen und Ganzen denen, die in der Halbleiterindustrie verwendet werden. Sie unterstützen die Entwickler bei der Erstellung von Prozessmodellen und Maskenmustern und ermöglichen mithilfe numerischer Verfahren die Simulation von Fertigungsschritten. Allerdings sind ihre Fähigkeiten zur Vorhersage mechanischer Materialeigenschaften relativ begrenzt; einer ihrer zentralen Vorteile ist die Erstellung von 3D-Renderings der Bauelemente.

Es gibt Entwurfswerkzeuge auf physikalischer Ebene, die mithilfe partieller Differentialgleichungen das Verhalten von Bauteilen in realen dreidimensionalen Kontinua modellieren; dazu gehören analytische sowie numerische Werkzeuge wie die Finite-Elemente-Methode, die Randelementmethode und die Finite-Differenzen-Methode, die größtenteils weiterentwickelte Versionen der numerischen Modellierungswerkzeuge aus dem Bereich der Makro-Konstruktion sind. So sieht es aus.

Ein Modell auf Bauteilebene gehört zu den Makromodellen oder Modellen mit reduzierter Ordnung; es kann das physikalische Verhalten von Bauteilen in einem begrenzten Bereich erfassen und ist mit Modellen auf Systemebene kompatibel. Ein Modell auf Systemebene ist ein hochrangiges Blockdiagramm sowie ein Modell mit konzentrierten Parametern, das das System als eine Gruppe gekoppelter gewöhnlicher Differentialgleichungen beschreibt.

Verfahren zur Herstellung von mikromechanischen Systemen

Die Fertigung von mikromechanischen Systemen (MEMS) vereint bewährte Technologien aus dem Bereich der integrierten Schaltkreise – wie Oxidation, Diffusion, Ionenimplantation, chemische Gasphasenabscheidung bei niedrigem Druck (LPCVD) und Sputterverfahren – mit spezialisierten mikromechanischen Bearbeitungsverfahren. Diese Fertigungstechnologien zeichnen sich durch ihre Anpassungsfähigkeit aus und bieten vielfältige Bearbeitungsmöglichkeiten.

Mikroelektromechanische Systeme (MEMS) sind vielseitig einsetzbare Geräte, die ähnlich wie Chips, die zu den integrierten Schaltkreisen gehören, mithilfe der Halbleitertechnik hergestellt werden.

(1) Fertigungsverfahren im Frontend-Bereich

Eine der ältesten Techniken der Mikrobearbeitung ist die volumetrische Mikrobearbeitung, bei der mikromechanische Bauteile durch selektives Abtragen von Substratmaterial hergestellt werden. Dabei kommen sowohl chemische als auch physikalische oder chemisch-mechanische Verfahren zum Einsatz, wobei die nasschemische volumetrische Mikrobearbeitung in der Industrie weit verbreitet ist.

Zu den gängigen Techniken der mikromechanischen Bearbeitung gehört das chemische Nassätzen, bei dem das Substrat in eine reaktive chemische Lösung getaucht wird, sodass die freiliegenden Bereiche mit einer messbaren Geschwindigkeit geätzt werden können. Es zeichnet sich durch eine hohe Ätzrate und eine hohe Selektivität aus; zudem lässt sich der Prozess durch Anpassung verschiedener Parameter wie der Zusammensetzung der Ätzlösung, der Temperatur, der Dotierungskonzentration des Substrats und der Kristallfläche optimieren. Der grundlegende Mechanismus umfasst drei Schritte: den Transport der Reaktanten, die Oberflächenreaktion und den Transport der Reaktionsprodukte. Je nach dem, welcher Schritt die Geschwindigkeit begrenzt, wird zwischen dem “diffusionsbegrenzten” Verfahren – bei dem die Geschwindigkeit durch Rühren erhöht werden kann – und dem “reaktionsgeschwindigkeitsbegrenzten” Verfahren unterschieden, das eine bessere Reproduzierbarkeit und Ätzrate aufweist und in der Praxis häufiger zum Einsatz kommt.

Das chemische Nassätzen in der Mikromechanik wird hauptsächlich in isotropes Nassätzen und anisotropes Nassätzen unterteilt. Die Ätzgeschwindigkeit beim isotropen Nassätzen hängt kaum von der Kristallorientierung des Substrats ab, das Ätzen verläuft in alle Richtungen gleichmäßig. Die am häufigsten verwendeten Ätzmittel für Silizium sind eine Mischlösung aus Salpetersäure (HNO₃), Flusssäure (HF) und Essigsäure (HC₂H₃O₂). Die chemische Gleichung lautet: Si + HNO₃ + HF → NO + H₂O, Diese Reaktion weist aufgrund der Regeneration von Salpetersäure selbstkatalytische Eigenschaften auf und muss unter starkem Rühren durchgeführt werden, um gleichmäßige Ätzraten in horizontaler und vertikaler Richtung zu gewährleisten. Als Maskierungsmaterialien werden häufig Siliziumdioxid und Siliziumnitrid verwendet, wobei Siliziumnitrid aufgrund seiner geringeren Ätzrate häufiger zum Einsatz kommt.

Die Ausrichtung des Substratkristalls beeinflusst die Geschwindigkeit des anisotropen Nassätzens, es bestehen erhebliche Unterschiede in der Ätzrate zwischen verschiedenen Ebenen des Siliziumkristalls; diese Unterschiede hängen mit der Bindungskonfiguration und der Atomdichte der jeweiligen Ebenen zusammen. Bei dieser Art des Ätzens werden im Allgemeinen die Ätzraten senkrecht zur Kristallebene als Charakterisierungsmaßstab herangezogen, wobei die Ätzrate entlang der Ebene am langsamsten ist, Die Unterschiede in den Ätzraten zwischen verschiedenen Gitterrichtungen können bis zu 1000:1 betragen. Dies liegt daran, dass die Dichte der freiliegenden Siliziumatome an der Ebene am höchsten ist und dass die drei Siliziumbindungen unterhalb der Ebene eine chemische Abschirmung bilden.

Dank dieser Eigenschaft ermöglicht das anisotrope Nassätzen eine hohe Ätzgenauigkeit sowie eine strenge Maßkontrolle und erlaubt zudem die beidseitige Bearbeitung zur Bildung selbstisolierender Strukturen, was für die Verkapselung von MEMS-Bauteilen (z. B. Drucksensoren) von Vorteil ist, die rauen Umgebungsbedingungen ausgesetzt sind. Derzeit findet diese Technologie breite Anwendung bei der Herstellung von Bauteilen wie Silizium-Drucksensoren und Beschleunigungsmessern mit volumetrischer Mikromechanik; sie ist bereits seit 30 Jahren ausgereift.

Auf einem orientierten Siliziumsubstrat lassen sich nach einem anisotropen Nassätzvorgang sowohl umgekehrt pyramidenförmige Ätzgruben als auch trapezförmige Ätzgruben mit flachem Boden bilden (wie in Abbildung 3 dargestellt), Die Aufnahmen mit dem Rasterelektronenmikroskop (REM) zeigen deutlich die trapezförmigen Ätzvertiefungen sowie die Struktur der Rückseite der Dünnschicht für den Drucksensor (wie in Abbildung 4a und 4b dargestellt).

Abb. 3: Schematische Darstellung eines orientierten Siliziumsubstrats, das in eine Lösung eines anisotropen Nassätzmittels eingetaucht wurde und anschließend die Form des geätzten Profils annimmt.

Es handelt sich um Abbildung 4 (a) bzw. Abbildung 4 (b), die SEM-Aufnahmen eines orientierten Siliziumsubstrats zeigen, das in ein anisotropes Nassätzmittel eingetaucht wurde; der Maßstab beträgt 1 Mikrometer.

Die gängigen Nassätzmittel mit anisotropen Eigenschaften lassen sich grob in drei Kategorien einteilen: Zum einen handelt es sich um wässrige alkalische Lösungen, wie beispielsweise Kaliumhydroxid (KOH), Ammoniumhydroxid (NH₄OH) sowie Tetramethylammoniumhydroxid (TMAH) usw. Diese Ätzmittel weisen eine hohe Ätzrate auf, und das Verhältnis der Ätzrate zur Planarität ist vergleichsweise hoch. Dabei ist die Ätzrate von TMAH unter bestimmten Bedingungen gegenüber Aluminium extrem niedrig, Es eignet sich für vorbehandelte Mikroelektronik-Wafer, weist jedoch eine relativ hohe Ätzrate bei Siliziumdioxid-Masken auf, was zu einer alkalischen Verunreinigung der Wafer führen kann; diese Verunreinigung lässt sich jedoch durch geeignete Reinigungsverfahren mindern; Zweitens gibt es Ethylendiamin und Resorcin, abgekürzt als EDP, deren Verhältnis von vertikaler zu horizontaler Ätzrate noch höher ist und die für eine größere Anzahl von Maskenmaterialien geeignet sind; sie sind jedoch krebserregend, der Ätzprozess lässt sich nur schwer beobachten und die Reinigung ist schwierig; drittens gibt es weitere spezielle Ätzmittel.

Siliziumnitrid ist ein häufig verwendetes Maskierungsmaterial für das anisotrope Nassätzen; thermisch aufgewachsenes Siliziumdioxid kann ebenfalls verwendet werden, wobei jedoch auf die Kontrolle der Dicke zu achten ist, insbesondere bei Verwendung von KOH als Ätzmittel. Fotolack darf nicht mit anisotropen Ätzmitteln verwendet werden. Metalle wie Tantal (Ta) und Gold (Au) weisen im EDP-Verfahren eine gute Ätzbeständigkeit auf; Aluminium ist unter bestimmten Bedingungen ebenfalls beständig gegen TMAH.

Die Ätzrate, das Ätzratenverhältnis sowie die Ätzselektivität – Eigenschaften, die für anisotrope Ätzmittel charakteristisch sind – hängen hauptsächlich von der chemischen Zusammensetzung der Lösung und der Temperatur ab und folgen dem Arrhenius-Gesetz R = R₀ exp(−E_a/(κT)), wobei R₀ eine Konstante ist, Eₐ die Aktivierungsenergie darstellt, k die Boltzmann-Konstante ist und T die Temperatur in Kelvin angibt.

Bei der mikromechanischen Bearbeitung auf Substratbasis ist die präzise Steuerung der Dicke von Siliziumdünnschichten oder der Ätztiefe eine entscheidende Anforderung. Allerdings ist es aufgrund von Faktoren wie Belastungswirkungen, Temperaturschwankungen und Unterschieden in der Substratdicke sehr schwierig, eine gleichmäßige Ätzung zu gewährleisten. Beim zeitgesteuerten Ätzen wird die Tiefe anhand des Produkts aus Ätzrate und Zeit bestimmt; die Steuerung ist jedoch relativ schwierig und unterliegt zudem dem Einfluss verschiedener Faktoren. Aus diesem Grund wurde das Ätzstoppverfahren entwickelt, das im Wesentlichen das dotierte Ätzstoppverfahren und das elektrochemische Ätzstoppverfahren umfasst.

Durch eine hohe p-Typ-Bor-Dotierung von mehr als 5 × 10¹⁹ cm⁻³ wird eine Ätzstoppschicht gebildet, dieser Vorgang wird als Dotierungs-Ätzstoppverfahren bezeichnet. Dieses Verfahren führt zu einer deutlichen Verringerung der Ätzrate in den hochdotierten Bereichen, wie beispielsweise in Abbildung 5 dargestellt. Das Problem ist jedoch, dass die hochdotierte Oberflächenschicht für bestimmte Bauelemente, wie beispielsweise Piezoresistoren, möglicherweise nicht geeignet ist; Das elektrochemische Ätzstoppverfahren ermöglicht eine gute Maßkontrolle und die Herstellung von dünnen Schichten aus leicht dotierten Materialien, die für hochwertige Piezoresistoren geeignet sind; allerdings erfordert es spezielle Halterungen sowie elektronische Steuerungssysteme.

Abbildung 5 zeigt die Beziehung zwischen der Ätzrate von orientierten Siliziumwafern und der Borkonzentration bei unterschiedlichen Ätzmittelkonzentrationen.

Die mikromechanische Oberflächenbearbeitung gehört zu den gängigen Fertigungstechnologien. Der Kernprozess umfasst das Aufbringen einer dünnen Schicht als temporäre Opferschicht, das Aufbringen und Strukturieren einer Struktur-Schicht – also der Dünnschicht-Bauelementschicht – auf dieser Opferschicht sowie das Entfernen der temporären Opferschicht, wodurch die mechanische Struktur-Schicht von ihren Fesseln befreit wird und sich frei bewegen kann. Am Beispiel der Herstellung eines Auslegerbalkens aus polykristallinem Silizium wird zunächst eine Oxid-Opferlage aufgebracht und strukturiert, anschließend wird die Strukturlage aus polykristallinem Silizium aufgebracht und strukturiert, und schließlich wird die Opferlage entfernt, wodurch ein frei beweglicher Auslegerbalken entsteht, wie in Abbildung 6 dargestellt.

Abb. 6: Schematische Darstellung des Verfahrens zur mikromechanischen Oberflächenbearbeitung

Bei dieser Technologie lassen sich die vertikalen Abmessungen präzise steuern; sie werden durch die Dicke der abgeschiedenen Schicht bestimmt. Auch die horizontalen Abmessungen lassen sich präzise steuern; diese werden durch die Genauigkeit der Lithografie- und Ätzprozesse bestimmt. Sie ist mit mikroelektronischen Bauelementen kompatibel und ermöglicht somit deren Integration. Zudem nutzt sie die Eigenschaften der Dünnschichtabscheidung, wie beispielsweise die konforme Beschichtung bei LPCVD, und setzt auf die einseitige Waferbearbeitung. Dadurch ist die Integrationsdichte im Vergleich zu anderen Verfahren höher und die Kosten pro Chip geringer.

Der Nachteil besteht darin, dass die mechanischen Eigenschaften der Strukturfolie unbekannt sind, was Messungen erforderlich macht, und dass die Restspannungen relativ hoch sind, die durch Hochtemperaturglühen reduziert werden müssen. Die Restspannungen ändern sich zudem im Zuge der nachfolgenden thermischen Verarbeitung, wodurch die Reproduzierbarkeit der mechanischen Eigenschaften schwer zu erreichen ist. Außerdem kann es beim Ablösen der Strukturschicht aufgrund von Kapillarkräften leicht zu Verkleben kommen, was spezielle Ablöseverfahren sowie Antihaftbeschichtungen erforderlich macht. Abbildung 7 zeigt die Struktur eines Polysilizium-Resonators, der mittels mikromechanischer Oberflächenbearbeitung hergestellt wurde.

Abb. 7: Struktur eines Polysilizium-Resonators, der mittels mikromechanischer Oberflächenbearbeitung hergestellt wurde

Die Technologie, mit der zwei oder mehr Wafer miteinander verbunden werden, um so eine Wafer-Stapel-Struktur zu bilden, wird als Wafer-Bonding-Technologie bezeichnet. Sie lässt sich hauptsächlich in drei Kategorien unterteilen: zum einen das direkte Bonding, also das Schmelz-Bonding, zum anderen das feldunterstützte Bonding, d. h. das Anoden-Bonding, und schließlich das Bonding unter Verwendung einer Zwischenschicht. Alle diese Verfahren erfordern, dass die Substrate eine hohe Ebenheit sowie Glätte und Sauberkeit aufweisen.

Das direkte Verbinden wird häufig für die Verbindung zwischen Siliziumwafern oder zwischen Silizium und oxidierten Siliziumwafern verwendet. Der grundlegende Prozess umfasst fünf Schritte: Reinigung und Oberflächenvorbereitung, Vorverbinden, Prüfung vor dem Tempern, Hochtemperatur-Tempern (in der Regel bei etwa 1000 °C) sowie Endkontrolle. Die Wafer werden zunächst durch Wasserstoffbrückenbindungen, die durch die Oberflächenhydratation entstehen, vorläufig verbunden; nach dem Hochtemperatur-Tempern ist die Bindungsfestigkeit mit der von monokristallinem Silizium vergleichbar, während durch eine Plasmabehandlung die Temperntemperatur auf 250–300 °C oder sogar noch niedriger gesenkt werden kann.

Beim Anodenbonden werden Siliziumwafer mit Pyrex-7740-Wafern verbunden. Dies geschieht mithilfe eines elektrischen Feldes und hoher Temperaturen. Durch die Migration von Natriumionen im Pyrex-Glas entsteht ein starkes elektrisches Feld, wodurch eine chemische Verschmelzung der Oberflächen erreicht wird. Dieses Verfahren bietet folgende Vorteile: dass Pyrex 7740 und Silizium ähnliche Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen und die Restspannung sehr gering ist, weshalb dieses Verfahren in großem Umfang bei der Verkapselung von mikromechanischen Systemen (MEMS) eingesetzt wird.

Darüber hinaus gibt es das Eutektik-Bonden, also das Bonden unter Verwendung einer Goldzwischenschicht, sowie das Glas-Bonden, das ebenfalls mithilfe einer Zwischenschicht aus Glaspaste erfolgt, sowie das Polymer-Bonding, bei dem Zwischenlagen aus Epoxidharz, Polyimid und ähnlichen Materialien zum Einsatz kommen; all diese Verfahren finden in der Fertigung von mikromechanischen Systemen jeweils ihre spezifischen Anwendungen.

Fertigungstechnologien für mikromechanische Systeme (MEMS) mit hohem Tiefe-Breite-Verhältnis, die die Herstellung extrem tiefer Mikrostrukturen ermöglichen, umfassen das tiefe reaktive Ionenätzen (DRIE) von Silizium, das tiefe reaktive Ionenätzen von Glas, die LIGA-Technologie sowie das Thermoprägen. Das DRIE von Silizium ist ein hochanisotropes Plasmaätzverfahren, dessen Ätztiefe mehrere zehn Mikrometer oder sogar mehrere hundert Mikrometer erreichen kann und das sogar das Siliziumsubstrat durchdringen kann. Das gängigste Verfahren ist das Bosch-Verfahren, Bei diesem Verfahren werden Ätzzyklen mit Schwefelhexafluorid (SF₆) und Abscheidungszyklen mit Octafluorcyclobutan (OCB) abwechselnd durchgeführt, um tiefe Gräben zu erzeugen (siehe Abbildung 8).

Abb. 8: Schematische Darstellung des Funktionsprinzips des tiefen reaktiven Ionenätzens (DRIE)

Die Seitenwände, die das Material in diesem Ätzprozess aufweist, weisen sowohl eine waschbrettartige als auch eine muschelartige Form auf. Die Ätzrate der neuesten Anlagen dieser Art liegt bereits bei über 20 Mikrometern pro Minute, und das Selektivitätsverhältnis der Maske gegenüber dem Fotolack beträgt 75:1. bei Oxiden sogar 150:1. Das Tiefe-zu-Breite-Verhältnis ist ebenfalls hervorragend und kann bis zu 30:1 betragen, wobei in der Praxis ein Verhältnis von 15:1 häufiger zum Einsatz kommt. Die damit hergestellten Silizium-Mikrostrukturen lassen sich anhand von SEM-Querschnittsbildern deutlich erkennen, die das hohe Tiefe-zu-Breite-Verhältnis sowie die tiefen Rillen deutlich zeigen, wie in Abbildung 9 dargestellt.

Abbildung 9 zeigt eine Aufnahme eines Querschnitts eines Siliziumwafers, die mit einem Rasterelektronenmikroskop (REM) aufgenommen wurde. Sie verdeutlicht die mit der DRIE-Technologie (Deep Reactive Ion Etching) herstellbaren Strukturen mit hohem Tiefe-Breite-Verhältnis und tiefen Rillen.

Es gibt einen Fall, bei dem durch tiefes reaktives Ionenätzen von Glas Rillen gebildet werden können, deren Tiefe 100 Mikrometer übersteigt und deren Tiefen-Breiten-Verhältnis größer als 4:1 ist; ihr Aussehen ist in Abbildung 4.10 dargestellt. Dabei wird eine Hartmaske aus Nickel verwendet, deren Selektivität bei etwa 10:1 liegt. Der Ätzprozess zeichnet sich durch ein kontinuierliches, nicht muschelförmiges Muster aus, ist jedoch anfällig für Störungen durch Mikromasken. Eine weitere Methode ist die LIGA-Technik, bei der zunächst eine PMMA-Schicht mittels Röntgenstrahlung belichtet wird, anschließend entwickelt und dann metallisch beschichtet wird, anschließend wird das PMMA entfernt, um die metallische Mikrostruktur zu erhalten. Diese Technik bietet Vorteile wie glatte Seitenwände, gute Vertikalität und große Eindringtiefe, ist jedoch mit höheren Kosten verbunden; ihre Varianten können durch die wiederverwendbaren Werkzeugeinsätze die Kosten senken. Die Heißpräge-Technologie arbeitet mit metallischen Werkzeugeinsätzen, um Muster auf ein Polymersubstrat zu prägen. Sie zeichnet sich durch niedrige Kosten und eine gute Maßhaltigkeit aus und eignet sich daher für die Herstellung von Mikrofluidik-Komponenten.

Abbildung 10 ist eine Rasterelektronenmikroskopaufnahme (REM), die eine in ein Glassubstrat geätzte Struktur mit hohem Tiefe-Breite-Verhältnis zeigt. Die Aufnahme wurde vom Zentrum für den Austausch im Bereich Mikrosystemtechnik und Nanotechnologie angefertigt.

(2) Sonstige Technologien der Mikromechanik

Darüber hinaus spielen neben den oben genannten Kernverfahren auch die Trockenätztechnik mit Xenondifluorid (XeF₂), die Funkenerosions-Mikrobearbeitung, die Lasermikrobearbeitung sowie die Mikrobearbeitung mit fokussiertem Ionenstrahl (FIB) und weitere Verfahren spielen ebenfalls eine entsprechende Rolle bei der Herstellung von mikromechanischen Systemen.

Ein isotropes Ätzmittel für Silizium ist das Trockenätzen mit XeF₂; es weist eine hohe Selektivität gegenüber Materialien wie Siliziumnitrid und Siliziumdioxid auf, verursacht keine Anhaftungsprobleme und eignet sich für die Mikrostrukturierung auf CMOS-Wafern; Die Elektroerosions-Mikrobearbeitung nutzt elektrische Durchschlagsentladungen zum Abtragen leitfähiger Materialien und ermöglicht die Herstellung von kleinen Löchern im Bereich von mehreren zehn Mikrometern. Da es sich jedoch um einen seriellen Prozess handelt, ist er langsam und kostspielig; Die Lasermikrobearbeitung nutzt fokussierte Laserenergie, um Materialien zu schmelzen, zu verdampfen oder durch photoablation zu entfernen. Sie eignet sich für eine Vielzahl von Materialien, wobei der Einsatz der Femtosekunden-Lasertechnologie die Bearbeitungsgenauigkeit und Materialverträglichkeit weiter verbessert; Die FIB-Mikrobearbeitung kann den Lichtfleck auf 50 Nanometer fokussieren und so extrem kleine Strukturen erzeugen; darüber hinaus kann sie verschiedene Aufgaben wie ioneninduzierte Abscheidung, Fotolithografie und Dotierung ausführen und verfügt über Funktionen zur Bildgebung und Elementanalyse.

Zukünftige Trends bei mikromechanischen Systemen

Mikroelektromechanische Systeme werden sich künftig in Richtung einer höheren Integrationsdichte, einer größeren Funktionsvielfalt und noch kleinerer Abmessungen weiterentwickeln. Mit der Verbesserung der Fertigungskapazitäten besteht die Aussicht, zahlreiche Sensoren, verschiedene Aktoren sowie fortschrittliche elektronische Komponenten auf einem einzigen Siliziumwafer zu integrieren, um auf kleinstem Raum Multifunktionalität zu erreichen und gleichzeitig die Kosten niedrig zu halten. Gleichzeitig wird die enge Verzahnung von MEMS und Nanotechnologie in Zukunft weiter zunehmen, was zu einer weiteren Ausweitung der Leistungsgrenzen und einer Erweiterung der Anwendungsbereiche führen wird.

Das Internet der Dinge (IoT), bei dem physische Objekte über Kommunikationsnetzwerke miteinander verbunden werden, um so die Erfassung, Speicherung, Verarbeitung und den Austausch von Informationen zu ermöglichen, hat seinen Schwerpunkt in der Anwendung von mikromechanischen Systemen (MEMS). MEMS-Bauteile erfüllen die Anforderungen des IoT an kostengünstige, unauffällige Geräte, die sowohl Sensor- als auch Steuerungsfunktionen vereinen. Sie werden in zahlreichen Bereichen wie Smart Home, industrielles IoT, intelligenter Verkehr und Gesundheitswesen eine wichtige Rolle spielen und zu einer der Hauptantriebskräfte für die Ausweitung des IoT werden.

zu einem Urteil gelangen

Die MEMS-Technologie ist eine Technologie, die Wissen aus verschiedenen Disziplinen vereint und über vielfältige Fertigungsmöglichkeiten verfügt. Sie ist weder ein einzelnes Fertigungsverfahren für eine bestimmte Anwendung noch ein einzelnes Fertigungsverfahren für ein bestimmtes Bauteil. Mithilfe der Miniaturisierung verändert sie die Konstruktionsphilosophie mechanischer Systeme und verändert durch die Serienfertigung deren und durch die Integration mit elektronischen Geräten die Konstruktionsprinzipien mechanischer Systeme. Damit eröffnet sie neue Möglichkeiten für die Entwicklung intelligenter Produkte in verschiedenen Bereichen.

Auch wenn MEMS-Bauteile in der Regel nur einen geringen Anteil an den Kosten, der Größe und dem Gewicht eines Produkts ausmachen, spielen sie doch eine entscheidende Rolle für dessen Leistung, Zuverlässigkeit und Erschwinglichkeit. Die MEMS-Branche hat zwar denselben Ursprung wie die Halbleiterindustrie, verfügt jedoch über ein breiteres Anwendungsspektrum und vielfältigere technologische Formen und und hat sich zu einer eigenständigen Schlüsseltechnologie entwickelt. Im Zeitalter des Internets der Dinge werden die Vielfalt, die wirtschaftliche Bedeutung und das potenzielle Anwendungsspektrum von MEMS weiter zunehmen und den wissenschaftlichen und technologischen Fortschritt sowie die industrielle Modernisierung unterstützen.