MEMS eszköz: a tranzisztor elektromechanikus analógja

Átírás

1 1 MTA TTK Műszaki Fizikai és Anyagtudományi Intézet MEMS Laboratórium 1121 Budapest, Konkoly - Thege Miklós út MEMS Micro Electro Mechanical Systems Eljárások és eszközök Csikósné Dr Pap Andrea Edit pap.andrea@kvk.uni-obuda.hu 2 MEMS technológia kialakulása 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 1

2 3 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 árképzése; % a chip, % a tokozás MEMS eszközök kialakítása, fejlesztése nem szisztematikus kutatás eredménye, hanem kreatív, innovatív munka eredménye. 4 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. 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. 2

3 5 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 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 6 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 3

4 7 MEMS technológiák, eljárások - Ionimplantáció Adalékolás, felgyorsított részecskék ionok, ioncsoportok - szilárd testekbe való belövése. 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. 8 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 4

5 9 MEMS technológiák, eljárások - Ionimplantáció Implantált ionok újraelosztása hőkezeléssel rácskárosodás megszüntetése az adalék elektromos aktiválása Az ion és a meglökött atomok pályája 10 MEMS technológiák, eljárások 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 5

6 11 MEMS technológiák, eljárások Vékonyréteg leválasztás Alkalmazás: félvezető gyártástechnológia Mikro-elektromechanikai rendszerek hővezető bevonatok napelemek optikai alkalmazások (szűrők, rácsok, antireflexiós rétegek, stb.) kopásálló bevonatok (szerszámok, optikai elemek, humán protézisek, stb.) korrózióálló bevonatok dekorációs bevonatok 12 MEMS technológiák, eljárások 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 ) 6

7 13 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) 14 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 Jellemző µm Si kristály vastagsága µm 7

8 15 MEMS technológiák, eljárások Si micromachining: Si 3D megmunkálása Felületi mikromechanika felületi vékonyrétegekből 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 elérhető a felületi mikromechanika mérettartománya tömbi Si-ban DRIE alkalmazása 16 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 8

9 17 MEMS technológiák, eljárások Si micromachining: Si 3D megmunkálása 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 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 18 MEMS technológiák, eljárások Si micromachining: Si 3D megmunkálása 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 9

10 19 MEMS technológiák, eljárások Si micromachining: Si 3D megmunkálása 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 20 MEMS technológiák, eljárások 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 10

11 21 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) 22 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 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 11

12 23 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 24 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 12

13 25 MEMS technológiák, eljárások Fotolitográfia 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 26 MEMS technológiák, eljárások 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) 13

14 27 MEMS technológiák, eljárások Fotolitográfia Fotolitográfia felbontás növelése vékony reziszt alkalmazása 0.1 µm kisebbλlevilágítás 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 28 MEMS technológiák, eljárások Fotolitográfia Fotolitográfiai műveletsor felület előkészítése kémiai tisztítás + vízmentesítés 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 14

15 29 MOS tranzisztor kialakításának lépései Aktív terület kialakítása Oxidáció, száraz 0,1 µm 30 Aktív terület kialakítása Nitrid leválasztás LPCVD Si 3 N 4 0,1 µm 15

16 31 Aktív terület kialakítása CVD oxid leválasztás 0,3 µm 32 Aktív terület kialakítása Fotolitográfia, aktív terület 16

17 33 Aktív terület kialakítása Oxidmarás (CVD oxid) 34 Aktív terület kialakítása Lakkeltávolítás 17

18 35 Aktív terület kialakítása Nitridmarás 36 Aktív terület kialakítása Oxidmarás 18

19 37 Aktív terület kialakítása Channel stop implantáció 38 Aktív terület kialakítása Téroxid növesztés, nedves oxidáció (HYOX), 1µm 19

20 39 Aktív terület kialakítása Nitridmarás 40 Aktív terület kialakítása Oxidmarás 20

21 41 Gate elektróda kialakítása Gate oxid növesztés, 60 nm 42 Gate elektróda kialakítása Ionimplantáció, küszöb feszültség beállítása 21

22 43 Gate elektróda kialakítása Poli Si leválasztás LPCVD 0,4 µm 44 Gate elektróda kialakítása Poli Si adalékolása, ionimplantáció 22

23 45 Gate elektróda kialakítása Fotolitográfia, gate elektróda kialakítása 46 Gate elektróda kialakítása Poli Si marás 23

24 47 Gate elektróda kialakítása Oxidmarás Source, Drain helyekről 48 Gate elektróda kialakítása Lakkeltávolítás 24

25 49 Source, Drain elektródák kialakítása Fotolitográfia, n-csatornás S-D helyek kitakarása 50 Source, Drain elektródák kialakítása S-D helyek adalékolása ionimplantációval (önillesztett) 25

26 51 Body elektróda kialakítása Fotolitográfia, n-csatornás S-D helyek betakarása 52 Body elektróda kialakítása Body kivezetés adalékolása ionimplantációval 26

27 53 Source, Drain és Body elektródák kialakítása Lakkeltávolítás után az ionimplantált adalékok behajtása 54 Kontaktus ablakok kialakítása CVD oxid leválasztás 27

28 55 Kontaktus ablakok kialakítása Fotolitográfia, kontaktusablakok helyének kijelölése 56 Kontaktus ablakok kialakítása CVD oxid kimarása 28

29 57 Kontaktus ablakok kialakítása Lakkeltávolítás 58 Kontaktus ablakok kialakítása Fémezés, Al 1 µm 29

30 59 Kontaktus ablakok kialakítása Fotolitográfia, fémkivezetések helyének kijelölése 60 Kontaktus ablakok kialakítása Al marás 30

31 61 Kontaktusok kialakítása Lakkeltávolítás 62 A MOS tranzisztor készítéséhez használt maszkok 31

32 63 MEMS eszközök - Tapintás érzékelő 8 8 as érzékelő hálózat CMOS technológiával kialakított kiolvasó áramkörrel 64 32

33 65 66 TactoPad 2x2 TactoFlex 2x2 TactoScope 2x1 TactoPad 8x8 33

34 67 MEMS/NEMS eszközök - Tapintás érzékelő nano-ban ZnO nanorudak előállítása 1. Felületkezelés 1. Hőkezelés T=1050 C; t=12 h; c/2 lépcsők O2 atmoszféra 2. Fémleválasztás 3. Elektronsugaras litográfia Zn-kel borított oldal O-nel borított oldal c lépcsők Ionmarás 5. Hidrotermális növesztés 5. Zn(NO3)2 6H2O és (CH2)6N4 c=0.004 M; T= 93 C; t=40 min-4 h 68 Hossz: Távolság a szálak között: Átmérő: L= 500 nm-2 µm Λ= nm D= nm 34

35 69 C 1 F C 3 C 2 Piezoelektromos tulajdonsága folytán alkalmas a ZnO irány szelektív erőmérésre. 70 Taguchy és pellistor típusú gázérzékelők Nem perforált membránon alakítottunk ki Pt mikro-fűtőtesteket A két eltérő érzékelési mechanizmusnak megfelelően több féle katalizátor anyagot alkalmazhatunk 35

36 71 Taguchy típusú gázérzékelő Laterálisan szelektíven alakítottunk ki pórusos TiO 2 réteget; sol-gel eljárással, spincoatinggal, amihez új lift-off technikát dolgoztunk ki Az Au nano-részecskék felületre történő leválasztásán még dolgozunk kisebb részecskeméretre törekszünk 72 Pellistor típusú gázérzékelő Szeparáltan helyezkedik el az aktív és referencia fűtőtest a feszültségmentes membránokon A kialakított MEMS szerkezet élettartamának vizsgálata folyamatban van a tesztnek alávetett chipek 8-10 éves működésre képesek 36

37 73 Pellistor típusú gázérzékelő A pellistor aktív fűtőtestére vittük fel a katalizátort tartalmazó anyagot itt fémoxid keveréket 74 Pellistor típusú gázérzékelő Air Air+2000ppm CO Air voltage (V) V Active = 11mV V Passive =0.9mV active passive Heater current: 7mA Hotplate temperature: approx C time (s) A CeO 2 alapú katalizátorok funkcionális tesztjei kimutatták, hogy a Pd mentes érzékelők még magasabb hőmérsékleten sem működnek A Pd tartalmú katalizátor keverékek bíztató eredményt hoztak, de a szemcsék mérete kritikus kérdés itt is 37

38 75 voltage (V) 0,016 0,014 0,012 0,010 0,008 0,006 0,004 0,002 0,000-0,002 Pellistor típusú gázérzékelő 4784 ppm 4366 ppm 3925 ppm 3460 ppm 2967 ppm 2449 ppm Air Output voltage (V) Baseline 1890 ppm 1300 ppm 671 ppm Heating power: 13.8mW for one hotplate Gas cycles: - Air - Air+CO time (s) Alumina hordozón 5 m/m% Pt részecskével ismételve a mérést igazoltunk, hogy nem a MEMS szerkezet okozza az alapvető problémát az érzékelésben 76 Pellistor típusú gázérzékelő A katalizátort hordozó anyag hővezetéséből adódó problémát, a katalizátor anyag részecskéinek méretcsökkentését és a katalizátor anyag kontrollálható felvitelének problémáját a fűtőtesteken, lokálisan kialakított pórusos Al 2 O 3 alkalmazásával oldottuk meg Elektrokémiai marással, definiált paraméterek mellett, kontrollált vastagságban és geometriával, valamint azonos porozitással tudunk előállítani pórusos alumina réteget a kívánt helyeken Erre a szerkezetre a Pt vagy Pd nano-részecskék felvitele sokkal egyszerűbb (dispenzer) pl. H 2 PtCl 6 vagy Pd[(NH 3 ) 4 ] 2+ alkalmazásával az aktív fűtőtestre 38