OBTENÇÃO E CARACTERIZAÇÃO DE SiC PARA FABRICAÇÃO DE SENSORES PIEZORESISTIVOS

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1 OBTENÇÃO E CARACTERIZAÇÃO DE SiC PARA FABRICAÇÃO DE SENSORES PIEZORESISTIVOS Mariana A. Fraga,, Marcos Massi, Luiz Carlos S. Góes Instituto Tecnológico de Aeronáutica ITA Praça Marechal Eduardo Gomes, 5 Vila das Acácias São José dos Campos SP Brasil. Departamento de Engenharia Aeronáutica e Mecânica. Laboratório de Plasma maraga@ita.br RESUMO A tecnologia de microssistemas eletromecânicos (MEMS) tem sido utilizada para construção de sensores baseados nas características piezoresistivas de alguns materiais semicondutores. Entretanto, a inluência da temperatura sob o eeito piezoresistivo desses materiais limita a aplicação dos mesmos na construção desses sensores. A literatura mostra que o Carbeto de Silício (SiC), devido a sua excelente estabilidade térmica e química, tem se mostrado um material adequado para ser utilizado em altas temperaturas. Neste artigo estudou-se a deposição do ilme de SiC pelo processo de PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition). Dois tipos de substratos oram utilizados: Silício monocristalino e SOI (Silicon-On- Insulator). Os ilmes obtidos oram analisados por: Espectroscopia Raman, Diração por raios-x (XRD) e Perilometria. Um roteiro para abricação de piezoresistores nos ilmes obtidos é apresentado. Também oram realizadas simulações por elementos initos para comparar o sensor piezoresistivo de SiC com o de Silício.. INTRODUÇÃO O interesse pela utilização de ilmes de Carbeto de Silício (SiC), como material eletrônico, oi despertado,em 97, com a publicação do artigo A Note on Carborundum []. Este artigo descreve o SiC como um material adequado para produção de diodos emissores de luz (LED S). Entretanto, o SiC só começou a ser amplamente estudado a partir de 959 quando Shockley, o inventor do transistor bipolar, reconheceu o SiC como um material undamental para possibilitar a construção de dispositivos microeletrônicos capazes de suportar condições ambientais adversas como altas temperaturas e radiação intensa []. Desde então, várias técnicas para obtenção e caracterização de ilmes de SiC têm sido desenvolvidas. Este interesse pode ser justiicado pelas excelentes propriedades que o SiC apresenta como, por exemplo, alta estabilidade química, elevada tensão de ruptura e alta dureza mecânica. Quando as propriedades elétricas do SiC são comparadas as de outros materiais semicondutores destaca-se seu alto gap em torno de 3eV[3]. Por estas características, o SiC está sendo utilizado na construção de micro-sensores para diversas aplicações em satélites, turbinas, reatores nucleares etc. [4]. No caso especíico dos sensores piezoresistivos a utilização do SiC é uma alternativa para reduzir a inluência da temperatura no seu desempenho. A inluência da temperatura sob o eeito piezoresistivo limita a aplicação de alguns semicondutores na construção de sensores para temperaturas elevadas, por exemplo, sensores de pressão de silício apresentam desempenho satisatório em temperaturas menores que 75ºC e sensores SOI (Silicon-On-Insulator) em temperaturas menores que 5ºC[5-6]. A literatura mostra que o SiC, devido a sua excelente estabilidade térmica e química, pode ser utilizado em temperaturas maiores que 6ºC[7-8]. Outras propriedades do SiC, como o alto módulo de elasticidade, são undamentais para os sensores piezoresistivos. O eeito piezoresistivo é mudança de resistividade em um semicondutor provocada pela aplicação de um esorço mecânico. O SiC, quando comparado ao silício, apresenta um baixo GF (Gauge Factor). Isto signiica que o SiC só responde a grandes esorços mecânicos. Por outro lado, enquanto o GF do silício diminui com o aumento da temperatura o do SiC permanece praticamente constante. Uma das diiculdades da utilização do SiC para construção desstes sensores é a caracterização do eeito

2 piezoresistivo neste material Além disso, as características apresentadas pelo ilme dependem da técnica utilizada para sua deposição [8-9].Existem dierentes técnicas para a deposição de ilmes de SiC sendo a mais comum a PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition). Outras técnicas de CVD (Chemical Vapor Deposition) e Magnetron Sputtering também podem ser utilizadas. Neste trabalho oi utilizada a técnica de PECVD. As principais vantagens dessa técnica são: as baixas temperaturas envolvidas no processo (abaixo de 4ºC) e a possibilidade de crescer ilmes a partir misturas gasosas bem deinidas e controladas [9].. O EFEITO PIEZORESISTIVO EM SiC O eeito piezoresistivo em um semicondutor é deinido por um tensor que relaciona o esorço mecânico aplicado com a mudança de resistividade produzida no material e pode ser representado por: ρ ij ρ π ijkl σ kl Onde ρ é a resistividade do material quando não há pressão aplicada e σ kl é o stress que depende da pressão aplicada e das dimensões da estrutura (diaragma ou viga). π ijkl é o coeiciente piezoresistivo que depende da concentração de dopantes e da temperatura. É deinido por: π ijkl T, π T T ln ( N T ) E / kt E / KT ( + e )( + e ) ( ) () () Sendo que T e T são, respectivamente, a temperatura ambiente e a temperatura de operação e E é a energia de Fermi. O sinal e a magnitude do eeito piezoresistivo está associada com o tipo de dopante, a temperatura e a orientação cristalográica. Em ilmes de SiC o GF diminui com a concentração de dopantes, mas permanece constante com o aumento da temperatura. A literatura mostra que o eeito piezoresistivo em ilmes de SiC é altamente anisotrópico havendo uma dependência direta da orientação cristalográica do material obtido []. A dependência da orientação exige que o alinhamento dos piezoresistores na região de maior stress seja eito com precisão. A razão entre a mudança da resistência elétrica e a deormação do material deine o Gauge Factor (GF). Como oi mostrado na expressão (), que deine o coeiciente piezoresistivo, outro parâmetro importante para abricação de sensores piezoresistivos é a temperatura. A inluência da temperatura no desempenho do sensor pode ser compreendida a partir da determinação do coeiciente térmico de resistividade (TCR) e do coeiciente de variação do GF com a temperatura (TCGF). As expressões que deinem estes coeicientes são: TCR R T TCGF GF RT R T T T GFT T T GF T Onde R T e GF T são, respectivamente, a resistência elétrica e o Gauge Factor a temperatura ambiente, T é a temperatura de operação do sensor e T é a temperatura ambiente. O conhecimento desses coeicientes permite melhorar a compensação dos piezoresistores de um sensor. As técnicas de compensação de TCR e TCGF aplicadas em sensores piezoresistivos de semicondutores devem obedecer as seguintes condições: TCR positivo e preerencialmente constante e TCGF negativo. Além disso, o módulo de TCR deve ser maior que o de TCGF. Os piezoresistores abricados em ilmes de SiC, tipo N, ortemente dopados preenchem estas condições quando operam desde a temperatura ambiente até 8 º C [9-]. Outra alternativa para reduzir a inluência da temperatura é a deposição dos ilmes de SiC sobre substrato SOI (Silicon-On-Insulator). Geralmente, nestes substratos os ilmes são depositados por PECVD. Em seguida são realizados processos como otolitograia, metalização e corrosões para obter piezoresistores isolados pela camada de óxido. A camada de SiO do substrato SOI não permite o luxo de corrente entre os piezoresistores de SiC e a camada de silício. T (4) (5) GF R R ε (3)

3 3. COMPARAÇÃO ENTRE O SENSOR PIEZORESISTIVO DE Si COM O DE SiC Na escolha de um material para abricação de sensores eletromecânicos deve-se analisar a sua rigidez a lexão que é deinida por []: 3 Et ( υ ) D (6) Onde E é o módulo de Young, t é a espessura do ilme e υ é o coeiciente de Poisson. Na Tabela são mostradas as propriedades mecânicas do Si e do SiC. Tabela. Propriedades mecânicas do Si e do SiC Material Módulo de Coeiciente de Young (GPa) Poisson Silício Monocristalino 8.8 Carbeto de silício 37. A Figura compara a rigidez à lexão do ilme de Si com o de SiC para espessuras até µm. Rigidez a Flexão (N.m),34,3,3,8,6,4,,,8,6,4,,,8,6,4,,,,,4,6,8, espessura (m) Si SiC Figura. Rigidez à lexão do Si e do SiC em unção da espessura. Outra característica do material que também deve ser considerada é a sua deormação mecânica (strain) que pode ser determinada por: σ ij ε ij (7) E Onde σ ij é a tensão mecânica (stress) que atua no material. No sensor de pressão piezoresistivo com diaragma quadrado a deormação máxima é obtida em unção da tensão mecânica longitudinal que é dada por []: l,378 pb t σ (8) Sendo que b e t são, respectivamente, a largura e a espessura do diaragma e p é a pressão aplicada. A expressão mostra que o stress que atua numa estrutura independe das propriedades do material. Para comparar a deormação do Si com a do SiC oram considerados diaragmas com as mesmas dimensões (L µm, b µm e espessuras de até µm), ou seja, estão submetidos ao mesmo stress. A Figura mostra que o SiC apresenta uma deormação menor que a do Si porque possui um módulo de Young maior. Deormação,8,6,4,,,8,6,4,, Stress (MPa) Si SiC Figura. Deormação dos diaragmas de Si e de SiC em unção do stress. Uma comparação mais precisa dos materiais oi realizada através de análises por Elementos Finitos (FEA) utilizando o sotware FEMLAB 3.. Nas simulações realizadas oi considerado que os diaragmas estavam submetidos a uma pressão de KPa. Tabela. Comparação entre os resultados analíticos e os obtidos por FEA. Solução Analítica FEMLAB σ lmax (MPa) ε lmax (e-6) y max σ lmax (MPa) ε lmax (e-6) y max Diaragma de Si 3,78 7,,77,68 5,4,83 Diaragma de SiC 3,78 8,3,38,68 8,4 A análise da Tabela mostra que os resultados correspondem ao que era esperado: o silício apresenta maior deormação e maior delexão que o SiC. Além disso, 3

4 percebe-se um pequeno desvio entre os resultados analíticos e os obtidos por FEA. Em altas temperaturas a baixa deormação do SiC é compensada pelo ato de seu coeiciente piezoresistivo permanecer praticamente constante. Como o posicionamento dos piezoresistores depende diretamente do máximo stress, independente do tipo de material, os piezoresistores devem estar próximos às bordas do diaragma (Figura 3) para garantir que o sensor apresentará a máxima sensibilidade. stress mecânico. Portanto, o material que apresentar o maior coeiciente piezoresistivo possibilitará a abricação do sensor mais sensível. A temperatura ambiente o Si e SiC apresentam coeicientes piezoresistivos muito próximos. Um sensor de pressão pieoresistivo de Si a 5ºC exibe uma sensibilidade 8% menor que a 7ºC[3]. Enquanto, que o do SiC permanece praticamente constante. 4. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL Os ilmes de SiC oram depositados em um reator de PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition) sobre dois tipos de substratos: - Lâminas SOI (Silicon-On-Insulator); - Lâminas de Silício Monocristalino (). Figura 3. Posicionamento dos piezoresistores no diaragma. Um sensor piezoresistivo com resistores conigurados em ponte de Wheatstone converte a mudança de resistência elétrica diretamente em uma voltagem de saída. V V s s R R Logo, V π, V ( N T ) σ l (9) () A sensibilidade à pressão (S) como uma unção da mudança na voltagem de saída é dada por: Os substratos oram limpos em acetona com ultra-som por 5 min e em seguida oram colocados na câmara de deposição onde permaneceram 5 min em ambiente de argônio. As condições de obtenção dos ilmes estão mostradas na Tabela 3. Tabela 3. Parâmetros de deposição dos ilmes de SiC. Amostra Substrato Fluxo SiH4 Fluxo CH4 Fluxo Ar Fluxo H Pressão (torr) A SOI A SOI A3 SOI A4 SOI A5 SOI A6 SOI A7 SOI A8 SOI A9 Si Tensão(V) Tempo (min) S S V V s P Substituindo a equação () na () tem-se que:, σ l P ( N T ) () π () Nota-se que os parâmetros de deposição oram variados. Isto possibilitou a observação das mudanças nas propriedades do ilme em unção da variação de cada parâmetro. A temperatura do substrato (5ºC) oi o único parâmetro que permaneceu constante. Para determinar a espessura e a taxa de deposição dos ilmes oi utilizada a técnica de perilometria. A Tabela 4 mostra os resultados obtidos. A expressão () mostra que o coeiciente piezoresistivo é uma das grandezas que determina a sensibilidade do sensor, por isso, é undamental que esse parâmetro sora a menor variação possível. Sensores piezoresistivos de Si e de SiC com geometria e dimensões iguais, sob a mesma pressão, estão submetidos ao mesmo 4

5 Tabela 4. Espessura e taxa de deposição dos ilmes de SiC Amostras ª medida ª medida 3ª medida Média Taxa de deposição (nm/min) A , 7 38,85 A ,3 39,89 A3 Não houve aderência do ilme A , 7 7,9 A ,3 9,55 A6 Não houve aderência do ilme A7 Não houve deposição A , A ,4 Os ilmes que apresentaram maiores taxas de deposição e melhor uniormidade oram aqueles depositados através de misturas dos gases silano (SiH4), metano (CH4) e argônio (Ar). As amostras A3 e A6, crescidas com diluição em H, apresentaram uma baixa aderência entre ilme e substrato. Na amostra A7 não houve deposição de ilme. intensidade (U.A.) Deslocamento Raman [cm-] Figura 4. Espectros Raman das amostras. A A A6 A8 A9 A identiicação das ligações químicas dos ilmes oi eita por Espectroscopia Raman e Diração de raios-x (Figura 4 e Figura 5). Os resultados obtidos mostraram que os ilmes depositados apresentaram características típicas de material amoro. Uma vantagem da obtenção do ilme de SiC amoro é a possibilidade de realizar a dopagem pelo processo de diusão térmica. O SiC cristalino, normalmente, é dopado por implantação iônica devido ao ato de apresentar um baixo coeiciente de diusão de impurezas [4]. Esta característica inviabiliza a dopagem por diusão térmica de elementos dopantes. A dopagem do SiC também pode ser realizada durante o processo de crescimento do ilme através da adição de dopantes. A avaliação dos resultados obtidos mostrou que a amostra A8 é a mais adequada para abricação dos piezoresistores. Contagens/s Θ Figura 5. XRD da amostra A8. 5. PROPOSTA PARA FABRICAÇÃO DOS PIEZORESISTORES DE SiC O Objetivo é abricar piezoresistores de SiC isolados por uma camada de SiO sobre um substrato de Silício. As principais etapas para abricação são: (a) Deposição do ilme de SiC por PECVD; (b) Deposição de alumínio; (c) Fotolitograia para deinição dos contatos elétricos; (d) Fotolitograia para deinição do piezoresistor; (e) Corrosão do SiC por Magnetron Sputtering; A Figura 6 ilustra estas etapas. Na construção dos sensores piezoresistivos é necessário realizar a corrosão de backside do silício para ormação da viga (acelerômetro) ou do diaragma (sensor de pressão). Esta corrosão pode ser úmida ou por plasma (seca). Na corrosão úmida, geralmente, utiliza-se solução de Hidróxido de Potássio (KOH). No processo por plasma um gás é decomposto na região de descarga, ormando espécies altamente reativas, como radicais e átomos, que posteriormente interagem com o substrato. Compostos luorados, como CF 4 e SF 6 são muito utilizados na corrosão de silício em plasmas a baixas 5

6 pressões. A Figura 7 é um desenho esquemático de um sensor de pressão piezoresistivo de SiC. Diração por raios-x mostraram que os ilmes obtidos apresentam conigurações típicas de materiais amoros. O ilme de SiC amoro possibilita a realização do processo de dopagem por dois métodos: diusão térmica ou implantação iônica. As vantagens da utilização de SiC para sensores piezoresistivos oram mostradas através das análises realizadas por expressões analíticas e simulações por elementos initos. 7. AGRADECIMENTOS Ao CNPq pelo suporte inanceiro através do Programa Nacional de Microeletrônica (PNM). 8. REFERÊNCIAS [] H.J. Round, Elect.World, 49, (97). [] W. Shockley, Proceedings o the First International Conerence on Silicon Carbide, Boston, MA, (959). [3] M. Madou, Fundamentals o Microabrication. CRC press, New York, (997). [4] G. Kroetz., E. Obermeier, W. Wondrak, C.Cavalloni, Silicon Carbide on Silicon An Ideal Material Combination or Harsh Environment Sensor Applications, IEEE MEMS, pp , (998). [5] GMI & Yole Développment, HE-MEMS : Microsystems or harsh environments, (4). [6] R.S. Okoije, A. Ned, A.D Kurtz, α(6h)-sic Pressure Sensors or High Temperature Applications, IEEE, pp.46-49, (996). Figura 6. Etapas básicas para abricação dos piezoresistores de SiC. [7] J.S. Shor, D. Goldstein, A.D. Kurtz, Characterization o n- Type β-sic as a Piezoresistor, IEEE Transactions on Electron Devices, pp.93-99, (993). [8] J. R., Prado, Propriedades Químicas e Morológicas de Filmes Hidrogenados de Carbeto de Silício Amoro, Dissertação de Mestrado apresentada ao Instituto de Física da USP, (997). [9] A.F. Flannery, J. Mourlas, C.W. Storment, S.Tsai, S.H. Tan, G. Kovacs, PECVD Silicon Carbide or Micromachined Transducers, IEEE Transducers, pp.7-,(997). Figura 7. Sensor de Pressão Piezoresistivo de SiC. 6. CONCLUSÕES A obtenção de SiC pela técnica de PECVD, a partir de misturas dos gases silano (SiH 4 ), metano (CH 4 ) e argônio (Ar), mostrou-se muito eiciente por apresentar uma alta taxa de deposição, boa uniormidade e boa aderência entre ilme e substrato. As análises por Espectroscopia Raman e [] L.A. Rasia, Elementos Piezoresistivos para abricação de Sensores de Pressão usando Tecnologia CMOS, Dissertação apresentada a Escola Politécnica da USP, (997). [] M.A.Fraga, L.L. Koberstein, L.A. Rasia, E. Charry, Projeto de um Sensor de Pressão Piezoresistivo em Substrato SOI. XI IBERCHIP, Salvador, Brasil, (5); [] M.A.Fraga, L.L. Koberstein, L.A. Rasia, E. Charry Método analítico para dimensionamento do diaragma de um sensor de 6

7 pressão piezoresistivo. X IBERCHIP, Cartagena de Índias, Colômbia, (4). [3] M.A.Fraga, Projeto de um Sensor de Pressão Piezoresistivo em Substrato SOI. Dissertação apresentada a Escola Politécnica da USP, (5). [4] F. Demichelis, G. Crovini, C.F. Pirri, E. Tresso, Thin Solids Films 65 (995) p