TECHNOLOGIA STRUKTUR MOEMS

Transkrypt

1 Różne wyniki trawienia krzemu TECHNOLOGIA STRUKTUR MOEMS prof. nzw. Romuald B. Beck Wykład 3 Warszawa, czerwiec 2008 Wytwarzanie belki (belka krzemowa) Magnetic Force Microscope MFM Ostrze do analizy MFM Topografia powierzchni taśmy magnetycznej Obraz pola magnetycznego na taśmie uzyskany za pomocą MFM Wytwarzanie belki (belka nie-krzemowa) Belka przyrząd d do generacji w.cz. Lokalnie wytworzony obszar łatwy do trawienia Osadzanie warstwy - materiał przyszłej belki Fotolitografia i trawienie kształtowanie belki Selektywne wytrawienie obszaru łatwego do trawienia uwalnia uformowaną belkę! 1

2 Trawienie mokre krzemu Izotropowe trawienie krzemu Trawienie izotropowe mieszanina HF:HNO 3 :H 2 O (lub CH 3 COOH) Trawienie anizotropowe (szybkość trawienia zależy od orientacji krystalograficznej + domieszkowania B) mieszaniny oparte na: KOH (NaOH, CeOH, RbOH, NH 4 OH,...) TMAH EDP (etylen-diamoinapyrcathehol) - bardzo korozyjny i bardzo kancerogenny(!!!) hydrazynie (N 2 H 4 ) paliwo rakietowe Mechanizm trawienia: HNO 3 utlenia lokalnie Si HF usuwa lokalnie tlenek H 2 O lub CH 3 COOH spełniają rolę rozcieńczalnika Zakresy trawienia: 1. proces kontrolowany przez HNO 3, pozostaje cienka warstwa tlenku 2. proces kontrolowany prez HF, pozostaje gruba (3-5nm) warstwa tlenku (nadaje się do polerowania!) 3. proces bardzo szybki Anizotropowe trawienie krzemu Trawienie Si w KOH Poprawnie zorientowane podłoże (100) daje łatwe do przewidzenia kształty Odchylenia od orientacji poprawnej przynosi wiele kłopotów (110) jest już zdecydowanie trudniejsze do opanowania Obiekt obrócony Typowy skład: KOH alkohol izopropylowy H 2 O Trawienie w 80 C + intensywne mieszanie Szybkości trawienia: Si (100) ~ 1µm/min Si 3 N 4 ~ 1.4nm/godz (!!!) SiO 2 ~ 2.0nm/min Anizotropia trawienia (111):(110):(100)=1:600:400 Charaketrystyka procesu: proces niekompatybilny z CMOS (obecność K!!!) proces stosunkowo bezpieczny dobrze poznany i stabilny Obiekt źle scentrowany Trawienie Si w TMAH Anizotropowe mokre trawienie krzemu TMAH to wodorotlenek terametylo-amonowy Typowy skład: TMAH H 2 O Trawienie w 80 C + intensywne mieszanie Szybkości trawienia: Si (100) ~ 1µm/min Si 3 N 4 < 2 nm/min SiO 2 < 5 nm/min Anizotropia trawienia (111):(100) ~ 1:10 1:35 Charakterystyka procesu: TMAH jest bezpiecznym odczynnikiem trawienie kompatybilne z CMOS (brak potasowców!!) dno trawionego profilu gładkie lub porowate w zależności od parametrów procesu (głównie składu mieszaniny) 2

3 Elektrochemiczne trawienie Si Elektrochemiczne porowacenie krzemu Elektroda z płytką Si Naczynie z elektrolitem zawierającym HF Elektroda Pt Mechanizm procesu: spolaryzowany dodatnio względem elektrolitu Si dziury wstrzyknięte z obwodu zewnętrznego utlenianie Si HF trawie powstałe SiO 2 Przy niskich stężeniach HF w elektrolicie polerowanie (elektropolerowanie) Przy wysokich stężeniach HF w elektrolicie nie cała powierzchnia Si zdąży ulec utlenieniu Si trawi się miejscami powstaje porowaty Si POROWATOŚĆ [%] ma/cm2 120mA/cm ma/cm2 10 ma/cm stężenie HF 20% 30 Si typ p ρ=0,02 Ωcm CZAS POROWACENIA [s] Parametry procesu: typ domieszki w krzemie koncentracja domieszki skład mieszaniny (elektrolitu) wymuszana gęstość prądu (lub napięcie) czas trawienia Parametry warstwy: grubość warstwy morfologia porów porowatość Krzem porowaty (obrazy z SEM cz.2) Technologia APSM ( (Advanced Porous Silicon Membrane) ) Bosch Odpowiednio przygotowane podłoże (selektywne domieszkowanie w celu zróżnicowania szybkości trawienia krzemu) Selektywne porowacenie krzemu wytwarza przestrzeń przyszłej komory pod membraną Technologia APSM (cz.2) Krzem porowaty możliwo liwość przebudowy morfologii (obrazy z SEM i AFM) Proces wygrzewania powoduje zmiany morfologii krzemu sporowaconego Proces epitaksji buduje nową warstwę na powierzchni odtwarza strukturę krzemu podłożowego i tworzy membranę o zadanej grubości warstwa krzemu porowatego podłoże Proces wysokotemperaturowy 3

4 Głębokie trawienie krzemu (DRIE) Głębokie trawienie krzemu (DRIE) Naprzemienne stosowanie dwóch procesów plazmowych: reaktywne trawienie jonowe (RIE) usuwanie krzemu na pewną głębokość osadzanie warstwy polimeru na ściankach trawionego profilu (PECVD) zabezpieczenie przed trawieniem w kierunku poziomym Możliwość uzyskania bardzo głębokich i stromych ścian profilu trawienia! Mikroreaktory Kryształy fotoniczne porowaty krzem (makropory) osadzanie + fotolitografia + trawienie Excimer Laser Ablation Wiązka umożliwia formowanie organicznych materiałów bez topienia i przypalania bezpośredniego otoczenia Ilość usuniętego materiału zależy od: materiału długości impulsu intensywności wiązki Uformowanie wiązki laserowej pozwala na kontrolę profilu trawienia ściany pionowe profil nachylony profil podcięty Laserowa mikro-stereo litografia Turbina zbudowana z 110 warstw o grubości 4.5 µm 4

5 Łączenie anodowe (anodic bonding) Łączenie dyfuzyjne (fusion bonding) Pewne łączenie położy gładkimi powierzchniami np. szkło-krzem, szkło-szkło (jedno z podłoży musi być źródłem anionów) Parametry procesu: ciśnienie atmosferyczne lub próżnia temperatura C nacisk rzędu 20 N napięcie stałe < 2kV prądy < 40mA Przyłożone napięcie warstwa zubożona w której pojawia się silne pole elektr. pojawia się elektrostatyczna siła przyciągania krzem-szkło przepływ jonów tlenu ze szkła do powierzchni krzemu reakcja anodowa Si+O - = SiO 2 stałe połączenie materiałów Bardzo gładkie powierzchnie stykane są ze sobą siły van der Waals a zapewniają wstępne połączenie obu płytek Połączenie jest wzmacniane przez wygrzewanie w odpowiedniej temperaturze powstają wiązania chemiczne i pełnie połączenie między płytkami Można tak łączyć ze sobą: krzem-krzem tlenek krzemu krzem tlenek krzemu tlenek krzemu krzem-azotek galu krzem-azotek indu... Komercyjnie produkowane są np. podłoża Silicon-On- Insulator (SOI) Elementy układ adów w elektronicznych w technologii MEMS Kondensator strojony (MEMS) Cewki o wysokiej dobroci Strojone filtry Elementy MOEMS Mikro-pensety Uchwyty do montażu światłowodów Układy optyczne, przesłony, soczewki,... 5

6 Mikro-pensety z napędem 3D układy optyczne Soczewka mikro-kula Soczewka Fresnela Source: Fan & Wu 1997 Różne cuda i cudeńka 6