Mikrosystemtechnik für Ingenieure (eBook)

Prof. Wolfgang Menz, geb. 1938 in Berlin, studierte Physik in Bonn und Hamburg. Nach über 20 Jahren Tätigkeit in der Industrie (IBM und Robert Bosch GmbH) erhielt er einen Ruf an die Universität Karlsruhe und wurde gleichzeitig zum Leiter des Instituts für Mikrostrukturtechnik des Forschungszentrums Karlsruhe und der Universität Karlsruhe berufen. 1995 erhielt er den Ruf als Gründungsdekan des Fakultät für Angewandte Wissenschaften der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg i. Br. Prof. Menz war bis Oktober 2001 geschäftsführender Direktor des Instituts für Mikrosystemtechnik (IMTEK) und bis 2004 Orinarius für Prozesstechnologie. Seit Frühjahr 2004 ist er emeritiert. Dr.-Ing. Jürgen Mohr, geb. 1957 in Karlsruhe, studierte Physik an der Universität Karlsruhe. Direkt nach dem Studium fand er durch seine Anstellung am Institut für Mikrostrukturtechnik des Forschungszentrums Karlsruhe Zugang zur Mikrosystemtechnik. Er promovierte 1987 mit einer Arbeit auf dem Gebiet der Röntgenlithographie zur Herstellung von Mikrostrukturen. Im Jahre 1993 wurde er Leiter der Abteilung Röntgentiefenlithographie am Institut für Mikrostrukturtechnik. Außer für die Prozessentwicklung ist er heute für die anwendungsorientierte Forschungsarbeiten im Bereich der Mikrooptik am Forschungszentrum verantwortlich. Er ist Autor von über 200 Veröffentlichungen auf dem Gebiet der Mikrosystemtechnik. Oliver Paul schloss 1986 sein Physikstudium und 1990 seine Promotion zum Dr. sc. nat. an der ETH Zürich ab. Nach einem Postdoc-Aufenthalt am FhG-ISE nahm er ab 1992 am Labor für Physikalische Elektronik der ETH Zürich die Aufgaben eines Projekt- und Gruppenleiters sowie Lehrbeauftragten wahr. Seit 1998 leitet er den Lehrstuhl für Materialien der Mikrosystemtechnik am IMTEK der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg. Die Forschungsarbeit seiner Gruppe konzentriert sich auf die Mikrosystemtechnik auf der Basis von Silizium- und IC-Technologien und damit kompatiblen Prozessen, inklusive Entwurf, Herstellung, Materialeigenschaften, Charakterisierung und Theorie. Oliver Paul ist Mitautor von über 140 technischen Veröffentlichungen, drei Patenten und vier Büchern. Er hat unter anderem die Firma Sensirion mitbegründet und war Co-Chair der IEEE MEMS Conference 2004 in Maastricht, Niederlande.

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Inhalt 7
Vorwort 17
1 Allgemeine einführung in die mikrostrukturtechnik 19
1.1 Was ist mikrostrukturtechnik? 19
1.2 Von der mikrostrukturtechnik zur mikrosystemtechnik 27
2 Parallelen zur mikroelektronik 33
2.1 Herstellung von einkristallscheiben 33
2.1.1 Herstellung von silizium-einkristallen 35
2.1.1.1 Tiegelziehverfahren (czochralski-verfahren) 37
2.1.1.2 Zonenziehverfahren (float-zone-verfahren) 39
2.1.1.3 Segregation 41
2.1.1.4 Weiterverarbeitung der ingots 43
2.1.2 Herstellung von gaas-einkristallen 46
2.1.2.1 Bridgmanund gradient-freeze-verfahren 46
2.1.2.2 Lec-verfahren (liquid encapsulated czochralski) 48
2.2 Technologische grundprozesse 49
2.2.1 Herstellung eines integrierten schaltkreises 51
2.2.1.1 Reinigung 51
2.2.1.2 Oxidation 52
2.2.1.3 Photolithographie 52
2.2.1.4 Ionenimplantation und diffusion 53
2.2.1.5 Ätzen 53
2.2.1.6 Beschichtung 54
2.3 Weiterverarbeitung der integrierten schaltungen 54
2.3.1 Anforderungen an die aufbauund verbindungstechnik 55
2.3.2 Hybridtechniken 56
2.3.2.1 Dickschichttechnik 56
2.3.2.2 Bestücken und löten der schaltung 57
2.3.2.3 Montage und kontaktierung ungehäuster halbleiterbauelemente 58
2.4 Reinraumtechnik 59
2.4.1 Partikelmessung im reinraum 63
2.5 Punktfehler und ausbeute bei halbleiterbauelementen 63
3 Physikalische und chemische grundlagen der mikrotechnik 67
3.1 Kristalle und kristallographie 67
3.1.1 Gitter und gittertypen 68
3.1.2 Stereographische projektion 70
3.1.3 Silizium-einkristall 74
3.1.4 Reziprokes gitter und kristallstrukturanalyse 76
3.2 Methoden zur bestimmung der kristallstruktur 83
3.2.1 Röntgenstrahlbeugung 83
3.2.2 Elektronenstrahlbeugung 85
3.3 Grundlagen der galvanischen abscheidung 87
3.3.1 Phasengrenze elektrode-elektrolyt 90
3.3.1.1 Elektrisches und elektrochemisches potential 90
3.3.2 Polarisation und überspannung 93
3.3.3 Mechanismen der kathodischen metallabscheidung 95
3.3.3.1 Migration 97
3.3.3.2 Diffusion 98
3.3.3.3 Konvektion 98
3.3.3.4 Stofftransportvorgänge während der mikrogalvanoformung 101
3.4 Grundlagen der vakuumtechnik 102
3.4.1 Mittlere freie weglänge 102
3.4.2 Wiederbedeckungszeit 104
3.4.3 Geschwindigkeit von atomen und molekülen 105
3.4.4 Gasdynamik 107
3.4.5 Die einteilung des technischen vakuums 107
3.5 Vakuumerzeugung 109
3.5.1 Pumpen für grobund feinvakuum 109
3.5.1.1 Verdränger-vakuumpumpen 109
3.5.2 Hochvakuumund ultrahochvakuumpumpen 111
3.5.2.1 Treibmittelvakuumpumpen 113
3.5.2.2 Gas bindende vakuumpumpen (sorptionspumpen) 114
3.6 Vakuummessung 117
3.6.1 Druckmessdose 117
3.6.2 Wärmeleitungsvakuummeter 117
3.6.3 Reibungsvakuummeter 118
3.6.4 Ionisationsvakuummeter mit unselbständiger entladung (glühkathode) 118
3.6.5 Ionisationsvakuummeter mit selbständiger entladung (penning-prinzip) 119
3.6.6 Leckage und lecksuche 120
3.7 Eigenschaften von dünnschichten 121
3.7.1 Strukturzonenmodelle 121
3.7.2 Haftfestigkeit der schicht 124
4 Materialien der mikrosystemtechnik 127
4.1 Materialeigenschaften 129
4.1.1 Thermische eigenschaften 130
4.1.1.1 Wärmeleitfähigkeit 131
4.1.1.2 Spezifische wärme 131
4.1.1.3 Latente wärme 132
4.1.1.4 Wärmeausdehnungskoeffizient 132
4.1.2 Elektrische eigenschaften 133
4.1.2.1 Elektrische leitfähigkeit 133
4.1.2.2 Dielektrische konstante 134
4.1.2.3 Thermoelektrizität 134
4.1.2.4 Piezoresistivität 135
4.1.3 Mechanische eigenschaften 137
4.2 Kunststoffe 138
4.2.1 Ordnung der makromoleküle 139
4.2.2 Polymere für die lithographie 140
4.2.3 Flüssigkristalle 142
4.2.4 Flüssigkristalline polymere 143
4.2.5 Gele 145
4.2.6 Elektrorheologische flüssigkeiten 147
4.3 Halbleiter 149
4.4 Keramiken 152
4.4.1 Keramik als substrat 152
4.4.2 Keramik als material für aktoren 153
4.4.3 Keramik als material für gassensoren 153
4.5 Metalle 154
4.5.1 Magnetostriktive metalle 155
4.5.2 Anwendungen der magnetostriktion 157
4.5.3 Formgedächtnis-legierungen 158
4.5.3.1 Einwegeffekt 159
4.5.3.2 Zweiwegeffekt 160
4.5.3.3 Unterdrücktes formgedächtnis 161
4.5.3.4 Einsatz als aktoren 162
4.5.3.5 Herstellung 162
4.5.3.6 Eigenschaften der formgedächtnis-legierungen 163
5 Basistechnologien der mikrotechnik 165
5.1 Schichtabscheidung 165
5.1.1 Physikalische beschichtungstechniken 165
5.1.1.1 Aufdampfen 165
5.1.1.2 Sputtern (kathodenzerstäuben) 169
5.1.1.3 Ionenplattieren 171
5.1.2 Chemische beschichtungstechniken 172
5.1.2.1 Cvd-verfahren 172
5.1.2.2 Epitaxie 178
5.1.2.3 GaAs-epitaxie 181
5.1.2.4 Plasmapolymerisation 181
5.2 Schichtmodifikation 182
5.2.1 Thermische oxidation 182
5.2.2 Diffusion 183
5.2.3 Ionenimplantation 185
5.3 Schichtabtragung (ätzen) 186
5.3.1 Physikalische und chemische trockenätzverfahren 188
5.3.1.1 Plasmaquellen 190
5.3.1.2 Charakteristika der rein physikalischen ätzprozesse 191
5.3.1.3 Kombination chemischer und physikalischer ätzprozesse 196
5.3.1.4 Charakteristika des reaktiven ionenund ionenstrahlätzens 198
5.3.1.5 Das rein chemische ätzen 199
5.4 Analyse von dünnschichten und oberflächen 202
5.4.1 Elektronenstrahl-mikroanalyse (electron probe microanalysis, epm) 203
5.4.2 Auger-elektronenspektroskopie (AES) 204
5.4.3 Photoelektronenspektroskopie (electron spectroscopy for chemical analysis, esca) 205
5.4.4 Sekundärionen-massenspektrometrie (SIMS) 206
5.4.5 Sekundär-neutralteilchen-massenspektrometrie (SNMS) 206
5.4.6 Ionen-streuspektroskopie (ISS) 207
5.4.7 Rutherford-rückstreuungsspektroskopie (rutherford backscattering spectroscopy, RBS) 207
5.4.8 Rastertunnelmikroskop (atomic force microscope, AFM) 208
6 Lithographie 209
6.1 Überblick und historie 209
6.2 Resists 214
6.3 Verfahren der lithographie 216
6.3.1 Computer aided design (CAD) 217
6.3.1.1 Cad-entwurf 218
6.3.1.2 Justiermarken und teststrukturen 220
6.3.1.3 Organisation des entwurfs (hierarchie, layers) 221
6.4 Elektronenstrahllithographie 223
6.4.1 Gauß’scher strahl 224
6.4.2 Geformter strahl 229
6.4.3 Postprozessor 231
6.5 Proximity-effekt 232
6.6 Optische lithographie 234
6.6.1 Masken 235
6.6.2 Schattenprojektion 236
6.6.3 Abbildende projektion 239
6.6.3.1 Ganzscheiben-belichtung 240
6.6.3.2 Moderne lithographiemaschinen 241
6.7 Weiterentwicklungen 242
6.7.1 Phasenmasken 242
6.7.2 Spezielle resisttechnologien 243
6.7.3 Optische lithographie für die mikrostrukturtechnik 244
6.8 Ionenstrahllithographie 249
6.9 Röntgenlithographie 250
6.9.1 Masken für die röntgenlithographie 251
6.9.2 Röntgenlichtquellen 252
6.9.3 Synchrotronstrahlung 253
6.9.4 Einsatz der röntgenlithographie 258
7 Silizium-mikromechanik 259
7.1 Siliziumtechnologie 260
7.1.1 IC-prozesse und -substrate 261
7.1.2 Foundry-technologien 265
7.2 Silizium-bulk-mikromechanik 266
7.2.1 Einleitung 266
7.2.1.1 Ätzrate und anisotropie 268
7.2.1.2 Selektivität 269
7.2.1.3 Prozesskompatibilität 269
7.2.1.4 Einfachheit der verwendung und sicherheit 270
7.2.1.5 Kosten 271
7.2.2 Nasschemisches ätzen 271
7.2.2.1 Hna-ätzlösungen 271
7.2.2.2 Alkalihydroxid-ätzlösungen 273
7.2.2.3 Ammoniumhydroxid-ätzlösungen 277
7.2.2.4 Ethylendiamin-brenzkatechin-ätzlösungen 278
7.2.3 Grundlegende ätzformen 279
7.2.3.1 Ätzgruben und -gräben 280
7.2.3.2 Membranen 282
7.2.3.3 Mesas und spitzen 282
7.2.3. 4 Cantilever 283
7.2.3. 5 Brücken 285
7.2.4 Ätzkontrolle 286
7.2.4.1 Ätzstoppmechanismen 286
7.2.4.2 Elektrochemisches siliziumätzen 289
7.2.4.3 Elektrochemische siliziumporosifizierung 291
7.2.5 Charakterisierung von anisotropen nassätzmitteln 292
7.2.6 Trockenätzen 294
7.2.6.1 Xef2-ätzen 294
7.6.2.2 Fertigung von mikrostrukturen mit hohem aspektverhältnis 297
7.2.6.3 Anwendungen von trockenem siliziumätzen 299
7.3 Oberflächenmikromechanik 303
7.3.1 Polysilizium-mikromechanik 305
7.3.2 Opferaluminium-mikromechanik 308
7.3.3 Opferpolymer-mikromechanik 310
7.3.4 Sticking 311
7.4 Mikrowandler und -systeme in der siliziumtechnologie 312
7.4.1 Mechanische bauteile und systeme 313
7.4.1.1 Drucksensoren 314
7.4.1.2 Beschleunigungssensoren 316
7.4.1.3 Drehratensensoren 318
7.4.1.4 Stresssensoren 320
7.4.2 Thermische mikrobauteile und -systeme 322
7.4.2.1 Temperaturmessung 322
7.4.2.2 Durchflusssensoren 326
7.4.2.3 Vakuumund drucksensoren 329
7.4.3 Komponenten und systeme für strahlungssignale 331
7.4.3.1 Ungekühlte infrarotdetektoren 331
7.4.3.2 Thermische szenensimulatoren 334
7.4.3.3 Lichtschalter 334
7.4.4 Magnetische bauteile und systeme 337
7.4.5 Chemische mikrosensoren 339
7.4.5.1 Mikrofluidische komponenten und systeme 342
7.4.6 Mikromechanische bauteile für die signalverarbeitung 344
7.5 Zusammenfassung und ausblick 346
8 LIGA-verfahren 347
8.1 Überblick 347
8.2 Maskenherstellung 349
8.2.1 Prinzipieller aufbau einer maske 349
8.2.1.1 Absorber 349
8.2.1.2 Trägerfolie 350
8.2.2 Herstellung der trägerfolien 352
8.2.3 Strukturierung des resists für röntgenzwischenmasken 353
8.2.3.1 Optische lithographie 353
8.2.3.2 Direkte elektronenstrahllithographie 354
8.2.3.3 Reaktives ionenätzen 355
8.2.3.4 Vergleich der strukturierungsmethoden zur herstellung von zwischenmasken 355
8.2.4 Goldgalvanik für röntgenmasken 355
8.2.5 Herstellung von arbeitsmasken 357
8.2.6 Justieröffnungen in röntgenarbeitsmasken 358
8.3 Röntgentiefenlithographie 359
8.3.1 Herstellung von dicken resistschichten 359
8.3.1.1 Strahleninduzierte reaktionen und entwicklung des resists 361
8.3.2 Anforderungen an die absorbierte strahlendosis 365
8.3.3 Einflüsse auf die strukturqualität 368
8.3.3.1 Fresnel-beugung, photoelektronen 369
8.3.3.2 Divergenz der strahlung 371
8.3.3.3 Neigung der absorberwände zum strahl 372
8.3.3.4 Fluoreszenzstrahlung aus der maskenmembran 372
8.3.3.5 Erzeugung von sekundärelektronen aus der haftund galvanikstartschicht 372
8.3.3.6 Quellen des resists 374
8.4 Galvanische abscheidung 374
8.4.1 Galvanische abscheidung von nickel für die mikrostrukturherstellung 375
8.4.2 Formeinsatzherstellung für die mikroabformung 379
8.4.3 Galvanische abscheidung weiterer metalle und legierungen 380
8.5 Kunststoffabformung im liga-verfahren 382
8.5.1 Herstellung von mikrostrukturen im reaktionsgießverfahren 383
8.5.2 Herstellung von mikrostrukturen im spritzgießverfahren 386
8.5.3 Herstellung von mikrostrukturen im heißprägeverfahren 392
8.5.4 llung von metallischen mikrostrukturen aus abgeformten kunststoffstrukturen (zweite galvanoformung) 395
8.5.4.1 Zweite galvanoformung geprägter mikrostrukturen 395
8.5.4.2 Zweite galvanoformung mit hilfe einer metallischen angussplatte 395
8.5.4.3 Zweite galvanoformung mit hilfe elektrisch leitfähiger kunststoffe 397
8.5.4.4 Zweite galvanoformung durch beschichtung der kunststoffstrukturen 399
8.6 Variationen und ergänzende schritte des liga-verfahrens 400
8.6.1 Opferschichttechnik 400
8.6.2 3d-strukturierung 403
8.6.2.1 Gestufte strukturen 403
8.6.2.2 Geneigte strukturen 405
8.6.2.3 Konische strukturen und strukturen mit sphärischer oberfläche 406
8.6.2.4 Herstellung von strukturen mit beweglicher maske 407
8.6.3 Herstellung licht leitender strukturen durch abformung 409
8.7 Protonenlithographie (DLP) – ein weiteres strukturierungsverfahren zur herstellung von mikrostrukturen mit großem aspektverhältn 412
8.8 Anwendungsbeispiele 417
8.8.1 Starre metallische mikrostrukturen 418
8.8.1.1 Filter für das ferne infrarot 418
8.8.1.2 Mikrospulen 419
8.8.1.3 Mikrozahnräder, mikrogetriebe 421
8.8.2 Bewegliche mikrostrukturen, mikrosensoren, mikroaktoren 421
8.8.2.1 Beschleunigungssensoren 422
8.8.2.2 Elektrostatischer linearantrieb 424
8.8.2.3 Elektromagnetischer linearaktor 425
8.8.2.4 Mikroturbine, strömungssensoren, mikrofräser 430
8.8.2.5 Mikromotoren 431
8.8.3 Fluidische mikrostrukturen 434
8.8.3.1 Mikrostrukturierte fluidplatten 434
8.8.3.2 Mikropumpen nach dem liga-verfahren 434
8.8.3.3. Mikrofluidische schalter 434
8.8.3.4 Mikrofluidische linearaktoren 436
8.8.4 Liga-strukturen für optische anwendungen 437
8.8.4.1 Einfache optische elemente – linsen, prismen 438
8.8.4.2 Mikrooptische bank 440
8.8.4.3 Mikrooptische bänke mit aktoren 444
8.8.4.4 Funktionsmodule mit optisch aktiven elementen – modulares aufbaukonzept 449
9 Alternative verfahren der mikrostrukturierung 455
9.1 Ultrapräzisionsmikrobearbeitung 456
9.1.1 Anwendungsbeispiele 461
9.1.1.1 Mikrowärmeüberträger 461
9.1.1.2 Mikroreaktoren 463
9.1.1.3 Retrospiegel 464
9.1.1.4 Mikropumpen 465
9.2 Mikrofunkenerosion 466
9.2.1 Physikalisches prinzip 466
9.2.1.1 Aufbauphase 468
9.2.1.2 Entladephase 469
9.2.1.3 Abbauphase 469
9.2.2 Funkenerosive bearbeitung keramischer werkstoffe 470
9.2.2.1 Siliziuminfiltriertes siliziumcarbid (SiSiC) 471
9.2.2.2 Siliziumnitrid (Si3N4) 472
9.2.2.3 Elektrisch nicht leitfähige keramiken 472
9.2.3 Verfahrensvarianten 473
9.2.3.1 Funkenerosives senken 473
9.2.3.2 Funkenerosives schneiden 474
9.2.4 Anwendungsbeispiele 477
9.3 Präzisionselektrochemische mikrobearbeitung 479
9.3.1 Vorgänge im bearbeitungsspalt 480
9.3.1.1 Spannungsabfall 480
9.3.1.2 Anodische metallauflösung 482
9.3.2 Elektrolytlösungen 484
9.3.2.1 Kenngrößen der elektrolytlösungen 486
9.3.3 Untersuchungen verschiedener werkstoffe 487
9.3.3.1 Eisen, eisenlegierungen und stähle 487
9.3.3.2 Titan und titanlegierungen 488
9.3.3.3 Hartmetalle 488
9.3.4 ECM-senken mit oszillierender werkzeugelektrode 489
9.3.4.1 Prozesskenngrößen 489
9.3.4.2 Darstellung der vorgänge im arbeitsspalt 490
9.3.4.3 Werkzeugelektrodenwerkstoffe 491
9.3.5 Elektrochemische bearbeitungsverfahren in der mikrosystemtechnik 492
9.3.5.1 Elektrochemisches mikrobohren 492
9.3.5.2 Elektrochemisches mikrodrahtschneiden 492
9.3.5.3 Elektrochemisches mikrofräsen 493
9.3.5.4 Weitere anwendungsbeispiele des verfahrens in der mikrosystemtechnik 494
9.4 Replikationstechniken 496
9.4.1 Spritzgießen 496
9.4.2 Heißprägen 498
9.5 Laserunterstützte verfahren 500
10 Aufbauund verbindungstechniken 503
10.1 Hybridtechniken 504
10.1.1 Substrate und pasten 504
10.1.2 Schichterzeugung 507
10.1.2.1 Trocknen und einbrennen der pasten 508
10.1.3 Bestücken und löten der schaltung 508
10.1.4 Montage und kontaktierung ungehäuster halbleiterbauelemente 511
10.2 Drahtbondtechniken 511
10.2.1 Thermokompressionsdrahtbonden (warmpressschweißen) 512
10.2.2 Ultraschalldrahtbonden (ultraschallschweißen) 513
10.2.3 Thermosonicdrahtbonden (ultraschallwarmschweißen) 513
10.2.4 Ball-wedge-bonden (kugel-keil-schweißen) 514
10.2.5 Wedge-wedge-bonden (keil-keil-schweißen) 515
10.2.6 Vor- und nachteile der einzelnen drahtbondverfahren 516
10.2.7 Prüfverfahren und alternativen 517
10.3 Alternative kontaktierungstechniken 518
10.3.1 Tab-technik 518
10.3.2 Flip-chip-technik 519
10.3.3 Entwicklung neuer kontaktierungssysteme 521
10.4 Kleben 521
10.4.1 Isotropes kleben 522
10.4.2 Anisotropes kleben 523
10.5 Anodisches bonden 525
11 Systemtechnik 529
11.1 Definition eines mikrosystems 529
11.2 Sensoren 531
11.3 Aktoren 535
11.4 Signalverarbeitung 537
11.4.1 Signalverarbeitung für sensoren in mikrosystemen 537
11.4.2 Neuronale datenverarbeitung für sensorarrays 541
11.5 Schnittstellen eines mikrosystems 546
11.5.1 Ie-übertragung 549
11.5.1.1 Elektrische mikro-/makroankopplungen 549
11.5.1.2 Optische mikro-/makroankopplungen 551
11.5.1.3 Lichtwellenleiter-ankopplungen 551
11.5.1.4 Mechanische mikro-/makroankopplungen 551
11.5.1.5 Ultraschallübertragung 552
11.5.2 S-übertragung 553
11.5.2.1 Fluidische mikro-/makroankopplungen 553
11.5.2.2 Fluidische mikrokomponenten 553
11.6 Entwurf, simulation und test von mikrosystemen 555
11.7 Modulkonzept der mikrosystemtechnik 558
Literatur 563
Stichwortverzeichnis 583

"Die völlig neu bearbeitete Auflage des ersten umfassenden Lehrbuchs der Mikrosystemtechnik berücksichtigt die Trends dieses Gebietes der Ingenieurwissenschaften. Vor allem die Kapitel zur Silizium- und LIGA-Technik wurden stark erweitert... Das Buch spricht überwiegend fortgeschrittene Studenten der Ingenieurwissenschaften an, die einen fundierten Einstieg in das aktuelle Forschungsthema suchen. Auch gestandene Fachleute können sich hier einen guten Überblick über die theoretischen und experimentellen Grundlagen der Mikrosystemtechnik verschaffen."
Wirtschaft Region Fulda IHK

"Das Buch ist insgesamt ein gelungener Versuch, die Grundlagen der Mikrosystemtechnik in einem Lehrwerk darzustellen."
CIT