MEMS előadás 2015. 09. 16.

Csikósné Dr Pap Andrea Edit pap.andrea@kvk.uni-obuda.hu pap@mfa.kfki.hu

MEMS

Micro – Electro Mechanical Systems

Eljárások és eszközök

Mindenkinél legyen személyi igazolvány!

• ’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

• 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.

MEMS eszköz: a tranzisztor elektromechanikus analógja

• „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.

• 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

MEMS technológiák, eljárások - Start

• 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

• 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

• 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

• Implantált ionok újraelosztása hőkezeléssel

• rácskárosodás megszüntetése

• az adalék elektromos aktiválása

Az ion és a meglökött atomok pályája

MEMS technológiák, eljárások - Ionimplantáció

• 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

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

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)

• 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

•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 alkalmazás

• Felületi mikromechanika

• felületi vékonyrétegekből

• amorf vagy polikristályos membrán

• 2 - 3 µm üreg

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

• 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

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

MEMS technológiák, eljárások –

Si micromachining: Si 3D megmunkálása

• 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 –

Si micromachining: Si 3D megmunkálása

• 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)

• 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

• 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

• 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

• 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

• 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

• 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

• 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

MEMS technológiák, eljárások – Fotolitográfia

MEMS eszk ö z ö k - Tapint á s é rz é kel ő

8 × 8 –as érzékelő hálózat CMOS technológiával kialakított kiolvasó áramkörrel

TactoFlex 2x2

TactoScope 2x1

TactoPad 8x8

• Zn(NO₃)₂⋅6H₂O és (CH₂)₆N₄ c=0.004 M; T= 93 °C;

t=40 min-4 h

Zn-kel borított oldal

c/2 lépcsők

O-nel borított oldal

c lépcsők Hőkezelés

T=1050°C; t=12 h;

O₂ atmoszféra

Elektronsugaras litográfia

Fémleválasztás

Hidrotermális növesztés

Ionmarás

Felületkezelés

1.

2.

3.

4.

5.

1.

3. 4.

5.

MEMS/NEMS eszk ö z ö k - Tapint á s é rz é kel ő nano-ban

ZnO nanorudak el ő á ll í t á sa

Hossz: L= 500 nm-2 µµµµm Távolság a szálak között: ΛΛΛΛ= 150–600 nm

Átmérő: D= 65-350 nm

C₁ F

C₃ C₂

Piezoelektromos tulajdonsága folytán alkalmas a ZnO irány – szelektív erőmérésre.

MEMS/NEMS eszk ö z ö k - Tapint á s é rz é kel ő nano-ban

• Szelet szinten 96,07%-os kihozatal

• Érzéketlenebb a

mechanikai terhelésre

• 30-40%-kal kisebb alapjel változás a hőmérséklet hatására

MEMS eszk ö z ö k – Kapacitív elven m ű köd ő nyomásmér ő

Szerkezetkialakítás:

• Üveg hordozók (átlátszóság)

• 1 µm vastag Al elektródák

• 10 µm-es elektródaközök

• 2 µm vastag PSG szigetlő

• 30 µm mély csatornák

• Üveg-üveg anódos kötése

(köztes porlasztott Si réteggel)

Eszköz tesztelése:

• Fluidikai adapter a gáz és elektromos csatlakozások kezelésére

• Nagyfeszültségű tápegység (13 kHz)

• 1 atm. nyomású Ne gáz

MEMS eszk ö z ö k – Mikrofluidikai rendszerekbe

integrálható mikro-plazmegenerátorok

PDMS alapú kapilláris pumpa lokális felületmódosítása levegő plazmával

• Upp~600V / 13 kHz

• 1 atm. levegő

• 60 sec időtartam

• Nem perforált membránon alakítottunk ki Pt mikro-fűtőtesteket

• A két eltérő érzékelési mechanizmusnak megfelelően több féle katalizátor anyagot alkalmazhatunk

MEMS eszk ö z ö k – Taguchy és pellistor típusú gázérzékel ő k

2000 4000 6000 8000 100001200014000 -0,002

0,000 0,002 0,004 0,006 0,008 0,010 0,012 0,014 0,016

671 ppm 1300 ppm 1890 ppm 2449 ppm 2967 ppm 3460 ppm 3925 ppm 4366 ppm 4784 ppm

Air

Heating power:

13.8mW for one hotplate Gas cycles:

- Air - Air+CO

voltage (V)

time (s)

Output voltage (V) Baseline

Pellistor típusú gázérzékel ő