MEMS. Micro Electro Mechanical Systems Eljárások és eszközök. MEMS alkalmazási területei - szemelvények. MEMS technológiák, eljárások - Oxidáció

Átírás

1 MTA Műszaki Fizikai és Anyagtudományi Kutatóintézet MEMS Laboratórium 1121 Budapest, Konkoly - Thege Miklós út MEMS technológia kialakulása MEMS Micro Electro Mechanical Systems Eljárások és eszközök 70-es évek vége: mikroprocesszorok fejlődése olcsó személyi számítógépek kulcstechnológiája 80-as évek vége: olcsó szilárdtest-lézer tömeggyártása internet kommunikáció kulcstechnológiája 90-es évek vége: mikrorendszerek fejlesztése érzékelők illesztésének kulcstechnológiája a valósidejű monitorozás és vezérlés számára Pap Andrea Edit pap@mfa.kfki.hu MEMS eszköz: a tranzisztor elektromechanikus analógja nagy rendszer változások vezérlése kis erőkkel minőségi előnyök a méretcsökkentés révén, új működési elvek realizálása csoportos megmunkálás, az eszközök integrálása akár IC-ben tetszőleges funkciók társítása; érzékelés, számítás, beavatkozás (aktuálás), vezérlés, kommunikáció az ezeket megvalósító eszközök integrálása egy rendszerben; erőforrás (telep, tápegység), antenna, érzékelők, beavatkozók alapvetően felületi-, rétegtechnológiai realizálás MEMS eszközök kialakítása, fejlesztése nem csak szisztematikus kutatás eredménye, hanem kreatív, innovatív munka eredménye. MEMS alkalmazási területei - szemelvények civil fogyasztók 1 % számítástechnika 7 % gyógyászat és bio 8 % pl. mikro-robot, mikro-szonda, labon-a-chip, elektronikus orr, stb. egyéb ipar 28 % pl. mezőgazdasági munkagépben a munkabeállítás vezérlése, vetőmag szelekció méret-, épség-, orientáció-, minőség ellenőrzése, válogatás, stb. autóipar 56 % pl. motor- és futómű vezérlése, diagnosztika, élet- és menetbiztonság, kényelem, stb. MEMS technológiák, eljárások Nagy tisztaságú térben végzett, több ember precíz, összehangolt munkája drága infrastruktúra Kiindulási pont - Si egykristály szelet nagy görbületi sugarú sík! kristályrács - hiba mentes egy vagy két oldalon polírozott definiált orientációjú (100) Felületkezelés - kémiai tisztítás füstölgő HNO 3 és forró HNO 3 (feloxidált felület) RCA tisztítás; 2 lépésben szerves anyagok eltávolítása: NH 4 OH és H 2 O 2 fémszennyeződés eltávolítása: HCl és H 2 O 2 MEMS technológiák, eljárások - Oxidáció Funkciói: maszkoló réteg szigetelő réteg passziváló réteg Kialakítása: termikus oxidáció magas T, oxidatív atmoszféra (O 2, H 2 O) száraz nedves kémiai gőzfázisú leválasztás (CVD) anódos oxidáció (elektrolízis pl. KOH-ban) plazma oxidáció (RF porlasztás) Minősítés (pl. C-V mérés, szivárgási áram mérése, stb.): vastagság / homogenitás tisztaság 1

2 MEMS technológiák, eljárások - Ionimplantáció Adalékolás, felgyorsított részecskék ionok, ioncsoportok - testekbe való belövése. szilárd Funkciója: diffúziót megelőző leválasztás - predepozíció p-n átmenetek kialakítása MOS tranzisztorok küszöbfeszültségének beállítása forrás és nyelő területeinek önillesztett kialakítása amorfizálás, getterezés felületi réteg mechanikai, elektromos, kémiai, optikai tulajdonságainak megváltoztatása, miközben ezek a térfogati tartományban nem változnak. Lokálisan homogén tulajdonságok kialakítása. MEMS technológiák, eljárások - Ionimplantáció Megvalósítása: nagy vákuumban ionforrásból kilépő, gyorsított ionok, tömegszeparátoron áthaladva érkeznek a Si felületre kezelendő felület söpörtetett homogenitás biztosítása gyorsító feszültség reprodukálható és precízen beállított kontrollált hőmérsékletű target Hatása a szilárd testekre: az ionok eloszlását számítással, táblázatokból lehet meghatározni, mely alapján a valószínű eloszlás, várható érték megadható rugalmas / rugalmatlan ütközés adalékeloszlás nagyjából Gauss eloszlás rácskárosodás; ponthibák, összetett hibák MEMS technológiák, eljárások - Ionimplantáció Implantált ionok újraelosztása hőkezeléssel rácskárosodás megszüntetése az adalék elektromos aktiválása Az ion és a meglökött atomok pályája Vékonyréteg leválasztás Követelmények: egyenletes eloszlás a teljes szubsztráton azonos összetétel azonos szerkezet; azonos fizikai, kémiai tulajdonságok tömörség; szivacs vs. réteg, tűlyuk tapadás kis termomechanikai feszültség lépcsőfedés speciális követelmények; súrlódás, nedvesítés, biokompatibilitás gazdaságosság Vékonyréteg leválasztás Előállítás: Fizikai módszerek szilárd forrásból párologtatás, porlasztás; dc, rf, magnetron, MBE (Molecular Beam Epitaxy) olvadékból LPE (Liquide Phase Epitaxy) pl. Cz, Fz Kémiai módszerek elektrolitból galvanizálás oldatból, szuszpenzióból lecsapatás, szol-gél technika gázfázisból CVD (Chemical Vapour Deposition), VPE (Vapour Phase Epitaxy), MOCVD (Metal Organic ), LPCVD (Low Pressure ), PECVD (Plasma Enhanced ), MWCVD (Micro Wave ), PACVD (Photon/Plasma Assisted ), ALCVD (Atomic Layer ) Vékonyréteg leválasztás CVD A szilárd terméket eredményező kémiai reakció csak a felületen megy végbe! Metódus: transzport a felületre adszorbció migráció vándorlás a felületen; adszorpció deszorpció kemiszorpció kémiai reakció deszorpció transzport a felületről Sebesség-meghatározó lépés transzport reagens, ill. termék (PACVD) kémiai reakció (LPCVD, PECVD) kemiszorpció (ALD) 2

3 MEMS: 2D IC technológia 3D szerkezetek membránok, felfüggesztett elemek, mozgó alkatrészek mikrofluidikai alkalmazások: csatornák, üregek, reaktorok Mikromechanika: száraz és nedves kémiai marások elektrokémiai módszerek esetleg lézer vagy gyémánttárcsás vágások Jellemző µm Si kristály vastagsága µm Felületi mikromechanika felületi vékonyrétegekből amorf vagy polikristályos membrán 2-3 µm üreg Felületi mikromechanika eljárásai Felületre felvitt rétegekből épít/bont segédréteggel pl. oxid rétegen polisi leválasztás, majd oxid eltávolítás Tömbi mikromechanika: Si egykristályban vagy leválasztott rétegben 2-3 µm és µm közötti üreg esetleg lézer vagy gyémánttárcsás vágások pórusos Si alkalmazásával elérhető a felületi mikromechanika mérettartománya tömbi Si-ban Tömbi mikromechanika eljárásai: Si anizotróp lúgos marása Redox reakciósorozat (oxidáció redukció - oldódás) Si + 2 OH H 2 O SiO 2 (OH) H 2 marási sebesség függ a Si kristály orientációjától és dópoltságától ( v <111> << v <100> << v <331> ) marásmegállító réteg (orientáció, dópoltság) ECES marás elektrokémiai marásmegállítás Tömbi mikromechanika eljárásai: Si elektrokémiai marása pórusos Si kialakítása dópoltság mértéke meghatározza a kialakuló réteg fizikai minőségét, homogenitása jó elektrolit koncentrációja, áramsűrűség, marási idő beállításával tervezhető a kialakított réteg porozitása, vastagsága, rendezettsége optikai tulajdonságai szelektivitás (p, p +, n) HF alapú elektrolit + C 2 H 5 OH (esetleg + H 2 O) Si + 2 HF SiF 2 + 2H + SiF HF H 2 SiF 6 + H 2 porsi szelektíven, gyorsan kioldható az egykristályos Si-ból Tömbi mikromechanika eljárásai: Si elektrokémiai marása pórusos Si kialakítása Funkciója: feláldozandó réteg előállítás, szelektív kioldás pl. üreg, membrán kialaításakor funkcionális szerkezeti réteg hőszigetelő érzékelő (nagy fajlagos felület) katalizátor (érzékenyített felület) SiO 2 -ban n-si szigetek kialakítása optikai elem pl. szűrő, rezonátor, hullámvezető Tömbi mikromechanika eljárásai: nagy sűrűségű plazmamarók (HDPE, DRIE) mély árkok kialakítása reaktív ionokkal ciklikus marás passziválás folyamat passziválás: n C 4 F 8 4n CF 2 marás: SF 6 F + ionok enyhén anizotróp marás függőleges falak kialakítása 3

4 Rétegeltávolítás Rétegeltávolítás Nedves és száraz (plazma) marás Követelmény (mindkét esetben): egyenletesség szelektivitás marási sebesség kontrollja reprodukálhatóság megfelelő marási profil Nedves kémiai marás általában izotróp egyes marószerek a Si egykristályt anizotrópan marják maszkoló réteg szükséges (lakk csak a savas marószerekre jó!), fontos a réteg tapadása, ábra alakjának megtartása Nedves kémiai marás Si izotróp marása HF HNO 3 CH 3 COOH = (3:5:3) 80 µm/min, (2:5:15) 5 µm/min 3 Si + 4 HNO HF 3H 2 SiF NO + 8 H 2 O (a HNO 3 oxidál, a HF az oxidot oldja) HF:HNO 3 :H 2 O = (3:50:20) polikristályos Si marása 0.8 µm/min Si anizotróp marása szervetlen és szerves lúgokban, lásd 3D megmunkálás Si 3 N 4 Si 3 N HF H 2 SiF (NH 4 ) 2 SiF 6 3 Si 3 N H 2 O + H 3 PO 4 4 (NH 4 ) 3 PO H 2 SiO 3 ( C) Rétegeltávolítás Rétegeltávolítás Nedves kémiai marás SiO 2 SiO HF = H 2 SiF H 2 O sebesség a HF (H +, F -, HF 2- ) koncentrációtól függ ph és T függő puffer oldatban, állandó ph, azaz állandó HF (H+, F-, HF 2 -) koncentráció mellett alkalmazzuk HF:NH 4 F = 10 :1 Al savban 2 Al + 6 H + 2 Al H 2 lúgban 2 Al + OH H 2 O 2 [Al(OH) 4 ] H 2 Száraz kémiai, avagy plazma marás halogénekkel: F és Cl alapú plazmák a termék gázhalmazállapotú Si CF 4 plazma, de ebben kicsi a Si marási sebessége csökkenteni kell a CF 3* mennyiségét és növelni a F * mennyiségét marógázok: CF 4 + O 2 (5 20%), SiF 6 + O 2, NF 3 SiO 2 CF 3* + 3 SiO 2 SiF CO + 2 CO 2 csökkenteni kell a F * mennyiségét és növelni a CF 3* mennyiségét marógázok: CF 4 + H 2, CHF 3 + H 2, C 3 F 8 + H 2 Rétegeltávolítás Fotolitográfia Plazma marási profilok ionmarás csak fizikai porlasztás anizotróp + geometriai hatások és visszaporlódás marás gyökökkel tisztán kémiai izotróp marás gyökökkel és irányított ionokkal fizikai és kémiai marás izotróp anizotróp marási hatások marás gyökökkel és irányított ionokkal + oldalfal maszkolás polimerrel fizikai és kémiai anizotróp Ábrakészítés, mintázat átvitel kontakt proximity projekciós Fotolakk optikai tulajdonságai monokromatikus fénnyel való exponálás esetén állóhullámok keletkeznek a hatás csökkenthető, eliminálható több hullámhosszat tartalmazó fényforrás alkalmazásával utóhőkezeléssel 4

5 Fotolitográfia Fotolitográfia Fotolakk kémiája általában pozitív fotolakkot alkalmaznak az IC iparban, mert nem változtatja az alakját az előhívásnál alkalmas nagy felbontásra ellenáll a plazma műveleteknek negatív lakkok általában mérgezőek komponensei vízben oldódó, fényérzékeny fenol alapú filmképző polimer fényérzékeny, vízben való oldást gátló makromolekula oldószer elegy (szerves) Fotolitográfia felbontás növelése vékony reziszt alkalmazása 0.1 µm kisebb λ levilágítás pl. Hg, Hg/Xe, KrF excimer lézer lézer-plasma forrás rtg, syncothron elektron sugár direkt írás ionsugár Ábrakialakítás vékonyrétegben visszamarással lift-off módszerrel nano-nyomtatás Fotolitográfia Fotolitográfiai műveletsor felület előkészítése lásd kémiai tisztítás lakkfelvitel porszennyezés kizárása tisztatéri körülmények! homogén rétegvastagság lakkszárítás oldószer eltávolítása C-on lakkvastagság csökken 25 %-al exponálás, előhívás az előhívó csak az exponált területet oldja ki exponáláskor fontos a precíz illesztés lakkbeégetés mintázat stabilizálása, általában 130 C-on változik az ábra mérete megmunkálás - a maszkoló fotolakk mintázat segítségével lakkeltávolítás, tisztítás aceton, plazma marás O 2 plazmában, füstölgő HNO 3 -ban egy példa a sok közül; Bolometer Bolometer - Nitrid leválasztás Bolometer - Al leválasztás Al = 0.5 µm 5

6 Bolometer Bolomeander maszk litográfiája Bolometer Al marás Al = 0.5 µm Al = 0.5 µm Bolometer Ti Pt porlasztás Bolometer Lift-off és Al marás Al = 0.5 µm Ti = 300 Å Pt = 2500 Å Ti = 300 Å Pt = 2500 Å Bolometer Al leválasztás Bolometer Kontakt litográfia omikus kontaktusok kialakítására 6

7 Bolometer Al marás Bolometer Pt leválasztás Pt = 3000 Å Bolometer Lift off és Al marás Bolometer Előoldali védelem fotolakkal Pt Pt Bolometer Bolomemrán maszk kialakítása a hátoldalon Bolometer - Nitrid marás a mintázat előhívására 7

8 Bolometer Al leválasztás védelem/maszkolás céljából Bolometer Bolomemrán maszk kialakítása a hátoldalon Al = 0.3 µm Bolometer Al marás Bolometer Nitrid marás Bolometer reziszt eltávolítása és Al marás Bolometer hőkezelés 8

9 Bolometer KOH marás Bolometer Shadow maszk alkalmazása Si x N y = 1.5 um Bolometer Wolfram porlasztás Wolfram Piezorezisztív híd egy korábbi, 2 2-es érzékelőben 8 8 as érzékelő hálózat CMOS technológiával kialakított kiolvasó áramkörrel 9

10 Ami már megvalósult TactoPad 2x2 TactoFlex 2x2 TactoScope 2x1 TactoPad 8x8 Funkcionális vizsgálatok TactoLogic Ltd. MEMS/NEMS eszközök - Tapintás érzékelő nano-ban ZnO nanorudak előállítása Felületkezelés Fémleválasztás Elektronsugaras litográfia 4. Ionmarás 1. Hőkezelés T=1050 C; t=12 h; O 2 atmoszféra Zn-kel borított oldal c/2 lépcsők O-nel borított oldal c lépcsők MEMS / NEMS eszközök - Tapintás érzékelő Rendezett ZnO nanorúd struktúrák Hossz: L= 500 nm-2 µm Távolság a szálak között: Λ= nm Átmérő: D= nm 5. Hidrotermális növesztés 5. Zn(NO 3 ) 2 6H 2 O és (CH 2 ) 6 N 4 c=0.004 M; T= 93 C; t=40 min-4 h 10

11 MEMS / NEMS eszközök - Tapintás érzékelő ZnO nanrúdból C 1 F C 3 C 2 Piezoelektromos tulajdonsága folytán alkalmas a ZnO irány szelektív erőmérésre. MEMS eszközök Magas hőmérsékleten működő gázérzékelő Pellisztor Éghető gázok meghatározása magas hőmérsékleten katalizált elégetésük során képződött hő mérésével. T= o C Alkalmazás Biztonságtechnika: robbanásveszélyes gázelegyek (alsó robbanási határértékek) kialakulásának jelzése ARH H 2 :4%, CH 4 :5.3%, C 4 H 10 :1.5%, C 6 H 6 :1.6%, 20%, 40%, 100% mérendő Speciális követelmények Távadó szabványoknak megfelelő érzékelő és működtető elektronika: kis teljesítmény, robbanás-biztos felépítés Megoldás Mikroméretű eszköz MEMS eszközök Gázérzékelő Pt fűtőszál MEMS eszközök Gázérzékelő Az aktív és a referencia elem kialakítása saját fűtéssel ref. H 2 [PtCl 6 ] SiN x 100µm b a T vs.p karakterisztika a Pt Tk-ből számolva és mikro olvadáspont mérésekkel hitelesítve Integrált gázérzékelő: mikropelleisztorok és hővezetőképességi szenzorok MEMS eszközök Gázérzékelő Minden érdeklődést szívesen fogadunk! TDK, nyári gyakorlat, diploma téma Tapintás- és gázérzékelő chipek minősítése, technológia: Ádám Antalné - adam@mfa.kfki.hu szoftver-fejlesztés: Vásárhelyi Gábor vasarhelyi@mfa.kfki.hu 40%LEL 75%LEL Nano tapintásérzékelő ZnO mintapreparáció, szimuláció (Ansys) Volk János volk@mfa.kfki.hu 20%LEL MEMS eszközök tervezése, Ansys modellezése Fürjes Péter furjes@mfa.kfki.hu Minták vizsgálata, minősítése pásztázó elektron mikroszkóppal (SEM) Tóth Attila Lajos tothal@mfa.kfki.hu 11