3 Processos para MEMS 2013 Processos Avançados para MEMS 1
Processos Básicos : Obtenção de Si (Czochralski) Oxidação Térmica Deposição de Filmes (Spin Coating, Epitaxia, CVD, PVD) Fotolitografia e Dopagem (Difusão e Dopagem) Corrosão Processos Avançados : Soldagem Anódica (Anodic Bonding) Silicon Direct Bonding Polimento Eletrodeposição (LIGA) Secagem Supercrítica Self-Assembled Monolayers Eletrofabricação (EFAB) Processos Não Litograficos : Usinagem Mecânica ultra-precisa Microusinagem por Laser Electrodischarge Machining Silk Screen Soft Lithography Moldagem a quente (Hot Embossing) Microusinagem por Ultra-som 2
Anodic Bonding (laminas de Si/Vidro) 5.3 Processos de fabricação de Microcanais É uma técnica tradicional para soldar lâminas de vidro sobre substratos de Si. A solda ocorre em temperaturas da ordem de 400 o C e envolve a aplicação de voltagens da ordem de 1 kv. A soldagem depende criticamente da presença de íons de Na + no vidro, que deve migrar para longe da interface vidro/si quando é aplicada a tensão. Isso libera íons O - que migram para a superfície do Si, onde induzem uma carga positiva equivalente. A atração eletrostática entre as cargas mantêm ligados o vidro e o Si e promove as reações químicas na interface (formação de SiO 2 ) que terminam de soldar as duas lâminas. Note que o Si deve ser polarizado positivamente em relação ao vidro e que a solda está completa quando a corrente externa cai a zero (todos os Na+ móveis alcançaram o cátodo). As altas temperaturas são necessárias para aumentar a mobilidade dos íons de N + e O - dentro do vidro. 3
Além de alto conteúdo de ions de Na +, os vidros devem possuir coeficiente de expansão térmica próximo ao Si (para evitar quebras durante o resfriamento). Os vidros mais utilizados são : Corning 7740 (Pyrex), Corning 7750, Schott 8329 e Schott 8330. É muito utilizado nem sensores de pressão, onde proporciona um suporte rígido para a região fora da membrana : Silicon in Mechanical Sensors, J.C. Greenwood, J. Phys. E : Sci. Instrum., 21 (1998) 1114-1128 The MEMS Handbook : MEMS Design and Fabrication, 2nd Ed.,Mohamed Gad-el-Hak, Ed. CRC, 2006 4
Anodic Bonding (lâminas de Si) 5.3 Processos de fabricação de Microcanais A soldagem anôdica também pode ser utilizada para soldar lâminas de Si com Si. Para isto, a superfície de uma das lâminas de Si deve ser recoberta com uma película vítrea contendo íons de Na +. Por exemplo, uma plícula de Pyrex obtida por sputtering de um alvo também de Pyrex. A espessuras típica destes filmes varia entre 0,5 µm e 5 µm, portanto as voltagens necessárias são bem menores, tipicamente entre 30 e 200 volts. Por se tratar de filmes vitreos que são mais finos do que uma lâmina de vidro, os problemas de rachaduras devido à expansão térmica são menos graves. Porém, resultados ótimos ainda dependem da escolha de vidros com coeficiente de expansão térmica apropriado. A soldagem anôdica também pode ser utilizada para soldar lâminas de Vidro com Vidro. Neste caso a camada intermediaria pode ser a-si:h depositado por PECVD. Índice 5
Silicon Direct Bonding Processos Avançados para MEMS Neste processo, também conhecido por Silicon Fusion Bonding, 2 lâminas de Si são soldadas entre si por contato direto, sem aplicação de campo elétrico ou mesmo altas temperaturas. Surgiu nos anos 80, com o desenvolvimento das lâminas SOI, (Silicon-On- Insulator) Embora relativamente caras (~US$ 500 / 300 mm), devido à disponibilidade comercial as lâminas SOI são muito utilizadas em sensores de pressão, acelerômetros e MEMS em geral. Envolve laminas virgens de c-si ou com películas polidas de Si-poli As lâminas devem estar oxidadas (SiO 2 ) ou cobertas com SiO 3 N 4 Para uma soldagem uniforme é essencial a limpeza química e remoção de partículas das superfícies Planicidade melhor que 5 um laminas de 100 mm e rugosidade entre 0,5 e 1 nm RMS (rugosidade de lâminas virgens : entre 0,1 e 0,2 nm RMS) O processo começa coma limpeza e hidratação das superfícies : H 2 SO 4 + H2O2 (água oxigenada) ; 4:1 a 80 o C por 10 min ( Piranha ) HF + H 2 O ; (1:10) em temperatura ambiente por 10s; (remove SiO 2 nativo e/ou contaminantes do SiO 2 ) NH 4 OH + H 2 O 2 + H 2 O ; (1:1:5) em 80 C por 10 min; (RCA-1) (remove contaminantes orgânicos) HCl + H 2 O 2 + H 2 O ; (1:1:5) em 80 C por 10 min; (RCA-2) (remove contaminantes metálicos) Enxágue em água deionizada (DI) com resistividade de 18 MΩ.cm, por 3min e secagem com jato de nitrogênio 6
Silicon Direct Bonding Processos Avançados para MEMS Os processos com H 2 O 2 a 80 o O promovem a hidratação da superfícies, ou seja, a ligação de radicais -OH nos átomos de Si da superfície, Postas em contato, as laminas colam por meio de forças de van der Waal entre os radicais OH : Si O H H O Si Um tratamento térmico posterior a 800-1000 o C por algumas horas, termina de colar fortemente as lâminas : Si O Si + H 2 O Quando é requerido alinhamento entre as duas laminas, são necessários equipamentos especiais que permitem fazer a soldagem em ambiente controlado (vacuo, atmosfera inerte, etc.) com precisão da ordem de 1 um (ver http://www.suss.com/products/wafer_bonder e http://www.evgroup.com/en/products/bonding/waferbonding) 7
Direct Bonding 5.3 Processos de fabricação de Microcanais Vidro com Vidro : Possível devido ao papel desempenhado pelo SiO 2 nas superfícies a ser coladas, A principal vantagem é a simplicidade : Não são necessárias nem altas tensões nem altas temperaturas (como na soldagem anôdica), A resistência da soldagem pode ser melhorada : fazendo a hidratação em soluções de acido sulfúrico (H 2 SO 4 ) por períodos de até 12 hrs. fazendo a soldagem a maiores temperaturas (300 o C ou mais) e eventualmente, sob pressão (alguns MPa). Polímero com Polímero : Neste caso o processo de soldagem deve ser induzido termicamente. Isto é feito levando os substratos a temperaturas acima do seu ponto de transição vítrea (T g ). Em polímeros com baixa energia de superfície, como polidimetilsiloxano (PDMS), é possível fazer a ativação das superfície utilizando plasmas de oxigênio e soldar superfícies polimêricas mesmo à temperatura ambiente. Uma outra alternativa envolve expor as superfícies poliméricas ao vapor de solventes orgânicos e promover a solda a partir do contato dessas superfície molhadas. Índice 8
Exemplos de wafer bonding : Índice 9
Polimento Processos Avançados para MEMS Processos de retifica e polimento são necessários para afinar lâminas soldadas até as espessuras finais desejadas : Na retifica as laminas são posta num mesa giratória e desgastadas mecanicamente por uma placa diamantada que gira em sentido oposto, até próximo da espessura final desejada. Centenas de micrometros podem se removidos neste processo, que deixa a superfície bastante rugosa e deteriorada. A rugosidade resultante do processo de afinamento deve ser removida por um processo de polimento também mecânico, também realizado numa mesa giratória, mas desta vez coberta com um feltro muito fino e sob um fluxo contendo uma solução levemente alcalina com partículas micrométricas de sílica. As taxas de remosão de Si são da ordem de 1 um/ min e a rugosidade final é da ordem de + 0,5 um. Defeitos cristalográficos remanescentes dos processos de retifica e polimentro devem ser demovidos fazendo uma oxidação térmica e removendo o óxido. 10
Polimento CMP Processos Avançados para MEMS Processos de Polimento Químico- Mecânico (CMP) são utilizados em microeletrônica para planarizar camadas dielétricas grossas. Combina a ação mecanica e corrosão química. Para isso utiliza soluções abrasivas alcalina com ph > 10. A taxa de corrosão é controlada pelo fluxo e ph da solução, pressão, temperatura e velocidade de giro. Excelente polimento final : rugosidade < 1 nm, mas baixa taxa de remoção de Si ( ~100 nm/min ) Em MEMS são particularmente importantes para planarizar perfis topograficos acidentados, como os obtidos em processos na Microfabricação em superfçie. sem CMP com CMP 11
Eletrodeposição e Moldagem Processos Avançados para MEMS A eletrodeposição é uma técnica industrial bem conhecida que tem sido adaptada como técnica de microfabricação para deposição e estruturação 3D de filmes metálicos. Metais típicos obtidos por eletrodeposição sobre Si : Au, Cu, Ní, Pt, Al, etc. A estruturação 3D e feita utilizando polímeros fotosensíveis (fotoresiste, PMMA) para definir as regiões do substratato onde ocorrerá a eletrodeposicão, dando origem a um molde polimérico. 1. Deposição da camada semente da eletrodeposição (por exemplo, Au ou Ni) 2. Deposição e litografia de uma camada grossa de polímero fotosensível (5 a 100 um por UV ou raios-x) UV --: razão de aspecto 3:1 raios-x --> razão de aspecto 100:1 em 1 mm de PMMA 3. É eletrodepositado o metal desejado (p.ex. Ni) 4. O Fotoresiste e a camada semente são removidos. 12
Processo LIGA Processos Avançados para MEMS As estruturas metalicas formadas por eletrodeposição podem ser usadas elas próprias em diversas aplicações (cabeçotes de jato de tinta, telas metálicas), mas também podem ser utilizadas como moldes para na fabricação de estruturas poliméricas. Processos de eletrodeposição para fabricação de estruturas com alta razão (litografia por raios-x) que incluem esta etapa de moldagem são conhecidos por processos LIGA (de Lithographie Galvanoformung Abformung, ou Litografia Eletroformação e Moldagem em alemão) Estruturas fabricadas pelo processo LIGA : Inclinação das paredes : 1um/mm Espessuras > 1 mm 13
Secagem Supercrítica Processos Avançados para MEMS O chamado sticktion é um problema comum na corrosão úmida de materiais de sacrifico em processos de microfabricação em superfície : devido à tensão superficial das soluções líquidas, durante o enxágüe as estruturas que deveria ficar auto sustentadas, entram em contato com o substrato, onde ficam grudadas pela ação de forças de van der Waals : Uma solução para este problema é a secagem supercrítica ou secagem no ponto crítico : A amostra é retirada da água e mergulhada em metanol numa câmara de pressão, CO 2 liquido é introduzido na câmara a 7,5-9 MPa, A mistura (Metanol+CO 2 ) é removida pela base e logo sobra apenas CO 2 na câmara A câmara é aquecida (de 20 a 35 o C) O CO 2 é removido a T constante Diagrama de fase P x T do CO 2 14
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