1
MTA TTK Műszaki Fizikai és Anyagtudományi Intézet – MEMS Laboratórium 1121 Budapest, Konkoly - Thege Miklós út 29-33
MEMS Micro – Electro Mechanical Systems Eljárások és eszközök
Csikósné Dr Pap Andrea Edit
[email protected]
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
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; 0.1 – 50 % a chip, 50 – 99 % 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
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 HNO3 és forró HNO3 (feloxidált felület) • RCA tisztítás; 2 lépésben szerves anyagok eltávolítása: NH4OH és H2O2 fémszennyeződés eltávolítása: HCl és H2O2
6
MEMS technológiák, eljárások - Oxidáció
• Funkciói: • maszkoló réteg • szigetelő réteg • passziváló réteg • Kialakítása: • termikus oxidáció – magas T, oxidatív atmoszféra (O2, H2O) • 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
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
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
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
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 • 1 – 500 µm • Si kristály vastagsága 380 – 500 – 1000 µm
7
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 100 – 500 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- + 2 H2O →SiO2(OH)2- + 2 H2 • marási sebesség függ a Si kristály orientációjától és dópoltságától • v<111> << v<100> << v<331> • marásmegállító réteg (orientáció, dópoltság) • ECES marás – elektrokémiai marásmegállítás
8
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 + C2H5OH (esetleg + H2O) • Si + 2 HF + 2+ → SiF2 + 2H+ SiF2 + 4 HF → H2SiF6 + H2 • 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) • SiO2-ban n-Si szigetek kialakítása • optikai elem pl. szűrő, rezonátor, hullámvezető
9
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 C4F8 → 4n CF2 marás: SF6 → 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
21
MEMS technológiák, eljárások – Rétegeltávolítás • Nedves kémiai marás • Si izotróp marása HF–HNO3–CH3COOH = (3:5:3) 80 µm/min, (2:5:15) 5 µm/min 3 Si + 4 HNO3 + 18 HF → 3H2SiF6 + 4 NO + 8 H2O (a HNO3 oxidál, a HF az oxidot oldja) HF:HNO3:H2O = (3:50:20) polikristályos Si marása 0.8 µm/min • Si anizotróp marása szervetlen és szerves lúgokban, lásd 3D megmunkálás • Si3N4 Si3N4 + 18 HF → H2SiF6 + 2 (NH4)2SiF6 3 Si3N4 + 27 H2O + H3PO4 → 4 (NH4)3PO4 + 9 H2SiO3 (140 -160 ˚C)
22
MEMS technológiák, eljárások – Rétegeltávolítás • Nedves kémiai marás • SiO2 SiO2 + 6 HF = H2SiF6 + 2 H2O sebesség a HF (H+, F-, HF2-) koncentrációtól függ pH és T függő → puffer oldatban, állandó pH, azaz állandó HF (H+, F-, HF2-) koncentráció mellett alkalmazzuk HF:NH4F = 10 :1 • Al savban 2 Al + 6 H+ → 2 Al3+ + 3H2 lúgban 2 Al + OH- + 6 H2O → 2 [Al(OH)4]- + 3 H2
11
23
MEMS technológiák, eljárások – Rétegeltávolítás • Száraz kémiai, avagy plazma marás • halogénekkel: F és Cl alapú plazmák • a termék gázhalmazállapotú • Si CF4 plazma, de ebben kicsi a Si marási sebessége csökkenteni kell a CF3* mennyiségét és növelni a F* mennyiségét marógázok: CF4 + O2 (5 – 20%), SiF6 + O2, NF3 • SiO2 CF3* + 3 SiO2 → SiF4 + 2 CO + 2 CO2 csökkenteni kell a F* mennyiségét és növelni a CF3* mennyiségét marógázok: CF4 + H2, CHF3 + H2, C3F8 + H2
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
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
27
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
28
MEMS technológiák, eljárások – Fotolitográfia • Fotolitográfiai műveletsor • felület előkészítése – kémiai tisztítás + vízmentesítés • lakkfelvitel – porszennyezés kizárása → tisztatéri körülmények! – homogén rétegvastagság • lakkszárítás – oldószer eltávolítása 90 – 100 ˚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 O2 plazmában, füstölgő HNO3 -ban
14
29
MOS tranzisztor kialakításának lépései Aktív terület kialakítása Oxidáció, száraz 0,1 µm
30
Aktív terület kialakítása Nitrid leválasztás LPCVD Si3N4 0,1 µm
15
31
Aktív terület kialakítása CVD oxid leválasztás 0,3 µm
32
Aktív terület kialakítása Fotolitográfia, aktív terület
16
33
Aktív terület kialakítása Oxidmarás (CVD oxid)
34
Aktív terület kialakítása Lakkeltávolítás
17
35
Aktív terület kialakítása Nitridmarás
36
Aktív terület kialakítása Oxidmarás
18
37
Aktív terület kialakítása Channel stop implantáció
38
Aktív terület kialakítása Téroxid növesztés, nedves oxidáció (HYOX), 1µm
19
39
Aktív terület kialakítása Nitridmarás
40
Aktív terület kialakítása Oxidmarás
20
41
Gate elektróda kialakítása Gate oxid növesztés, 60 nm
42
Gate elektróda kialakítása Ionimplantáció, küszöb feszültség beállítása
21
43
Gate elektróda kialakítása Poli Si leválasztás LPCVD 0,4 µm
44
Gate elektróda kialakítása Poli Si adalékolása, ionimplantáció
22
45
Gate elektróda kialakítása Fotolitográfia, gate elektróda kialakítása
46
Gate elektróda kialakítása Poli Si marás
23
47
Gate elektróda kialakítása Oxidmarás Source, Drain helyekről
48
Gate elektróda kialakítása Lakkeltávolítás
24
49
Source, Drain elektródák kialakítása Fotolitográfia, n-csatornás S-D helyek kitakarása
50
Source, Drain elektródák kialakítása S-D helyek adalékolása ionimplantációval (önillesztett)
25
51
Body elektróda kialakítása Fotolitográfia, n-csatornás S-D helyek betakarása
52
Body elektróda kialakítása Body kivezetés adalékolása ionimplantációval
26
53
Source, Drain és Body elektródák kialakítása Lakkeltávolítás után az ionimplantált adalékok ”behajtása”
54
Kontaktus ablakok kialakítása CVD oxid leválasztás
27
55
Kontaktus ablakok kialakítása Fotolitográfia, kontaktusablakok helyének kijelölése
56
Kontaktus ablakok kialakítása CVD oxid kimarása
28
57
Kontaktus ablakok kialakítása Lakkeltávolítás
58
Kontaktus ablakok kialakítása Fémezés, Al 1 µm
29
59
Kontaktus ablakok kialakítása Fotolitográfia, fémkivezetések helyének kijelölése
60
Kontaktus ablakok kialakítása Al marás
30
61
Kontaktusok kialakítása Lakkeltávolítás
62
A MOS tranzisztor készítéséhez használt maszkok
31
63
MEMS eszközök - Tapintás érzékelő 8 × 8 –as érzékelő hálózat CMOS technológiával kialakított kiolvasó áramkörrel
64
32
65
66
TactoPad 2x2 TactoFlex 2x2
TactoScope 2x1
TactoPad 8x8
33
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
4.
3.
4. 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= 150–600 nm D= 65-350 nm
34
69
C1
C3
F
C2
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
71
Taguchy típusú gázérzékelő
• •
Laterálisan szelektíven alakítottunk ki pórusos TiO2 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
73
Pellistor típusú gázérzékelő
•
A pellistor aktív fűtőtestére vittük fel a katalizátort tartalmazó anyagot – itt fémoxid keveréket
74
Pellistor típusú gázérzékelő 1.745
voltage (V)
1.740
Air
Air+2000ppm CO
Air
∆VActive= 11mV
1.735
active
1.730 1.725 1.720
∆VPassive=0.9mV
passive
Heater current: 7mA 0 Hotplate temperature: approx. 250 C
2600 2800 3000 3200 3400 3600 3800 4000
time (s) • A CeO2 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
75
Pellistor 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 13.8m W for one hotplate 2967 ppm Gas cycles: 2449 ppm - Air - Air+CO 1890 ppm
0,006
1300 ppm 671 ppm
0,004 0,002 0,000 -0,002
Air 2000 4000 6000 8000 100001200014000
•
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 Al2O3 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. H2PtCl6 vagy Pd[(NH3)4]2+ alkalmazásával az aktív fűtőtestre
38
