PROCESSOS DE FABRICAÇÃO

DE MICROESTRUTURAS

EM SUPERFÍCIE

BIBLIOGRAFIA BÁSICA • Fundamentals of microfabrication, Marc Madou,

CRC Press, 1997 • Sensor technology and devices, editado por

Ljubisa Ristic, Artech House, 1994 • Semiconductor sensors, editado por S. M Sze, J.

Wiley 1994 • Microsensors: principles and applications,

editado por J. W. Gardner, J. Wiley, 1994

PEE5740–TÓPICOS DE FABRICAÇÃO

DE MICROESTRUTURAS

• Técnicas de fabricação de microestruturas em substrato

• Corrosão úmida e sêca de silício

• Técnicas de fabricação de microestruturas em superfície

• Materiais para fabricação de microestruturas em superfícies

• Encapsulamento de microestruturas

• Simulação de microestruturas

CONTEÚDO

INTRODUÇÃO

CARACTERÍSTICAS DA FABRICAÇÃO EM SUPERFÍCIE

TECNOLOGIA DE CAMADA SACRIFICIAL

SENSORES CAPACITIVOS

ATUADORES ELETROSTÁTICOS

UTILIZAÇÃO DE PROCESSO CMOS

PROCESSO LIGA

INTRODUÇÃO

• Tecnologias de fabricação de

microdispositivos sensores e atuadores:

⇒ Microusinagem do substrato (“bulk micromachining”)

Membrana – sensor de Microamplificador fluídico pressão

⇒ Fabricação em superfície (“surface micromachining”)

Espelho móvel * Micromotor *

* Site da Sandia

• Aplicações:

⇒ Indústria automobilística

⇒ Indústria aeroespacial

⇒ Comunicação

⇒ Informática

⇒ Instrumentação

⇒ Biomedicina

⇒ Microbiologia

⇒ Etc

⇒Microbancada óptica:

Lin - 1994

Ponto luminoso

Lente de Fresnel

LASER

Feixe colimado

Contato

Si

Estrutura para Auto alinhamento

LASER

contato

suportes Cola epoxy lente

⇒Microespelho rotatório para tela plana:

Mignardi - 1994

Espelho

Dobradiça

Eletrodo Ponta de contato

Características da miniaturização de sistemas eletromecânicos (MEMS):

⇒Maior velocidade de operação:

tempo de resposta diminui com um fator próximo ao fator de escala

⇒Maior precisão:

deflexões/vibrações/etc ficam menos significativas

⇒Economia de espaço:

redução dos gastos com área ocupada arranjos com vários sensores/ microestruturas

⇒Menor inércia/invasão:

estudos a nível de células sistemas implantados no corpo humano

⇒Possibilidade de utilização de materiais com:

características específicas mais caros

⇒Problemas com atrito:

estruturas suspensas poucos pontos de contato mecânico

⇒Dificuldade de comunição com o mundo externo:

integração de circuitos eletrônicos telemetria

CARACTERÍSTICAS DA FABRICAÇÃO EM SUPERFÍCIE

• Estruturas micrométricas ou submicrométricas • Estruturas complexas: integração de várias

camadas de filmes finos • Características dos filmes finos dependem

fortemente das condições específicas de deposição e de tratamento térmico

• Estruturas flutuantes e partes móveis podem ser

integradas utilizando-se a “Tecnologia de camada sacrificial”

• Possibilidade de integração com circuitos

eletrônicos • Estruturas resultantes são bastante sensíveis a

fatores ambientais: partículas e umidade

TECNOLOGIA DE CAMADA SACRIFICIAL

• Etapas de fabricação: a)Formação da camada sacrificial b)Formação da camada estrutural c)Corrosão da camada sacrificial

silício

camada sacrificial

camada estrutural

âncora

• Combinações de camadas estruturais e sacrificiais:

Camada Estrutural Camada Sacrificial Material Espessura

Típica (µm)

Material Espessura Típica (µm)

Si policristalino 1 - 4 PSG, SiO2

1 - 7

Si3N4 0,2 - 2 PSG, SiO2

2

SiO2 1 - 3 Si-Poli 1 - 3 Polimida 10 Al 1,5 - 3 W 2,5 - 4 SiO2 8 Mo 0,5 Al 0,7 SiC 1,5 SiO2 1,5 TiNi 8 Polimida

ou Au 3 ou 2

NiFe 2,5 Al ou Cu 7 Si-poli/ZnO 2 / 0,95 PSG 0,6 Si-Poli/Si3N4/ Si-Poli

1 / 0,2 / 1 PSG 2

• Processo típico: MEMS Multiusuário (MUMPs) Centro de Microeletrônica da Carolina do Norte

⇒Camada de isolação: nitreto de silício (Si3N4) ⇒Camada sacrificial: PSG - óxido de silício

dopado com fósforo

taxa de corrosão vertical e horizontal em HF maior que a do SiO2 não dopado

necessários processos com alta taxa de deposição

⇒Camada estrutural: silício policristalino

dopado in situ ou a posteriori

tratamento térmico em alta temperatura, para minimização de estresse (T>1000 °C)

⇒Camada condutora/refletora: alumínio ⇒Minima dimensão: 3 µm

• Etapas de fabricação de um micromotor: 1)Camada de isolação elétrica (0,1 µm)

2)Camada estrutural nível “0” (0,5 µm)

3)Primeira camada sacrificial (2 µm)

4)Cavidades (0,75 µm) e âncoras na primeira camada sacrificial

5)Camada estrutural nível “1” (2 µm)

6)Segunda camada sacrificial (0,5 µm)

7)Segunda âncora (2,5 µm)

8)Camada estrutural nível “2” (1,5 µm)

9)Corrosão das camadas sacrificiais

• Corrosão da camada sacrificial de SiO2: ⇒Solução: 1HF : 6 NH4F (T = 25 °C) ⇒Taxa de corrosão lateral depende das

características do SiO2 (espessura, tipo de deposição, dopagem, densificação, tipo de cavidade, etc…)

⇒Exemplos de taxas de corrosão lateral

Tipo de camada sacrificial

Taxa de corrosão lateral

1,0 µm de PSG (4 %) 0,3 µm/min. (BHF 7:1)

0,3 µm de Óxido PECVD densificado (800 °C, 60 s)

0,2 µm/min. (BHF 6:1)

⇒Si-Poli dopado é atacado por BHF:

usar o mínimo tempo de corrosão necessário

se possível proteger o si-poli com Si3N4 ⇒Facilitar ao máximo a penetração da solução de

BHF:

Utilizar linhas estreitas (máximo de 10 µm)

Utilizar estruturas perfuradas

⇒Evitar que a estrutura suspensa fique grudada no substrato após a secagem (“stiction”):

Forças de Van der Waals

Ligações com hidrogênio

Cargas

Madou ⇒Etapa final:

Água e secagem com lâmpada de infravermelho

Líquido com baixa tensão superficial (álcool) e secagem em vapor

Congelamento do líquido (misturas de água/metanol) e sublimação em baixa pressão

etc

• Cavidades seladas:

Guckel - 1984

SENSORES CAPACITIVOS • Tipo membrana:

⇒Capacitância entre membrana e substrato:

C = (ε0.L.W)/x ⇒Sensibilidade:

S = dC/dx = - (ε0.L.W)/x2

ou

S = dC/(C.dx) = - 1/x

• Tipo pente:

⇒Capacitância entre dentes adjascentes:

C = (ε0.y.W)/x ⇒Capacitância total:

C = n.[(ε0.y.W)/x] Sensibilidade para deslocamento na direção y:

S = dC/dy = n.[(ε0.W)/x] ou S = dC/(C.dy) = 1/y

ATUADORES ELETROSTÁTICOS • Tipo membrana:

⇒Energia eletrostática armazenada no capacitor:

Ec = C.V2/2 = (ε0.L.W.V2)/2.x ⇒Força eletrostática entre membrana e substrato:

F = dEc/dx = - (ε0.L.W.V2)/2.x2

• Tipo pente:

⇒Energia eletrostática armazenada no capacitor formado por dois dentes adjascentes:

Ec = (CV)2/2 = (ε0.W.y.V2)/2.x

⇒Força na direção “y” entre dente estático e fixo:

Fy = dEc/dy = (ε0.W.V2)/2.x

Força linear e independente de y0

• Escalamento de sistemas eletromecânicos (Trimmer):

Tipos de forças Fatores de escala de: F a t P/V

-Força associada com tensão superficial; -Força eletrostática (fator de escala multiplicativo do campo elétrico = s-0.5).

s1 s-2 s1,5 s-2,5

-Força eletrostática escalada com campo elétrico mantido constante; -Força associada com pressão; -Força biológica (proporcional à área da secção transversal de um músculo); -Força magnética (fator de escala da densidade de corrente = s-1).

s2 s-1 s1 s-1

-Força magnética (fator de escala da densidade de corrente = s-0.5).

s3 s0 s0,5 s0,5

-Força magnética escalada com densidade de corrente mantida constante.

s4 s1 s0 s2

UTILIZAÇÃO DE PROCESSO CMOS • Tipos de processos: ⇒Fabricação junto com circuitos integrados:

Limitações: espessuras e características dos filmes

Circuitos integrados (se utilizados) devem ser protegidos durante o pós-processamento

⇒Fabricação depois dos circuitos integrados:

Sandia Laboratórios - 1995

Si-poli necessita de tratamento em alta temperatura: incompátivel com Al e junções rasas

⇒Fabricação antes dos circuitos integrados:

Sandia Laboratórios- 1995

Microestruturas fabricadas em trincheiras Trincheiras preenchidas com óxido, planarizadas com polimento químico mecânico, tratadas térmicamente e seladas

⇒Fabricação em lâmina SOI:

PROCESSO LIGA • LIGA (Lithographie, Galvanoformung, Abformung): Litografia, Eletrodeposição e Moldagem • Características:

⇒Estruturas com grande razão de aspecto (altura/largura)

⇒Microestruturas em superfície, com altura de até 1000 µm

Site MCNC

⇒Litografia de raios - X (fótons de um sistema sincrotron) com camadas espessas de fotorresiste e eletrodeposição de camadas metálicas para formar estruturas tridimensionais

⇒Pode ser combinado com camadas sacrificiais, sendo: "Processo LIGA Sacrificial" ("Sacrificial LIGA”)

• Etapas do Processo LIGA: (a)Exposição do fotorresiste espesso (PMMA) utilizando Raios-X

(b)Revelação do fotorresiste espesso

(c)Eletrodeposição de metal na superfície condutora do substrato

(d)Remoção do fotorresiste formando uma estrutura metálica complementar

(e) e (f) Formação de réplica em plástico