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1 Microfabricación Facilidades experimentales en el Centro Atómico Constituyentes A. Fasciszewski - Grupo MEMS - CNEA

2 Sumario Antecedentes: Nodo NANOTEC. Dispositivos del Nodo NANOTEC. Introducción al Micromecanizado. Descripción de la Sala Limpia Grupo MEMS (CAC-CNEA). Descripción de la construcción de los dispositivos del Nodo NANOTEC. Visita Clean Room (Window Tour)

3 Antecedentes: Nodo NANOTEC PAE 2004 Laboratorio en Red para el Diseño, Simulación y Fabricación de Nano y Micro Dispositivos. PAE 2006 Nodo NANOTEC tiene como objetivo el de disponer en Argentina de un centro de Diseño, Fabricación y Caracterización de Micro y Nano Dispositivos (MEMS). Integrantes del Nodo NANOTEC : CAC CNEA - Comisión Nacional de Energía Atómica diseño, fabricación y caracterización de dispositivos. INTI - Instituto Nacional de Tecnología Industrial diseño de encapsulados y caracterización de dispositivos. UNSAM - Universidad Nacional de San Martín caracterización de dispositivos. UNS - Universidad Nacional del Sur custom chips. Universidad AUSTRAL caracterización de dispositivos.

4 Dispositivos del Nodo NANOTEC Sensores de Gas RF MEMS: Switch RF IMS MEMS Nanobiosensores

5 MEMS Micro Electro Mechanical System. Sistema inteligente miniaturizado que integra funciones sensoras, de proceso y/o actuación. Comprende como mínimo dos de las siguientes propiedades: eléctricas, magnéticas, mecánicas, ópticas, químicas, biológicas, magnéticas u otras, de forma integrada en un solo chip o en un módulo híbrido multichip.

6 Por qué miniaturizar? Reducción del consumo de potencia Dispositivos más veloces Aumento de la selectividad y la sensibilidad Rango dinámico más amplio Minimizar el uso de energía y materiales durante la manufactura Integración con electrónica, simplifica los sistemas Tener sistemas redundantes y arreglos ( arrays ) Aprovechamiento de nuevos efectos gracias a la ruptura de la teoría del continuo y la validez del dominio microscópico Ventajas competitivas costo /performance Mejoras en la reproducibilidad (producción batch ) Poco invasivo.

7 Introducción n al Micromecanizado Tecnología de fabricación de dispositivos en tres dimensiones o MEMS: Micromaquinado o Micromecanizado Utiliza los mismos procesos tecnológicos estándares de fabricación de Circuitos Integrados en Si (IC). Ataque / Remoción Film Remoción Resina Fotosensible Crecimiento / Deposicion Fotolitografía (Implantación) Remoción Resina Fotosensible Difusión / Depos.

8 Característica del Micromecanizado Procesos utilizados para la Remoción de material de sacrificio. Procesos utilizados para el Ataque con alta relación altura/ancho (High Aspect Ratio). Remoción de material de sacrificio High Aspect Ratio

9 Antecedentes Micromecanizado 1950 s / 1958 Silicon strain gauges commercially available 1959 There s Plenty of Room at the Bottom Richard Feynman gives a milestone presentation at California Institute of Technology. He issues a public challenge by offering $1000 to the first person to create an electrical motor smaller than 1/64 th of an inch s / 1961 First silicon pressure sensor demonstrated 1967 Invention of surface micromachining. Westinghouse creates the Resonant Gate Field Effect Transistor, (RGT). Description of use of sacrificial material to free micromechanical devices from the silicon substrate s / 1970 First silicon accelerometer demonstrated 1979 First micromachined inkjet nozzle 1980 s / Early 1980 s: first experiments in surface micromachined silicon. Late 1980 s: micromachining leverages microelectronics industry and widespread experimentation and documentation increases public interest Disposable blood pressure transducer 1982 Silicon as a Mechanical Material [9]. Instrumental paper to entice the scientific community reference for material properties and etching data for silicon.

10 Antecedentes Micromecanizado 1982 LIGA Process 1988 First MEMS conference 1990 s Methods of micromachining aimed towards improving sensors MCNC starts the Multi-User MEMS Process (MUMPS) sponsored by Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) 1992 First micromachined hinge 1993 First surface micromachined accelerometer sold (Analog Devices, ADXL50) 1994 Deep Reactive Ion Etching is patented 1995 BioMEMS rapidly develops 2000 MEMS optical-networking components become big business

11 Tipos de Micromecanizado Micromecanizado del Substrato procesos substractivos que mediante la remoción de porciones del substrato se obtiene la estructura tridimensional deseada (ej ataque húmedo KOH). Micromecanizado de Superficie procesos aditivos que con la deposición de sucesivos materiales se definen las geometrías deseadas sin modificar el substrato. Esta técnica requiere de mayor precisión que la anterior.

12 Sala Limpia Grupo MEMS (CAC-CNEA) CNEA) 120m2 de Sala Limpia Clase ( ) equipada para procesos de Diseño, Simulación, Microfabricación y Caracterización de dispositivos MEMS.

13 Equipamiento Sala Limpia Proceso Equipamiento Litografía Mesada de litografía. Alineador de máscaras (Mask Aligner EVG 620). PECVD, Advanced Vacuum. Difusión y Deposición Sputtering ATC ORION Series con cámara de deposición UHV, de AJA Internacional. Crecimiento / Deposicion Máquina de electroplating, Semcon, Technic Inc. Fotolitografía Ataque (Etch) Procesos asistidos por Laser Asher, Gasonics Aura RIE Plasmalab para dry etching de Oxford Instruments. Mesadas de ataque químico por vía húmeda. Depósito de película por ablación laser Sistema de escritura y micromecanizado por laser Ataque / Remoción Film Remoción Resina Fotosensible (Implantación) Remoción Resina Fotosensible Difusión / Depos. Perfilómetro 3D Veeco Instruments. Metrología / otros Sistema asistidos láser (Laser Nd:YAG y micro posicionador). Wire Bonder, Valley Research. Elipsómetro.

14 Proceso de Fotolitografía Equipamiento Características de Mesada de trabajo automática para litografía. Spinner, Rinser con agua DI de 18MOhms. Reservorios para revelado. 2 hot plates. Extracción horizontal de aire. Mantenimiento por área de servicio. Alineador de máscaras EVG 620. Exposición UV de 300W. Haz plano de 6" de diámetro. Sistema de alineación para litografía de doble cara. Microscopio de alta definición con CCD y display. Capacidad para contacto suave y fuerte, y modo proximidad. Sistema de movimientos hidráulicos. Posicionador de obleas motorizado o manual. Resolución en el orden de medio micrón. Opción de Nano-Imprint Lithography (NIL) adquirida. Mesada litografía.

15 Procesos de Difusión/Deposici n/deposición Equipamiento PECVD, Advanced Vacuum. Sputtering ATC ORION Series con cámara de deposición UHV, de AJA Internacional. Máquina de electroplating, Semcon, Technic Inc. Características Sistema de depósito de películas delgadas sólidas a partir de precursores en estado gaseoso por medio de reacciones químicas asistidas por plasma para sustratos de hasta 6 pulgadas. Posee un generador de alta frecuencia (13.56MHz) de 300W y un generador de baja frecuencia ( khz) de 500W de potencia. Sistema de depósito de películas delgadas por Sputtering. Posee una cámara UHV (ultra alto vacío). Para obleas de hasta 4 pulgadas. Posee una capacidad para depositar multicapas de hasta 5 materiales. Posee un generador magnetrón DC de 750W y RF de 300W. Metales a platear: Cu, Ni, Pd, Au, Sn, Pb, Pt, Fe, Ag, Permalloy, Sn/Pb, Pd/Ni. Tamaño del wafer: 2 a 8 pulgadas.

16 Proceso Ataque y Remoción n (Etching( Etching) Equipamiento Características Asher, Gasonics Aura Sistema de remoción de polímeros y películas delgadas por plasma. Activador superficial de polímeros. Capacidad para wafers de 75 a 150mm. Remoción isotrópica front and backside. Velocidades: 2-5µm/min (fotorresist pos), >8µm/min (fotorresist neg). Posee 2 Controladores de flujo másico para O2 y N2. RIE Plasmalab para dry etching de Oxford Instruments. Sistema de remoción de materiales (Si,SiO2 y Si2N4) por plasma (SF4, CF4, O2, Ar, N2, CHF3). Rango presión de trabajo 1-250m Torr. Potencia RF W. Carga manual de las obleas.

17 Metrología a / Otros Equipamiento Perfilómetro Veeco Instruments. 3D Características Perfilómetro 3D de Alta Resolución (Res: 0.1nm en eje Z). Objetivos Mirau de 10x y 50x. Mesa antivibraciones. Sistema de escritura láser (Laser Nd:YAG y micro posicionador). Para micromaquinado por ablación Láser. Incluye microposicionador de tres ejes, de 4mm de carrera, flexibilidad en los tres ejes, resolución de 50nm. Wire Bonder, Valley Research. Ball, Wedge, Bump or Peg bond capable. Opción para soldar DICE a placas. Elipsómetro. Mediciones de espesores. 3 capas. Dióxido y Nitruro de Silicio. Precisión nanométrica. Diferencias de índice de refracción. Compacto Manual. Ángulo de incidencia móvil

18 Fabricación n de Microsensor de Gas Los pasos de fabricación: Deposición de Si3Ni4 en ambas caras de una oblea de silicio. Obtención del microcalefactor de Pt mediante la técnica Lift-off. Micromaquinado del sustrato de silicio mediante ataque húmedo (específicamente KOH) Pasivación de la estructura mediante técnica PECVD. Apertura para contactos mediante ataque por vía seca. Deposición del Sn y tratamiento térmico para obtener la película sensora (técnica RGTO o Rheotaxial Growth and Thermal Oxidation). Contactos de Pt mediante Sputtering utilizando una máscara metálica.

19 Fabricación n de Olfateador IMS MEMS Esquema del Olfateador : 1) Ingreso de muestra, 2) zona de ionización formada por pirámides micromaquinadas en silicio,3) zona de detección de iones, por medio de pads dispuestos perpendicularmente a la circulación del gas, 4) Salida de la muestra. El proceso de fabricación propuesto es el siguiente: Deposición de una capa de Nitruro. Desarrollo de Máscaras ópticas y fotolitografía. Ataque por vía seca de Nitruro con atmósfera de SF6. Primer ataque químico por vía húmeda con KOH Limpieza post KOH ( método piranha) Deposición de una segunda capa de Nitruro. Fotolitografía. Ataque por vía seca de Nitruro con atmósfera de SF6. Segundo ataque químico por vía húmeda en KOH. Limpieza post KOH (piranha). Fotolitografía de imagen reversa sobre obleas de silicio y vidrio Evaporación de platino sobre fotorresina. Metalizado con capa de sacrificio. Precorte de las obleas de vidrio. Pegado de la base de silicio y tapa de vidrio (bonding)

20 Fabricación n de Switches RF Se desarrolló un proceso de fabricación o flujo de proceso para el switch y se construyó un primer prototipo. Litografía de 7 máscaras para la definición de: Resistencia en Polysilicio Contactos Metal 1. Vías Metal flotante. Spacers Puentes CPW

21 Fabricación de Nanobiosensor Se desarrolló un proceso de fabricación y se obtuvieron los primeros prototipos con la colaboración del laboratorio de Bajas Temperaturas en el Centro Atómico Bariloche (CAB). Las operaciones propuestas para la fabricación son los siguientes: Limpieza de oblea de silicio y deposición de nanotubos de carbono previamente carboxilados para la generación de un grupo reactivo para la posterior unión del grupo sensible reactivo (ejemplo anticuerpo). Fotolitografía de los electrodos. Sputtering de titanio y oro Pasivación mediante técnica PECVD. Remoción de la capa sacrificial de resina Unión covalente del grupo sensible a los nanotubos carboxilados para la generación de una unión fuerte y estable. Desarrollo de microcanales con PDMS para el flujo de muestras sobre el sensor y los lavados del mismo. Pegado del microcanal de PDMS al sensor. Conexión mediante wire bonding a los pads. Virus Anticuerp os Nanotub os

22 Final de la Presentación! n! Muchas Gracias por su Atención... n...

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