Principales Desarrollos y Desafíos Metrológicos en el Ámbito de la Micro/Nano Fabricación. Algunas Aplicaciones en el Centro Láser de la UPM.

Transcripción

1 Principales Desarrollos y Desafíos Metrológicos en el Ámbito de la Micro/Nano Fabricación. Algunas Aplicaciones en el Centro Láser de la UPM. José Luis Ocaña 1

2 Principales Desarrollos y Desafíos Metrológicos en el Ámbito de la Micro/Nano Fabricación. Algunas Aplicaciones en el Centro Láser de la UPM. Principales aspectos abordados: Las tecnologías de fabricación en el desarrollo de micro-sistemas Convergencia entre las diversas tecnologías de micro/nano-fabricación Ejemplos de interrelación entre los distintos tipos de procesos y escalas en procesos de Micro/Nano-Fabricación Aspectos generales de la Nano-Metrología en el ámbito dimensional Dimensiones y precisiones características en procesos de micro/nano-fabricación Resolución y precisión de las principales técnicas de medida utilizados en Micro/Nano- Metrología y sus instrumentos de calibración Principales desafíos para el desarrollo metrológico dimensional aplicado a procesos de Nano-Fabricación Principales tendencias para la mejora de la precisión en Nano-metrología La estrategia Europea para la Micro/Nano-Metrología en el dominio dimensional Principales desafíos nano-metrológicos en otras áreas La Nano-Metrología desde una perspectiva industrial El Láser como tecnología avanzada de micro/nano-fabricación Ejemplos de aplicaciones de Microfabricación con Láser en el Centro Láser de la UPM Ejemplos de desarrollos llevados a cabo en el CLUPM en técnicas de caracterización metrológica a escala micro/nanométrica 2

3 Las Tecnologías de Fabricación en el desarrollo de Microsistemas Técnica Materiales típicos Mínima dimensión lateral (μm) Máxima relación de aspecto Versatilidad comparada HARM (High aspect ratio micro-replication) LIGA (Litografía de rayos X, Electroconformado y moldeo) Litografía ultravioleta Marcado químico Plásticos Metales Plásticos Metales Plásticos Metales Silicio, Cerámicas, Metales, Plásticos 1 15 ***** 1 15 **** 2 5 **** 1 40 *** Micromecanizado por Láser Metales, Cerámicas, Polímeros 1 (Excímero) 20 (Nd:YAG) 50 *** EDM (Micromecanizado por electroerosión) Materiales conductores 40 3~100 (según tamaño electrodo, material) * Micromecanizado por diamante Metales Plásticos 20 5 * 3

4 Convergencia entre diversas tecnologías de Micro/Nano-Fabricación Tomada de Whatmore, R.W., Ingenia, 9, (2001) 4

5 Evolución de la convergencia Macro-Micro-Nano entre las distintas disciplinas científico-tecnológicas Tomada de Introductory Guide to Nanometrology, P.E. Hansen, G. Roebben, Eds.. European Commission (2010) 5

6 Evolución de la convergencia entre Mecánica, Química y Biología hasta el dominio nanotecnológico Tomada de H.N. Hansen et al.: Annals of the CIRP, 55/2, (2006) 6

7 Ejemplo de interrelación entre los distintos tipos de procesos y escalas en Micro/Nano-Fabricación Tomada de Instrumentation and Metrology for Nanotechnology, NIST (2004) 7

8 Ejemplo de interrelación entre los distintos tipos de procesos y escalas en Micro/Nano-Fabricación Tomada de Whatmore, R.W., Ingenia, 9, (2001) 8

9 Principales subdisciplinas en Micro/Nano-Metrología (Según H. Bosse et al.: Nanometrology Foresight Review. CO-NANOMET 2009) Metrología Dimensional Metrología Mecánica Metrología de materiales nano-estructurados Metrología Eléctrica Metrología Química Metrologia Biológica + Posibles interacciones (muy previsibles a nivel nanoscópico) 9

10 Recordando la Escala Dimensional Tomada de AIST Today International Edition (2010) 10

11 Principales tipos de medidas dimensionales en Nano-Metrología Distancia. (Ejemplo: Distancia entre dos líneas de una red o dos planos de una nanostructura.) Anchura. (Ejemplo: Anchura de un micro-canal.) Altura/Profundidad. (Ejemplo: Profundidad de un micro-canal.) Geometría/Forma. (Ejemplo: Planitud de una oblea.) Textura/Rugosidad. Geometría de estructuras superficiales cuyas dimensiones son pequeñas en relación con el tamaño global del objeto. Desafío específico para metrología de objetos nanométricos al ser los detalles superficiales dominantes en relación al volumen del objeto. Espesor de capas. Relación de aspecto (AR). Tomada de Introductory Guide to Nanometrology, P.E. Hansen, G. Roebben, Eds.. European Commission (2010) 11

12 Interrelación entre elementos característicos de diversos dominios micro/nano-tecnológicos Tomada de D.J. Whitehouse: Handbook of Surface and Nanometrology. IOP (2003). 12

13 Dimensiones y relaciones de aspecto típicas en distintas tecnologías de micro/nano-fabricación Tomada de H.N. Hansen et al.: Annals of the CIRP, 55/2, (2006) 13

14 Límites de precisión característicos de diversas tecnologías de micro/nano fabricación Tomada de H.N. Hansen et al.: Annals of the CIRP, 55/2, (2006) 14

15 Evolución comparativa de las precisiones de fabricación y de medida en el ámbito de la microfabricación Tomada de A. Weckenmann et al.: Manufacturing Metrology-State of the Art and Prospectives, 9th ISMQC (2007) 15

16 Principales técnicas de medida utilizados en Micro/Nano-Metrología Interferometría óptica (OI) Interferometría de R-X (RXI) Interferometría coherente de barrido (CSM) Microscopía confocal (CM) Elipsometría espectroscópica (SE) Difractometría Microscopía electrónica de barrido/transmisión (SEM / TEM / TSEM) Microscopía de barrido por sonda (SPMs) Fuerza atómica (AFM) Barrido de fuerza (SFM) Fuerza de fricción (FFM) Fuerza magnética (MFM) Fuerza de sonda Kelvin (KPFM) Acústico de campo cercano (SNAM) Acústico de efecto túnel (TAM) 16

17 Límites de resolución característicos de diferentes instrumentos de medida en el rango micro/nano-métrico Tomada de D.J. Whitehouse: Handbook of Surface and Nanometrology. IOP (2003). 17

18 Límites de resolución característicos de diferentes instrumentos de medida en el rango micro/nano-métrico Tomada de Introductory Guide to Nanometrology, P.E. Hansen, G. Roebben, Eds.. European Commission (2010) 18

19 Incertidumbres características de distintos instrumentos actuales de medida Tomada de E. Savio et al.: CIRP Annals, 56/2, (2007) 19

20 Dominios de funcionamiento de diversos instrumentos de calibración en el rango micro/nano-métrico Tomada de H.N. Hansen et al.: Annals of the CIRP, 55/2, (2006) 20

21 Cobertura presente por Normas ISO de dimensiones características en medidad de rugosidad Lateral dimension Tomada de H. Bosse et al.: Nanometrology Foresight Review, Co-Nanomet (2009) 21

22 Límites de resolución característicos de diferentes instrumentos de medida en el rango micro/nano-métrico Tomada de H.N. Hansen et al.: Annals of the CIRP, 55/2, (2006) 22

23 Principales desafíos para el desarrollo metrológico dimensional aplicado a procesos de Nano-Fabricación (Según H. Bosse et al.: Nanometrology Foresight Review, Co-Nanomet (2009)) Necesidad de aumento de campo de barrido lateral para SPMs (10 um->10 mm). Consiguiente necesidad de aumento de velocidad de barrido (sistema inteligente de exploración-exploración multisensorial). Aumento de resolución de SPMs (simples o multisensorizados) mediante mejora del conocimiento de la interacción sonda-superficie (fundamental para la detección y caracterización de imperfecciones). Necesidad de extensión de medidas superficiales en rango de medida de SPMs a medidas 3D (Manejo de elevadas relaciones de aspecto). Aumento de la intercomparabilidad de mediciones (sobre todo con haces de electrones e iones) entre laboratorios primarios. Desarrollo de técnicas de limpieza consistente de muestras e instrumentación de medida para minimización de efecto de impurezas. Desarrollo de metodologías específicas de estimación de incertidumbres Desarrollo de capacidad de especificación realista de tolerancias de fabricación en el dominio nanométrico. Desarrollo de capacidad de medida en proceso para control on line de operaciones de micro/nano-fabricación. Desarrollo de la necesaria infraestructura de trazabilidad en técnicas emergentes, sobre todo basadas en dispersión de luz. 23

24 Principales desafíos para el desarrollo metrológico dimensional aplicado a procesos de Nano-Fabricación (Según Guía Instrumentation and Metrology for Nanotechnology, NIST (2004)) 24

25 Principales tendencias para la mejora de la precisión en Nano-metrología Tomada de K. Takamasu: J. Metrol. Soc. India, 26, 3-14 (2011) 25

26 Principales tendencias para la mejora de la precisión en Nanometrología. El ejemplo del SFM asistido por luz Tomada de Introductory Guide to Nanometrology, P.E. Hansen, G. Roebben, Eds.. European Commission (2010) 26

27 Principales tendencias para la mejora de la precisión en Nano-metrología Tomada de A. Weckenmann et al.: Manufacturing Metrology-State of the Art and Prospectives, 9th ISMQC (2007) 27

28 Principales tendencias para la mejora de la precisión en Nanometrología. El ejemplo del SFM calibrado Tomada de Introductory Guide to Nanometrology, P.E. Hansen, G. Roebben, Eds.. European Commission (2010) 28

29 Estrategia Europea para la Micro/Nano-Metrología en el dominio dimensional Tomada de Proc. of Workshop on Critical dimensions and scanning probe techniques & Thin Films, H.U. Danzebrink, L. Koenders, Eds.. European Commission (2010) 29

30 Desarrollos nano-metrológicos en el ámbito de determinación de propiedades mecánicas de materiales Tomada de K.R. Leach: European Strategy for Nanometrology. Co-Nanomet (2010) 30

31 Desarrollos nano-metrológicos en el ámbito de determinación de propiedades mecánicas de materiales Tomada de K.R. Leach: European Strategy for Nanometrology. Co-Nanomet (2010) 31

32 Desafíos en otras áreas para el desarrollo metrológico aplicado a procesos de Nano-Fabricación (Según Guía Instrumentation and Metrology for Nanotechnology, NIST (2004) ) 32

33 La Micro/Nano-Metrología desde una perspectiva industrial Tomada de P.H. Osanna en Problems of Engineering Cybernetics and Robotics, 59, (2008) 33

34 El Láser como tecnología avanzada de micro/nano-fabricación 34

35 La Tecnología Láser en procesos de Microfabricación Puede que los láseres sean solamente una entre varias tecnologías de microfabricación, pero cubren un importante segmento en el apartado de herramientas para estas técnicas. La tecnología continuará evolucionando a medida que nuevos materiales vayan ganando importancia y se desarrollen nuevos procesos. Es difícil sustraerse a la conclusión de que nuestro futuro estará cada vez más ligado a los microsistemas...y que las herramientas basadas en el láser ayudarán a construirlos C. Paul Christensen 35

36 La Microfabricación con Láser: Tecnología clave para el desarrollo de Microsistemas 36

37 Aplicaciones de Microfabricación con Láser en el Centro Láser de la UPM 37

38 Sistema de Microfabricación (1/3) : El sistema ML-100 Procesado dual Láser Excímero/DPSS Sistema Multieje (6) Volumen de trabajo: 120*100*50 mm Precisión XY: 1 μm Precisión global de posicionamiento: 40 μm Visión directa a través de CCD (x 500)

39 Sistema de Microfabricación (2/3) : El sistema ML

40 Sistema de Microfabricación (3/3) : El sistema ML

41 Ejemplos de generación de microestructuras 2D/3D (1/3):

42 Ejemplos de generación de microestructuras 2D/3D (2/3):

43 Ejemplos de generación de microestructuras 2D/3D (3/3):

44 Desarrollos llevados a cabo en el CLUPM en técnicas de caracterización metrológica a escala micro/nanométrica Tomada de M. Holgado et al.: Simultaneous Reflectivity, Ellipsometry and Spectrometry Measurements in Submicron Structures for Liquid Sensing. Sensor Letters, 6, 1-6 (2008) 44

45 Desarrollos llevados a cabo en el CLUPM en técnicas de caracterización metrológica a escala micro/nanométrica Tomada de M. Holgado et al.: Simultaneous Reflectivity, Ellipsometry and Spectrometry Measurements in Submicron Structures for Liquid Sensing. Sensor Letters, 6, 1-6 (2008) 45

46 José Luis Ocaña 46