MEMS Micro Electro Mechanical Systems Eljárások és eszközök

Átírás

1 1 MTA EK 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 pap@mfa.kfki.hu

2 Mindenkinél legyen személyi igazolvány! 2

3 3 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

4 4 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.

5 5 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.

6 6 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

7 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 7

8 8 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.

9 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 9

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

11 11 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

12 12 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

13 13 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 )

14 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

15 15 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

16 16 MEMS technológiák, eljárások Si micromachining: Si 3D megmunkálása 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 alkalmazás Felületi mikromechanika felületi vékonyrétegekből amorf vagy polikristályos membrán 2-3 µm üreg

17 17 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

18 18 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

19 19 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

20 20 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

21 21 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

22 MEMS technológiák, eljárások Si micromachining: Si 3D megmunkálása 22

23 23 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)

24 24 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

25 25 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

26 26 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

27 27 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

28 28 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)

29 29 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

30 30 MEMS technológiák, eljárások 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

31 A MOS tranzisztor készítéséhez használt maszkok 31

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

33 33

34 34

35 35 TactoPad 2x2 TactoFlex 2x2 TactoScope 2x1 TactoPad 8x8

36 1. 2. MEMS/NEMS eszközök - Tapintás érzékelő nano-ban Felületkezelés Fémleválasztás ZnO nanorudak előállítása 1. Hőkezelés T=1050 C; t=12 h; O 2 atmoszféra Zn-kel borított oldal c/2 lépcsők 36 O-nel borított oldal c lépcsők 3. Elektronsugaras litográfia Ionmarás 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

37 37 Hossz: L= 500 nm-2 µm Távolság a szálak között: Λ= nm Átmérő: D= nm

38 38 MEMS/NEMS eszközök - Tapintás érzékelő nano-ban C 1 F C 3 C 2 Piezoelektromos tulajdonsága folytán alkalmas a ZnO irány szelektív erőmérésre.

39 39 MEMS eszközök Piezorezisztív erőmérő Szelet szinten 96,07%-os kihozatal Érzéketlenebb a mechanikai terhelésre 30-40%-kal kisebb alapjel változás a hőmérséklet hatására

40 MEMS eszközök Kapacitív elven működő nyomásmérő 40

41 41 MEMS eszközök Mikrofluidikai rendszerekbe integrálható mikro-plazmegenerátorok Szerkezetkialakítás: Üveg hordozók (átlátszóság) 1 µm vastag Al elektródák 10 µm-es elektródaközök 2 µm vastag PSG szigetlő 30 µm mély csatornák Üveg-üveg anódos kötése (köztes porlasztott Si réteggel)

42 42 MEMS eszközök Mikrofluidikai rendszerekbe integrálható mikro-plazmegenerátorok Eszköz tesztelése: Fluidikai adapter a gáz és elektromos csatlakozások kezelésére Nagyfeszültségű tápegység (13 khz) 1 atm. nyomású Ne gáz

43 43 MEMS eszközök Mikrofluidikai rendszerekbe integrálható mikro-plazmegenerátorok PDMS alapú kapilláris pumpa lokális felületmódosítása levegő plazmával Upp~600V / 13 khz 1 atm. levegő 60 sec időtartam

44 44 MEMS eszközök Taguchy és pellistor típusú gázérzékelők Nem perforált membránon alakítottunk ki Pt mikro-fűtőtesteket A két eltérő érzékelési mechanizmusnak megfelelően több féle katalizátor anyagot alkalmazhatunk

45 45 Taguchy típusú gázérzékelő Output voltage (V) 0,016 0,014 voltage (V) 0,012 0,010 0,008 Baseline 4784 ppm 4366 ppm 3925 ppm Heating power: 3460 ppm 13.8mW for one hotplate 2967 ppm Gas cycles: 2449 ppm - Air - Air+CO 1890 ppm 0, ppm 671 ppm 0,004 0,002 0,000-0,002 Air time (s) Pellistor típusú gázérzékelő