DESENVOLVIMENTO DE SENSORES PIEZORESISTIVOS

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1 Dias de la Ciencia Aplicada Septiembre, 2011 Medellin - Colombia DESENVOLVIMENTO DE SENSORES PIEZORESISTIVOS Prof. Dr. Marcos Massi Laboratório de Plasmas e Processos Instituto Tecnológico de Aeronáutica São José dos Campos - Brasil massi@ita.br

2 SUMÁRIO Tecnologia MEMS (conceito, histórico e aplicações) MEMS e Circuitos Integrados (CI s) Etapas de desenvolvimento de sensores MEMS Principais mecanismos de transdução usados em MEMS Vantagens e limitações do uso de Si Ambientes Agressivos Principais materiais para desenvolvimento de sensores MEMS para aplicações em ambientes agressivos Desenvolvimento de um sensor de pressão piezoresistivos de SiC

3 Tecnologia MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems) Integração de elementos mecânicos e eletrônicos em um único chip. Também conhecida como MST Microsystems Technology (Europa) e Micromachines ou Smart Sensors (Japão)

4 Escala e Dimensões

5 Tecnologias envolvidas e aplicações típicas

6 Vantagens da tecnologia MEMS Miniaturização : tamanho e peso reduzidos; Baixo custo de fabricação: produção em grande escala com processos de fabricação bem estabelecidos; Reprodutibilidade e confiabilidade; Flexibilidade de projeto: soluções personalizadas e integração com eletrônica.

7 Histórico da tecnologia MEMS 1948 Transistor (J. Bardeen, W.H. Brattain, W. Shockley) 1954 Efeito Piezoresistivo em Si e Ge (C.S. Smith) 1958 Primeiro circuito integrado (IC) comercial (J.S. Kilby) 1962 Piezoatuadores integrados de Si (O.N. Tufte et al.) 1971 A Intel desenvolveu o processador 4004 com 200 transistores 1982 K. Petersen introduz o conceito do silício como material mecânico.

8 Histórico da tecnologia MEMS º sensor de pressão de Si comercial (Honeywell) Intensificação nos estudos de fabricação de sensores 1994 Ampla disponibilidade comercial de sensores de pressão e acelerômetros 2000 Kulite Semiconductor começa a produzir sensores de pressão de SiC (substrato) 2002 A Universidade de Berlim em parceria com a Daimler Benz desenvolve um protótipo de sensor de pressão baseado em filme de 3C-SiC.

9 Estágio atual da tecnologia MEMS baseada em Si Tecnologia consolidada e amadurecida Movimentou US$ 70 bilhões em com mercado crescente. (fonte The Economist, Janeiro 2008)

10 Estágio atual da tecnologia MEMS

11 Principais mecanismos de transdução utilizados em MEMS P.Ex.: Entrada Tensão mecânica T r a n s d u t o r Saída 1. Variação de resistividade (Efeito Piezoresistivo) 2. Variação de potencial (Efeito Piezelétrico) M E M S 3. Variação de capacitância (Efeito Capacitivo)

12 Por que usar Si para fabricar MEMS? Propriedades mecânicas e elétricas já são bem conhecidas; A tecnologia de CI s foi toda desenvolvida para o Si, ou seja, as técnicas de processamento estão consolidadas; Disponibilidade de substratos comerciais com alta pureza (99.999%) e grandes diâmetros (até 12 pol.); É possível integrar eletrônica; Ampla faixa de resistividade 230k.cm (intrínseco) e pode chegar a 0.5 m.cm (altamente dopado); A temperatura ambiente e até 125ºC dispositivos eletrônicos baseados em Si apresentam desempenho superior aos baseados em outros materiais.

13 MEMS E CIRCUITOS INTEGRADOS (CI s) Tecnologia de fabricação De CI s (estruturas 2D) Microusinagem ( Micromachining ) Tecnologia MEMS (estruturas 3D) Os sensores MEMS são constituídos por estruturas 3D suspensas ( vigas, membranas...).

14 Alguns softwares usados para auxiliar o desenvolvimento de sensores MEMS Projeto: Cadence, Spice, Matlab... Simulação: ANSYS, COMSOL, NASTRAN... Processo de fabricação: SUPREM, COVENTOR...

15 Etapas de desenvolvimento de Sensores MEMS Projeto: dimensionar o sensor para uma determinada aplicação Análise do projeto: modelagem e simulação do sensor Confeccionar máscaras litográficas e definir seqüência de fabricação Processos de microfabricação Teste do sensor Encapsulamento

16 Quando não utilizar Si como material base para MEMS? Ambientes Agressivos São ambientes extremos de temperatura, pressão, radiação e ataque químico.

17 Ambientes Agressivos Principais aplicações que necessitam de sensores capazes de operar nesses ambientes: Aplicações terrestres Automotivas: monitoramento da combustão do motor; Aeronáuticas: diversas aplicações na turbina a gás; Petroquímicas: Exploração de petróleo combinação alta temperatura, alta pressão e presença de fluídos corrosivos; Aplicações espaciais

18 Principais materiais para desenvolvimento de sensores MEMS para aplicações em ambientes agressivos SiC AlN Si 3 N 4 Óxidos semicondutores (ZnO, TiO 2, SiO 2, ITO...) DLC (~até 300ºC)

19 É melhor usar filme fino ou substrato ( bulk )? Os substratos de SiC, AlN, ZnO disponíveis comercialmente tem diâmetro de no máximo 3 pol. com custo ~15x maior que o wafer de Si; Desvantagens do substrato Os processos de corrosão e metalização ainda não estão consolidados; Desvantagens do filme fino Difícil reprodutibilidade; Propriedades elétricas e mecânicas inferiores as do substrato.

20 DESENVOLVIMENTO DE UM SENSOR DE PRESSÃO PIEZORESISTIVO DE CARBETO DE SILÍCIO

21 Objetivos Síntese, dopagem, caracterização e corrosão de filmes de SiC Estudo das propriedades piezoresistivas de filmes de SiC produzidos Fabricação e caracterização de um protótipo

22 Por que usar o carbeto de silício (SiC)? Excelente estabilidade térmica e química; Excelentes propriedades mecânicas; Compatibilidade com os processos de microfabricação baseados em silício.

23 Técnicas para obtenção do filme de SiC PECVD e sputtering Processo Vantagens Desvantagens PECVD Sputtering baixa temperatura alta taxa de deposição boa adesão filme /substrato Melhor controle da composição do filme boa adesão filme / substrato alta taxa de deposição geralmente, os filmes não são estequiométricos há incorporação de subprodutos da reação H, N e O. baixa uniformidade Desafios: Tamanho dos substratos Alta densidade de defeitos Preço do substrato

24 Métodos utilizados para dopagem de filmes de SiC Dopagem in situ tipo N : adição dos gases N 2 ou PH 3 tipo P: adição do gás B 2 H 6 Implantação iônica tipo P: implantação de Al ou B tipo N: implantação de N ou P Difusão térmica tipo P: difusão de Al

25 Etapas de processamento para fabricação de dispositivos baseados em SiC Oxidação Óxido nativo é o SiO 2 Metalização Metais mais utilizados: Al ou Au depositados sobre Ti Corrosão Resistente a corrosão úmida em soluções como KOH ou HF Corrosão por plasma utilizando gases fluorados

26 Materiais e Métodos Deposição de filmes de SiC por PECVD Substrato: Si (100) tipo P Limpeza: RCA Parâmetros de deposição constantes: Fluxo de CH 4 : 20 sccm Fluxo de Ar : 20 sccm Tempo: 20 min Pressão: 0,2 Torr Amostra Fluxo de SiH 4 (sccm) Fluxo de N 2 (sccm) P1 1 - P2 2 - P3 3 - P4 4 - P5 4 2

27 Materiais e Métodos Deposição de filmes de SiC por sputtering Amostra Fluxo de N 2 (sccm) M0 - M1 0,7 M2 1,4 Alvo: SiC (99,5% de pureza) Substrato: Si (100) tipo-p Limpeza: RCA Fluxo de Ar : 7 sccm Potência: 200W Tempo: 120 min M3 2,1 M4 2,8 M5 3,5

28 Materiais e Métodos Processo de Recozimento Térmico Temperatura: 1000ºC Ambiente: Argônio Tempo: 1h

29 Materiais e Métodos Corrosão RIE dos filmes de SiC Parâmetro Temperatura do substrato (ºC) Valor 20 Pressão (mtorr) 25 Potência (W) 50 Tempo (min.) 3 SF 6 + O 2 Fluxo total dos gases (sccm) Concentração de O 2 (%) ou 80

30 Materiais e Métodos Fabricação de resistores de SiC

31 Materiais e Métodos Fabricação de resistores de SiC

32 Materiais e Métodos Caracterização elétrica dos resistores de SiC fabricados

33 Materiais e Métodos Caracterização piezoresistiva dos resistores de SiC Dimensões da viga: 120 mm x 25 mm x 1,2 mm

34 Materiais e Métodos Caracterização piezoresistiva dos resistores de SiC Procedimento experimental: - A resistência do resistor sem tensão mecânica aplicada (R 0 ) foi medida; - Um bloco com massa de 20 g foi colocado na extremidade livre da viga. - A resistência do resistor (R f ) quando a viga está submetida a essa tensão mecânica foi medida; - Determinou-se a variação da resistência elétrica R/R; - O procedimento foi repetido para blocos com 40, 60, 80 e 100g.

35 Resultados e Discussões Caracterização dos filmes de SiC depositados por PECVD Composição Taxa de deposição Amostra Fluxo SiH 4 (sccm) Si (at. %) C (at. %) O (at. %) P1 1 9,0 82,0 5,0 P2 2 14,0 86,0 4,5 P3 3 18,0 73,0 5,0 P4 4 25,0 68,0 4,8 Amostra P5 (dopada): 31% de Si, 56% de C, 7% de N e 3% de O

36 Resultados e Discussões Caracterização dos filmes de SiC depositados por PECVD Ligações Químicas Espectros XRD Antes do recozimento Após recozimento

37 Resultados e Discussões Caracterização dos filmes de SiC depositados por PECVD Resistividade Módulo de Elasticidade Amostra Espessura (nm) Resistividade (.cm) P ,5 P ,4 P ,8 P ,3 P ,3 x10-2

38 Resultados e Discussões Caracterização dos filmes de SiC depositados por PECVD * Amostra P4 Taxa de corrosão (nm /min) Concentração de O 2 na mistura Filme como depositado Após recozimento ,0 30, ,0 12,5

39 Resultados e Discussões Caracterização dos filmes de SiC depositados por sputtering Composição Taxa de deposição N 2 /Ar Amostra Si C N O (%) (%) (%) (%) 0 M ,1 M ,5 0,2 M ,5 0,3 M ,4 M ,5 M ,5

40 Resultados e Discussões Caracterização dos filmes de SiC depositados por RF magnetron sputtering Ligações Químicas Espectros XRD Antes do recozimento Após recozimento

41 Resultados e Discussões Caracterização dos filmes de SiC depositados por RF magnetron sputtering Resistividade * Após recozimento Módulo de Elasticidade Amostra Espessura (nm) Resistividade (M.cm) M ,25 M ,27 M ,87 M ,9

42 Resultados e Discussões Comparação entre as propriedades dos filmes obtidos com os apresentados na literatura Este trabalho Literatura a-si x C y a-si x C y tipo N a-sic a-sic x N y 3C-SiC a-sic:h a-c:h Técnica de deposição PECVD PECVD sputtering sputtering CVD PECVD PECVD Estrutura amorfa amorfa amorfa amorfa cristalina amorfa amorfa Módulo de elasticidade (GPa) 72 a a , ,5 a 26 Resistividade (.cm) 12,5 a 10,4 0,18 1 x ,8 x ,3 x ,25 x 10 6 a 2,27x ,87x 10 6

43 Resultados e Discussões Caracterização elétrica dos resistores de SiC fabricados Amostra P4

44 Resultados e Discussões Caracterização elétrica dos resistores de SiC fabricados Amostra P5

45 Resultados e Discussões Caracterização piezoresistiva dos resistores de SiC Variação da resistência elétrica Coeficiente Piezoresistivo

46 Desenvolvimento de um Sensor de Pressão Piezoresistivo Estrutura proposta Pressão aplicada Diafragma de Si Piezoresistores de SiC Ponte de Wheatstone Tensão de saída

47 Desenvolvimento de um Sensor de Pressão Piezoresistivo Dimensionamento do Diafragma Dimensões otimizadas: 1800 x 1800 x 30 µm Ldm = 2500 x 2500 µm

48 Desenvolvimento de um Sensor de Pressão Piezoresistivo Dimensionamento dos Piezoresistores O comprimento do piezoresistor ( Lr), a largura do piezoresistor (W) e a distância entre a borda e o piezoresistor (d) são as variáveis do projeto, pois a espessura do piezoresistor é a espessura do filme de SiC; O valor de Lr deve ser o menor possível para que os piezoresistores perpendiculares às bordas não fiquem próximos ao centro do diafragma que é a região de mínimo stress; As máscaras que serão utilizadas para fabricação do sensor serão impressas em fotolitos, então, o comprimento e a largura do resistor devem ser maiores que 50 m;

49 Desenvolvimento de um Sensor de Pressão Piezoresistivo Projeto das Máscaras

50 Desenvolvimento de um Sensor de Pressão Piezoresistivo Etapas de Fabricação

51 Desenvolvimento de um Sensor de Pressão Piezoresistivo Imagens MEV

52 Desenvolvimento de um Sensor de Pressão Piezoresistivo Encapsulamento

53 Desenvolvimento de um Sensor de Pressão Piezoresistivo Fotografias do sensor

54 Desenvolvimento de um Sensor de Pressão Piezoresistivo Fotografias do sensor

55 Desenvolvimento de um Sensor de Pressão Piezoresistivo Teste

56 Desenvolvimento de um Sensor de Pressão Piezoresistivo Caracterização

57 Conclusões Filmes produzidos Sputtering PECVD O filme depositado sem N 2 é um composto estequiométrico SiC; O processo de dopagem in situ foi ineficiente, pois promoveu a formação de filmes SiC x N y ; Baixo grau de cristalização Alta resistividade e baixo módulo de elasticidade Os filmes depositados são compostos não-estequiométricos de Si e C (Si x C y ); O processo de dopagem in situ por adição de N 2 foi eficiente; Os espectros XRD mostraram que os filmes apresentam baixo grau de cristalização.

58 Conclusões Principal diferencial piezoresistores fabricados em filme amorfo de SiC Protótipo de sensor de pressão de SiC desenvolvido Boa sensibilidade ~2,7 mv/psi Problemas de repetibilidade

59 Trabalhos Futuros Caracterização do protótipo desenvolvido em altas temperaturas. Aprimoramento das etapas de fabricação e encapsulamento do sensor. Otimização dos processos de deposição dos filmes. Aplicação dos filmes de SiC produzidos em outros tipos de dispositivos.

60 Agradecimentos

61 Gracias!