MEMS. Micro Electro Mechanical Systems Eljárások és eszközök. MEMS technológia kialakulása

Átírás

1 MTA Mőszaki Fizikai és Anyagtudományi Kutatóintézet MEMS Laboratórium 1121 Budapest, Konkoly - Thege Miklós út MEMS Micro Electro Mechanical Systems Eljárások és eszközök Pap Andrea Edit pap@mfa.kfki.hu MEMS technológia kialakulása 70-es évek vége: mikroprocesszorok fejlıdése olcsó személyi számítógépek kulcstechnológiája 80-as évek vége: olcsó szilárdtest-lézer tömeggyártása internet kommunikáció kulcstechnológiája 90-es évek vége: mikrorendszerek fejlesztése érzékelık illesztésének kulcstechnológiája a valósidejő monitorozás és vezérlés számára

2 MEMS eszköz: a tranzisztor elektromechanikus analógja nagy rendszer változások vezérlése kis erıkkel minıségi elınyök a méretcsökkentés révén, új mőködési elvek realizálása csoportos megmunkálás, az eszközök integrálása akár IC-ben tetszıleges funkciók társítása; érzékelés, számítás, beavatkozás (aktuálás), vezérlés, kommunikáció az ezeket megvalósító eszközök integrálása egy rendszerben; erıforrás (telep, tápegység), antenna, érzékelık, beavatkozók alapvetıen felületi-, rétegtechnológiai realizálás MEMS eszközök árképzése; % a chip, % a tokozás MEMS eszközök kialakítása, fejlesztése nem 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, lab-on-a-chip, elektronikus orr, stb. egyéb ipar 28 % pl. mezıgazdasági munkagépben a munkabeállítás vezérlése, vetımag szelekció méret-, épség-, orientáció-, minıség ellenırzése, válogatás, stb. autóipar 56 % pl. motor- és futómő vezérlése, diagnosztika, élet- és menetbiztonság, kényelem, stb.

3 MEMS technológiák, eljárások - Start 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 füstölgı HNO 3 és forró HNO 3 (feloxidált felület) RCA tisztítás; 2 lépésben szerves anyagok eltávolítása: NH 4 OH és H 2 O 2 fémszennyezıdés eltávolítása: HCl és H 2 O 2 MEMS technológiák, eljárások - Oxidáció Funkciói: maszkoló réteg szigetelı réteg passziváló réteg Kialakítása: termikus oxidáció magas T, oxidatív atmoszféra (O 2, H 2 O) száraz nedves kémiai gızfázisú leválasztás (CVD) anódos oxidáció (elektrolízis pl. KOH-ban) plazma oxidáció (RF porlasztás) Minısítés (pl. C-V mérés, szivárgási áram mérése, stb.): vastagság / homogenitás tisztaság

4 MEMS technológiák, eljárások - Ionimplantáció Adalékolás, felgyorsított részecskék ionok, ioncsoportok - testekbe való belövése. szilárd Funkciója: diffúziót megelızı leválasztás - predepozíció p-n átmenetek kialakítása MOS tranzisztorok küszöbfeszültségének beállítása forrás és nyelı 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 kilépı, gyorsított ionok, tömegszeparátoron áthaladva érkeznek a Si felületre kezelendı felület söpörtetett homogenitás biztosítása gyorsító feszültség reprodukálható és precízen beállított kontrollált hımérséklető target Hatása a szilárd testekre: az ionok eloszlását számítással, táblázatokból lehet meghatározni, mely alapján a valószínő eloszlás, várható érték megadható rugalmas / rugalmatlan ütközés adalékeloszlás nagyjából Gauss eloszlás rácskárosodás; ponthibák, összetett hibák

5 MEMS technológiák, eljárások - Ionimplantáció Implantált ionok újraelosztása hıkezeléssel rácskárosodás megszüntetése az adalék elektromos aktiválása Az ion és a meglökött atomok pályája MEMS technológiák, eljárások Vékonyréteg leválasztás Követelmények: egyenletes eloszlás a teljes szubsztráton azonos összetétel azonos szerkezet; azonos fizikai, kémiai tulajdonságok tömörség; szivacs vs. réteg, tőlyuk tapadás kis termomechanikai feszültség lépcsıfedés speciális követelmények; súrlódás, nedvesítés, biokompatibilitás gazdaságosság

6 MEMS technológiák, eljárások Vékonyréteg leválasztás Alkalmazás: félvezetı gyártástechnológia Mikro-elektromechanikai rendszerek hıvezetı bevonatok napelemek optikai alkalmazások (szőrık, rácsok, antireflexiós rétegek, stb.) kopásálló bevonatok (szerszámok, optikai elemek, humán protézisek, stb.) korrózióálló bevonatok dekorációs bevonatok MEMS technológiák, eljárások Vékonyréteg leválasztás Elıállítás: 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 )

7 MEMS technológiák, eljárások Vékonyréteg leválasztás CVD A szilárd terméket eredményezı kémiai reakció csak a felületen megy végbe! Metódus: transzport a felületre adszorbció migráció vándorlás a felületen; adszorpció deszorpció kemiszorpció kémiai reakció deszorpció transzport a felületrıl Sebesség-meghatározó lépés transzport reagens, ill. termék (PACVD) kémiai reakció (LPCVD, PECVD) kemiszorpció (ALD) MEMS technológiák, eljárások Si micromachining: Si 3D megmunkálása 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 Jellemzı µm Si kristály vastagsága µm

8 MEMS technológiák, eljárások Si micromachining: Si 3D megmunkálása Felületi mikromechanika felületi vékonyrétegekbıl amorf vagy polikristályos membrán 2-3 µm üreg Tömbi mikromechanika: Si egykrisályban vagy leválasztott rétegben 2-3 µm és µm közötti üreg esetleg lézer vagy gyémánttárcsás vágások pórusos Si alkalmazásával elérhetı a felületi mikromechanika mérettartománya tömbi Si-ban MEMS technológiák, eljárások Si micromachining: Si 3D megmunkálása Felületi mikromechanika eljárásait lásd fentebb segédréteggel pl. oxid rétegen polisi leválasztás, majd oxid eltávolítás 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

9 MEMS technológiák, eljárások Si micromachining: Si 3D megmunkálása Tömbi mikromechanika eljárásai: Si elektrokémiai marása pórusos Si kialakítása dópoltság mértéke meghatározza a kialakuló réteg fizikai minıségét, homogenitása jó elektrolit koncentrációja, áramsőrőség, marási idı beállításával tervezhetı a kialakított réteg porozitása, vastagsága, rendezettsége optikai tulajdonásgai 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 MEMS technológiák, eljárások Si micromachining: Si 3D megmunkálása Tömbi mikromechanika eljárásai: Si elektrokémiai marása pórusos Si kialakítása Funkciója: feláldozandó réteg elıállítás, szelektív kioldás pl. üreg, membrán kialaításakor funkcionális szerkezeti réteg hıszigetelı érzékelı (nagy fajlagos felület) katalizátor (érzékenyített felület) SiO 2 -ban n-si szigetek kialakítása optikai elem pl. szőrı, rezonátor, hullámvezetı

10 MEMS technológiák, eljárások Si micromachining: Si 3D megmunkálása Tömbi mikromechanika eljárásai: nagy sőrőségő 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 függıleges falak kialakítása MEMS technológiák, eljárások Rétegeltávolítás Nedves és száraz (plazma) marás Követelmény (mindkét esetben): egyenletesség szelektivitás marási sebesség kontrollja reprodukálhatóság megfelelı 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

11 MEMS technológiák, eljárások Rétegeltávolítás 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) MEMS technológiák, eljárások 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 függı 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

12 MEMS technológiák, eljárások Rétegeltávolítás 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 MEMS technológiák, eljárások Rétegeltávolítás 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

13 MEMS technológiák, eljárások Fotolitográfia Ábrakészítés, mintázat átvitel kontakt proximity projekciós Fotolakk optikai tulajdonságai monokromatikus fénnyel való exponálás esetén állóhullámok keletkeznek a hatás csökkenthetı, eliminálható több hullámhosszat tartalmazó fényforrás alkalmazásával utóhıkezeléssel MEMS technológiák, eljárások Fotolitográfia Fotolakk kémiája általában pozitív fotolakkot alkalmaznak az IC iparban, mert nem változtatja az alakját az elıhívásnál alkalmas nagy felbontásra ellenáll a plazma mőveleteknek negatív lakkok általában mérgezıek komponensei vízben oldódó, fényérzékeny fenol alapú filmképzı polimer fényérzékeny, vízben való oldást gátló makromolekula oldószer elegy (szerves)

14 MEMS technológiák, eljárások Fotolitográfia 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 MEMS technológiák, eljárások Fotolitográfia Fotolitográfiai mőveletsor felület elıkészítése lásd kémiai tisztítás lakkfelvitel porszennyezés kizárása tisztatéri körülmények! homogén rétegvastagság lakkszárítás oldószer eltávolítása C-on lakkvastagság csökken 25 %-al exponálás, elıhívás az elıhívó 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, füstölgı HNO 3 -ban

15 MEMS technológiák, eljárások egy példa a sok közül; Bolometer Bolometer - Nitrid leválasztás

16 Bolometer - Al leválasztás Al = 0.5 µm Bolometer Bolomeander maszk litográfiája Al = 0.5 µm Photoresist

17 Bolometer Al marás Al = 0.5 µm Photoresist Bolometer Ti Pt porlasztás Al = 0.5 µm Photoresist Ti = 300 Å Pt = 2500 Å

18 Bolometer Lift-off és Al marás Ti = 300 Å Pt = 2500 Å Bolometer Al leválasztás Al = 1 µm

19 Bolometer Kontakt litográfia omikus kontaktusok kialakítására Al = 1 µm Photoresist Bolometer Al marás Al = 1 µm Photoresist

20 Bolometer Pt leválasztás Al = 1 µm Photoresist Pt = 3000 Å Bolometer Lift off és Al marás Pt

21 Bolometer Elıoldali védelem fotolakkal Pt Photoresist Bolometer Bolomemrán maszk kialakítása a hátoldalon Photoresist

22 Bolometer - Nitrid marás a mintázat elıhívására Photoresist Bolometer Al leválasztás védelem/maszkolás céljából Al = 0.3 µm

23 Bolometer Bolomemrán maszk kialakítása a hátoldalon Al = 1 µm Photoresist Bolometer Al marás Al = 1 µm Photoresist

24 Bolometer Nitrid marás Al = 1 µm Photoresist Bolometer reziszt eltávolítása és Al marás

25 Bolometer hıkezelés Bolometer KOH marás

26 Bolometer Shadow maszk alkalmazása Si x N y = 1.5 um Bolometer Wolfram porlasztás Wolfram

27 MEMS eszközök - Tapintás érzékelı Piezorezisztív híd egy korábbi, 2 2-es érzékelıben MEMS eszközök - Tapintás érzékelı 8 8 as érzékelı hálózat CMOS technológiával kialakított kiolvasó áramkörrel

28 MEMS eszközök - Tapintás érzékelı MEMS eszközök - Tapintás érzékelı

29 MEMS eszközök - Tapintás érzékelı Ami már megvalósult TactoPad 2x2 TactoFlex 2x2 TactoScope 2x1 TactoPad 8x8 MEMS eszközök - Tapintás érzékelı Funkcionális vizsgálatok

30 MEMS eszközök - Tapintás érzékelı TactoLogic Ltd. Ltd. MEMS/NEMS eszközök - Tapintás érzékelı nano-ban ZnO nanorudak elıállítása Hıkezelés Felületkezelés T=1050 C; t=12 h; c/2 lépcsık O2 atmoszféra 2. Fémleválasztás 3. Elektronsugaras litográfia Zn-kel borított oldal Ionmarás 5. Hidrotermális növesztés 5. Zn(NO3)2 6H2O és (CH2)6N4 c=0.004 M; T= 93 C; t=40 min-4 h O-nel borított oldal c lépcsık

31 MEMS / NEMS eszközök - Tapintás érzékelı Rendezett ZnO nanorúd struktúrák Hossz: L= 500 nm-2 µm Távolság g a szálak közöttk tt: Λ= = nm Átmérı: D= nm MEMS / NEMS eszközök - Tapintás érzékelı ZnO nanrúdból C 1 F C 3 C 2 Piezoelektromos tulajdonsága folytán alkalmas a ZnO irány szelektív erımérésre.

32 MEMS eszközök Magas hımérsékleten mőködı gázérzékelı Pellisztor Éghetı gázok meghatározása magas hımérsékleten katalizált elégetésük során képzıdött hı 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% mérendı Speciális követelmények Távadó szabványoknak megfelelı érzékelı és mőködtetı elektronika: kis teljesítm tmény, robbanás-biztos biztos felépítés Megoldás Mikromérető eszköz MEMS eszközök Gázérzékelı 100µm Pt főtıszál SiN x Hımérséklet [oc] PS unsupported supported 100 b a T ( o C) Teljesítmény(mW) 0 Idı [ms] T vs.p karakterisztika a Pt Tk-bıl számolva és mikro olvadáspont mérésekkel hitelesítve

33 MEMS eszközök Gázérzékelı Az aktív és a referencia elem kialakítása saját főtéssel ref. H2[PtCl6] 8 75%LEL 6 40%LEL 4 20%LEL Time (min) Heat-conductivity type sensor responses for methane ( 506 oc) %LEL 1.39%LEL Out of balance voltage (mv) Integrált gázérzékelı: mikropelleisztorok és hıvezetıképességi szenzorok Out of balance voltage (mv) MEMS eszközök Gázérzékelı 40%LEL 0.7%LEL 20%LEL 0.35% LEL Time (min) 70 Pt-Pellistor responses, propane, 18.2mW ( 585oC) 80

34 Minden érdeklıdést szívesen fogadunk! TDK, nyári gyakorlat, diploma téma Tapintás- és gázérzékelı chipek minısítése, technológia: Ádám Antalné - adam@mfa.kfki.hu szoftver-fejlesztés: Vásárhelyi Gábor vasarhelyi@mfa.kfki.hu Nano tapintásérzékelı ZnO mintapreparáció, szimuláció (Ansys) Volk János volk@mfa.kfki.hu MEMS eszközök tervezése, Ansys modellezése Fürjes Péter furjes@mfa.kfki.hu Minták vizsgálata, minısítése pásztázó elektron mikroszkóppal (SEM) Tóth Attila Lajos tothal@mfa.kfki.hu