Elementy technologii mikroelementów i mikrosystemów. Typowe wymagania klasy czystości: 1000/100 (technologie 3 µm)

Elementy technologii mikroelementów i mikrosystemów Typowe wymagania klasy czystości: 1000/100 (technologie 3 µm) np. pamięci: 64k 1000/100 >1M 100/10 USF_4 Technologia M.Kujawińska, T.Kozacki, M.Józwik 4-1

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 Inne Trawienie suche Wg kursu ISBN 2-88238-004-6 Trawienie wspomagane plazmą : RIE (reactive ion etching), DRIE (deep RIE) Trawienie mokre, trawienie mokre chemiczne Milling, EDM (electro discharge machining), laser machining Techniki bondingu: fusion bonding, anodic bonding, flip-chip bonding Opakowanie (packaging) USF_4 Technologia M.Kujawińska, T.Kozacki, M.Józwik 4-2

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 USF_4 Technologia M.Kujawińska, T.Kozacki, M.Józwik 4-3

Podstawowe technologie MEMS Wg kursu ISBN 2-88238-004-6 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 USF_4 Technologia M.Kujawińska, T.Kozacki, M.Józwik 4-4

Materiały używane w 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.) USF_4 Technologia M.Kujawińska, T.Kozacki, M.Józwik 4-5

USF_4 Technologia M.Kujawińska, T.Kozacki, M.Józwik 4-6

Procesy technologiczne odwzorowania kształtów Metody odwzorowywania kształtów Wg kursu ISBN 2-88238-004-6 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 USF_4 Technologia M.Kujawińska, T.Kozacki, M.Józwik 4-7

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 USF_4 Technologia M.Kujawińska, T.Kozacki, M.Józwik 4-10

Technolgia surface micromachining Proces z 1 maską Proces z dwoma maskami + Prostota procesu - Zależność czasowa + Bez zależności czasowej - Potrzeba maski ustawczej USF_4 Technologia M.Kujawińska, T.Kozacki, M.Józwik 4-32

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 Wg kursu ISBN 2-88238-004-6 USF_4 Technologia M.Kujawińska, T.Kozacki, M.Józwik 4-39

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) Wg kursu ISBN 2-88238-004-6 USF_4 Technologia M.Kujawińska, T.Kozacki, M.Józwik 4-40

UTLENIANIE USF_4 Technologia M.Kujawińska, T.Kozacki, M.Józwik 4-45

Utlenianie termiczne - utlenianie w atmosferze tlenu suchego: Si + O 2 SiO 2 - utlenianie w atmosferze pary wodnej: Si + H 2 O SiO 2 + H 2 Dodatkowe efekty: redyfuzja domieszek, lokalne utlenianie USF_4 Technologia M.Kujawińska, T.Kozacki, M.Józwik 4-46

Fizyczne osadzanie z fazy lotnej Wg kursu ISBN 2-88238-004-6 naparowanie próżniowe rozpylanie jonowe (napylanie) USF_4 Technologia M.Kujawińska, T.Kozacki, M.Józwik 4-50

NAPAROWANIE USF_4 Technologia M.Kujawińska, T.Kozacki, M.Józwik 4-51

NAPYLANIE USF_4 Technologia M.Kujawińska, T.Kozacki, M.Józwik 4-54

Chemiczne osadzanie z fazy lotnej CVD Wg kursu ISBN 2-88238-004-6 CVD (Chemical Vapour Deposition) procesy, w trakcie których na podłożu następuje wytwarzanie warstw ciała stałego z reagentów, które reagują ze sobą w fazie lotnej Typy reakcji chemicznej: - heterogeniczne, reakcje zachodzące bezpośrednio na powierzchni podłoża lub w jej pobliżu - homogeniczne, reakcje zachodzące w fazie gazowej - niepożądane Specjalnie przystosowane reaktory mogą być wykorzystywane do epitaksji USF_4 Technologia M.Kujawińska, T.Kozacki, M.Józwik 4-58

APCVD APCVD (Atmospheric Pressure CVD) osadzanie w warunkach ciśnienia atmosferycznego USF_4 Technologia M.Kujawińska, T.Kozacki, M.Józwik 4-62

LPCVD LPCVD (Low Pressure CVD) osadzanie pod obniżonym ciśnieniem (T do 900ºC, p = 0.25 2 Tr) USF_4 Technologia M.Kujawińska, T.Kozacki, M.Józwik 4-63

PECVD PECVD (Plasma Enhanced CVD) osadzanie wspomagane plazmą - obniżenie temperatury osadzania - większa liczba parametrów do kontroli Reaktor planarny USF_4 Technologia M.Kujawińska, T.Kozacki, M.Józwik 4-64

CVD: Podsumowanie USF_4 Technologia M.Kujawińska, T.Kozacki, M.Józwik 4-65

Przykład mikrobelki SiO 2 /SiON : Wg kursu ISBN 2-88238-004-6 kontrola procesu osadzania warstw stress (x10 +8 Pa) 10 8 6 4 2 0-2 -4 tensile 0 20 40 60 80 100 compressive without anneal anneal at 500 C aneal at 600 C N 2 O flow (sccm) Wpływ procesu wygrzewania na naprężenia warstwy SiON Brak kontroli parametrów PECVD zwiększa naprężenia ściskające Redukcja wodoru Zwiększenie temperatury powoduje powstawanie naprężeń rozciągających Gorecki, Opt.&Lasers in Eng. 33(2000) USF_4 Technologia M.Kujawińska, T.Kozacki, M.Józwik 4-67

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 USF_4 Technologia M.Kujawińska, T.Kozacki, M.Józwik 4-69

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 USF_4 Technologia M.Kujawińska, T.Kozacki, M.Józwik 4-70

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 USF_4 Technologia M.Kujawińska, T.Kozacki, M.Józwik 4-74

Trawienie suche Zastosowanie procesu plazmowego trawienia w technologii mikroelementów ma następujące zalety: wymiary trawionych wzorów mogą być mniejsze niż 1mm i zależą praktycznie tylko od zastosowanej maski, uzyskiwane profile formowanych struktur nie zależą od krystalografii podłoża, profil trawienia można dobierać w zależności od konstrukcji przyrządu, możliwe jest selektywne usunięcie tzw. warstwy poświęcanej (ang. sacrificial layer) celem uwolnienia ruchomej struktury, plazma nie wywiera nacisku na mikrostruktury przestrzenne Zalety te okupione są skomplikowaniem próżniowego urządzenia do trawienia oraz samego procesu trawienia, który zależy od wielu parametrów. Podstawowe z nich to: ciśnienie tła próżniowego w reaktorze oraz konieczność stosowania bezolejowego systemu pompowego, odpornego na działanie chemicznie aktywnych gazów, rodzaj gazu roboczego, który może być również mieszaniną wielu gazów, przepływ gazu roboczego (cm 3 /min), ciśnienie gazu roboczego, temperatura podłoża, rodzaj i wielkość powierzchni trawionego podłoża, materiał ścian bocznych i elektrod reaktora, geometria reaktora, elektromagnetyczne parametry wzbudzania wyładowania jarzeniowego USF_4 Technologia M.Kujawińska, T.Kozacki, M.Józwik 4-75

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 USF_4 Technologia M.Kujawińska, T.Kozacki, M.Józwik 4-77

Trawienie anizotropowe Wg kursu ISBN 2-88238-004-6 <100> <111> 54.7 Silicon Substrate USF_4 Technologia M.Kujawińska, T.Kozacki, M.Józwik 4-80

Trawienie mokre Trawienie elektrochemiczne Parametry: - skład kąpieli - temperatura kąpieli - czas trwania Jedna z najbardziej popularnych technik trawienia anizotropowego krzemu jest trawienie wodorotlenkiem potasu (KOH) USF_4 Technologia M.Kujawińska, T.Kozacki, M.Józwik 4-83

Proces technologiczny wytwarzania membran Si Wg kursu ISBN 2-88238-004-6 podłoże 3 Si typu N orientacja <100> (e s = 380 µm) termiczne utlenianie SiO 2 1050 C, 6 godz. (e t = 1 µm) fotolitografia (fotorezyst pozytywowy Microposit SHP 1813) trawienie SiO 2 w BHF (500 Å/min) trawienie Si w KOH (e = 15 µm) usunięcie rezystu i SiO 2 USF_4 Technologia M.Kujawińska, T.Kozacki, M.Józwik 4-85

Przykład procesu technologicznego membrany krzemowej Wg kursu ISBN 2-88238-004-6 USF_4 Technologia M.Kujawińska, T.Kozacki, M.Józwik 4-136

Przykład procesu technologicznego czujnika ciśnienia Wg kursu ISBN 2-88238-004-6 USF_4 Technologia M.Kujawińska, T.Kozacki, M.Józwik 4-137