Processos Avançados para MEMS 3

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Processos para MEMS
2013
Processos Avançados
para MEMS
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•  Processos Básicos :
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Obtenção de Si (Czochralski)
Oxidação Térmica
Deposição de Filmes (Spin Coating, Epitaxia, CVD, PVD)
Fotolitografia e Dopagem (Difusão e Dopagem)
•  Corrosão
•  Processos Avançados :
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Soldagem Anódica (Anodic Bonding)
Silicon Direct Bonding
Polimento
Eletrodeposição (LIGA)
Secagem Supercrítica
Self-Assembled Monolayers
Eletrofabricação (EFAB)
•  Processos Não Litograficos :
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Usinagem Mecânica ultra-precisa
Microusinagem por Laser
Electrodischarge Machining
Silk Screen
Soft Lithography
Moldagem a quente (Hot Embossing)
Microusinagem por Ultra-som
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“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 oC 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 SiO2) 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 Odentro do vidro.
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¤  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
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“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
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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-OnInsulator)
•  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 (SiO2) ou cobertas com SiO3N4
¤  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 :
•  H2SO4 + H2O2 (água oxigenada) ; 4:1 a 80 oC por 10 min (“Piranha”)
•  HF + H2O ; (1:10) em temperatura ambiente por 10s; (remove SiO2 nativo e/ou contaminantes do SiO2)
•  NH4OH + H2O2 + H2O ; (1:1:5) em 80°C por 10 min; (RCA-1) (remove contaminantes orgânicos)
•  HCl + H2O2 + H2O ; (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
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Processos Avançados para
MEMS
Silicon Direct Bonding
•  Os processos com H2O2 a 80 oO 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 oC por algumas horas, termina de colar
fortemente as lâminas :
Si−O−Si + H2O
•  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)
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“Direct Bonding”
5.3 Processos de fabricação
de Microcanais
Vidro com Vidro :
•  Possível devido ao papel desempenhado pelo SiO2 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 (H2SO4) por períodos de até 12 hrs.
• 
fazendo a soldagem a maiores temperaturas (300 oC
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 (Tg).
•  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
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Exemplos de “wafer bonding” :
Índice
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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.
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Processos Avançados para
MEMS
Polimento CMP
¤  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
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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.
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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
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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,
•  CO2 liquido é introduzido na câmara a 7,5 - 9 MPa,
•  A mistura (Metanol+CO2) é removida pela base e
logo sobra apenas CO2 na câmara
•  A câmara é aquecida (de 20 a 35 oC)
•  O CO2 é removido a T constante
Diagrama de fase P x T do CO2
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“Electrochemical Fabrication” (EFAB)
Processos Não Litográficos
para MEMS
EFAB :
• Para fabricação de microestruturas com metais ...
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“Soft Lithography”
3. Processos Avançados
“Soft lithography” ou Impresão por Contato ... é uma .....
•  Para ...
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“Soft Litography”
5.3 Processos de fabricação
de Microcanais
“Micro stamp” ....
Índice
17
“Soft Litography”
5.3 Processos de fabricação
de Microcanais
“Micro Contact Printing” .... Ou....
Índice
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