Micro Senzo Ri

Fac. Electronica, Telecomunicatii si Teoria Informatiei

MICROSENZORI

Note de Curs anul IV

Dr. ing. Carmen Moldovan

Cap. I

Clasificarea senzorilor

Cap.1. INTRODUCERE Microsenzorii element esential al proceselor de masura si control in aplicatii, cum ar fi: monitorizare industriala, fabrici automatizate, industria de automobile, transporturi, telecomunicatii, roboti, computere, monitorizarea mediului, sanatate si agricultura => in toate sferele vietii economice si sociale. Odata cu dezvoltarea microprocesoarelor si a circuitelor integrate specifice, procesarea semnalelor a devenit ieftina, de o mare acuratete si conduce la cresterea gradului de inteligenta al echipamentelor electronice. Stimularea cercetarii in aria senzorilor conduce la dezvoltarea tehnologiei senzorilor si microsistemelor si la realizarea de noi tipuri de senzori. Cele 5 tipuri majore de senzori (viteza, temperatura, acceleratie, pozitie si presiune) domina si vor domina inca piata si estimarile arata o crestere continua si liniara a pietii senzorilor pana in anul 2010. Cercetarile care conduc la dezvoltarea si imbunatatirea tehnologiilor specifice de realizare a senzorilor si microsistemelor sunt extrem de importante, cu aplicatii importante si de durata. Senzorii sunt dispozitive care ofera o interfata intre echipamente si lumea fizica. Ei ajuta electronica sa vada, sa auda, sa miroasa, sa guste si sa atinga. In interfata lor cu lumea reala, senzorii tipic convertesc marimi fizice sau chimice neelectrice in semnale electrice. Diagrama bloc a unui sistem de traductoare:

Diafragma bloc a unui sistem de traductoare

Rolul traductoarelor de intrare este de a culege informatia din lumea reala, care este de tip marime fizica sau chimica, cu alte cuvinte de a simti lumea; traductorii de intrare sunt uzual numiti senzori. Rolul traductoarelor de iesire este de a converti un semnal electric intr-o forma acceptabila simturilor noastre si sa initieze unele actiuni, spre ex. deschiderea si inchiderea unei valve. Traductoarele de iesire sunt uzual numite actuatori. Traductoarele de intrare-iesire sunt uzual realizate prin microprelucrarea siliciului.

Pag. I. 1

Cap. I


In fabricarea senzorilor si actuatorilor siliciul este cel mai uzual material (90% component cu alte materiale semiconductoare sau nu). Cateva caracteristici ale siliciului, care il fac atat de utilizat: - modulul Young este apropiat de al otelului; - densitatea apropiata de aluminiu si o treime din densitatea otelului; - nu se deformeaza plastic - cristalul de siliciu este elastic, el nu prezinta histerezis mecanic; - duritatea siliciului este apropiata de cea a quart-ului si mai mare decat cea a tungsten-ului, Al => Si excelent ca material mecanic. - este piezorezistiv: Clasificarea senzorilor semiconductori: Tipuri de senzori O caracteristica a unui senzor este conversia energiei dintr-o forma in alta. Este de aceea util sa consideram variate forme de energie. Din punct de vedere fizic putem distinge 10 forme de energie: - energie electrica se refera la campuri electrice, curent, tensiune; - energie magnetica distribuita cu campul magnetic; - energia masei descrisa de legea lui Einstein E = mc2; - energia nucleara este data de energia de legatura intre nuclee; - energie radianta este asociata undelor radio electromagnetice, microundelor, luminii vizibile, undelor infrarosii, ultraviolete, X-ray, gama ray; - energia termica asociata energiei cinetice a atomilor si moleculelor; - energie atomica este asociata fortei dintre nuclei si electroni; - energie moleculara este energia de legatura in molecule; - energie gravitationala asociata atractiei gravitationale dintre masa si pamant; - energie mecanica se refera la miscare, deplasare, forta; -

Pentru masuratorile propuse avem 6 tipuri de marimi: - marimi chimice semnalele provin de la cantitati ale materiei, cum ar fi: concentratie, compozitie, rate reactiei; - marimi electrice semnale de tip tensiune, curent si sarcina; - marimi magnetice intensitate, camp magnetic, densitate de flux; - marimi termice temperatura, caldura, flux de caldura; - marimi mecanice forta, presiune, viteza, acceleratie, pozitie; - marimi radiante caracterizeaza undele magnetice: intensitate, legatura de unda, polarizare, faza.

Pag. I. 2

Cap. I


Clasificarea senzorilor semiconductori: 1. Acustic - amplitudinea undei, faza, polarizare - viteza undei 2. Biologic - Biomasa (identitati, concentratii) 3. Chimici - componente (concentratii, stari) 4. Electrici - sarcina, curent - potential, diferenta de potential - camp electric (amplitudine, faza, polarizare) - conductivitate - permitivitate 5. Magnetici - camp magnetic - flux magnetic - permeabilitate 6.Mecanici - pozitie, viteza, acceleratie, forta, stres, presiune, masa, densitate - viteza fluxului - vascozitate - cristalinitate, integritate structurala 7. Optici - amplitudinea undei, faza, polarizare, spectru 8. Radiatie - energie, radiatie 9. Termici - temperatura, flux, caldura specifice, conductivitate termica

Prelucrare semnal

Schema marimilor de intrare (de masurat) si a celor de iesire

Pag. I. 3

Cap. II

Tehnici de microprelucrare

Cap.2. TEHNICI DE MICROPRELUCRARE Tehnologiile de microprelucrare pot fi clasificate n: - microprelucrare de volum - microprelucrare de suprafa

Microprelucrarea de volum Microprelucrarea de volum se bazeaz pe corodareasiliciului monocristalin i structurile micromecanice dezvoltate cu aceast tehnologie sunt realizate din siliciu microcristalin sau depus sau prin creterea de structuri pe siliciu. n microprelucrarea de volum pot fi utilizate dou tehnici: corodarea de pe faa plachetei i corodarea de pe spatele plachetei. Structurile micromecanice realizate prin tehnologii de microprelucrare pot fi mprite n trei categorii: - microstructuri statice structuri 3-D statice caviti, orificii circulare, conectoare electrice miniaturizate - microstructuri dinamice, diafragme i membrane, puni, borne Aceste structuri necesit un control al deplasrii pentru a realiza funcia dorit. - microstructuri cinetice - micromotoare, arcuri cu utilizri n microrobotic i microchirurgie Microprelucrarea de suprafa Utilizeaz straturi depuse sau crescute pe substrat pentru a fabrica dispozitive micromecanice. Astfel, procesele de microprelucrare de suprafa necesit un strat de sacrificiu care este nlturat ntr-o etap ulterioar pentru a elibera structura mecanic. Exist combinarea celor dou tehnici, pe care am avut-o n vedere, studiind materiale de mascare pentru oxizi, polisiliciu, metale, corodani organici i anorganici ai siliciului cu protejarea celorlalte elemente ale dispozitivelor existente pe chip, ct i tehnici de sudare plachete. Proiectarea de design, de tehnologii i de procese trebuie s in cont de toate aceste elemente cat i de forele specifice microlumii (forele electrostatice i forele de forfecare care sunt mari i deformeaz puternic sistemele micromecanice, n timp ce ineria i greutatea nu au importan), s-i asimileze legile i s ncerce s creeze tehnologii i procese mbuntite care s respecte aceste legi, dar care s ofere performane acceptabile din punct de vedere al productorilor de senzori i microsisteme.Pag. II. 1

Cap. II


Corodarea umed anizotrop Corodarea umed anizotrop este un proces de corodare preferenial dup anumite direcii a unui material, utiliznd corodani din surs lichid. Siliciul monocristalin este compus din atomi aranjai ntr-o structur de diamant cu simetrie cubic. Corodanii anizotropi pentru siliciul uzual folosit sunt: hidrazin-ap, EDP (ethylendiamin-pirocatechol-ap), KOH (hidroxid de potasiu-ap), TMAH (hidroxid de tetrametilamoniu), CSOH (hidroxid de cesiu-ap). Corodanii sunt compui dintr-un component primar (hidrazin, etilendiamin, hidroxid de potasiu, etc.), un agent complexant (alcool izopropilic, catechol) i un diluant (ap). Dependena ratei de corodare de orientarea cristalografic este o trstur de baz a corodanilor anizotropi. Mai exact, suprafeele se corodeaz cu o rat mai lent dect alte plane cristalografice. Aceasta indic c rata de dizolvare este o funcie de orientarea cristalului de siliciu. Calitativ, corodarea anizotrop este funcie de densitatea atomilor de siliciu pe centimetru ptrat (unitatea de arie). Ca o consecin a anizotropiei este posibil s dezvoltm structuri unice, care nu ar putea fi construite astfel. Spre exemplu, considerm o plachet de orientare cu o fereastr ntr-un strat de SiO2 care acoper suprafaa. Expus la un corodant anizotrop apare o form de trunchi de piramid ca n figura de mai jos.

Fig.2.1.

Trunchiul este mrginit de planele care au o rat de corodare foarte mic. Pe au o nclinare de 54,7oC. Dependena de orientare a ratei de corodare cu EDP pe este artat de fig.2.2. Rata de corodare variaz i ca funcie de tipul corodantului i de condiiile locale de corodare.

Pag. II. 2

Cap. II


Fig.3.2 Rata de corodare functie de directia cristalografica (siliciu corodat in EDP) Configurarea structurilor. Pentru a obine o structur dorit muchiile ferestrei trebuie s fie corect orientate. Spre exemplu, pentru a obine un trunchi piramidal ca n fig. 2.3. , muchiile ferestrei trebuie s fie aliniate n direcia ca in fig. 2.4. Fig.2.3. Profilul corodarii intr-o placheta folosind o fereastra patrata ca masca.

Fig.2.3. Profilul corodarii in Si

Pag. II. 3

Cap. II


Fig.2.4. Alinierea ferestrei de corodare pe o placheta pentru a obtine profilul din fig.2.3.

Dac geometric este dezaliniat colurile concave i muchiile vor fi tiate prin corodare (Fig.2.4)

Fig.2.4. Aspectul unei ferestre dezaliniate corodate anizotropPag. II. 4

Cap. II


O fereastra ptrata pe Si da un trunchi de piramid ca in fig.2.3. Rata de corodare respecta legea lui Boltzman.Re = Ro exp( Ec ): KT

Ro factor preexponenial Ec en. de activare K constanta Boltzman= 86,1 x 10-6 eV/K T temp n K

Selectivitate Corodanii anizotropi pot fi puternic selectivi la materialele de mascare (SiO2, Si3N4, SiON, Au) EDP - nu atac Au, Ag, Ta - atac Al - rata de atac a Si3N4, SiO2 este aproape nula KOH rat mare de corodare la oxizi, deci selectivitate scazuta TMAH selectivitate la SiO2, Si3N4 Tehnici de stop-corodare pentru corodarea anizotrop 1. Stop corodarea la regiunile puternic dopate n bor

Fig.2.5. Rata de corodare in EDP a concentratia de bor

siliciului dopat cu bor functie de

Pag. II. 5

Cap. II


Rate de corodare funcie de concentratia de bor La conc. de bor > 2,5 x 1019 cm-3, corodarea este independent de coninutul de bor. Peste aceast conc. critic, corodarea depinde de conc.de bor i rata scade n 3 ordine de mrime.Rc 14

CB

Explicaia degenerarea siliciului

Fig. 2.6. Stop corodare la jonctiunea p-n

2. Stop corodarea electrochimic Corodani anizotropi alcalini pot fi utilizai pentru ndeprtarea chimic a siliciului (Si) nedorit i astfel sunt pstrate regiunile pasivate electrochimic. Ambele tipuri de plachete de Si(n) i Si(p) pot fi pasivate. Procesul (ECE) corodare anizotrop controlat electrochimic are un avantaj fa de doparea puternic cu bor (3x1019 cm-3) datorit tensionrii puternice a Si prin tratamentul termic necesar n cazul doprii cu bor. Oricare din prile jonciunii p sau n poate fi protejat la corodare prin legarea sa la anod, att timp ct potenialul anodic nu este suficient de mare pentru a crete polaritatea jonciunii p-n, cnd partea p este protejat. Corodarea se oprete cnd partea expus corodrii n soluie a jonciunii p-n este complet corodat. Fenomenul de pasivitate electrochimic este datorat formrii unui strat pasivant de bioxid de siliciu prin oxidare anodic, cnd reactantul ajunge la jonciune. De fapt, ideea de baz este realizarea unei membrane de siliciu de tip n, de obicei, un strat epitaxial obinuit, depus pe substratul de siliciu de tip p care va fi corodat selectiv pn la siliciul epitaxial de tip n.

Pag. II. 6

Cap. II


Aceast corodare selectiv se realizeaz prin aplicarea potenialelor electrochimice diferite la cele dou tipuri de siliciu de pe placheta imersat n soluia de corodare anizotrop. Realizarea jonciunii p-n pe o plachet de tip p se efectueaz prin depunerea epitaxial a unui strat epitaxial de tip n cu o anumit rezistivitate pe substratul de tip p al plachetei, caracterizat i acesta de o anumit rezistivitate. Pentru realizarea corodrii pn la jonciunea p-n se aplic o tensiune pozitiv direct pe siliciul de tip n printr-un contact ohmic, n timp ce contactul electric pe siliciul p este fcut prin soluia b de corodare cu un electrod adecvat utilizat pentru msurtori. Sub o polarizare anodic suficient, siliciul se pasiveaz ca urmare a formrii oxidului anodic i corodarea se oprete.

Fig. 2.7.a. Instalatie de corodare electrochimica

2.7.b. Definire microstructuri prin stop corodare electrochimic.Pag. II. 7

Cap. II


3. Stop corodarea la timp de corodare n cazul timpului stop-corodare s-au avut n vedere : - viteza de corodare pentru toi reactanii este influenat considerabil de transportul substanelor n soluie spre plachet i de transportul produilor rezultai prin corodarea suprafeei plachetei. - se va lucra in solutii bine controlate ca temperatura, concentratie, agitare ai. conditiile sa fie perfect reproductibile dupa stabilirea experimentala a ratei de corodare Corodarea anizotrop chimic Corodarea anizotrop a siliciului monocristalin s-a studiat n soluii alcaline n funcie de: - orientarea planelor siliciului monocristalin - pasivarea siliciului monocristalin cu un strat de oxid sau nitrur - doparea cu bor la concentraii ridicate a siliciului monocristalin Viteza de corodare a fost determinat n funcie de: - temperatur - compoziia reactantului - orientarea planelor cristalului de siliciu - pasivarea siliciului - doparea puternica cu bor Corodanii lichizi anizotropi ai siliciului monocristalin: - cu component anorganic KOH, NaOH, LiOHH2O, CsOH - cu component organic etilendiamina, hidroxid de tetrametil amoniu, hidrazina, hidroxizi de amoniu cuaternari). Agentul complexant pentru a efectua dizolvarea const de obicei din alcool izopropilic, n-propanol, izobutanol, pirazin sau colin pentru sistemul organic. Pasivitatea siliciului este realizat cu: - oxid de siliciu termic, CVD, PSG, BPSG - nitrur de siliciu - oxinitrur de siliciu Corodanii anizotropi ai siliciului monocristalin manifest o reducere puternic a vitezei lor de corodare la concentraii de bor ridicate, depind aproximativ 2x1019 cm-3. Corodarea chimic selectiv s-a folosit n cazul depunerilor de siliciu epitaxial pe substraturi izolante i n procesele de izolare dielectric ale circuitelor integrate. Pentru soluii foarte concentrate s-a observat o descretere a ratei de corodare cu putere a patra a diluiei, n mod similar s-a constatat i n cazul suliciului dopat cu bor.

Pag. II. 8

Cap. II


Reducerea vitezei de corodare a fost gsit a fi invers proporional cu puterea a patra a concentraiei de bor pentru o soluie alcalin diluat, fiind mai puin eficace pentru o soluie alcalin concentrat. 3.1 Corodarea anizotrop chimic a siliciului monocristalin n soluie alcalin anorganic Hidroxidul de potasiu cea mai frecvent folosit soluie anorganic. Observaii: 1. viteza de corodare maxim a fost obinut la o concentraie de 1015%KOH fr adaos de alcool izopropilic i n jur de 30% KOH cu alcool izopropilic. 2. n cazul plachetelor de Si energia de activare a fost gsit a fi ntre 0.52 i 0.60 eV 3. raportul vitezelor de corodare pentru planele cristalelor Si/Si este de 35:1. Specia principal de reacie a fost determinat ca fiind HO-. SiO2(OH)2-- se considera a fi produsul de corodare primar, cu polimerizare ulterioar. Si + 2H2O + 2HO- Si(OH)2O2-- + 2H2 Raley a presupus c 4e- sunt injectai n banda de conducie prin reacia de oxidare iniial care sunt mai trziu consumai n etapa de reducere: Si + 2HO- Si(OH)2++ + 4eSi(OH)2++ + 4e- + 4H2O Si(OH)6-- + 2H2

Pag. II. 9

Cap. II


Fig. 2.8.Profilul de corodare pentru siliciul corodat anizotrop

Figura 2.9. Profilul de corodare pentru siliciul corodat anizotrop

Pag. II. 10

Cap. II


Proprietile de cristalografie ale siliciului Structura cristalin a siliciului este de tip diamant cu o constant de reea = 5,43 . Structura este de tip fee cubice centrate. De mare importan pentru corodarea anizotrop sunt orientarea planelor relevante ale cristalului. Acestea sunt: - planele {111} plane care se corodeaz cel mai lent i - planele {100}, {110} care se corodeaz repede.

Figura 2.10. Planele de interes in cristalul de siliciu

Pentru micromecanic, dou direcii sunt importante i . Plachetele nu pot fi microprelucrate utiliznd corodani cunoscui. Planele cristalului sunt caracterizate de un set de 3 indici numii indici Miller. Ei descriu vectorii normali (perp.) la planele cristaline n discuie. Ex: ntr-o reea cubic simpl se gsesc atomi n lungul direciilor x, y sau z, la o distan care este un numr ntreg al constantei reelei. Vectorii ax, ay genereaz un plan pe care vectorul az este normal. Acest plan este . Mecanismul general la corodarea anizotrop Si Si Si : + 2OH- Si Si Si OH OH + 2e-cond

Pag. II. 11

Cap. II


La corodarea siliciului n KOH => Si + H2O + 2KOH K2SiO3 + 2H2 Si + 2OH- Si(OH)2++ + 4e4H2O + 4e- 4OH- + 2H2 Si(OH-)2++ + 4OH- SiO2(OH)2-- + 2H2O ________________________________ ntreaga reacie este nsumat astfel: Si + 2OH- + 2H2O SiO2((OH)2-- + 2H2 La corodarea unui V-Groove

= 54,7.hhh tg = => a == a atg2 h 2 x nlimea = 2 h => limea unui V-Groove =2a = 2 2

La corodarea unei membrane:

a = W + 2 h

Lipirea structurilor micromecanice la substrat - lipirea structurilor la substrat dup supracorodare n ageni chimici umezi apare in cazul structurilor eliberate prin corodare de sacrificiu Mecanismul i natura forelor care atrag straturile subiri la substrat sunt controversate. Dou mecanisme joac un rol important: a) fora care trage structura n jurul suprafeei pasive probabil determinata de tensiunile de suprafa dintre lichidul n care plachetele sunt curatite si suprafata plachetelor. Sunt fore Van der Vools, electrostatice, legturi de H2 i reacii chimice care intr n joc, rezultnd o legtur permanent a structurii la substrat. Metode de evitare: - prevenirea contactului ntre structur i substrat n timpul fabricaiei corodare uscat.Pag. II. 12

Cap. II


- reducerea forelor de aderen Utilizarea suprafeelor hidrofobe sau creterea rugozitii suprafeei.

Pag. II. 13

Capitolul 2Senzori de siliciu integrati si tehnici de microprelucrare ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

2. 2. MICROPRELUCRAREA DE SUPRAFATA A SENZORILOR Avantajele tehnologiei de microprelucrare a suprafe]ei constau `n capacitatea de a produce senzori mai mici precum [i din faptul c\ prezint\ multe aspecte comune cu tehnologia circuitelor integrate. Ca urmare al progresului, far\ precedent `n acest domeniu din ultimii ani, ne-am concentrat asupra microprelucrarii suprafe]ei polisiliciului. Studiul polisiliciului pentru aplica]iile de microprelucrare a suprafe]ei include: depunerea, doparea, annealing, straturile de sacrificiu [i corodarea de sacrificiu precum [i caracterizarea filmelor de polisiliciu.

Conceptul de baza al tehnologiei de microprelucrare a suprafetei Microprelucrarea suprafe]ei este o tehnica pentru fabricarea structurilor multistrat 3D micromecanice [i configurarea filmelor sub]iri. Conceptul de baza al tehnologiei de microprelucrare a suprafe]ei a fost demonstrat ini]ial pin depuneri de filme metalice de catre Nathanson in 1960. Interesul a sporit `n aceasta direc]ie dupa anul 1987, cand a `nceput dezvoltarea acestei tehnologii [i continua cu un succes deosebit [i astazi.

Structuri multi stratConceptul de baz\ al tehnologiei de microprelucrare a suprafe]ei este descris in fig.2.14. Mai `ntai, un strat izolator este depus pe un substrat de siliciu pentru izolarea electrica, numit [i strat protector. Apoi, un strat de sacrificiu este depus deasupra stratului izolator [i configurat. Urmatoarea etap\ const\ `n depunerea stratului de polisiliciu, peste stratul de sacrificiu, urmat de configurarea sa. ~n final, stratul de sacrificiu este [i el corodat, folosind corodarea selectiv\ a acestuia. Deci, se ob]ine o structur\ micromecanic\ liber\. Abordarea microprelucrarii de suprafa]\ este atractiv\ deoarece structurile mai mici pot fi ob]inute cu un control dimensional mult mai bun `n compara]ie cu microprelucrarea de volum. Alte diferen]e `ntre microprelucrarea de volum [i de suprafa]\ sunt subliniate in tabelul 2.11. Microprelucrarea de suprafa]\ confera posibilitati pentru utilizarea de combina]ii variate de filme sub]iri. Stratul de

polisiliciu poate fi `nlocuit cu: nitrura de siliciu, dioxid de siliciu, poliimida, tungsten,

1


molibden, carbura de siliciu amorfa, aliaj TiNi, permaloi Ni-Fe sau filme composite ca polisiliciu-ZnO sau polisiliciu-nitrur\ de siliciu - polisiliciu. Compozi]ia stratului de sacrificiu depinde de stratul materialului din care va fi format\ structura micromecanic\ . Tabelul 2.12 prevede un rezumat al combina]ilor diferite de strat de sacrificiu [i de stratul materialului din care va fi format\ structura micromecanic\, descrise in literatura/L. Ristic, Sensor Technology and Devices, 1994 Artech House, Boston, pp.95-150/. Aceasta este o ilustra]ie de eventual\ tehnologie de microprelucrare de suprafa]\. Fara `ndoial\, tehnologia de microprelucrare de suprafa]\ reprezint\ cercetarea de viitor `n ceea ce prive[te posibilit\]ile utiliz\rii de noi materiale, care la randul lor ofer\ o varietate de alte solu]ii tehnologice.Strat de sacrificiu

Substrat

Strat de izolare

Polisiliciu Strat de sacrificiu

Substrat

Strat de izolare

Strat activ

Substrat Strat de izolare

Fig.2.14. Suprafata microprelucrata: (a) stratul de sacrificiu configurat; (b) stratul activ configurat; (c) bara suspendata dupa corodarea de sacrificiu. Tabel 2.11. Compararea microprelucrarii de volum cu cea de suprafa]\

2


Tr\s\turi caracteristice

Microprelucrarea de volum

Microprelucrarea de suprafa]\ Polisiliciu

Stratul materialului din care va Siliciu fi formata structura micromecanica Stratul de sacrificiu M\rimea

PSG, SiO2

Factorii de procesare

Mare (dimensiunile cavit\]ii Mic\ (precizie `nalt\ controlat\ tipice sunt de ordinul a sute deprin grosimea filmului depus; m) dimensiunile tipice sunt mai mari de ca]iva m) a)Procesarea pe o fa]\ sau pe a)Procesarea pe o fa]\ (pe fa]\) b)Selectivitatea materialului la ambele fe]e(fa]\ [i spate) b)Selectivitatea materialului la corodare c)Corodarea: izotrop\ corodare d)Stres rezidual `n filme (depinde c)Corodarea: anizotrop\ de: depunere, dopaj, annealing) (depinde de orientarea cristalului) d)Stop corodare e)Configurarea

Tabel 2.12 Combinarea stratului materialului din care va fi format\ structura micromecanic\ [i a stratului de sacrificiu pentru microprelucrarea de suprafa]\ Stratul materialului din care va fi formata Stratul de sacrificiu structura micromecanica Grosimea tipic\ (m) Material Grosimea Material tipic\ (m) Polisiliciu1- 4 1- 7 PSG, SiO2 Si3N40.2 - 2 2 PSG, SiO2 SiO21-3 1- 3 Polisiliciu Poliimid\10 1.5 - 3 Al W2.5 - 4 8 SiO2 Mo0.5 0.7 Al SiC1.5 1.5 SiO2 TiNi8 3 Poliimid\ sau 2 Au 7 Al sau 7 NiFe 2.5 Cu 0.6 PSG 2 PSG PoliSi-ZnO 2 0.95 PoliSi1- 0.2 -1 Si3N4PoliSi

Straturi de sacrificiu si corodarea de sacrificiu

3


Straturile de sacrificiu depuse sub form\ de film pot fi utilizate ca un material de e[afodaj `n realizarea structurilor tridimensionale. Aceste straturi, deasemenea, pot servi drept surs\ de dopare. Utilizarea oxidului dopat cu fosfor ca strat de sacrificiu este solu]ia cea mai des `ntalnit\. Rata de corodare [i propriet\]ile de curgere pot fi stabilite controland `ncorporarea dopantului. Mai mult, selectivitatea corod\rii oxidului de siliciu `n solu]ia de acid fluorhidric diluat (HF) este `n general bun\ [i atunci cand acesta este depus peste alte materiale ca polisiliciul [i nitrura de siliciu. ~n general, se depune sticl\ fosfosilicat (PSG) pentru aplica]ile microprelucrarii de suprafa]\ care `n mod obi[nuit este ob]inut\ termic LPCVD (depunere chimic\ `n stare de vapori la presiune joas\) utilizand silan SiH4, oxigen O2 [i fosfin\ PH3. De[i ratele de corodare ale acestor filme sunt importante, `n multe aplica]ii de microprelucrare de suprafa]\, procesul de corodare al PSG-ului de sacrificiu este un proces complex, astfel corodarea poate s\ se implice [i pe sub strat cu o vitez\ decorodare limitat\. ~n fig.2.15 se arat\ o schem\ reprezentativ\ cu [apte etape distinctive identificate a secven]ei corod\rii de sacrificiu. S-a stabilit c\ limit\rile de transfer de substan]\ extern\ sunt nesemnificative [i procesul de corodare s-a modelat ca un sistem constant cu parametru localizat al reac]iei de difuzie. Fluxul de difuzie (dif), sau viteza de transport a reactantului la interfa]a fluidsolid, se calculeaz\ cu ecua]ia: Cb Cs dif = DHF ~n mod analog se stabile[te [i pentru fluxul de reac]ie (rec), ecua]ia: rec = kef (Cs)n ~n ecua]ia stabilit\ pentru fluxul de reac]ie (rec), constantele de vitez\ ale adsorb]iei, reac]iei de suprafa]\ [i desorb]iei sunt reprezentate de kef, iar n este ordinul de reac]ie. Cb [i Cs sunt concentra]iile de volum [i respectiv de suprafa]\ ale reactantului. DHF reprezint\ difuzia HF `n ap\ [i lungimea de difuzie. Astfel, rezultatele experimentale pentru solu]iile concentrate de HF (49%) corelate cu modelul de anticipare arat\ c\ numai dup\ 10min. `n solu]ia de corodare, difuzia reactantului are vitez\ determinant\.

4


1

4

Absorbtie

2

3

Desorbtia produsului

Reactie la suprafata

Fig.2.15.Reprezentarea schematica a mecanismului corodarii de sacrificiu a PSG1Transportul reactantului extern 2Difuzia reactantului 3Difuzia produsului 4Transfer de mas\ al produsilor de reactie spre exterior

De asemenea, se arat\ c\ geometria canalului de corodat afecteaz\ timpul de corodare `n func]ie de distan]a corodat\ `ntr-un canal rectangular crescand cu l\]imea canalului. Cand reactantul este `n faz\ lichid\ difuzeaz\ direct propor]ional cu temperatura, timpul de corodare pentru PSG poate fi mic[orat prin cre[terea temperaturii solu]iei de corodare.Vitezele reac]iei de corodare depind exponen]ial cu temperatura [i `n acela[i timp [i selectivit\]ile celorlalte materiale din solu]ie (de exemplu, nitrura de siliciu, metale) pot fi serios afectate. ~n cazul unei aplica]ii particulare, condi]iile corod\rii de sacrificiu vor varia [i pot fi optimizate pentru fiecare situa]ie `n parte. Crescand concentra]ia de fosfor atat cat este necesar pentru cresterea vitezei de corodare al stratului de PSG, poate constitui o decizie hazardata, cu urm\ri `n special asupra lungimilor de difuzie, care pot fi mici [i de asemenea cu urm\ri asupra selectivit\]ii `n corodare care deja constituie o grij\ major\. Mai mult, m\rind expunerea polisiliciului `n solu]ia de HF se pot degrada propriet\]ile mecanice, de

5


aceea se urm\re[te pentru corodarea de sacrificiu ca timpul s\ fie cat mai scurt. Con]inutul mai mare de PSG poate totu[i determina o curgere mai neuniform\ sau o deformare a aderen]ei stratului de material din care va fi format\ structura pe perioada ciclurilor de relaxare a stresului de la temperatura ridicat\. Aceast\ problem\ poate fi `mpiedicat\ prin folosirea unui film de sacrificiu combinat. Filmele de oxid de sacrificiu combinate sunt descrise `n fig.2.16 [i au fost utilizate pentru acele experimente care au necesitat grosimi totale de 2m (filmele dopate [i nedopate). Etapa de acoperire cu filme de sacrificiu devine o problem\ mai important\ cu cat complexitatea microstructurii cre[te, dimensiunile critice descresc [i straturile multiple din materialul din care va fi format\ structura devin obi[nuite. Straturile tipice pentru aplicatiile de microprelucrare de suprafata sunt mai groase de cativa micrometri, cu distan]area dintre structurile vecine de acela[i ordin. Aceasta poate avea drept rezultat dificultatea de a planariza suprafete care au capatat topografii nedorite aparute in timpul proceselor de depunere a diferitelor straturi.Polisiliciu Oxid nedopat 2 PSG Oxid nedopat 1 Si3N4

Siliciu

Fig.2.16. Sectiune transversala printr-o structura multistrat de sacrificiu si polisiliciu

1. L. Ristic, Sensor Technology and Devices, Artech House, Boston, London, Cap. 3, Cap.4, pag. 49-150 2. H. Seidel, L. Csergi, A. Heuberger, H. Baumgartel, Anisotropic Etching of Crystalline Silicon in Alkaline Solutions, J. Electrochem. Soc., Vol.137, No.11, (1990), pp.3612-3633.

6


3. Miko Elwenspoek, Etching Technology, UETP-MEMS Course, Chapter I, II, III, IV, V 4. S.M.Sze, Semiconductor Sensors, Wiley & Sons, 1994, 17-96, 97-143, 153-194, 473-523 4. S. Tan, M.L.reed, H. Han, R. Boudreau, Mechanisms of Etch Hillock Formation, J. of Micro. Sys., vol. 5., no. 1, March 1996, pp.66-71. 5. E. Peeters, B. Puers and W. Sansen, A Two Wire, Digital Output Multichannel Microprobe for Recording Single-unit Neural Activity, Sensors and Actuators B, 4 (1991) 217-223. 6. S. Wang, V. McNeil and M. Schmidt, Selective etchimg of n-type silicon using pulsed potential anidozation, 1991 IEEE, pp.819-822. 7. M.C. Jeong, C.H.Pyun, I.H. Yeo, Voltammetric Studies on the Palladium Oxides in Alkaline Media, J. Electrochem. Soc., Vol.140, No.7, (1993), pp.1986-1988. 9. C. Moldovan, R. Iosub, D. Dascalu, Gh. Nechifor, Anisotropic Etching of Silicon in a Complexant Redox Alkaline System, Eurosensors XII, Southampton, pp. 10091012 14. M. Elwenspoek, On the Mechanism of Anisotropic Etching of Silicon, JES, Vol.140, No7. July 1993, pp2075-2080 15. C. D. Gutsche, B. Dhawan, K. Hyum No, R. Mathukrishnan, Calixarenes. 4. The Synthesis, Characterization, and Properties of the Calixarenes from p-tertButylphenol, J. Am. Chem Soc., 103 (1981), 3782-3792 16. S. Shinkai, K. Araki, J. Shibata, D. Tsungawa, O. Manabe, Autoaccelerative Diazo Coupling with Calix[4] arene: Substituent Effects on the Unusual Co-operativity of the OH Groups, J. Chem. Soc. Perkin Trans.1 (1990), 3333-3337 17. Linus Pauling, General Chemistry, W.H. Freeman and Company, San Francisco, 1970, translated in Bucharest 1972, pp. 461-462 18. K. Sato, M. Shikida, Y. Matsushima, T. Yamashiro, K. Asaumi, Y. Iriye, M. Tamamoto, Characterization of orientation-dependent etching properties of singlecrystal silicon: effects of KOH concentration, Sensors and Actuators A, 64 (1998) 8793 19. P. M. M. C. Bressers, J. J. Kelly, J. G. E. Gardeniers and M. Elwenspoek, Surface Morphology of p-Type (100) Silicon Etched in Aqueous Alkaline Solution, Journal of the Electrochemical Society, 143 (1996), 1744-1750 20. M. Elwenspoek, Stationary Hillocks on Etching Silicon, Proceedings, The Ninth Micromechanics Europe Workshop MME'98, Ulvik in Hardanger, Norway, June 3-5, 1991, pp 70-73 21. H. Schrder, E. Obermeier, A. Steckenborn, Formation, prevention and removal of micropyramids on KOH etched silicon, Proceedings, The Ninth Micromechanics Europe Workshop MME'98, Ulvik in Hardanger, Norway, June 3-5, 1991, pp 28-31 22. T. Abe, A Contamination-Free Microstructure in a Humid Environment by Means of a Combination of Hydrophilic and Hydrophobic Surfaces, Journal of Microelectromechanical Systems, 7 (1998), 94-101

7


8

Cap. III

Tehnici de excitatie - detectie

Cap. 3. TEHNICI DE EXCITATIE DETECTIE

Toti senzorii mecanici se bazeaza pe principii fizice pentru a transforma semnalul mecanic intr-un semnal electric. Tehnicile de citire (read-out) pot fi clasificate: a. Metode statice: 1. detectia stresului- piezorezistiv (stres normal) - tensiunea transversala (stres de forfecare) senzorii Hall - efectul de piezojonctiune 2. detectia deformarii- capacitate, interferenta optica

b. Metode rezonatoare Pentru senzori rezonatori, frecventa de rezonanta este elementul utilizat in detectia marimilor de intrare. Ex: Pentru un senzor de presiune, frecventa de rezonanta a unei membrane de Si depinde de presiunea aplicata. Citirea poate fi piezorezistiva, electrica sau optica. Piezorezistivitatea este o proprietate de material care se refera la faptul ca pentru anumite materiale rezistivitatea in volum este influentata de stresul mecanic aplicat materialului. Senzorii rezonatori Un senzor rezonator este un dispozitiv cu un element vibrator la rezonanta care-si schimba frecventa de iesire (frecventa de rezonanta mecanica), functie de un parametru fizic sau chimic de intrare. Senzorii rezonatori din siliciu reactioneaza la schimbarile de stres prin schimbarea frecventei de rezonanta, fiind de 100 de ori mai sensibili ca traductoarele piezorezistive analogice standard. Materialul rezonatorului La primele tipuri de rezonatoare elementul rezonator era realizat din metal (diferite metale), dar cum calitatea rezonatorului este strans legata de proprietatile mecanice ale materialului rezonator, alte materiale au fost investigate si utilizate. Materialele monocristaline Si si cuartul au foarte bune proprietati rezonatoare, un Q intrinsec foarte mare. Acestea sunt considerate cele mai bune candidate pentru realizarea elementelor rezonatoare. Factorul de calitate Q este o masura a pierderii de energie a rezonatorului, sau in alte cuvinte, o masura a atenuarii mecanice. Factorul Q ca: este definit Q = 2 maximul de energie stocata intr-o perioada/energia disipata pe perioada - Siliciul este foarte elastic, anizotrop. Proprietatile mecanice ale siliciului monocristalin si marele numar al diferitelor procese de fabricatie comuna in tehnicile de microprelucrare facPag. III. 1

Cap. III


posibila realizarea de senzori rezonatori performanti, cu rezolutie inalta, acuratete si repetabilitate. -Siliciul policristalin are un Q intrinsec < QSi monocristalin, dar are cateva caracteristici bune: - utilizeaza procesele de depunere standard, optimizate pentru eliminarea stresului, - este suficient de elastic si se preteaza foarte bine la microprelucrarea de suprafata. - Cuartul are avantajul ca este un material piezoelectric care poate fi utilizat pentru excitatia si detectia vibratiei. Principiile excitatiei si detectiei rezonatorilor Un senzor complet consta din: rezonator, unitate de excitatie, unitate de detectie si circuitul de feedback (fig.3.1)

Fig.3.1. Schema bloc a senzorului rezonator

Circuitele de pe bucla de reactie asigura rezonatorul sa fie mentinut pe modul dorit de rezonanta, atunci cand frecventa de rezonanta este schimbata ca rezultat al schimbarii in cantitate masurata. Exista sase tipuri principale de excitatie-detectie: 1) Excitatie electrostatica si detectie capacitiva.

Fig. 3.2

Pag. III. 2

Cap. III


Sunt 2 electrozi intr-o vecinatate, unul dintre electrozi este o parte a structurii vibratoare

Si, n

Fig. 3.3. Sectiune transversala a unui senzor rezonator cu un electrod punte din polisiliciu, realizat prin microprelucrare de suprafata

In puntea cu rol de electrod se prevad gauri pentru reducerea efectului de pompare a aerului. 2) Detectie si excitatie piezoelectrica Un material piezoelectric va fi deformat daca este supus unei tensiuni mecanice externe. Siliciul nu este piezoelectric. Se depune ZnO.

Fig.3.4.

Un astfel de material isi schimba caracteristicile electrice daca este supus stresului de deformare. Aceasta proprietate este utilizata in detectarea vibratiei utilizand aceeasi structura pentru excitatie.

3) Excitatie si detectie dielectrica Aceasta tehnica utilizeaza o structura sandwich formata dintr-un strat dielectric intre doi electrozi, asezate pe o bara vibratoare ca in fig3.5.

Pag. III. 3

Cap. III


Fig.3.5.

- o tensiune aplicata creaza forte de atractie intre cei doi electrozi care vor deforma stratul dielectric. Deformarea acestuia va crea un stres lateral rezultand un moment de indoire a structurii multistrat, - structura multistrat poate fi utilizata pentru detectia vibratiei. Modificarea grosimii stratului dielectric introduce modificari in capacitatea dintre cei doi electrozi. 4) Excitatie prin incalzire rezistiva si detectie piezorezistiva Este posibil sa generam o vibratie daca o anumita arie a rezonatorului este supusa unor pulsuri de caldura. Caldura creaza o expansiune laterala a materialului rezultand o deflexie a elementului rezonator. Incalzirea termica se poate realiza printr-un rezistor difuzat integrat sau printr-un rezistor de poli.

Fig.3.6.

- Senzorii integrati sunt utilizati pentru detectia vibratiei, caci siliciul este un material piezorezistiv. - Un rezistor supus la stres isi modifica rezistenta detectia.

5. Excitatie optica si detectie opticaPag. III. 4

Cap. III


- Lumina absorbita de la un laser focalizat pe un rezonator este utilizata pentru a genera un stres termic necesar vibratiei. - Un aranjament optic poate fi utilizat pentru detectia vibratiei

Fig.3.7

- Principalul avantaj al utilizarii tehnicii de detectie optice este aceea ca ea nu poate sa interfere si sa degradeze vibratia si ca nu este dorit un aranjament integrat de detectie. 6. Excitatie si detectie magnetica

Fig.3.8.

Forta rezultanta din interactiunile intre curentul electric prin structura si campul magnetic este utilizata pentru excitarea rezonatorului. Operatia inversa excitatiei magnetice, unde vibratia unui conductor intrun camp magnetic creaza o tensiune indusa, poate fi utilizata pentru a detecta vibratia.

Pag. III. 5

Cap. III


MODELUL MATEMATIC PENTRU DETERMINAREA FRECVEN}EI DE REZONAN}| {I A SENSIBILIT|}II UNEI MICROPUN}I DIN POLISILICIU Frecven]a unui rezonator mecanic este o prob\ important\ de sensibilitate pentru parametrii care `[i modific\ poten]ialul sau energia cinetic\.. Parametrii fizici sau chimici pot fi sesiza]i prin `nc\rcarea asociat\ rezonatorului sau prin acoperirea lui cu straturi sensibile (ex: polimeri). Rezonan]a mecanic\ poate fi atinsa prin excitarea structurii `n mai multe moduri. De asemenea vibra]ia rezultat\ poate fi detectat\ `n diverse moduri. Vom analiza cazul important al excit\rii electrostatice [i detec]iei capacitive. Pentru acest caz vom utiliza un model liniar pentru a analiza r\spunsul rezonatorilor la parametrii variabili `n timp Fig. 1 ilustreaz\ un rezonator punte care vibreaz\ `n modul fundamental. Pentru un rezonator punte care vibreaz\ `n modul fundamental, deflexia vertical\ este: w(u,t) = W1(u) ejt (1)

unde W1(u) este amplitudinea fundamentalei. La mijlocul micropun]ii deci `n punctul de amplitudine maxim\, energia poten]ial\ Ep este egal\ cu energia total\ a vibra]iei. Segmentele diferen]iale ale pun]ii sunt supuse unui moment de `ndoire [i unei `nc\rc\ri axiale, ambele contribuind la energia poten]ial\ Ep:L

L

d2 W1 ( u)

L

2

EP =

~n rela]ia (2), E = Modulul lui Young I = hs3/12 = momentul de iner]ie al pun]ii de grosime s [i l\]ime h = unghiul format de segmentele diferen]iale supuse unui moment de `ndoire z = segmentul diferen]ial al pun]ii Energia cinetic\ maxim\ Ec, se ob]ine un sfert de ciclu mai tarziu, cand fiecare segment trece prin linia central\ cu o vitez\ vw (u) = 1W1(u) :2 EC = 1 2 C = m v w(u) /2 E * 2 = 1 /2L

1 / 2M du + F(z u)du = E I/2 du + du2 000

F dW1 ( u) 2 du du (2)0L 2

hsW1 ( u)du

2

(3)

= densitatea Prin legea conserv\rii energiei, prima frecven]\ de rezonan]\ este dat\ de rela]ia: 21 = EP / EC* Rezult\:Pag. III. 6

0

(4 )

Cap. III


EI d2 W1 ( u) F dW1 ( u) du du + 2 du2 du 0 2

L

L

2

2

(5)

12 = 0L12 2 hsW1 ( u)du0 O aproximare foarte bun\ se ob]ine pentru frecven]a de rezonan]\ cu rela]ia (5), `n condi]iile unor presupuneri corecte asupra formei modului de vibra]ie. Frecven]a de rezonan]\ este important\ pentru realizarea design-ului senzorilor rezonan]i. ~n general, un parametru p poate s\ perturbe energia cinetic\ sau poten]ial\ a structurii. Sensibilitatea S este definit\ ca schimbarea frac]ional\ a frecven]ei de rezonan]\ o , datorat\ schimb\rii incrementale a parametrilor, S = o-1 (do /dp ) Substituind expresia frecven]ei de rezonan]\ (16) ob]inem pentru S: S = -(1/2)(1/Eco*)(dEc*/dp)p=o(1/2)(1/Epo) (dEp/dp)p=o(6) Consider\m o micropunte de polisiliciu de grosime 1,35 m, acoperit\ cu un strat polimer de b=150nm cu proprietatea de a absorbi vaporii organici chimic compatibili, pe care o excit\m pe modul fundamental. Introdus\ `ntr-un mediu chimic activ, rezult\ o cre[tere a masei care perturb\ energia cinetic\. ~n rela]ia (6) considerand concentra]ia de vapori c, sensibilitatea devine: S = -(1/4ECO*) (df /dc) h f bW12 ( u) du0 L

(7)

b = grosimea stratului polimer h f = l\]imea stratului polimer f = densitatea stratului polimer Expresia (7) indic\ c\ S poate fi crescut\ prin cre[terea grosimii stratului polimer b, relativ la grosimea stratului de polisiliciu, care contribuie la Eco*. ~n plus, stratul polimer trebuie concentrat `n centrul pun]ii, unde W1(u) este maxim. Microrezonatorul punte este sensibil la perturba]iile energiei cinetice. Dac\ forma modului de vibra]ie nu este alterat\ prin aplicarea for]ei F [i nu exist\ o `nc\rcare static\ ini]ial\, vom ob]ine pentru sensibilitate:L dW1 ( u) du1 du 0S=22 L (8) d2 W1 ( u) EI du du2 0unei pun]i `nc\rcat\ axial este independent\ de `nc\rcarea Sensibilitatea 2

aplicat\ [i propor]ional\ cu raportul energiilor poten]iale de `ntindere [i de `ndoire.Pag. III. 7

Cap. III


EXEMPLU DE DETERMINARE A FRECVENTEI DE REZONANTA SI A SENSIBILITATIIVom alege pentru func]ia W1(u), expresia, W1(u) = A sin ( u/ L),A = amplitudinea oscila]iei L = lungimea micropun]ii Am ales aceast\ form\ a modului de vibra]ie, ]inand cont de condi]iile la limit\ (puntea este prins\ la ambele capete), decisin (0) = 0, pentru u=0 sin () =0, pentru u=L Inlocuind `n rela]ia (5) func]ia W1 , se obtine :

L

4

12 =

EI

sin du + cos du L LL2 0 L 0 L 2 1u hs sin du 2L0

L 2 2 F u u

2

(9) sau

1 =

4 L 1L F 2 L 1L sinEI++ sin 256 2 2 2 16 2 22 1L L 1 hs sin 2 22

(10)

Micropuntea a fost realizata din polisiliciu.Valorile elementelor care intervin sunt: -grosimea pun]ii s =1.0 -2.0m; -lungimea pun]ii L = 100 500 m -la]imea pun]ii h = 10 50 m. -densitatea polisiliciului = 2100 kg/m3; -modulul de elasticitate E = 1.5 1011 N/m2; -momentul de iner]ie al barei I = hs3/12

Din graficul ob]inut (Fig.2) `n care am determinat frecven]a de rezonan]\ func]ie de lungimea L [i l\]imea micropun]ii h, se constat\ c\ frecven]a de rezonan]\ este de ordinul sutelor de KHz. Restul m\rimilor din rela]ia (9) sunt constante. Varia]ia l\]imii micropuntii are o contribu]ie nesemnificativ\ asupra frecven]ei de rezonan]\ comparativ cu influen]a introdus\ de varia]ia lungimii acesteia. Frecven]a de rezonan]\ scade cu cre[terea lungimii micropun]ii. Valorile ob]inute sunt acceptabile ca ordin de m\rime din punctul de vedere al proiect\rii circuitelor de detec]ie [i sunt `n conformitate cu modelul teoretic folosit . Simularea am f\cut-o utilizand programul MATLAB.

Pag. III. 8

Cap. III


Pornind de la constatarea c\ l\]imea are o contribu]ie ne`nsemnat\ `n varia]ia frecven]ei de rezonan]\, am simulat frecven]a de rezonan]\ utilizand rela]ia (9), func]ie de varia]ia lungimii L [i a for]ei axiale aplicate F. Graficul rezultat (Fig.2) ne indic\ c\ la aceea[i lungime frecven]a de rezonan]\ cre[te cu cre[terea for]ei aplicate, iar la accea[i for]\ aplicat\ frecven]a de rezonan]\ descre[te cu cre[terea lungimii pun]ii. ~nlocuind func]ia W1(u) `n rela]ia (8), se ob]ine varia]ia sensibilit\]ii `n func]ie de lungimea micropun]ii:L

S=

1

u cos du L0 22EI

2

2L

u

(11)

sau

sin du L 0 L 2L L+ sin 2

8

(12)

S=

EI 2 L 2 sin L 2

Din graficul ob]inut (fig.3) se constat\ cre[terea sensibilit\]ii cu lungimea micropun]ii. Lungimea micropun]ii a fost aleas\ `ntre 100-500 m. Se constat\ o sc\dere a sensibilit\]ii cu cre[terea l\]imii pun]ii. Sensibilitatea este independent\ de for]a axial\, dar depinde de momentul de `ndoire. Se constat\ o bun\ sensibilitate la lungimi relativ mari (0.5 mm). Rezultatele ob]inute constituie o referin]\ important\, care au fost luate `n considerare, `n proiectarea structurii rezonatoare.

Fig.1. Rezonator punte care vibreaza pe modul fundamental

Pag. III. 9

Cap. III


Fig.2. Frecventa de rezonan]a a unei pun]i din polisiliciu, functie de lungime si latime

.Fig.3. Sensibilitatea unei pun]i din polisiliciu func]ie de dimensiuni

(lungime, latime)

Pag. III. 10

Cap. IV

Microsenzori pentru marimi mecanice bazati pe piezorezistivitate


Piezorezistivitatea este o proprietate de material exprimata prin aceea ca rezistivitatea n volum este influentata de stresul mecanic aplicat materialului. Mai multe materiale prezinta dependenta de stres prin mobilitate sau numar de purtatori de sarcina ca functie de volumul materialului. - Schimbarea volumului afecteaza diferenta de energie ntre banda de conductie si cea de valenta. Deci, numarul de purtatori si astfel rezistivitatea se schimba. - Siliciul monocristalin are o piezorezistivitate ridicata combinata cu proprietati mecanice excelente, care l fac dorit pentru conversia deformarii mecanice ntr-un semnal electric. - Siliciul este adesea utilizat ca material de baza pentru senzori piezorezistivi de presiune, debit, forta, acceleratie.

-

Avantajele folosirii siliciului ca material piezorezistiv: siliciul este un material foarte robust; rezistoarele sunt limitate la suprafata siliciului unde stresul este maxim fabricatia de serie poate profita de tehnologiile compatibile C.I. este posibila integrarea circuitelor electronice direct pe cipul senzorului pentru amplificarea semnalului si compensarea temperaturii.

Descrierea matematica a piezorezistivitatii Vom da o descriere matematica a piezorezistivitatii fara a considera natura sa fizica. Ea ncepe cu o relatie generala tridimensionala ntre curent si campul electric. Este introdusa o metoda pentru a descrie influenta stresului n aceasta relatie. - simetria retelei cristaline ne ajuta sa simplificam modelul matematic destul de complex altfel Pentru un cristal anizotrop tri-dimensional, vectorul camp electric () este legat de curentul (i) printr-un tensor de rezistivitate ( 3 x 3). 1 1 6 5 i1 = i 2 6 2 4 2 3 5 4 3 i3

(1)

Piezorezistivitatea ntr-un sistem de coordonate aliniat cu axele cristalului Siliciul si germaniul au o structura de cristal cubica. Daca axele carteziene sunt aliniate cu axele ale cristalului, atunci 1, 2 si 3 definesc dependenta campului electric n lungul uneia din axele ale cristalului de curentul n aceeasi directie. 4, 5 si 6 sunt rezistivitatile legate de campul electric din lungul unei axe de curentul din directia perpendiculara. - pentru un conductor izotrop, spre exemplu, siliciul nestresat, 1= 2= 3= si 4= 5= 6= 0 - ntr-un material piezorezistiv aceste 6 componente depind de stresul n material care poate sa fie descompus n sase componente: trei componente ale stresului normal 1, 2, 3 n lungul axelor cristalului cubic si trei componente ale stresului de forfecare 1, 2, 3 definite n figura.

Pag. IV.1

Cap. IV


Figura 1 Daca ne referim la rezistivitatile ntr-un camp izotrop nestresat, atunci putem scrie cele sase componente ale rezistivitatii: 1 1 2 2 3 3 (2) = + 4 0 4 5 0 5 0 6 6 Efectul de piezorezistenta poate fi descris prin raportarea fiecaruia din cele sase schimbari de rezistenta fractionale, i / la fiecare din cele sase componente ale stresului. Matematic, acestea conduc la o matrice de 36 coeficienti. Prin definitie, elementele acestei matrice sunt numite coeficienti de piezorezistenta ij. Pentru a defini matricea, ar trebui sa facem 36 de masuratori independente. Considerand un material cristalin, aceasta sarcina este mult simplificata. - conditiile de simetrie conduc la anumite relatii ntre diferite componente ale matricii, care reduc numarul de componente independente la mai putin de 36. - pentru un cristal cubic al siliciului si germaniului mimam trei coeficienti diferiti si matricea devine: 1 11 12 12 0 0 0 1 0 0 0 2 12 11 12 2 1 3 12 12 11 0 0 0 3 (3)= 4 0 0 0 44 0 0 1 0 0 0 0 0 44 5 2 6 0 0 0 0 0 44 3 Combinand ecuatiile (1) (2) si (3) rezulta expresia campului electric ntr-un cristal cubic sub stres.

Pag. IV.2

Cap. IV


1 = i1 + 111i1 + 12(2+3)i1 + 44(i23 + i32) 2 = i2 + 112i2+ 12(1+3)i2 + 44(i13 + i31) 3 = i3 + 113i3+ 12(1+2)i3 + 44(i12 + i21) Contributia Efectul deReflecta o comportare conductieipiezorezistentapiezorezistiva complicata constante

(4)

Acesti coeficienti sunt proprietati de material si variaza de la un material la altul. Coeficientii de piezorezistivitate pot fi pozitivi sau negativi si variaza cu concursul dopajului si a temperaturii. Dependenta de concentratia dopajului Pentru un siliciu slab dopat, probele de siliciu au un dopaj 1015cm-3. Se observa o independenta a rezistivitatii de stresul zero n directia longitudinala de masurare si se concluzioneaza ca coeficientul de piezorezistenta sunt independenti de concentratia de impuritati. Pentru concentratii de impuritati ridicate la siliciu (>1016cm-3) s-a observat o descrestere a coeficientilor de piezorezistenta.

Figura 2 Pentru motive practice, este clar ca conc. de dopare nu trebuie aleasa prea ridicata pentru a pastra coeficientul de piezorezistenta sufieint de mari. Dependenta de temperatura Calculul matematic prevede o scadere a piezorezitivitatii cu cresterea temperaturii ca n figura 3

Figura 3

Pag. IV.3

Cap. IV


La temperaturi joase n jurul lui OK, relatia este lineara cu pante 1. Altfel spus, coeficientii de piezorezistenta cresc liniar cu inversa temperaturii. S-a aratat ca pentru siliciu de tip n, linearitatea este urmata de un domeniu larg de temperatura 2000 800C. Pentru Si de tip p, relatia este valabila n domeniu 1000800C. n general orice coeficient de piezorezistenta poate fi exprimat printr-o valoare la dopaj scazut, la Tamb, un 0, multiplicat de un factor functie de N si T (N,T) = 0P(N,T) Factorul piezorezistentei P(N,T) bazat pe calcule matematice pentru siliciu de tip p, este aratat n figura 4.pt.

Figura 4. Coeficientul de piezorezistenta P(N,T) functie de conc. de impuritati si temperatura Senzori piezorezistivi Senzori tip membrana constau n: membrana din siliciu monocristalin suspendata pe un suport de siliciu; piezorezistori integrati pe membrana.

-

Figura 5 Daca se aplica o presiune, membrana se ndoaie n sens sus sau jos, inducand tractiunea sau compresia rezistorului. Rezistenta se schimba datorita acestui stres si poate fi usor masurata. Senzori de tip bara Configuratia unui accelerometru tip bara este aratata n figura 6

Figura 6 Stresul cauzat prin deflectia masei initiale sub actiunea acceleratiei este concentrat pe suprafata barei. Piezorezistoarele sunt plasate pe bara aproape de suport, unde stresul este maxim. Tehnologia de fabricatie este similara cu cea pentru membrane.Pag. IV.4

Cap. IV


Procesarea barei este mai complicata deoarece placheta de siliciu este complet corodata la un capat al barei, n timp ce pentru senzori membrana suprafata plachetei care contine piezorezistori poate fi mai usor protejata de solutia de corodare. Senzori capacitivi Senzorii capacitivi convertesc o schimbare a marimii de masurat ntr-o schimbare de capacitate. Un capacitor consta n 2 electrozi separati printr-un dielectric, schimbarea de capacitate avand loc prin miscarea unuia dintre electrozi fata de celalalt, sau prin schimbarea dielectricului ntre 2 electrozi fixi. n general, primul principiu este aplicat. Teoria despre senzorii capacitivi este simpla. Capacitatea este definita ca: s C = = permitivitatea d s = suprafata d = distanta ntre electrozi Cand un electrod este deplasat cu o distanta mica d, capacitatea se schimba prin C. Daca d post-processing step (which also must consider the type of resist covering the mask positive or negative). The final masks obtained are used in wafer fabrication in the technological laboratories or silicon foundries. To protect the master (original) masks, some copies are realized. The designer must also realize the test chip on the mask, containing the test structures and the assembly plan necessary for ICs encapsulation. Mask fabrication. On a mask there are circuit chip and test chip. The circuit chip contain the alignment and control geometry, the test geometry (n-channel and p-channel test transistor),

Lithographic Process

The final dimensions of the layout (compensations included) must be transferred exactly on the mask and this depends on the PG resolution and the mask fabrication process parameters: exposure energy, developer, etching (time, temperature). The best PG from Romania has 1 m resolution and the transfer of data is accepted with dimensional and alignment errors of + 0.1 m. Wafer fabrication. A 3" wafer contains about 100 : 1000 circuits. 8" wafers are used. Usually, in an oxidation process, about 100 : 150 wafers are processed. Advantages: this simultaneously processing goes to a lower price of the circuits and reproducibility of the parameters. Disadvantages: if the process parameters are not correct, then all the wafers can be damaged; a small yield goes to a higher price; the processes must be very well controlled. Very important are the alignment geometries, the photolithographic control geometries and the test transistors with independent pads that can be electrical tested on every chip. Lithographic process. The steps of this process are presented in fig.Resist Film Substrate

Mask Resist Film Substrate

Exposure + Developer

Film Substrate x y Fig.6

Etching + Stripper

The transfer of geometries from the mask into the resist is called lithography. The transfer from resist in the film is called etching (engraving). Relations between the circuit design and the technology of fabrication: the transfer of geometries from layout in the film is not very precisely because process errors occur; these errors must be minimized and controlled. The designers of the circuits must know the technological steps and adjust the layout with the predictable errors. Ex.: A lithographic predictable error is the dimensional variations of the geometries due to the underetching. How can we correct this? A film can be isotropic or anisotropic etched. The etching from the fig.6 is perfectly anisotropic; that means the etching rate on y-direction (ry) is great and on x-direction (rx) is "0". It is the ideal case. But in reality, rx / 0 and can be equal with ry. This is the isotropic case.


Resist Film Substrate

Resist ly Film Substrate

l x = l y ( isotropic case )l x is the underetching l y is the thickness of the film

L

lx Fig.7

The wet etching of oxides and metals is isotropic. Practical, the underetching is determined by precise measurements of the dimensions. Ex.: We measure the channel of the test transistor on the same 9 chips of every wafer from 25 wafers after developer and etching. Statistically we can determine the underetching of a thermal oxide of 6000 , etched in BHF 10:1 at 35C. If A is the anisotropic degree, then: r A def 1 - x , where rx is the horizontal etching rate and ry is the vertical etching rate. ry r x = r y => A = 0 => isotropic process r x = 0 => A = 1 => ideal anisotropy A high degree of anisotropy can be obtained by dry etching (plasma etching). The degree of anisotropy depends on the plasma machine and of the process parameters. The underetching must be considered from the layout design step. Dimensional compensations are introduced in every mask layout considering the underetching of the specific layers. Ex.:

l d

l = line d = underetching

tc = 6'30" => d = 0.6 lf = 7 ld = 8.2 = lf + 2d ld = dimension on the layout lf = the final line need

xOx = 6000

The layout dimensions = the real need dimension + the dimension due to the underetching + the tolerance of mask realization.


The compensations affect the density of integration. For the small dimensions these are very critical, so the configuration of small geometries need a high degree of anisotropy. Selectivity. We supposed, in the discussion before, that the substrate and the resist mask are not etched. Practical, the resist and the substrate have a finite etch rate. the etch rate of the film The selectivity of the etching process the etch rate of another film = To consider the etching of a "h" thickness film: h = difference % ( 0 < h < 1 ) - the maximum thickness: h(1+h) - the minimum thickness: h(1-h) We assume the etch rate U has the variations: U(1-) , U(1+) , ( 0 < < 1 ) h (1 + h ) The etching time: t c = U (1 ) tCtotal

=

h (1 +

h

U (1 ) D c = a fraction of the etching time resulting an overetch. During the film etching, the resist mask is etched too:Before etching Layer x y

) (1 + D c ) (*)

to be sure the film is etched

After etching

If the maximum etch rates of the resist layer on y and x are U mask is narrower (smaller) at every edge by the value:

ry and

U

rx ,

the resist

Wr = U ry ctg + U rx t t c 2 = angle which specifies the profile of the resist edge.Considering the following expression results: (**) rx(1 + D c ) Wr = 2h If U ry =U r(1+) , rwhere: U ry is the vertical etch rate of the resist, U r is the average U1 r U y etch rate of the resist and r is an uniformity factor, then the selectivity of the film etching compared with the resist mask is:ry 1

(

)

U

+U h ctg +


Sr =

U U ry

and

U U

rx ry

= 1 Ar

(***) ,

where Ar is the anisotropy of the resist etching. From (**) (***) => S r = 2hFr [ctg + (1 A Wrr

)]

, where

1 + h Fr = (1 + D c )(1 + r ) is the uniformity factor that describes the most defavorable 1 case of coincidence of different non-uniformities.50

40

30

Sr Sr20

10

0 0 2 4

h W rh/DWr

6

8

10

If the thickness of the layer would be perfectly uniform and the etching rate also, (h = = 0), and no etching over time (Dc = 0), then the selectivity compared with the substrate is not important. But this case is not possible.Material left on the step edge

HSubstrate

hSubstrate

Before etching

After etching

For a step of H height and a perfectly anisotropic etching (A=1), the etching must be increased with a fraction Dc=H/h after the removing of the layer from the plane (flat) regions. This H/h ratio must constitute de minimum value of the uniformity factor Fr.

Silicon Technology

CMOS Technology

III. CMOS TECHNOLOGY CMOS technology employs both NMOS and PMOS transistors to form the logic elements. The advantage of this technology is that the particular logic elements only draw significant current during the transition from one state to another, but draw very little current between transitions, allowing power consumption to be minimized. The circuit diagram of a CMOS inverter is illustrated in fig.a. The cross section of the inverter structure fig.b shown the n-channel transistor formed in a p-region called tub or well. The p-channel transistor is formed in the n-substrate.Vi VO VSSp+

VDDS+

G n

+

D

D+

G p

S+

n

p

n

+

p-well

n-channel

p-channel

n

The gates of the transistors are connected to form the input. Fabrication process sequence. For ex. The CMOS-Al gate technology is chosen. The overview and the cross-section of the CMOS standard Al-gate device are presented in fig.(8.25). Summary of the process: 1. wafers:n-type , 57 cm , 81014 cm-2 (impurity concentration) threshold voltages: 1.5 V for p-channel transistors +1.5 V for n-channel transistors 1000 MOS oxide 81014 cm-2 (impurity concentration for p) 51015 cm-2 (impurity concentration for n) 2. Oxidation (8000 ) 3. p-well configuration (mask M1) 4. Implantation (B+) and Diffusion (810 junction): 2.31013 cm-2 at 100 KeV 5. Source-Drain n-transistor configuration (mask M2) 6. Implantation (P-) and Diffusion 7. Source-Drain p-transistor configuration (mask M3) and protection rings 8. Boron deposition and Diffusion 9. Photolithography (mask M4) depth junction of n-transistors and protection rings for p-transistors 10. Phosphorus deposition

Silicon Technology

CMOS Technology

11. 12. 13. 14. 15. 16. 17.

CVD oxide deposition CVD oxide configuration (mask M5) MOS oxide growth Photolithography (mask M6) contacts Aluminum deposition Aluminum configuration (mask M7) PSG deposition and pads configuration (mask M8)

The protection rings are necessary to capture the minor carriers and to reduce the sensibility at the thyristor parasitic effect. The disadvantage of the stop diffusion is the increase of the area and the decrease of the integration density. The design rules consider all these protection geometries.

Date post:	18-Jul-2015
Category:	Documents
Upload:	ene-oana
View:	138 times
Download:	3 times

Micro Senzo Ri

Documents