MTA Mőszaki Fizikai és Anyagtudományi Kutatóintézet – MEMS Laboratórium 1121 Budapest, Konkoly - Thege Miklós út 29-33
MEMS Micro – Electro Mechanical Systems Eljárások és eszközök
Pap Andrea Edit
[email protected]
MEMS technológia kialakulása
• ’70-es
évek vége: mikroprocesszorok fejlıdése – olcsó személyi számítógépek kulcstechnológiája
• ’80-as évek vége: olcsó szilárdtest-lézer tömeggyártása internet kommunikáció kulcstechnológiája • ’90-es évek vége: mikrorendszerek fejlesztése érzékelık illesztésének kulcstechnológiája a valósidejő monitorozás és vezérlés számára
MEMS eszköz: a tranzisztor elektromechanikus analógja • nagy
rendszer – változások vezérlése kis erıkkel • minıségi elınyök a méretcsökkentés révén, új mőködési elvek realizálása • csoportos megmunkálás, az eszközök integrálása akár IC-ben • tetszıleges funkciók társítása; érzékelés, számítás, beavatkozás (aktuálás), vezérlés, kommunikáció • az ezeket megvalósító eszközök integrálása egy rendszerben; erıforrás (telep, tápegység), antenna, érzékelık, beavatkozók • alapvetıen 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.
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. mezıgazdasági munkagépben a munkabeállítás vezérlése, vetımag szelekció méret-, épség-, orientáció-, minıség ellenırzése, válogatás, stb. • autóipar – 56 % pl. motor- és futómő vezérlése, diagnosztika, élet- és menetbiztonság, kényelem, stb.
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 • füstölgı HNO3 és forró HNO3 (feloxidált felület) • RCA tisztítás; 2 lépésben szerves anyagok eltávolítása: NH4OH és H2O2 fémszennyezıdés eltávolítása: HCl és H2O2
MEMS technológiák, eljárások - Oxidáció • Funkciói: • maszkoló réteg • szigetelı réteg • passziváló réteg • Kialakítása: • termikus oxidáció – magas T, oxidatív atmoszféra (O2, H2O) • száraz • nedves • kémiai gızfázisú leválasztás (CVD) • anódos oxidáció (elektrolízis pl. KOH-ban) • plazma oxidáció (RF porlasztás) • Minısítés (pl. C-V mérés, szivárgási áram mérése, stb.): • vastagság / homogenitás • tisztaság
MEMS technológiák, eljárások - Ionimplantáció • Adalékolás, felgyorsított részecskék – ionok, ioncsoportok - szilárd testekbe való belövése. • Funkciója: • diffúziót megelızı leválasztás - predepozíció • p-n átmenetek kialakítása • MOS tranzisztorok • küszöbfeszültségének beállítása • forrás és nyelı területeinek önillesztett kialakítása • amorfizálás, getterezés • felületi réteg mechanikai, elektromos, kémiai, optikai tulajdonságainak megváltoztatása, miközben ezek a térfogati tartományban nem változnak. „ Lokálisan homogén” tulajdonságok kialakítása.
MEMS technológiák, eljárások - Ionimplantáció • Megvalósítása: • nagy vákuumban • ionforrásból kilépı, gyorsított ionok, tömegszeparátoron áthaladva érkeznek a Si felületre • kezelendı felület „söpörtetett” – homogenitás biztosítása • gyorsító feszültség reprodukálható és precízen beállított • kontrollált hımérséklető target • Hatása a szilárd testekre: • az ionok eloszlását számítással, táblázatokból lehet meghatározni, mely alapján a valószínő eloszlás, várható érték megadható • rugalmas / rugalmatlan ütközés • adalékeloszlás nagyjából Gauss eloszlás • rácskárosodás; ponthibák, összetett hibák
MEMS technológiák, eljárások - Ionimplantáció
• Implantált ionok újraelosztása hıkezeléssel • rácskárosodás megszüntetése • az adalék elektromos aktiválása
Az ion és a meglökött atomok pályája
MEMS technológiák, eljárások – Vékonyréteg leválasztás • Követelmények: • egyenletes eloszlás a teljes szubsztráton • azonos összetétel • azonos szerkezet; azonos fizikai, kémiai tulajdonságok • tömörség; szivacs vs. réteg, tőlyuk • tapadás • kis termomechanikai feszültség • lépcsıfedés • speciális követelmények; súrlódás, nedvesítés, biokompatibilitás • gazdaságosság
MEMS technológiák, eljárások – Vékonyréteg leválasztás • Alkalmazás: • félvezetı gyártástechnológia • Mikro-elektromechanikai rendszerek • hıvezetı bevonatok • napelemek • optikai alkalmazások (szőrık, rácsok, antireflexiós rétegek, stb.) • kopásálló bevonatok (szerszámok, optikai elemek, humán protézisek, stb.) • korrózióálló bevonatok • dekorációs bevonatok
MEMS technológiák, eljárások – Vékonyréteg leválasztás • Elıállítás: • 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 …)
MEMS technológiák, eljárások – Vékonyréteg leválasztás • CVD • A szilárd terméket eredményezı kémiai reakció csak a felületen megy végbe! • Metódus: • transzport a felületre • adszorbció • migráció – vándorlás a felületen; adszorpció – deszorpció • kemiszorpció • kémiai reakció • deszorpció • transzport a felületrıl • Sebesség-meghatározó lépés • transzport – reagens, ill. termék (PACVD) • kémiai reakció (LPCVD, PECVD) • kemiszorpció (ALD)
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 • Jellemzı • 1 – 500 µm • Si kristály vastagsága 380 – 500 – 1000 µm
MEMS technológiák, eljárások – Si micromachining: Si 3D megmunkálása
• Felületi mikromechanika • felületi vékonyrétegekbıl • 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 elérhetı a felületi mikromechanika mérettartománya tömbi Si-ban
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
MEMS technológiák, eljárások – Si micromachining: Si 3D megmunkálása • Tömbi mikromechanika eljárásai: • Si elektrokémiai marása – pórusos Si kialakítása • dópoltság mértéke meghatározza a kialakuló réteg fizikai minıségét, homogenitása jó • elektrolit koncentrációja, áramsőrőség, marási idı beállításával tervezhetı 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
MEMS technológiák, eljárások – Si micromachining: Si 3D megmunkálása • Tömbi mikromechanika eljárásai: • Si elektrokémiai marása – pórusos Si kialakítása • Funkciója: • feláldozandó réteg – elıállítás, szelektív kioldás pl. üreg, membrán kialaításakor • funkcionális szerkezeti réteg • hıszigetelı • érzékelı (nagy fajlagos felület) • katalizátor (érzékenyített felület) • SiO2-ban n-Si szigetek kialakítása • optikai elem pl. szőrı, rezonátor, hullámvezetı
MEMS technológiák, eljárások – Si micromachining: Si 3D megmunkálása
• Tömbi mikromechanika eljárásai: • nagy sőrőségő plazmamarók (HDPE, DRIE) • mély árkok kialakítása reaktív ionokkal • ciklikus marás – passziválás folyamat passziválás: n C4F8 → 4n CF2 marás: SF6 → F + ionok • enyhén anizotróp marás → függıleges falak kialakítása
MEMS technológiák, eljárások – Rétegeltávolítás • Nedves és száraz (plazma) marás • Követelmény (mindkét esetben): • egyenletesség • szelektivitás • marási sebesség kontrollja • reprodukálhatóság • megfelelı 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”
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)
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 függı → 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
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
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
MEMS technológiák, eljárások – Fotolitográfia
• Ábrakészítés, mintázat átvitel • kontakt • proximity • projekciós • Fotolakk optikai tulajdonságai • monokromatikus fénnyel való exponálás esetén állóhullámok keletkeznek • a hatás csökkenthetı, eliminálható több hullámhosszat tartalmazó fényforrás alkalmazásával utóhıkezeléssel
MEMS technológiák, eljárások – Fotolitográfia
• Fotolakk kémiája • általában pozitív fotolakkot alkalmaznak az IC iparban, mert nem változtatja az alakját az elıhívásnál alkalmas nagy felbontásra ellenáll a plazma – mőveleteknek negatív lakkok általában mérgezıek • komponensei vízben oldódó, fényérzékeny fenol alapú filmképzı polimer fényérzékeny, vízben való oldást gátló makromolekula oldószer elegy (szerves)
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
MEMS technológiák, eljárások – Fotolitográfia • Fotolitográfiai mőveletsor • felület elıkészítése – lásd kémiai tisztítás • lakkfelvitel – porszennyezés kizárása → tisztatéri körülmények! – homogén rétegvastagság • lakkszárítás – oldószer eltávolítása 90 – 100 ˚C-on – lakkvastagság csökken 25 %-al • exponálás, elıhívás – az elıhívó 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, füstölgı HNO3 -ban
MEMS technológiák, eljárások – egy példa a sok közül; Bolometer
Silicon substrate
Bolometer - Nitrid leválasztás
Silicon substrate SixNy = 1.5 µm
Bolometer - Al leválasztás
Silicon substrate
Al = 0.5 µm
SixNy = 1.5 µm
Bolometer – Bolomeander maszk litográfiája
Silicon substrate
Al = 0.5 µm
SixNy = 1.5 µm
Photoresist
Bolometer – Al marás
Silicon substrate
Al = 0.5 µm
SixNy = 1.5 µm
Photoresist
Bolometer – Ti – Pt porlasztás
Silicon substrate
Al = 0.5 µm
Ti = 300 Å
SixNy = 1.5 µm
Photoresist
Pt = 2500 Å
Bolometer – Lift-off és Al marás
Silicon substrate
Ti = 300 Å
SixNy = 1.5 µm
Pt = 2500 Å
Bolometer – Al leválasztás
Silicon substrate SixNy = 1.5 µm
Al = 1 µm
Bolometer – Kontakt litográfia omikus kontaktusok kialakítására
Silicon substrate
Al = 1 µm
SixNy = 1.5 µm
Photoresist
Bolometer – Al marás
Silicon substrate
Al = 1 µm
SixNy = 1.5 µm
Photoresist
Bolometer – Pt leválasztás
Silicon substrate
Al = 1 µm
SixNy = 1.5 µm
Photoresist
Pt = 3000 Å
Bolometer – Lift – off és Al marás
Silicon substrate SixNy = 1.5 µm
Pt
Bolometer – Elıoldali védelem fotolakkal
Silicon substrate
Pt
SixNy = 1.5 µm
Photoresist
Bolometer – Bolomemrán maszk kialakítása a hátoldalon
Silicon substrate SixNy = 1.5 µm
Photoresist
Bolometer - Nitrid marás a mintázat elıhívására
Silicon substrate
Photoresist
SixNy = 1.5 µm
Bolometer – Al leválasztás védelem/maszkolás céljából
Silicon substrate SixNy = 1.5 µm
Al = 0.3 µm
Bolometer – Bolomemrán maszk kialakítása a hátoldalon
Silicon substrate
Al = 1 µm
SixNy = 1.5 µm
Photoresist
Bolometer – Al marás
Silicon substrate
Al = 1 µm
SixNy = 1.5 µm
Photoresist
Bolometer – Nitrid marás
Silicon substrate
Al = 1 µm
SixNy = 1.5 µm
Photoresist
Bolometer – reziszt eltávolítása és Al marás
Silicon substrate SixNy = 1.5 µm
Bolometer – hıkezelés
Silicon substrate SixNy = 1.5 µm
Bolometer – KOH marás
Silicon substrate SixNy = 1.5 µm
Bolometer – Shadow maszk alkalmazása
Silicon substrate SixNy = 1.5 um
Bolometer – Wolfram porlasztás
Silicon substrate SixNy = 1.5 µm
Wolfram
MEMS eszközök - Tapintás érzékelı
Piezorezisztív híd egy korábbi, 2 × 2-es érzékelıben
MEMS eszközök - Tapintás érzékelı 8 × 8 –as érzékelı hálózat CMOS technológiával kialakított kiolvasó áramkörrel
MEMS eszközök - Tapintás érzékelı
MEMS eszközök - Tapintás érzékelı
MEMS eszközök - Tapintás érzékelı Ami már megvalósult TactoPad TactoPad 2x2 TactoFlex 2x2
TactoScope 2x1
TactoPad 8x8
MEMS eszközök - Tapintás érzékelı Funkcionális vizsgálatok
MEMS eszközök - Tapintás érzékelı TactoLogic Ltd. Ltd.
www.tactologic.com
MEMS/NEMS eszközök - Tapintás érzékelı nano-ban ZnO nanorudak elıállítása 1. 1.
Hıkezelés
Felületkezelés
T=1050°C; t=12 h; c/2 lépcsık O2 atmoszféra
2. Fémleválasztás 3. Elektronsugaras litográfia
Zn-kel borított oldal
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
O-nel borított oldal c lépcsık
MEMS / NEMS eszközök - Tapintás érzékelı Rendezett ZnO nanorúd struktúrák
Hossz: Hossz: Távolsá volság a szá szálak kö között: tt: Átmé tmérı:
L= 500 nmnm-2 µm Λ= 150– 150–600 nm D= 6565-350 nm
MEMS / NEMS eszközök - Tapintás érzékelı ZnO nanrúdból C1
C3
F
C2
Piezoelektromos tulajdonsága folytán alkalmas a ZnO irány – szelektív erımérésre.
MEMS eszközök – Magas hımérsékleten mőködı gázérzékelı • Pellisztor Éghetı gázok meghatározása magas hımérsékleten katalizált elégetésük során képzıdött hı mérésével. T=300-550 oC • Alkalmazás Biztonságtechnika: robbanásveszélyes gázelegyek (alsó robbanási határértékek) kialakulásának jelzése ARH H2:4%, CH4:5.3%, C4H10:1.5%, C6H6:1.6%, 20%, 40%, 100% mérendı • Speciális követelmények Távadó szabványoknak megfelelı érzékelı és mőködtetı elektronika: kis teljesí teljesítmé tmény, robbaná robbanás-biztos felépítés • Megoldás Mikromérető eszköz
MEMS eszközök – Gázérzékelı 600
Pt főtıszál
500
Hımérséklet [oC]
SiNx
100µm
400 PS unsupported support ed
300
200
100
0
800
0
5
Idı [ms]
10
15
700
o
T ( C)
b
600 500 400 300 200 100 0
a
0
5
10
15
20
Teljesítmény(mW)
25
30
T vs.P karakterisztika a Pt Tk-bıl számolva és mikro olvadáspont mérésekkel hitelesítve
MEMS eszközök – Gázérzékelı Az aktív és a referencia elem kialakítása saját főtéssel ref. H2[PtCl6]
8 75%LEL
6
40%LEL
4 20%LEL
2 0 0
100
200
300 Time (min)
400
500
600
Heat-conductivity type sensor responses for methane ( 506 oC)
140 120 100 80 60 40 20 0
75%LEL 1.39%LEL
Out of balance voltage (mV)
Integrált gázérzékelı: mikropelleisztorok és hıvezetıképességi szenzorok
Out of balance voltage (mV)
MEMS eszközök – Gázérzékelı
40%LEL 0.7%LEL
20%LEL 0.35% LEL
30
40
50 60 Time (min)
70
Pt-Pellistor responses, propane, 18.2mW ( 585oC)
80
Minden érdeklıdést szívesen fogadunk! • TDK, nyári gyakorlat, diploma téma •Tapintás- és gázérzékelı • chipek minısítése, technológia: Ádám Antalné -
[email protected] • szoftver-fejlesztés: Vásárhelyi Gábor –
[email protected] • Nano tapintásérzékelı – ZnO mintapreparáció, szimuláció (Ansys) • Volk János –
[email protected] • MEMS eszközök tervezése, Ansys modellezése • Fürjes Péter –
[email protected] • Minták vizsgálata, minısítése pásztázó elektron mikroszkóppal (SEM) • Tóth Attila Lajos –
[email protected]
