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

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

Materiały używane w technologii mikromechanicznej Krzem i związane z nim materiały są podstawą mikrosystemów. Należy tu wymienić: krzem monokrystaliczny (SCS-single crystal silicon) multikrystaliczny krzem amorficzny krzem (a-Si) stopy krzemu z germanem amorficzny kwarc SiO2 azotek krzemu Si3N4 SOI-silicon on insulator Mikrosensory półprzewodnikowe Wykład 3, 2010/11

Sensory ciśnienia, przyspieszenia, siły Efekt piezorezystancyjny Rodzaj sensora Zjawisko fizyczne Materiał Sensory ciśnienia, przyspieszenia, siły Efekt piezorezystancyjny Efekt piezoelektryczny Si (mono lub polikryształ) SiO2, ZnO Sensory temperatury Temperaturowa zależność rezystywności Temperaturowa zależność napięcia progowego złącza p-n Efekt termoelektryczny Si Si,Ge Sensory pola magnetycznego Efekt Halla Si, GaAs,InSb Sensory optyczne Fotoefekt Si, Ge, GaAs,PbS, PbSe, PbTe, PbSnTe,InSb,HgCdTe,CdS,CdSe,CdTe Sensory chemiczne Efekt polowy Zmiana przewodnictwa elektrycznego Tlenki metalu (SnO2, ZnO) Biosensory Mikrosensory półprzewodnikowe Wykład 3, 2010/11

Dlaczego krzem? tani i dobrze scharakteryzowany materiał, łatwo dostępny (25.8% Si w skorupie ziemskiej, związany jako SiO2) 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) SiO2 – elektryczny izolator Mikrosensory półprzewodnikowe Wykład 3, 2010/11

Granica plastyczności [GPa] 7 2,1 0.7 - Własność Krzem Stal nierdzewna Kwarc Al Gęstość [g/cm3] 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/m2] 850 660 820 Współczynnik rozszerzalności termicznej [10-6/ oC] 2,6 17,3 0.54 Przewodnictwo cieplne w 300K [W/cm∙K] 1,57 0,329 0.0146 2.37 Temperatura topnienia [oC] 1415 1400 1715 Mikrosensory półprzewodnikowe Wykład 3, 2010/11

Przerwa energetyczna (300 K) 1.12 1.42 0.66 eV Si GaAs Ge Jednostka Przerwa energetyczna (300 K) 1.12 1.42 0.66 eV Struktura diamentu blendy cynkowej 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 200 3900 1900 cm-2/Vs Stała dielektryczna 12 11.5 16 Gęstość 2.329 5.318 5.327 g/cm3 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/cmK Temperatura topnienia 1415 1238 937 oC Mikrosensory półprzewodnikowe Wykład 3, 2010/11

Maksymalna siła rozciągająca 2.8-6.8 0.5-0.7 0.5-1.5 Parametr Si Kwarc Stal Al Jednostka Gęstość 2.33 2.6 7.9-8.2 2.71 g cm-3 Moduł Younga, E 130-190 75 206-235 72 GPa Twardość 8.5-11 8.2 5.5-9 Maksymalna siła rozciągająca 2.8-6.8 0.5-0.7 0.5-1.5 Mikrosensory półprzewodnikowe Wykład 3, 2010/11

Krzem Struktura diamentu Eg = 1.12 eV Mikrosensory półprzewodnikowe Wykład 3, 2010/11

Mikrosensory półprzewodnikowe Wykład 3, 2010/11

Mikrosensory półprzewodnikowe Wykład 3, 2010/11

Mikrosensory półprzewodnikowe Wykład 3, 2010/11

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 „bottom-up” to np. samoorganizujące się struktury ale także cienkie warstwy (epitaksja z fazy ciekłej lub gazowej). Zastosowanie STM Mikrosensory półprzewodnikowe Wykład 3, 2010/11

Główne etapy technologii IC Wzrost kryształu Cięcie Cienkie warstwy: -epitaksjalne Si -polikrystaliczne Si -SiO2 -Si3N4 -metaliczne Nanoszenie warstw Litografia Domieszki Trawienie Maski Porcjowanie Mikrosensory półprzewodnikowe Wykład 3, 2010/11 Pakowanie

Najważniejsze procesy 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

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

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 w wo w Rowek typu U (ang. U-groove), krótki czas trawienia, h - głębokość wytrawiona Rowek typu V (ang.„V-groove”) długi czas trawienia Mikrosensory półprzewodnikowe Wykład 3, 2010/11

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 70.9oC 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

Mikrosensory półprzewodnikowe Wykład 3, 2010/11

Objętościowe struktury wykonane w technologii mikromechanicznej 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

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

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

Przykładowe struktury Mikrosensory półprzewodnikowe Wykład 3, 2010/11

Mikrosensory półprzewodnikowe Wykład 3, 2010/11

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

Mikrosensory półprzewodnikowe Wykład 3, 2010/11

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 3D charakteryzują się tzw. high-aspect-ratio. Mikrosensory półprzewodnikowe Wykład 3, 2010/11

Mikrosensory półprzewodnikowe Wykład 3, 2010/11

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

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

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

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