MTA Műszaki Fizikai és Anyagtudományi Kutatóintézet – MEMS Laboratórium 1121 Budapest, Konkoly - Thege Miklós út 29-33
MEMS technológia kialakulása
• ’70-es
MEMS Micro – Electro Mechanical Systems Eljárások és eszközök
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
Pap Andrea Edit
[email protected]
MEMS alkalmazási területei - szemelvények
MEMS eszköz: a tranzisztor elektromechanikus analógja 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
•
„civil” fogyasztók – 1 %
•
számítástechnika – 7 %
•
gyógyászat és bio – 8 % pl. mikro-robot, mikro-szonda, labon-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.
• nagy
MEMS eszközök kialakítása, fejlesztése nem csak szisztematikus kutatás eredménye, hanem kreatív, innovatív munka eredménye.
MEMS technológiák, eljárások - Oxidáció
MEMS technológiák, eljárások 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
• • • •
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
1
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.
MEMS technológiák, eljárások - Ionimplantáció
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
MEMS technológiák, eljárások –
Vékonyréteg leválasztás • Implantált ionok újraelosztása hőkezeléssel • rácskárosodás megszüntetése • az adalék elektromos aktiválása
Az ion és a meglökött atomok pályája
• 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
MEMS technológiák, eljárások – Vékonyréteg leválasztás
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 …)
• 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)
2
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
MEMS technológiák, eljárások – Si micromachining: Si 3D megmunkálása • Felületi mikromechanika • felületi vékonyrétegekből • amorf vagy polikristályos membrán • 2 - 3 µm üreg
• Felületi mikromechanika eljárásai •Felületre felvitt rétegekből épít/bont segédréteggel pl. oxid rétegen poliSi leválasztás, majd oxid eltávolítás •
MEMS technológiák, eljárások – Si micromachining: Si 3D megmunkálása
MEMS technológiák, eljárások – Si micromachining: Si 3D megmunkálása
•Tömbi mikromechanika: • Si egykristályban 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 • 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
• 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 tulajdonságai • 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
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
• 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
3
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”
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
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 – 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 • 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 – 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
4
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)
MEMS technológiák, eljárások – Fotolitográfia • Fotolitográfiai műveletsor • felület előkészítése – lásd kémiai tisztítás • 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
Bolometer - Nitrid leválasztás
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 – egy példa a sok közül; Bolometer
Silicon substrate
Bolometer - Al leválasztás
Silicon substrate
Silicon substrate
SixNy = 1.5 µm
SixNy = 1.5 µm
Al = 0.5 µm
5
Bolometer – Bolomeander maszk litográfiája
Bolometer – Al marás
Silicon substrate
Al = 0.5 µm
Silicon substrate
Al = 0.5 µm
SixNy = 1.5 µm
Photoresist
SixNy = 1.5 µm
Photoresist
Bolometer – Ti – Pt porlasztás
Bolometer – Lift-off és Al marás
Silicon substrate
Al = 0.5 µm
Ti = 300 Å
Silicon substrate
Ti = 300 Å
SixNy = 1.5 µm
Photoresist
Pt = 2500 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
6
Bolometer – Al marás
Silicon substrate
Al = 1 µm
SixNy = 1.5 µm
Photoresist
Bolometer – Lift – off és Al marás
Silicon substrate
Pt
SixNy = 1.5 µm
Bolometer – Bolomemrán maszk kialakítása a hátoldalon
Silicon substrate SixNy = 1.5 µm
Photoresist
Bolometer – Pt leválasztás
Silicon substrate
Al = 1 µm
SixNy = 1.5 µm
Photoresist
Pt = 3000 Å
Bolometer – Előoldali védelem fotolakkal
Silicon substrate
Pt
SixNy = 1.5 µm
Photoresist
Bolometer - Nitrid marás a mintázat előhívására
Silicon substrate
Photoresist
SixNy = 1.5 µm
7
Bolometer – Al leválasztás védelem/maszkolás céljából
Silicon substrate
Al = 0.3 µm
SixNy = 1.5 µm
Bolometer – Al marás
Bolometer – Bolomemrán maszk kialakítása a hátoldalon
Silicon substrate
Al = 1 µm
SixNy = 1.5 µm
Photoresist
Bolometer – Nitrid marás
Silicon substrate
Al = 1 µm
Silicon substrate
Al = 1 µm
SixNy = 1.5 µm
Photoresist
SixNy = 1.5 µm
Photoresist
Bolometer – reziszt eltávolítása és Al marás
Bolometer – hőkezelés
Silicon substrate
Silicon substrate
SixNy = 1.5 µm
SixNy = 1.5 µm
8
Bolometer – KOH marás
Bolometer – Shadow maszk alkalmazása
Silicon substrate
Silicon substrate
SixNy = 1.5 µm
SixNy = 1.5 um
Bolometer – Wolfram porlasztás
Silicon substrate
Wolfram
SixNy = 1.5 µm
MEMS eszközök - Tapintás érzékelő
MEMS eszközök - Tapintás érzékelő
Piezorezisztív híd egy korábbi, 2 × 2-es érzékelőben
MEMS eszközök - Tapintás érzékelő
8 × 8 –as érzékelő hálózat CMOS technológiával kialakított kiolvasó áramkörrel
9
MEMS eszközök - Tapintás érzékelő Ami már megvalósult
MEMS eszközök - Tapintás érzékelő
TactoPad 2x2 TactoFlex 2x2
TactoScope 2x1
TactoPad 8x8
MEMS eszközök - Tapintás érzékelő Funkcionális vizsgálatok
MEMS eszközök - Tapintás érzékelő TactoLogic Ltd.
www.tactologic.com
MEMS/NEMS eszközök - Tapintás érzékelő nano-ban ZnO nanorudak előállítása 1. 1.
Hőkezelés
Felületkezelés
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.
Hossz: Távolság a szálak között: Átmérő:
4. Ionmarás 5. Hidrotermális növesztés
MEMS / NEMS eszközök - Tapintás érzékelő Rendezett ZnO nanorúd struktúrák
5.
L= 500 nm-2 µm Λ = 150–600 nm D= 65-350 nm
• Zn(NO3)2⋅6H2O és (CH2)6N4 c=0.004 M; T= 93 °C; t=40 min-4 h
10
MEMS / NEMS eszközök - Tapintás érzékelő ZnO nanrúdból C1
F
C2
C3
Piezoelektromos tulajdonsága folytán alkalmas a ZnO irány – szelektív erőmérésre.
MEMS eszközök – Gázérzékelő
MEMS eszközök – Magas hőmérsékleten működő gázérzékelő • Pellisztor Éghető gázok meghatározása magas hőmérsékleten katalizált elégetésük során képződött hő 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% mérendő • Speciális követelmények Távadó szabványoknak megfelelő érzékelő és működtető elektronika: kis teljesítmény, robbanás-biztos felépítés • Megoldás Mikroméretű eszköz
MEMS eszközök – Gázérzékelő Az aktív és a referencia elem kialakítása saját fűtéssel ref. H2[PtCl6]
Pt fűtőszál SiNx
100µm
b
T vs.P karakterisztika a Pt Tk-ből számolva és mikro olvadáspont mérésekkel hitelesítve
a
MEMS eszközök – Gázérzékelő Minden érdeklődést szívesen fogadunk! Integrált gázérzékelő: mikropelleisztorok és hővezetőképességi szenzorok
• TDK, nyári gyakorlat, diploma téma •Tapintás- és gázérzékelő • chipek minősítése, technológia: Ádám Antalné -
[email protected] • szoftver-fejlesztés: Vásárhelyi Gábor –
[email protected] 75%LEL 40%LEL
20%LEL
• Nano tapintásérzékelő – ZnO mintapreparáció, szimuláció (Ansys) • Volk János –
[email protected] • MEMS eszközök tervezése, Ansys modellezése • Fürjes Péter –
[email protected] • Minták vizsgálata, minősítése pásztázó elektron mikroszkóppal (SEM) • Tóth Attila Lajos –
[email protected]
11
