CMOS-kompatibilis kapacitív páraérzékelő

Átírás

1 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Villamosmérnöki és Informatikai Kar CMOS-kompatibilis kapacitív páraérzékelő Doktori értekezés tézisfüzete Szerző: Témavezető: Juhász László okleveles villamosmérnök Dr. Mizsei János egyetemi tanár MTA doktora Elektronikus Eszközök Tanszéke Budapest, 2013.

2

3 1. Bevezetés Az ipari és mezőgazdasági folyamatoktól kezdve a műkincsek védelmén át, egészen mindennapi életünkig, a levegő nedvességtartalma fontos szerepet játszik. Számos területen elengedhetetlen ennek mérése és adott korlátok között tartása. Jellemzésére többféle mennyiség használatos, melyek mérésére különféle elven működő eszközök léteznek. A változatos alkalmazási területek eltérő igényeket támasztanak az érzékelőkkel szemben, teret adva új érzékelő rétegekkel, szerkezetekkel és eszközökkel kapcsolatos kutatás-fejlesztésnek. A pontosság, stabilitás, válaszidő és élettartam javítása mellett nagy hangsúlyt kap a méret, a fogyasztás és az ár csökkentése. A levegőben pára formájában megtalálható víz adszorpciója és abszorpciója igen sokféle fizikai jelenségben nyilvánul meg. Hatására megváltozhatnak egyes anyagok dielektromos tulajdonságai, ami pl. a kapacitív páraérzékelők működésének alapja. Változhat az (egyenáramú) ellenállás is az ionos vezetés megváltozása miatt. A víz felületi adszorpciója hatással lehet félvezető rétegek felületi tiltott energiasáv görbületére (barrier-effektus), ami módosítja mind az egyenáramú, mind a váltóáramú vezetőképességet. MEMS 1 -eszközökben megnövekedhet az érzékelésre kialakított mozgórészek tömege, vagy változhat a membránon kialakított vékonyrétegek mechanikai feszültsége. SAW 2 -eszközökben a felületi haladó hullámok fázissebessége változik a megkötött vízmolekulák miatt. Az említett eszközök lényegi részét jelentő érzékelőrétegek kutatása rendkívül aktív terület. Számos (szervetlen) szigetelő és félvezető anyag, szerves polimerek, az említettekből készült kompozitok és nanostruktúrák felhasználását vizsgálják erre a célra. Sok esetben előszeretettel alkalmaznak pórusos anyagokat. A jelenleg legelterjedtebben használt anyagcsoport a polimerek. Kapacitív érzékelőkben széles körben használt ilyen anyag a poliimid. Ezek élettartama elvben korlátozott, ugyanis a szerkezetük nedvesség hatására maradandóan megváltozik. A pórusos fém-oxidokból nagy felület-térfogat arányú rétegek, ezek segítségével pedig kiváló érzékenységű eszközök alakíthatók ki. A széles körben használt első kerámiák egyike az alumínium-oxid, amelynek a pórusos tulajdonságai az alumínium anódos oxidálása során elvben jól beállíthatók. Stabil, magas hőmérsékleten is működő érzékelők készíthetők belőle. 1 Micro-Electro-Mechanical System, mikro-elektromechanikai rendszer 2 Surface Acoustic Wave, felületi akusztikus hullámú 2

4 2. A kutatások célkitűzései A mai elvárásoknak leginkább megfelelő, legkorszerűbb megoldást páraérzékelők esetében is a mikrorendszer formájában történő megvalósítás jelenti. Ennek megfelelően, a célkitűzés kezdettől fogva olyan rétegkialakítási eljárások, rétegszerkezetek és ezeken alapuló integrált páraérzékelő eszköz kidolgozása volt, amelyek kompatibilisek a tömeggyártásban használatos CMOS 3 integrált áramköri technológiai folyamatokkal. Az irodalmi adatok alapján érzékenység, stabilitás és integrálhatóság szempontjából egyaránt ígéretes pórusos alumínium-oxidra esett a választás az érzékelőréteg szerepének betöltésére. Ezen réteg alkalmazása kézenfekvővé teszi a kapacitív elvű érzékelőkonstrukciót, amely kapcsolástechnikailag illeszkedik a CMOS-elektronikához, valamint a dielektromos állandó csekély hőmérsékletfüggéséből adódóan, stabilabb eszközt eredményezhet. A kitűzött célok olyan eljárás kidolgozását igényelték, amellyel a klasszikus CMOS-technológia alumínium fémezés rétegből előállítható a pórusos alumínium-oxid érzékelőréteg. A stabil rétegkialakítási eljárások mellett olyan CMOS-kompatibilis, kapacitív rétegszerkezetek megvalósítása volt szükséges, amelyek a kívánatos területfoglalás mellett (maximum néhány mm 2 ) is kellően érzékenyek ahhoz, hogy az átalakított jel ugyanazon chipre integrált elektronikával jól kezelhető legyen. Ezekre alapozva olyan CMOS-kompatibilis páraérzékelő eszköz létrehozása volt a célom, amelyben a regeneráló fűtést és hőmérsékletmérést lehetővé tevő elemek integráltan valósulnak meg. 3. Felhasznált eszközök és vizsgálati módszerek Munkám technológiai hátterét a BME Elektronikus Eszközök Tanszéke V 2 épületben található Félvezető Laboratóriuma adta (amely régi formájában megszűnt, a Q épületbe költözésekor megújult és kismértékben bővült). A páraérzékelő eszköz megvalósításához kidolgozott eljárásom huszonhárom önmagában is összetett munkafolyamatból tevődik össze, melynek végrehajtása során a Félvezető Laboratórium minden berendezését felhasználtam (komplett fotolitográfia és nedveskémiai eszközpark, magashőmérsékletű folyamatokhoz szükséges csőkemencék és gázrendszer, vákuumgőzölő, katódporlasztó, szeletdaraboló és tokozó berendezések, mikrohuzalkötő), 3 Complementary Metal Oxide Semiconductor, komplementer fém oxid félvezető 3

5 továbbá és a speciális anódikus oxidációhoz új kísérleti elrendezést állítottam össze. Munkám egyes szakaszaiban külső laboratóriumok segítségét is igénybe vettem a felhasznált eszközök körének szélesítéséhez. Az MFA 4 Mikrotechnológia Osztály munkatársai vákuumgőzöléssel, porlasztással és fotomaszk készítésével, a HWU 5 MISEC laboratóriumának munkatársai MEMS-laboratóriumuk infrastruktúrájának rendelkezésre bocsátásával (fotolitográfia, elektronsugaras gőzölés, galvanizálás) nyújtottak segítséget. Az általam előállított rétegeket az többféle módszerrel vizsgáltam: mechanikai profilométerrel végeztem a rétegvastagságok mérését, optikai mikroszkóppal ellenőriztem a fotolitográfiával kialakított ábrákat és a rétegek homogenitását, pásztázó elektronmikroszkóppal (SEM) volt lehetséges az alumínium-oxid pórusosságának vizsgálata és atomerő mikroszkóppal (AFM) a felületi érdességének meghatározása. A kidolgozott érzékelő rétegszerkezetek és az érzékelő eszközök vizsgálatát alapvetően az érzékenységi karakterisztikák felvétele jelentette (kapacitás a relatív páratartalom függvényében), melyekhez kalibrált relatív páratartalmú környezetre volt szükség. Munkám során telített sóoldatokat alkalmazó fixpontos módszert és klímakamrás vizsgálatokat is alkalmaztam. Az érzékelők kapacitásának (és párhuzamos veszteségi ellenállásának) mérését LC-mérővel, később precíziós LCR-mérővel végeztem. A C p R p helyettesítőkép és a mérőfrekvencia megválasztását előzetes méresekkel támasztottam alá. A klímakamrás módszer esetében vizsgálható volt a környezeti hőmérséklet érzékenységre gyakorolt hatása. A beépített fűtéssel rendelkező páraérzékelő eszköz esetén lehetségessé vált a környezethez képest megemelt chiphőmérséklet, valamint a regeneráló kifűtés hatásának megismerése. 4. A kutatómunka új tudományos eredményei Munkám során új, CMOS-kompatibilis rétegkialakítási eljárásokat és rétegszerkezeteket dolgoztam ki integrált páraérzékelők céljaira. Ezekre támaszkodva új, CMOS-kompatibilis páraérzékelő eszközt valósítottam meg. Az eredményeket három tézis és hét altézis formájában mutatom be. 4 MTA TTK MFA: Magyar Tudományos Akadémia, Természettudományi Kutatóközpont, Műszaki Fizikai és Anyagtudományi Intézet 5 Heriot-Watt University, Edinburgh, Egyesült Királyság 4

6 1. tézis. CMOS kompatibilis rétegkialakítási eljárások integrált páraérzékelőkhöz Új eljárásokat dolgoztam ki, amelyekkel leválasztott alumínium vékonyrétegből nanopórusos alumínium-oxid alakítható ki és munkálható meg CMOS-kompatibilis szilícium szelettechnológiával, integrált páraérzékelő eszköz céljaira [J1], [C1 C4]. Az elektronikával egy chipre integrálás egyik kulcskérdése a kialakított réteg olyan módon végzett megmunkálása, hogy az illeszkedjen az áramköri részek rajzolatához. A rajzolatkialakításra két megközelítést alkalmaztam (1. ábra): az egyik a klasszikus fotolitográfiai lépéssorozat nedveskémiai marószer alkalmazásával, a másik az alumínium réteg szelektív (csak a kívánt helyeken végbemenő) anódikus oxidációja és a fennmaradó fémréteg szelektív marószerrel történő eltávolítása. Az előbbihez a fotoreziszttel és a szeleten már kialakított rétegekkel biztonságosan együtt használható alumínium-oxid marási eljárásra, az utóbbihoz az elektrokémiai oxidáció idejére megfelelő védelmet biztosító megoldásra volt szükség. Anódikus oxidáció, majd az alumínium-oxid marása Szelektív anódikus oxidáció, majd a megmaradó alumínium (szelektív) marása Si SiO 2 Al Pórusos Al 2 O 3 Fotoreziszt 1. ábra. Az alumínium-oxid rétegek megmunkálásához alkalmazott kétféle megközelítés vázlata 1.1 altézis. Nedveskémiai marást alkalmazó eljárást dolgoztam ki, amellyel oxidált szilícium szelet teljes felületén nanopórusos alumínium-oxid vékonyréteg, majd abból a kívánt alakzat valósítható meg. A nanopórusos réteget kialakító elektrokémiai oxidáció során maga az oxidálódó alumíniumréteg tölti be a hozzávezetés szerepét, vezetőképes segédréteg alkalmazása nélkül, a szelet kerülete mentén kialakított, fotoreziszttel védett sáv segítségével. 5

7 1.2 altézis. Szelektív anódikus oxidációs eljárást dolgoztam ki, amellyel a kívánt alakzatnak megfelelő nanopórusos alumínium-oxid vékonyréteg hozható létre. A nanopórusos réteget kialakító elektrokémiai oxidáció során a kiindulási alumíniumréteg fotoreziszttel védett része elektromos hozzávezetésként szolgál, majd szelektív, nedveskémiai alumíniummaróval eltávolítható újabb fotolitográfiai lépés nélkül. Pásztázó elektronmikroszkópos felvételek segítségével megállapítottam, hogy a szelektív marási lépésben, a marószer a pórusok és a réteg pórusosságának növekedését okozza. A réteg tulajdonságainak ilyen jellegű megváltozása kedvezően befolyásolhatja az erre alapuló rétegszerkezetek és eszközök páraérzékenységét. A fotoreziszt védelem hatásossága a 2. ábrán, pórus- és a pórusosságnövekedése a 3. ábrán látható. 200 nm 2. ábra. Ugyanazon minta három különböző pontjáról készült SEM-felvételek (InLens SEdetektor, 5 kv). A bal oldali a fotoreziszttel nem védett, a középső az aláoxidációval érintett, a jobb oldali pedig a fotoreziszttel védett területről készült (nincsenek pórusok). 50 nm 3. ábra. Szelektív alumíniummaró hatása a pórusos alumínium-oxid rétegre. SEM-felvételek (InLens SE-detektor, 5 kv gyorsítófeszültség). Referencia-minta (bal oldalon) és az alumíniummaróval, szelektív oxidációt követő marás során érintkezett minta (jobb oldalon). 6

8 2. tézis. CMOS kompatibilis rétegszerkezetek páraérzékelőkhöz Az első tézisben kifejtett eljárások felhasználásával új, CMOS technológiával kompatibilis, kapacitív, síkelektródás páraérzékelő rétegszerkezeteket dolgoztam ki, amelyekben az érzékelőréteg szerepét nanopórusos alumínium-oxid vékonyréteg tölti be. Mérésekkel kimutattam, hogy a rétegszerkezetek 0 100% relatív páratartalom (RH) tartományban érzékenyek, karakterisztikájuk nemlineáris, átlagos érzékenységük eléri a 15 pf/rh% (65% RH alatt átlagosan 3,8 pf/rh%, felette 35,7 pf/rh%) értéket. Az elért érzékenység a kereskedelmi forgalomban lévő diszkrét, kapacitív szenzorok adatlapjain megadottaknál egy nagyságrenddel nagyobb [J1, J2], [C1 C3]. 2.1 altézis. Nedveskémiai marás segítségével, új, ultravékony palládium/palládiumoxid pórusos alumínium-oxid szilícium-dioxid erősen adalékolt szilícium rétegszerkezeten alapuló, kapacitív, síkelektródás elrendezést valósítottam meg. A rétegszerkezet CMOS-technológiai lépéssor részeként, illetve azt kiegészítő lépésekkel megvalósítható, így integrált páraérzékelő alapjául szolgálhat. Kimutattam, hogy az ultravékony felső elektróda hőkezelés hatására agglomerálódik és ezzel elősegíti a porlasztásos leválasztás közben lezárt pórusok felszabadulását. Az 2.1 altézisben leírt rétegszerkezet felépítése a 4. ábrán látható. A rétegek szétválasztása a jobb áttekinthetőséget szolgálja. a) b) c) Si SiO 2 Al Pórusos Al 2 O 3 Pd pórusos Al 2 O 3 -rétegen 4. ábra. Ultravékony felső vezetőréteggel kialakított rétegszerkezet bemutatása: a) felülnézeti kép, és a bejelölt vonal mentén készült keresztmetszeti rajz; b) funkcionálisan is elkülönülő részek szétválasztása; c) az érzékelés szempontjából hatásos rész. A négyzet alakú chipek élhossza 2 mm, az érzékelőfelület 1 mm 2, az ábrázolt rétegvastagságok nem méretarányosak. 7

9 2.2 altézis. Szelektív anódikus oxidáció segítségével, új, rácsozatos (arany réz titán) fémezés pórusos alumínium-oxid titán rétegszerkezeten alapuló, kapacitív, síkelektródás elrendezést valósítottam meg passzivált felületű szilícium szeleten. A rétegszerkezet a CMOS-technológiai lépéssort kiegészítő lépésekkel megvalósítható, így integrált páraérzékelő alapjául szolgálhat. A 2.2 altézisben leírt rétegszerkezet felépítését az 5. ábra, közelítő karakterisztikáját a 6. ábra mutatja be. a) b) c) Si SiO 2 Ti Al Pórusos Al 2 O 3 Cu Au 5. ábra. Rácsozatos felső elektródával kialakított rétegszerkezet bemutatása: a) felülnézeti kép, és a bejelölt vonal mentén készült keresztmetszeti rajz; b) funkcionálisan is elkülönülő részek szétválasztása; c) az érzékelés szempontjából hatásos rész. A chipek 2,3 2,3 mm-esek, az érzékelőfelület 1 mm 2, az ábrázolt rétegvastagságok nem méretarányosak. Kapacitás [pf] Relatív páratartalom [%] 6. ábra. Fixpontos módszerrel mért kapacitás RH karakterisztikák 25 C-on. A pontozott vonal a mért karakterisztikapontok eloszlásának tendenciáját jelöli. 8

10 3. tézis. CMOS-kompatibilis páraérzékelő eszköz Megvalósítottam egy új, CMOS-kompatibilisen integrálható, fűthető, kapacitív, síkelektródás páraérzékelő eszközt. A fűtést és a hőmérséklet mérését, szabályozását a második tézispontban bemutatott palládium/palládium-oxid elektródás érzékelő rétegszerkezet alatt kialakított pn átmenet teszi lehetővé. A megvalósított eszköz sorozatgyártásra alkalmas módon tokozható [J1 J3], [C1, C2]. A 7. ábrán látható a funkcionális vizsgálatokhoz tokozott eszköz kikötési rajza, fotója és ipari tokozási eljáráshoz átdolgozott rajzolatú változata. 2 mm a) b) c) 7. ábra. Bal oldalon az integrált fűtő-hőmérő diódával kialakított páraérzékelő eszköz kikötési rajza (bond plan) és fotója, jobb oldalon a módosult rajzolat szerint elkészült eszköz látható. 3.1 altézis. Mérésekkel igazoltam, hogy az érzékelőréteg alatt kialakított pn átmenet alkalmas a páraérzékelő eszköz reprodukálható kifűtésére, így megszüntethető a működés során a kapacitás értékében kialakuló ofszet. Az eszköz kialakításának köszönhetően a kifűtés mérési körülmények között is elvégezhető. 3.2 altézis. Mérésekkel kimutattam, hogy az érzékelőréteg alatt kialakított pn átmenet alkalmas az eszköz hőmérsékletének kívánt értéken tartására, és a hőmérséklet emelésével csökkenthető az érzékelő eszköz hiszterézise. 3.3 altézis. Mérésekkel kimutattam, hogy az érzékelő eszköz tipikus válaszideje <6 s, így versenyképes a jelenleg széles körben elterjedt polimer alapú érzékelőkkel, melyek esetében ez az érték 8 s vagy annál nagyobb érték. A 8. ábrán megfigyelhetők a különböző chiphőmérsékletek mellett felvett karakterisztikák. A 0% RH-nál feltüntetett karakterisztikapontok az egyes méréssorozatok közötti elvégzett kifűtés reprodukálhatóságát támasztják alá. A 3.2 altézisben leírt hiszteréziscsökkenést a 9. ábra mutatja be (a jobb összehasonlíthatóság érdekében normált karakterisztikákon). A válaszidő mérése a 10. ábrán látható. 9

11 C 40 C 50 C Kapacitás [pf] Relatív páratartalom [%] 8. ábra. Egy integrált fűtő-hőmérő diódával kialakított páraérzékelő eszköz klímakamrában (25 C-on), különböző chiphőmérsékletek mellett mért kapacitás páratartalom karakterisztikái C 29 C 35 C Kapacitásváltozás [%] Relatív páratartalom [%] 9. ábra. Egy mintán, különböző chiphőmérsékletek mellett mért érzékenységi karakterisztikák és azok hiszterézise 25 C állandó környezeti hőmérséklet mellett 10

12 100 Végérték [%] % τ Idő [s] Relatív páratartalom [%] 10. ábra. Válaszidő mérése során regisztrált kapacitásváltozás és a vizsgált eszköz érzékenységi karakterisztikája alapján számított szenzorválasz (RH%) az idő függvényében 5. Az eredmények hasznosítása A kidolgozott rétegkialakítási eljárások és rétegszerkezetek CMOS technológiával kompatibilisek, így alapját képezhetik tömeggyártásban készülő érzékelők gyártástechnológiájának. A megvalósított, integrált érzékelő eszköz és annak ipari tokozási eljárásához optimalizált változata egy-egy további lépés ebben az irányban. A kimutatott érzékenység és előnyös dinamikus viselkedés, a kifűtés és folyamatos fűtés hatásai alátámasztják a megoldás előnyeit, annak gyakorlati hasznosíthatóságát. A kutatás-fejlesztési munka a PATENT EU FP6 és a BelAmI német-magyar bilaterális projektek keretében, majd az SE2A ENIAC projekthez kapcsolódóan vált lehetővé és jutott el a jelenlegi eredményekig, mindegyik sikeréhez egy apró szelettel hozzájárult. Az utolsó fázisához kapcsolódóan kiolvasó elektronika és demonstrációs eszköz készült tanszékünkön moduláramkör formájában. A tapasztalatok alapján megkezdődött az integrált áramköri kivitel koncepciójának kidolgozása, előkészítve egy lehetséges CMOS-MEMS demonstrátor megvalósítását. 11

13 Tézisekhez kapcsolódó publikációk Folyóiratcikkek [J1] V. Timár-Horváth, L. Juhász, A. Vass-Várnai, and G. Perlaky. Usage of Porous Al 2 O 3 Layers for RH Sensing. Microsystem Technologies, 14(7): , [J2] L. Juhász and J. Mizsei. Humidity sensor structures with thin film porous alumina for on-chip integration. Thin Solid Films, 517(22): , [J3] L. Juhász and J. Mizsei. A simple humidity sensor with thin film porous alumina and integrated heating. Procedia Engineering, 5: , Konferenciacikkek [C1] V. Timár-Horváth, L. Juhász, A. Vass-Várnai, and G. Perlaky. Usage of Porous Al 2 O 3 Layers for RH Sensing. In K. Chakrabarty, B. Courtois, E. Jung, V. Kempe, and R. Laur, editors, Proceedings of the Symposium on Design, Test, Integration and Packaging of MEMS/MOEMS (DTIP 07), pages , Stresa, Italy, April, EDA Publishing. [C2] L. Juhász, A. Vass-Várnai, Cs. Dominkovics, and V. Timár-Horváth. Porous Al 2 O 3 Layers for Capacitive RH Sensors. In K. Hadjiivanov, V. Valtchev, S. Mintova, and G. Vayssilov, editors, Advanced Microand Mesoporous Materials, volume 1 of Topics in Chemistry and Material Science, pages , Sofia, Heron Press. [C3] L. Juhász, A. Vass-Várnai, V. Timár-Horváth, M. P. Y. Desmulliez, and R. S. Dhariwal. Porous Alumina Based Capacitive MEMS RH Sensor. In Victor M. Bright, Tarik Bourouina, Bernard Courtois, Marc Desmulliez, Jean Michel Karam, and Gou-Jen Wang, editors, Collection of Papers Presented at the Symposium on Design, Test, Integration and Packaging of MEMS/MOEMS (DTIP 08), pages , Nice, France, 9-11 April, EDA Publishing. 12

14 [C4] L. Juhász, L. Oláh, and J. Mizsei. Patterning of Porous Alumina for Integrated Humidity Sensors. In Tarik Bourouina, Bernard Courtois, Reza Ghodssi, Jean Michel Karam, Aurelio Soma, and Hsiharng Yang, editors, Collection of Papers Presented at the Symposium on Design, Test, Integration and Packaging of MEMS/MOEMS (DTIP 09), pages , Rome, Italy, 1-3 April, EDA Publishing. Tézisekhez szorosan nem kapcsolódó publikációk [N1] P. Sági, B. Plesz, L. Juhász, and V. Timár-Horváth. Design of the Heliotrex Sun-Tracking System. In Péter Kiss, Ádám Székely, and Bálint Németh, editors, IYCE International Youth Conference on Energetics, pages 1 6, Paper 409., Budapest, Hungary, 31 May-2 June, [N2] V. Timár-Horváth, B. Plesz, L. Juhász, and J. Mizsei. Education of Microelectronics Technology at the Department of Electron Devices of Budapest University of Technology and Economics. In Proceedings of The 7th European Workshop on Microelectronics Education (EWME 08), pages , Budapest, Hungary, May, EDA Publishing. [N3] B. Plesz, L. Juhász, and J. Mizsei. Feasibility Study of a CMOS- Compatible Integrated Solar Photovoltaic Cell Array. In Bernard Courtois, Jean Michel Karam, Ryutaro Maeda, Pascal Nouet, Peter Schneider, and Hsiharng Yang, editors, Collection of Papers Presented at the Symposium on Design, Test, Integration and Packaging of MEMS/- MOEMS (DTIP 10), pages , Sevilla, Spain, 5-7 May EDA Publishing. [N4] V. Horváth-Timár, J. Mizsei, and L. Juhász. A new concept in solar cell related education at the Department of Electron Devices of the Budapest University of Technology and Economics. In V. Benda, editor, Proceedings of the 5th International Workshop on Teaching in Photovoltaics (IWTPV 10), pages 30 33, Prague, Czech Republic, March [N5] Székely Vladimír, Kollár Ernő, Somlay Gergely, Szabó Péter Gábor, Juhász László, Rencz Márta, Vass-Várnai András. Statikus TIM teszter tervezése. Híradástechnika, LXVI(1):37 46,