““MicrofabricaciMicrofabricacióónn””

““Facilidades experimentales Facilidades experimentales en el Centro Aten el Centro Atóómico Constituyentesmico Constituyentes””

A. Fasciszewski - Grupo MEMS - CNEA

SumarioSumario

� 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: Antecedentes: ““Nodo NANOTECNodo 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.

DDispositivosispositivos del del ““Nodo NANOTECNodo NANOTEC””

Sensores de Gas IMS MEMS

Nanobiosensores

RF MEMS: Switch RF

MEMSMEMS

� “Micro Electro Mechanical System”.

� Sistema inteligente miniaturizado que integra funciones sensoras, de proceso y/o 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 quPor quéé miniaturizar?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.

IntroducciIntroduccióón al n al MicromecanizadoMicromecanizado

� 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.

CaracterCaracteríística del stica del MicromecanizadoMicromecanizado

� Procesos utilizados para la Remoción de material de sacrificio.

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

Remoción de material de

sacrificio

HighAspectRatio

Antecedentes Antecedentes MicromecanizadoMicromecanizado

•1950’s / 1958 Silicon strain gauges commercially available

•1959 “There’s Plenty of Room at the Bottom” – Richard Feynman gives a milestonepresentation at California Institute of Technology. He issues a public challenge by offering$1000 to the first person to create an electrical motor smaller than 1/64 th of an inch.

•1960’s / 1961 First silicon pressure sensor demonstrated

•1967 Invention of surface micromachining. Westinghouse creates the Resonant Gate FieldEffect Transistor, (RGT). Description of use of sacrificial material to free micromechanicaldevices from the silicon substrate.

•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 anddocumentation increases public interest.

•1982 Disposable blood pressure transducer

•1982 “Silicon as a Mechanical Material” [9]. Instrumental paper to entice the scientificcommunity – reference for material properties and etching data for silicon.

Antecedentes Antecedentes MicromecanizadoMicromecanizado

•1982 LIGA 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 Tipos de MicromecanizadoMicromecanizado

� 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 MEMSSala Limpia Grupo MEMS

(CAC(CAC--CNEA)CNEA)

� 120m2 de Sala Limpia Clase (100 – 1000) equipada para procesos de Diseño, Simulación, Microfabricación y Caracterización de dispositivos MEMS.

Crecimiento /

Deposicion

Fotolitografía

Ataque /

Remoción Film

Remoción Resina

Fotosensible

(Implantación)

Remoción Resina

Fotosensible

Difusión / Depos.

Equipamiento Sala LimpiaEquipamiento Sala Limpia

RIE Plasmalab para dry etching de Oxford Instruments.

Mesadas de ataque químico por vía húmeda.

Asher, Gasonics Aura 1000.

Ataque (Etch)

Elipsómetro.

Wire Bonder, Valley Research.

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

Perfilómetro 3D Veeco Instruments.

Metrología / otros

Sistema de escritura y micromecanizado por laser

Depósito de película por ablación laserProcesos asistidos por

Laser

Máquina de electroplating, Semcon, Technic Inc.

Sputtering ATC ORION Series con cámara de deposición UHV, de AJA Internacional.

PECVD, Advanced Vacuum.

Difusión y Deposición

Alineador de máscaras (Mask Aligner EVG 620).

Mesada de litografía. Litografía

EquipamientoProceso

Proceso de FotolitografProceso de Fotolitografííaa

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.

Alineador de máscaras EVG 620.

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.

Mesada de litografía.

CaracterísticasEquipamiento

Procesos de Procesos de DifusiDifusióón/Deposicin/Deposicióónn

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

Máquina de electroplating, Semcon, Technic Inc.

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.

Sputtering ATC ORION Series con cámara de deposición UHV, de AJA Internacional.

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.

PECVD, Advanced Vacuum.

CaracterísticasEquipamiento

Proceso Ataque y Proceso Ataque y

RemociRemocióón (n (EtchingEtching))

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.

RIE Plasmalabpara dryetching de Oxford Instruments.

Sistema de remoción de polímeros y películas delgadas por plasma. Activador superficial de polímeros. Capacidad para wafers de 75 a 150mm. Remoción isotrópica “frontand backside”. Velocidades: 2-5µm/min (fotorresist pos), >8µm/min (fotorresist neg). Posee 2 Controladores de flujo másico para O2 y N2.

Asher, GasonicsAura 1000.

CaracterísticasEquipamiento

MetrologMetrologíía / Otrosa / Otros

Mediciones de espesores. 3 capas. Dióxido y Nitruro de Silicio. Precisión nanométrica. Diferencias de índice de refracción. Compacto Manual. Ángulo de incidencia móvil

Elipsómetro.

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

Wire Bonder, Valley Research.

Para micromaquinado por ablación Láser. Incluye microposicionador de tres ejes, de 4mm de carrera, flexibilidad en los tres ejes , resolución de 50nm.

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

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

Perfilómetro 3D VeecoInstruments.

CaracterísticasEquipamiento

FabricaciFabricacióón de Microsensor de Gasn 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.

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FabricaciFabricacióón de n de OlfateadorOlfateador

IMS MEMSIMS 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 padsdispuestos 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)

FabricaciFabricacióón de Switches RFn 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

Anticuerp

os

Virus

Nanotub

os

FabricaciFabricacióón de n de NanobiosensorNanobiosensor

� 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.

Final de la PresentaciFinal de la Presentacióón!n!

Muchas Gracias Muchas Gracias por su Atencipor su Atencióón...n...