Tehnologii de fabricatie pentru MEMS-uri

În proiectarea si realizarea MEMS-urilor trebuie avute în vedere urmatoarele:

Frecarile sunt mai mari decât fortele inertiale; fortele capilare, electrostatice si atomice la nivel micro sunt semnificative.

Caldura dezvoltata în astfel de sisteme are valori relativ ridicate, ceea ce poate pune probleme în ceea ce priveste transportul si disiparea caldurii.

Pentru microsistemele hidraulice, spatiile mici de lucru si transport ale fluidului sunt predispuse la blocaje, dar în acelasi timp pot regulariza curgerea fluidului.

Proprietatile de material (modulul Young, coeficientul Poisson etc) si teoria mecanicii la nivel micro.

Utilizarea MEMS- urilor pe structura unui circuit integrat este complexa si specifica fiecarui microsistem în parte.

Realizarea si testarea MEMS- urilor nu este usoara; anumiti microsenzori necesita contactul direct cu mediul, ceea ce presupune asigurarea protectiei acestora la perturbatii exterioare, iar testarea este mai costisitoare decât în cazul circuitelor integrate clasice.

Fabricatia structurilor de tip MEMS este similara cu fabricatia conventionala a microcircuitelor integrate la care se adauga o serie de tehnologii specifice. Astfel, structurile MEMS sunt, în general structuri multistrat realizate prin succesiuni de procedee de depunere pe o structura de baza si de corodare cu diverse tehnologii, tehnologii numite generic "micromachining".

Exista doua mari categorii de tehnologii de prelucrare: Surface micromachining si Bulk micromachining.

1. Surface micromachining - presupune prelucrarea la nivelul straturilor depuse si se bazeaza pe procese de corodare a acestor straturi numite straturi de sacrificiu, realizându-se astfel structuri mecanice suspendate (de tip lamele, bride - întâlnite la microsenzori) sau mobile ( roti, discuri, balamale etc) întâlnite la micromotoare, microactuatori etc.

2. Bulk micromachining - Prelucrare în interiorul materialului - în volum.

Aceste tehnologii presupun prelucrarea prin corodare a structurii de baza realizându-se structuri mecanice suspendate peste structura de baza.

Ambele tehnologii de prelucrare au la baza trei procedee distincte:

A. Depunerea de straturi,

B. Litografia

C. Corodarea.

Excelenteleproprietati ale materialelor de nitruri-III face ca acest domeniu sa fie interesant pentru aplicatiile pentru senzori de presiune si solicitare.Densitatea acestora se poate modifica datorita fortelor exterioare aplicate sau datorita presiunii. Tranzistoarele cu mobilitate electronica mare, diodele Schottky si rezistoarele care au la baza aceste structuri pot avea o gama larga de utilizare la dispozitivele de detectare aplicate direct in camerele de ardere a motoarelor. In plus nitrura de galiuHEMTs , s-a aratat ca poateavea o buna aplicare in transmiterea fara fir a informatiilor, cum ar fi circuitele integrate pentrusenzorii de miscare.

In timp ce cresterea structurilor cristaline de AlGaN/GaN nu sunt aparute pe piata, inginerii de specialitate s-au indreptat spre cresterea unui substrat apropiat din punct de vedere al proprietatilor de GaN. O cale de a realiza MEMS cu o masa de silicon dar acesta nu este potrivit pentru a realiza astfel de structure pt ca se foloseste o temperature ridicata si nu estetocmai bun pentru mediul inconjurator.

Un material care se poate utiliza si are proprietati foarte bunear fi SiC dar deasemenea aici avem 2 piedici:costul ridicat si o compozitie chimica-conduce la o microprelucrare foartedificila.Ceamai mare problema in realizarea diafragmelor necesare pentru verificarea proprietatilor senzorilor MEMS. In cazul nostruAlGaN/GaN MEMS se bazeaza pe fabricareamembraneisisubstratul de SiCtrebuiesa fie selectatsiindepartat. Dar datorita inaltei stabilitati chimice a SiC (si datorita intreruperii mari a semiconductorilor in general). Nu existanici o substanta chimica disponibila conforma.Utilizarea diverselor tehnici corozive ude sau uscate in combinatie cu diverse straturi distructibile pare a fi o metoda progresiva. Fotonii laser pot abla mult mai repede materialul SiC decat metodele conventionale folosite ca: electrochimia, fotochimia sau plasma- bazate pe metode corozive.Ratele de ablatie de 229 – 870 microni min (la -1) folosind un laser CO2 au fost raportate . In comparative cu cele mai inalte rate corozive realizate cu ajutorul F2 sau Cl2. Bazate pe metodele ICP plasma- valorile mentionate arputearevolutionamicromacsinare in masa a SiC.Totusiablatia laser este in totalitate un process in serie in care timpul de ablatieestestranslegat de modelulfolosit. In conditiirealetransferul net poate fi in ultima instant comparabil cu procesul de inaltnivel DRIE parallel in care totusiprotectiarelevantasianizotropia pot fi mariprobleme. Cu toateacesteadoarcatevarezultate au fostpublicate cu referire la realizareamaselormicromasinatepentrumaterialele cu declajefoartemaripentruobtinereamicrostructurilormecanice 3D.

Toeriisiexperimente

Primul pas a fost de fabricare a unui strat fin de AlGaN/GaNprins in masa unui substrat de silicon de Si-DRIE gros de 7 micrometri rezistent la razele UV. In continuare se va demonstra potrivirea acestor straturi de SiC pentru fabricarea senzorilor asemanatori (ca cei anteriori-in substrat de silicon) in comparative directa cu curentul electric(C-HEMT devices).Carbura de siliciu are cateva avantaje fata de siliciul pentru stratul epitaxial GaN.

S-a proiectat un dispozitiv de masurare a presiunii C-HEMT, situate pe membrane unui circular fin AlGaN/GaN.Modelul de inel sensor de presiune a fost analizat prin metoda elementelor finite. Scopul

acestei analize este sa se determine dimensiunea optima dintre inel si electrod pentru a respecta dimensiunea maxima indusa de incarcare pentru a realiza senzorul cu o sensibilitate cat mai buna.

Procesul tehnologic de simulare a dispozitivului C-HEMT –partea opusa a stratului de ablatie a SiC

Masurand o valoare de uzura de 300 MPa este luata ca valoare initiala de uzura a modelului FEM. Senzorul esteincarcat la o presiune de 10 kPa si in continuare se ia in considerare analiza piezoelectrica neliniara.

In urmatoarea noastra analiza vom allege latimea electrodului de sus de Ø 5 micrometri si schimbarea razeielectrodului secvential. Presiunea si celelalte conditii vor ramane neschimbate. Valorile obtinute sunt prezentate in fig 2.

Dupa cum se poate vedea si in figura raza electrodului Re21 este schimbata de semnul modificarii induse de sarcina. Daca electrodul ar trece prin linia vertical, valoarea totala a incarcarii ar putea descreste datorita semnului incarcarii. Marimea optima si locatia electrodului este determinate de semnul incarcarii si deasemenea de cele 2 linii vertical dupa cum este prezentat in figura2 .Pentru cei mai inalti parametrii ai electrodului am obtinut o valoare totala a inductiei de 0.794 pC. Urmatorul pas va fi simularea raspunsului senzorului cu grosimea substratului sis a comparam rezultatele semnalelor piezoelectrice.

2.2 Dispozitivtehnologic

Heterostructurile pentru tehnologia procesarii transistoarelor a crescut la 475 micrometri, grosimea substratului de 4H-SiC folosind un strat cu proprietati nucleare. Grosimea de 1.7 micrometri a stratului de Fe incarcat cu GaN este urmat de un strat de 17 nm de AlGaN cu o pondere de 29.5% Al si un strat fin de 3 nm GaN de straturi epitaxiale.

Diodele Schottky au fost realizate pe o baza de Ni/Au. In final, straturile metailce de Ti/Au sunt realizate straturile aliajului care intra in contact cu inelul de Ni/Au pentru a imbunatati dispozitivul, lipirea si interconexiunile. Acest experiment este aratat in fig 1.

In experimentele noastre ,Femto REGEN IC-192 (High Q Laser-Newport) FS Laser a fost construit pentru micromachinarea substratului de SiC.Noi folosim a 2-a lungime de 518 mm 380 mW-puterea medie,100KH-frecventa pulsatorie,350 fs-durata pulsatorie.

Aplicam direct metoda de ablatieunde pozitia si miscarea concentratorului laser estecontrolat de un computer controlat de un scaner digital

Obiectivul telecentric cu diam. De 100 mm reda o raza laser cu diametrul de 20micrometrii pe planul de focalizare.Acest plan poate fi realizat cu ajutoruluni program CAD si inserate in acesta diferite strategii scanate. Rolulacestui strat este de a crea un larg complex adanc si fara impuritati in peretii laterali ai stratului de SiC.

Rezultate experimentale

Comparand parametrii folositi pentru acelasi dispozitiv in fig de mai jos putem observa coroziunea de pe partea opusa a substratului de siliciu iar substratul de AlGaN/GaN la suprafata.

Rezultatele la care ne asteptam, sunt ca heterostructura de AlGaN/GaN sa creasca in stratul de SiC sis a aiba o calitate inalta deoarece are o structura mai buna iar dislocatiile dintre particule sunt mai mici in comparative cu aceste structure de siliciu.

Pentru a evita problemele care pot aparea cu fisurarea membrane si scurtcircuitarea diferite lor acoperiri ale dispozitivului C-HEMT, la masurarea valorilor electrice au fost folosite doua straturi fine de protective.

Dupa cum poate fi vazut in figura de mai sus (b) un dispozitiv electric (C-HEMT) functioneazaca un sensor iar prelucrarea microstructurilor pe partea opusa stratului de SiC a inceput cu ablatia cu laserul FS pana la 200-270 μm realizeaza gauri cu diametrul de pana la 500μm (vezi fig b).

Spre deosebire de procesulDrie-silicon, ablatia laser nu poate fi utilizata daca nu exista posibilitatea de a se folosi cel putin un substrat specific. In acestcaznumarul de pulsatii trebuie sa fie cel optim pentru a putea atinge adancime dorita. In final, aceasta variatie a grosimii peretelui variaza, si deasemenea poate fi o piedica in atingerea adancimii dorite a ablatiei laser.

In acestcaz se propune o combinative a ablatiei laser pentru o adancime definite pentru a crea un strat de protective de SiC-laserul poate distruge acest strat. Folosindaceastatehnica de combinatie, timpul de gravura RIE poate fi redus considerabil.Inalta selectivitate RIE dintre AIN siSiC ne ajuta sa obtinem o suprafata neteda dupa gravare.

Avantajele FS-Laser sunt lungimea pulsatiile scurte densitatea ridicata a fotonilor care conduc catre o ionizare a fotonilor si atomilor.

Fig 5 Ablatia laser-straturi de SiC

Caracterizare AFM- diametrulgaurilor 850 nm- pana la 650 nm pealte probe de aur- pana la 300 nm pealtemateriale

Imagine de microscopie optica prin transmisie a retelei de gauri pe film de aur 50 nmgrosime. Laser 775 nm, 200 fs.