Was ist eine S-Kurve? Erklären Sie die Kurve anhand der Verkaufszahlen von Autos, die während der Verkaufsperiode eines Modells veräußert werden. Erläutern Sie außerdem, was passiert, wenn ein neues Modell eingeführt wird.
Die S-Kurve beschreibt den Lebenszyklus einer Innovation. Sie besteht aus der Anlaufphase, der Wachstumsphase, der Reifephase und der Sättigungsphase. In der Anlaufphase werden nur wenige Modelle des Autos verkauft. In der Wachstumsphase nehmen die Verkaufszahlen stark zu. In der Reifephase steigen die Verkaufszahlen noch, jedoch langsamer. In der Sättigungsphase gibt es zwar eine hohe Verkaufszahl, aber diese steigt nicht weiter an. Beim Einführen einer neuen Baureihe wird die Kurve in umgekehrter Reihenfolge durchlaufen.
Nennen Sie vier treibende Kräfte hinter der Entwicklung des MEMS/MST-Feldes.
Die vier treibenden Kräfte hinter der Entwicklung des MEMS/MST-Feldes sind
Batch-Fertigung,
Arrays,
Miniaturisierung
Multi-Physik-Integration.
Was ist der Ursprung der Mikrosystemtechnik? Nennen Sie zwei historisch wichtige Ereignisse.
Der Ursprung der Mikrosystemtechnik liegt in der Mikroelektronik der 1970er und 1980er Jahre. Zwei historisch wichtige Ereignisse sind die Erfindung des Transistors im Jahr 1947 und der Vortrag von Richard Feynman am California Institute of Technology (CIT), in dem er Ideen präsentierte, wie Technologie auf mikroskopischer Dimension funktionieren könnte.
Nennen Sie zwei Anwendungsbereiche der Mikrosystemtechnik und veranschaulichen Sie diese mit zwei konkreten Anwendungen.
Medizintechnik: Ein Beispiel ist das „Lab-on-a-Chip“, das für die Durchführung komplexer biochemischer Analysen auf einem einzigen Chip verwendet wird. Ein weiteres Beispiel sind piezoresistive Drucksensoren, die zur Blutdruckmessung eingesetzt werden.
Automotive: In der Automobilindustrie werden Mikrosysteme wie Beschleunigungssensoren zur Auslösung von Airbags und Drucksensoren zur Überwachung des Reifendrucks eingesetzt.
Nennen Sie zwei Technologiefelder in der Mikrotechnologie und ordnen Sie jeweils ein Produkt zu.
• Optoelektronik: Encoder und Decoder sind wichtige Komponenten in optischen Systemen, die Lichtsignale in elektrische Signale umwandeln und umgekehrt.
• Halbleitertechnologie: IC Computerchips sind zentrale Produkte dieses Technologiefelds und werden in zahlreichen Anwendungen verwendet, von Computern bis hin zu mobilen Geräten.
Was sind Schlüsseleigenschaften eines MEMS-Produkts? Veranschaulichen Sie dies anhand einer kommerziellen Anwendung.
Ein MEMS-Produkt weist in der Regel folgende Schlüsseleigenschaften auf:
1. Die Komponenten sind meist kleiner als 100 Mikrometer.
2. Es kombiniert elektronische und mechanische Bauteile sowie die Verarbeitung von Informationen auf engstem Raum.
3. MEMS-Produkte bestehen aus Aktuatoren, Sensoren und informationsverarbeitenden Bauteilen.
Ein Beispiel für eine kommerzielle Anwendung ist das MEMS-Mikrofon, das in modernen Smartphones verwendet wird. Dieses Mikrofon nutzt die beschriebenen Eigenschaften, um akustische Signale aufzunehmen und in elektrische Signale umzuwandeln, die dann im Gerät verarbeitet werden.
Nennen Sie zwei ausgereifte MEMS-Produkte.
Zwei ausgereifte MEMS-Produkte sind Drucksensoren
und Mikrofone.
Nennen Sie zwei MEMS-Produkte aus dem Konsumbereich.
Zwei MEMS-Produkte aus dem Konsumbereich sind Mikrofone in Handys und Gyroskope in Spielcontrollern.
Nennen Sie zwei Vorteile der Skalierung in MEMS.
Zwei Vorteile der Skalierung in MEMS sind die verbesserte Energieeffizienz und die Möglichkeit, höhere Geschwindigkeiten zu erreichen.
Erklären Sie das Moore’sche Gesetz anhand einer Zeichnung.
Das Moore’sche Gesetz beschreibt, dass sich die Anzahl der Transistoren in einer integrierten Schaltung bei minimalem Kostenaufwand regelmäßig verdoppelt. In einer Zeichnung könnte dies wie folgt dargestellt werden:
• Y-Achse: Die Anzahl der Transistoren, dargestellt auf einer logarithmischen Skala.
• X-Achse: Die Zeit, dargestellt in Jahren.
• Funktion: Eine lineare Steigung von 45 Grad, die zeigt, dass die Anzahl der Transistoren über die Zeit exponentiell zunimmt.
Nennen sie drei Parallelen zwischen Mikrosystemtechnik und CMOS
Batch Processing
Design und Simulation statt trial and error
Standardisierung
Ähnliche Produktion wie lithografie
Disruptive technologie
Nennen Sie vier Grundregeln, die bei der Verarbeitung von einkristallinem Silizium gelten.
Antwort: Bei der Verarbeitung von einkristallinem Silizium gelten folgende vier Grundregeln, um Gitterdefekte zu minimieren, die durch äußere Einflüsse entstehen können:
1. Verunreinigungen vermeiden: Bereits beim Kristallwachstum sollte darauf geachtet werden, dass keine Verunreinigungen im Kristall entstehen, da diese zu Defekten im Gitter führen können.
2. Minimierung mechanischer Einflüsse: Die Kristalle sollten so wenig wie möglich mechanischen Einflüssen wie Druck, Spannung oder anderen Belastungen ausgesetzt werden, um Gitterstörungen zu vermeiden.
3. Begrenzte mechanische Bearbeitung: Um Schäden am Kristallgitter zu verhindern, sollte die mechanische Bearbeitung wie Schleifen, Bohren oder Sägen auf ein Minimum beschränkt werden.
4. Schutz durch Beschichtungen: Um die Monokristalle vor Korrosion und physischen Einwirkungen zu schützen, sollten sie durch geeignete Beschichtungen gesichert werden.
Listen Sie vier Eigenschaften auf, die Silizium zu einem geeigneten Material für die Mikrosystemtechnik machen. Nennen Sie zur Veranschaulichung vergleichbare Materialien.
1. Hoher E-Modul: Silizium hat einen hohen Elastizitätsmodul, der vergleichbar mit rostfreiem Stahl ist, was es zu einem sehr steifen Material macht, das sich unter Belastung nur wenig verformt.
2. Geringe Dichte: Silizium hat eine relativ geringe Dichte, die vergleichbar mit Aluminium ist, was es leicht und dennoch stabil macht.
3. Hohe Knoop-Härte: Silizium besitzt eine hohe Knoop-Härte, die vergleichbar mit Quarz ist, was es widerstandsfähig gegenüber mechanischer Abnutzung macht.
4. Geringe thermische Ausdehnung: Silizium hat eine geringe thermische Ausdehnung, etwa zehnmal geringer als die von Aluminium, wodurch es bei Temperaturänderungen dimensionsstabil bleibt.
Wie wird ein Siliziumkristall im Czochralski-Verfahren gezogen? Notieren Sie die wichtigsten Punkte auch anhand einer Skizze.
Antwort: Das Czochralski-Verfahren zur Herstellung eines Siliziumkristalls umfasst folgende Schritte:
1. Inerte Gasatmosphäre und hohe Temperaturen: Das Verfahren findet üblicherweise in einer inerten Gasatmosphäre, wie Argon, bei sehr hohen Temperaturen von etwa 1415 Grad Celsius, dem Schmelzpunkt von Silizium, statt.
2. Schmelze: Hochreines Silizium wird in einem Tiegel, der häufig aus Quarz besteht, aufgeschmolzen, um eine flüssige Siliziumschmelze zu erzeugen.
3. Impfkristall: Ein kleiner, monokristalliner Silizium-Impfkristall (Seed-Kristall) wird in die Schmelze getaucht. An der Grenzfläche zwischen dem Impf- und dem flüssigen Silizium beginnt das Silizium, sich monokristallin zu erstarren.
4. Ziehen des Kristalls: Der Impfkristall und der daran wachsende Siliziumkristall werden unter Rotation (meistens rotieren sowohl der Tiegel als auch der Seed-Kristall, häufig in entgegengesetzte Richtungen) langsam mit einer Geschwindigkeit von 1–3 mm pro Minute aus der Schmelze gezogen. Der Kristall wächst weiter durch die kontinuierliche Erstarrung des Siliziums an der Grenzfläche.
Warum wird die Zonenschmelzmethode für die Herstellung von Silizium-Einkristallen eingesetzt und wie funktioniert sie?
1. Polykristalliner Siliziumbarren: Ein Barren aus polykristallinem Silizium wird verwendet, der zunächst an einem Ende aufgeschmolzen wird.
2. Impfkristall: Dieser geschmolzene Bereich wird in Kontakt mit einem monokristallinen Silizium-Impfkristall gebracht. An der Grenzfläche zwischen der Schmelze und dem Impfstoff beginnt das Silizium monokristallin zu erstarren.
3. Bewegung der Schmelzzone: Eine Induktionsspule wird entlang des Barren bewegt, wodurch eine schmale Zone des Siliziums geschmolzen wird. Diese Schmelzzone wandert langsam durch den gesamten Barren. Während die Schmelzzone wandert, kristallisiert das Silizium hinter ihr wieder monokristallin aus.
4. Reinigung durch Schmelzzone: Verunreinigungen tendieren dazu, in der Schmelze konzentriert zu bleiben, da sie dort energetisch stabiler sind. Diese Verunreinigungen werden von der Schmelzzone mitgeführt und sammeln sich am Ende des Barren an, wo sie letztendlich abgeschieden werden können.
Zurück bleibt ein hochreiner monokristalliner Silizium Barren
Nennen Sie die fünf Basistechnologien für die Herstellung von integrierten Schaltungen und illustrieren Sie jede mit mindestens einer Umsetzungsmöglichkeit.
1. Schichtabscheidung:
• Umsetzungsmöglichkeit: Chemical Vapor Deposition (CVD) - Dabei werden dünne Schichten von Materialien auf die Oberfläche eines Wafers aufgebracht, indem gasförmige Vorläufermoleküle auf die Oberfläche gebracht und dort chemisch abgebaut werden, um eine feste Schicht zu bilden.
2. Schichtrestrukturierung:
• Umsetzungsmöglichkeit: Photolithografie - Diese Technik wird verwendet, um spezifische Muster in einer Schicht zu erzeugen. Ein lichtempfindliches Material (Photoresist) wird auf die Schicht aufgebracht, belichtet und anschließend entwickelt, um das gewünschte Muster zu erstellen.
3. Schichtveränderung:
• Umsetzungsmöglichkeit: Ionenimplantation - Bei diesem Verfahren werden Ionen in eine Schicht eingebracht, um deren Eigenschaften zu verändern, wie z.B. die elektrische Leitfähigkeit. Eine andere Möglichkeit ist die Oxidation, bei der eine dünne Schicht von Siliziumdioxid auf der Oberfläche des Wafers gebildet wird.
4. Schichtentfernung:
• Umsetzungsmöglichkeit: Ätzen - Ätzprozesse werden verwendet, um selektiv Material von der Oberfläche eines Wafers zu entfernen, um das gewünschte Muster oder die gewünschte Struktur zu erzeugen. Es gibt verschiedene Ätztechniken, wie trockenes Ätzen (Plasmaätzen) oder nasses Ätzen (chemisches Ätzen).
5. Montieren und Verpacken:
• Umsetzungsmöglichkeit: Verpacken - Nachdem die integrierten Schaltungen hergestellt wurden, müssen sie montiert und in einem schützenden Gehäuse verpackt werden, das die Chips vor mechanischen Schäden und Umwelteinflüssen schützt und gleichzeitig die elektrische Verbindung zu anderen Komponenten ermöglicht.
Erklären und skizzieren Sie die Nutzung von “Flats”, um die unterschiedlichen Kristallorientierungen von Siliziumwafern zu beschreiben.
1. Hauptflat (Primary Flat): Der größere Flat dient zur Handhabung und Ausrichtung des Wafers
2. Nebenflat (Secondary Flat): Der kleinere Flat gibt zusätzliche Informationen über die Dotierung (p- oder n-Typ) und die exakte Orientierung des Kristallgitters.
Beschreiben sie CVD indem sie acht relevante Fakten der Methode Bezüglich allgemeinen Charakteristiken, Vorteilen und CVD equipment nennen
Bestandteil ich brauche eine Halterung für die Wafer
Bestandteil eine Kammer
Zuführsystem für die gase
kann hochreine beschichtung auftragen
niedrige porosität
Verschiedenste materialien die aufgetragen werden können
beschreibt einen vorgang bei dem ein material im gasförmigen zustand mittels chemischer reaktion auf ein substrat abgeschieden wird
disssoziation kann thermisch sein
Beschreiben sie kurz wie die 1d didffusionsgleichung bestimmt wird
Skizzieren sie die doping profile für die folgenden fälle
unbegrenzte quelle
erschöpfbare quelle
implantation
Beschreiben sie die wesentlichen schritte der lithografie
Was ist die Funktion eines Reinraums, und was garantiert er den Nutzern
Listen sie vier wichtige fakten auf
Er kontrolliert Temperatur
Luftfeuchtigkeit
die menge und größe der im raum befindlichen teilchen
Garantiert das maximale ausmaß des einflusses den schmutz auf im raum stattfindende prozesse haben kann
nennen sie vier shclüsseltechnologien die in der Aufbau und verbindungstechnik zum einsatz kommen
SMD
Anisotropic glueing
isotropic glueing
wire bonding
beschreiben sie das reinraumklassifizierungssystem der iso organisation. Veranschaulichen sie ihre Antwort mit einem typischen Charakteristikum
Das reinraumklassifizierungssystem beinhaltet 9 stufen wobei jede aus unterschiedlichen reinheitsstufen bezüglich der partigelgröße und anzahl haben.
dei höchste klasse ist die kleinste, hier düfen maximal 10 teilchen die größer als 0.1 mikrometer sind sein und 2 die größer als 0.2 mikrometer sind
Bitte erkläre die drei arten von Schichtveränderung
1. Oxidation:
• Bei der Oxidation wird das Substrat in eine Sauerstoffkammer oder eine Wasserdampfkammmer gelegt, wodurch es oxidiert. Dieser Prozess führt zur Bildung einer Oxidschicht auf der Oberfläche des Substrats, typischerweise Siliziumdioxid (SiO₂) auf Silizium. Die Oxidation ist diffusionslimitiert, was bedeutet, dass die Geschwindigkeit der Oxidbildung durch die Diffusion von Sauerstoff- oder Wasserdampfmolekülen durch die bereits gebildete Oxidschicht bestimmt wird.
2. Doping:
• Doping bezeichnet das Einbringen von Fremdatomen in das Halbleitermaterial, um dessen elektrische Eigenschaften zu verändern. Es gibt zwei Arten des Doping:
• p-Dotierung: Hierbei werden Akzeptor-Atome wie Bor eingeführt, die zusätzliche Löcher (positive Ladungsträger) im Valenzband erzeugen.
• n-Dotierung: Hierbei werden Donor-Atome wie Phosphor eingebracht, die zusätzliche freie Elektronen (negative Ladungsträger) im Leitungsband bereitstellen.
• Durch Doping wird das Material entweder leitungsfähiger durch zusätzliche Elektronen oder durch die Schaffung von Löchern im Material.
3. Ionenimplantation:
• Bei der Ionenimplantation werden Ionen mit hoher Energie auf ein Substrat beschleunigt und in dessen Oberfläche eingebracht. Dieser Prozess kann zu einer lokalen Modifikation des Substrats führen, indem Kristalldefekte erzeugt werden, die Ätzrate verändert wird und die elektrische Leitfähigkeit des Materials gezielt eingestellt wird. Die Ionenimplantation ist eine präzise Methode, um die Materialeigenschaften gezielt zu beeinflussen und ist in der Halbleiterfertigung weit verbreitet.
Wie präzise ist Mems
in der regel ist die absolute präzision ein mikrometer
die größe der teile entspticht 10-100 mirkometer
das führt zu einer relativen präzision von etwa 1-10% was doch eher hoch ist.
Was sind gründe für die miniaturisierung
Es muss klein sein
Es verbessert ein system
kostenfaktoren
Wieso ist die Kristallorientierung wichtig
Beeinflusst die Eigenschaften von systemen und den Materialien wie zum Beispiel
Chemische eigenschaften,
physische
Elektrische
und optische eigenschaften
Wie sieht die ideale Kristallstruktur aus
unendliche wiederholung eines gleichbleibenden musters
Was braucht man um eine kristallstruktur zu definieren
Ein gitter (vorgesehene struktur/anordnung con punkten im raum)
Eine Basis — die gruppe von atomen die dann die gitterpunkte besetzen soll
Was ist die primitive zelle
Elementar Zelle mit minimalem Volumen
ein gitterpunkt wird dabei einer zelle zugeordnet
mittels translation beschreibt eine primitive zelle den kompletten idealen kristall ausfüllen
Was ist die wigner Seitz zelle
um die wigner seitz zelle zu kreieren, beginne bei einem gitterpunkt, anschließen verbinde alle nachar atome mit dem ausgangs atom
orthogonal auf halbem abstand linien zeihen. Das formt dann die wigner seitz zelle
sie zeigt also alle punkte die einem bestimmten gitterpunkt am nächsten sind
Ein gitter hat eine unendliche menge an primitiven zellen aber nur eine wigner seitz zelle
im Reziproken gitter entspricht sie der billouin zone
erklären sie millersche indizes
geben an wie sich die gitterebenen im raum orientieren
bestime die ebenenschnittpunkte mit koordinatenachsen
bilde den kerhwert
multipliziere mit kleinsem gemeinsamen vielfachen
Welche art kristallgitter hat silizium
kubisch flächenzentriert in diamantstruktur
Diamantstruktur : 2 kubisch flächenzentrierte gitter um ein viertel der raumdiagonale gegeneinander verschoben
Erklären sie den unterschied zwischen einem isolator und einem Stromleiter anhand der Elektronenbandstruktur
die elektrische leitfähigkeit nach dem bändermodell korreliert mit dem abstand des valenz und leitungsbandes, überlappen diese so wird ein material als leitend klassifiziert. Liegen sie mehr as 3ev ausenanter so gelten sie als isolatoren
Beschreiben sie das prinzip der bragg reflektion und leiten sie die bragg gleichung her
Bragg reflektion, wenn der wegunterschied den ein lichtstrahl der an einer anderen gitterebene reflektiert wird ein vielfaches der wellenlänge lambda ist, kommt es zu konstruktiver interferenz
die bragg gleichung leitet sich also her nlambda= 2d*sin teta
Was für eine art halbleiter ist silizium , können halbleiterlaser aus silizium gefertigt werden?
halbleiter mit indirekter bandlücke
Nein, beim übergang von einem elektron zurück ins Valenzband kann zwar ein ohoton emmitiert werden, jedoch wird für den versatz der bänder auch die energie eines phonons benötigt.
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