materijali

Zavod za kvalitetu

Katedra za mjerenje i kontrolu

SEMINARSKI RAD IZ KOLEGIJA

NANOMJERITELJSTVO

Materijali u tehnologiji

Mentor: Prof.dr.sc Sanjin Mahovid Studenti: Davor Ivaniš 0035159023 Bruno Hmura 0035150124

Zagreb, 2009

2 Seminarski rad – Materijali u nanotehnologiji

Sadržaj 1.0 Uvod ..................................................................................................................................................3

2.0 Općenito o nanotehnologiji ..............................................................................................................4

2.1 Nanostruktuirani materijali i njihova primjena .............................................................................5

2.2 Prednosti i nedostaci nanotehnologije ..........................................................................................6

3.0 Razvoj mikro i nano elektromehaničkih sustava (MEMS i NEMS) ..................................................7

4.0 Materijali u MEMS/NEMS sustavima ...............................................................................................8

4.1 Materijali na bazi silicija.................................................................................................................9

4.1.1 Monokristalni silicij ........................................................................................................... 13

4.1.2 Polikristalni amorfni silicij ................................................................................................. 16

4.1.3 Porozni silicij ...................................................................................................................... 16

4.1.4 Silicij dioksid (SiO2) ............................................................................................................ 18

4.1.5 Silicijev nitrid (Si3N4) .......................................................................................................... 20

4.2 Materijali na bazi germanija ....................................................................................................... 20

4.2.1 Polikristalni germanij ......................................................................................................... 21

4.3 Materijali na bazi neželjeznih legura .......................................................................................... 21

4.4 Poluvodiči za agresivne sredine .................................................................................................. 22

4.4.1 Silicij karbid ........................................................................................................................ 22

4.4.2 Dijamant ............................................................................................................................. 26

4.5 Poluvodiči rijetkih legura ............................................................................................................ 29

4.6 Feroelektrični materijali ............................................................................................................. 31

4.7 Polimerni materijali .................................................................................................................... 31

4.7.1 Poliimidi .............................................................................................................................. 32

4.7.2 SU-8 .................................................................................................................................... 33

4.7.3 Parylene.............................................................................................................................. 34

4.7.4 Liquid crystal polymer (Tekudi kristalni polimer) ............................................................... 34

4.8 Bududi trendovi .......................................................................................................................... 36

5.0 Literatura ........................................................................................................................................ 38


1.0 Uvod

Gledajudi kroz povijest, čovjeka su od najranijih razdoblja zanimali različiti načini

primjene, prerade i proizvodnje materijala. Prvo su to bili materijali iz primarnih izvora

poput drva, kosti, kamena. Različitim načinima obrade, tada primitivnima, čovjek ih je

oblikovao u oruđe i oružje, ali i u predmete kojima se služio u higijeni, prehrani i sl.

Odlučujude pri tome su bile vještine pojedinaca i isustva pri korištenju alata, na temelju

kojeg su proizvedeni prvi tehnički materijali; bronca, beton/cement, materijali na bazi

željeza (lijevovi i nelegirani čelik).

Razvojem prirodnih znanosti, poglavito u doba renesanse, znanstvenici su

korištenjem kvantitativnih znanja iz područja matematike, fizike, kemije i iz ostalih

područja, otkrili postupke zna dobivanje suvremenih materijala; primjerice mogudnosti

legiranja što je omogudilo strelovit napredak čeličnih legura, postupke hladnog i toplog

oblikovanja ( razvoj aluminijskih i magnezijskih legura), a u novije vrijeme ekspandirajudi

razvoj polimernih materijala.

Broj materijala od 1940. Godine, kada je počela njihova standardizacija, do danas

eksponencijalno raste. Prema nekim tvrdnjama u posljednjih 60-tak godina u primjenu je

ušlo toliko vrsta materijala koliko u svim prethodnim stoljedima. Procjene govore da

danas raspolažemo s 70 000 do 100 000 različitih vrsta materijala. lako je broj osnovnih

vrsta znatno manji, raznovrsnost se postiže varijacijama sastava i strukture kao

posljedice uvjeta dobivanja ili naknadne obrade. [1].

Slikom 1 prikazan je evolucijski razvoj primjene materijala, od primarnih (materijala

koje nalazimo u prirodi) do tehničkih (materijala korištenih tamo gdje se traže posebna

zahtjevana svojstva).

Suvremeni razvoj materijala obilježen je primjenom znanstvenih pristupa iz različitih

disciplina, kvantitativnih metoda, a u novije vrijeme i uz pomod CAD/CAM programa. Tako

su npr. mikrolegirani čelici, čelici povišene čvrstode i korozijske postojanosti, titanove

legure, Ni i Co-superlegure, polu-vodiči, legure s efektom prisjetljivosti oblika, kompozitni


materijali, tehnička keramika, intermetalni spojevi i drugi današnji materijali razvijeni

znanstvenim istraživanjima.

Slika 1. Evolucija primjene materijala

Gledajudi kroz povijest, proizvodnja čelika je porasla šest puta, a aluminija čak trinaest

puta. Razlozi ovakve nezaustavljive proizvodnje leže u porastu motivacije za štednjom

materijala dobivenih iz primarnih (neobnovljivih) sirovina što ponajvše uvjetuju sve

zahtjevniji kriteriji recikličnosti; tehnički razvoj omogudio je lakše, sigurnije i jeftinije

konstrukcije (veda nosivost, pouzdaniji su, bolje metode kontrole i sl.); međutržišna utrka

koja podiže zahtjeve kupaca ( traže se materijali koji de ispunjavati sve kriterije odabira u

nekoj konstrukciji uz uvjet njihove jeftine proizvodnje i iznad prosječnij svojstava.

Najvedi rast bilježe polimerni materijali: od nekoliko milijuna tona 60-tih godina do

današnjih oko 200 milijuna tona, s procjenom dvostruke proizvodnje za idudih 30-tak godina

[2].

2.0 Općenito o nanotehnologiji

Nanotehnologija je nova tehnološka grana koja izravno upravlja s nanočesticama, a

temelji se na njihovom poznavanju i kontroli. Nanočestice su čestice određene nanometrom

kao mjernom jedinicom. Nanometar je milijarditi dio metra, osamdeset tisuda puta tanji od

ljudske vlasi. Iako su kvantna svojstva tih čestica (građevnih jedinica tvari – atoma i


molekula) poznata još od početka 20. stoljeda, manipuliranje njima i njihova raširena

primjena počela je tek prije nešto više od dvadeset i pet godina, tj. 1981. Tada su

znanstvenici u IBM-u izumili “pretražni tunelirajudi” mikroskop (STM – Scaning tunneling

microscope) koji je omogudio detaljno promatranje atoma.

Gospodarski, društveni i etički izazovi koji proizlaze iz te velike nove revolucije (prema

nekim ona de poprimiti iste razmjere kao i otkride električne energije ili plastike, što je vrlo

izgledno) su zaista veliki i još uvijek prilično nepoznati. Danas je područje nanotehnologije u

punom zamahu. Njome se iz dana u dan bavi sve više znanstvenika i stručnjaka, a novi izumi i

načini primjene iz dana u dan su sve zanimljiviji i brojniji.

Neki od pojmova koje danas susredemo, a nose sufiks nano su: [4]

Nanoznanost se bavi proučavanjem pojava i manipulacijom materijala na atomskoj,

molekulskoj i makromolekulskoj skali, na kojoj su osobine materijala bitno različite u odnosu

na vedu skalu

Nanotehnologija omogudava djelovanje na skali atoma i molekula te iskorištavanju novih

svojstava na toj skali. To je dizajn, karakterizacija, proizvodnja i primjena struktura, uređaja i

sustava pomodu kontrole oblika i veličina na nanometarskoj skali. Različite su, te jedino

zajedničko svojstvo im je djelovanje na nanoskali.

Nanokristali su nanoskopske čestice koje sadrže od nekoliko stotina do nekoliko desetaka

tisuda atoma koji su uređeni u kristalnu strukturu. Oblik im je takav da minimizira slobodnu

energiju ili površinsku napetost, tj. oni su kompaktne strukture koje sliče kuglama. Zbog

velike izložene površine, mogu biti vrlo kemijski aktivni i nestabilni.

Nanonakupina jest nakupina atoma ili molekula čije su karakteristične dimenzija nekoliko

nanometara

2.1 Nanostruktuirani materijali i njihova primjena

Pojam “nanostrukturirani” (ili “nanofazni”) materijali odnosi se na one materijale čije

su dimenzije faza (čestica praška, zrna strukture ili proizvedenih slojeva) reda veličine od


nekoliko do stotinjak nanometara [3]. Nanostrukturirani materijali se ponašaju bitno različito

od današnjih mikrostrukturiranih. Tako npr. mnogo sitnija zrna u strukturi rezultiraju vedom

gustodom, nekoliko puta višim vrijednostima mehaničkih svojstava (čvrstode, tvrdode,

duktilnosti i sl.) kao i neočekivanim kombinacijama drugih svojstava. Tako metali mogu

postati poluvodiči ili mijenjati izvornu boju, keramika postati savitljiva ili prozirna kao staklo

itd.

Primjena nanostruktuiranih materijala pruža mnogobrojne mogudnosti razvoja

materijala poboljšanih svojstava za primjenu u elektronici, optoelektronici, strojarstvu,

kemijskom inženjerstvu, mikrobiološkim i biomedicinskim područjima. Procjenjuje se da se u

800 pogona samo u SAD-u proizvodi više od 700 tipova nanomaterijala, od kojih su mnogi

ved u svakodnevnoj uporabi.

Jedno od postignuda nanotehnologije koje najviše obedava je ugljična nanocijev. Taj

materijal je “jači od paukove mreže” i do 100 puta čvršdi od čelika, no cijena proizvodnje od

80 eura za gram još nije isplativa, da bi to bila mora dosedi cijenu od 1 €/gram . Za takvo

nešto gotovo da i ne postoji granica primjene ako se postigne isplativa cijena proizvodnje.

Jedan od zanimljivijih načina primjene nanotehnologije je onaj u tekstilnoj industriji. Naime,

izumljene su hlače i majice otporne na mrlje i gužvanje.

2.1 Prednosti i nedostaci nanotehnologije

Ono što je najveda prednost, glavna i fascinantna odlika nanotehnologije, ujedno je i

njena najveda mana tj. opasnost, a to je veličina čestica kojima se bavi. Svijet

nanotehnologije golom je oku nevidljiv, ali je njegov potencijalni učinak na naš svijet zapravo

ogroman.

O opasnostima nanotehnologije za zdravlje, sigurnost i okoliš, malo se zna, a rizik je

velik i prilično zabrinjava mnoge znanstvenike, jer strah od nepoznatog jedan je od

najneugodnijih. Zato predstavnici industrija i prvenstveno organizacija za zaštitu okoliša traže

od vlasti u visokorazvijenim zemljama veda ulaganja u istraživanja sigurnosti primjene

nanotehnologije, uz poseban naglasak na utvrđivanje jedinstvenih smjernica o procjeni

potencijalnih opasnosti.


Problem je u tome što se velike svote ulažu u razvoj nanotehnologije, a iznosi

namijenjeni za istraživanje na području sigurnosti su višestruko manji. Tako je na primjer

američka vlada u proračunu za 2006. namijenila 1,1 milijardu dolara za istraživanja na

području nanotehnologije, od čega je samo 37 milijuna dolara predviđeno za istraživanje

sigurnosti. Neki od tipičnih primjera bioloških sfera čije vrijednosti opisujemo nanometrima

prikazani su tablicom 1.

Tablica 1 - Primjeri iz priroda i njihova veličina u nanometrima [4]

ELEMENT Veličina u nm

Crveni mrav 5 mm

Ljudska kosa (širina) 80.000

Promjer tipične bakterije 1.000-10.000

Prosječna valna dužina vidljive svjetlosti 400-700

HIV 90

Valna duljina ultraljubičaste svjetlosti 40

Stanična membrana 10

Promjer DNK 2,5

Deset atoma vodika 1

Molekula vode (širina) 0,3

Primjeri iz priroda i njihova veličina u

nanometrima

3.0 Razvoj mikro i nano elektromehaničkih sustava (MEMS i

NEMS)

Jedno od najvažnijih znanstvenih dostignuda posljednnjih 20 godina zasigurno su bila

razvoj MEMS – mikroelektromehaničkih sustava i njihova novija inačica NEMS - nano

mikroelektromehanički sustavi. Zaprao riječ je o tehnologijama koje predstavljau sklopove u

mikro i nano svijetu koji su prvi puta bili korišteni izumom mikroprocesora i inegriranih

krugova, a danas ih nalazimo u svakom proizvodu koji u sebi ima neki oblik mikro ili nano

senzora [5].


Najuočljiviji primjer upotrebe ovih sustava je u industriji računalnih komponenata, koje

nas svakim danom fasciniraju svojim performansama poput procesora sa više jezgri, bio-

mikročipova i sl. Ostale primjene uredaja MEMS uključuju kemijska osjetila, osjetila plina,

infracrvene detektore i žarišna polja za promatranje zemljine ravnine, svemirsku znanost i

primjenu u obrani od raketa, pikosatelita za primjenu u svemiru, te razni hidraulicki,

pneumatski i ostali potrošacki proizvodi. MEMS uredaji takoder se primjenjuju u sustavima

za magnetsko spremanje podataka, gdje su se razvili za visoku gustodu snimanja magnetskih

diskova.

Dobro razumijevanje MEMS i NEMS sustava zahtijeva, prije svega, neka osnovna znanja i

materijalima korištenima u njihovoj izradi. Obzirom kako su oni temeljni nosioci svojstava,

pravilan odabir de omogudit često i postizanje optimalnih performansi. Današnji

MEMS/NEMS uređaji su rijetko proizvedeni od samo jednog materijala, uglavnom se radi o

spektru materijala, gdje svaki odrađuje važnu funkciju često radedi u sprezi s onim drugim.[6]

Činjenica zašto su materijali ovdje važni jest i usmjerenost u pravcu povedanja njihove

pouzdanosti: otpornosti na trošenje, dinamičke izdržljivosti i otpornosti na krhki lom, a

posebno važna i značajna je struktura i stanje površine koja mora biti glatka i kemijski

aktivna. Također MEMS/NEMS uređaji su skloni visokim statičkim trenjima u normalnom

radu koje u konačnicu mogu dovesti do loma – kvara.

U sljededim poglavljima biti de prikazane osnovne skupine materijala koje se danas

koriste u MEMS/NEMS sustavima; materijali na bazi silicija,germanija, materijali na bazi ne-

željeznih legura, priodni materijali (poluvodiči u agresivnim sredinama), poluvodiči rijetkih

legura, feroelektrični materijali i polimeri.

4.0 Materijali u MEMS/NEMS sustavima

4.1 Materijali na bazi silicija

Osnovna sirovina za industrijsko dobivanje silicija je kvarcni pijesak (SiO2). Sam

postupak dobivanja sastoji se iz redukcije silicij – kvarcnog pijeska, pri visokoj temperaturi, uz

prisustvo željeza, odnosno formiranje ferosilicija (legure željeza i silicija) iz kojeg se kemijskim


postupkom izdvaja polikristalni silicij. Od takvo dobivenog polikristalnog silicija poslije

prečišdavanja dobiva se monokristalni silicij. Polikristalni i monokristalni silicij najčešde su

korišteni poluvodički materijali u mikro i nanotehnologijama za dobivanje senzora i

integriranih krugova.

Glavna prednost Si je visoki indirektni energetski pojas. Širina energetskog pojasa je

bitna i poželjno je da bude što veda, jer je tada veda i gornja granična radna temperatura,

koja predstavlja temperaturu pri kojoj nastaju intenzivni termalni prelasci elektrona iz

valentnog u vodljivi pojas. Radna temperatura Si je do 200 °C, a indirektni energetski pojas

iznosi 1,11 eV.

4.1.1 Monokristalni silicij

Monokristalni silicij koristi se za izradu silicijeve monokristalne pločice (eng. wafer).

Izgled silicijeve monokristalne pločice prikazan je slikom 2.

Slika 2 Silicijska monokristalna pločica

Silicijeva monokristalna pločica se dobiva iz monokristalnog ingota (štapa) silicija koji

se reže u pločice debljine 250 – 650 µm posebnim pilama u obliku koluta ili laserom. Izgled

silicijevog monokristalnog ignota prikazan je slikom 3.


Slika 3 Silicijev monokristalni ignot

Duljina originalnog silicijskog kristala je do 2 m, a promjer od 2 do preko 20 cm.

Nakon rezanja silicijeve monokristalne pločice iz monokristalnoga ignota površina pločice

ostaje mehanički oštedena, pa je zbog toga potrebno provesti brušenje pločice, a nakon toga

poliranje tkaninom do visokog optičkog sjaja. Na taj način dobije se silicijska pločica

pravilnog kružnog oblika s jednim ravnim bridom. Taj se ravni brid oblikuje tako da

predstavlja jedan točno određen kristalografski smjer i njegov proces oblikovanja odvija se

još dok je monokristal u obliku šipke. Točnost tog ravnog brida tehnologijski je važna za

pravilan raspored čipova po pločici.

Narastanje monokristalnog silicija na supstratu (podlozi) opisuje se kroz tehnološki

postupak u kojem se pločice koriste kao podloga (klica) za rast kristala epitaksijalnim

postupkom. Epitaksijalni rast je proces nanošenja epitaksijalnog n-sloja atoma Si i atoma

primjesa na p-tip podloge. Proces se odvija u epitaksijalnom reaktoru na temperaturi od oko

1000 °C. Debljina epitaksijalnog sloja je reda 3-10 µm. Za vrijeme epitaksijalnog rasta plinovi

koji sadržavaju silicijeve atome struje preko silicijevih pločica. Najčešde upotrebljavani plin je

vodik sa silicij-tetrakloridom (SiCl4) ili silanom (SiH4). Vodikovom redukcijom silicij-

tetraklorida ili pirolitičkom dekompozicijom silana dobivaju se silicijevi atomi koji se talože na

površini silicijevih pločica. Zbog prirode epitaksijalnog procesa silicijevi atomi de se taložiti

ravnomjerno na kristalnu strukturu pločice.

Da bi se ostvarile različite elektronske komponente potrebno je imati P i N tip

poluvodiča. Taj P i N tip poluvodiča unose se tijekom procesa u kontroliranim iznosima

donorskih ili akceptorskih atoma u struju nosečeg plina i tako se talože na pločici zajedno sa

silicijevim atomima.


Da bi se zaštitila nanešena površina P i N tipa poluvodiča provodi se oksidacija

površine silicija. Oksidirana površina silicija također služi kao dielektrik MOS – kondenzatora i

tranzistora, te kao izolator preko kojega se nanose metalne veze među pojedinim

komponentama monolitnog integriranog sklopa. Također, oksidirana površina zaštiduje

površinu da kemijski teško reagira s vanjskim elemetnima i spojevima.

Oksidacija površine silicija obično se postiže termičkim rastom silicij-dioksida ili

pirolitičkom depozicijom silicij nitrida. Debljina oksidnog sloja je 0,1 µm.

Nakon pasivizacije površine nanošenjem oksidnog sloja, površina silicijeve pločice

pokriva se fotoosjetljivom emulzijom poznatom kao fotorezist. Ukoliko se u oksidnom sloju

želi napraviti otvor za selektivnu difuziju primjesa tada na optičkoj masci područje koje

odgovara otvoru za difuziju mora biti neprozirno za ultraljubičasto svijetlo. Usljed djelovanja

ultraljubičastog svijetla dolazi do polimerizacije fotorezista u osvijetljenom dijelu, a u

neosvijetljenom dijelu fotorezist ostaje nepolimeriziran.

Vrsta fotorezista koji se polimerizira pod utjecajem ultraljubičastog svijetla naziva se

negativni fotorezist. Djelovanjem odgovarajudeg razvijača odstranjuje se nepolimerizirani

fotorezist iz neosvijetljenog dijela, dok na polimerizirani fotorezist taj razvijač ne djeluje.

Djelovanjem flourovodične kiseline uklanja se sloj silicij – dioksida s površine koja nije

prekrivena polimeriziranim fotorezistom, a kiselinom se uklanja preostali sloj silicij - dioksida

s odgovarajudim otvorima za difuziju primjesa. Fotolitografski postupak prikazan je slikom 4.


Slika 4 Prikaz fotolitografskog postupka

Gdje je: a) oksidirana pločica, b) nanošenje fotorezista na oksidni sloj, c) djelovanje na fotorezist ultraljubičastim svejtlom, d) područja nepolimeriziranog fotorezista, e) odstranjenej nepolimeriziranog fotorezista, f) odstranjenje oksidnog sloja, g) odstranjenje polimeriziranog fotorezista

Postupkom difuzije upravljivo se unose primjese u pločicu kroz difuzijske otvore.

Difuzijom primjesa P – tipa na epitaksijalni N – sloj (ili obrnuto) formira se PN spoj.

Nakon što su fotolitografskim postupkom i postupkom difuzije napravljene pojedine

komponente sklopova vrši se postupak metalizacije kojim se izrađuju veze između metalnih

kontakata s pojedinim komponentama sklopova, kao i vanjske veze preko sloja oksida.

Najčešdi materijal koji se koristi za metalizaciju je aluminij zbog toga što ima nizak iznos

električne otpornosti i dobro prijanja na sloj silicijevog dioksida, te dobro odvodi toplinu.


Poslije ovih postupaka dobiva se konačan izgled pločice. Pločica se sastoji od "peleta"

i "ulica". Svaki pelet predstavlja jednu komponentu (npr. diodu). Konačan izgled pločice

prikazan je slikom 5.

Slika 5 Konačan izgled pločice

Prednosti mehaničkih svojstava monokristalnog silicija omoguduju mu široku

primjenu kao materijala u nanotehnologiji. Monokristalni silicij ima poželjna mehanička

svojstva, odnosno Youngov modul elastičnosti mu iznosi 190 Gpa, što mu omoguduje

primjenu u izradi membrana, za izradu piezootpornih senzora za mjerenje tlaka,

akcelerometara i mehaničkih rezonatora.

4.1.2 Polikristalni i amorfni silicij

Polikristalni silicij svoju primjenu u nanotehnologiji nalazi kao strukturni materijal, na

njega se potom nanosi sloj SiO2 kao žrtvovani materijal, dok se pojedine strukture

napravljene od polikristalnog silicija izoliraju silicij nitridom (Si3N4). Polikristalni silicij nanosi

se na površinu od monokristalnog silicija. Kod SiO2 se temperaturno može potaknuti rast

nanočestica ili se može nanijeti na polikristalni silicij pri širokom spektru temperatura

odnosno od 250 °C do 1150 °C. To omoguduje da se tako nanešeni SiO2 može podvrgnuti

kasnijim toplinskim obradama za poboljšanje svojstava materijala. SiO2 se izrazito dobro topi

u florovidičnim kiselinama (HF) koje ne ošteduju polikristalni silicij i zbog toga se ove kiseline

koriste za skidanje SiO2 žrtvovanih slojeva.

Pri izradi nanoprocesora i integriranih sklopova filmovi polikristalnog silicija se

uobičajeno nanose LPCVD postupkom (low- pressure chemical vapour deposition). Reaktor

za nanošenje polikristalnog silicija LPCVD postupkom sadrži užareni zid koji se zagrijava sa


toplinski užarenom pedi. Ovaj proces se najčešde odvija pri temperaturama od 580 °C do 650

°C i tlaku od 100 do 400 mmHg (13 328 do 53 313 Pa). Plin koji se najčešde koristi za

nanošenje polikristalnog silicija u tim pedima je silan (SiH4). Mikrostruktura tankih filmova

polikristalnog silicija sadrži različita mala zrna čija su orijentacija i mikrostruktura funkcija

depozicijskog nanošenja.

Otpornost polikristalnog silicija se također može modificirati metodama dodavanja

primjesa koje su razvijene za monokristalni silicij. Najčešde korišteni princip za dodavanje

primjesa je difuzija, poglavito ukoliko nanosimo vedu količinu tankog sloja. Fosfor je najčešde

korišteni element za dodavanje zato što difudira znatno brže u polikristalni silicij nego u

monokristalni. Osim difuzije za dodavanje primjesa u polikristalni silicij se također koristi i

implantacija iona. Nakon implantacije iona potrebno je provesti visokotemperaturno žarenje

da bi se aktivirala električna svojstva u implantiranim ionima i da bi se popravile greške

nastale implantacijom iona u sloj polikristalnog silicija. Na ovaj način povečava se i električna

provodljivost polikristalnog silicijevog sloja.

Dodavanje primjesa u polikristalni silicij najčešde se provodi CVD postupkom u kojem

se najčešde koriste plinovi diboran (B2H6) ili fosfin (PH3). Dodavanjem primjesa ne samo da se

poboljšava provodljivost polikristalnog silicija ved se i ubrzava proces nanošenja sloja

polikristalnog silicija na podlogu. Najčešdi element koji de ubrzati nanošenje sloja

polikristalnog silicija je bor, dok de fosfor smanjiti brzinu nanošenja.

Toplinska provodljivost polikristalnog silicija u zanačajnoj je ovisnosti o njegovoj

mikrostrukturi i o uvjetima depozicijskog nanošenja. Kod tanko nanešenih slojeva toplinska

vodljivost je oko 25 % vrijednosti toplinske vodljivosti monokristalnog silicija. Kod debelih

slojeva sa velikim zrnima toplinska provodljivost varira od 50 % do 85 % vrijednosti

monokristalnog silicija.

Zaostala naprezanja koja nastaju nanošenjem polikristalnoga sloja silicija ovisiti de o

mikrostrukturi sloja. U slojevima polikristalnog silicija nanesenim depozicijom pod tipičnim

uvjetima (200 mm HG = 26 656 Pa, 625 °C) javit de se tlačna zaostala naprezanja. Najjača

tlačna naprezanja javljaju se u amorfnom siliciju i polikristalnim silicijskim slojevima sa

rasporedom kristala u smjeru 110 kristalne rešetke. Primjer smjerova redanja kristala u

kristalnoj rešetci prikazan je na slici 6


Slika 6 Primjer smjerova redanja kristala

Da bi se smanjila tlačna zaostala naprezanja koristi se žarenje. Primjerice žarenjem

površinskog sloja polikristalnog silicija na temperaturi od 1000 °C u dušičnoj atmosferi može

se smanjiti iznos tlačnog zaostalog naprezanja sa 500 MPa na manje od 10 Mpa. U koliko je

podloga na koju je nanešen sloj polikristalnog silicija toplinski osjetljiva za redukciju zaostalih

naprezanja koristi se RTA metoda (rapid thermal annealing). Kod slojeva sa sitnozrnatom

mikrostrukturom javljaju se vlačna zaostala naprezanja.

Da bi se izbjeglo visokotemperaturno žarenje razvijen je pristup koji zapravo koristi

svojstva zaostalih naprezanja polikristalnog silicija koja su nastala zbog nanošenja

polikristalnih multislojeva u različitim uvjetima zbog potrebe da bi se načinili polikristalni

multislojevi željene debljine i iznosa naprezanja.

Zamisao od koje se krenulo bila je da se ti višestruki slojevi sastoje od naizmjeničnih

vlačnih i tlačnih polikristalnih silicijskih slojeva koji su nataloženi pravilnim redosljedom.

Utvrđeno je da se slojevi izloženi vlačnom naprezanju sastoje od finozrnatog polikristalnog

silicija koji nastaje na temperaturi od 570 °C, dok su slojevi izloženi tlačnom naprezanju

načinjeni od polikristalnih slojeva s 110 smjerom orjentacije kristala (vidi sliku 6) i nešeni su

na temperaturi od 615 °C. Bududi da ukupno naprezanje kompozitnoga filma, koji je načinjen

od tih slojeva, zavisi od broja naizmjeničnih slojeva i debljine svakog pojedinog sloja došlo se

na ideju da se izračunaju parametri koji bi omogudili da se polikristalni multislojevi silicija

nanose na takve načine da na kraju kada formiraju kompozitni film on gotovo da nema

zaostalih naprezanja niti porasta naprezanja jer su se ta naprezanja gotovo poništila

različitim orjentacijama polikristalnih multislojeva silicija. Ovim postupkom postignuto je

smanjenje naprezanja bez upotrebe visokotemperaturnog žarenja što se smatra značajnim

napretkom.


Kao alternativa za visokotemperaturni LPCVD postupak razvijen je niskotemperaturni

PVD postupak koji proizvodi tanke filmove silicija za temperaturno osjetljive površine.

Također se pojavio i PECVD postupak kao alternativa LPCDV-u procesu za proizvodnju

površinskih mikrostruktura baziranih na siliciju koje se nanose na temperaturno osjetljive

površine.

4.1.3 Porozni silicij

Porozni silicij se proizvodi na sobnoj temperaturi elektrokemijskim graviranjem silicija

u fluorovodičnoj kiselini (HF). Ukoliko se porozni silicij namjesti kao elektroda u

fluorovodičnoj kiselini, tada nosioci pozitivnog naboja na površini silicija omoguduju

razmjenu flourovih atoma sa vodikovim atomima. Ova razmjena se nastavlja u

podpovršinskom području što dovodi do odstranjivanja silicija koji sadrži flour. Kvaliteta

gravirane površine povezana je sa gustodom rupa na površini što se kontrolira primijenjenom

jakosti struje. Kod primjene visoke struje gustoda rupa je visoka i gravirana površina je glatka.

Za nisku struju gustoda rupa je niska i rupe su okupljene u lokaliziranim područjima koje su

povezane sa nepravilnostima površine.

Nepravilnosti površine se uvedavaju graviranjem što dovodi do stvaranja pora.

Veličina pora i njihova gustoda je povezana sa vrstom korištenog silicija i uvjetima u

elektrokemijskoj deliji. Ovim postupkom monokristalni i polikristalni silicij se može pretvoriti

u porozni silicij. Visoki površinsko – volumenski omjer čini porozni silicij primamljivim

materijalom za plinovitu i tekudu primjenu, kao na primjer za proizvodnju filter membrana i

apsorbirajudih slojeva kod detektiranja prisustva kemijskih elemenata i kod detektiranja

mase.

Porozni polikristalni silicij se trenutno razvija kao strukturni materijal za vakuum

pakiranje na razini čipova. Ova tehnika se koristi za pakiranje mikroproizvedenog mjernog

uređaja za vakuum koji može omoguditi mjerenje ovisnosti pritisak – vrijeme.

4.1.4 Silicij dioksid (SiO2)

Silicij dioksid je jedan od najšire korištenih materijala u proizvodnji MEMS-a (mikro

elektro mehaničkih sustava). Silicij dioksid se koristi kao žrtvovani materijal pri mikroobradi

polikristalne silicijske površine zato što se lako može ukloniti (rastopiti) korištenjem


rastvarača koji ne napadaju polikristalni silicij. Silicij dioksid je naširoko korišten kao zaštitna

maska prilikom procesa suhog graviranja debelih polikristalnih silicijskih filmova zato što je

kemijski otporan na suho gravirajude procese za polikristalni silicij. Silicij dioksidni filmovi

također se koriste kao slojevi za pasivizaciju površine za uređaje koji su osjetljivi na okolišne

uvjete.

Najčešde korišteni procesi za proizvodnju silicij dioksidnih filmova za obrađivanje

polikristalnih silicijskih površina su toplinska oksidacija i LPCVD. Toplinska oksidacija silicija se

provodi na temperaturama od 900 °C do 1200 °C u prisustvu kisika ili pare. Bududi da je

toplinska oksidacija sam po sebi ograničen proces, maksimalna praktična debljina filma koja

se može postidi iznosi oko 2 µm, što je dovoljno za mnoge žrtvovane primjene.

Silicij dioksidni filmovi se mogu deponirati na različite i vrste podloga korištenjem

LPCVD metode. Opdenito LPCVD metoda omoguduje način deponiranja debelih SiO2 filmova

na temperaturama mnogo nižim nego kod toplinske oksidacije. Ovi SiO2 filmovi poznati su

kao oksidi niske temperature ili LTO (low temperature oxides) i oni imaju višu brzinu

graviranja (urezivanja) u fluorovodičnoj kiselini (HF) nego oksidi kojima treba toplinska

aktivacija (thermal oxides), što drugim riječima dovodi do bržeg načina proizvodnje. Filmovi

od fosforsilikatnog stakla (PSG = phosphosilicate glass) se mogu napraviti korištenjem skoro

istog procesa deponiranja kao za LTO filmove ukoliko dodamo plin koji sadrži fosfor . PSG

filmovi su veoma korisni kao žrtveni slojevi bududi da se brže graviraju u površinu u

fluorovodičnoj kiselini (HF) nego LTO filmovi.

PSG i LTO filmovi se deponiraju u niskotlačnim pedima sa užarenim zidovima na slične

načine kao u prethodno opisanim postupcima za polikristalni silicij. Početni plinovi uključuju

SiH4 kao izvor silicija, O2 kao izvor kisika, a za PSG se koristi PH3 kao izvor fosfora. LTO i PSG

filmovi su najčešde deponirani na temperaturama od 425 °C do 450 °C i tlakovima u rasponu

od 200 mmHg do 400 mmHg od (od 26 656 Pa do 53 313 Pa). Kao posljedica niskih

temperatura deponiranja LTO i PSG filmovi su rjeđi nego toplinski oksidi zbog ulaženja kisika

u film. Ipak LTO filmovi se mogu zgusnuti postupkom žarenja na visokoj temperaturi od

1000°C. Niska gustoda LTO i PSG filmova je djelomično odgovorna za povedanu brzinu

graviranja u fluorovodičnoj kiselini (HF).


Toplinski proizveden silicij dioksid (termal SiO2) i LTO postupak se koriste kao

električni izolatori za MEMS primjene. Postojede naprezanje u toplinski dobivenom silicij

dioksidu je tlačno i njegova snaga iznosi 300 MPa. Kod LTO postupka uobičajeno naprezanje

je vlačno i ono iznosi 100 MPa do 400 MPa. Dodavanjem fosfora smanjuju se vlačna zaostala

naprezanje na otprilike 10 Mpa ukoliko je koncentracija fosfora 8 %. Karakteristike LTO i PSG

filmova ovisne su o uvjetima proizvodnje kao i kod polikristalnog silicija.

PECVD (Plasma enhanced chemical vapour deposition) proces još je jedna uobičajena

metoda za proizvodnju filmova silicijskih oksida. Zbog korištenja plazme za rastavljanje

predprocesnih plinova, temperature koje su potrebne da bi se deponirali PECVD oksidni

filmovi su niže nego one potrebne za deponiranje LPCVD filmova. Iz tog razloga PECVD oksidi

su izrazito učestalo korišteni za maskiranje, pasivizaciju i kao zaštitni slojevi posebno za

uređaje prevučene metalima.

Kvarc je kristalografski oblik silicij dioksida i ima zanimljiva svojstva za MEMS

primjenu. Kvarc je optički providan, ima piezoelektrična svojstva i električni je izolator.

Kvarcna podnožja se koriste za visokokvalitetne širokopojasne pločice koje se mogu masovno

mikrooblikovati korištenjem anizotropnog urezivanja.

Još jedan materijal na bazi silicij dioksida koji se koristi u MEMS aplikacijama je SOG

(Spin – on – glass). SOG je polimerni materijal sa viskoznošdu povoljnom za prevlačenje

vrtnjom (spin coating).

4.1.5 Silicijev nitrid (Si3N4)

Silicijev nitrid (Si3N4) ima široku upotrebu u MEMS aplikacijama kao električni

izolator, za pasivizaciju površine, za zaštitu prilikom graviranja i kao materijal za membrane i

ostale vertikalne strukture. Za deponiranje tankih Si3N4 filmova se koriste dvije metode, a to

su LPCVD i PECVD metode. PECVD silicijski nitrid je vedinom nestehiometrijski i može

sadržavati značajne koncentracije vodika. Korištenje PECVD silicijskog nitrida u

mikroproizvodnim procesima je ograničeno zbog podložnosti brzom izgaranju u

fluorovodičnoj kiselini. No ipak PECVD metoda nudi mogudnost deponiranja silicij nitridnih

filmova koji nemaju zaostala naprezanja, što de omoguditi da kasnije nede dodi do pucanja

filmova.


Za razliku od PECVD postupka, LPCVD metodom nanesen Si3N4 je izrazito otporan na

kemikalije, što ga čini omiljenim materijalom za masovnu proizvodnju uređaja na površina

baziranim na siliciju. LPCVD metodom nanesen Si3N4 je često korišten kao izolacijski sloj jer

ima dobru otpornost. LPCVD Si3N4 filmovi se deponiraju u horizontalnim pedima koje su

slične pedima koje se koriste za deponiranje polikristalnog silicija. Tipične temperature

deponiranja su između 700 °C i 900 °C, a tipični tlakovi su 200 mmHg i 500 mmHg (26 656 Pa

i 66 641Pa). Standardi plinovi koji se koriste za dobivanje Si3N4 filmova su dikorosilan

(SiH2Cl2) i amonijak (NH3). Mikrostruktura filmova deponiranih na taj način je amorfna.

Zaostala naprezanja u stehiometrijskom Si3N4 su vlačna, velikog su iznosa i iznose oko

1 GPa. Toliko velika zaostala naprezanja uzrokuju da na filmovima koji su deblji od nekoliko

desetaka mikrometara nastaju pukotine. No ipak tanki stehiometrijski Si3N4 filmovi se

upotrebljavaju kao mehaničke potporne strukture i električni izolatori u piezootpornim

senzorima za tlak. Da bi se omogudila upotreba Si3N4 filmova za primjene koje zahtijevaju

membrane koje trebaju biti mikronski tanke, izdržljive i kemijski otporne vrši se deponiranje

LPCVD postupkom.

Ovako deponirani filmovi, koji se često smatraju kao bogati silicijem ili niskotlačnim

nitridom, namjerno su deponirani sa suviškom silicija zato da bi se jednostavno smanjila

proporcija NH3 prema SiH2Cl2 za vrijeme deponiranja.

Filmovi koji su gotovo bez zaostalih naprezanja mogu se deponirati na taj način što

demo upotrijebiti omjer NH3 :SiH2Cl2 u iznosu 1:6, na temperaturi depozicije 850 °C i tlaku od

500 mmHg (66 641 Pa). Povedavanjem udjela silicija dovodi se do smanjenja vlačnih

naprezanja, ali također i do smanjenja brzine graviranja spomenutih filmova u fluorovodičnoj

kiselini. No upravo ovakva svojstva su omogudila razvoj metoda proizvodnje koja inače ne bi

bila moguda sa stehiometrijskim Si3N4.

Primjerice silicij nitrid sa niskim stupnjem naprezanja se površinski mikrooblikovao

korištenjem polikristalnog silicija kao žrtvovanog materijala. Ovo je posebno važna odlika

prilikom proizvodnje nitridskih filmova koji imaju veliku otpornost na fluorovodične kiseline.


4.2 Materijali na bazi germanija

Germanij je kemijski element 14.grupe periodnog sustava. Prisustvo germanija u

prirodi je relativno veliko. Industrijski germanij dobiva se kao sporedni proizvod u proizvodnji

cinka i koksa. Postupak dobivanja sastoji se u proizvodnji germanij tetraklorida (GeCl4) od

kojeg se kemijskim putem izdvaja polikristalni germanij, koji je osnova za dobivanje

monokristalnog germanija. Ima sličnu strukturu kao u silicij, metalne je boje, tvrd i krt. Čisti

germanij ne reagira na vodik, a sa kisikom gradi germanij monoksid ili germanij dioksid koji

se dobro otapa u vodi pri čemu nastaje izrazito električno vodljiva otopina. Kemijski reagira

sa sumporom, dušikom, a pri povišenim temperaturama i sa halogenim elementima.

Godine 1945. napravljena je prva dioda i to od germanija, 1948. godine i transistor.

Danas kao poluvodički material u velikoj mjeri zamijenjem je silicijem. Prednost silicija je u

vedoj širini energetskog pojasa, što znači da se može bez vedeg termičkog šuma, koristiti i na

dvostruko vedim temperaturama (do 2000C). Osim toga silicij je jeftiniji. U elektrotehnici

germanij se u novije vrijeme koristi za specijalne poluvodiče *7+

4.2.1 Poliktristalni germanij

Tanki filmovi polikristalnog germanija mogu biti nanešeni LPCVD tehnikom na

temperaturama nižim od 3250C na silicij, germanij ili silicij-germanij čestice. Germanij ne

tvori jezgre na površini silicija čime se sprečava korištenje zaštitnih filmova koji bi spriječili

reakciju dvaju materijala. Nakon naparivanja germanija poželjno je provesti odžarivanje na

temperaturi od oko 6000C u trajanju od 30s, nakon čega u materijalu gotovo da i ne postoje

zaostala naprezanja.

Mehanička svojstva polikristalnog germanija su usporediva sa polikristalnim silicijem

(modul elastičnosti oko 132 GPa) i lomna žilavost između 1.5 – 3.0 GPa. Obzirom kako

mješavine vode, dušidne kiseline u klorovodične kiseline postupno nagrizaju germanij, dok

polikristalni silicij i silicij nenagrizaju, polikristalni germanij može biti korišten kao žrtvena

podloga na dijelovima napravljenima na bazi silicija, najčešde su to senzori topline i pritiska

[6]


4.2.1 Poliktristalni silicij-germanij (SiGe)

Slično kao i polikristalni germanij, polikristalni silicij germanij može biti nanešen CVD

tehnikom na bilo koji sloj na bazi silicija; jedino što su temperature naparivanja između 450 –

625 0C, gdje viša temperatura znači i veda zaostala naprezanja. Kao u polikristalni silicij, SiGe

može biti dodan bor i fosfor kako bi se poboljšala svojstva vodljivosti. Viši udio germanija

znači i vedu osjetljivost površine na provodljivost i zaostala naprezanja.

Danas se polikristalni germanij najčešde koristi kao za izradu termoosjetljivih elemenata

posebice zbog svoje niske toplinske provodljivosti koja je slična siliciju.

4.3 Metalni materijali na bazi neželjeznih legrua

Može se tvrditi da se od svih kategorija materijala povezanih s MEMS-om, metali

ubrajaju među one koji najviše obedavaju. Ta tvrdnja prvenstveno počiva na činjenici kako se

metalni tanki filmovi koriste u mnogim različitim tehnikama - od gravirnih maski koji se

koriste u proizvodnji uređaja za meduspojnice pa do strukturnih elemenata kod mikroosjetila

i mikropobuđivala. Metalni tanki filmovi mogu biti nanešeni koristedi širok raspon tehnika,

uključujudi i isparavanje, raspršivanje, CVD i elektronanošenje.

Aluminiji (Al) i zlato (Au) se ubrajaju u široko korištenu grupu metala u

mikroproizvedenim elektronskim i elektromehaničkim uređajima. Pored ovih važnih

električnih funkcija, Al i Au su takoder poželjni kao elektromehanički materijali. Magnetsko

pobuđivalo u mikrouređajima opdenito zahtijeva da magnetski slojevi budu relativno debeli

(deseci do stotine mikrometara) za generiranje magnetskog polja dovoljno velike snage da

inducira željeno pokretanje.

Pored elementarnih metala i jednostavno kombiniranih legura, složenije metalne legure

obicno korištene u komercijalnim makroskopskim primjenama sve više pronalaze svoj put u

MEMS primjenama. Jedan takav primjer je legura titana poznata kao Ti-6Al-4V. Sastavljena je

od 88 % titana, 6 % aluminija i 4 % vanadija. Ova legura se široko koristi u komercijalnom

zrakoplovstvu zbog svoje težine, čvrstode i temperaturne tolerancije.


Također jedna od češde korištenih legura, i to s efektom prisjetljivosti oblika je i TiNi,

koja se može jako lako oblikovati u tanke filmove i koristiti u magnetskim aktuatorima za

prijenos visokofrekventnih signala.

4.4 Poluvodiči za agresivne sredine

4.4.1 Silicij karbid (SiC)

Dugo vremena silicij karbid (SiC) je bio prepoznat kao vodedi poluvodički materijal za

upotrebu pri visokim temperaturama i elektroničkim uređajima za visoku struju, a trenutno

je u procesu njegov razvoj kao prirodnog poluvodiča u MEMS aplikacijama. SiC je polimorfan

materijal koji postoji u kubičnoj, heksagonalnoj i romboidnoj kristalnoj strukturi. Kubični

oblik SiC zove se 3C-SiC i njegova elektronska barijera iznosi 2.3 V, što je čini dvostruko

vedom nego kod silicija. Također su otkriveni mnogi heksagonalni 4H-SiC i romboidni

prototipovi 6H-SiC. Elektronske barijere 4H (2.9V) i 6H SiC (3.2V) su čak vede nego kod 3C-SiC

filmova. SiC filmovima se mogu dodavati primjese tako da kreiraju n-tip i p-tip materijala.

Young-ov modul SiC još je uvijek predmet istraživanja, ali najčešde se krede između 300 GPa i

450 GPa što ovisi o mikrostrukturi i tehnici mjerenja.

SiC je materijal koji se ne topi, nego radije sublimira na temperaturama višim od 1800

°C. Monokristalne 4H – i 6H – SiC pločice su komercijalno dostupne no dijametralno su

manje i mnogo skuplje nego Si pločice.

Tanki filmovi SiC mogu se uzgajati ili deponirati korištenjem velikog broja različitih

tehnika. Da bi se dobili visokokvalitetni monokristalni filmovi najčešde se koriste APCVD i

LPCVD procesi. Homoepitaksijalni rast 4H – i 6H – SiC daje visokokvalitetne filmove koji su

povoljni za mikroelektronske primjene, ali samo pod uvjetom ako se koriste na podlogama

od istog materijala.

Ovi procesi najčešde zahtijevaju prisustvo plinova SiH4 i c3H8 i provode se na

temperaturama između 1500 °C i 1700 °C. Epitaksijalni filmovi sa provodnošdu p–tipa i n–

tipa uzgajaju se korištenjem aluminija i bora za filmove p - tipa, a za uzgoj filmova samo n -

tipa koriste se dušik i fosfor. Dušik je toliko učinkovit u mijenjanju provodnosti SiC pa je zbog

toga uzgoj SiC filmova bez primjesa dušika izuzetno teško postidi.


APCVD i LPCVD postupci se također koriste za deponiranje 3C – SiC na silicijsku

površinu. U ovom slučaju heteroepitaksijalni rast je mogud usprkos 20% neslaganju kristalne

rešetke među kristalima silicija i 3C-SiC kristalima. Ovaj proces rasta uključuje dva koraka.

Prvi korak se naziva karbonizacija i pretvara najbliži dio površine silicijske podloge u 3C–SiC

tako što ga izlaže hidrougljičnoj ili hidrovodičnoj smjesi na temperaturama višim od 1200 °C.

Na taj način karbonizirani sloj formira kristalnu pozadinu na kojoj se 3C-SiC film može uzgojiti

tako što se dodaje plin koji sadrži silicij u hidrovodičnu ili hidrougljičnu smjesu.

Neslaganjem kristalne rešetke između silicija i 3C–SiC rezultira formiranjem kristalnih

nepravilnosti u 3C–SiC filmovima sa gustodom nepravilnosti koja je najviša u karboniziranom

sloju, a smanjuje se sa povedanjem debljine. Kvaliteta kristala 3C-SiC filma nije ni približna

kao kod epitaksijalno uzgojenih 4H– i 6H-SiC filmova. No zbog činjenice da se 3C-SiC film

može uzgojiti na silicijevim površinama omogudeno je i korištenje mnogih silicijevih

mikroproizvodnih tehnika za proizvodnju mehaničkih uređaja sa nanešenim 3C-SiC. Tim

mikroproizvodnim tehnikama proizvode se mikrosenzori za promjenu tlaka i

nanoelektromehanički uređaji za promjenu rezonancije.

Polikristalni SiC se može raznoliko upotrebljavati u MEMS aplikacijama nego njegovi

monokristalni oblici. Za razliku od monokristalnog silicija, polikristalni silicij se može

deponirati na različite tipove površine uključujudi materijale kao što su polikristalni silicij,

silicij dioksid i Si3N4. Najčešde korištene tehnike za to su LPCVD i APCVD. Deponiranje

polikristalnog silicija zahtjeva znatno manje temperature površine nego kod epitaksijalnih

filmova za koje su potrebne temperature od 700 °C do 1200 °C. Amorfni SiC se može

deponirati na čak manjim temperaturama (25 do 400 °C) koristedi se PECVD tehnikom i

tehnikom raspršivanja. Mikrostruktura polikristalnih SiC filmova ovisna je o temperaturi,

površini i tehnici nanošenja.

SiC filmovi koji su deponirani APCVD i LPCVD tehnikom imaju visoka vlačna

naprezanja veličine nekoliko tisuda MPa. Također gradijenti zaostalih naprezanja su pretežno

visoki što dovodi do značajnog savojnog izvijanja ravnina i ta savijanja se lokaliziraju na

jednoj lokaciji. Žarenje poslije deponiranja je nepraktično za filmove deponirane na silicijsku

površinu zbog toplinske stabilnosti silicija bududi da temperature koje su potrebne da bi se

značajno modificirala površina najčešde prelaze granicu topljivosti pločice.


Za LPCVD postupke koji koriste SiH2Cl2 i C2H2 plinove postoji veza između tlaka za

deponiranje i zaostalih naprezanja što omoguduje deponiranje polikristalnih SiC filmova bez

primjesa gotovo bez zaostalih naprezanja i sa beznačajnim gradijentima naprezanja. Ovaj

postupak se kasnije primijenio i na filmove kojima su dodavane primjese dušika.

Izravna masovna mikroproizvodnja SiC je izrazito teška zbog kemijske inertnosti SiC.

Iako konvencionalne mokre kemijske tehnike nisu efektivne, nekoliko elektrokemijskih

procesa korištenih za graviranje su se pokazale dobrim i korišteni su u proizvodnji 6H–SiC

senzora za tlak. Procesi graviranja se moraju birati prema provodljivosti materijala, pa zbog

toga dimenzijska kontrola graviranih slojeva zavisna je o mogudnosti formiranja slojeva sa

dodanim primjesama, što se jedino može postidi sa implantacijom iona bududi da difuzija iz

krutih elemenata nije moguda na prihvatljivim temperaturama. Ovaj uvjet ograničava

geometrijsku kompleksnost šablonski proizvedenih struktura, jer se ovakve strukture bolje

proizvode postupcima nanošenja plazmom.

Za proizvodnju tankih, trodimenzionalnih dobrih svojstava SiC strukture razvijena je

tehnika kalupljenja. Kalupi se proizvode od silicijeve površine korištenjem DRIE (deep

reactive ion etching = duboko reaktivno nanošenje iona) postupka i potom se ti kalupi pune

SiC sa kombinacijom tankog epitaksijalnog i debelog polikristalnog filma nanesenog CVD

procesom. Proces nanošenja tankog filma koristi se da bi zaštitio kalup od brazdi koje su

nastale sa agresivnim punjenjem kalupa rastudeg SiC. Proces punjenja kalupa obavija sve

površine kalupa sa SiC filmom čija je debljina onolika koliko je kalup dubok. Da bi se

oslobodila SiC struktura, površina se prvo mehanički ispolira da bi se otkrili presijeci silicijeva

kalupa, nakon toga površina se uroni u otopine za nagrizanje koje de potpuno rastopiti kalup.

Masovno mikrooblikovane SiC strukture se mogu proizvesti i korištenjem sinteriranog

SiC praha. Tako postoji proces gdje se SiC karbidne komponente, primjerice kao što su mikro

plinski motorni rotori, mogu proizvesti od silicij karbidnog praha korištenjem

mikroreaktivnog procesa za sinteriranje. Kalupi za to su mikrooblikovani od silicija

korištenjem DRIE metode i popunjeni su sa silicij karbidnim i ugljičnim prahom i ispunjenim

sa fenolnom smolom. Kalupi su potom reakcijski sinterirani korištenjem vrudeg izostatičkog

prešanja. SiC komponente se tada oslobađaju iz silicijevog kalupa sa mokrim kemijskim

otapanjem. Ovim postupkom postignuto volumno smanjenje komponenata je bilo manje od


3%. Savojna čvrstoda i tvrdoda po Vickersu za taj mikroreakcijski sinterirani materijal je grubo

oko 70 do 80 % komercijalno dostupnih reakcijski sinteriranih SiC, i ta je razlika nastala zbog

prisutnosti netaknutog silicija u mikronskim komponentama.

Nadalje razvijen je proces kojim se razvijaju silicij karbo nitridne (SiCN) MEMS

strukture i one se dobivaju taljenjem polimernih tvorevina koje se mogu ubrizgavati. Ova

metoda koristi SU-8 fotootporan polimer za kalup. SU-8 je polimer kojeg je mogude

višestruko oblikovati svjetlošdu jer kod njega debeli filmovi se mogu proizvesti korištenjem

konvencionalnih fotolitografskih tehnika. Nakon što su proizvedeni kalupi su popunjeni sa

SiCN polimernom tvorevinom, lagano su polirani i namijenjeni su za raznolike toplinske

obrade. Za vrijeme toplinske obrade SU-8 materijal se raspadne i na taj način se oslobodi

silicij karbo nitridna (SiCN) struktura. Tako dobivena SiCN struktura zadržava gotovo ista

svojstva kao i stehiometrijski SiC.

Iako SiC ne može biti graviran korištenjem standardnih mokrih metoda urezivanja, on

se može nanijeti korištenjem standardnih metoda suhog urezivanja. RIE procesi koji koriste

mješavine na bazi fluora kao što su CHF3 i SF6 koji su kombinirani sa O2, a katkada i sa

inertnim plinom H2 koriste se da bi napravili ovakav film. Visoki udio kisika u ovim plazmama

opdenito ne dozvoljava korištenje fotootpornog materijala kao maske (zaštite), pa su zbog

toga rađene tvrde maske od materijala kao Al, Ni i ITO. RIE bazirani proces za površinsko

nanošenje SiC koristi nanošenje polikristalnih silicijevih slojeva na jednoslojne uređaje. ICP

RIE proces nanošenja SiC koristi SF6 plazmu i Ni ili ITO maske za urezivanje i razvijen je za

masovnu proizvodnju SiC podloga sa strukturnom debljinom koja nadmašuje 100 µm.

Do prije koje godine je bilo jako teško proizvesti višeslojne tanke filmove sa izravnim

RIE procesom zato što su parametri graviranja na žrtvovane slojeve bili mnogo vedi nego za

SiC strukturne slojeve pa je te slojeve bilo vrlo teško dimenzijski kontrolirati. Da bi se riješio

ovaj problem razvijen je mikro kalupni proces za nanošenje SiC filma na površine sa

žrtvovanim slojem. U suštini mikro kalupna tehnika je tanki film koji je analogan masovnoj

mikroproizvodnoj tehnici koja je ranije predstavljena.

Mikroproizvodni proces koristi polikristalni silicij i SiO2 filmove kao kalupe, te

žrtvovane slojeve na podlozi, gdje su SiO2 kalupi korišteni sa polikristalnim silicijskim

žrtvovanim slojevima i obratno. Ovi filmovi su deponirani i umnoženi korištenjem


konvencionalnih metoda. Višestruki SiC filmovi se jednostavno deponiraju u mikro kalupe, a

potom se mehaničko poliranje koristi da bi uklonilo višestruki SiC sa gornjih dijelova kalupa.

Zatim se koriste prikladna otapala koja uklanjaju kalupe i žrtvovane slojeve.

Mikro kalupna tehnologija zapravo koristi razlike u kemijskim svojstvima tri metala u

ovom sistemu na taj način da premošduje poteškode koje se povezuju sa kemijskim

uklanjanjem SiC. Ova tehnologija je poglavito razvijena za proizvodnju višeslojnih prevlaka i

uspješno se koristi za proizvodnju SiC mikromotora.

4.4.2 Dijamant

Dijamant je poznat kao najtvrđi prirodni materijal, što ga čini idealnim za okruženja

izložena visokom trošenju. Dijamant ima jako veliku energetsku barijeru (5.5 eV) što ga čini

privlačnim za elektroničke uređaje koji rade na visokim temperaturama. Dijamant bez

primjesa je visokokvalitetni izolator, a ukoliko mu se dodaju primjese bora može se dobiti p -

tip vodiča. Dijamant ima jako visok Youngov modul elastičnosti (1035 GPa) što ga čini

poželjnim za visokofrekfrentne mikroproizvedene rezonatore, i među najboljim je prirodnim

inertnim materijalima što ga čini povoljnim za teške kemijske uvjete.

Za razliku od SiC korištenje dijamanta za MEMS aplikacije je trenutno ograničeno na

polikristalne i amorfne materijale, bududi da monokristalne dijamantne pločice još nisu

ekonomski isplative. Polikristalni dijamantni filmovi se mogu deponirati na silicij i SiO2

površine CVD metodom, no površine katkada na sebi moraju sadržavati dijamantni prah da

bi se omogudilo nastajanje filma. Opdenito čestice dijamanta brže se prihvadaju na silicijeve

površine nego na SiO2 površine.

Masovna proizvodnja dijamanta sa korištenjem suhog i mokrog postupka graviranja

je izrazito teška zbog velike inertnosti dijamanta. Dijamantne strukture se nikada ne

obrađuju korištenjem masovnih mikrooblikovanih silicijevih kalupa. Silicijevi kalupi su

proizvedeni korištenjem konvencionalnih mikrooblikovnih tehnika i punjeni su sa

polikristalnim dijamantom deponiranim HFCVD (hot filament chemical vapour deposition)

postupkom. HFCVD proces koristi H2 i CH4 plinove. Proces se provodi na temperaturi

površine od 850 °C do 900 °C i na tlaku od 50 mmHg (6 664 Pa). Prvotno je na silicijsku

površinu nanesen dijamantni prah koji de se deponirati sa dijamantnim česticama. Nakon


deponiranja gornja površina se ispolira sa vrudom plahtom. Nakon poliranja slijedi uklanjanje

silicijevih kalupa sa kiselinom za uklanjanje silicija koja ostavlja za sobom mikroobrađenu

dijamantnu strukturu.

Bududi da su konvencionalne RIE metode bile neefikasne za nanošenje dijamantnog

sloja razvijale su se selektivne tehnike deponiranja. Jedna od korištenih metoda bila je

selektivno sijanje praha dijamanta čime bi se napravila podloga za rast dijamantnih

struktura. Taj proces selektivnog sijanja koristio je model litografskog fotorezista. Naneseni

fotorezist je pokrenut dijamantom i deponiran je na kromom prevučene silicijske pločice. Za

vrijeme naleta rasta dijamanta naneseni fotorezist je jako brzo isparavao ostavljajudi za

sobom zasijane dijamantne čestice na željenim lokacijama. Na tim lokacijama potom je

uzgojen dijamantni film.

Drugi proces koristi selektivno nanošenje dijamanta direktno na žrtvovanim

slojevima. Ovaj proces kombinira konvencionalno sijanje dijamanta sa fotolitografskim

modelom i nagrizanjem da bi se proizvele mikrooblikovane dijamantne strukture na SiO2

žrtvovanom sloju. Proces se množe provesti na jedan od dva načina. Prvi pristup započinje sa

sijanjem na oksidiranoj silicijskoj pločici. Pločica je prevučena sa fotorezistom i fotolitografski

je obrađena. Nemaskirana područja zasijanog SiO2 filma su djelomično nagrižena formirajudi

tako površinu koja je nepovoljna za rast dijamanta. Nakon toga fotorezist je uklonjen i

dijamantni film je deponiran na zasijana područja. Drugi pristup također počinje sa

oksidiranim silicijskim pločicama. Pločica je prevučena sa fotorezistom, fotolitografski je

obrađena i nakon toga na nju su zasijane dijamantne čestice. Fotorezist je zatim uklonjen,

ostavljajudi za sobom područja zasijanih slojeva koja su pogodna za selektivan rast.

Treda metoda površinske mikroobrade polikristalnih dijamantnih filmova slijedi

konvencionalni pristup deponiranja filmova, suhog graviranja i otpuštanja. Kemijska

inertnost dijamanta dovela je do toga da je vedina konvencionalnih plazma postupaka

beskorisna. No ipak plazme sa ioniziranim kisikom mogu se koristiti da bi se nanijeli

dijamantni tanki filmovi. Jednostavni površinski mikroobradni proces započinje sa

nanošenjem polikristalnog silicijskog žrtvovanog sloja na Si3N4 prevučene silicijske pločice.

Polikristalni silicijski sloj je zasijan korištenjem dijamantnih čestica u otopini i na taj način

dijamant se nanosi HFCVD postupkom. Bududi da fotorezisti nisu otporni na plazme sa


molekulama kisika nanosi se aluminijska maska. Dijamantni filmovi su potom naneseni sa

kisikovom ioniziranom zrakom plazme, a strukture su potom oslobođene nagrizanjem

polikristalnog silicija sa kalijevom kiselinom (KOH). Ovaj proces je korišten da bi se napravile

rezonantne bočne strukture, ali značajan gradijent naprezanja u filmovima čini te uređaje

nefunkcionalnima.

Opdenito gledajudi konvencionalna HFCVD metoda zahtjeva da se na površine nanesu

zasijani slojevi koji de omoguditi rast dijamantnog sloja. No razvijena je BEN metoda (baised

enhanced nucleation) koja omoguduje rast dijamanta na nezasijanim površinama silicija. To

se može dogoditi ako se silicijske površine maskiraju sa nanesenim SiO2 filmom, selektivan

rast dijamanta de nastati na izloženim silicijevim površinama i nakon toga mali udio

fluorovodične otopine (HF) je dovoljan da ukloni dijamant koji se javio na SiO2 masci. Ovim

načinom proizveden je dijamantni rotor i stator mikromotora na silicijskoj pločici.

Dijamant je jako teško, ali ne i nemogude nanijeti koristedi se konvencionalnim RIE

metodama. Poznato je da se dijamant može nanijeti u kisikovim plazmama, no ove plazme

mogu biti problematične za izradu MEMS uređaja zato što je nanošenje izotropno.

U skladu sa posljednjim napredcima u RIE metodi i mikroproizvodnim tehnikama

razvijalo se je i nanošenje dijamanta posebno za MEMS aplikacije. Dijamantni filmovi koji su

se dobivali korištenjem konvencionalnih tehnika sijanja na površinu pločice imaju visok

gradijent naprezanja i hrapavu površinu kao rezultat velikih zrna polikristalnih filmova. Gruba

površinska morfologija rezultirala je grubim bočnim stranama nanesenih struktura i grubom

površinom filmova. Poliranje u ovom slučaju nije bilo tehnički izvedivo zbog visoke tvrdode

dijamanta.

Kako bi se smanjile površinske hrapavosti razvijeni su ultrananokristalni dijamantni

filmovi (UCND = ultrananocrystalline diamond) jer su oni imali znatno glađu morfologiju

površine od dijamantnih slojeva uzgojenih konvencionalnim metodama. Za razliku od

konvencionalnih CVD dijamantnih filmova koji su uzgojeni korištenjem smjese H2 i CH4,

ultrananokristalni filmovi se uzgajaju od smjese Ar, H2 i C60 ili od Ar, H2 i CH4.

Filmovi su se pokazali kao prikladne prevlake na silicijsku površinu i uspješno su se

koristile u nekoliko površinskih mikroproizvodnih procesa. Potom je ova tehnologija


proširena na nisko deponirajude temperature koje koriste visokokvalitetne nanokristalne

dijamantne filmove koji se deponiraju na temperaturama od 400 °C činedi tako filmove

prikladne za nanošenje na silicijeve tehnologije integriranih krugova.

Druga alternativna metoda depozicije koja se pokazala prikladnom za dijamante u

MEMS aplikacijama bazirana je na pulsirajudoj laserskoj depoziciji. Proces se odvija u visoko

vakuumskoj komori korištenjem pulsirajudeg eksipleks lasera (exciplex laser) da odstrani

pirolitsku grafitnu metu (pyrolytic graphite). Materijal iz ubrizgavalice se deponira na

površinu koja se nalazi na sobnoj temperaturi. Pozadinski plinovi N2, H2 i Ar mogu se uvesti

da bi prilagodili tlak nanošenja i svojstva filma.

Tako naneseni filmovi sastoje se od tetragonalnog zarobljenog ugljika koji je amorfan

i odatle nastaje amorfan dijamant. Sukladno tome filmovi bez naprezanja se mogu nanijeti

pravilnim izborom parametara nanošenja ili kratkim postupkom žarenja nakon nanošenja.

Amorfni dijamant ima mnoga svojstva identična monokristalnom dijamantu, kao

primjerice visoka tvrdoda (88 GPa), visoki Young-ov modul elastičnosti (1100GPa) i kemijska

inertnost. Mnoge jednoslojne mikropovršine su proizvedene korištenjem ovih filmova,

djelomično zbog toga što se filmovi mogu brzo nanijeti na oksidne žrtvovane slojeve ili zato

što se mogu nanijeti oksidnom plazmom [6]

4.5 Poluvodiči rijetkih legura

Galium arsenid (GaAs), indium fosfit (InP) i materijali od III do V skupine periodnog

sustava imaju poželjna piezoelektrična i optičko električna svojstva, potom visoko

piezootporne konstante i široke elektronske barijere u odnosu na silicij, što ih čini prikladnim

za raznolike senzore i optičko električne aplikacije. Spomenuti materijali od III do V skupine

sa poželjnim svojstvima za poluvodiče rijetkih legura prikazani su na slici 7.


Slika 7 Materijali od III. do V. skupine sa poželjnim svojstvima za poluvodiče rijetkih legura

Istraživanja su dovela do razvoja GaAs i InP podloga. Za razliku od materijala poput

silicija i materijala od III do V skupine sa poželjnim svojstvima za poluvodiče rijetkih legura,

GaAs i InP se mogu deponirati kao trokomponentne i četverokomponentne legure sa

kristalnom rešetkom koja približno odgovara binarnim legurama iz kojih su izvedene.

Galij arsenid (GaAs) ima kristalnu strukturu smjese cinka sa elektronskom barijerom

od 1.4 eV što omoguduje galij arsenidnim elektronskim instrumentima da funkcioniraju na

visokim temperaturama od čak 350 °C. Visokokvalitetne monokristalne pločice od ovih

legura su komercijalno dostupne. Epitaksijalni slojevi galij arsenida i njegove legure nastaju

MBE (molecular beam epitaxy) postupkom rasta. GaAs ne funkcionira bolje od silicija u

smislu mehaničkih karakteristika, međutim njegova čvrstoda i lomna žilavost su još uvijek

prikladne za mikromehaničke uređaje.

Mikrooblikovanje galij arsenida je relativno jednostavno zato što njegove kristalne

rešetke odgovaraju kristalnim rešetkama trokomponentnih i četverokomponentnih legura,

ali imaju dovoljno različite kemijske karakteristike da ih se može iskoristiti kao žrtvene

slojeve. Da bi se prekinulo graviranje u galij arsenidnim slojevima koriste se epitaksijalni

slojevi i metode implantiranih iona. Visoka energija kod implantacije iona omoguduje


proizvodnju membrana debelu nekoliko mikrometara. Ukoliko se galij arsenidne pločice

graviraju tako da se prvo napravi titrajuda površina prije nego se izvrši implantacija iona tada

se mogu proizvesti titrajude membrane. Ovakve strukture mogu izdržati mnogo vede

deflektirane amplitude nego ravne površine.

Mikrooblikovanje indij fosfata (InP) vrlo je nalik tehnikama korištenim za galij arsenid.

Mnoga svojstva indij fosfata su slična svojstvima galij arsenida u pogledu kristalne strukture,

krutosti i tvrdode, no ipak optička svojstva indij fosfata čine ga naročito prihvatljivim za

mikro-optičko-mehaničke uređaje. Kao i kod galij arsenida monokristalne pločice od indij

fosfata su lako nabavljive. Također su lako nabavljive i kristalne rešetke trokomponentnih i

četverokomponentnih legura kao što su InGaAs, InAlAs, InGaAsP i InGaAlAs. Sve ove legure

se mogu koristiti ili kao prekidači graviranja ili kao žrtveni slojevi u zavisnosti o kemiji

graviranja.

Korištenjem indij fosfatnih baziranih tehnika za mikrooblikovanje mogu se proizvesti

zračni filteri, mostovne strukture i torzijske membrane od indij fosfata i njegovih legura.

Uz proizvodnju galij arsenida i indij fosfata i materijal indij arsenid (InAs) može biti

mikrooblikovan u strukture uređaja. Unatoč 7% neslaganju kristalne rešetke između indij

arsenida i galij arsenida ipak visokokvalitetni epitaksijalni slojevi se mogu uzgojiti na galij

arsenidnim podlogama. Tanki indij arsenidni filmovi su uzgajani direktno na galij arsenidnim

podlogama putem MBE i gravirani su korištenjem otopine koja sadrži H2O, H2O2 i H2SO4.

4.6 Feroelektrični materijali

Piezoelektrični materijali igraju važnu ulogu u MEMS tehnici za primjenu kod

očitavanja i mehaničkog pobuđivanja. U piezoelektričkom materijalu, mehaničko

naprezanje proizvodi polarizaciju i obratno, naponski inducirana polarizacija proizvodi

mehaničko naprezanje.

Mnogi nesimetrični materijali, kao što su kvarc, GaAs i cink oksid (ZnO) pokazuju neka

piezoelektrična svojstva. To omoguduje da se piezoelektrični materijal rabi u osjetilnim ili

pobudivačkim primjenama za koje piezoelektrični materijali posebno dobro odgovaraju.

Jedan od češde korištenih materijala u MEMS tehnici je PZT odnosno cirkonij-titanat koji


se odlikuje visokom piezo-električnom konstantom, a koristi se najčešde za senzore

pokreta.

Također PZT se može uspješno nanijeti u tankom sloju na osnovni materijal CVD ili

sol-gel postupkom. Potonji je posebno zanimljiv zbog mogudnosti kontrole debljine

nanešenog sloja.

4.7 Polimerni materijali

4.7.1 Poliimidi

Poliimidi predstavljaju važnu grupu polimera koji su dobro pozicionirani za mnoge

tehnike koje se koriste u konvencionalnim MEMS obradama. Opdenito, polimeri se mogu

dobiti masovnom proizvodnjom ili pak mogu biti deponirani kao tanki filmovi postupkom

prevlačenja vrtnjom (spin coating). Poliimidni slojevi se mogu nanijeti korištenjem

uobičajenih tehnika suhog graviranja i procesima na vrlo visokim temperaturama. Ova

obilježja čine poliimide privlačnom grupom polimera za MEMS aplikacije koje zahtijevaju

polimernu strukturu ili površinske slojeve poput mikroproizvedenih biomedicinskih uređaja

gdje su inertnost i fleksibilnost bitni parametri.

Poliimid se koristi kao otporni mehanički materijal za mikroproizvedene zvučne

membrane. Također se od ovog materijala proizvode i senzori za smično naprezanje.

Kemijska i temperaturna izdržljivost poliimida omoguduje njihovu upotrebu kao žrtvovanog

sloja za vedi broj opde korištenih materijala. Također je dokazano da se poliimidi mogu

koristiti kao žrtvovani slojevi za PECVD nanošenje silicij karbida.

Na području mikroproizvedenih biomedicinskih uređaja poliimidi dobivaju pažnju kao

površinski materijal za implantirajude uređaje, što duguju svojoj potencijalnoj

biokompaktibilnosti i mehaničkoj fleksibilnosti.

4.7.2 SU-8

SU-8 je negativni fotorezist nalik na epoksidnu plastiku koji dobiva veliku pažnju jer se

može upotrijebiti u MEMS procesima na raznolike načine. To je UV osjetljiv fotorezist koji je

kreiran za primjene gdje je potreban jednoslojni fotorezist sa debljinama oko 500 µm. SU-8


ima poželjna kemijska svojstva što omogudava njegovo korištenje kao kalupnog materijala

koji može proizvesti strukture različitih dimenzija procesom elektroplatiranja ili kao

strukturnog materijala za kontrolu i modifikaciju mikroprotoka. Istraživanja su potvrdila da je

SU-8 polimer bolji od poliimida po svojem modulu elastičnosti.

Dodatne upotrebe SU-8 su da se koristi kao materijal kojim demo srezati masu

silicijskog oscilatorskog vesla i time prilagoditi frekfrencija zrake. Proces srezivanja mase

silicijskog oscilatorskog vesla pomodu SU-8 stupova na silicijskim veslima maksimalno koristi

relativnu kemijsku stabilnost SU-8 smole koja je nanešena na velike mase i koje su potom

izrezbarene korištenjem standardnih procesa izlaganja UV zrakama.

SU-8 također može poslužiti kao materijal za sloj spajanja u procesima spajanja

pločica. Usporedba nekoliko UV fotodefiniranih polimernih materijala je pokazala da je SU-8

imao najvišu spojnu mod za debljine slojeva do 100 µm.

4.7.3 Parylene

Parylene je još jedan polimerni MEMS materijal koji se na tržištu pojavljuje dobrim

dijelom zahvaljujudi svojoj biokompaktibilnosti. Parylene je posebno privlačan sa stanovišta

proizvodnje jer može biti deponiran putem CVD metode na sobnoj temperaturi. Proces

deponiranja parylena je prilagođavajudi što omogudava nanošenje parlyenskih slojeva na

prethodno proizvedene strukture kao što su primjerice Si-mikroiglice, membranski filteri

čestica napravljenih od nisko–napreznog silikon nitrida i također mikroproizvedeni optički

skeneri prethodno napravljeni od polyimide/Au.

Za parylene se također može redi da je to jedinstvena polimerna prilagodljiva

prevlaka koja se prilagođava skoro svakom obliku, uključujudi pukotinama, vrhovima, oštrim

rubovima, a i ravnim izloženim površinama. Paryleni su jedino ograničeni višom cijenom zbog

njihove osjetljivosti na onečišdenja i potrebe da se koristi vakuum metoda primjenjivanja.

Dodatno svojoj funkciji kao materijala za zaštitnu prevlaku, od parylene se u stvari

mogu mikroproizvesti i neovisno stojede komponente. Dao dokaz ovoj tvrdnji znanstvenici su

prikazali metodu za pravljenje masovnih mikroproizvedenih parylene mikrostupova za

plinske kromatografe. Izgled plinskog kromatografa prikazan je na slici 8.


Slika 8 Izgled plinskoh kromatografa

Parylene mikrostupovi se proizvode korištenjem mikro kalupne DRIE (Deep Reactive –

Ion Etching = duboko reaktivno-ion graviranje) metode pomodu koje se najprije proizvedu

silicijevi kalupi, a potom se oni prevlače parylenom da bi stvorili tri strane mikrostupova. U

proizvodnji mikrostupova koriste se dvije pločice pa je i ta druga pločica koja je izrađena od

silicija presvučena paralyenom, te su potom obje pločice spojene zajedno putem procesa

spajanja difuzijom. Nakon spajanja kalup se sa strukture uklanja otapanjem u kalijevom

hidroksidu (KOH).

Postoji i suhi postupak oslobađanja komponenata koje su površinski mikrooblikovane

parylenom. Kod ovog postupka raspršeni Si je iskorišten kao žrtveni sloj na koji se stavlja

debeli fotorezist. Parylene se potom nanosi na fotorezist i uobličava u željeni strukturni oblik.

Proces oslobađanja ovako presvučene površine sa parlyenom je dvofazni. Prvo se fotorezist

rastvara u acetonu. Kao rezultat toga događa se da se parylenska struktura zalijepi za

raspršeni silicij. Sljededi korak je suho graviranje BrF3-om koji rastvara silicij i oslobađa

parylenske strukture. Ovim postupkom uspješno se spajaju parylenske "zrake" dužine 1 mm i

debljine 4,5 µm

4.7.4 Liquid crystal polymer (Tekući kristalni polimer)

Tekudi kristalni polimer (LPC) je visoko-funkcionalna termoplastika koja se trenutno

koristi za izradu matičnih ploča prikazanih na slici 9 i na aparatima za pakovanje elektronskih

uređaja.


Slika 9 Primjena Liquid crystal polymer-a

U zadnje vrijeme ova termoplastika ja ispitivana za primjene u MEMS aplikacijama

koje zahtijevaju materijal koji je mehanički savitljiv, električni izolator, kemijski trajan i

nepropustan za vlagu. LPC se može spojiti sa samim sobom i drugim materijalima koji su

korišteni za podloge u nanotehnologiji kao primjerice staklo i silicij. Spajanje tekudeg

kristalnog polimera sa samim sobom ili nekim drugim materijalom vrši se putem toplinskog

plastificiranja (termal lamination).

Prevlaka od ovog materijala može se mikroproizvesti upotrebom kisikove

mikroplazme i jako je otporna na fluorovodične kiseline (HF) i mnoge metalne urezivače.

Apsorpcija vlage tekučeg krustalnog polimera je manja od 0,02 % što je znatno manje ukoliko

se uspoređuje sa poliimidom čija je apsorpcija vlage oko 1% i upravo ova svojstva ga čine

prikladnim materijalom za pakovanja.

Ovaj materijal se danas koristi za obavijanje MEMS RF (Radio Frequency)

kondenzatora. Za ovu primjenu tekudi kristalni polimer je upotrijebljen u tekudoj formi i

korišten je da bi spojio i zalijepio stakleni mikro - vrh sa prethodno izrađenim mikro–

mostovnim kondenzatorom. Tekudi kristalni polimer je izabran za ovu upotrebu djelomično i

zbog toga što uz spomenute karakteristike ima jako nizak stupanj gubljenja radio frekvencije,

što ga čini vrlo prikladnim materijalom za RF MEMS pakovanje.

Tekudi kristalni polimer također je izrazito raznovrstan materijal koji je jako

kompaktibilan sa mnogim standardnim metodama nanošenja silicija. Tako je dokazano da se

metode za nanošenje silicija u ovom slučaju mogu iskoristiti za pravljenje izbočenih

detektora toka od tekudeg kristalnog polimera koji sadrže metalne mjerače pritiska. Također

se mogu proizvoditi i membranski dodirni detektori koji koriste NiCr mjerače pritiska. Na

osnovu ovog materijala je razvijena i mehanički savitljiva, multi – kanalna mikroelektrodna

sistematska struktura za neuronsku stimulaciju i snimanje, koja je prikazana slikom 10.

http://images.google.is/imgres?imgurl=http://visual.merriam-webster.com/images/science/physics-electricity-magnetism/electronics/printed-circuit-board.jpg&imgrefurl=http://visual.merriam-webster.com/science/physics-electricity-magnetism/electronics/printed-circuit-board.php&usg=__vx9IaL0wlnGZvfx4EEX_ON8stg4=&h=384&w=550&sz=106&hl=is&start=6&tbnid=JkKL-3T7SUKRAM:&tbnh=93&tbnw=133&prev=/images?q=printed+circuit+board&gbv=2&hl=is&sa=G

http://images.google.is/imgres?imgurl=http://img.diytrade.com/cdimg/476210/3422767/0/1175243851/printed_circuit_board_PCB_Assembly.jpg&imgrefurl=http://www.diytrade.com/china/4/products/2443346/printed_circuit_board_PCB_Assembly.html&usg=__gf4aOwXZaG1Azg1dvDTLKgBH3js=&h=401&w=568&sz=42&hl=is&start=14&tbnid=8Ll1Gv-4EtppwM:&tbnh=95&tbnw=134&prev=/images?q=printed+circuit+board&gbv=2&hl=is&sa=G

http://images.google.is/imgres?imgurl=http://visual.merriam-webster.com/images/science/physics-electricity-magnetism/electronics/printed-circuit-board.jpg&imgrefurl=http://visual.merriam-webster.com/science/physics-electricity-magnetism/electronics/printed-circuit-board.php&usg=__vx9IaL0wlnGZvfx4EEX_ON8stg4=&h=384&w=550&sz=106&hl=is&start=6&tbnid=JkKL-3T7SUKRAM:&tbnh=93&tbnw=133&prev=/images?q=printed+circuit+board&gbv=2&hl=is&sa=G

http://images.google.is/imgres?imgurl=http://img.diytrade.com/cdimg/476210/3422767/0/1175243851/printed_circuit_board_PCB_Assembly.jpg&imgrefurl=http://www.diytrade.com/china/4/products/2443346/printed_circuit_board_PCB_Assembly.html&usg=__gf4aOwXZaG1Azg1dvDTLKgBH3js=&h=401&w=568&sz=42&hl=is&start=14&tbnid=8Ll1Gv-4EtppwM:&tbnh=95&tbnw=134&prev=/images?q=printed+circuit+board&gbv=2&hl=is&sa=G


Slika 10 Multi kanalna mikroelektrodna sistematska struktura za neuronsku stimulaciju i snimanje

4.8 Bududi trendovi

Brzi razvoj MEMS-a zadnjih nekoliko godina dogodio se zahvaljujudi uključivanju

novih materijala u ovu tehnologiju jer su oni proširili funkcionalnost mikroproizvedenih

uređaja i to iznad mogudnosti koje su se mogle postidi primjenom jedino silicija. Ova

naklonost ka uključivanju novih materijala de se sigurno nastaviti i u bududnosti sa

otkrivanjem novih oblasti primjene za nano i mikroproizvedene uređaje.

Mnoge od ovih primjena zasigurno de zahtijevati i nove materijale i nove procese da

bi proizveli mikro i nano obrađene uređaje. Trenutno konvencionalne metode za

mikroobrađivanje upotrebljavaju "s-vrha-na-dole" pristup (top-down) koji započinje ili sa

"debelim" podlogama ili tankim filmovima. U skoroj bududnosti pretpostavlja se da de MEMS

i NEMS aplikacije uključiti materijale koji su napravljeni koristedi se "s-dna-na-gore"

pristupom (bottom-up).

Značajni izazov kako za dizajnere, tako i za inženjere proizvodnje de biti kako da

sastave top-down i bottom-up pristupe da bi stvorili uređaje i sisteme koji se ne mogu

napraviti koristedi samo jedan od procesa.

http://www.biomedcentral.com/1471-2202/7/61/figure/F1?highres=y


S obzirom da je nanotehnologija jedna od najmladih znanosti evidentno je kako ona

ima još mnogo mjesta za napredovanje. Medutim, jedan od ključnih problema u okviru

njenog evolutivnog napretka jest taj što ostale grane znanosti nisu na odgovarajucoj razini i

to uvelike usporava razvoj same nanotehnologije. Samim time, još uvijek nije moguce

govoriti o ozbiljnim projektima unutar ove ''problematike'', no vec je sada razvidno kako ce

njena primjena biti širokospektarna, naime danas je ona još uvijek ogranicena na

laboratorijski prostor i trenutno egzistira iskljucivo unutar njega.

Bitno je naglasiti kako nacelo rada nanotehnologije i projektiranje nanotehnoloških

uredaja pociva na oponašanju primjera mehanizama iz prirode, što upucuje na cinjenicu kako

veliku pozornost treba posvetiti upravo samoj prirodi i njenom funkcionalnom ''karakteru'',

jer je posve jasno kako nam ona još mnogo toga ima za ponuditi. Uostalom i sama živa bica

su satkana od guste mreže razlicitih i prirodnih nanouredaja.


6.0 Literatura

[ 1 ] T.Filetin: Pregled razvoja i primjene suvremenih materijala, Hrvatsko društvo za

materijale i tribologiju, Zagreb 2000

[ 2 ] M.Šercer: Proizvodnja gumenih tvorevina, Hrvatsko društvo za plastiku i gumu,

Zagreb 2005

[ 3 ] Večernji list: Prilog znanost i tehnika, Tisak Zagreb 2009

[ 4 ] Pero Dabić, Doc.dr.sc.; Predavanje: Nanotehnologija-razvoj i primjena suvremenih

materijala; Kemijsko-tehnološki fakultet, Split; Hvar, 2008

[ 5 ] http://en.wikipedia.org/wiki/Microelectromechanical_systems

[ 6 ] Springer handbook of nanotechnology, Bhusan editor, Springer 2004

[ 7 ] P.Krčum: Materijali u elektrotehnici, Sveučilište u Splitu, Sveučilišni centar za

stručne studije, Split 2007

Documents

materijali