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“Microfabricación”
“Facilidades experimentales
en el Centro Atómico Constituyentes”
A. Fasciszewski - Grupo MEMS - CNEA
Sumario
Antecedentes: “Nodo NANOTEC”.
Dispositivos del “Nodo NANOTEC”.
Introducción al Micromecanizado.
Descripción de la Sala Limpia Grupo MEMS (CAC-CNEA).
Descripción de la construcción de los dispositivos del “Nodo
NANOTEC”.
Visita Clean Room (Window Tour)
Antecedentes: “Nodo NANOTEC”
PAE 2004 “Laboratorio en Red para el Diseño, Simulación y
Fabricación de Nano y Micro Dispositivos”.
PAE 2006 “Nodo NANOTEC” tiene como objetivo el de
disponer en Argentina de un centro de Diseño, Fabricación y
Caracterización de Micro y Nano Dispositivos (MEMS).
Integrantes del “Nodo NANOTEC”:
CAC CNEA - Comisión Nacional de Energía Atómica diseño, fabricación y caracterización de dispositivos.
INTI - Instituto Nacional de Tecnología Industrial diseño
de encapsulados y caracterización de dispositivos.
UNSAM - Universidad Nacional de San Martín caracterización de dispositivos.
UNS - Universidad Nacional del Sur custom chips.
Universidad AUSTRAL caracterización de dispositivos.
Dispositivos del “Nodo NANOTEC”
Sensores de Gas
RF MEMS: Switch RF
IMS MEMS
Nanobiosensores
MEMS
“Micro Electro Mechanical System”.
Sistema inteligente miniaturizado que integra funciones sensoras,
de proceso y/o actuación.
Comprende como mínimo dos de las siguientes propiedades:
eléctricas, magnéticas, mecánicas, ópticas, químicas, biológicas,
magnéticas u otras, de forma integrada en un solo chip o en un
módulo híbrido multichip.
Por qué miniaturizar?
Reducción del consumo de potencia
Dispositivos más veloces
Aumento de la selectividad y la sensibilidad
Rango dinámico más amplio
Minimizar el uso de energía y materiales durante la manufactura
Integración con electrónica, simplifica los sistemas
Tener sistemas redundantes y arreglos (“arrays”)
Aprovechamiento de nuevos efectos gracias a la ruptura de la
teoría del continuo y la validez del dominio microscópico
Ventajas competitivas costo /performance
Mejoras en la reproducibilidad (producción batch )
Poco invasivo.
Introducción al Micromecanizado
Tecnología de fabricación
de “dispositivos en tres
dimensiones” o MEMS:
“Micromaquinado” o
“Micromecanizado”
Utiliza los mismos procesos
tecnológicos estándares de
fabricación de Circuitos
Integrados en Si (IC).
Crecimiento /
Deposicion
Fotolitografía
Ataque /
Remoción Film
Remoción Resina
Fotosensible
(Implantación)
Remoción Resina
Fotosensible
Difusión / Depos.
Característica del Micromecanizado
Procesos utilizados para la Remoción de material
de sacrificio.
Procesos utilizados para el Ataque con alta relación
altura/ancho (High Aspect Ratio).
High
Aspect
Ratio
Remoción de
material de
sacrificio
Antecedentes Micromecanizado
•1950’s / 1958 Silicon strain gauges commercially available
•1959 “There’s Plenty of Room at the Bottom” – Richard Feynman gives a milestone
presentation 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.
•1960’s / 1961 First silicon pressure sensor demonstrated
•1967 Invention of surface micromachining. Westinghouse creates the Resonant Gate Field
Effect Transistor, (RGT). Description of use of sacrificial material to free micromechanical
devices from the silicon substrate.
•1970’s / 1970 First silicon accelerometer demonstrated
•1979 First micromachined inkjet nozzle
•1980’s / Early 1980’s: first experiments in surface micromachined silicon. Late 1980’s:
micromachining leverages microelectronics industry and widespread experimentation and
documentation increases public interest.
•1982 Disposable blood pressure transducer
•1982 “Silicon as a Mechanical Material” [9]. Instrumental paper to entice the scientific
community – reference for material properties and etching data for silicon.
Antecedentes Micromecanizado
•1982 LIGA Process
•1988 First MEMS conference
•1990’s Methods of micromachining aimed towards improving sensors.
•1992 MCNC starts the Multi-User MEMS Process (MUMPS) sponsored by Defense
•Advanced Research Projects Agency (DARPA)
•1992 First micromachined hinge
•1993 First surface micromachined accelerometer sold (Analog Devices, ADXL50)
•1994 Deep Reactive Ion Etching is patented
•1995 BioMEMS rapidly develops
•2000 MEMS optical-networking components become big business
Tipos de Micromecanizado
Micromecanizado del Substrato procesos
substractivos que mediante la remoción de
porciones del substrato se obtiene la
estructura tridimensional deseada (ej ataque
húmedo KOH) .
Micromecanizado de Superficie procesos
aditivos que con la deposición de sucesivos
materiales se definen las geometrías
deseadas sin modificar el substrato. Esta
técnica requiere de mayor precisión que la
anterior.
Sala Limpia Grupo MEMS
(CAC-CNEA)
120m2 de Sala Limpia Clase
(100 – 1000) equipada para
procesos de Diseño,
Simulación, Microfabricación y
Caracterización de dispositivos
MEMS.
Equipamiento Sala Limpia
Proceso
Litografía
Equipamiento
Mesada de litografía.
Alineador de máscaras (Mask Aligner EVG 620).
PECVD, Advanced Vacuum.
Difusión y
Deposición
Sputtering ATC ORION Series con cámara de deposición
UHV, de AJA Internacional.
Crecimiento /
Deposicion
Máquina de electroplating, Semcon, Technic Inc.
Fotolitografía
Asher, Gasonics Aura 1000.
Ataque
(Etch)
RIE Plasmalab para dry etching de Oxford Instruments.
Ataque /
Remoción Film
Remoción Resina
Fotosensible
Mesadas de ataque químico por vía húmeda.
(Implantación)
Remoción Resina
Fotosensible
Difusión / Depos.
Procesos
asistidos por
Laser
Depósito de película por ablación laser
Sistema de escritura y micromecanizado por laser
Perfilómetro 3D Veeco Instruments.
Metrología /
otros
Sistema asistidos
posicionador).
láser
(Laser
Wire Bonder, Valley Research.
Elipsómetro.
Nd:YAG
y
micro
Proceso de Fotolitografía
Equipamiento
Características
de
Mesada de trabajo automática para
litografía. Spinner, Rinser con agua
DI de 18MOhms. Reservorios para
revelado. 2 hot plates. Extracción
horizontal de aire. Mantenimiento por
área de servicio.
Alineador de
máscaras EVG
620.
Exposición UV de 300W. Haz plano de 6"
de diámetro. Sistema de alineación
para litografía de doble cara.
Microscopio de alta definición con
CCD y display. Capacidad para
contacto suave y fuerte, y modo
proximidad. Sistema de movimientos
hidráulicos. Posicionador de obleas
motorizado o manual. Resolución en
el orden de medio micrón. Opción de
Nano-Imprint
Lithography
(NIL)
adquirida.
Mesada
litografía.
Procesos de Difusión/Deposición
Equipamiento
Características
PECVD,
Advanced
Vacuum.
Sistema de depósito de películas delgadas
sólidas a partir de precursores en estado
gaseoso por medio de reacciones
químicas 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.
Sputtering ATC
ORION Series
con cámara de
deposición
UHV, de AJA
Internacional.
Sistema de depósito de películas delgadas
por Sputtering. Posee una cámara UHV
(ultra alto vacío). Para obleas de hasta 4
pulgadas. Posee una capacidad para
depositar multicapas de hasta 5
materiales.
Posee
un
generador
magnetrón DC de 750W y RF de 300W.
Máquina de
electroplating,
Semcon,
Technic Inc.
Metales a platear: Cu, Ni, Pd, Au, Sn, Pb, Pt,
Fe, Ag, Permalloy, Sn/Pb, Pd/Ni.
Tamaño del wafer: 2 a 8 pulgadas.
Proceso Ataque y
Remoción (Etching)
Equipamiento
Características
Asher,
Gasonics
Aura 1000.
Sistema de remoción de polímeros y
películas delgadas por plasma.
Activador superficial de polímeros.
Capacidad para wafers de 75 a
150mm. Remoción isotrópica “front
and backside”. Velocidades: 25µm/min
(fotorresist
pos),
>8µm/min (fotorresist neg). Posee
2 Controladores de flujo másico
para O2 y N2.
RIE Plasmalab
para
dry
etching
de
Oxford
Instruments.
Sistema de remoción de materiales
(Si,SiO2 y Si2N4) por plasma
(SF4, CF4, O2, Ar, N2, CHF3).
Rango presión de trabajo 1-250m
Torr. Potencia RF 20-300W. Carga
manual de las obleas.
Metrología / Otros
Equipamiento
Perfilómetro
Veeco
Instruments.
Características
3D
Perfilómetro 3D de Alta Resolución (Res:
0.1nm en eje Z). Objetivos Mirau de
10x y 50x. Mesa antivibraciones.
Sistema de escritura
láser
(Laser
Nd:YAG y micro
posicionador).
Para micromaquinado por ablación Láser.
Incluye microposicionador de tres ejes,
de 4mm de carrera, flexibilidad en los
tres ejes , resolución de 50nm.
Wire Bonder, Valley
Research.
Ball, Wedge, Bump or Peg bond capable.
Opción para soldar DICE a placas.
Elipsómetro.
Mediciones de espesores. 3 capas. Dióxido
y Nitruro de Silicio. Precisión
nanométrica. Diferencias de índice de
refracción. Compacto Manual. Ángulo
de incidencia móvil
Fabricación de Microsensor de Gas
Los pasos de fabricación:
Deposición de Si3Ni4 en ambas caras de una
oblea de silicio.
Obtención del microcalefactor de Pt mediante la
técnica Lift-off.
Micromaquinado del sustrato de silicio mediante
ataque húmedo (específicamente KOH)
Pasivación de la estructura mediante técnica
PECVD.
Apertura para contactos mediante ataque por vía
seca.
Deposición del Sn y tratamiento térmico para
obtener la película sensora (técnica RGTO o
Rheotaxial Growth and Thermal Oxidation).
Contactos de Pt mediante Sputtering utilizando
una máscara metálica.
Fabricación de Olfateador
IMS MEMS
Esquema del Olfateador : 1) Ingreso de muestra, 2) zona de
ionización formada por pirámides micromaquinadas en silicio
,3) zona de detección de iones, por medio de pads
dispuestos perpendicularmente a la circulación del gas , 4)
Salida de la muestra.
El proceso de fabricación propuesto es el siguiente:
Deposición de una capa de Nitruro.
Desarrollo de Máscaras ópticas y fotolitografía.
Ataque por vía seca de Nitruro con atmósfera de SF6.
Primer ataque químico por vía húmeda con KOH
Limpieza post KOH ( método piranha)
Deposición de una segunda capa de Nitruro.
Fotolitografía.
Ataque por vía seca de Nitruro con atmósfera de SF6.
Segundo ataque químico por vía húmeda en KOH.
Limpieza post KOH (piranha).
Fotolitografía de imagen reversa sobre obleas de silicio y vidrio
Evaporación 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)
1
2
3
4
Fabricación de Switches RF
Se desarrolló un proceso de fabricación o
flujo de proceso para el switch y se
construyó un primer prototipo.
Litografía de 7 máscaras para la definición
de:
Resistencia en Polysilicio
Contactos
Metal 1.
Vías
Metal flotante.
Spacers
Puentes
CPW
Fabricación de Nanobiosensor
Se desarrolló un proceso de fabricación y se obtuvieron
los primeros prototipos con la colaboración del laboratorio
de Bajas Temperaturas en el Centro Atómico Bariloche
(CAB).
Las operaciones propuestas para la fabricación son los
siguientes:
Limpieza de oblea de silicio y deposición de nanotubos
de carbono previamente carboxilados para la
generación de un grupo reactivo para la posterior
unión del grupo sensible reactivo (ejemplo anticuerpo).
Fotolitografía de los electrodos.
Sputtering de titanio y oro
Pasivación mediante técnica PECVD.
Remoción de la capa sacrificial de resina
Unión covalente del grupo sensible a los nanotubos
carboxilados para la generación de una unión 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.
Conexión mediante wire bonding a los pads.
Virus
Anticuerp
os
Nanotub
os
Final de la Presentación!
Muchas Gracias por su Atención...