Szeletkötés háromdimenziós mikroszerkezetekhez

Hasonló dokumentumok
MIKROELEKTRONIKAI ÉRZÉKELİK I

Textíliák felületmódosítása és funkcionalizálása nem-egyensúlyi plazmákkal

Doktori (Ph.D.) értekezés

ENIAC SE2A ENIAC CAJAL

SZENZOROK ÉS MIKROÁRAMKÖRÖK

Moore & more than Moore

MW-PECVD GYÉMÁNTRÉTEG NUKLEÁCIÓJA ÉS NÖVEKEDÉSE KÜLÖNBÖZŐ HORDOZÓKON. Ph.D. értekezés tézisfüzet

Immunkomplexek által elindított gyulladási folyamatok követésére alkalmas mikrofluidikai rendszer fejlesztése

Fényérzékeny amorf nanokompozitok: technológia és alkalmazásuk a fotonikában. Csarnovics István

Mozgáselemzés MEMS alapúgyorsulás mérőadatai alapján

MTA AKI Kíváncsi Kémikus Kutatótábor Kétdimenziós kémia. Balogh Ádám Pósa Szonja Polett. Témavezetők: Klébert Szilvia Mohai Miklós

Új típusú anyagok (az autóiparban) és ezek vizsgálati lehetőségei (az MFA-ban)

Klórbenzol lebontásának vizsgálata termikus rádiófrekvenciás plazmában

Patkó Dániel. Tézisfüzet. Pannon Egyetem Molekuláris- és Nanotechnológiák Doktori Iskola

ZÁRÓJELENTÉS. Aktuálási elvek mozgó 3D mikroszerkezetekben (F 61583) (2006. január 1-től január 31-ig)

Mikrohullámú abszorbensek vizsgálata

PhD DISSZERTÁCIÓ TÉZISEI

MEMS, szenzorok. Tóth Tünde Anyagtudomány MSc

A Dräger PEX 1000 egy 4-20 ma távadó modul, amelyik a Dräger Polytron SE Ex DD szenzor fejek mv jeleit ma jelekké alakítja, és elküldi őket a

János Radó MTA EK MFA MEMS labratory. Third semester

János Radó MTA EK MFA MEMS labratory. Fourth semester

Mikrohullámú abszorbensek vizsgálata 4. félév

A jövő anyaga: a szilícium. Az atomoktól a csillagokig február 24.

MEMS TECHNOLÓGIÁK MEMS-EK ALKALMAZÁSI PÉLDÁI

Hiszterézis: Egy rendszer kimenete nem csak az aktuális állapottól függ, hanem az állapotváltozás aktuális irányától is.

Mérés és adatgyűjtés

Plazmasugaras felülettisztítási kísérletek a Plasmatreater AS 400 laboratóriumi kisberendezéssel

TELJES PUBLIKÁCIÓS LISTA FÜRJES PÉTER (2014. március)

MIKRO- ÉS NANOTECHNIKA II

SZENZOROK ÉS MIKROÁRAMKÖRÖK

MEMS eszközök redukált rendű modellezése a Smart Systems Integration mesterképzésben Dr. Ender Ferenc

Intelligens és összetett szenzorok

SZENZOROK ÉS MIKROÁRAMKÖRÖK 9. ELŐADÁS: MECHANIKAI ÉRZÉKELŐK I: NYOMÁS ÉS ERŐÉRZÉKELŐK

DIGIT. ÁRAMLÁSÉRZÉKELŐ

Programozható vezérlő rendszerek. Elektromágneses kompatibilitás II.

Koherens lézerspektroszkópia adalékolt optikai egykristályokban

Tapintásérzékelés és. Analogikai Algoritmusok

Mikrohullámú abszorbensek vizsgálata

Az alábbiakban röviden összefoglaljuk, hogy a tudományos iskola milyen eredményeket ért el az OTKA projekt 5 vizsgált területén.

Digitális mikrofluidika THz-es képalkotáshoz

M2037IAQ-CO - Adatlap

Egyéni munkabeszámoló (2012. január 1-től december 31-ig)

Fé nyké pék, á brá k Szábá lyozott ho mé rsé klétét fénntárto égé szsé gü gyi észko z

XXI. Nemzetközi Gépészeti Találkozó - OGÉT 2013

SOIC Small outline IC. QFP Quad Flat Pack. PLCC Plastic Leaded Chip Carrier. QFN Quad Flat No-Lead

Anyagvizsgálati módszerek Elemanalitika. Anyagvizsgálati módszerek

Felületmódosító eljárások

A polimer elektronika

Kísérleti üzemek az élelmiszeriparban alkalmazható fejlett gépgyártás-technológiai megoldások kifejlesztéséhez, kipróbálásához és oktatásához

Mikroelektromechanikai szerkezetek szilárdsági és megbízhatósági vizsgálata

HIGANYMENTES DBD FÉNYFORRÁSOK FEJLESZTÉSE. Beleznai Szabolcs. Témevezet : Dr. Richter Péter TÉZISFÜZET

Ipari kondenzációs gázkészülék

BÍRÁLAT. Kállay Mihály Automatizált módszerek a kvantumkémiában című MTA doktori értekezéséről.

Különböző öntészeti technológiák szimulációja

PhD beszámoló. 2015/16, 2. félév. Novotny Tamás. Óbudai Egyetem, június 13.

ANYAGTUDOMÁNY ÉS TECHNOLÓGIA TANSZÉK Fémek technológiája

Miskolci Egyetem GÉPÉSZMÉRNÖKI ÉS INFORMATIKAI KAR. Osztályozási fák, durva halmazok és alkalmazásaik. PhD értekezés

Nanofizika, nanotechnológia és anyagtudomány

HŐÁTVITEL SZILÍCIUM MIKROGÉPÉSZETI SZERKEZETEKBEN

Az elektromágneses tér energiája

ÉRZÉKELŐK TRANSDUCERS, SENSORS, ACTUATORS SZABÁLYOZÓ RENDSZER BEAVATKOZÓK A FOLYAMATSZABÁLYOZÁS VÁZLATA. Dr. Pődör Bálint

Fürjes Péter MTA Természettudományi Kutatóközpont MEMS Lab és Papp Krisztián MTA-ELTE Immunológia Kutatócsoport

Villamosipari anyagismeret. Program, követelmények ősz

ÜZEM ALATTI RÉSZLEGES KISÜLÉS MÉRÉS. AZ AKTIVITÁS VÁLTOZÁSAINAK MEGFIGYELÉSE Tuza János (Diagnostics Kft.)

Szilícium alapú mikrofluidikai eszközök és rendszerek kidolgozása és vizsgálata

GALAKTURONSAV SZEPARÁCIÓJA ELEKTRODIALÍZISSEL

Jegyzetelési segédlet 8.

DIPLOMAMUNKA TÉMÁK AZ MSC HALLGATÓK RÉSZÉRE A SZILÁRDTEST FIZIKAI TANSZÉKEN 2018/19.II.félévre

Bodnár István PhD hallgató Miskolci Egyetem Sályi István Gépészeti Tudományok Doktori Iskola

VIII. BERENDEZÉSORIENTÁLT DIGITÁLIS INTEGRÁLT ÁRAMKÖRÖK (ASIC)

Corvus Aircraft Kft Tervezési, gyártási technológiák. Győr, április 16.

PLATTÍROZOTT ALUMÍNIUM LEMEZEK KÖTÉSI VISZONYAINAK TECHNOLÓGIAI VIZSGÁLATA TECHNOLOGICAL INVESTIGATION OF PLATED ALUMINIUM SHEETS BONDING PROPERTIES

Mechanikai érzékelők II. Szenzorok

Baris A. - Varga G. - Ratter K. - Radi Zs. K.

SZENZORFÚZIÓS ELJÁRÁSOK KIDOLGOZÁSA AUTONÓM JÁRMŰVEK PÁLYAKÖVETÉSÉRE ÉS IRÁNYÍTÁSÁRA

Nagynyomású csavarással tömörített réz - szén nanocső kompozit mikroszerkezete és termikus stabilitása

A hatékony mérnöki tervezés eszközei és módszerei a gyakorlatban

OTKA beszámoló

ÁLTALÁNOS METEOROLÓGIA 2.

Az Integrált Mikro/Nanorendszerek Nemzeti Technológiai Platform létrehozása és működése

Távvezetéki szigetelők, szerelvények és sodronyok diagnosztikai módszerei és fejlesztések a KMOP számú pályázat keretében Fogarasi

PhD témakiírás Villamosmérnöki Doktori Iskola

Mikrohullámú abszorbensek vizsgálata

3. (b) Kereszthatások. Utolsó módosítás: április 1. Dr. Márkus Ferenc BME Fizika Tanszék

Korszerű mérőeszközök alkalmazása a gépszerkezettan oktatásában

József Attila Gimnázium és Eü. Szakközépiskola spec. mat.

Készítette: Geda Dávid

Sokcsatornás DSP alapú, komplex elektromos impedancia mérő rendszer fejlesztése

MÓDOSÍTOTT RÉSZLETEZŐ OKIRAT (1) a NAH /2015 nyilvántartási számú 1 akkreditált státuszhoz

Anyagvizsgálati módszerek

TANMENET FIZIKA. 10. osztály. Hőtan, elektromosságtan. Heti 2 óra

Innocity Kft. terméktervezés, szerszámtervezés öntészeti szimuláció készítés / 7 0 / w w w. i n n o c i t y.

Méréstechnika. Hőmérséklet mérése

Elektrotermikus mikrorendszerek modellezése és karakterizációja

Szívbetegségek hátterében álló folyamatok megismerése a ciklusosan változó szívélettani paraméterek elemzésén keresztül

Hidrogénezett amorf Si és Ge rétegek hőkezelés okozta szerkezeti változásai

Multi-20 modul. Felhasználói dokumentáció 1.1. Készítette: Parrag László. Jóváhagyta: Rubin Informatikai Zrt.

A Paksi Atomerőmű üzemidő hosszabbításához. kábelek üzemzavari minősítő vizsgálata

Szakmai önéletrajz szeptember 1.- MTA-ME Anyagtudományi Kutatócsoport Miskolci Egyetem, Anyagtudományi Intézet tudományos segédmunkatárs

Átírás:

Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Villamosmérnöki Tudományok Doktori Iskola, Mikroelektronika és Technológia Szakmacsoport Magyar Tudományos Akadémia, Energiatudományi Kutatóközpont, Műszaki Fizikai és Anyagtudományi Intézet, Mikrotechnológia Laboratórium Szeletkötés háromdimenziós mikroszerkezetekhez Doktori (Ph.D.) értekezés tézisfüzete készítette: Kárpáti Tamás témavezető: Dr. Pap Andrea Edit konzulens: Dr. Mizsei János 2015

2

A doktori munka készítésének helye és címe: Magyar Tudományos Akadémia, Energiakutató Központ, Műszaki Fizikai és Anyagtudományi Intézet, Mikrotechnológiai Laboratórium 1121 Budapest, Konkoly Thege Miklós út 29-33, 29B épület. 3

Bevezetés Az MTA EK MFA Mikrotechnológia Laboratóriumában integrált MEMS/NEMS (MEMS Micro-Electro-Mechanical System/NEMS Nano-Electro-Mechanical System) érzékelők, beavatkozók, mikrofluidikai rendszerek kutatása és fejlesztése folyik. A széles spektrumot felölelő, különböző mikrotechnológiai eljárásokat és az ezekhez szükséges berendezéseket tartalmazó sornak szerves része a szeletkötő készülék is. A szeletkötési technológia lehetőséget nyújt háromdimenziós mikroszerkezetek kialakítására. Szeletkötéssel kiegészítve a tömbi- vagy felületi mikromechanikát, lehetségessé válik összetettebb geometriájú szenzorok, vagy éppen mikrofluidikai csatornahálózatok megvalósítása is. Munkámban alapvető célom volt a MEMS gyártástechnológiában felmerülő szeletkötési eljárások kutatásfejlesztése, alkalmazásukkal és optimalizálásukkal, részben konkrét alkalmazási feladatok megoldása, illetve új eszközök és technológiák kidolgozása és megvalósítása. A dolgozatban többek között egy új, hibrid kötési technológiát ismertetek, amelyben anódos és fémdiffúziós szeletkötést alkalmaztam egyidejűleg, ezzel hoztam létre mechanikai és elektromos kötést két, a célnak megfelelő szelet között. A hibrid kötés alkalmazását egy 3D erőmérő szenzor megvalósításával demonstrálom, kitérve elektromos, mechanikai, termikus tulajdonságaira és az új szeletkötési technológia azokra gyakorolt előnyös hatásaira. A szeletkötés közben a berendezésben lejátszódó folyamatok in-situ követésére kifejlesztettem az anódos kötést a művelet közben folyamatosan monitorozó mérési eljárást. Ez a módszer valósidejű információkat szolgáltat a kötés során kialakuló elektrosztatikus erő nagyságáról, melynek ismerete pontosabb és gyorsabb folyamatoptimalizálásra ad lehetőséget. 4

Munkám során felismertem, hogy a mikrofluidikai rendszerekben sok előnnyel járhat mikroplazma lokális alkalmazása. Ez motivált abban, hogy mikrofluidikai rendszerekbe illeszthető, felületmódosításra is alkalmas mikroplazma-generátor struktúrát tervezzek, és valósítsak meg szeletkötési eljárás alkalmazásával. Bemutatom ennek két lehetséges alkalmazását is: egy mikroszkopikus méretekben megvalósított lokális kémiai felületmódosítási eljárást dolgoztam ki és egy molekula-emissziós spektroszkópiai vizsgálatokra alkalmas mikrofluidikai reaktorszerkezetet valósítottam meg. 5

A kutatómunka új tudományos eredményei 1. tézis Elektrosztatikus erővel segített alumínium fém fúziós kötési eljárás kidolgozása és minősítése Elsőként dolgoztam ki és optimalizáltam az elektrosztatikus erővel segített alumínium fémdiffúziós szeletkötési eljárást. Bizonyítottam, hogy alkalmazásával megbízható mechanikai és elektromos kötés alakítható ki a szilícium MEMS eszköz és az üveghordozó között. Megmutattam, hogy az általam optimalizált 450 C kötési hőmérséklet, 60 perc kötési időtartam és 1000 V elektromos előfeszítés beállításával kialakuló elektrosztatikus erő a kötésben résztvevő alumínium felületeken roncsolja a natív Al 2 O 3 réteget, így biztosítva a fémdiffúzió feltételeit. [T1, T2] 1.1. altézis 1.2. altézis Szerkezeti vizsgálatokkal és funkcionális mérésekkel bizonyítottam az Al-Al rétegek között létrejövő kötés kialakulását és annak ohmos jellegét. Igazoltam az Al rétegek között a diffúzió létrejöttét, valamint, hogy a határfelületen dominánsan <111> orientációjú kristályszerkezet alakul ki. A kialakított kontaktusok hosszú távú megbízhatóságát ciklikus hőkezelési teszttel bizonyítottam. Igazoltam az eljárás alkalmazhatóságát nyomásmérő és 3D erőmérő mikro-érzékelők kialakításában. A nemlineáris hőmérsékletfüggő nyugalmi kimeneti jel vizsgálatával bizonyítottam a módszer termo-mechanikai feszültséget csökkentő hatását. 6

1. ábra. Al rétegek között kialakított diffúziós kötés eredménye (TEM). 2. ábra. Üveghordozóra kötött 3D erőmérő chip SEM képe. 3. ábra. Üveghordozóra kötött 3D erőmérő chipek. 7

2. tézis Anódos kötés során a szeletek között kialakuló elektrosztatikus erő in-situ mérési módszerének kidolgozása Ipari szeletkötő berendezésbe is integrálható, új in-situ mérési módszert dolgoztam ki az anódos kötés során kialakuló elektrosztatikus erő monitorozására. Ehhez specifikus, Sibórszilikátüveg szeletpáron kialakított teszteszközt terveztem, amely lehetővé teszi a szeletkötés közben az elektrosztatikus erő in-situ mérését. Igazoltam, hogy a kapacitív elven működő mérőstruktúra elektródái között az elektromos potenciál változását mérve valós időben meghatározható az elektrosztatikus erő nagysága. [T3] 2.1. altézis 2.2. altézis A mérési módszert különböző kötési paraméterek (200 C / 400-1000 V; 300 C / 800 V; 400 C / 800 V) mellett alkalmazva, és a mért elektromos jellemzők alapján számított erőértéket alapul véve kísérletileg igazoltam az irodalomban szereplő elméleti számításokon alapuló, a kötési erőre vonatkozó becslések helyességét. Megterveztem és megvalósítottam egy szilícium mikromechanikai technológiával készült tesztstruktúrát, amely a szeletkötő berendezés átalakítása nélkül alkalmas a kötési folyamat in-situ monitorozására. 8

4. ábra. Elektrosztatikus erő in-situ mérésére alkalmas elrendezés sematikus rajza. 5. ábra. Méréshez előkészített szeletpár. 6. ábra. Érzékelőelemeken detektált elektrosztatikus térerősség. 9

3. tézis Mikrofluidikai rendszerekbe integrálható mikroplazmagenerátor tervezése, megvalósítása és kísérleti vizsgálata Megterveztem és elkészítettem egy mikrotechnológiai lépésekkel megvalósítható DBD (dielektrikummal határolt kisülés) mikro-plazmareaktort. Köztes polikristályos szilíciumréteg alkalmazásán alapuló üveg-üveg kötési technológiát dolgoztam ki, amely lehetővé tette az eszköz mikrofluidikai rendszerbe, illetve reaktorba való integrációját. Normál környezeti nyomás és 13 khz frekvenciájú gerjesztés mellett az eszköz alkalmas különböző gázok (levegő, N 2, He, Ar, Ne, CO 2, aceton-gőz) ionizálására és a kialakuló plazma stabil fenntartására, kevesebb, mint 1,07 W/mm 3 teljesítmény-felvétel mellett. [T4, T5] 3.1. altézis A kidolgozott technológia alkalmazásával kis mennyiségű (< 0,75 mm 3 ) gáz/gőz molekula-emissziós spektroszkópiai vizsgálatára alkalmas vákuum-tömör reaktorszerkezet hoztam létre, az eszközt plazmaforrásként integrálva. Az eszköz analitikai célú alkalmazását különböző gázok és gőzök (N 2, He, Ar, Ne, CO 2, acetongőz) fotoemissziós spektroszkópián alapuló vizsgálatával demonstráltam. 10

7. ábra. Megvalósított mikro-plazmagenerátor. 8. ábra. Mikrofluidikai csatornába integrált plazmareaktor részlet (SEM). 9. ábra. A csatornában generált neon plazma. (1 atm Ne, U pp =542 V, f=13 khz, fénykép exponálási ideje: 15 s) 11

Tézisekhez kapcsolódó publikációk [T1] T. Kárpáti, A.E. Pap, Gy. Radnóczi, B. Beke, I. Bársony and P. Fürjes. Reliable aluminum contact formation by electrostatic bonding. J. Micromech. Microeng. 25(075009):1-8, 2015 [T2] T. Kárpáti, S. Kulinyi, R. Végvári, J. Ferencz, A. Nagy, A.E. Pap and G. Battistig. Packaging of a 3-axial Piezoresistive Force Sensor with Backside Contacts. Microsyst. Technol. 20:1063-1068, 2014 [T3] T. Karpati, A. E. Pap, M. Adam, J. Ferencz, P. Furjes, G. Battistig and I. Barsony. Electrostatic force detection during anodic wafer bonding. Sensors, 2012 IEEE, pp.1-4, Oct. 28-31, 2012 [T4] T. Kárpáti, E. Holczer, J. Ferencz, A. E. Pap and P. Fürjes. In-situ surface modification of microfluidic channels by integrated plasma source. Eurosensors 2014 XXVIII, Procedia Engineering 87:484-487, 2014 [T5] T. Kárpáti, I. Bársony and P. Fürjes. Microplasma Chamber for Molecular Emission Spectroscopy. Sensors, 2014 IEEE, pp.1077-1079, 2014 12

Tézisekhez szorosan nem kapcsolódó publikációk [N1] T. Kárpáti, Andrea Edit Pap, Sándor Kulinyi. Prototype MEMS Capacitive Pressure Sensor Design and Manufacturing. Periodica Polytechnica-EE 57(1):3-7, 2013 [N2] S. Kulinyi, R. Vegvari, A. Pongracz, A. Nagy, T. Karpati, M. Adam, G. Battistig, I. Bársony. Flexible packaging for tyre integrated shear force sensor. Sensors, 2012 IEEE, pp.1-4, Oct. 28-31, 2012 [N3] Z. Fekete, P. Furjes, T. Karpati, G. A. B. Gal, I. Rajta. MEMScompatible hard coating technique of moveable 3D silicon microstructures. Material Science Forum 659:147-152, 2010 [N4] Kárpáti Tamás. Szilícium alapú 3 dimenziós erőmérők kialakítása és tokozása: (1. rész). Elektronet, 22(7):36-37, 2013 [N5] Kárpáti Tamás. Szilícium alapú 3 dimenziós erőmérők kialakítása és tokozása: (2. rész). Elektronet, 22(8):28-30, 2013 [N6] Kárpáti Tamás. MEMS Kapacitív Nyomásmérő Kialakítása: (1. rész). Elektronet, 19(5): 20-22, 2010 [N7] Kárpáti Tamás. MEMS Kapacitív Nyomásmérő Kialakítása: (2. rész). Elektronet, 19(6):18-19, 2010 13

14

15