Technologia elementów optycznych

Transkrypt

1 Technologia elementów optycznych dr inż. Michał Józwik pokój 507a Część 7 Technologia mikrosystemów MEMS/MOEMS

2 Pojęcia podstawowe

3 Wymiary MEMS/MOEMS

4 Elementy technologii mikroelementów i mikrosystemów Typowe wymagania klasy czystości: 1000/100 (technologie 3 µm) np. pamięci: 64k 1000/100 >1M 100/10

5 Technologie wytwarzania MEMS Fotolitografia Fotolitografia UV Litografia wiązką elektronową (Electron beam lithography) Litografia rentgenowska (X-ray lithography) Osadzanie warstw CVD (chemical vapour deposition) LPCVD (low pressure CVD), PECVD (plasma enhanced CVD) PVD (physical vapor deposition) Napylanie, naparowywanie Electroplating Trawienie Trawienie suche Trawienie wspomagane plazmą : RIE (reactive ion etching), DRIE (deep RIE) Trawienie mokre, trawienie mokre chemiczne Inne Milling, EDM (electro discharge machining), laser machining Techniki bondingu: fusion bonding, anodic bonding, flip-chip bonding Opakowanie (packaging)

6 Proces wytwarzania MEMS Modelowanie 3D Koncepcja: Specyfikacja Procesów Analizy modelu Projektowanie CAD, symulacje i layout Wytwarzanie masek Kolejne cykle procesu Osadzanie warstw Fotolitografia Usuwanie warstw Testy Wstępne testy, podział i ochrona uwalnianych elementów Podział Cięcie Montaż Opakowanie Izolacja i odsłonięcie elementów Testy Testowanie wszystkich funkcji

7 Podstawowe technologie MEMS Bulk micromachining : usuwanie materiału masywnej części substratu RIE/deep RIE Trawienie izo i anizotropowe Osadzanie cienkich warstw: utlenianie, PECVD, LPCVD, epitaksja, napylanie Dyfuzja/etch stop Bardziej dopasowane do mikroczujników! Surface micromachining : usuwanie materiału warstw wytworzonych na substracie Osadzanie warstwy poświęcanej (PSG, SiO 2 ) Osadzanie i trawienie polikrzemu Trawienie warstwy poświęcanej Bardziej dopasowane do mikroaktuatorów! Proporcje Współczynnik proporcji trawienia i osadzania izotropowe Warstwa struktury anizotropowe Uwolniona warstwa

8 Materiały technologii MEMS Wafle Si, Ge, GaAs, InP, szkło, metale, ceramiki, polimery Si materiał dominujący ponieważ : opanowana technologia wyśmienite właściwości mechaniczne możliwość integracji z elektroniką Materiały używane do wytwarzania cienkich warstw Si, poli-si, a-si, SiN, domieszkowany SiO2 (PSG, BPSG), SiO2, SiC polimery (PR, epoxy, polyimide, etc.) materiały piezoelektryczne (PZT, ZnO, AlN, itp.)

9 Procesy technologiczne odwzorowania kształtów Metody odwzorowywania kształtów Wzór przenoszony na płytkę za pośrednictwem emulsji Wzór przenoszony na płytkę bez pośrednictwa emulsji Metoda substraktywna (litografia + trawienie) Metoda addytywna (litografia + odrywanie) Bezpośrednie trawienie skanującą wiązką jonową

10 Techniki litograficzne Fotolitografia Elektronolitografia maska skanująca wiązka elektronów + tańsza od innych - ograniczenia dyfrakcyjne (0.5µm) - wymaga maski + nie wymaga maski - długie czasy naświetlania - rozproszenie elektronów

11 Technolgia surface micromachining Proces z 1 maską Proces z dwoma maskami + Prostota procesu - Zależność czasowa + Bez zależności czasowej - Potrzeba maski ustawczej

12 Procesy technologiczne, w wyniku których powstają nowe warstwy Kryteria klasyfikacji procesów technologicznych: - temperatura procesu (procesy nisko-, średnioi wysokotemperaturowe) - ciśnienie - typ reakcji chemicznej (rozkład związków złożonych, utlenianie, azotkowanie, reakcje złożone, ) - fakt konsumowania lub nie atomów podłoża

13 Procesy technologiczne, w wyniku których powstają nowe warstwy Parametry warstw: - skład chemiczny - struktura krystalograficzna - orientacja krystalograficzna - adhezja warstwy do podłoża - grubość warstwy - współczynnik załamania warstwy - stała dielektryczna - rezystywność (lub jej rozkład) - współczynnik rozszerzalności termicznej - naprężenia mechaniczne - jednorodność (lub jej rozkład) - profil (sposób pokrycia uskoków)

14 Trawienie Procesy trawienia można podzielić na: - mokre - realizowane w wodnych roztworach kwasów i ługów - suche - realizowane w plazmie aktywnych chemicznie i szlachetnych gazów lub przy zastosowaniu wiązki jonowej

15 Trawienie suche Technika suchego trawienia została opracowana dla potrzeb mikroelektroniki i umożliwia uzyskiwanie wzorów o większej rozdzielczości niż w przypadku trawienia mokrego (obecnie standardowo wytwarza się tą techniką wzory o szerokości linii nawet mniejszej niż 100nm). Suche trawienie wykonuje się technikami jonowymi i plazmowymi, które wykorzystują zjawiska zachodzące w plazmie lub oddziaływanie wiązki jonów z materiałem trawionym. Główne mechanizmy suchego trawienia to reakcje chemiczne i fizyczne: Mechanizm chemiczny polega na reakcji wolnych rodników z materiałem trawionym, wytworzeniu lotnych produktów tej reakcji i odpompowaniu ich z reaktora Mechanizm fizyczny polega na wybijaniu atomów lub cząsteczek trawionego materiału przez wysokoenergetyczne jony

16 Trawienie suche Urządzeniem realizującym trawienie plazmowe jest reaktor planarny, który może pracować w modzie trawienia plazmowego PE (ang. Plasma Etching) albo w modzie reaktywnego trawienia jonowego RIE (ang. Reactive Ion Etching) PE - udział jonów w procesie trawienia jest nieznaczny, dominuje chemiczne oddziaływanie rodników z materiałem trawionym - duże szybkości - wysoka selektywność RIE - duże energie jonów > od 50eV - mechanizm fizyczny ma duży wpływ na proces trawienia, który jest bardziej anizotropowy i mniej selektywny - kompromis pomiędzy szybkością a anizotropią

17 Trawienie mokre Trawienie mokre w wodnych roztworach kwasów cechuje się dużą izotropią. Wyjątkiem jest proces trawienia monokrystalicznych materiałów np. krzemu w wodnych roztworach ługów. Poszczególne płaszczyzny krystalograficzne mają różne szybkości trawienia (np.: V<100>:V<111>=100:1) i dlatego można uzyskać dużą anizotropię. Trawienie izotropowe Trawienie anizotropowe

18 Trawienie anizotropowe <100> <111> 54.7 Silicon Substrate

19

20 Procesy trawienia C. Gorecki-Highlights in Microtechnology

21 Przykład procesu technologicznego czujnika ciśnienia

22 Optical MEMS Projection displays Optical-fiber switches Sub-wavelength structures OPTICAL MEMS Diffractive optics Adaptive optics, photonic crystals are well suited for implantation in MEMS This will lower the cost and also add functionality Promising application areas include: environmental monitoring security surveillance biomedicine optical interconnects optical wireless communications Na podstawie materiałów

23

24

25

26 SMD - Surface Mount Device

27 Produkt komercyjny

28 MOEMS

29 Texas Instruments - DMD

30 2x2 Optical Switch Cross State Bar State

31 2x2 Optical Switch

32

33 NxN Optical Link

34 3D Optical Switch

35

36

37 Programowalne struktury dyfrakcyjne

38 Programowalne struktury dyfrakcyjne

39

40

41

42

43

44