Introducción. Laboratorios Participantes de la Red: Capacidades y equipos para la microfabricación de MEMS.

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1 NUEVAS INICIATIVAS EN MICROTECNOLOGÍAS EN LA ARGENTINA: CREACIÓN DE LA RED LABMEMS Sergio D. Baron Universidad Nacional de La Plata - CeTAD s.d.baron@ieee.org Introducción Las micro y nanotecnologías han sido identificadas como uno sectores de la tecnología más promisorios del siglo 21, con el potencial de revolucionar la industria y por lo tanto la calidad de vida de los países que inviertan en este campo. Los dispositivos del tipo MEMS (Micro Electro Mechanical Systems), utilizados en aplicaciones concretas, están afectando y afectarán mas aún nuestras vidas a través de productos de altísimo valor agregado [1]. Las microtecnologías abarcan muchos campos y representan la evolución de las tecnologías de fabricación electrónica, su migración a otros campos y la integración final de todo el conjunto. Las técnicas desarrolladas desde principios de los 80 para la industria microelectrónica fueron extendiéndose progresivamente a otros campos. Así surgieron la microóptica, microfluídica, etc., las cuales, a su vez, se combinan entre sí para crear microsistemas integrados con distintas tecnologías. La naturaleza interdisciplinaria de los MEMS utiliza la experiencia de distintas áreas del conocimiento en su diseño, ingeniería y manufactura, como son la física, la química, la biología, la ciencia de materiales, la matemática, la ingeniería mecánica y electrónica entre otras. Según recientes análisis de mercado MEMS desarrollado por NEXUS, la cifra para el año 2003 sería del orden de millones de dólares. A esta cifra habría que sumarle otros millones de dólares procedentes de la comercialización de nuevos productos emergentes: chipslaboratorio, sistemas de dosificación de drogas, sensores de olor (nariz electrónica), cabezales magneto-ópticos, etc. [2]. Objetivos generales El proyecto tiene como objetivo principal la creación de la Red LabMEMS, potenciando la interacción ya implementada entre algunos de los laboratorios participantes y adquiriendo equipamiento nuevo o complementando el ya existente. El proyecto Laboratorio en Red para el Diseño, la Fabricación y Caracterización de Dispositivos Micro Electro Mecánicos (MEMS) / "Red LabMEMS" creará una capacidad de investigación, desarrollo, diseño, fabricación y caracterización de dispositivos y microsistemas, integrando en red los laboratorios de la Comisión Nacional de Energía Atómica (CNEA) de sus Centros Atómicos de Bariloche (CAB) y Constituyentes (CAC) con la Facultad de Ingeniería de la Universidad de BuenosAires (FI-UBA), con el Centro de Investigaciones Ópticas (CIOp/CIC) y con la Facultad de Ingeniería de la Universidad Nacional de La Plata (FI- UNLP). Se aprovecha así la gran experiencia acumulada de sus investigadores en distintos campos de la ciencia y de la tecnología para direccionarlos al diseño y fabricación de dispositivos del tipo Micro Electro Mechanical Systems (MEMS) y a su incorporación a circuitos integrados analógicos y digitales para aplicaciones específicas. En la figura 1 podemos ver un esquema de los distintos actores de la red y los proyectos que actualmente se llevan a cabo. Laboratorios Participantes de la Red: Capacidades y equipos para la microfabricación de MEMS. 1. Grupo Dispositivos MEMS (CAC- CNEA) El proyecto de implementar una facilidad para el diseño y fabricación de dispositivos MEMS prevé la compra de equipamiento, su instalación y la puesta a punto de procesos usuales en la industria de microelectrónica. El equipamiento existente en le CAC afectado a la fabricación y caracterización de MEMS es el siguiente : Horno de Difusión /oxidación Evaporadoras efecto joule /Edwards Evaporadora efecto joule / Leybold Heraeus Evaporadora por haz de electrones/ Leybold Heraeus Implantador iónico Acelerador de Iones TANDAR con Facilidad de Microhaz

2 Fig. 1 :Laboratorios o nodos de la Red LabMEMS y sus interacciones a la fecha por los proyectos integradores Campana para procesos y ataques químicos Banco de Gases para calibración de sensores Se complementará con un alineador de máscaras para fotolitografía con lámpara ultravioleta, con posicionamiento de máscaras por contacto y por proximidad y posibilidad de alineación de sucesivas máscaras en la oblea con posicionador alineador por iluminación infrarroja. Contará con soportes de carga de máscaras de 5"x 5" y de 6"x 6", carga manual y con posibilidad de manejar obleas de 3" a 6". Permitiendo además compensación por deformación de bordes durante la exposición y modalidad de exposición simple o múltiple. Este equipo se complementa con los existentes en Bariloche, que no pueden procesar y alinear distintas máscaras o bien no pueden procesar campos grandes sobre el sustrato. Esta estación deberá tener como mínimo tres módulos con platos calientes programables en tiempo y temperatura para los procesos de la fotolitografía del prebake y postbake y el primer bake con posibilidad para poner obleas de hasta 6" (150 mm). Además trabajará con temperatura de calentamiento de la fotoresina en el rango de C y con dispensador de fotoresina (del tipo spray o spinner). Se incorporará además, un perfilómetro superficial 3D con plataforma piezoeléctrica, cámara CCD de bajo ruido, cabezal óptico de observación, PC y software de mapeo de superficies. Este equipo es fundamental para hacer una observación minuciosa del MEMS una vez elaborado. Esta facilidad MEMS se complementará vía el aprovechamiento de otros laboratorios del CAC que poseen equipamiento para caracterización estructural de los materiales. 2. Laboratorio de Bajas Temperaturas (CAB-CNEA) El Laboratorio de Bajas Temperaturas se orienta a la implementación de los MEMS como sistemas de medición ultra-sensibles, en particular para la medición de muestras de dimensiones nanométricas. Principalmente en su utilización como micro-magnetómetros o más genéricamente como sensores ultra sensibles de fuerza. Su utilización como instrumentos científicos también se ha desarrollado en la implementación de cantilevers en microscopía de fuerza atómica, como magnetómetros, microcalorímetros y sensores de fuerza de Casimir entre otros. Son pocos los centros de investigación en Argentina donde haya la capacidad de fabricación y diseño de nano y microestructuras y MEMS y ninguno tiene la capacidad completa de desarrollar todos los procesos involucrados. Dentro de este esquema las facilidades disponibles en el Laboratorio de Bajas Temperaturas, en particular, el sistema de litografía por haz de electrones son facilidades únicas en el país. Como se ha mencionado anteriormente la tecnología de fabricación de MEMS involucra una gran cantidad de procesos en sus diferentes etapas de construcción: 1.Crecimiento de películas delgadas/gruesas 2.Micro y nano litografía 3.Ataque selectivo de partes del sistema

3 3. Laboratorio de Procesamiento Láser (LPL, CIOp) El LPL ejecutará un conjunto de acciones, complementarias a otras acciones que ejecutarán los demás laboratorios de la "Red LabMEMS", las que contribuirán al desarrollo de procedimientos de soldaduras por láser para conectar las fibras ópticas con los cristales moduladores de LiNbO3 y se caracterizarán estas soldaduras por técnicas de microscopía óptica de alta resolución. El propósito final es la obtención de moduladores de LiNbO3 conectados con fibras ópticas (IOC, Integrated Optical Circuit) los IFOG (Interferential Fibre Optics Gyroscope). 4. Laboratorio de Ablación Láser Sólidos Amorfos FI-UBA Este laboratorio aportará a la Red las facilidades para la fabricación y caracterización de dispositivos y microsistemas basados en vidrios calcogenuros, y los procesos de micromaquinación y de escritura directa por láser. 5. Laboratorio de Análisis Ambiental Atmosférico (Escuela de Ciencia y Tecnología, UNSAM) El Laboratorio de Análisis Ambiental Atmosférico está en proceso de formación. Surge de la necesidad de ampliar el Laboratorio existente de Análisis Ambiental para estudiar la contaminación atmosférica. La nueva tecnología de uso de sensores gaseosos, en particular cuando están integrados en una nariz electrónica y en sniffers, requiere un banco de gases que permita la calibración de los arreglos de sensores desarrollados con tecnología MEMS, utilizando los gases o vapores de interés en la calibración, ya sean estos sustancias toxicas o gases dañinos al ambiente o a la salud. 6. Centro de Tecnologías Analógico Digitales (CeTAD, UNLP). Los dispositivos Micro Electro Mecánicos (MEMS), son construidos mediante técnicas y equipamiento originalmente concebidos para la fabricación de microcircuitos electrónicos. Dado que los MEMS generalmente son incluidos en sistemas en los cuales las señales son eléctricas y/u ópticas, es necesario equipar a los MEMS de una interfase electrónica o algún tipo de procesamiento de las señales. El hecho de que la técnica para construir MEMS y microcircuitos sea la misma, posibilita la inclusión de circuitos electrónicos en el mismo silicio donde se construye el MEMS. El CeTAD posee más de 16 años de experiencia en microelectrónica incluyendo know-how en VLSI digitales y circuitos integrados analógicos. Con este conocimiento y experiencia, nuestro laboratorio diseñará, fabricará y caracterizará microcircuitos electrónicos que formaran parte fundamental de los MEMS producidos por la red. Dentro del esquema de colaboración inter-laboratorio que presenta la Red LabMEMS, cada uno de los miembros participantes aportará servicios, conocimiento y capacidad de producción. Es así que el CeTAD actuará fuertemente como centro de consulta en los temas relacionados con la electrónica, diseñará, fabricará y caracterizará microcircuitos electrónicos y participará en el desarrollo de los proyectos de la Red. Esto se llevará a cabo utilizando la infraestructura que posee y aprovechando los medios de comunicación electrónicos que abarcan a todos los miembros de la red. Un desarrollo futuro previsto es el re-diseño y miniaturización de toda la electrónica de control de la nariz electrónica y de los sniffers. Esto se podrá hacer con la adquisición del nuevo software de diseño tipo CAD para MEMS y CI, y con la actualización del equipamiento de caracterización de los dispositivos integrados. 7. Laboratorio de Mecánica Computacional (CAB- CNEA) Este laboratorio que interactuará básicamente con los laboratorios de Bajas Temperaturas del CAB-CNEA y con el grupo Dispositivos MEMS del CAC-CNEA, aportará el diseño y la simulación de los dispositivos MEMS que sean necesarios desarrollar en la Red LabMEMS. Para ello se instalarán el cluster de PC formado por una computadora con dos procesadores y tecnología de 64 bits, arreglo RAID para almacenamiento de datos, un switch con 24 puertos tipo Gigabit Ethernet, una UPS de 3Kva, 10 computadoras con dos procesadores y tecnología de 64 bits. La fase de diseño es fundamental a la hora de crear un microsistema (MEMS) para un objetivo concreto. Un buen diseño con simulaciones permite ahorrar lentos y costosos experimentos en laboratorio, además de facilitar la fabricación de un primer prototipo efectivo reduciendo el número de pruebas y errores previos. Para ello se utilizan paquetes de software CAD (diseño asistido por computadora), con facilidades para el diseño del microsistema, su simulación, y verificación del diseño. Proyectos de la Red LabMEMS en marcha. Giróscopo IFOG (Interferometric Fiber Optic Gyroscope) Con el nombre de óptica integrada se designa al proceso de integración de componentes pasivos y activos en un mismo conjunto (chip) con tecnología planar. La gran mayoría de los componentes se basan en el efecto Pockles lineal, que consiste en un cambio del índice de refracción n del material, proporcionalmente a la amplitud del campo eléctrico aplicado. El modulador óptico puede ser

4 fabricado en el material LiNbO3, mediante la técnica de Mach-Zehnder MZ. En la Fig 2 se muestra un esquema típico de modulador Mach-Zehnder. El material substrato (LiNbO3) tiene dibujado una guía de onda monomodo realizada por técnicas de implantación iónica. El voltaje aplicado modifica el tensor de permeabilidad óptica del material produciendo un cambio de fase o un efecto de acoplamiento modal en el desplazamiento de la onda dentro de la guía. El modulador Mach-Zehnder actúa como modulador AM ya que cada rama introduce una modulación de fase de igual magnitud pero de sentido opuesto con lo cual se obtiene una suma (interferómetro) diferencial. Por esto se llama modulador interferométrico. Este proyecto es el relacionado con narices electrónicas y tiene como dispositivo MEMS un sensor de gas, como el que se ve en la figura 4 de muy bajo consumo y desarrollado en colaboración con Citefa y el laboratorio italiano Instituto de Microelectrónica y Microsistemas del CNR de Bologna [3,4]. En una nariz electrónica se tiene un conjunto de estos sensores. A partir de la red LabMEMS se podrá hacer el denominado multi-microsensor de óxido de estaño de bajo consumo sobre un mismo chip, esto es dadas las características del equipamiento adquirido se podrá integrar en un pequeño espacio una gran cantidad de sensores distintos. El conjunto de sensores obtenido tendrá la ventaja de una mayor reducción de tamaño y consumo, mejorando la portabilidad de los sistemas La realización de este multimicro-sensor permitirá la integración del mismo en dispositivos de control portátiles, o adecuados para conectar en redes (IT) de control de la calidad y seguridad del aire, utilizables en ambientes domésticos, industriales, edificios comerciales y en medios de transporte público. Fig.2. Esquema del modulador construido con implantación iónica de alta energía. Este campo eléctrico deberá compensar la fase de las ondas viajeras que vuelven después de recorrer las bobinas arrolladas de fibra óptica y que sufrieron un desfasaje por la rotación de la bobina. De esta manera puede encontrarse una relación directamente proporcional entre el potencial aplicado y la velocidad angular de rotación (Fig.3). Fig. 3. Configuración Básica del Giróscopo de Fibra Óptica Interferométrico (IFOG) Sniffers y multi-micro-sensor de gas Fig. 4. Microsensor de gas con película delgada sensible nanoestructurada de SnO2 Nuevos Proyectos de la Red LabMEMS Nuevo proyecto: Sniffers basado en un IMS (Ion Mobility Spectroscopy) MEMS Este nuevo proyecto prevé el diseño, la simulación y eventualmente la fabricación de un prototipo de un nuevo tipo de MEMS que remplaza los tradicionales equipos de espectrometría gaseosa del tipo de movilidad iónica IMS : Ion Mobility Spectroscopy. Recientemente se desarrolló un primer IMS con tecnología MEMS combinando las ventajas de un dispositivo IMS que da alta sensibilidad, especificidad y los MEMS que dan dimensiones muy compactas, bajos costos de producción, bajos consumos con el subsiguiente aumento de la portabilidad de los sistemas olfatométricos construidos (del tipo sniffer). La tecnología IMS separa y detecta compuestos ionizados previamente, midiendo las movilidades diferenciales a través del chip sensor. Los compuestos ionizados son acelerados por un campo eléctrico y adquieren distinta movilidad según su estado de carga, masa y sección eficaz. Se aplica en el interior del chip una RF y un campo eléctrico DC eligiendo un determinado ion para su detección y conteo. Se partirá con una investigación bibliográfica actualizada y con las dos recientes patentes sobre estos dispositivos [5,6]. Básicamente este proyecto es un estudio de prefactibilidad tecnológica para la realización de un IMS utilizando la tecnología MEMS. Este proyecto deberá concluir con un primer prototipo de

5 dispositivo. Para ello se iniciara con el diseño y simulación de un IMS MEMS mediante la colaboración en el diseño entre los grupos de CNEA de Bs.As. y de Bariloche formando parte de la primera etapa, siguiendo con la simulación y finalmente el ajuste iterativo del mismo, previo a pasar a la fabricación. El esquema de funcionamiento de este proyecto en la Red se puede ver en la figura 5. [3] Dori L., Maccagnani P., Cardinali G.C., Fiorini M., Sayago I., Guerri S, Rizzoli R., Sberveglieri G., Eurosensors XI, Warsaw, Poland, [4] An Application of the Electronic Nose for Air Pollution", S. Reich1, D. Rodriguez, C. Arrieta, R. Marabini, J. Gimenez, A. Boselli,N. Scoccola and A. Lamagna. International Symposium on Electronic Noses 2003, Letonia. [9] US Patent 6,495,823 Micromachined field asymmetric ion mobility filter and detection system - Miller, R.A., Nazarov E.G. [10] US Patent 6,512,224 Longitudinal field driven field asymmetric ion mobility filter and detection system - Miller, R.A., Zahn M. Fig. 5: Esquema del estudio de prefactibilidad tecnológica de un dispositivo en la Red LabMEMS Organización y Financiamiento de la Red LabMEMS. Esta organización multidisciplinaria esta conformada, como se ha visto más arriba, por siete laboratorios pertenecientes a entes gubernamentales de investigación científica y universidades nacionales de la República Argentina. Cada uno de estos laboratorios tiene una organización jerárquica propia, como así también fuentes de financiamiento, que cubren gastos básicos a su funcionamiento. El funcionamiento de la red está coordinado por el Dr. Alberto Lamagna del CAC, quien también coordinó la presentación a un subsidio del Estado Argentino el cual ha sido obtenido con éxito y permitió la adquisición de muchos de los equipos necesarios para cada uno de los laboratorios de la red (algunos equipos siguen en proceso de adquisición). Referencias [1] An Introduction to MEMS (Micro-electromechanical Systems) Published in 2002 by PRIME Faraday Partnership Wolfson School of Mechanical and Manufacturing Engineering, Loughborough University, Loughborough, UK [2] NEXUS (The Network of Excellence in Multifunctional Microsystems) Task Force, 318 Market Analysis for Microsystems: , 1998,