Sensori microlavorati: Silicio (o GaAs) tecniche di lavorazione legate allo sviluppo di IC.

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Fabiana Caruso
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1 Sensori microlavorati: Silicio (o GaAs) tecniche di lavorazione legate allo sviluppo di IC. MS micro sensori MEMS (microelectronics - microsystems) MOEMS (microoptoelectronics - microsystems) Sensori tradizionali.

2 Sensori microlavorati IC s IC s are based on the transistor a basic unit or building block of IC s. Most IC s are Silicon based, depositing a relatively small set of materials. Equipment tool sets and processes are very similar between different IC fabricators and applications there is a dominant front end technology base. MEMS Does not have a basic building block there is no MEMS equivalent of a transistor. Some MEMS are silicon based and use sacrificial surface micromachining (CMOS based) technology. Some MEMS are hybrids (different wafer materials bonded), some are plastic based or ceramic utilizing a variety of processes Surface & bulk micromachining, LIGA, electrodeposition, hot plastic embossing, extrusion on the micro scale etc. There is no single dominant front end technology base but emerging and established MEMS applications have started to self-select dominant front-end technology pathways (MANCEF 2nd Roadmap).

MEMS Does not have a basic building block there is no MEMS equivalent of a transistor. Some MEMS are silicon based and use sacrificial surface micromachining (CMOS based) technology.

4 Struttura del cristallo del silicio ogni atomo di Si è legato a 4 Si Cristallo con cella cubica a facce centrate -Reticolo del diamante -Anisotropia meccanica 5.43 A Semiconduttore La conducibilità elettrica varia di ~8 ordini di grandezza in funzione della concentrazione delle impurezze (da ppb a ~1%) Droganti di Tipo N e P danno entrambi luogo a conduzione lineare Modulo di Young simile all acciaio (no deformazione plastica) Densità pari a 1/3. Carico di rotura 3x Buon conduttore termico.

43 A Semiconduttore La conducibilità elettrica varia di ~8 ordini di grandezza in funzione della concentrazione delle

5 Indici di Miller Indicano l orientazione di un piano nel sistema degli assi cristallografici

6 Orientazione del silicio Le proprietà della superficie dipendono dalla sua orientazione

7 Realizzazione IC - Processi standard Drogaggio (Diffusione, impiantazione ionica) Deposizione di thin film (PVD, CVD ) Attacco ---- Fotolitografia Processi speciali per MEMS Attacco anisotropo Deposizione elettrochimica LIGA Bonding

film (PVD, CVD ) Attacco ---- Fotolitografia Processi

8 Circuiti integrati - Tecnologia Planare Sul substrato di silicio. substrato.si modificano le proprietà elettriche di alcune regioni attraverso l impianto o la diffusione di impurità,. DROGAGGIO si depongono strati di ossido o di metallo, Ogni rettangolo colorato rappresenta la definizione di una zona con proprietà diverse Struttura di silicio DEPOSIZIONE si rimuovono regioni degli strati creati, ATTACCO Tutte queste azioni devono essere effettuate in maniera selettiva solo in alcune regioni stabilite Secondo un disegno prestabilito: un pattern che viene determinato da una serie di maschere.

DROGAGGIO si depongono strati di ossido o di metallo, Ogni rettangolo colorato rappresenta la definizione di una zona con proprietà diverse Struttura

9 Preparazione del substrato di Si Molto diffuso : ¼ della crosta terrestre Crescita di monocristalli di silicio purissimo: Processo di Czochralski: Un seme cristallino è ruotato e lentamente estratto da un crogiolo contenete silicio fuso Il lingotto (monicristallo) viene affettato con lame di Diamante e lavorato per essere ridotto in fette di circa 500 µm di spessore con superfici rettificate

lentamente estratto da un crogiolo contenete silicio fuso Il lingotto (monicristallo) viene

10 Il Wafer e i dice Die Wafer

11 Deposizione di film sottili CVD (chemical vapor deposition) Avviene una reazione chimica nella fase gassosa o sul substrato PVD (physical vapor deposition) Si staccano atomi da un bersaglio (fase solida vapore) e si fanno condensare su un substrato. - evaporazione termica - riscaldamento - evaporazione a fascio elettronico - riscaldamento - sputtering bombardamento con un plasma. Campo per accelerare gli ioni DC RF o magnetron

12 Deposizione di film sottili (IC) Deposizione di strati isolanti SiO 2. Si pongono le fette (wafer) ad elevata temperatura in una atmosfera ossidante O 2 o N 2 O Deposizione di strati metallici

13 Deposizione film sottili

14 Drogaggio: p=boro n=arsenico

15 Etching = attacco (umido) Rimozione di materiale superficiale in regioni selezionate (substrato o strati deposti) A seconda della soluzione chimica scelta è possibile rimuovere solo alcuni dei materiali. Bagno acido Il SiO 2 si attacca con una soluzione acquosa di HF (acido fluoridrico)..per il silicio in soluzione deve esserci anche HNO3 (acido nitrico)...

16 Dry Etching RIE (reactive ion etching) Attacchi chimici e fisici da ioni reattivi eccitati da RF Bombardamento di ioni accelerati (anisotropia,velocità di corrosione, superficie, controllabili con pressione dei gas,composizione, potenza in RF, temperatura Plasma etching Attacco puramente chimico con ioni reattivi (isotropo) Ion neutral sputtering Volatile product neutral Ion chemical Volatile product Ion enhanced neutral Ion Volatile product Ion enhanced

potenza in RF, temperatura Plasma etching Attacco puramente chimico con ioni reattivi (isotropo) Ion neutral

17 Litografia: la maschera definisce un pattern Fotoresist (resina fotosensibile) Thick film: 1 mm spin.-coating Il fotoresist esposto alla luce UV polimerizza

18 Litografia: la maschera definisce un pattern Parte non esposta Etching Etching Stripping per esempio plasma di ossigeno

19 La lunghezza d onda delle sorgenti ottiche utilizzate (oggi λ=193 nm) è maggiore delle dimensioni laterali dei dispositivi Dipingere linee di 1 cm di spessore con un pennello di di 3 cm di diametro Litografia: lunghezza d onda- risoluzione Lunghezza d onda (nm) E necessario tenere conto della diffrazione Si utilizza una pre-distorsione della maschera: Optical Proximity Correction (OPC),phase-shift masks (PSM) Si utilizza un liquido come mezzo di propagazione: Immersion lithography (2006- fino a 22nm) Risoluzione del processo (nm) E dopo Si possono utilizzare sorgenti a raggi X e cannoni elettronici LEEME- DII-Department of Information Engineering, University of Siena, Via Roma 56, SIENA, Italy.

Optical Proximity Correction (OPC),phase-shift masks (PSM) Si utilizza un liquido come mezzo di propagazione: Immersion lithography (2006- fino a 22nm) Risoluzione del processo

21 Date Name Developer Clock Process Transistors Intel 740 khz 10 µm 2, IBM 10 MHz 3 µm 29, Intel 25 MHz 1 µm 1,180, i860 Intel 25 MHz 1 µm 1,000, Pentium III Intel MHz 0.25 µm 9.5 M 1999 PowerPC 7400 Motorola MHz 0.20 µm 10.5 M 1999 Athlon AMD MHz 0.25 µm 22 M 2008 Atom Intel GHz 45 nm 47 M 2008 Core i7 Intel GHz 45 nm 730 M 2008 Opteron "Shanghai" AMD GHz 45 nm 751 M 2010 POWER7 IBM GHz 45 nm 1200 M Oggi 32 nm , INTEL 10µm, 2k transistor 740 khz Federico Faggin core i7, INTEL 32 nm, 1.17 G transistor 3,3 GHz, 248 mm 2

23 Surface - Bulk Micromachining Dimensioni Bulk Micromachining Surface Micromachining Dispositivo ~ 5 mm < 1 mm Struttura ~ 1 µm ~ 1 µm Spessore ~ 100 µm 1~ 3 µm Caratteristiche Fori passanti, Trench e scavi nel substrato Film sottili e attacchi sacrificali sul substrato Substrato= 600 µm

24 Processi speciali per MEMS Attacco anisotropo Deposizione elettrochimica LIGA Bonding

25 DRIE (deep reactive ion etching)

26 Etching anisotropo umido del silicio (KOH) idrossido di potassio

27 Orientazione della superficie del wafer (110) (100)

28 Attacchi anisotropi Under etching

29 Metodi di arresto dell attacco

30 Attacchi anisotropi Isolante Si 3 N 4

31 Realizzazione di una membrana (sensore primario di pressione)

32 REALIZZAZIONE DI UN CANTILEVER (sensore primario di forza)

33 REALIZZAZIONE DI UN ACCELEROMETRO (sensore primario di accelerazione)

34 MS: sensori di pressione

35 Esempi: Regolatore di Flusso (metodo 1)

36 Esempi: Commutatore per fibre ottiche (metodo 1)

37 Surface micromachining Structural polisi Sacrificial vetro fosfosilicato (deposto per sputtering) o SiO2 Processo ad una maschera

38 Processo a due maschere

39 MS: Biosensori Surface MICROMACHINING: Travi a sbalzo come bilance per molecole. C

40 MS: Accelerometri

41 MS: Accelerometri BULK MICROMACHINING: La struttura 3-D è ricavata nel substrato. a SURFACE MICROMACHINING La struttura 3-D è realizzata sopra il substrato molla massa a massa 10 um 10 um

42 Esempio: MUMP Multiple Users Micromachining Process - 3 polysilicon layers - 2 sacrificial PSG layers -2 µm rule - 1 cm x 1 cm dies (15 pcs) $2900

43 Micro-ruota 1

44 Micro-ruota 2

45 Micro-ruota 3

46 Micro-ruota 4

47 Attuatori, micromeccanica Attuatori per microsistemi Linear vibromotor

48 Parti mobili: Cerniera

49 MEMS: Micromacchine Attuazione elettrostatica F=1/2 εav2/d2

50 MEMS: Micromacchine

51 MOEMS: Microspecchi 16 µm

52 MOEMS: microspecchi

53 MS: testine per inkjet

54 LIGA X-ray Lithography, Electroplating Molding Remove mold Immerse in chemical bath and electroplate the metal Expose and develop photoresist Deposit photoresist Deposit plating base

55 LIGA Photos from MCNC MEMS group

56 Wafer bonding- Anodic cathode current glass silicon chuck Na + V - + bring sodium contating glass (Pyrex) and silicon together heat to high temperature ( ºC) in vacuum, air or inert ambient apply high electric field between the 2 materials (V~1000V) causing mobile + ions to migrate to the cathode leaving behind fixed negative charge at glass/silicon interface bonding is complete when current vanishes glass and silicon held together by electrostatic attraction between charge in glass and + charges in silicon Piezoresistive pressure sensor SiO 2 p + Si <100> Si glass

57 THICK FILM Nasce dall elettronica: tecnologie sviluppate per circuiti ibridi Paste, inchiostri: Binding organico + solventemetallo, semiconduttore, isolante Piezoresistive, fotoconduttive, piezoelettriche Spessori: 100 µm e 10 µm Dimensioni laterali 200 µm e 10 µm (10%-20% tolleranza sulle dimensioni). Deposiszione: con maschere e screen (mesh) Drying Firing: alta temperatura in atmosfera controllata, dissoluzione del binding, sinterizzazione

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