MicrofabricaciMicrofabricacinn

Facilidades experimentales Facilidades experimentales en el Centro Aten el Centro Atmico Constituyentesmico Constituyentes

A. Fasciszewski - Grupo MEMS - CNEA

SumarioSumario

Antecedentes: Nodo NANOTEC. Dispositivos del Nodo NANOTEC. Introduccin al Micromecanizado. Descripcin de la Sala Limpia Grupo MEMS (CAC-CNEA). Descripcin de la construccin de los dispositivos del Nodo

NANOTEC. Visita Clean Room (Window Tour)

Antecedentes: Antecedentes: Nodo NANOTECNodo NANOTEC

PAE 2004 Laboratorio en Red para el Diseo, Simulacin y Fabricacin de Nano y Micro Dispositivos.

PAE 2006 Nodo NANOTEC tiene como objetivo el de disponer en Argentina de un centro de Diseo, Fabricacin y Caracterizacin de Micro y Nano Dispositivos (MEMS).

Integrantes del Nodo NANOTEC: CAC CNEA - Comisin Nacional de Energa Atmica

diseo, fabricacin y caracterizacin de dispositivos. INTI - Instituto Nacional de Tecnologa Industrial diseo

de encapsulados y caracterizacin de dispositivos. UNSAM - Universidad Nacional de San Martn

caracterizacin de dispositivos. UNS - Universidad Nacional del Sur custom chips. Universidad AUSTRAL caracterizacin de dispositivos.

DDispositivosispositivos del del Nodo NANOTECNodo NANOTEC

Sensores de Gas IMS MEMS

Nanobiosensores

RF MEMS: Switch RF

MEMSMEMS

Micro Electro Mechanical System.

Sistema inteligente miniaturizado que integra funciones sensoras, de proceso y/o actuacin.

Comprende como mnimo dos de las siguientes propiedades: elctricas, magnticas, mecnicas, pticas, qumicas, biolgicas, magnticas u otras, de forma integrada en un solo chip o en un mdulo hbrido multichip.

Por quPor qu miniaturizar?miniaturizar?

Reduccin del consumo de potencia Dispositivos ms veloces Aumento de la selectividad y la sensibilidad Rango dinmico ms amplio Minimizar el uso de energa y materiales durante la manufactura Integracin con electrnica, simplifica los sistemas Tener sistemas redundantes y arreglos (arrays) Aprovechamiento de nuevos efectos gracias a la ruptura de la

teora del continuo y la validez del dominio microscpico Ventajas competitivas costo /performance Mejoras en la reproducibilidad (produccin batch ) Poco invasivo.

IntroducciIntroduccin al n al MicromecanizadoMicromecanizado

Tecnologa de fabricacin de dispositivos en tres dimensiones o MEMS: Micromaquinado o Micromecanizado

Utiliza los mismos procesos tecnolgicos estndares de fabricacin de Circuitos Integrados en Si (IC).

Crecimiento /

Deposicion

Fotolitografa

Ataque /

Remocin Film

Remocin Resina

Fotosensible

(Implantacin)

Remocin Resina

Fotosensible

Difusin / Depos.

CaracterCaracterstica del stica del MicromecanizadoMicromecanizado

Procesos utilizados para la Remocin de material de sacrificio.

Procesos utilizados para el Ataque con alta relacin altura/ancho (High Aspect Ratio).

Remocin de material de sacrificio

HighAspectRatio

Antecedentes Antecedentes MicromecanizadoMicromecanizado

1950s / 1958 Silicon strain gauges commercially available1959 Theres Plenty of Room at the Bottom Richard Feynman gives a milestonepresentation at California Institute of Technology. He issues a public challenge by offering$1000 to the first person to create an electrical motor smaller than 1/64 th of an inch. 1960s / 1961 First silicon pressure sensor demonstrated1967 Invention of surface micromachining. Westinghouse creates the Resonant Gate FieldEffect Transistor, (RGT). Description of use of sacrificial material to free micromechanicaldevices from the silicon substrate.1970s / 1970 First silicon accelerometer demonstrated1979 First micromachined inkjet nozzle1980s / Early 1980s: first experiments in surface micromachined silicon. Late 1980s:micromachining leverages microelectronics industry and widespread experimentation anddocumentation increases public interest.1982 Disposable blood pressure transducer1982 Silicon as a Mechanical Material [9]. Instrumental paper to entice the scientificcommunity reference for material properties and etching data for silicon.

Antecedentes Antecedentes MicromecanizadoMicromecanizado

1982 LIGA Process1988 First MEMS conference1990s Methods of micromachining aimed towards improving sensors.1992 MCNC starts the Multi-User MEMS Process (MUMPS) sponsored by DefenseAdvanced Research Projects Agency (DARPA)1992 First micromachined hinge1993 First surface micromachined accelerometer sold (Analog Devices, ADXL50)1994 Deep Reactive Ion Etching is patented1995 BioMEMS rapidly develops2000 MEMS optical-networking components become big business

Tipos de Tipos de MicromecanizadoMicromecanizado

Micromecanizado del Substrato procesos substractivos que mediante la remocin de porciones del substrato se obtiene la estructura tridimensional deseada (ej ataque hmedo KOH) .

Micromecanizado de Superficie procesos aditivos que con la deposicin de sucesivos materiales se definen las geometras deseadas sin modificar el substrato. Esta tcnica requiere de mayor precisin que la anterior.

Sala Limpia Grupo MEMSSala Limpia Grupo MEMS

(CAC(CAC--CNEA)CNEA)

120m2 de Sala Limpia Clase (100 1000) equipada para procesos de Diseo, Simulacin, Microfabricacin y Caracterizacin de dispositivos MEMS.

Crecimiento /

Deposicion

Fotolitografa

Ataque /

Remocin Film

Remocin Resina

Fotosensible

(Implantacin)

Remocin Resina

Fotosensible

Difusin / Depos.

Equipamiento Sala LimpiaEquipamiento Sala Limpia

RIE Plasmalab para dry etching de Oxford Instruments.

Mesadas de ataque qumico por va hmeda.

Asher, Gasonics Aura 1000.

Ataque (Etch)

Elipsmetro.Wire Bonder, Valley Research.

Sistema asistidos lser (Laser Nd:YAG y micro posicionador).

Perfilmetro 3D Veeco Instruments.

Metrologa / otros

Sistema de escritura y micromecanizado por laserDepsito de pelcula por ablacin laserProcesos

asistidos por Laser

Mquina de electroplating, Semcon, Technic Inc.

Sputtering ATC ORION Series con cmara de deposicin UHV, de AJA Internacional.

PECVD, Advanced Vacuum.Difusin y

Deposicin

Alineador de mscaras (Mask Aligner EVG 620).Mesada de litografa.

Litografa

EquipamientoProceso

Proceso de FotolitografProceso de Fotolitografaa

Exposicin UV de 300W. Haz plano de 6" de dimetro. Sistema de alineacin para litografa de doble cara. Microscopio de alta definicin con CCD y display. Capacidad para contacto suave y fuerte, y modo proximidad. Sistema de movimientos hidrulicos. Posicionador de obleas motorizado o manual. Resolucin en el orden de medio micrn. Opcin de Nano-Imprint Lithography (NIL) adquirida.

Alineador de mscaras EVG 620.

Mesada de trabajo automtica para litografa. Spinner, Rinser con agua DI de 18MOhms. Reservorios para revelado. 2 hot plates. Extraccin horizontal de aire. Mantenimiento por rea de servicio.

Mesada de litografa.

CaractersticasEquipamiento

Procesos de Procesos de DifusiDifusin/Deposicin/Deposicinn

Metales a platear: Cu, Ni, Pd, Au, Sn, Pb, Pt, Fe, Ag, Permalloy, Sn/Pb, Pd/Ni. Tamao del wafer: 2 a 8 pulgadas.

Mquina de electroplating, Semcon, Technic Inc.

Sistema de depsito de pelculas delgadas por Sputtering. Posee una cmara UHV (ultra alto vaco). Para obleas de hasta 4 pulgadas. Posee una capacidad para depositar multicapas de hasta 5 materiales. Posee un generador magnetrn DC de 750W y RF de 300W.

Sputtering ATC ORION Series con cmara de deposicin UHV, de AJA Internacional.

Sistema de depsito de pelculas delgadas slidas a partir de precursores en estado gaseoso por medio de reacciones qumicas asistidas por plasma para sustratos de hasta 6 pulgadas. Posee un generador de alta frecuencia (13.56MHz) de 300W y un generador de baja frecuencia (50-350 kHz) de 500W de potencia.

PECVD, Advanced Vacuum.

CaractersticasEquipamiento

Proceso Ataque y Proceso Ataque y

RemociRemocin (n (EtchingEtching))

Sistema de remocin de materiales (Si,SiO2 y Si2N4) por plasma (SF4, CF4, O2, Ar, N2, CHF3). Rango presin de trabajo 1-250m Torr. Potencia RF 20-300W. Carga manual de las obleas.

RIE Plasmalabpara dryetching de Oxford Instruments.

Sistema de remocin de polmeros y pelculas delgadas por plasma. Activador superficial de polmeros. Capacidad para wafers de 75 a 150mm. Remocin isotrpica frontand backside. Velocidades: 2-5m/min (fotorresist pos), >8m/min (fotorresist neg). Posee 2 Controladores de flujo msico para O2 y N2.

Asher, GasonicsAura 1000.

CaractersticasEquipamiento

MetrologMetrologa / Otrosa / Otros

Mediciones de espesores. 3 capas. Dixido y Nitruro de Silicio. Precisin nanomtrica. Diferencias de ndice de refraccin. Compacto Manual. ngulo de incidencia mvil

Elipsmetro.

Ball, Wedge, Bump or Peg bond capable. Opcin para soldar DICE a placas.

Wire Bonder, Valley Research.

Para micromaquinado por ablacin Lser. Incluye microposicionador de tres ejes, de 4mm de carrera, flexibilidad en los tres ejes , resolucin de 50nm.

Sistema de escritura lser (LaserNd:YAG y micro posicionador).

Perfilmetro 3D de Alta Resolucin (Res: 0.1nm en eje Z). Objetivos Mirau de 10x y 50x. Mesa antivibraciones.

Perfilmetro 3D VeecoInstruments.

CaractersticasEquipamiento

FabricaciFabricacin de Microsensor de Gasn de Microsensor de Gas

Los pasos de fabricacin:

Deposicin de Si3Ni4 en ambas caras de una oblea de silicio.

Obtencin del microcalefactor de Pt mediante la tcnica Lift-off.

Micromaquinado del sustrato de silicio mediante ataque hmedo (especficamente KOH)

Pasivacin de la estructura mediante tcnica PECVD.

Apertura para contactos mediante ataque por va seca.

Deposicin del Sn y tratamiento trmico para obtener la pelcula sensora (tcnica RGTO o Rheotaxial Growth and Thermal Oxidation).

Contactos de Pt mediante Sputtering utilizando una mscara metlica.

123

4

1

23

4

FabricaciFabricacin de n de OlfateadorOlfateador

IMS MEMSIMS MEMS

Esquema del Olfateador : 1) Ingreso de muestra, 2) zona de ionizacin formada por pirmides micromaquinadas en silicio ,3) zona de deteccin de iones, por medio de padsdispuestos perpendicularmente a la circulacin del gas , 4) Salida de la muestra.

El proceso de fabricacin propuesto es el siguiente: Deposicin de una capa de Nitruro. Desarrollo de Mscaras pticas y fotolitografa. Ataque por va seca de Nitruro con atmsfera de SF6. Primer ataque qumico por va hmeda con KOH Limpieza post KOH ( mtodo piranha) Deposicin de una segunda capa de Nitruro. Fotolitografa. Ataque por va seca de Nitruro con atmsfera de SF6. Segundo ataque qumico por va hmeda en KOH. Limpieza post KOH (piranha). Fotolitografa de imagen reversa sobre obleas de silicio y vidrio Evaporacin de platino sobre fotorresina. Metalizado con capa de sacrificio. Precorte de las obleas de vidrio. Pegado de la base de silicio y tapa de vidrio (bonding)

FabricaciFabricacin de Switches RFn de Switches RF

Se desarroll un proceso de fabricacin o flujo de proceso para el switch y se construy un primer prototipo.

Litografa de 7 mscaras para la definicin de: Resistencia en Polysilicio Contactos Metal 1. Vas Metal flotante. Spacers Puentes CPW

Anticuerp

os

Virus

Nanotub

os

FabricaciFabricacin de n de NanobiosensorNanobiosensor

Se desarroll un proceso de fabricacin y se obtuvieron los primeros prototipos con la colaboracin del laboratorio de Bajas Temperaturas en el Centro Atmico Bariloche (CAB).

Las operaciones propuestas para la fabricacin son los siguientes: Limpieza de oblea de silicio y deposicin de nanotubos

de carbono previamente carboxilados para la generacin de un grupo reactivo para la posterior unin del grupo sensible reactivo (ejemplo anticuerpo).

Fotolitografa de los electrodos. Sputtering de titanio y oro Pasivacin mediante tcnica PECVD. Remocin de la capa sacrificial de resina Unin covalente del grupo sensible a los nanotubos

carboxilados para la generacin de una unin fuerte y estable.

Desarrollo de microcanales con PDMS para el flujo de muestras sobre el sensor y los lavados del mismo.

Pegado del microcanal de PDMS al sensor. Conexin mediante wire bonding a los pads.

Final de la PresentaciFinal de la Presentacin!n!

Muchas Gracias Muchas Gracias por su Atencipor su Atencin...n...