Metody a materiály pro vytváření mikrosystémů

Metody a materiály pro vytváření mikrosystémů

materiály monokrystaly C, Si, Ge, GaAs, InF skla vícefázové systémy polykrystalické a amorfní látky porézní látky kompozity

materiály prvky Si, Ge, C, Cu, Al, Ni, Cr, Au, Pt oxidy SiO2, Al2O3, K2O, Na20, Li2O, CaO, MgO karbidy, nitridy, arsenidy, fosfidy polymery

materiály polymery polyolefiny, polyetylén, polypropylén polystyrén - PS polyamidy polymetylmetakrylát - PMMA polykarbonát polyvinylidenfluorid polytetrafluoretylén - TEFLON polyetereterketon - PEEK epoxidy kaučuky silikonové elastomery polydimetylsiloxan - PDMS

Materiály pro mikrotechnologie

Materiály pro konstrukci mikrozařízení Monokrystaly Křemík

Sklo

» různé typy » má zásadní význam v mikrotechnologiích, » oxid křemičitý s příměsí dalších oxidů » Foturan – fotocitlivé sklo s přídavkem zejména v mikroelektronice oxidů ceru, antimonu a stříbra » vynikající fyzikální vlastnosti – tvrdost, Youngův modul, pevnost v tahu » není transparentní Keramika » elektricky vodivý Nejčastěji alumina Al2O3 » nízká chemická odolnost » není transparentní Další (již méně významné) » problematická výroba » GaAs jemných struktur » SiO2 – vykazuje piezoelektrický efekt » chemicky odolná » mechanická stabilita » nízká tepelná vodivost Kovy » nízká teplotní roztažnost » obtížné vytváření 3D struktur » vytváří aktivní vrstvy, mikrokomponenty, elektrody BeO » vysoká tepelná vodivost » prach je toxický (místo BeO často AlN)

Křemík:

Sklo:


Materiály pro konstrukci mikrozařízení – sklo Amorfní materiál na bázi oxidu křemičitého, používaný zejména pro chemické, biochemické a biologické aplikace mikrotechnologií Některé vlastnosti skla • transparentní

• pevné • chemicky i biologicky inertní • elektricky nevodivé Nevýhody • křehké • obtížné spojení s jinými materiály

• nesnadno opracovatelné

www.mikroglas.com


Materiály pro konstrukci mikrozařízení – polymery » nízká tvrdost a teplotní stabilita » v některých případech nízká chemická odolnost » použití plastů různé kvality

» jsou levné

Standardní plasty PVC, PE, PP, PS, PMMA

Speciální plasty PSU – polysulfonáty PEEK – polyetereterketon PI – polyimidy LCP – kapalné krystalické polymery

Technické/inženýrské plasty zlepšené mechnické, tepelné a elektrické vlastnosti PET - polyetylentereftalát PBT - polybutylentereftalát PA - polyamidy PC - polykarbonáty POM - ployoxymetylén ....

Polymer - polymetylmetakrylát

+

Polymer - polykarbonát

bis-fenol

fosgen

polykarbonát

procesy ubírání materiálu přidávání materiálu přetváření materiálu lepení, spojování, sestavování

nástroje fotony elektrony atomy molekul makročástice hroty břity

přidávání materiálu mechanické nanášení tisk, kontaktní, bezkontaktní nástřik, sítotisk kladení drátů, kapek, vláken fyzikální nanášení – PVD “physical vapor deposition” za tepla – napařování ve vakuu – naprašování chemické nanášení v kapalné nebo plynné fázi za tepla – oxidace, nitridizace ve vakuu – CVD “chemical vapor deposition” elektrochemické nanášení katodické pokovování, elektrodepozice, Ni, Cu, Au anodická oxidace

Technologie vytváření mikrostruktur

Nanášení tenkých vrstev Fyzikální mechanismus = Physical Vapour Deposition (PVD) » naprašování (sputtering) – na substrátu kondenzují částice, které byly uvolněny pomocí iontů s vysokou energií » napařování (evaporating) – kondenzací nanášeného materiálu v plynné fázi na studený substrát Oxidace Si na SiO2 » přímo na povrchu Si dochází k reakci s O2 nebo H2O2

schéma oxidační pece

Physical Vapor Deposition (PVD) 1. Evaporation (napařování) Deposition is achieved by evaporation or sublimation of heated metal onto substrate. This can be done either by resistance heating or by electron-beam (e-beam) bombardment.

Thermal Evaporator

(3) Metal evaporator Thermal Evaporation: Heater (coil)

E-beam Evaporation

Cruicible: heated up High Vac

Mech Vac

Cooling water (<100 C)

Electromagnetic lens -scan electron beam -focus or defocus

Physical Vapor Deposition (PVD) 2. Sputtering (naprašování) Sputtering is achieved by accelerated ion of inert gas (Ar+) by DC or RF drive in plasma through potential gradient to bombard metallic target. Then the targeting material is sputtered away and deposited onto substrate placed on anode.

(4) Sputtering (Al, Ti, W, etc…) (a) Mechanism: physical bombardment of energetic ions (Ar+)

Metal (cathode)

Ar+

•Sputtering yield: metal atoms generated by 1 Ar ion •Sputter etching: wafer cathode, cleaning oxide before etching

(b) Characteristics: •Lower vacuum (100 Pa) : mean free path ~ 50 um •Very good step coverage (preferred in IC process) •Better contact / stiction •Gas (Ar) trapped in the film

Introduction to Microelectronic Fabrication (Jaeger)

Additive Processes Physical Vapor Deposition (PVD)

Chemical Vapor Deposition (CVD) Materials deposited Polysilicon silicon nitride (Si3N4) silicon oxide (SiOx) silicon carbide (SiC) etc. How does CVD Work? Gaseous reactants are introduced into chamber at elevated temperatures. Reactant reacts and deposits onto substrate. Types of CVD LPCVD (Low Pressure CVD) PECVD (Plasma Enhanced CVD)

Features CVD results depend on pressure, gas, and temperature CVD can be diffusion or reaction limited Varies from film composition, crystallization, deposition rate and electrical and mechanical properties

Chemical Vapor Deposition (CVD)


Galvanické pokovování (Electroplating) nanášení kovových materiálů na obráběný kus (Ni, Cu, permalloy,..) » substrát do elektrolytické lázně, kde působí jako katoda (aby se zaručila vodivost, často se nanáší vrstvička z vodivého materiálu, např. Au)

senzor s galvanicky nanesenými cívkami

zařízení na galvanické pokovování

ubírání materiálu vakuové operace: sublimace, odprášení, iontové mletí, leptání plazmou chemické odleptání za mokra anodická oxidace odjiskřování laserové odpařování – tepelný účinek laseru laserová ablace – silový účinek laseru ubírání třísek, vrtání, frézování, soustružení, řezání broušení a leštění pískování kartáčování


Suché leptání (dry etching) » tok chemicky reaktivního ionizonovaného plynu (plazmatu) přes masku na substrát různé druhy: » leptání použitím plazmatu (plasma etching) » iontové leptání (reactive ion etching) » hluboké iontové leptání (deep ion etching)

Leptání křemíku » masky z SiO2, Si3N4 nebo fotorezistů » většinou fluorové nebo chlorové plazma » rychlost leptání 10 mm/min zařízení pro leptání plazmatem

Subtractive Processes Dry Etching Plasma Etching

Reaction Mechanism Produce reactive species in gas-phase Adsorption, and diffuse over the surface

Reactive species diffuse to the solid Reaction Desorption Diffusion


Anizotropní mokré leptání (Anisotropic Wet Etching) » substrát do roztoku, ve kterém dochází k leptání » u krystalických substrátů (např. Si) je rychlost leptání závislá na krystalografických rovinách – dutiny se vytváří podél určitých rovin » leptací činidla se liší dle leptaného materiálu, např. KOH, EDP – etylendiaminpyrotechol, TMAH – tetrametylamonium hydroxid

zařízení na anizotropní leptání za mokra

výrobek zhotovený anizotropním leptáním


Izotropní mokré leptání (Isotropic Wet Etching) » substrát do roztoku, ve kterém dochází k leptání » rychlost leptání ve všech směrech stejná (amorfní materiály, např. sklo) » často se používá k odleptávání maskovacích vrstev » jako leptací činidlo: dle substrátu, u skla většinou HF

mikrokanál vyrobený izotropním leptáním

zařízení na izotropní leptání

Metal Patterning fotoresist kov substrát


Elektrojiskrové obrábění (Electro-Discharge machining – EDM) » odebírání svrchní vrstvy materiálu erozivním působením elektrického výboje » výboj mezi dvěma elektrodami – pracovní elektroda, druhou tvoří opracovávaný materiál » pomalé

produkt vyrobený touto metodou

detail zařízení pro elektrojiskrové obrábění


Obrábění laserem (Laser MicroMachining) » odstraňování materiálu (odpaření) pomocí laseru » buď přímé nebo přes masku » pomalé

titrační destička zhotovená pomocí LM

zařízení pro laserové obrábění

Laser Photoablation • High aspect ratio channels achievable • Laser pulses in the UV region used • Sealing by thermal lamination with a PET/PE film at 1250C • Depth controllable

Mechanické obrábění

nástroje celoplošné různě působící na různě modifikované části materiálu lokální, CNC polohovatelné polohování nástroje polohování substrátu výměna nástroje on-line off-line výběr nástroje ze zásobníku rekonstrukce nástroje


Mechanické mikroobrábění pomocí speciálních nástrojů (mikrovrtačka, mikrofréza…)

» struktury velikosti  102 mm, vhodné pro podpůrné části mikrozařízení » možnost zpracovávat řadu materiálů včetně kovů, nejčastěji polymery » návrh mikrostruktury v CAD programu (Matlab, AutoCAD)

Podstavec vyrobený mikrofrézováním z Teflonu (vlevo, velikost cca 30 × 30 mm) pro skleněný mikročip (uprostřed, velikost asi. 20 × 20 mm) se sítí mikrokanálků (vpravo, ø kanálků asi 30 mm)

přetváření materiálu geometrické – lisování, vytlačování (extruze), vtlačování, vstřikování, ohýbání fyzikální – tavení, tuhnutí, krystalizace, fázové přechody chemické – štěpení a síťování polymerů, inicializace teplem, světlem, elektrony


Vtlačování za tepla (Hot Embossing) technika pro masovou replikaci mikrostruktur » forma je obtisknuta do filmu termoplastu

» jak nástroj, tak vrstva termoplastu jsou předem zahřáty těsně nad skelný přechod termoplastu

zařízení pro hot embossing

refrakční mřížka vyrobená vtlačováním


Vtlačování za tepla (Hot Embossing) Příklad struktury vyrobené vtlačováním (širší kanálky jsou frézovány) do polystyrenového substrátu: » zařízení skládající se ze dvou paralelních kanálů spojených mikrokanálkem o průměru 7 mm » experimentální realizace elektrolytické diody » mezi dvě PS destičky je vložen chromelový drát » sestava je sevřena mezi dvě skleněné desky a zahřívána na teplotu 90 °C; destičky se teplem spojí a drát se vtiskne do nich » v závěru je drát opatrně vytažen, vznikne mikrokanál

7 mm

Imprinting/Embossing • Stamp made in Si or metal • Stamp pressed on Plastic to form microfluidic channels • Many common plastics successfully imprinted


Vstřikování (Injection Molding) replikační technika výroby mikrosystémů (princip stejný jako při výrobě plastů v makrosvětě) » do uzavřené formy (vakuum) je vstříknut polymer (PMMA, PVC) » speciální řízení teplotního režimu » požadavek na vysokou čistotu provozu » nízké náklady na replikaci mikrostruktur

forma

produkt

zařízení pro injection molding


Výroba mikrostruktur – další techniky Mikro-stereolitografie 3D struktury » použití pryskyřic (směs monomeru a polymeru) » přesně zaměřeným laserem se postupně vytvrzují určité části v pryskyřičné lázni » celý vytvrzený systém se postupně ponořuje a tak se vytváří další vrstvy

Tvarování roztaveného vlákna (Fused deposition modeling (FDM)) » taví se vlákno a modeluje se požadovaný tvar

AFM litografie » oxidační

» škrábací


Výroba mikrostruktur – další techniky 3D printing (3DPTM)

Depozice vrstev, řádků

» celá třída technik » objekt se nanáší po jednotlivých vrstvách » tloušťka vrstev typicky 100 mm, ale může být i 10 mm » 3D tiskárna typicky využívá návrh 3D struktury v programu CAD

Fúze granulátu Mikročástice tvořící vrstvu jsou spečeny na zvolených místech, pracovní plocha se v dalším kroku posune směrem dolů, vytvoří se další vrstva mikročástic, které se znovu spečou. Celý proces se mnohokrát opakuje.


Odlévání – casting replikace mikrostruktur do polymerních substrátů

» nutnost výroby primární matrice (negativ), např. z kovu » matrice se zalije tekutým polymerem nebo roztokem monomeru » po ztuhnutí se finální struktura oddělí od matrice » jednoduchá metoda, nevyžaduje zvláštní vybavení Příklad struktury vyrobené odléváním z PDMS:

» zařízení skládající se ze dvou paralelních kanálů spojených mikrokanálkem o průměru 90 mm » do kanálků jsou přivedeny platinové elektrody

90 mm

lepení a spojování lepidly – zaplňuje detaily tepelné slinování – polystyren - 90ºC, sklo - 500 ºC difuzní spojování – čistota povrchu, leptání plazmou polymerace

Kombinací různých technik lze vytvořit kompozitní mikročip

Příklad 1 – vytvoření mikroelektrody na povrchu substrátu

Příklad 2 - Soft Lithography • Elastomeric polymer cast in a Si stamp and cured • Polymer is peeled off • Channel architecture thus transferred to the polymer • PDMS technology is becoming popular

Whitesides, Soft lithography

Metody a materiály pro vytváření mikrosystémů

Recommend Documents