Mikrosensory pprzewodnikowe Podstawowe sensory i ich technologia Mikrosensory

Mikrosensory półprzewodnikowe Podstawowe sensory i ich technologia Mikrosensory półprzewodnikowe Wykład 3, 2010/11 1

Plan 1. Dlaczego krzem? Własności i zjawiska wykorzystywane w sensoryce 2. Technologia – podstawowe procesy Mikrosensory półprzewodnikowe Wykład 3, 2010/11 2

Materiały używane w technologii mikromechanicznej Krzem i związane z nim materiały są podstawą mikrosystemów. Należy tu wymienić: • krzem monokrystaliczny (SCSsingle crystal silicon) • multikrystaliczny krzem • amorficzny krzem (a-Si) SOI-silicon on insulator • stopy krzemu z germanem • amorficzny kwarc Si. O 2 • azotek krzemu Si 3 N 4 Mikrosensory półprzewodnikowe Wykład 3, 2010/11 3

Rodzaj sensora Zjawisko fizyczne Sensory ciśnienia, Efekt piezorezystancyjny przyspieszenia, siły Efekt piezoelektryczny Materiał Si (mono lub polikryształ) Si. O 2, Zn. O Sensory temperatury Temperaturowa zależność Si rezystywności Temperaturowa zależność Si napięcia progowego złącza p-n Si, Ge Efekt termoelektryczny Sensory pola magnetycznego Efekt Halla Si, Ga. As, In. Sb Sensory optyczne Fotoefekt Si, Ge, Ga. As, Pb. Se, Pb. Te, Pb. Sn. Te, In. Sb, Hg. Cd. Te, Cd. S, Cd Se, Cd. Te Sensory chemiczne Efekt polowy Zmiana przewodnictwa elektrycznego Si Tlenki metalu (Sn. O 2, Zn. O) Biosensory Efekt polowy Si Mikrosensory półprzewodnikowe Wykład 3, 2010/11 4

Dlaczego krzem? l l l tani i dobrze scharakteryzowany materiał, łatwo dostępny (25. 8% Si w skorupie ziemskiej, związany jako Si. O 2) duża liczba i różnorodność technik wytwarzania i obróbki krzemu duży potencjał dla integracji z układami kontroli i przetwarzania sygnałów dobre własności: elektryczne, mechaniczne (anizotropia), termiczne tworzy stabilny tlenek (tzw. native oxide) Si. O 2 – elektryczny izolator Mikrosensory półprzewodnikowe Wykład 3, 2010/11 5

Własność Krzem Stal nierdzewna Kwarc Al Gęstość [g/cm 3] 2, 33 7, 9 2. 6 2. 71 Moduł Younga [GPa] 130 -190 200 75 72 Granica plastyczności [GPa] 7 2, 1 0. 7 - Twardość w skali Knoop’a [kg/m 2] 850 660 820 Współczynnik rozszerzalności termicznej [10 -6/ o. C] 2, 6 17, 3 0. 54 Przewodnictwo cieplne w 300 K [W/cm∙K] 1, 57 0, 329 0. 0146 2. 37 Temperatura topnienia [o. C] 1415 1400 1715 660 Mikrosensory półprzewodnikowe Wykład 3, 2010/11 6

Si Ga. As Ge Jednostka Przerwa energetyczna (300 K) 1. 12 1. 42 0. 66 e. V Struktura diamentu blendy cynkowej diamentu Stała sieci 5. 4 5. 65 5. 645 Å Koncentracja nośników samoistnych 1. 5·1010 1. 8·108 2. 4·1013 cm-3 Ruchliwość elektronów dziur 1350 480 7200 3900 1900 cm-2/Vs Stała dielektryczna 12 11. 5 16 Gęstość 2. 329 5. 318 5. 327 g/cm 3 Liniowy współczynnik rozszerzalności temperaturowej 2. 6·10 -6 6. 6·10 -6 5. 8·10 -6 K-1 Przewodnictwo termiczne 1. 57 0. 46 0. 6 W/cm. K Temperatura topnienia 1415 1238 937 o. C Mikrosensory półprzewodnikowe Wykład 3, 2010/11 7

Krzem Struktura diamentu Eg = 1. 12 e. V Mikrosensory półprzewodnikowe Wykład 3, 2010/11 9

Mikrosensory półprzewodnikowe Wykład 3, 2010/11 10

Mikrosensory półprzewodnikowe Wykład 3, 2010/11 11

Mikrosensory półprzewodnikowe Wykład 3, 2010/11 12

Technologia Metody wytwarzania można podzielić na: top-down bottom-up Metody „top-down” dotyczą usuwania materiału. Proces niszczy siły spójności pomiędzy elementami ciała stałego. Metody „top-down” to trawienie „mokre” i „suche”, obróbka mechaniczna, laserowa ablacja, plazmowe trawienie, fotolitografia, itp. . Metody „bottom-up” dotyczą tworzenia nowych struktur ze stopionej masy, stanu gazowego, ciekłego lub stałego. Metody „bottomup” to np. samoorganizujące się struktury ale także cienkie warstwy (epitaksja z fazy ciekłej lub gazowej). Zastosowanie STM Mikrosensory półprzewodnikowe Wykład 3, 2010/11 13

Główne etapy technologii IC Wzrost kryształu Cięcie Cienkie warstwy: -epitaksjalne Si -polikrystaliczne Si Nanoszenie warstw -Si. O 2 -Si 3 N 4 Litografia Domieszki -polikrystaliczne Si Trawienie -metaliczne Maski Porcjowanie Mikrosensory półprzewodnikowe Wykład 3, 2010/11 Pakowanie 14

Najważniejsze procesy l l Litografia jest techniką polegającą na przenoszeniu wzoru (ang. pattern) z maski na warstwę lub podłoże przy użyciu materiału światłoczułego lub czułego na inne promieniowanie (X, elektrony, jony). Dla optycznej ekspozycji najczęściej używa się nazwy „fotorezyst”. Trawienie jest to selektywne usuwanie materiału z pewnych ustalonych obszarów warstwy lub podłoża. Rozróżnia się trawienie mokre i suche, a także anizotropowe i izotropowe. Mikrosensory półprzewodnikowe Wykład 3, 2010/11 15

Izotropowe trawienie? Mikrosensory półprzewodnikowe czy anizotropowe Wykład 3, 2010/11 16

Szybkość trawienia anizotropowego w Si zależy od kierunku krystalograficznego Stosunek szybkości trawienia w kierunku <100> i <110> do trawienia w kierunku <111> wynosi odpowiednio 400: 1 i 600: 1 wo w w Rowek typu U (ang. U-groove), krótki czas trawienia, h - głębokość wytrawiona Mikrosensory półprzewodnikowe Wykład 3, 2010/11 Rowek typu V (ang. „Vgroove”) długi czas trawienia 17

Trawienie anizotropowe krzemu Najczęściej do trawienia anizotropowego krzemu używa się mieszaniny roztworu KOH w wodzie z alkoholem izopropylowym. Dla przykładu dla 34% wag. KOH w 70. 9 o. C szybkość trawienia wynosi: 1. 292 μm/min dla płaszczyzny (110), 0. 629 μm/min dla (100) i tylko 0. 009 μm/min dla (111) Mikrosensory półprzewodnikowe Wykład 3, 2010/11 18

Mikrosensory półprzewodnikowe Wykład 3, 2010/11 19

SEM image of bulk micromachined cantilever fabricated by p+ etch stop and anisotropic etching Objętościowe struktury wykonane w technologii mikromechanicznej Mikrosensory półprzewodnikowe Wykład 3, 2010/11 20

Struktura sensora pojemnościowego Rezonujący w pionie sensor oparty na oscylacjach skrętnych wykonany w krzemie techniką mikromechaniczną objętościową Mikrosensory półprzewodnikowe Wykład 3, 2010/11 21

Trawienie plazmowe lub jonowe l RIE (ang. reactive ion etching) l DRIE (ang. deep reactive ion etching) Mikrosensory półprzewodnikowe Wykład 3, 2010/11 22

Przykładowe struktury Mikrosensory półprzewodnikowe Wykład 3, 2010/11 23

Mikrosensory półprzewodnikowe Wykład 3, 2010/11 24

Surface micromachining – obróbka powierzchniowa sacrificial layer deposition – nanoszenie warstwy protektorowej trawienie w celu utworzenia kotwic (ang. anchor) i obszarów złączek (ang. bushing regions) usuwanie warstwy protektorowej (structural layer patterning) wolno-stojąca struktura (np. dźwignia, belka) Mikrosensory półprzewodnikowe Wykład 3, 2010/11 25

Mikrosensory półprzewodnikowe Wykład 3, 2010/11 26

LIGA – technika wykorzystująca litografię, elektroplaterowanie (electroplating) i wypełnianie, formowanie (molding) Jest to technika stosowana do wytwarzania mikrostruktur w szeregu materiałach takich jak metale, polimery, ceramika i szkło. Mikrostruktury trójwymiarowe 3 D charakteryzują się tzw. high-aspect-ratio. Mikrosensory półprzewodnikowe Wykład 3, 2010/11 27

Mikrosensory półprzewodnikowe Wykład 3, 2010/11 28

LIGA (Litograhie, Galvanoformung, Abformung) 1. Naświetlanie Promieniowanie synchrotronowe Struktura absorbująca Maska Fotorezyst Podstawa 2. Wywoływanie Mikrosensory półprzewodnikowe struktura fotorezystu Wykład 3, 2010/11 29

3. Elektroformowanie Metal Struktura fotorezystu Przewodząca podstawa 4. Tworzenie formy Wnęka formy Mikrosensory półprzewodnikowe Wykład 3, 2010/11 30

5. Wypełnianie formy Substancja wypełniająca formę (np. plastik) 6. Usuwanie formy Struktura w plastiku Mikrosensory półprzewodnikowe Wykład 3, 2010/11 31

Scanning Tunneling Microscope STM Mikrosensory półprzewodnikowe Wykład 3, 2010/11 32