Post on 22-Sep-2020
DESENVOLVIMENTO DE SENSORES PIEZORESISTIVOS
Prof. Dr. Marcos MassiLaboratório de Plasmas e Processos Instituto Tecnológico de Aeronáutica – São José dos Campos - Brasilmassi@ita.br
Dias de la Ciencia AplicadaSeptiembre , 2011 – Medellin - Colombia
SUMÁRIO
Tecnologia MEMS (conceito, histórico e aplicações)
MEMS e Circuitos Integrados (CI´s)
Etapas de desenvolvimento de sensores MEMS
Principais mecanismos de transdução usados emMEMS
Vantagens e limitações do uso de Si
Ambientes Agressivos
Principais materiais para desenvolvimento desensores MEMS para aplicações em ambientesagressivos
Desenvolvimento de um sensor de pressão piezoresistivos de SiC
Tecnologia MEMS (Micro-Electro-Mechanical
Systems)
Integração de elementos mecânicos e eletrônicos em
um único “chip”.
Também conhecida como MST – “Microsystems Technology”(Europa) e “Micromachines” ou “Smart Sensors” (Japão)
Escala e Dimensões
Tecnologias envolvidas e aplicações
típicas
Vantagens da tecnologia MEMS
Miniaturização : tamanho e peso reduzidos;
Baixo custo de fabricação: produção em grandeescala com processos de fabricação bemestabelecidos;
Reprodutibilidade e confiabilidade;
Flexibilidade de projeto: soluçõespersonalizadas e integração com eletrônica.
Histórico da tecnologia MEMS
1948 Transistor (J. Bardeen,W.H. Brattain, W. Shockley)
1954 Efeito Piezoresistivo em Si eGe (C.S. Smith)
1958 Primeiro circuito integrado(IC) comercial (J.S. Kilby)
1962 Piezoatuadores integradosde Si (O.N. Tufte et al.)
1971 A Intel desenvolveu oprocessador 4004 com 200transistores
1982 K. Petersen introduz oconceito do silício como materialmecânico.
Histórico da tecnologia MEMS
1983 1º sensor de pressão de Sicomercial (Honeywell)
1985-1992 Intensificação nosestudos de fabricação de sensores
1994 Ampla disponibilidadecomercial de sensores de pressão eacelerômetros
2000 “Kulite Semiconductor”começa a produzir sensores depressão de SiC (substrato)
2002 A Universidade de Berlim emparceria com a Daimler Benzdesenvolve um protótipo de sensorde pressão baseado em filme de3C-SiC.
Estágio atual da tecnologia MEMS
baseada em Si
Tecnologia consolidada e amadurecida com mercado crescente.Movimentou US$ 70 bilhões em 2007.
(fonte “The Economist”, Janeiro 2008)
Estágio atual da tecnologia MEMS
Principais mecanismos de
transdução utilizados em MEMS
T
r
a
n
s
d
u
t
o
r
M
E
M
S
Entrada
P.Ex.:
Tensão mecânica
1. Variação de resistividade
(Efeito Piezoresistivo)
2. Variação de potencial
(Efeito Piezelétrico)
3. Variação de capacitância
(Efeito Capacitivo)
Saída
Por que usar Si para fabricar MEMS?
Propriedades mecânicas e elétricas já são bemconhecidas;
A tecnologia de CI’s foi toda desenvolvida para o Si,ou seja, as técnicas de processamento estãoconsolidadas;
Disponibilidade de substratos comerciais com altapureza (99.999%) e grandes diâmetros (até 12 pol.);
É possível integrar eletrônica;
Ampla faixa de resistividade 230k.cm (intrínseco) epode chegar a 0.5 m.cm (altamente dopado);
A temperatura ambiente e até 125ºC dispositivoseletrônicos baseados em Si apresentam desempenhosuperior aos baseados em outros materiais.
MEMS E CIRCUITOS INTEGRADOS (CI´s)
Os sensores MEMS são constituídos por estruturas 3D
suspensas ( vigas, membranas.....).
Tecnologia de fabricação
De CI´s (estruturas 2D)
Tecnologia MEMS
(estruturas 3D)
Microusinagem
(“Micromachining’)
Alguns softwares usados para auxiliar o
desenvolvimento de sensores MEMS
Projeto: Cadence, Spice, Matlab .......
Simulação: ANSYS, COMSOL, NASTRAN....
Processo de fabricação: SUPREM, COVENTOR....
Etapas de desenvolvimento de
Sensores MEMS
Projeto: dimensionar o sensorpara uma determinada aplicação
Análise do projeto: modelagem e simulação do sensor
Confeccionar máscaras litográficase definir seqüência de fabricação
Processos de microfabricação
EncapsulamentoTeste do sensor
Quando não utilizar Si como material
base para MEMS?
Ambientes AgressivosSão ambientes extremos de temperatura,
pressão, radiação e ataque químico.
Ambientes Agressivos
Principais aplicações que necessitam de sensores capazes
de operar nesses ambientes:
Aplicações terrestresAutomotivas: monitoramento da
combustão do motor;
Aeronáuticas: diversas aplicaçõesna turbina a gás;
Petroquímicas: Exploração depetróleo combinação altatemperatura, alta pressão epresença de fluídos corrosivos;
Aplicações espaciais
Principais materiais para desenvolvimento de
sensores MEMS para aplicações em
ambientes agressivos
SiC
AlN
Si3N4
Óxidos semicondutores (ZnO, TiO2, SiO2, ITO ....)
DLC (~até 300ºC)
É melhor usar filme fino ou substrato
(“bulk”)?
Os substratos de SiC, AlN, ZnO disponíveis
comercialmente tem diâmetro de no máximo 3 pol. comcusto ~15x maior que o wafer de Si;
Os processos de corrosão e metalização ainda não estãoconsolidados;
Desvantagens do substrato
Desvantagens do filme fino
•Difícil reprodutibilidade;
•Propriedades elétricas e mecânicas inferiores as dosubstrato.
DESENVOLVIMENTO DE UM SENSOR
DE PRESSÃO PIEZORESISTIVO
DE CARBETO DE SILÍCIO
Objetivos
• Síntese, dopagem, caracterização e corrosão de
filmes de SiC
• Estudo das propriedades piezoresistivas de filmes
de SiC produzidos
• Fabricação e caracterização de um protótipo
Por que usar o carbeto de silício (SiC) ?
Excelente estabilidade térmica e química;
Excelentes propriedades mecânicas;
Compatibilidade com os processos de
microfabricação baseados em silício.
Técnicas para obtenção do filme de SiC
PECVD e sputtering
Processo Vantagens Desvantagens
PECVD baixa temperatura
alta taxa de deposição
boa adesão filme /substrato
geralmente, os filmes não são
estequiométricos
há incorporação de
subprodutos da reação H, N e O .
Sputtering Melhor controle da
composição do filme
boa adesão filme / substrato
alta taxa de deposição
baixa uniformidade
Desafios:
• Tamanho dos substratos• Alta densidade de defeitos
• Preço do substrato
Métodos utilizados para dopagem de
filmes de SiC
Dopagem in situtipo N : adição dos gases N2 ou PH3
tipo P: adição do gás B2H6
Implantação iônicatipo P: implantação de Al ou Btipo N: implantação de N ou P
Difusão térmica tipo P: difusão de Al
Etapas de processamento para fabricação de
dispositivos baseados em SiC
Oxidação Óxido nativo é o SiO2
Corrosão
• Resistente a corrosão úmida em soluçõescomo KOH ou HF• Corrosão por plasma utilizando gases fluorados
MetalizaçãoMetais mais utilizados: Al ou Au
depositados sobre Ti
Materiais e Métodos –
Deposição de filmes de SiC por PECVD
Substrato: Si (100) tipo –P
Limpeza: RCA
Parâmetros de deposição constantes:
Fluxo de CH4: 20 sccm
Fluxo de Ar : 20 sccm
Tempo: 20 min
Pressão: 0,2 Torr
Amostra Fluxo de SiH4
(sccm)
Fluxo de N2
(sccm)
P1 1 -
P2 2 -
P3 3 -
P4 4 -
P5 4 2
Materiais e Métodos –
Deposição de filmes de SiC por sputtering
Alvo: SiC (99,5% de pureza)
Substrato: Si (100) tipo-P
Limpeza: RCA
Fluxo de Ar : 7 sccm
Potência: 200W
Tempo: 120 min
Amostra Fluxo de N2
(sccm)
M0 -
M1 0,7
M2 1,4
M3 2,1
M4 2,8
M5 3,5
Materiais e Métodos –
Processo de Recozimento Térmico
Temperatura: 1000ºC
Ambiente: Argônio
Tempo: 1h
Materiais e Métodos –
Corrosão RIE dos filmes de SiC
Parâmetro Valor
Temperatura do
substrato (ºC)
20
Pressão (mTorr) 25
Potência (W) 50
Tempo (min.) 3
Fluxo total dos
gases (sccm)
12
Concentração
de O2 (%)
20 ou 80
SF6 + O2
Materiais e Métodos –
Fabricação de resistores de SiC
Materiais e Métodos –
Fabricação de resistores de SiC
Materiais e Métodos – Caracterização
elétrica dos resistores de SiC fabricados
Materiais e Métodos –
Caracterização piezoresistiva dos resistores de SiC
Dimensões da viga: 120 mm x 25 mm x 1,2 mm
Procedimento experimental:
- A resistência do resistor sem tensão mecânica aplicada (R0) foi medida;
- Um bloco com massa de 20 g foi colocado na extremidade livre da viga.
- A resistência do resistor (Rf) quando a viga está submetida a essa tensão mecânica foi medida;
- Determinou-se a variação da resistência elétrica R/R;
- O procedimento foi repetido para blocos com 40, 60, 80 e 100g.
Materiais e Métodos –
Caracterização piezoresistiva dos resistores de SiC
Resultados e Discussões – Caracterização
dos filmes de SiC depositados por PECVD
Amostra Fluxo SiH4
(sccm)
Si (at. %)
C(at. %)
O(at. %)
P1 1 9,0 82,0 5,0
P2 2 14,0 86,0 4,5
P3 3 18,0 73,0 5,0
P4 4 25,0 68,0 4,8
Composição Taxa de deposição
Amostra P5 (dopada): 31% de Si, 56% de C, 7% de N e 3% de O
Resultados e Discussões – Caracterização
dos filmes de SiC depositados por PECVD
Ligações Químicas – Espectros XRD
Antes do recozimento Após recozimento
Resultados e Discussões – Caracterização
dos filmes de SiC depositados por PECVD
Amostra Espessura
(nm)
Resistividade
(.cm)
P1 500 12,5
P2 580 10,4
P3 640 12,8
P4 720 12,3
P5 480 1,3 x10-2
Resistividade Módulo de Elasticidade
Resultados e Discussões – Caracterização
dos filmes de SiC depositados por PECVD
Taxa de corrosão
(nm /min)
Concentraçãode O2 na mistura
Filme como
depositado
Após recozimento
20 145,0 30,0
80 160,0 12,5
* Amostra P4
Resultados e Discussões – Caracterização dos
filmes de SiC depositados por sputtering
N2/Ar Amostra Si
(%)
C
(%)
N
(%)
O
(%)
0 M0 48 48 - 2
0,1 M1 28 24 46 1,5
0,2 M2 28 22 48 1,5
0,3 M3 27 20 51 2
0,4 M4 27 18 52 2
0,5 M5 25 20 53 1,5
Composição Taxa de deposição
Resultados e Discussões – Caracterização dos
filmes de SiC depositados por RF magnetron
sputtering
Ligações Químicas – Espectros XRD
Antes do recozimento Após recozimento
Resultados e Discussões – Caracterização dos
filmes de SiC depositados por RF magnetron
sputtering
Amostra Espessura
(nm)
Resistividade
(M.cm)
M0 816 0,25
M1 756 2,27
M2 608 4,87
M3 577 2,9
Resistividade Módulo de Elasticidade
* Após recozimento
Resultados e Discussões – Comparação entre
as propriedades dos filmes obtidos com os
apresentados na literatura
Este trabalho Literatura
a-SixCy a-SixCy
tipo N
a-SiC a-SiCxNy 3C-SiC a-SiC:H a-C:H
Técnica de
deposição PECVD PECVD sputtering sputtering CVD PECVD PECVD
Estrutura amorfa amorfa amorfa amorfa cristalina amorfa amorfa
Módulo de
elasticidade
(GPa) 72 a 65 57 17 28 a 88 359,5 150
21,5
a
26
Resistividade
(.cm)
12,5
a
10,4
1,3 x 10-2 0,25 x 106
2,27x 106
a
4,87x 106
0,18 1 x 103 1,8 x 106
Resultados e Discussões – Caracterização
elétrica dos resistores de SiC fabricadosAmostra P4
Resultados e Discussões – Caracterização
elétrica dos resistores de SiC fabricadosAmostra P5
Resultados e Discussões – Caracterização
piezoresistiva dos resistores de SiC
Variação da resistência elétrica Coeficiente Piezoresistivo
Desenvolvimento de um Sensor de Pressão
Piezoresistivo – Estrutura propostaPressão aplicada
Diafragma de Si
Piezoresistores de SiC
Ponte de Wheatstone
Tensão de saída
Desenvolvimento de um Sensor de Pressão
Piezoresistivo – Dimensionamento do
Diafragma
Dimensões otimizadas: 1800 x 1800 x 30 µm
Ldm = 2500 x 2500 µm
Desenvolvimento de um Sensor de Pressão
Piezoresistivo – Dimensionamento dos Piezoresistores
O comprimento do piezoresistor ( Lr), a
largura do piezoresistor (W) e a distância
entre a borda e o piezoresistor (d) são as
variáveis do projeto, pois a espessura do
piezoresistor é a espessura do filme de SiC;
O valor de Lr deve ser o menor possível
para que os piezoresistores perpendiculares
às bordas não fiquem próximos ao centro do
diafragma que é a região de mínimo stress;
As máscaras que serão utilizadas para
fabricação do sensor serão impressas em
fotolitos, então, o comprimento e a largura
do resistor devem ser maiores que 50 m;
Desenvolvimento de um Sensor de Pressão
Piezoresistivo – Projeto das Máscaras
Desenvolvimento de um Sensor de Pressão
Piezoresistivo – Etapas de Fabricação
Desenvolvimento de um Sensor de Pressão
Piezoresistivo – Imagens MEV
Desenvolvimento de um Sensor de Pressão
Piezoresistivo – Encapsulamento
Desenvolvimento de um Sensor de Pressão
Piezoresistivo – Fotografias do sensor
Desenvolvimento de um Sensor de Pressão
Piezoresistivo – Fotografias do sensor
Desenvolvimento de um Sensor de Pressão
Piezoresistivo – Teste
Desenvolvimento de um Sensor de Pressão
Piezoresistivo – Caracterização
Conclusões
Filmes produzidos
• Os filmes depositados são compostos não-estequiométricos de Si e C (SixCy);
• O processo de dopagem “in situ” por adição de N2 foi eficiente;
• Os espectros XRD mostraram que os filmes apresentam baixo grau de cristalização.
PECVDSputtering
• O filme depositado sem N2 é um
composto estequiométrico SiC;• O processo de dopagem “in situ” foiineficiente, pois promoveu a formação de filmes SiCxNy;• Baixo grau de cristalização• Alta resistividade e baixo módulo de elasticidade
Conclusões
Protótipo de sensor de pressão de SiC desenvolvido
Principal diferencial piezoresistoresfabricados em filme amorfo de SiC
Boa sensibilidade ~2,7 mV/psi
Problemas de repetibilidade
Trabalhos Futuros
Caracterização do protótipo desenvolvidoem altas temperaturas.
Aprimoramento das etapas de fabricaçãoe encapsulamento do sensor.
Otimização dos processos de deposiçãodos filmes.
Aplicação dos filmes de SiC produzidosem outros tipos de dispositivos.
Agradecimentos
Gracias !