Instituto Nacional de Astrofísica, Óptica y Electrónica · fabricación de circuitos integrados...
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Instituto Nacional de Astrofísica, Óptica y Electrónica Tesis “Desarrollo del Proceso de Fabricación PolyMEMS – INAOE” Por: José Andrés Alanís Navarro Tesis sometida como requisito parcial para obtener el grado de Maestría en Ciencias en la especialidad de Electrónica en el Instituto Nacional de Astrofísica, Óptica y Electrónica. Supervisada por: Dr. Wilfrido Calleja Arriaga © INAOE 2008 Derechos Reservados El autor otorga al INAOE el permiso de reproducir y distribuir copias de esta tesis en su totalidad o en partes.
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Instituto Nacional de Astrofísica,
Óptica y Electrónica
Tesis
“Desarrollo del Proceso de Fabricación
PolyMEMS – INAOE”
Por:
José Andrés Alanís Navarro
Tesis sometida como requisito parcial para obtener el grado de
Maestría en Ciencias en la especialidad de Electrónica
en el Instituto Nacional de Astrofísica, Óptica y Electrónica.
Supervisada por:
Dr. Wilfrido Calleja Arriaga
© INAOE 2008
Derechos Reservados
El autor otorga al INAOE el permiso de reproducir y
distribuir copias de esta tesis en su totalidad o en partes.
i
Resumen
En la actualidad existe una gran variedad de técnicas de fabricación de
microestructuras (MS) para su aplicación en sistemas microelectromecánicos
(MEMS), dentro de las que destaca la técnica de Micromaquinado Superficial. La
principal ventaja de esta técnica es su compatibilidad con procesos estándar de
fabricación de circuitos integrados (CI’s): CMOS, Bipolar o BiCMOS; es decir, se
pueden utilizar materiales depositados física y químicamente (PVD & CVD),
litografía óptica de contacto, y técnicas de grabado húmedo y seco, técnicas
comúnmente utilizadas en las tecnologías de fabricación de CI’s; adicionalmente,
permite una integración monolítica CI’s – MEMS; al fabricar la parte mecánica
antes que la electrónica de control (Pre-Proceso); ambas partes simultáneamente
(Intra-proceso); o al fabricar la parte mecánica después de la electrónica de
control (Post-Proceso). No obstante, para la fabricación de MS se requiere de un
estricto control sobre las propiedades eléctricas y mecánicas de los materiales:
resistividad eléctrica, esfuerzos y gradientes de esfuerzo residuales en los
materiales, etc., el cual es fundamental para obtener un alto rendimiento en las
microestructuras fabricadas.
El presente trabajo de tesis tiene por objetivo caracterizar un proceso de
fabricación de microestructuras de silicio policristalino (poly-Si), denominado
PolyMEMS – INAOE, mediante el circuito (chip) de pruebas PolyMEMS III. La
caracterización del proceso PolyMEMS se realiza utilizando la infraestructura
(instalaciones, material y equipo) del Laboratorio de Microelectrónica (LM) del
INAOE, lo que a su vez permitirá una compatibilidad de integración monolítica
intra-proceso CMOS – MEMS futura.
ii
Abstract
At present, there exists a great variety of microstructures fabrication
techniques for Microelectromechanical Systems (MEMS) applications, in which
Surface Micromachining is the most accepted. The first advantage of this
technique is the fabrication compatibility with integrated circuit (IC) fabrication
technologies: like CMOS, Bipolar or BiCMOS. It is possible to use chemical &
physical vapour deposited (CVD & PVD) materials, contact photolithography, dry
& wet etching techniques; techniques that are often employed in IC’s fabrications
technologies. In addition, surface micromachining techniques permits a
monolithic integration IC’s – MEMS; in which mechanical elements are first
fabricated, and then circuitry, pre-process integration; in which both parts are
fabricated simultaneously, intra-process integration; and finally, in which the
circuitry are first fabricated, and then mechanical elements, post-process
integration. However, Microsystems fabrication requires a careful control in the
electrical and mechanical properties of structural materials: like electrical
resistivity, stress and stress gradients, to obtain a high yield of the fabricated
microstructures.
The objective of present thesis work is to characterize a fabrication process
to obtain microstructures of polycrystalline silicon (poly-Si), namely PolyMEMS
– INAOE process, through the PolyMEMS III layout, previously designed.
Characterization process is developed in the microelectronic laboratory
infrastructure, at INAOE, in order to achieve a future monolithic intra – process
integration (PolyMEMS – ECMOS).
iii
Motivación & Justificación
En la actualidad existen procesos comerciales para la fabricación de
estructuras mediante micromaquinado superficial en base a poly-Si para
aplicaciones en MEMS, entre los cuales destacan: el proceso PolyMUMPSTM (de
la compañía MESCAP, www.memscap.com) y el proceso SUMMiTTM (de los
Laboratorios Sandia, http://mems.sandia.gov/).
Actualmente no existe un proceso de fabricación estándar de
microestructuras en el LM del INAOE; incluso a nivel nacional no existe
institución pública o privada que ofrezca servicios de fabricación de
microestructuras para aplicaciones en MEMS, por lo que universidades e
institutos de investigación nacionales, inclusive internacionales solicitan estos
servicios a diversas empresas norteamericanas y europeas principalmente.
Asimismo, en el Laboratorio de Microelectrónica del INAOE se han estudiado las
propiedades eléctricas y ópticas de los materiales (e.g., poly-Si, Si3N4…), mas no
se ha realizado estudio alguno sobre sus propiedades mecánicas, las cuales son de
vital importancia para el óptimo funcionamiento ya sea dinámico o estático, de las
estructuras.
Se busca que mediante la infraestructura del LM del INAOE, se tenga la
capacidad de fabricar una amplia variedad de microestructuras de silicio
policristalino para aplicaciones en MEMS, lo que a su vez permitirá establecer las
bases de un proceso de fabricación de microestructuras con base a
micromaquinado superficial para el Laboratorio de Innovación en MEMS
(LIMEMS) del INAOE, en el cual se pretende utilizar una tecnología híbrida de
fabricación de microestructuras: micromaquinado superficial y micromaquinado
de volumen.
iv
Dedicatoria:
A mi familia: Angelina, Andrés, Claudia, Sarahí, Susana y Mireya.
Agradecimientos
Al Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología, por la beca otorgada para
la realización de mis estudios de Maestría.
A mi asesor de tesis, Dr. Wilfrido Calleja Arriaga.
A la Dra. Claudia Reyes Betanzo, por sus comentarios y su apoyo en el
desarrollo de una parte experimental de mi trabajo.
Al personal técnico del Laboratorio de Microelectrónica del INAOE,
especialmente a Mauro Landa y Pablo Alarcón.
A Karim Monfil, por las mediciones en el microscopio de fuerza atómica.
Un agradecimiento especial a mis sinodales (por sus valiosos
comentarios):
Mónico Linares Aranda
Laura A. Oropeza Ramos
Pedro Rosales Quintero
Alfonso Torres Jácome
Carlos Zúñiga Islas
v
Contenido
Resumen ......................................................................................................................... i
Abstract ......................................................................................................................... ii
Motivación & Justificación ............................................................................................ iii
Dedicatoria & Agradecimientos ..................................................................................... iv
Índice .............................................................................................................................. v
Organización de la tesis ................................................................................................. viii
Lista de Abreviaturas ....................................................................................................... ix
Lista de Símbolos ............................................................................................................. x
Índice
Capítulo 1: Introducción a los Microsistemas
1.1 Introducción a los Sistemas Microelectromecánicos (MEMS) .................... 1
1.2 Materiales para microsistemas ....................................................................... 3
1.3 Efectos físicos en tecnología de microsistemas ................................................. 5
1.3.1 Efecto electrostático ......................................................................................... 5
1.3.2 Efecto electrotérmico ..................................................................................... 8
1.3.2.1 Efecto electrotérmico Joule .......................................................................... 9
1.3.3 Actuadores electrotérmicos de polisilicio ..................................................... 10
1.3.3.1 Actuador electrotérmico STA ................................................................... 10
1.3.3.2 Actuador electrotérmico TIM ................................................................... 12
1.4 Tecnología de fabricación de MEMS ................................................................ 13
1.4.1 Micromaquinado superficial .......................................................................... 13
1.4.2 Liberación mecánica de las estructuras ........................................................ 15
1.4.3 Proceso PolyMUMPsTM .................................................................................. 17
1.5 Resumen .............................................................................................................. 19
Referencias ..................................................................................................................... 19
vi
Capítulo 2: Proceso de Fabricación PolyMEMS – INAOE
2.1 Introducción ....................................................................................................... 21
2.2 Proceso de fabricación PolyMEMS – INAOE ................................................. 22
2.3 Descripción del circuito PolyMEMS III ........................................................ 27
2.4 Proceso de liberación mecánica ....................................................................... 28
2.4.1 Modelo químico de grabado .......................................................................... 28
2.4.2 Colapso de la microestructuras ....................................................................... 31
2.4.2.1 Tensiones superficiales .................................................................................. 34
2.4.3 Alternativas para el grabado de PSG: HF versus NH4F ............................ 37
2.5 Resumen .............................................................................................................. 39
Referencias ..................................................................................................................... 40
Capítulo 3: Propiedades Mecánicas del Polisilicio
3.1 Introducción a las propiedades mecánicas del polisilicio ............................... 43
3.2 Esfuerzos residuales intrínsecos ....................................................................... 45
3.3 Gradientes de esfuerzo residuales intrínsecos ................................................. 47
3.4 Influencia de los esfuerzos y gradientes en microsistemas ............................ 50
3.4.1 Influencia de los esfuerzos de compresión ..................................................... 50
3.4.2 Influencia de los gradientes de esfuerzo ........................................................ 52
3.5 Resumen .............................................................................................................. 53
Referencias ..................................................................................................................... 54
Capítulo 4: Resultados Experimentales
4.1 Introducción ....................................................................................................... 57
4.2 Fotolitografía de 5µm ......................................................................................... 58
4.3 Análisis del grabado del poly-Si ....................................................................... 60
4.4 Análisis de la morfología de las microestructuras .......................................... 62
4.4.1 Rugosidad de las películas de poly-Si ............................................................ 65
4.4.1.1 Caracterización cualitativa .......................................................................... 65
4.4.1.2 Caracterización cuantitativa ....................................................................... 66
4.5 Proceso de liberación mecánica de las estructuras .......................................... 69
vii
4.5.1 Alternativas para el grabado del PSG ........................................................ 70
4.5.2 Alternativas para el secado de las estructuras .............................................. 72
4.6 Caracterización mecánica de las microestructuras ...................................... 75
4.6.1 Esfuerzos residuales intrínsecos ................................................................... 76
4.6.2 Gradientes de esfuerzo residuales intrínsecos .............................................. 77
4.7 Caracterización eléctrica de las microestructuras .......................................... 79
4.8 Microestructuras suspendidas .......................................................................... 82
4.8.1 Análisis cualitativo de la rugosidad de los bordes (LER) ............................ 82
4.8.2 Alternativas para el secado de las estructuras .............................................. 83
4.9 Resumen .............................................................................................................. 86
Referencias ..................................................................................................................... 87
Capítulo 5: Conclusiones & Trabajo Futuro
5.1 Conclusiones ....................................................................................................... 89
5.2 Trabajo Futuro .................................................................................................... 91
Apéndice A ...................................................................................................................... 93
viii
Organización de la Tesis
En el Capítulo 1 se hace una breve revisión sobre los sistemas
microelectromecánicos (MEMS), en donde se abordan temas relacionados con su
fabricación y principios de operación; se hace una breve descripción de algunos
materiales utilizados en esta tecnología y se comentan algunas aplicaciones
comerciales de microestructuras obtenidas mediante micromaquinado superficial.
En el Capítulo 2 se describe el proceso de fabricación PolyMEMS; los métodos de
depósito y utilidad de cada material; los ciclos térmicos involucrados durante todo
el proceso; se resalta la importancia del proceso de liberación mecánica de las
estructuras; se realiza una revisión de las principales causas de colapso de las
microestructuras en los procesos desarrollados por micromaquinado superficial,
los cuales tienen efectos catastróficos en el rendimiento de las microestructuras
fabricadas. En el Capítulo 3 se hace una revisión de las propiedades mecánicas del
poly-Si; se describen los esfuerzos y gradientes de esfuerzo residuales y su
influencia en el funcionamiento (estático o dinámico) de las microestructuras,
como factores críticos a controlar en un proceso de micromaquinado superficial,
como lo es el proceso PolyMEMS – INAOE; finalmente se comenta la
importancia de la relación de las propiedades mecánicas con la secuencia de los
ciclos térmicos del proceso. En el Capítulo 4 se presentan los resultados
experimentales de los procesos de fabricación investigados, los cuales se dividen
en: i) litografía, en donde se muestran resultados sobre la obtención sistemática de
patrones con dimensiones mínimas de 5µm; ii) morfología y rugosidad; en esta
sección se muestran resultados obtenidos de un análisis de rugosidad sobre las
películas de poly-Si, y su influencia en sus propiedades mecánicas; iii) proceso de
liberación mecánica de las estructuras, en donde se utilizaron alternativas para su
implementación, en función de la capacidad de infraestructura del LM del
INAOE; iv) caracterización mecánica y eléctrica de las estructuras fabricadas; y
finalmente, v) se presentan imágenes de algunas estructuras suspendidas como
resultado del proceso de fabricación PolyMEMS – INAOE. En el Capítulo 5 se
concluyen los resultados del presente trabajo, así como el establecimiento del
trabajo futuro.
ix
Lista de Abreviaturas
APCVD CVD a presión atmosférica
a-Si Silicio amorfo
BHF Solución buffer de HF para grabar SiO2
BioMEMS MEMS para aplicaciones en medicina y biología
BOE Solución buffer para grabar óxido
BPSG Vidrio de borofosfosilicato
CMP Pulido mecánico químico
c-Si Silicio monocristalino
CVD Depósito químico en fase vapor
LER Rugosidad de los bordes
LPCVD CVD a baja presión
MEMS Sistemas microelectromecánicos
MOEMS MEMS para aplicaciones ópticas
MS Microsistemas
MST Tecnología de microsistemas
NEMS Sistemas nanoelectromecánicos
OTS Octadecyltrichlorosilane
PDMS Polydimethylsiloxane
PECVD CVD asistido por plasma
poly-Ge Germanio policristalino
poly-Si Silicio policristalino
poly-Si n+ Silicio policristalino dopado hasta la degeneración
poly-SiO2 Dióxido de poly-Si
PSG Vidrio de fosfosilicato
PTFE Teflón
PVD Depósito físico en fase vapor
RFMEMS MEMS para aplicaciones en radio frecuencia
RH Solución Riedel de Haen (CH3COOH:NH4F:H2O) 33%
RPSG Reflujo del PSG
SAM Self-Assembled Monolayers
SEM Microscopio electrónico de barrido
STA Actuador de dos brazos
TIM Actuador electrotérmico
RIE Grabado iónico reactivo
AFM Microscopio de fuerza atómica
LM Laboratorio de Microelectrónica
x
Lista de Símbolos
A Área de las placas paralelas [m2] R Resistencia eléctrica [Ω]
AC Área de la sección transversal del brazo frío [µm2] r Radio de curvatura [µm]
AH Área de la sección transversal del brazo caliente [µm2] R Resistencia laminar [Ω/]
Al Aluminio RAl Razón de grabado del aluminio [nm/min]
Au Oro Ri Razón de grabado del material aislante [Ǻ/min]
C Capacitancia [F] RL Razón de grabado lateral [Ǻ/min]
CF4 Tetrafluoruro de carbono (Freon) Rm Razón de grabado del enmascarante [Ǻ/min]
Cr Cromo RPSG Razón de grabado del PSG [nm/min]
d Separación entre placas paralelas [µm] Rrms Rugosidad rms (valor medio cuadrático) [nm]
E Módulo de elasticidad o Young [Pa] RS Razón de grabado del mat. de sacrificio [nm/min]
Eel Campo eléctrico [V/m] RV Razón de grabado vertical [Ǻ/min]
FA Fuerza capilar de adhesión [µN] S Selectividad
FC Fuerza de cohesión [µN] Si3N4 Nitruro de silicio
FE Fuerza de equilibrio [µN] SiH4 Silano
Fel Fuerza electrostática [µN] SiO2 Dióxido de silicio
FG Fuerza gravitacional [nN] t Tiempo [s]
FM Fuerza intramolecular [µN] T Temperatura [ºC]
FR Fuerza capilar de repulsión [µN] th Grosor del actuador STA [µm]
FRe Fuerza de restauración (pull-off ) [µN] U Energía del campo electromagnético [W.s]
FTh Fuerza electrotérmica [µm] V Voltaje aplicado entre las placas paralelas [V]
Fvdw Fuerza de Van der Walls [µm] W Ancho de las placas paralelas [m]
g Separación entre dos estructuras [µm] wc Ancho del brazo frío [µm]
h Deflexión del Trampolín [µm] wh Ancho del brazo caliente [µm]
H2 Molécula biatómica de hidrógeno z Grosor de poly-Si [µm]
HF Ácido fluorhídrico α Coeficiente de expansión térmica [ºC -1]
I Corriente eléctrica [A] γ Tensión superficial [mN/m]
JC Densidad de corriente en el brazo frío [A/µm2] ∆l Incremento de la longitud en función de T [µm]
JH Densidad de corriente en el brazo caliente [A/µm2] ∆pla Diferencia de presión (líquido/aire) [Pa]
KOH Hidróxido de potasio ∆T Incremento o gradiente de temperatura [ºC]
L Longitud de las placas paralelas [µm] ∆w Grabado lateral de poly-Si [µm]
l Longitud del brazo caliente [µm] ∆σi/z Gradiente de esfuerzo [MPa/µm]
l0 Longitud inicial (sin expansión térmica) [µm] ε Deformación mecánica [ppm]
lc Longitud del brazo frío [µm] ε0 Permitividad eléctrica en el vacío [F/m]
lcr Longitud crítica εr Permitividad eléctrica relativa
lf Longitud del brazo flexible [µm] θ Ángulo de contacto [º]
N2 Molécula biatómica de nitrógeno κ Conductividad térmica [W/cm·K]
NH4F Fluoruro de Amonio ρ Densidad [g/cm3]
O2 Molécula biatómica de oxígeno σi Esfuerzo residual [MPa]
P Potencia eléctrica [mW] Q Factor de calidad
PH3 Fosfina υ Coeficiente de Poisson
QJ Calentamiento Joule [W]
- 1 -
Capítulo 1 Introducción a los Microsistemas
1.1 Introducción a los Sistemas Microelectromecánicos (MEMS)
Los sistemas micro y nanoelectromecánicos (MEMS: microelectromechanical
systems, y NEMS: nanoelectromechanical systems) forman una tecnología a base de
estructuras mecánicas (estáticas o dinámicas), sensores, actuadores y electrónica de
control, integrados en un mismo sustrato para realizar una aplicación específica.
MEMS implica estructuras con dimensiones de 1µm a 1mm, y NEMS menores a
100nm. Éstos pueden ser sistemas simples con estructuras estáticas o sistemas
complejos con estructuras dinámicas de múltiples movimientos. La fabricación de
estos sistemas se puede realizar mediante técnicas estándar de fabricación de circuitos
integrados (CI’s): CMOS, Bipolar, o BiCMOS. El principal criterio para considerar a
un sistema como MEMS/NEMS, es que al menos uno de los elementos tenga
dimensiones en el rango micro-nanométrico y realice una función de tipo mecánica,
ya sea estática o dinámica. Los sistemas microelectromecánicos se conocen como
MEMS en América, como dispositivos micromecanizados en Asia y como tecnología
de microsistemas (MST: MicroSystems Technology) en Europa [Hwaiyu, 2005]. En
este trabajo se hará referencia a estos términos indistintamente. Los MEMS han
ganado gran mercado al haberse consolidado en la tecnología de información (IT),
computación, medicina, salud, transporte, energía, seguridad... [Sergey, 2002]. En la
Fig. 1.1 se ilustra un diagrama de la arquitectura de un MEMS.
- 2 -
Fig. 1.1: Arquitectura de un sistema microelectromecánico [Lyshevski, 2001].
Los sensores y actuadores son transductores, su función es detectar y
transformar un tipo de energía a otra. Un sensor típicamente realiza esta conversión
de una magnitud física a una eléctrica, y el actuador de una señal eléctrica a un
movimiento mecánico. En esta tecnología los sensores pueden detectar señales
Acústicas, Biológicas, Químicas, Magnéticas, Ópticas, Térmicas, etc., y
transformarlas a una señal eléctrica [Sergey, 2002]. En la Tabla 1.1 se lista una
clasificación generalizada de algunas estructuras utilizadas en MEMS, se indica su
función y sus principales aplicaciones [Sharpe, 2006].
Tabla 1.1: Clasificación y aplicaciones de algunas estructuras utilizadas en MEMS [Sharpe, 2006].
Función Aplicaciones
Estructura
pasiva
Sistemas de dispersión de fluidos, inyección de combustible, inhaladores médicos,
cabezales de lectura de disco duro, cabezales de escritura en impresoras.
Sensor Acelerómetros, giroscopios, analizadores bioquímicos (BioMEMS), dispositivos para
análisis ambiental, diagnóstico médico, detectores de presión.
Actuador
Reguladores de flujos, síntesis de drogas, microespejos, micrófonos, dispositivos
optoelectrónicos (MOEMS), dispositivos quirúrgicos, dispositivos de radiofrecuencia
(RFMEMS).
- 3 -
En el presente trabajo de tesis se describe la caracterización de un proceso
(PolyMEMS – INAOE) para la fabricación de microestructuras con silicio
policristalino (poly-Si), implementado en función de la infraestructura que se utiliza
para la fabricación de circuitos CMOS del INAOE [Linares et al., 1990]. Por lo
anterior, se realiza una breve revisión de los aspectos de materiales y procesos
relacionados con la fabricación de MEMS, enfatizando en la tecnología de
fabricación mediante micromaquinado superficial, la cual se describirá
detalladamente en la sección 1.4.
1.2 Materiales para microsistemas
En la tecnología de microsistemas se utiliza una gran variedad de materiales
(dieléctricos, semiconductores, metales, etc.), los cuales están en función de las
características del proceso. Los materiales se obtienen por diversas técnicas con el
objetivo de satisfacer los requerimientos de cada aplicación; destacando las técnicas
de depósito químico en fase vapor (CVD) a presión atmosférica (APCVD), a baja
presión (LPVCD), asistido por plasma (PECVD); y las técnicas de depósito físico en
fase vapor (PVD). En la Tabla 1.2 se hace un resumen comparativo entre diferentes
métodos para depósito de materiales por CVD (poly-Si, dióxido de silicio (SiO2),
vidrio de fosfosilicato (PSG), nitruro de silicio (Si3N4), vidrio de borofosfosilicato
(BPSG), germanio policristalino (poly-Ge), y silicio amorfo (a-Si), se indican sus
principales aplicaciones, temperaturas típicas de depósito, cobertura de escalón, entre
otros aspectos importantes a considerar para la fabricación de microestructuras.
- 4 -
Tabla 1.2: Comparación entre diferentes métodos de depósito químico en fase vapor (CVD)
[Madou, 2002].
Método de Depósito Parámetro
APCVD LPCVD (baja T)
LPCVD (mediana T) PECVD
Temperatura [ºC] 300-500 300-500 500-900 100-350
Materiales SiO2, PSG, Si3N4
SiO2, PSG, BPSG, poly-Ge,
a-Si, Si3N4
poly-Si, SiO2, PSG,
BPSG, Si3N4
SiO2, Si3N4, poly-Ge, a-Si
Aplicaciones
Pasivación, aislante,
película de sacrificio
Pasivación, aislante, película
de sacrificio
Pasivación, compuerta,
película estructural y de
sacrificio
Pasivación, aislante, película
estructural
Cobertura de Escalón Pobre Pobre Excelente Buena
Contaminación Alta Baja Baja Alta Propiedades
(uniformidad) Buenas Buenas Excelentes Pobres
En la Tabla 1.3 se muestra un listado de propiedades relevantes de algunos
materiales utilizados en MST a temperatura ambiente (300K), mismos que se utilizan
en el proceso de fabricación ECMOS 1 – INAOE. Es importante observar que las
propiedades mecánicas (e.g., módulo de Young, y coeficiente de Poisson, ver
Capítulo 3) del silicio policristalino son similares a las del silicio monocristalino, con
la ventaja de que el poly-Si se obtiene de manera relativamente sencilla; mientras que
las propiedades de las películas de PSG son similares a las propiedades del SiO2.
Tabla 1.3: Propiedades de algunos materiales utilizados en tecnología de microsistemas
[Maluf, 2000; Madou, 2002]. Propiedad c-Si(100) poly-Si SiO2 Si3N4 Al
Densidad (ρ) [g/cm3] 2.4 2.32 2.3 2.65 2.7 Temperatura de Fusión [ºC] 1415 1415 1700 1800 660 Conductividad Térmica (κ) [W/cm·K] 1.57 0.3-0.35 0.014 0.19 2.37 Coeficiente de Expansión Térmica Lineal, CLTE (α) [10-6/K] 2.33 2.8 0.55 2.8 24
Módulo de Young (E) [Gpa] 160 160 73 323 70 Coeficiente de Poisson (υ) 0.22 0.23 0.17 0.25 0.33
- 5 -
En la siguiente sección se describirán brevemente algunos efectos utilizados en
MEMS, enfatizando en los efectos Electrostático y Electrotérmico, y sus principales
aplicaciones en tecnología de microsistemas.
1.3 Efectos físicos en tecnología de microsistemas
En la Tabla 1.4 se ilustran diversos principios o efectos físicos en los que basan
su funcionamiento los sensores y actuadores micromecánicos, los cuales se clasifican
como: electrostáticos, piezoeléctricos, electrotérmicos, magnéticos, piezorresistivos;
se indica el rango de deflexiones, el tiempo de respuesta, y su compatibilidad de
fabricación (e. g., materiales) con un proceso de fabricación de CI’s CMOS [Sharpe,
2006].
Tabla 1.4: Resumen de algunos principios físicos utilizados en MST [Sharpe, 2006].
Principio/Efecto MovimientoTiempo de
Respuesta
Compatibilidad
de Fabricación
Electrostático <10µm µs Alta
Piezoeléctrico <10µm µs Media
Electrotérmico <20µm ms Alta
Magnético <100µm ms Media
1.3.1 Efecto electrostático
Las cargas electrostáticas surgen del exceso (carga, -) o déficit (carga, +) de
electrones en un material. La interacción de dos cargas estáticas origina una fuerza
atractiva o repulsiva entre ambas, si son de distinto o mismo signo, respectivamente,
conocida como fuerza electrostática. Los actuadores electrostáticos están basados en
el principio fundamental de que dos placas con cargas opuestas son atraídas entre sí.
Estos actuadores tienen una relación no lineal fuerza-voltaje. Un mecanismo básico
de este tipo se ilustra en la Fig. 1.2, donde un capacitor de placas paralelas, de
- 6 -
separación d y área de traslape A = WL. Se pueden distinguir dos casos de actuado de
la fuerza: cuando el desplazamiento es en dirección z, y cuando el desplazamiento es
el plano x, y.
Fig. 1.2: Actuador electrostático básico, capacitor de placas paralelas.
La fuerza electrostática está dada por la Ec. 1.1 para una de las placas que se
desplaza en dirección x:
xUFel ∂∂
−= (1.1)
siendo U la energía contenida en el campo electrostático. Ignorando los efectos de los
bordes, la energía almacenada a un voltaje V, es [Beeby et al., 2004]:
dAV
CVU r
221 2
02 εε−=−= (1.2)
donde:
dAC r /0εε= → Capacitancia ][F .
0ε → Permitividad eléctrica en el espacio libre ( ]/[1085.8 120 mFx −=ε ).
rε → Permitividad eléctrica relativa del medio (adimensional).
A → Área ][ 2m . D → Separación entre las placas ][m .
- 7 -
Caso 1: Si el desplazamiento de las placas es en la dirección z, la fuerza electrostática
está dada por la Ec. 1.3, donde la no linealidad se puede observar en los términos V2
y d2.
2
02
20
21
2 elrr AEdAV
dUF εε
εε−=−=
∂∂
−= (1.3)
donde:
Eel → Campo eléctrico ( ]/[ mVdVEel = )
Caso 2: Si el desplazamiento de las placas es en la dirección y, la fuerza electrostática
está dada por la Ec. 1.4 [Trimmer, 1997].
202
20
20
21
22 elrrr
w LdEdLdV
dLV
wUF εε
εεεε−=−=−=
∂∂
−= (1.4)
Para aumentar la fuerza electrostática de estos actuadores, es posible
incrementar V, disminuir d, o utilizar un medio con permitividad dieléctrica mayor.
Con fines ilustrativos, la fuerza generada por un voltaje de 100V aplicado entre dos
placas de 100µm por lado, con d=1µm, es ~ 4.42 x 10-4 [N].
Actualmente existen arreglos electrostáticos interdigitados (comb-drive) para
aplicaciones comerciales específicas, como lo son: resonadores laterales y de torsión
para detección de aceleración o giro, y para la extracción de parámetros mecánicos
(e.g., módulo de elasticidad o Young) [Bhushan, 2007]. Estas estructuras son
fabricadas mediante micromaquinado superficial utilizando poly-Si dopado tipo n+, e
integradas monolíticamente, alcanzando factores de calidad (Q) de 130, y frecuencias
de resonancia de 80kHz [Trimmer, 1997]; En la Fig. 1.3 se muestra un arreglo de
este tipo. Este arreglo lo conforman dos electrodos, uno fijo (ancla) al sustrato, y otro
móvil.
- 8 -
Fig. 1.3: Resonador Electrostático formado por una arreglo de peines
interdigitados, un electrodo fijo y otro móvil.
1.3.2 Efecto electrotérmico
Los efectos electrotérmicos están relacionados con la generación de gradientes
de temperatura originados por una corriente eléctrica, o viceversa (efectos
termoeléctricos). Existen básicamente tres efectos que relacionan electricidad y calor,
sobre uno o más materiales, estos son:
• Efecto Joule (electrotérmico, uno o más materiales) • Efecto Seebeck (termoeléctrico, dos materiales) • Efecto Peltier (electrotérmico, dos materiales)
Los actuadores que funcionan bajo estos principios tienden a consumir mayor
potencia en comparación con los actuadores electrostáticos o piezoeléctricos, pero
tienen la ventaja de producir grandes fuerzas. Las propiedades físicas involucradas en
este tipo de actuadores son: la resistividad eléctrica (ρe), la conductividad térmica
(κ); el coeficiente de expansión térmica lineal (α) CLTE; el cociente de Poisson (υ);
el módulo de young, y la densidad (ρ), algunas de las cuales tienen una dependencia
con la temperatura, siendo un factor importante a considerar por los diseñadores. Es
importante indicar que en el poly-Si, el nivel de dopado y la densidad de fronteras de
grano no afectan significativamente al CLTE. Generalmente, la expansión lineal de
Electrodo Fijo
Electrodo Móvil
- 9 -
los materiales se expresa mediante la Ec. 1.5, y típicamente es menor a 1µm, por lo
que utilizan algunas estructuras para la amplificación de su expansión lineal
[Leondes, 2006]:
• Bimetálicas • Pseudobimorfas • Geométricas
Tll ∆=∆ α0 (1.5)
1.3.2.1 Efecto electrotérmico Joule
El Efecto Electrotérmico Joule consiste en hacer circular una corriente
eléctrica a través de un material isotérmico, generando calor. Este efecto ocurre en
cualquier conductor eléctrico al que se le aplique una diferencia de potencial. Los
electrones del material son impulsados por el campo eléctrico a lo largo de la
estructura. Parte de la energía cinética de los electrones se convierte en calor al
colisionar con los átomos/moléculas del material. Estas colisiones ocasionan
vibraciones en la estructura, que se manifiestan en un incremento de la temperatura, y
en una expansión del volumen del material. Este efecto se define de la siguiente
manera: la cantidad de energía calorífica (QC) producida por una corriente eléctrica,
depende directamente del cuadrado de la intensidad de la corriente, del tiempo que
ésta circula y de la resistencia eléctrica del material, expresada mediante la Ec. 1.6:
RtIQC2= (1.6)
donde: QC → Energía calorífica producida por la corriente [W·s] I → Intensidad de la corriente que circula [A] R → Resistencia eléctrica del conductor [Ω] t → Tiempo [s]
- 10 -
La potencia disipada por el efecto joule es:
RVRIP
22 == (1.7)
siendo V, la diferencia de potencial entre los extremos del material.
1.3.3 Actuadores electrotérmicos de polisilicio
En la actualidad existe una amplia variedad de actuadores fabricados mediante
micromaquinado superficial utilizando poly-Si y PSG como materiales de sacrificio y
estructural, respectivamente. En los actuadores electrotérmicos se aplica una
corriente eléctrica (generando un gradiente de temperatura (∆T)) a una estructura
suspendida tipo puente para generar un movimiento mecánico (∆l) causado por la
expansión térmica lineal (α) del material [Lobontiu, 2005]. En las siguientes
secciones se describirán dos actuadores electrotérmicos comerciales: STA’s (Single
Two Arms) y TIM’s (Thermomechanical in plane microactuators).
1.3.3.1 Actuador electrotérmico STA
Existe una gran variedad de configuraciones de actuadores electrotérmicos
aplicables a: conmutadores ópticos, micromotores a pasos para posicionamiento de
componentes, micropinzas [Comtois, 1997], microespejos [Huja, 2001], etc. Su
funcionamiento consta de dos mecanismos de transducción, el primero es un proceso
electrotérmico, el segundo es un proceso termomecánico [Varadan et al., 2006]. Una
configuración específica de este tipo de actuadores, se ilustra en la Fig. 1.4. Consiste
de un puente suspendido en forma de “U” anclado por sus extremos; está formado por
dos estructuras: un “brazo caliente” (lh) y un “brazo frío” (lc) con anchos wh y wc
respectivamente, separados por una distancia g [Comtois, 1997; Varadan et al.,
2006]. Este tipo de actuador electrotérmico es conocido como pseudobimorfo o STA
(Single Two Arms), y es capaz de generar deflexiones de 8µm [Comtois, 1997] y
- 11 -
10µm [Huang, 2000] en el plano paralelo a la superficie de la oblea, con fuerzas de
4.4µN y 10µN respectivamente, y un consumo de potencia de ~10mW, operando a
frecuencias < 10kHz. Su principal ventaja es que operan en un régimen
corriente/voltaje compatible con la tecnología CMOS [Comtois, 1997].
Fig. 1.4: Diagrama esquemático (patrón geométrico) de un actuador
electrotérmico STA [Varadan et al., 2006].
El calentamiento de las estructuras (Calentamiento Joule) QJ está en función
de la resistencia eléctrica, de la corriente que circula por la estructura, y se expresa
mediante la Ec. 1.8 [Malgorzata, 2003]; la resistencia eléctrica del actuador STA se
obtiene mediante la Ec. 1.9, siendo ρe la resistividad eléctrica del material, y th su
grosor. El funcionamiento de los actuadores STA consiste en hacer circular una
corriente eléctrica (I) a través de la estructura (ancla → ancla). Una diferencia en las
secciones transversales de los brazos caliente “Ah” y frío “Ac” (Ah << Ac) implica
que las densidades de corriente de los brazos caliente “Jh” y frío “Jc” sean diferentes
(Jh >> Jc), generándose una expansión térmica asimétrica, y finalmente un
movimiento mecánico en dirección del brazo frío [Huja, 2001; Yongjun et al., 2003;
Comtois, 1997].
2RIQJ = (1.8)
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛+++=
hghf
f
hc
c
hh
he tw
gtw
ltw
ltw
lR ρ (1.9)
- 12 -
La expansión térmica lineal del brazo caliente se representa mediante la Ec. 1.5; este
desplazamiento genera una fuerza FTh expresada por la Ec. 1.10 [Lobontiu, 2005] en
dirección del brazo frío; la fuerza está en función de la sección transversal del brazo
caliente (A), el módulo de Young, el coeficiente de expansión térmica lineal, y el
incremento de la temperatura (∆T). El diseñador deberá considerar los parámetros
que dependen de la fuerza y desplazamientos generados por estos actuadores para
obtener óptimos resultados.
TEAFTh ∆= α (1.10)
1.3.3.2 Actuador electrotérmico TIM
Los actuadores electrotérmicos TIM son arreglos geométricos de elementos
(brazos) anclados por sus extremos; basan su funcionamiento en una expansión
simétrica del material que los conforma [Cragun, 1999], en comparación con los
actuadores STA, que basan su funcionamiento en una expansión asimétrica del
material. Los actuadores TIM están formados por un arreglo de brazos suspendidos
anclados en sus extremos, con una inclinación inicial para asegurar el sentido de la
deflexión, ver Fig. 1.5. Su principal ventaja es su compatibilidad con tecnologías
estándar de fabricación de CI’s [Lott et al., 2001]; adicionalmente, tienen la ventaja
de generar deflexiones rectilíneas y versatilidad de diseño. Para obtener la fuerza y
desplazamiento deseados, es posible modificar la longitud de los brazos (l), su
sección transversal (A), o el número de brazos [Leondes, 2006]. Es posible generar
deflexiones de 15µm [Lott et al., 2001] hasta 20µm [Cragun, 1999], con corrientes
de 5.8mA y 9mA, respectivamente. La deflexión y la temperatura (T) de los
actuadores TIM es proporcional a la potencia eléctrica aplicada [Yongjun et al.,
2003], y típicamente < 70mW en sistemas a presión atmosférica, o < 10mW en vacío
[Lott et al., 2001], operando a frecuencias de hasta 300Hz [Cragun, 1999]. Las
aplicaciones de los actuadores TIM son principalmente para la obtención de
- 13 -
parámetros mecánicos de los materiales a escala nanométrica (e.g., esfuerzos
residuales) [Guo, 2004]; para controlar la posición de microespejos, en óptica; para el
control rotacional y lineal de micromáquinas [Leondes, 2006], etc.
Fig. 1.5: Diagrama esquemático (patrón geométrico) de un actuador
electrotérmico TIM.
1.4 Tecnología de fabricación de MEMS
Los MEMS son fabricados mediante diversas técnicas, dentro de las cuales
destacan: la técnica de micromaquinado de volumen (bulk micromachining), que
consiste en realizar grabados selectivos en el sustrato, y la técnica de
micromaquinado superficial (surface micromachining), la cual consiste en el
depósito de materiales estructurales y de sacrificio sobre la superficie de un sustrato,
grabado selectivo y un proceso de liberación mecánica.
1.4.1 Micromaquinado superficial
Micromaquinado superficial es una técnica de fabricación de MS mediante
depósitos alternados de materiales estructurales y de sacrificio sobre la superficie de
un sustrato. Las películas de sacrificio separan los diferentes niveles de materiales
estructurales; en estos últimos se forman las estructuras mecánicas deseadas. Esta
técnica de fabricación incluye una etapa final de “liberación mecánica” para obtener
estructuras suspendidas. La geometría de los materiales estructurales se define
mediante técnicas de grabado húmedo y/o seco, mientras que la liberación de las
Anclas
Brazos lDeflexión
- 14 -
estructuras típicamente se realiza mediante grabado húmedo lateral [Sedky, 2006].
Las dimensiones de las estructuras en la superficie están limitadas por la técnica
litográfica empleada; las dimensiones verticales (altura) y razón de aspecto de las
estructuras están restringidas por los procesos de depósito (típicamente menores a
5µm).
En la Fig. 1.6 se ilustra la secuencia de pasos para fabricar una estructura tipo
puente, la cual está anclada por sus extremos. La secuencia mostrada, es el caso
específico de cómo se desarrolla el proceso PolyMEMS. La figura muestra un
proceso que utiliza c-Si como sustrato; SiO2 y Si3N4 como aislantes eléctricos; poly-
Si como material estructural y PSG como material de sacrificio. El proceso inicia
depositando las películas aislantes, SiO2 y Si3N4, Fig. 1.6 (a); a continuación se
realiza el depósito, litografía y grabado de una película de PSG, el cual servirá como
soporte mecánico temporal (sacrificio), Fig. 1.6 (b); el siguiente paso consiste en
realizar un depósito conformal de la película estructural (poly-Si), litografía, y se
define las geometrías deseadas mediante técnicas de grabado húmedo o seco, Fig. 1.6
(c); finalmente, se elimina la película de PSG mediante grabado húmedo, obteniendo
estructuras suspendidas. Éste último paso del proceso se conoce como liberación
mecánica de las estructuras, Fig. 1.6 (d).
Fig. 1.6: Secuencia de pasos de un proceso para fabricar microestructuras
mediante micromaquinado superficial.
c-Si SiO2 Si3N4 PSG poly-Si
- 15 -
1.4.2 Liberación mecánica de las estructuras
El proceso de liberación mecánica de las estructuras es un proceso crítico,
debido a que las tensiones superficiales ocasionadas por líquidos atrapados debajo de
las estructuras, y gradientes de esfuerzo, pueden ocasionar un colapso permanente de
las estructuras sobre la superficie del sustrato [Sedky, 2006; Madou, 2002;
Mohamed, 2006]. Algunas formas de evitar el colapso, son: realizar el grabado del
material de sacrificio utilizando fuentes gaseosas, o realizar enjuagues con agua –
metanol [Madou, 2002].
En la Fig. 1.7 se ilustra la etapa de liberación mecánica de una estructura
suspendida tipo Trampolín mediante grabado húmedo isotrópico, utilizando un
sustrato de c-Si, Si3N4 como aislante, y PSG como espaciador. El grabado de la
película de sacrificio debe ser altamente selectivo, es decir, las razones de grabado del
material de sacrificio (Rs), estructural (Rm), y del aislante (Ri), deben cumplir la
condición: Rs >> Rm, y Rs >> Ri. Es posible agregar orificios adicionales en el
material estructural para disminuir el tiempo de grabado [Mohamed, 2006].
Fig. 1.7: Liberación mecánica de una estructura tipo Trampolín, mediante
grabado húmedo isotrópico.
La principal ventaja de esta técnica de fabricación, es su compatibilidad de
integración (e.g., materiales, técnicas litográficas y de grabado) con las tecnologías de
fabricación de CI’s, CMOS, Bipolar, y BiCMOS [Madou, 2002]. En la Fig. 1.8 se
muestran diferentes técnicas de integración monolítica para MST: integración pre-
proceso, e integración post-proceso [Korvink, 2006; Sedky, 2006]. Existe otro tipo
- 16 -
de integración monolítica (no mostrada) en la que se desarrollan simultáneamente la
fabricación de microestructuras y la parte de control, esta técnica de integración es
conocida como intra-proceso, utilizada principalmente en procesos de fabricación
que no poseen técnicas de planarización, como pulido mecánico químico (CMP:
Chemical Mechanical Polishing), y en procesos que utilizan materiales que requieren
de altas temperaturas (en tecnología de fabricación se consideran bajas temperaturas
T < 500ºC; medianas temperaturas 500ºC < T < 900ºC; altas temperaturas, T > 900ºC
[Madou, 2002]), como lo es el proceso PolyMEMS – INAOE. La compatibilidad de
integración monolítica está restringida por diversos factores: i) por la topografía de la
superficie cuando las microestructuras son fabricadas antes que la electrónica de
control (pre-proceso), Fig. 1.8(a); ii) por las temperaturas máximas de depósito y por
los tratamientos térmicos subsecuentes, principalmente cuando las microestructuras
son fabricadas después de la electrónica de control (post-proceso), Fig. 1.8(b)
[Mohamed, 2006]. La integración pre-proceso es preferida cuando la fabricación de
las estructuras es a base de materiales que requieren de altas temperaturas, como
carburo de silicio (SiC) o poly-Si [Sedky, 2006].
Fig. 1.8: Integración monolítica para microsistemas, a) pre-proceso; b) post-proceso.
- 17 -
En la actualidad existen procesos comerciales para la fabricación microestructuras
para aplicaciones en MEMS, entre los cuales destacan: el proceso multi-usuario
(MUMPs®) PolyMUMPsTM de la compañía MEMSCAP (www.memscap.com), y el
proceso SUMMiTTM de los laboratorios SANDIA (http://mems.sandia.gov/). El
presente trabajo de tesis utiliza el proceso PolyMUMPsTM como referencia, por ello,
se realiza una breve descripción de sus principales características.
1.4.3 Proceso PolyMUMPsTM
El proceso PolyMUMPsTM es un proceso multi-usuario (MUMPs®: Multi
User MEMS Processes) estándar para fabricación de microestructuras de la compañía
MEMSCAP, con tres niveles de polisilicio. Este proceso utiliza sustratos de c-Si
(100) tipo N de 150mm de diámetro con resistividad de (1-2) Ω-cm. En la Tabla 1.5
se listan las siete capas (cuatro materiales) involucradas en el proceso
PolyMUMPsTM.
Tabla 1.5: Materiales utilizados en el proceso PolyMUMPsTM, mostrando su función,
grosor típico, y mnemónico. Material Función Grosor [µm] Mnemónico
Si3N4 Aislante Eléctrico 0.6 Nitruro poly-Si Electrodo de control 0.5 Poly0
PSG Material de Sacrificio ‘1’ 2.0 1er Óxido poly-Si Material Estructural ‘1’ 2.0 Poly1
PSG Material de Sacrificio ‘2’ 0.75 2do Óxido poly-Si Material Estructural ‘2’ 1.5 Poly2 Cr/Au Material de Interconexión y reflectividad 0.5 Metal
Las películas estructurales de polisilicio (Poly1, Poly2) se dopan con fósforo
mediante una película de PSG (200nm) en hornos de difusión a 1050ºC. Este
tratamiento térmico también sirve para reducir los esfuerzos residuales de los
materiales estructurales. La etapa final del proceso es la liberación mecánica de las
estructuras. Consiste en eliminar ambos óxidos mediante la inmersión de las obleas
en HF al 49% a temperatura ambiente durante 2 minutos a temperatura ambiente,
- 18 -
seguido de enjuagues en H2O DI, inmediatamente son inmersas en alcohol para evitar
colapso, para su posterior secado en un horno a 110ºC durante 10 minutos. En la Fig.
1.9 se muestra el corte transversal de un mecanismo (motor electrostático) fabricado
mediante el proceso PolyMUMPsTM.
Fig. 1.9: Corte transversal de un motor electrostático fabricado mediante el
proceso PolyMUMPsTM después de la liberación mecánica.
En la Tabla 1.6 se muestran las doce mascarillas utilizadas en el proceso
PolyMUMPsTM, su función, tipo de campo, dimensiones de línea / espacio mínimos y
nominales. Las reglas de diseño del proceso se dividen en dos tipos: de advertencia y
obligatorias. Las dimensiones mínimas de línea y espacio son reglas obligatorias; el
espacio entre diferentes niveles, y las dimensiones mínimas de traslape son reglas de
advertencia [Carter et al., 2005].
Tabla 1.6: Mascarillas utilizadas en el proceso PolyMUMPsTM, mostrando su función, tipo de
campo [C=Claro, O=Oscuro]; dimensiones mínimas y nominales para línea/espacio [Carter
et al., 2005].
Mnemónico Función Campo Línea/Espacio Nominal [µm]
Línea/Espacio Mínimo [µm]
Poly0 Definir un electrodo de control, fijo al sustrato C 3.0 2.0 / 2.0 Dimple Definir cavidades para depósito de Poly1 O 3.0 2.0/ 3.0 Anchor1 Definir ventanas para contacto a Nitruro o Poly0 O 3.0 3.0 / 2.0 Poly1 Definir geometrías sobre Poly1 C 3.0 2.0 / 2.0 Poly1_Poly2_Via Definir ventanas para contacto a Poly1 O 3.0 2.0/ 3.0 Anchor2 Definir ventanas para contacto a Poly0 o Nitruro O 3.0 3.0 / 2.0 Poly2 Definir geometrías sobre Poly2 C 3.0 2.0 / 2.0
Metal Definir pistas sobre Metal C 3.0 3.0 / 3.0 Hole0 Definir ventanas sobre Poly0 O 3.0 2.0 / 2.0 Hole1 Definir ventanas para liberación sobre Poly1 O 4.0 3.0 / 3.0 Hole2 Definir ventanas para liberación sobre Poly2 O 4.0 3.0 / 3.0 HoleM Definir ventanas para liberación sobre Metal O 5.0 4.0 / 4.0
- 19 -
1.5 Resumen
En este capítulo se realizó una revisión sobre los sistemas
microelectromecánicos: principios de operación de los sensores y actuadores,
aplicaciones comerciales de actuadores fabricados con poly-Si, tecnologías de
fabricación, etc. Mediante el proceso PolyMUMPsTM es posible fabricar una amplia
variedad de microestructuras que pueden utilizarse como actuadores o sensores, de
acuerdo al modo de polarización. Uno de los aspectos importantes en el presente
trabajo de tesis, es que el proceso de fabricación PolyMEMS – INAOE también
ofrece la posibilidad de fabricar microestructuras con poly-Si; sin embargo, el
proceso está limitado por la litografía del proceso ECMOS – INAOE.
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- 21 -
Capítulo 2 Proceso de Fabricación
PolyMEMS – INAOE
2.1 Introducción
El proceso PolyMEMS del INAOE tiene el propósito de fabricar
microestructuras mecánicas de silicio policristalino (poly-Si) mediante
micromaquinado superficial. Las estructuras pueden ser pasivas o dinámicas con
dimensiones de 5µm a 800µm aplicables en sistemas micro electromecánicos
(MEMS). El proceso completo utiliza cinco materiales y nueve niveles de
mascarillas; obleas de silicio cristalino con orientación (100) de 2” de diámetro como
soporte mecánico; dos niveles de materiales estructurales de poly-Si, uno fijo al
sustrato utilizado como electrodo y un nivel suspendido para la fabricación de
estructuras mecánicas, sensores y actuadores principalmente; se utiliza vidrio de
fosfosilicato (PSG) como material de sacrificio (o soporte mecánico temporal),
aluminio (Al) como material de interconexión eléctrica, y dióxido (SiO2) y nitruro
(Si3N4) de silicio como aislantes eléctricos y para incrementar la selectividad. En este
capítulo se hace un estudio de la influencia sobre las propiedades mecánicas
(rugosidad, esfuerzos residuales y gradientes de esfuerzo) de los ciclos térmicos
posteriores al depósito de los materiales estructurales; se hace énfasis también, en el
proceso fotolitográfico para obtener de manera sistemática geometrías con
dimensiones mínimas de 5µm. Otro aspecto importante en el presente trabajo radica
en el proceso de liberación mecánica de las estructuras, el cual se efectúa de acuerdo
- 22 -
a las posibilidades de infraestructura (instalaciones, material y equipo) del
Laboratorio de Microelectrónica del INAOE.
2.2 Proceso de fabricación PolyMEMS – INAOE
El proceso PolyMEMS tiene por objetivo fabricar microestructuras con poly-Si
para realizar pruebas eléctricas y mecánicas en un mismo sustrato, a partir del patrón
geométrico PolyMEMS III [Díaz, 2008], utilizando condiciones y materiales del
proceso ECMOS 1 – INAOE [Linares et al., 1990]. En la Tabla 2.1 se listan las
nueve capas utilizadas en el proceso, su función, grosor, y mnemónico de cada capa.
Tabla 2.1: Materiales utilizados en el proceso de fabricación PolyMEMS-INAOE, mostrando su función, grosor y mnemónico de capa.
Material Función Grosor [µm] Mnemónico SiO2 Aislante Eléctrico 0.1 óxido Si3N4 Aislante Eléctrico 0.1 nitruro
poly-Si Material Estructural “1” 0.5 poly-Si 1 PSG Soporte Mecánico Temporal “1” 2.0 PSG 1
poly-Si Material Estructural ‘2’ 2.0 poly-Si 2 PSG Soporte Mecánico Temporal “2” 1.5 PSG 2
poly-Si Material Estructural ‘3’ 1.5 poly-Si 3 PSG Dieléctrico 1.5 PSG 3 Al Material de Interconexión Eléctrica 3.5 metal
El patrón geométrico para controlar el proceso se ilustra en la Fig. 2.1, incluye
estructuras y dispositivos para caracterización eléctrica y mecánica. La función de las
obleas utilizadas en este proceso es de soporte mecánico, por lo que su orientación,
tipo y resistividad no son concluyentes.
- 23 -
Fig. 2.1: Patrón geométrico del circuito de pruebas PolyMEMS III, mostrando
las diversas estructuras para caracterización eléctrica y mecánica [Díaz, 2008].
A continuación se lista de manera simplificada el proceso de fabricación
PolyMEMS – INAOE. El proceso de fabricación detallado se anexa en el Apéndice A,
en donde se especifican las condiciones utilizadas en cada paso del proceso.
Proceso Simplificado:
1) Crecimiento de SiO2 2) Depósito de Si3N4 3) Depósito & Dopado de poly-Si 1 4) Litografía & Grabado de poly-Si 1 5) Depósito, Reflujo, & Litografía de PSG 1 6) Depósito & Dopado de poly-Si 2 7) Litografía & Grabado de poly-Si 2 8) Depósito, Reflujo, & Litografía de PSG 2 9) Depósito & Dopado de poly-Si 3 10) Litografía & Grabado de poly-Si 3 11) Depósito, Reflujo, & Litografía de PSG 3 12) Depósito & Litografía Aluminio 13) Liberación mecánica
- 24 -
Las películas de SiO2 se crecen en un horno de difusión en ambiente de O2 a 1100ºC.
Las películas de Si3N4 se obtienen por LPVCD a 750ºC. Las películas de poly-Si se
depositan por LPCVD a 650ºC por pirólisis de silano ( 2∆T
4 2HSiSiH +⎯→⎯ ),
inmediatamente son dopadas hasta la degeneración tipo n (n+) en un horno de
difusión a 1000ºC a partir de fosfina (PH3), alcanzado resistividades en el orden de
10-3Ω-cm. Las películas de PSG se depositan por APCVD a 450ºC. La película de
PSG se somete inmediatamente a un proceso térmico (reflujo, RPSG) en vapor de
agua y nitrógeno (H2O(vapor)/N2; 30min/20min) a 1000ºC, con el propósito de
conformalizar y densificar el material. El aluminio se deposita por PVD mediante
evaporación.
Las películas de poly-Si una vez dopadas, son oxidadas en ambiente húmedo
en un horno de difusión a 900ºC, con el propósito de crear un enmascarante (poly-
SiO2) resistente para grabar selectivamente al poly-Si con hidróxido de potasio al
45% en peso (KOH 45% Wt.). Los tratamientos térmicos para el dopado y oxidación
de las películas de poly-Si, así como la temperatura del tratamiento térmico RPSG,
sirven también para reducir los esfuerzos residuales de los materiales (ver capítulo 3).
En la Tabla 2.2 se listan las nueve mascarillas utilizadas en el proceso de fabricación,
se indica su función, tipo de campo, tipo de resina, el ancho y separación de línea
mínimas.
Tabla 2.2: Mascarillas utilizadas en el proceso PolyMEMS-INAOE, mostrando su función,
tipo de campo [C=Claro], tipo de resina; dimensiones mínimas para línea y espacio.
# Mnemónico Función Campo/ Resina
Línea/Espacio Mínimo* [µm]
1 poly-Si 1 Definir un electrodo de control, fijo al sustrato C/+ 5/10 2 base_poly-Si 2 Definir cavidades para poly-Si 2 C/- 5/20 3 poly-Si 2 Definir geometrías en poly-Si 2 C/+ 5/10 4 contactos I Definir cavidades para contacto a poly-Si 1 C/- 5/20 5 base_poly-Si 3 Definir cavidades para poly-Si 1 y 2 C/- 5/20 6 poly-Si 3 Definir geometrías en poly-Si 3 C/+ 5/10 7 contactos II Definir cavidades para contacto a poly-Si 1, 2 y 3 C/- 5/20 8 metal Definir pistas sobre aluminio C/+ 5/10 9 pasivación Proteger zonas metalizadas (pistas y contactos) C/+ 5/10
* La separación mínima de línea, puede ser inclusive de 5µm.
- 25 -
La fotolitografía se realizó mediante una alineadora de contacto. El grabado se realizó
por técnicas de grabado húmedo y seco. En la Tabla 2.3 se listan las técnicas y
condiciones de grabado utilizadas para cada material, su velocidad de grabado y el
material enmascarante. Las películas de SiO2 y Si3N4 funcionan como aislantes
eléctricos y para incrementar la selectividad, por lo que no se efectúa proceso
litográfico alguno sobre estos materiales.
Tabla 2.3: Técnicas y condiciones de grabado para los materiales; razón de grabado;
materiales enmascarantes.
Material Condiciones de Grabado Enmascarante Velocidad de
Grabado [nm/min]
poly-Si KOH 45% Wt. @ 40ºC SiO2 50
poly-SiO2 Plasma (RIE) de CF4 (250mTorr, 150W) Resina (+) 30
HF 49% Wt. @ 20ºC § - 4000
7:1 (H2O:HF) @ 32ºC Resina (-)* 200 PSG
(CH3COOH: NH4F: H2O) 33% @ 50ºC † Resina (+)** 500
Al Al – Etch @ 40ºC Resina (+) 350
§ Utilizado para pruebas mecánicas exclusivamente (sobre estructuras sin aluminio). † Para liberación mecánica en presencia de aluminio. * Para apertura de ventanas. ** Para liberación mecánica.
En la gráfica de la Fig. 2.2 se muestra el perfil térmico del proceso
PolyMEMS. Se puede observar que la temperatura máxima del proceso lo establece
el tratamiento RPSG y dopado de poly-Si, los cuales se efectúan a 1000ºC, en
contraste con el proceso ECMOS, en donde se utilizan temperaturas de 1100ºC y
1050ºC respectivamente. Asimismo la oxidación del poly-Si (poly-SiO2) se realiza a
1100ºC, en comparación con el proceso PolyMEMS en donde se efectúa a 900ºC,
reduciendo efectos posibles en la calidad estructural de los materiales, principalmente
sobre las películas de poly-Si.
- 26 -
Fig. 2.2: Perfil térmico del proceso PolyMEMS-INAOE, indicando la temperatura y
tiempo de cada etapa del proceso.
La importancia en el control y optimización de los ciclos térmicos durante el
proceso de fabricación de las microestructuras, radica en que las propiedades
mecánicas del poly-Si dependen fuertemente de su estructura, y ésta a su vez, de las
condiciones de depósito y de los tratamientos térmicos subsecuentes [Buschow,
2001]. El poly-Si depositado por LPCVD a temperaturas superiores a 600ºC presenta
una estructura tipo columnar con paredes orientadas preferencialmente en la dirección
<110> [Mohamed, 2006] y con esfuerzos residuales con magnitudes típicas de -
400MPa [Sedky, 2006]. Sus propiedades mecánicas (e.g., módulo de young o
elasticidad) dependen de la orientación dominante de los granos, y en general de su
estructura [Kamins, 1998]. Específicamente, las fronteras de grano influyen
directamente en las propiedades mecánicas como la resistencia a la deformación
(yield strength) [Mangonon, 1999], y la resistencia a la fractura (fracture strength),
debido a que tienden a modular el desplazamiento de las dislocaciones (dichos
desplazamientos originan la deformación plástica o permanente de los materiales).
- 27 -
2.3 Descripción del circuito PolyMEMS III
El circuito de pruebas PolyMEMS III contiene diversas estructuras pasivas,
dispositivos (sensores y actuadores), pueden funcionar de forma mecánica,
electrostática o electrotérmica. Algunas de las estructuras pasivas son: estructuras
para visualizar y dar seguimiento las etapas de grabado de los materiales, indicadores
de esfuerzos residuales tipo vernier, anillo, diamante, e indicadores gradientes de
esfuerzo tipo espirales y trampolines; incluye diversos sensores y actuadores
electrostáticos como: microespejos, resonadores (acelerómetros); y sensores y
actuadores electrotérmicos como: STA’s y TIM’s. En la Tabla 2.4 se hace un
resumen de las estructuras incluidas en el circuito PolyMEMS III, indicando el
material que la conforma, su modo de operación y función.
Tabla 2.4: Estructuras incluidas en el circuito PolyMEMS III, mostrando su modo de
operación, los materiales que las conforman, su función y descripción.
Estructura Material Modo de
Operación Función
Anillo poly-Si 2 Mecánico Determinar los esfuerzos residuales de las películas estructurales.
Diamante poly-Si 2 Mecánico Determinar los esfuerzos residuales de las películas estructurales.
Puente poly-Si 2, 3 Mecánico Determinar los esfuerzos residuales de las películas estructurales.
Trampolín poly-Si 2, 3 Mecánico Determinar los gradientes de esfuerzo residual en las películas estructurales.
Espiral poly-Si 2 Mecánico Determinar los gradientes de esfuerzo residual en las películas estructurales.
Resonador poly-Si 2 Electrostático Detectar movimiento mecánico, y cambios de aceleración (sensor y/o actuador electrostático), o generar oscilaciones.
Espejo poly-Si 1, 2 Electrostático Deflectar un haz de luz (interruptor o conmutador óptico).
STA, TIM poly-Si 2, 3 Electrotérmico Generar un movimiento mecánico, proporcional al calentamiento inducido por una corriente eléctrica.
- 28 -
2.4 Proceso de liberación mecánica
El proceso de Liberación Mecánica de las Estructuras es una etapa final crítica
en un proceso desarrollado mediante micromaquinado superficial, i.e., proceso
PolyMEMS – INAOE. La liberación mecánica consiste en eliminar las películas de
sacrificio para liberar las estructuras del sustrato. Para procesos basados en poly-Si y
PSG como materiales estructurales y de sacrificio respectivamente, este paso
generalmente se realiza por grabado húmedo mediante HF, por su alta selectividad
respecto al poly-Si y su alta razón de grabado [Jiajing et al., 1993].
2.4.1 Modelo químico de grabado
El grabado de los materiales puede ser físico, químico, o una combinación de
ambos. El grabado completamente físico (e.g., ion milling) se caracteriza por un alto
grado de anisotropía (~1), pero una baja selectividad (~1). El grabado químico
(húmedo) se realiza sumergiendo las obleas en una solución, se caracteriza por una
alta selectividad, S > 25, y un grabado en todas direcciones (isotrópico) [Campbell,
2001; Wolf, 2004], el cual es utilizado ampliamente en micromaquinado de procesos
en base a poly-Si y PSG, en donde el grabado de las películas de sacrificio (PSG) se
desea que sea isotrópico. La razón de grabado está determinada por el proceso más
lento [Campbell, 2001]; en este caso, el grabado se encuentra limitado por reacción
para longitudes de grabado lateral (undercuting) menores a 100µm, y por difusión
para longitudes mayores a 100µm [Jiajing et al., 1993]. En la Fig. 2.3 se muestra el
esquema del grabado isotrópico sobre una estructura tipo trampolín, en donde ‘y’
representa el grabado lateral de la película [Badih, 1995].
- 29 -
Fig. 2.3: Esquema representativo para un proceso de grabado isotrópico: a)
sin grabado lateral, b) grabado lateral moderado; c) grabado lateral grande
[Badih, 1995].
El Modelo Químico de Grabado de películas de SiO2 y PSG, se representa
mediante la Fig. 2.4, el cual consta de los siguientes pasos:
1. Transferencia de masa del reactivo (A) por difusión desde la solución hacia la superficie de la película de sacrificio (ventanas).
2. Difusión de los reactivos desde las ventanas hacia los canales de sobregrabado.
3. Adsorción de los reactivos en el catalizador. 4. Reacción sobre la superficie del catalizador. 5. Desorción de productos desde la superficie. 6. Difusión de los productos desde el interior de los canales de sobregrabado. 7. Transferencia de masa de los productos por las ventanas hacia la solución.
Fig. 2.4: Modelo representativo para el grabado de películas de SiO2 mediante ácido
fluorhídrico (HF) [Monk et al., 1994].
c-Si Si3N4 PSG poly-Si
A B
1 2
3 4
76
5
A BDifusión Externa Difusión Interna
Superficie Catalítica
Si O O
OH
OHF
H H2SiF6
4
3 5
Superficie de SiO2 ó PSG
1
62
7
- 30 -
El grabado químico húmedo de las películas de sacrificio ocurre básicamente en dos
pasos: 1) los protones rompen los enlaces de Siloxano (silicio – oxígeno, -Si-O-) para
formar grupos Silanol sobre la superficie; 2) reacción de los iones flúor con el silicio
de los grupos Silanol, dando lugar a la formación de moléculas de tetrafluoruro de
silicio (SiF4), las cuales se disuelven en agua para formar H2SiF6 [Elwenspoek,
1998], ver Fig. 2.4 (b). Comercialmente para el grabado de películas de SiO2 y PSG
se utilizan ácido fluorhídrico puro (HF) y soluciones buffer (BOE ó BHF) en base a
HF, fluoruro de amonio (NH4F) y agua. El grabado mediante HF se expresa por la
reacción de la Ec. 2.1; mientras que el grabado mediante solución BOE, por la
reacción de la Ec. 2.2 [Kirt, 1996]:
OHSiFHHFSiO 2622 26 +→+ (2.1)
OHSiFNHFNHHFSiO 262442 2)(24 +→++ (2.2)
La reacción de la Ec. 2.1 es válida también para representar el grabado de
películas de PSG, en donde el compuesto P2O5 es soluble en H2O.
Experimentalmente se ha demostrado que el grosor de las películas de PSG tiene un
efecto importante sobre su razón de grabado [Kirt, 1996].
Cuando se requiere liberar las microestructuras uno de los principales
problemas es la presencia del aluminio. Los contactos e interconexiones de aluminio
se encuentran presentes antes de efectuar el proceso de liberación, por lo que pueden
ser corroídas por el grabante. Existen básicamente dos formas para prevenirlo: i)
proteger con fotorresina las zonas metalizadas; ii) utilizar un grabante con una alta
selectividad respecto al aluminio, y realizar la liberación con las zonas metalizadas
expuestas al grabante [Goosen et al., 1997]. Dentro de los métodos que utilizan
materiales enmascarantes para proteger el aluminio, la fotorresina ha mostrado
mejores resultados, aunque también se han utilizado películas de Si3N4 PECVD; estas
- 31 -
últimas tienen la desventaja de incrementar la complejidad del proceso, y su uso se
limita a tiempos de grabado relativamente cortos. Los métodos que aprovechan la alta
selectividad del grabante respecto al aluminio, efectúan el proceso de liberación con
las zonas metalizadas expuestas al grabante de la película de sacrificio; estos
grabantes básicamente utilizan sustancias tensoactivas e inhibidores de corrosión para
garantizar la integridad del aluminio [Goosen et al., 1997; Ching-Liang, 2006].
2.4.2 Colapso de las microestructuras
El colapso por adherencia (stiction) de las estructuras es un problema crítico en
micromaquinado superficial. El colapso es la adhesión no intencional de las
microestructuras con el sustrato; una vez adheridas las microestructuras al sustrato,
no es posible separarlas. Los mecanismos de colapso se dividen en dos grupos: i) los
que ocurren durante el proceso de liberación “release-stiction”; ii) los que ocurren
sobre estructuras que fueron liberadas exitosamente, y que por presencia de
humedad o algún impacto durante la operación, ocurre un colapso “in use-stiction”
o “post-release stiction”. Las causas de colapso en un rango conocido como de
“orden grande” o micrométrico, esencialmente son debidas a: Fuerzas Capilares
(FA), Fuerzas Electrostáticas (Fel), Fuerzas de Van der Walls (Fvdw), y Tensiones
Superficiales (γ) [Elwenspoek, 1998; Zhao, 2003; Qingwei, 2004]. Para estructuras
suspendidas ~2µm del sustrato, las fuerzas electrostáticas y de Van der Walls son
despreciables, ya que solo tienen efecto a escala nanométrica (e.g., para estructuras
con 80nm de separación del sustrato, las fuerzas son: Fvdw = 5pN; Fel = 0.7nN; FA =
30nN, las cuales disminuyen al incrementar la separación [Maboudian, 2004]),
asimismo la fuerza que ejerce la aceleración de la gravedad (FG) es despreciable
[Alley et al., 1992].
- 32 -
El colapso durante el proceso de liberación (release – stiction) ocurre después de la
eliminación de la película de sacrificio, debido a la presencia de fuerzas capilares de
adhesión, y tensiones superficiales, las cuales son originadas por los líquidos
atrapados debajo de las microestructuras. Estas fuerzas actúan en dirección normal a
la superficie de las microestructuras; el colapso sucede cuando estas fuerzas superan a
las fuerzas de restauración (pull-off) FRe de las microestructuras [Alley et al., 1992].
La probabilidad de colapso aumenta principalmente si las estructuras son delgadas y
de área grande [Elwenspoek, 1998]. El colapso durante operación (in use – stiction)
ocurre principalmente por fuerzas electrostáticas, y fuerzas de aceleración externas
[Tas et al., 1996].
En tecnología de microsistemas existen dos métodos para reducir los eventos de
colapso durante la liberación, estos son:
i. Métodos que evitan el contacto físico entre las estructuras y el sustrato:
consiste en evitar las fuerzas capilares de adhesión, evitando que las
soluciones entren en contacto con el aire. En este método se evita la interfaz
líquido-aire durante el proceso de liberación; utilizando técnicas de grabado
seco; o mediante secado por punto crítico§ y técnicas de liofilización†.
ii. Métodos basados en la reducción de las fuerzas de adhesión: consiste en
reducir la tensión y energía superficial utilizando superficies hidrofóbicas,
reduciendo el área de contacto mediante orificios adicionales en superficies
grandes (para disminuir el cociente superficie/volumen), utilizando soportes
mecánicos temporales, o incrementando la rugosidad superficial del sustrato.
§ El punto crítico implica que la densidad de la fase líquida y gaseosa de una misma sustancia
es la misma, y con ello una tensión superficial cero [Qingwei, 2004]. † Proceso de deshidratación de algunos materiales por sublimación [De la Barrera].
- 33 -
Algunas de las técnicas empleadas con resultados satisfactorios, son las que reducen
las tensiones superficiales al utilizar películas moleculares SAM “Self-Assembled-
Monolayers” (e.g., PTFE: Teflón; PDMS: Polydimethylsiloxane; OTS:
Octadecyltrichlorosilane…) sobre el sustrato (e.g., c-Si, Al...), consiguiendo
superficies hidrofóbicas [Zhao, 2003; Zheng et al., 2006; Doms et al., 2008], con
ángulos de contacto de ~ 90º [Doms et al., 2008], y de 130º a 157º [Zheng et al.,
2008]. Su principal desventaja es que son técnicas costosas ya que requieren sistemas
de baja presión para su desarrollo.
Por lo anterior, son de especial interés las técnicas que tienden a reducir los
eventos de colapso, basándose en disminuir el cociente superficie/volumen de las
estructuras; utilizando soportes mecánicos temporales (polímeros, e.g., resina);
empleando técnicas de grabado seco; e incrementando el ángulo de contacto mediante
solventes a temperaturas elevadas para el secado final de las estructuras.
En el colapso de las microestructuras, sus dimensiones son factores críticos a
controlar. Aunque el colapso de las microestructuras afecta a cualquier estructura
suspendida, anclada por uno o ambos extremos, son de especial interés las estructuras
ancladas sólo por un extremo, i.e., estructuras tipo Trampolín. Específicamente, los
Trampolines son estructuras que tienden a colapsarse, aún sin gradientes de esfuerzo
presentes en su estructura; los gradientes de esfuerzo y otros aspectos relacionados
con las propiedades mecánicas del poly-Si, se comentarán en el capítulo siguiente.
Considerando que no existen gradientes de esfuerzo en el material, la longitud crítica
de los Trampolines se calcula mediante la Ec. 2.3, es decir; los trampolines con
longitudes ≥ lcr sufrirán colapso permanente [Mastrangelo, 1993; Tas et al., 1996].
4
23
cos163
clacr
gEtlθγ
= (2.3)
donde:
- 34 -
E → Módulo de elasticidad o Young [GPa] t → Grosor de la película [µm] g → Separación entre los materiales sólidos (PSG) [µm].
laγ → Tensión superficial en la interfaz líquido/aire [µN/m].
cθ → Ángulo de contacto en la interfaz líquido/sólido.
2.4.2.1 Tensiones superficiales
La Tensión Superficial (γ) es un fenómeno que resulta de la interacción entre
dos medios (e.g., líquido/gas, sólido/líquido), debido a las fuerzas cohesivas (FC) de
las moléculas de cada medio en la interfaz, dando lugar a Fuerzas Capilares de
Adhesión (FA), generalmente en dirección hacia el interior del líquido [Mataix, 1982;
Granger, 1995]. El ángulo de contacto (θc) de las soluciones está relacionado de
manera inversa con la fuerza capilar de adhesión de las mismas. Los ángulos de
contacto que se forman en un líquido entre dos superficies sólidas separadas por una
distancia g (PSG), como sucede en el proceso PolyMEMS, se representan mediante la
Fig. 2.5, en donde θ1 y θ2 son los ángulos de contacto entre la superficie sólida 1
(poly-Si) y la superficie sólida 2 (Si3N4) con el líquido respectivamente. Una fuerza
FA > 0 implica que la película de poly-Si es atraída hacia el sustrato (en dirección –z);
una fuerza FA < 0 implica que favorecerá a las fuerzas de restauración de las
microestructuras (FRe) suspendidas, ya que será en dirección +z, ver Fig. 2.5 [Tas et
al., 1996; Qingwei, 2004].
Fig. 2.5: Representación de los ángulos de contacto de un líquido entre dos superficies
sólidas (poly-Si y Si3N4). Se indican las fuerzas de adhesión (FA) y de restauración (FRe)
[Qingwei, 2004].
poly-Si Líquido
Si3N4
z
x
FA FRe
θ1θ2
- 35 -
La condición de equilibrio (no colapso) sucede cuando la fuerza de restauración de
las microestructuras suspendidas es igual en magnitud, a la fuerza capilar de adhesión
(FA + FRe = 0), expresada por la Ec. 2.4 [Alley et al., 1992; Tas et al., 1996].
Re21 )cos(cos FA
gAF
lapla
A =∆−=+
−=θθγ
(2.4)
donde: A → Es el área de contacto del material líquido con el sólido [µm2].
1θ → Es el ángulo de contacto en la interfaz líquido/poly-Si.
2θ → Es el ángulo de contacto en la interfaz líquido/Si3N4. ∆pla → Es la diferencia de presión en la interfaz líquido/aire [Pa].
Se puede observar que al disminuir el área de contacto (A), o incrementar la
separación entre el sustrato y la película estructural (g), la fuerza de adhesión
disminuye; se puede observar además, que la fuerza de adhesión tiene un valor
máximo positivo cuando el ángulo de contacto tiende a cero, lo cual es una
característica de las superficies hidrofílicas (θc < 90º), en donde FC < FA. Es decir, las
soluciones con ángulos de contacto que tienden a 0º generan mayores fuerzas de
adhesión, siendo algunas de las principales causas de eventos de colapso en
microestructuras. Por otro lado, cuando FC > FA las superficies se comportan
hidrofóbicas (θc > 90º), reduciéndose considerablemente las fuerzas capilares de
adhesión [Zhao, 2003].
La Ec. 2.5 describe la diferencia de presiones en la interfaz líquido/aire,
mediante la ecuación de Laplace, en donde el radio de curvatura ( cgr θcos2/−= )
determina el sentido de la fuerza. Para soluciones con menisco negativo (cóncavas),
el radio de curvatura es: r < 0; mientras que para soluciones con menisco positivo
(convexas, ver Fig. 2.6): r > 0, lo que resultan en fuerzas capilares de adhesión y
repulsión, respectivamente.
- 36 -
rla
pla
γ=∆ (2.5)
Para comprender mejor estos conceptos, en la Fig. 2.6 se ilustra el análisis de
fuerzas sobre una gota: la interacción de la fuerza gravitacional (FG); la fuerza debida
a la interacción intermolecular (FM) en el interior del líquido; y la fuerza resultante
(fuerza capilar) de adhesión (FA) o de repulsión (FR) sobre un punto P. En el inciso
(a) se muestra el caso para fuerzas capilares de adhesión; en el inciso (b) se muestra
el caso para fuerzas de repulsión [Granger, 1995].
Fig. 2.6: Análisis de fuerzas de una gota sobre una superficie sólida en función del ángulo de
contacto: (a), θc < 90º; (b), θc > 90º, mostrando la fuerza resultante adhesiva (FA) y
repulsiva (FR), respectivamente [Granger, 1995].
Es importante mencionar que existe una tendencia en que la tensión superficial
disminuye al incrementar la temperatura del medio líquido [Tas et al., 1996], por el
hecho de que las fuerzas de cohesión que mantienen unidas a las moléculas
disminuyen al incrementar la temperatura. En la Fig. 2.7 muestran los valores [Lides,
1993] de las tensiones superficiales de diferentes solventes (Agua (H2O), Acetona
(C3H6O), Isopropanol (C3H8O) y Metanol (CH4O)) comúnmente utilizados en
micromaquinado superficial durante el proceso de secado, se indica también su punto
de ebullición. En donde el Isopropanol es la mejor alternativa; sin embargo, no es
apto para procesos industriales [Korvink, 2006].
FRFM
P θC
(b)
FG
z
x
FA
PθC
(a)
FG
FM
- 37 -
Fig. 2.7: Tensiones superficiales de diferentes líquidos utilizados en tecnología de
microsistemas para el secado de las estructuras.
En resumen, las soluciones con un radio de curvatura o menisco positivo
favorecerán a la fuerza de restauración de las microestructuras (FRe), por que las
fuerzas capilares serán de repulsión; en contraste con las soluciones con radio de
curvatura o menisco negativo, las cuales favorecerán a la fuerza de adhesión (FA), y
como consecuencia se favorecerá al colapso de las estructuras.
2.4.3 Alternativas para el grabado de PSG: HF versus NH4F
En la Tabla 2.5 se listan tres diferentes grabantes utilizados comercialmente
para el desarrollo de la etapa de liberación mecánica para procesos que utilizan PSG
como material de sacrificio. La solución mostrada en el inciso (a), indica que las
soluciones BHF tienen una pobre selectividad respecto al aluminio [Kirt, 1996],
- 38 -
haciendo necesario el uso de una mascarilla de pasivación, con el objetivo de proteger
las zonas con aluminio (pistas y/o contactos). La solución (b), Riedel-de Haen (RH)
muestra una mejor selectividad respecto al aluminio (40), sin disminuir la razón de
grabado del PSG [Goosen et al., 1997]. La solución (c) es una modificación de la
solución (b) (por la compañía Transene, Inc; www.transene.com), a la cual se le han
agregado inhibidores de corrosión del aluminio y sustancias tensoactivas, las cuales
forman una emulsión (dos líquidos insolubles adyacentes) sobre la superficie del
aluminio, reduciendo la eventual corrosión del aluminio [Ching-Liang, 2006]. La
solución (d) se consigue elevando la temperatura de la solución (b), a 50ºC, esta
prueba se realizó en el INAOE, se obtuvo una buena selectividad (50), superando la
razón de grabado de las otras alternativas. Asimismo, es de interés observar que el
uso de la solución RH permitiría realizar el proceso de liberación con las zonas
metalizadas expuestas, sin utilizar la mascarilla de pasivación.
Tabla 2.5: Comparación entre diferentes grabantes comerciales de PSG. Se indican las razones
de grabado sobre PSG y Aluminio (RPSG, RAl), y la selectividad de los grabantes respecto al
aluminio (S=RPSG/RAl).
Solución RPSG
(nm/min)
RAl
(nm/min)
Selectividad
PSG/Al
(a) BHF * (5:1) (25ºC) 200 100 2
(b) RH † (25ºC) 200 5 40
(c) Vapox III § (22ºC) 400 3 133
(d) RH (50ºC) 500 10 50
* Solución diluida de HF49%, con solución buffer (NH4F) en proporción (7:5:1; H2O: NH4F: HF) [Kirt, 1996]. † Solución Riedel-de Haen (RH), a base de (CH3COOH:NH4F:H2O) 33% [Goosen et al., 1997]. § Solución de (CH3COOH:NH4F:H2O), inhibidores de corrosión, y sustancias tensoactivas <www.transene.com>.
Como parte de los resultados de este trabajo de tesis, en la sección experimental
se detallarán cada unos de estos estudios y se comentará su influencia en el
rendimiento de las estructuras fabricadas.
- 39 -
2.5 Resumen
Se describió el proceso de fabricación PolyMEMS – INAOE. Se comentó sobre
la importancia del proceso de liberación mecánica de las estructuras, siendo éste el
único paso de la técnica de micromaquinado superficial que contrasta con de las
tecnologías de fabricación de CI’s actuales. Se explicó la necesidad de utilizar
alternativas para la realización del grabado de las películas de sacrificio; además de
mencionar la importancia del uso de solventes con tensiones superficiales menores en
comparación con el agua, con la finalidad de reducir los eventos de colapso de las
microestructuras.
- 40 -
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- 42 -
- 43 -
Capítulo 3 Propiedades Mecánicas del Polisilicio
3.1 Introducción a las propiedades mecánicas del polisilicio
El polisilicio (poly-Si) es ampliamente utilizado como material estructural en
micromaquinado superficial para aplicaciones en MEMS. La velocidad de depósito
del poly-Si se incrementa en forma directa con la temperatura y la presión parcial del
gas precursor (SiH4) [Effiong, 1993]. Las propiedades mecánicas del poly-Si
dependen fuertemente de su estructura, y ésta a su vez, de las condiciones de depósito
y de la temperatura de los tratamientos térmicos subsecuentes [Bushow et al., 2001].
Las propiedades elásticas (módulo de elasticidad, o young) del poly-Si están en
función de su estructura [Kamins, 1998], de la concentración de dopantes [Sang et
al., 1998], y de la orientación preferente (100) de las paredes de poly-Si, con un valor
típico de 160GPa [French, 2002]. Por otra parte, las fronteras de grano modifican
directamente propiedades mecánicas como la resistencia a la deformación (yield
strength) [Mangonon, 2000] y la resistencia a la fractura (fracture strength), debido a
que tienden a bloquear el desplazamiento de las dislocaciones (dichos
desplazamientos originan la deformación plástica o permanente de los materiales); el
hecho de disminuir el tamaño de grano (o incrementar la densidad de fronteras de
granos) hace al poly-Si linealmente elástico hasta la condición de fractura
[Shackelford, 2000; Kamins, 1990].
- 44 -
El poly-Si depositado mediante LPCVD a temperaturas superiores a 600ºC tiene una
estructura de tipo columnar, con paredes orientadas preferentemente (110)
[Mohamed, 2006], y presenta esfuerzos residuales de compresión ~ - 400MPa
[Sedky, 2006]. Las películas dopadas n+ por difusión (principalmente con fósforo) a
temperaturas superiores a 900ºC, adquieren una orientación preferente (111), con
esfuerzos residuales menores [Murarka, 1982], debido a que la temperatura
promueve recristalización y una disminución en el volumen de las películas de poly-
Si [Bhushan, 2007]. Adicionalmente la oxidación del poly-Si induce esfuerzos de
compresión sobre la película [Murarka, 1982]. El tamaño de grano incrementa
considerablemente con la temperatura [Effiong, 1993; Mohamed, 2006] y en función
directa del progreso de su grosor [Kamins, 1998], afectando la definición y rugosidad
de los bordes (Lateral Edge Roughness: LER). En la Fig. 3.1 se muestra una
fotografía obtenida por SEM (Scanning Electron Microscope) de la estructura
columnar de una película de poly-Si LPCVD, y de la variación del tamaño de grano
en función directa del grosor de la película.
Para la fabricación de MEMS en base a poly-Si, la razón de depósito, la
cobertura de escalón, y los esfuerzos y gradientes de esfuerzo residuales de las
películas de poly-Si, son factores críticos a controlar. Por el hecho de que los
esfuerzos y gradientes de esfuerzo en el poly-Si dependan fuertemente del tipo y
concentración de dopantes, en este trabajo se hace énfasis en la descripción de las
propiedades mecánicas sobre películas de poly-Si n+.
- 45 -
Fig. 3.1: Corte transversal de una película de poly-Si mostrando el diámetro
de su estructura columnar en función directa de su grosor [Kamins, 1998].
En las siguientes secciones se hace una breve revisión de los esfuerzos
residuales y gradientes de esfuerzo residuales intrínsecos presentes en películas de
poly-Si, originados durante la nucleación y el progreso del depósito de las películas.
Se comenta también la influencia de los ciclos térmicos involucrados en un proceso
de micromaquinado superficial, como lo son: la etapa de dopado, de oxidación del
poly-Si, y el ciclo térmico RPSG.
3.2 Esfuerzos residuales intrínsecos
Los Esfuerzos Residuales ( intσ ) son fuerzas mecánicas internas que actúan
sobre un material isotrópico, sin fuerzas externas aplicadas ni gradientes de
temperatura [Korvink, 2006; Laconte, 2006]. Los esfuerzos residuales originan
deformaciones mecánicas en los materiales, expresadas por la letra griega ε , las
cuales producen un cambio fraccional en las dimensiones (lineal, superficial, o
volumétricas) [Beer et al., 2002]. La deformación o cambio fraccional lineal (e.g., eje
x) se expresa mediante la Ec. 3.1, siendo L0 la longitud inicial (sin deformación) de la
estructura, y L la longitud final (con deformación). En la Fig. 3.2 se ilustran de
manera simplificada, ambos casos de deformación; se simboliza la deformación como
- 46 -
un cambio fraccional lineal ( L∆ ), en respuesta a una fuerza externa aplicada, Fext;
siendo la deformación, en dirección de la fuerza [Beer et al., 2002].
0
0
0 LLL
LL −=
∆=ε (3.1)
Fig. 3.2: Representación esquemática de la deformación axial de una barra de material por
acción de una fuerza externa: (a) elongación, ∆L > 0; b) contracción ∆L < 0. Nota: la línea
punteada representa el cambio fraccional [Beer et al., 2002].
En tecnología de microsistemas, los esfuerzos y las deformaciones que actúan
en una sola dirección (e.g., eje x) se denominan uniaxiales y se expresan mediante la
Ec. 3.2; cuando actúan sobre un plano (e.g., plano x, y) se denominan biaxiales y se
expresan mediante la Ec. 3.3 [Korvink, 2006; Laconte, 2006]; el término υ es el
Cociente de Poisson, expresado por la Ec. 3.4, el cual representa el cociente de las
deformaciones sobre un plano de un material (i.e., (∆y/y0)/(∆x/x0)) al ejercer fuerza en
una dirección (i.e., x). El signo (-) se utiliza para obtener valores positivos de υ, ya
que generalmente se cumple que εx > 0, y εy < 0; υ siempre es una magnitud positiva
adimensional menor a 1, en el caso específico de poly-Si, υ = 0.23 [Korvink, 2006].
Ei εσ = (3.2)
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛−
=υ
εσ1
Ei (3.3)
x
y
εε
υ −= (3.4)
- 47 -
Existen dos tipos de esfuerzos residuales intrínsecos: de tensión y de compresión,
denotados por signos positivo y negativo respectivamente. Los esfuerzos por tensión
originan una contracción volumétrica del material; mientras que los esfuerzos por
compresión, originan una expansión volumétrica [Sze, 1997; Laconte, 2006;
Leondes, 2006; Bhushan, 2007]. Las principales causas de estos esfuerzos, son:
diferencias en las constantes de red (lattice mismatch) entre la película de poly-Si y la
película subyacente (e.g., PSG, Si3N4); defectos puntuales como impurezas
intersticiales y substitucionales; y vacancias [Mohamed, 2006].
Es importante señalar que es imposible eliminar completamente los esfuerzos
residuales en los materiales; típicamente un valor considerado como “cero esfuerzo
residual” es ±5MPa [Buschow et al., 2001]; sin embargo, idealmente en
microsistemas se esperan ligeros esfuerzos de tensión [French, 2002].
3.3 Gradientes de esfuerzo residuales intrínsecos
Los Gradientes de Esfuerzo )/( zintσ∆ se originan por variaciones en las
deformaciones mecánicas en el plano normal (z) a la superficie del material (e.g.,
poly-Si), lo que origina curvaturas cóncavas o convexas a lo largo de la película o
microestructuras [Sedky, 2006]; estas variaciones de deformación se denotan por bε
y tε , que corresponden a las deformaciones en la parte inferior y superior de la
película respectivamente. Los gradientes de esfuerzo existen cuando se cumple
alguna de las siguientes condiciones: i) tb εε > ó ii) tb εε < , las cuales inducen
gradientes de esfuerzo positivos y negativos respectivamente; por otra parte, la
condición ideal de “cero gradientes de esfuerzo” se cumple cuando tb εε = . Los
gradientes de deformación positiva ))/(0( zε∆< , generan una curvatura convexa
sobre la película de poly-Si; mientras que los gradientes de deformación negativa
)0)/( <∆ zε producen una curvatura cóncava. En tecnología de microsistemas,
- 48 -
existen diversas estructuras para monitorear los gradientes de esfuerzo;
principalmente estructuras tipo Espiral y Trampolines. En la Fig. 3.3 se representan
esquemáticamente ambos tipos de gradientes de esfuerzo; se muestra el corte
transversal de una estructura, en donde se indican las deformaciones en la parte
inferior y superior de una película, tb εε , respectivamente.
Las películas de poly-Si generalmente exhiben gradientes de esfuerzo positivos
( tb εε > ); al presentar mayores esfuerzos de compresión en la interfaz poly-Si/PSG
(zona inicial de nucleación), los cuales disminuyen con el progreso del depósito al
incrementar el tamaño de grano [Buschow et al., 2001; Bhushan, 2007]. El
incremento del tamaño de grano ocurre durante el dopado de las películas; no
obstante, las variaciones en su estructura disminuyen mediante tratamientos térmicos
post-dopado [Kamins, 1990]. En el capítulo de resultados se hace un análisis de la
influencia de los tratamientos térmicos post-dopado, sobre los esfuerzo residuales en
películas de poly-Si n+, mediante monitores de esfuerzos mecánicos.
Es importante mencionar que no es posible eliminar por completo los
gradientes de esfuerzo y los esfuerzos residuales intrínsecos presentes en los
materiales; no obstante, el valor considerado como “cero gradiente de esfuerzo
residual” es ±2Mpa/µm [Buschow et al., 2001].
- 49 -
(a)
(b)
(c)
Fig. 3.3: (a) Sección transversal de una película de poly-Si mostrando tb εε = . Se
representan esquemáticamente en dos dimensiones, los Gradientes de Esfuerzo (de
compresión) sobre una película de poly-Si: (b), gradientes de esfuerzo positivos, con
magnitudes de deformaciones tb εε > ; (c), gradientes de esfuerzo negativos, con
magnitudes de deformaciones tb εε < .
En la siguiente sección se hace una breve revisión sobre la influencia de los
esfuerzos y gradientes de esfuerzo residuales sobre el rendimiento de
microestructuras fabricadas mediante micromaquinado superficial.
tε
bεx
z
εt
εb
σi
z
εt
εb
σi
z
- 50 -
3.4 Influencia de los esfuerzos y gradientes en microsistemas
El funcionamiento de los microsistemas desarrollados mediante la técnica de
micromaquinado superficial está condicionado por el control de los esfuerzos y
gradientes de esfuerzo presentes en las películas estructurales, por el hecho de que
pueden ocasionar un comportamiento impredecible de las estructuras estáticas o
dinámicas. La fuerza gravitacional sobre las estructuras a esta escala es despreciable,
por lo que sólo se consideran los esfuerzos internos de los materiales [Bhushan,
2007]. En tecnología de microsistemas se han implementado diversas
microestructuras para monitorear los esfuerzos y gradientes de esfuerzo residuales
que actúan sobre las películas estructurales. A continuación se hace un breve análisis
de la influencia de dichos esfuerzos sobre el rendimiento de las microestructuras.
3.4.1 Influencia de los esfuerzos de compresión
Las películas de poly-Si depositadas por LPCVD generalmente presentan
esfuerzos de compresión. En la actualidad existe una gran variedad de
microestructuras (ver Capítulo 2) que sirven para determinar cuantitativamente los
esfuerzos (tensión y compresión) presentes en los materiales. La presencia de
esfuerzos de compresión origina un comportamiento impredecible en las estructuras
estáticas o dinámica; en estructuras fijas por ambos extremos principalmente, este
tipo de esfuerzos origina deformaciones a lo largo de la estructura (buckling) [Guckel
et al., 1985; Guckel et al., 1988; Orpana, 1991], las cuales se manifiestan por un
doblamiento de la estructura en el plano perpendicular a la superficie de la oblea.
Gracias a la capacidad de infraestructura del LM del INAOE; en donde se
pueden fabricar estructuras con razones de aspecto (5:2) o mayores, resultan de
especial interés las estructuras tipo Puente, ya que con ellas es posible determinar
cuantitativamente los esfuerzos de compresión presentes en los materiales. El análisis
- 51 -
consiste en encontrar mediante un microscopio (óptico o SEM) el puente de menor
longitud crítica (Lcr) que presente deformaciones (buckling). En la Ec. 3.5 se muestra
la relación de parámetros involucrados para la determinación cuantitativa de los
esfuerzos de compresión mediante una estructura tipo Puente, a partir del cálculo de
la deformación (εcr): siendo z el grosor de la estructura. Una vez obtenido el
parámetro εcr, se procede a calcular el esfuerzo de compresión mediante la Ec. 3.2.
Existe otra forma de calcular los esfuerzos presentes utilizando la Ec. 3.6, en donde A
es la amplitud de la deformación [Laconte, 2006; Korvink, 2006], ver Fig. 3.4.
2
22
3 crcr L
zπε −= (3.5)
( )222
2
4312
zALcr
cr +=πε (3.6)
Fig. 3.4: Representación esquemática de un Puente de poly-Si presentando
Esfuerzos de Compresión ( 0<intσ ). Nota: la línea punteada corresponde a la
estructura sin deformación.
z
Lcr
A poly-Si
c-Si
- 52 -
3.4.2 Influencia de los gradientes de esfuerzo
Las microestructuras sensibles a los gradientes de esfuerzo son las ancladas
por sólo uno de sus extremos, como las estructuras tipo Espiral y Trampolín,
principalmente. La presencia de esfuerzos no uniformes a través del grosor de las
películas estructurales (e.g., tb εε < o tb εε > ) es un factor crítico en la operación de
las microestructuras, ya que pueden provocar su colapso, además de comportamientos
impredecibles (e.g., tener una deflexión inicial en el plano paralelo o perpendicular a
la superficie del sustrato, sin aplicar esfuerzos externos) [Madou, 2002], haciendo
necesarias técnicas de calibración adicionales. Como se comentó en las secciones
anteriores, es común que las películas depositadas por CVD presenten gradientes de
esfuerzo. Para garantizar el óptimo funcionamiento de las microestructuras, las
deformaciones mecánicas a través del grosor de la película deben ser uniformes, es
decir; cuando las deformaciones en la parte inferior y superior de las películas
estructurales son iguales ( tb εε = ), sin fuerzas externas aplicadas [Kamins, 1990].
Como se comentó en el Capítulo 2, existen diversas microestructuras para
monitorear los gradientes de esfuerzo residuales presentes en las películas
estructurales (poly-Si). Específicamente, mediante el uso de estructuras tipo
Trampolín es posible determinar cuantitativamente los gradientes de esfuerzo en los
materiales. En la Ec. 3.7 se muestra la relación de parámetros involucrados para
determinar cuantitativamente los gradientes de esfuerzo mediante una estructura tipo
Trampolín; siendo h la deflexión del extremo no anclado y L la longitud del
Trampolín bajo estudio [Laconte, 2006; Bhushan, 2007], ver Fig. 3.5. Para la
determinación de h, se puede utilizar un microscopio óptico o SEM.
ELh
zi
2
2=
∆σ (3.7)
- 53 -
Fig. 3.5: Representación esquemática de un Trampolín de poly-Si presentando
Gradientes de Esfuerzo negativos )0)/( <∆ zintσ . Nota: la línea punteada
representa la estructura sin deformación.
3.5 Resumen
En este capítulo se hizo una revisión de las propiedades mecánicas del poly-Si,
y sobre conceptos básicos de mecánica, específicamente referente a los esfuerzos
internos de los materiales y su influencia en el rendimiento de microestructuras
fabricadas mediante micromaquinado superficial. El principal problema que origina
la presencia de esfuerzos y gradientes de esfuerzo residuales en las películas
estructurales, es que provoca comportamientos impredecibles, haciendo necesarias
técnicas de calibración adicionales. Asimismo, la presencia de gradientes de esfuerzo
negativos puede provocar el colapso de las microestructuras.
z hL
poly-Si
c-Si
- 54 -
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- 56 -
- 57 -
Capítulo 4 Resultados Experimentales
4.1 Introducción
La obtención de resultados para este trabajo de tesis en base a lo presentado
en capítulos anteriores, requirió de utilizar diversas herramientas de análisis. Para la
obtención de imágenes de estructuras fijas al sustrato y estructuras suspendidas
estáticas y dinámicas, así como para la caracterización mecánica de las estructuras se
utilizó un microscopio óptico [Orthoplan Microscope, de Leitz] y un microscopio de
barrido de electrones (SEM) [S-510, de Hitachi]; para el estudio de la morfología
superficial de las películas de poly-Si, se utilizó un perfilómetro [Alphastep-200, de
Tencor Instruments] y un microscopio de fuerza atómica (AFM) [easyScan DFM, de
nanoSurf]. Además se utilizó el sistema de medición de cuatro puntas del LM, para
mediciones de resistencia laminar (R) sobre las películas de poly-Si; y el equipo de
mediciones de curvas I-V a base de fuentes de voltaje [2400, de HP] para la
caracterización eléctrica de las microestructuras.
En las siguientes secciones se presentan los resultados experimentales del
presente trabajo de tesis, los cuales se dividen en: i) litografía, en esta sección se
muestran resultados sobre la obtención sistemática de estructuras con dimensiones
mínimas de 5µm; ii) análisis del grabado de las películas estructurales, en donde se
aborda la problemática del grabado lateral en rampa del poly-Si; iii) análisis de la
morfología superficial y rugosidad, en esta sección se muestran resultados obtenidos
de un análisis de rugosidad sobre las películas de poly-Si n+; iv) proceso de
- 58 -
liberación mecánica de las estructuras, en donde se utilizaron diferentes alternativas
para su implementación, en función de la capacidad de infraestructura del LM del
INAOE; v) caracterización mecánica y eléctrica de las microestructuras; y
finalmente, se presentan imágenes de algunas estructuras suspendidas como
resultado del proceso de fabricación PolyMEMS – INAOE.
4.2 Fotolitografía de 5µm
El proceso de fotolitografía se realizó mediante una alineadora de contacto. Se
obtuvieron sistemáticamente microestructuras con dimensiones mínimas de 5µm
sobre resina, óxido de polisilicio, y sobre poly-Si de 6000Ǻ. En la Fig. 4.1 (a, b) se
muestran imágenes de la sección de un resonador electrostático sin liberar obtenidas
mediante un microscopio óptico; asimismo se presentan dos fotografías de un
actuador electrotérmico STA, definido en la mascarilla (c), y sobre poly-Si (d).
(a) (b)
(c) (d)
Fig. 4.1: Imágenes parciales de un resonador electrostático obtenidas mediante un microscopio
óptico: (a) vista general; (b) detalle, en donde se muestran los peines interdigitados con
dimensiones de 5µm; se muestra también la vista parcial de un actuador electrotérmico STA:
(c) en mascarilla; y (d) en poly-Si.
5µm
- 59 -
Por el hecho de que la resolución de la resina disminuye en función directa de su
grosor, se utilizaron resinas delgadas para obtener geometrías de 5µm de forma
sistemática. En la Tabla 4.1 se lista el grosor y aplicación de las resinas utilizadas
para cada etapa de litografía en el proceso PolyMEMS.
Tabla 4.1: Condiciones utilizadas para cada etapa de fotolitografía en el
proceso PolyMEMS – INAOE.
Litografía Fotorresina Grosor [µm]
poly-Si 1 ‘1205’ a 3000rpm 0.4
base_poly-Si 1, 2, 3;
contactos I, II ‘1420’ a 3000rpm 0.9
poly-Si 2, 3;
pasivación ‘1225’ a 5000rpm 1.7
En la Fig. 4.2 se muestran las imágenes obtenidas mediante el SEM de los
contactos en estructuras fabricadas mediante el proceso PolyMEMS, con dos niveles
de poly-Si: (a) Mediante un proceso litográfico (poly-Si 2) desarrollado con resina
1205; y (b) Un proceso desarrollado con resina 1225. Se puede observar que la resina
1205 tiene una pobre cobertura sobre los escalones de poly-Si de 2µm (poly-Si 2); sin
embargo, mediante la resina 1205 se obtienen excelentes resultados cuando se utiliza
en la primera litografía (poly-Si 1) (ver Fig. 4.1), logrando una mejor definición de
las geometrías. Por otra parte, la resina 1225, muestra excelentes resultados, al
mejorar la cobertura, y permitiendo definir geometrías en poly-Si 2 con dimensiones
mínimas de 5µm.
- 60 -
(a) (b)
Fig. 4.2: Fotografías obtenidas por SEM en contactos sobre muestras con dos
niveles de poly-Si: (a) de un proceso con resina 1205; y (b) de un proceso con
resina 1225.
4.3 Análisis del grabado del poly-Si
En el proceso ECMOS-1 se utilizan exclusivamente técnicas de grabado
húmedo para definir las geometrías sobre los materiales. El grabado de la película
enmascarante de poly-Si (poly-SiO2) se realiza mediante la solución 7:1 (H2O:HF) a
temperatura ambiente, un grabante isotrópico. La naturaleza amorfa de ésta película
enmascarante, hace que esta etapa de grabado sea un paso crítico a controlar, ya que
su grabado (vertical y lateral) depende fuertemente de la temperatura, lo que da la
posibilidad a perder reproducibilidad de las geometrías, principalmente en geometrías
con dimensiones críticas (5µm).
En el proceso PolyMEMS, el grabado de los materiales se realiza mediante
técnicas de grabado húmedo y seco. El grabado de la película de poly-SiO2
(enmascarante de poly-Si) se realizó por grabado seco mediante el sistema RIE
[MicroRIE – 800, de Technics], como una alternativa al proceso ECMOS, para
asegurar la transferencia fiel de los patrones definidos en la resina. El grabado de las
películas estructurales se realizó mediante KOH al 45% Wt. a 40ºC. Se determinó la
- 61 -
razón de grabado vertical (RV) y lateral (RL) mediante perfilometría y microscopía
óptica, siendo estas de 500Ǻ/min y 660Ǻ/min, respectivamente. Se confirmó con
otras referencias [Mohamed, 2006], que la estructura columnar (paredes) de poly-Si
n+ genera una inclinación de ~ 54º respecto a la superficie, lo que implica tener una
dirección preferente <111>. En la Fig. 4.3 se muestran dos imágenes obtenidas por
SEM. Conociendo la altura (3µm) y el grabado lateral (2.2µm) de la película es
posible calcular mediante trigonometría (tan-1 (3/2.2)), el ángulo de las paredes del
poly-Si respecto a la superficie, ~ 54º. Es importante mencionar que en el proceso
ECMOS el grabado lateral no es crítico (~ 0.7µm, valor calculado) por lo delgado
(6000Å) de las pistas; además, no es evidente ya que el microscopio óptico no tiene la
resolución para medirlo.
(a) (b)
Fig. 4.3: Fotografías obtenidas por SEM: (a) vista isométrica; y (b) vista vertical, de una
estructura fabricada con dos niveles de poly-Si mediante el proceso PolyMEMS –
INAOE.
Por este hecho, y con el objetivo de reducir el grabado lateral además de
obtener paredes con perfiles verticales, se realizaron pruebas preliminares para el
grabado anisotrópico de las películas estructurales. Se utilizaron técnicas de grabado
seco (e.g., RIE) en base a hexafluoruro de azufre (SF6) y cloro (Cl2) como gases
reactivos. Se lograron de manera sistemática perfiles con inclinaciones de 70º; sin
embargo, un problema con el sistema imposibilitó continuar con estos experimentos.
En la Fig. 4.4 se muestran fotografías de estos resultados preliminares.
2.2µm
<111>
- 62 -
Fig. 4.4: Perfiles de grabado de las estructuras mediante técnicas de grabado seco, utilizando SF6
y Cl2 como gases reactivos.
4.4 Análisis de la morfología de las microestructuras
La rugosidad sobre la superficie de las películas de poly-Si es una medida
indirecta del tamaño de las estructuras columnares que la conforman; la rugosidad de
las películas aumenta de forma directa con el diámetro de las columnas.
Adicionalmente cuando se utilizan películas delgadas, la rugosidad sobre la superficie
es un factor crítico a controlar debido a que un alto cociente superficie – volumen
(surface to volume ratio) origina que las propiedades de las películas estén
influenciadas por la rugosidad. Se observó una dependencia directa de la rugosidad
con la temperatura de los tratamientos térmicos subsecuentes. El tamaño de grano de
las películas de poly-Si se incrementa al incorporar dopantes y al utilizar
temperaturas mayores a 1000ºC, el tamaño promedio de grano iguala al grosor de la
película, siendo éste un factor crítico a controlar cuando se requiere fabricar
estructuras con dimensiones a esa misma escala. Por esta razón, en el proceso
PolyMEMS se utilizó una temperatura máxima de proceso de 1000ºC durante todo el
proceso de fabricación; la temperatura máxima la establece el tratamiento térmico
RPSG, aunque también se utiliza para el dopado de las películas.
- 63 -
En la Fig. 4.5 se muestra el perfil térmico del proceso PolyMEMS; se hace una
comparación con las temperaturas máximas empleadas para cada etapa en el proceso
ECMOS, en donde se utilizan temperaturas máximas de 1100ºC para la oxidación del
poly-Si, así como para el proceso RPSG. La temperatura de 1100ºC es óptima para la
etapa RPSG del proceso ECMOS – INAOE.
Fig. 4.5: Perfil térmico del proceso PolyMEMS – INAOE; las líneas punteadas
indican la temperatura que se utiliza en el proceso ECMOS – INAOE.
Como se comentó en la revisión del estado del arte sobre la dependencia de la
rugosidad y otras propiedades mecánicas con la temperatura; el hecho de disminuir la
temperatura de los ciclos térmicos post-depósito del poly-Si, tiene efectos benéficos,
principalmente en una mejor definición de los bordes de las estructuras (Lateral Edge
Roughness: LER). Se realizaron diversas corridas del proceso de fabricación de
microestructuras utilizando dos temperaturas máximas de proceso. Se utilizó la
temperatura máxima del proceso ECMOS, 1100ºC; y como alternativa se
desarrollaron procesos de fabricación PolyMEMS con temperaturas máximas de
- 64 -
1000ºC. En la Fig. 4.6 se muestran dos imágenes representativas de las diferentes
corridas. En la Fig. 4.6 (a) se muestra una microestructura fabricada utilizando
temperaturas máximas de 1100ºC (ECMOS), se puede observar la pobre definición de
los bordes. En la Fig. 4.6 (b) se muestra una estructura fabricada utilizando una
temperatura máxima de 1000ºC (PolyMEMS).
(a) (b)
Fig. 4.6: Fotografías obtenidas por SEM de estructuras fabricadas con dos niveles de
poly-Si: (a) de un proceso desarrollado con una temperatura máxima de 1100ºC; y (b)
de un proceso desarrollado con una temperatura máxima de 1000ºC. Nota: el grosor de
la película de poly-Si en (a) es de 1µm; en (b), 2.5µm.
Es importante aclarar que la microestructura mostrada en la Fig. 4.6 (a) tiene
un grosor de 1µm, lo que permitió utilizar tiempos relativamente cortos en los
tratamientos térmicos post-depósito, como la etapa de dopado (40 minutos a 1050ºC);
sin embargo, la Fig. 4.6 (b) exhibe una rugosidad de los bordes significativamente
menor (LER), aun siendo expuesta durante un mayor tiempo a elevadas temperaturas
(120 minutos a 1000ºC).
- 65 -
4.4.1 Rugosidad de las películas de poly-Si
Se realizó un estudio de la rugosidad en películas de poly-Si sobre estructuras
terminadas (puentes), utilizando ambas temperaturas máximas de proceso, 1100ºC y
1000ºC, empleadas en los procesos ECMOS y PolyMEMS respectivamente. El
estudio se realizó mediante perfilometría, microscopio óptico y AFM; se determinó
cualitativa y cuantitativamente la rugosidad de las muestras en dos y tres
dimensiones. A continuación se muestran los resultados de esta caracterización.
4.4.1.1 Caracterización cualitativa
Se observó mediante un microscopio óptico, la morfología superficial de las
películas de poly-Si obtenidas de procesos desarrollados utilizando temperaturas de
1100ºC (ECMOS); se visualizaron estructuras granulares de hasta 6µm, y en
promedio de 3µm. En los procesos desarrollados con temperaturas de 1000ºC
(1000ºC), la morfología de las películas de poly-Si muestran estructuras columnares
menores: en promedio < 2µm.
En la Fig. 4.7 se muestran dos fotografías obtenidas con un microscopio
óptico (magnificación de 100x), sobre las muestras de los procesos bajo estudio. En la
Fig. 4.7 (c) se muestra la superficie de una pista de poly-Si de un proceso terminado
del circuito de pruebas CIR-PRU 1 del INAOE. Es importante mencionar que las tres
fotografías mostradas en la Fig. 4.7 fueron obtenidas utilizando la misma
magnificación (100x). Se puede concluir, en general con todas las observaciones
realizadas, que las películas procesadas a 1000ºC cualitativamente presentan menor
rugosidad.
- 66 -
(a) (b)
(c)
Fig. 4.7: Morfología de la superficie sobre muestras de poly-Si tratadas térmicamente: (a)
temperatura de 1100ºC (ECMOS); (b) a una temperatura de 1000ºC (PolyMEMS); y
finalmente, (c) se muestra la superficie de una pista de poly-Si de un circuito pruebas (CIR-
PRU 1 del INAOE).
4.4.1.2 Caracterización cuantitativa
Se realizaron mediciones de la rugosidad mediante perfilometría (Alpha-Step 200 de
Tencor Instruments), sobre las muestras del proceso bajo estudio. En la Fig. 4.8 se
muestran la rugosidad obtenida sobre las muestras de poly-Si desarrolladas a 1100ºC,
a 1000ºC. La rugosidad se representa por su valor RMS, el cual se obtiene mediante
la Ec. 4.1 [Hoehn, 1985], en donde n representa el número de valores medidos; yi el
valor medido de la rugosidad en el punto n; los valores obtenidos son: 76nm, 10nm,
para las muestras de poly-Si a 1100ºC, poly-Si a 1000ºC respectivamente.
- 67 -
∑=
=n
iirms y
nR
1
21
(4.1)
Fig. 4.8: Rugosidad medida mediante perfilometría de muestras de poly-Si desarrollado a
1100ºC, mostrando valores de rugosidad de ±50nm, y de muestras de poly-Si desarrollado a
1000ºC, mostrando valores de rugosidad de ±20nm.
Se realizaron mediciones de rugosidad mediante AFM sobre las mismas
muestras con el objetivo de comparar los valores obtenidos; y los resultados fueron
consistentes con los obtenidos por perfilometría. En las Fig. 4.9 (a, b y c) se muestran
diferentes fotografías obtenidas por AFM, de la superficie del poly-Si, de un proceso
desarrollado a 1100ºC: (a) perfil lineal de la rugosidad; (b) vista superficial,
mostrando una estructura tipo granular 100; y (c) vista tridimensional. Así mismo,
en la Fig. 4.9 (d, e y f) se muestran diferentes fotografías, de la superficie de las
películas de poly-Si, de un proceso desarrollado a 1000ºC: (d) perfil lineal de la
rugosidad; (e) vista superficial; y (f) vista tridimensional.
- 68 -
Se puede observar una reducción significativa de la rugosidad sobre las muestras con
procesos desarrollados a 1000ºC en comparación con los desarrollados a 1100ºC, lo
cual tiene un efecto benéfico en la definición de los bordes de las geometrías (ver Fig.
4.6).
(a) (d)
(b) (e)
(c) (f)
Fig. 4.9: Morfología de las muestras del proceso bajo estudio. poly-Si desarrollado a 1100ºC: (a)
perfil de la rugosidad; (b) vista superficial; y (c) vista tridimensional. Se indica la rugosidad las
películas de poly-Si desarrollado a 1000ºC: (d) perfil de la rugosidad; (e) vista superficial; y (f)
vista tridimensional.
- 69 -
4.5 Proceso de liberación mecánica de las estructuras
Como se explicó en la revisión del estado del arte, el proceso de liberación
mecánica de las estructuras es la única etapa que hace diferente a la técnica de
micromaquinado superficial respecto a las tecnologías de fabricación de CI’s
convencionales. En el proceso PolyMEMS, ésta etapa de liberación se desarrolló en
función de la capacidad de la infraestructura del LM del INAOE. Por lo que
únicamente se utilizaron técnicas de grabado húmedo en base a HF, BHF, y como una
alternativa se utilizó la solución RH (Riedel-de Haen) en base a NH4F.
Con el objetivo de conocer el tiempo de grabado de la película de PSG, se
determinó la razón de grabado lateral de las soluciones, utilizando procesos con
películas estructurales con grosor de ~1µm, con la finalidad de poder observar
mediante un microscopio óptico el avance del frente de grabado (etch front) a lo
ancho de las estructuras, principalmente sobre los puentes de mayores dimensiones.
En la Fig. 4.10 se muestra una imagen de la sección de puentes durante el proceso de
liberación mecánica de las estructuras mediante solución de HF al 49% Wt. a
temperatura ambiente a diferentes tiempos. Este experimento permitió conocer que la
razón de grabado lateral de la película de sacrificio (PSG 1) mediante la solución HF
49% Wt. es ~ 4µm/min; de la solución BHF, ~ 200nm/min; y de la solución RH, ~
500nm/min.
Es importante señalar que el tiempo total de grabado (26 minutos, para el caso
de la solución de HF), lo imponen las estructuras de 200µm de ancho (e.g., puentes)
por el hecho de que no tiene orificios para acelerar el proceso de grabado; su
liberación se consigue grabando lateralmente 100µm por lado, en comparación con
las estructuras de 5µm, las cuales se liberan completamente durante las etapas
iniciales de grabado (< 2 minutos).
- 70 -
(a) (b)
(c) (d)
Fig. 4.10: Monitoreo mediante microscopía óptica del grabado lateral mediante solución HF
49% Wt. de las películas de PSG: (a) transcurridos 6 minutos; (b) 12 minutos; (c) 18 minutos;
y (d) 26 minutos, de grabado. Notar que en (d) se ha eliminado completamente la película de
PSG.
4.5.1 Alternativas para el grabado del PSG
En la Tabla 4.2 se listan tres diferentes grabantes utilizados comercialmente
en el proceso de liberación mecánica para procesos que utilizan PSG como material
de sacrificio. La solución mostrada en el inciso (a), indica que las soluciones BHF
tienen una pobre selectividad respecto al aluminio. La solución (b), Riedel-de Haen
(RH) muestra una mejor selectividad respecto al aluminio (40), sin disminuir la razón
de grabado del PSG. La solución (c) es una modificación de la solución (b), a la cual
Frente de Grabado
Frente de Grabado
Frente de Grabado
- 71 -
se le han agregado inhibidores de corrosión del aluminio y sustancias tensoactivas, las
cuales forman una emulsión (dos líquidos insolubles adyacentes) sobre la superficie
del aluminio, reduciendo la eventual corrosión del aluminio. La solución (d) se
consigue elevando la temperatura de la solución (b), a 50ºC, esta prueba se realizó en
el INAOE, se obtuvo una buena selectividad (50), superando la razón de grabado de
las otras alternativas. Es de interés observar que el uso de la solución RH permitiría
realizar el proceso de liberación con las zonas metalizadas expuestas, sin utilizar la
mascarilla de pasivación.
Tabla 4.2: Comparación entre diferentes grabantes comerciales de PSG. Se indican
las razones de grabado sobre PSG y Aluminio (RPSG, RAl), y la selectividad de los
grabantes respecto al aluminio (S=RPSG/RAl).
Solución
RPSG (nm/min)
RAl (nm/min)
Selectividad PSG/Al
(a) BHF * (5:1) (25ºC) 200 100 2 (b) RH † (25ºC) 200 5 40 (c) Vapox III § (22ºC) 400 3 133 (d) RH (50ºC) 500 10 50
* Solución diluida de HF 49%, con solución buffer (NH4F) en proporción (7:5:1; H2O: NH4F: HF) [kirt, 1996]. † Solución Riedel-de Haen (RH), a base de (CH3COOH:NH4F:H2O) 33% [kirt, 1996]. § Solución de (CH3COOH:NH4F:H2O), inhibidores de corrosión y surfactantes <www.transene.com >.
El tiempo relativamente largo requerido para la liberación completa de las
microestructuras, hizo necesario un análisis de la corrosión originada por las
soluciones grabantes sobre la superficie de películas estructurales y de interconexión
eléctrica (poly-Si y Al), las cuales están expuestas al grabante durante el proceso de
liberación. La prueba consistió en medir la rugosidad sobre la superficie mediante un
perfilómetro. Las películas fueron expuestas estas dos soluciones
(independientemente) durante 30 minutos a una temperatura de 30ºC. En la Tabla 4.3
se muestran los resultados obtenidos: la rugosidad (Rms) de las películas de Al y
poly-Si sin exposición a los grabantes, es 11.3nm y 10.1nm respectivamente. La
rugosidad medida sobre las películas de poly-Si después del tratamiento incrementó
- 72 -
en un 22% y 178%; sobre las películas de aluminio en un 17% y 60%, para los
tratamientos con las soluciones RH y BHF respectivamente.
Tabla 4.3: Comparación de la rugosidad (Rms) generada por las soluciones
grabantes para PSG (BHF, y RH) durante 30 minutos a 30ºC sobre películas
de poly-Si y Al.
Rugosidad Rms (nm) Solución Polisilicio Aluminio
Inicial 11.3 10.1 RH 13.8 11.8
BHF 31.4 18.9
Se puede observar que la solución RH muestra mejores resultados al
incrementar sólo ligeramente la rugosidad de las películas bajo estudio, en
comparación con la solución BHF, lo cual es un factor crítico cuando se utilizan
películas delgadas, ya que la rugosidad puede dominar las propiedades de los
materiales, como se comentó anteriormente.
4.5.2 Alternativas para el secado de las estructuras
La etapa de secado final es determinante en el rendimiento del proceso de
liberación mecánica de las microestructuras, ya que se ha demostrado que los eventos
de colapso de las microestructuras suceden en esta etapa de secado principalmente.
Como se comentó en el Capítulo 2, es posible predecir la longitud máxima a la cual
las estructuras (Trampolines) se colapsarán por la presencia de fuerzas capilares
originadas por líquidos atrapados debajo de las estructuras, utilizando la Ec. 2.3
[Mastrangelo, 1993]. En la Fig. 4.11 se muestra una fotografía obtenida por
microscopio electrónico de la sección de Trampolines correspondientes a un proceso
de secado realizado utilizando H2O como solvente: la longitud máxima calculada
mediante la Ec. 2.3 es l = 60µm; en la imagen se ilustra que la longitud del Trampolín
sin presentar colapso es de longitud l = 50µm.
- 73 -
Fig. 4.11: Sección de Trampolines del circuito PolyMEMS fabricado con dos niveles de poly-
Si, mostrando una longitud máxima de 50µm, de un proceso de secado realizado utilizando
H2O como solvente.
Las estructuras con dimensiones mayores a 50µm presentan eventos de colapso
de manera sistemática, en diferentes dados de una misma oblea, y entre obleas de
diferentes corridas. En la Fig. 4.12 se muestran dos imágenes obtenidas por SEM de
microestructuras colapsadas obtenidas de procesos en donde el secado final se realizó
mediante H2O como solvente.
Fig. 4.12: Microestructuras fabricadas utilizando dos niveles de poly-Si, presentando colapso.
Para la etapa de secado final de las estructuras se utilizó alcohol isopropílico
(isopropanol: IPA) como solvente, por el hecho de tener un valor de tensión
superficial relativamente bajo (a temperatura ambiente) en comparación con solventes
como el agua, acetona y metanol principalmente, con la posibilidad de reducir su
tensión superficial incrementando su temperatura. Finalmente se utilizó una mezcla
de Isopropanol – Resina (‘1225’). Es importante mencionar que el uso de Isopropanol
como solvente para el secado final de las estructuras, es la mejor opción de acuerdo a
la capacidad de infraestructura del LM del INAOE, como se justificó en el Capítulo
2.
- 74 -
La rutina para el secado final se representa esquemáticamente en la Fig. 4.13. Su
desarrolló es el siguiente: finalizado el proceso de liberación mecánica de las
estructuras; es decir, habiendo eliminado completamente la película de PSG (Fig.
4.13 (a)); se procede a sustituir gradualmente el grabante de PSG (solución de HF o
RH) por el solvente IPA a 65ºC (Fig. 4.13 (b)) en proporción 1:15 (e.g., 1:15;
HF:IPA), evitando que la muestra pierda el contacto con el medio líquido y que la
solución disipe temperatura; una vez que se ha sustituido completamente el grabante
por el solvente (Fig. 4.13 (c)), se agrega resina 1225 al solvente (Fig. 4.13 (d))
mediante un gotero (~15ml), este paso tiene la finalidad de crear “postes temporales”
de resina debajo de las estructuras liberadas para evitar su colapso; posteriormente se
evapora el solvente a temperatura ambiente en campana de extracción (Fig. 4.13 (e));
y finalmente se eliminan los postes temporales de resina mediante plasma de oxígeno
(O2) utilizando el sistema de grabado químico seco RIE (Reactive Ion Etching), Fig.
4.13 (f).
Fig. 4.13: Representación esquemática del proceso de secado mediante Isopropanol y
Resina: (a) grabado de la película de PSG mediante HF; (b) disolución gradual de la
solución de HF con Isopropanol; (c) sustitución de la solución de HF por Isopropanol;
(d) mezcla de Isopropanol – Resina; (e) evaporación del Isopropanol; y (f) eliminación
de la resina utilizando plasma de O2 (MicroRIE).
(c) (d)
(e) (f)
(a) (b)
c-Si HF IPA Si3N4 poly-Si Resina
- 75 -
El uso del proceso de secado de las estructuras mediante Isopropanol – Resina
disminuyó sustancialmente los eventos de colapso de las microestructuras, en
comparación con el uso de los demás solventes.
En la última sección de este Capítulo se presenta una serie de imágenes
obtenidas por SEM de los diferentes procesos de fabricación desarrollados en el
presente trabajo de tesis, haciendo énfasis en las alternativas de propuestas en el
proceso PolyMEMS – INAOE.
4.6 Caracterización mecánica de las microestructuras
La caracterización mecánica de las microestructuras se realizó mediante un
microscopio óptico y SEM; la cual consistió en la determinación de los esfuerzos y
gradientes de esfuerzo residuales presentes en los materiales estructurales, mediante
las estructuras de pruebas incluidos en el patrón geométrico PolyMEMS III. Como se
comentó en el Capítulo 3, los esfuerzos residuales se determinaron de manera
cuantitativa mediante estructuras suspendidas tipo Puente; los gradientes de esfuerzo
se determinaron cualitativa y cuantitativamente mediante estructuras tipo Espiral y
Trampolines, respectivamente. Para la caracterización mecánica se emplearon las
temperaturas máximas del proceso ECMOS (1100ºC) y del proceso PolyMEMS
(1000ºC). En algunos casos las microestructuras fueron recocidas adicionalmente
(tratamiento térmico post-dopado), como se explica a continuación.
Los procesos desarrollados a 1100ºC exhiben sistemáticamente gradientes de
esfuerzo positivos, monitoreados cualitativamente mediante las estructuras tipo
Espiral. En contraste, las microestructuras fabricadas con procesos a 1000ºC, no
presentan gradientes de esfuerzo. En las pruebas exclusivamente mecánicas (sin
metalización), se observaron esfuerzos residuales de hasta -53.6MPa sobre muestras
sin tratamiento post-dopado, es decir; las películas solo se procesaron durante 70
minutos a 1000ºC para propósitos de dopado, y posteriormente las estructuras fueron
liberadas del sustrato (ver Apéndice A).
- 76 -
Por el hecho de que los esfuerzos residuales de compresión disminuyen con la
temperatura, se realizaron tratamientos térmicos post-dopado sobre las películas
estructurales, con temperaturas de 1000ºC y 1100ºC durante 30 minutos adicionales
en ambiente inerte (N2).
4.6.1 Esfuerzos residuales intrínsecos
A continuación se presentan los resultados relacionados con los esfuerzos y los
gradientes de esfuerzo observados en los materiales estructurales, en función de los
ciclos térmicos post-dopado. Se realizaron pruebas mecánicas sobre microestructuras
suspendidas fabricadas con poly-Si 2, sin tratamiento térmico post-dopado (Apéndice
A); y sobre estructuras con tratamiento post-dopado El tratamiento post-dopado se
realizó utilizando dos temperaturas, 1000ºC y 1100ºC durante 30 minutos en
ambiente de nitrógeno, lo cual promueve recristalización y con ello una reducción
significativa de los esfuerzos residuales de compresión ( 0<intσ ).
En la Fig. 4.14 se muestran dos fotografías de la sección de puentes del
circuito PolyMEMS; el puente de menor longitud que exhiba una longitud de
deformación (longitud crítica de deformación (buckling)) Lcr proporciona un
resultado preciso de los esfuerzos residuales. La fotografía de la Fig. 4.14 (a)
corresponde a un proceso sin tratamiento térmico post-dopado; la fotografía de la Fig.
4.14 (b), a un proceso con tratamiento térmico post-dopado. En la Fig. 4.14 (a) se
puede apreciar un puente con longitud crítica de deformación (señalado con flechas)
Lcr = 200µm, lo que corresponde a una deformación (Ec. 3.5, con z = 2µm) de 4103.3 −−= xcrε . A partir de la Ec. 3.2 es posible determinar el esfuerzo residual
(uniaxial) de las películas de poly-Si sin tratamiento post-dopado; utilizando un valor
de módulo de Young GPaE 160= [French, 2002] se obtiene el esfuerzo residual
de compresión MPa6.53−≈intσ .
- 77 -
Un análisis similar sobre las películas de poly-Si con tratamiento post-dopado da
como resultado un valor de deformación (Ec. 3.5, con z = 2µm, y Lcr = 400µm) de 5102.8 −−= xcrε , un esfuerzo residual (Ec. 3.2, con E = 160Gpa) de compresión
MPa2.13−≈intσ , lo que a su vez resulta en una disminución del 25% de los
esfuerzos residuales de compresión.
(a) (b)
Fig. 4.14: Esfuerzos residuales de compresión presentes en microestructuras suspendidas
fabricadas utilizando dos niveles de poly-Si: (a), sin tratamiento post-dopado, y (b), con
tratamiento térmico post-dopado.
4.6.2 Gradientes de esfuerzo residuales intrínsecos
Los procesos desarrollados utilizando una temperatura máxima de 1100ºC
exhiben sistemáticamente gradientes de esfuerzo positivos, los cuales fueron
monitoreados cualitativamente mediante las estructuras tipo Espiral de Arquímedes;
en comparación con las microestructuras fabricadas con procesos desarrollados a
1000ºC, las cuales no presentan evidencia de gradientes de esfuerzo. En la Fig. 4.15
se presentan dos imágenes obtenidas mediante un microscopio óptico (magnificación
10x), de estructuras tipo Espiral con soporte al centro y ancho de pista de 10µm. Una
estructura utilizando una temperatura máxima de 1100ºC, se presenta en la Fig. 4.15
(a), en donde el cambio de enfoque de la imagen indica que la estructura se deforma
saliendo del plano de la oblea, en contraste con la Fig. 4.15 (b).
- 78 -
La determinación cualitativa de la presencia de gradientes de esfuerzo es evidente de
la Fig. 4.15 (a); sin embargo, es necesario realizar un análisis cuantitativo mediante
otros medios, ya que ambas estructuras de la Fig. 4.15 no proporcionan información
suficiente. En este caso específico, se realizó un análisis de los gradientes de esfuerzo
mediante el uso de estructuras tipo Trampolín. El análisis consistió en determinar la
deflexión del extremo libre (no anclado) respecto al extremo fijo, mediante un
microscopio óptico. Una vez determinado el valor de la deflexión (h = 0.5µm), y
conociendo la longitud (L = 200µm) del trampolín y el parámetro mecánico conocido
como módulo de elasticidad o Young (E = 160Gpa) [French, 2002], es posible
determinar el gradiente de esfuerzo presente en la estructura mediante la Ec. 3.7.
Del análisis se observó un comportamiento sistemático de la deflexión entre
diferentes dados de una misma oblea, y entre obleas de diferentes procesos,
encontrando que el gradiente de esfuerzo presente en la película estructural de poly-Si
2, es: ∆σint/z = - 4 Mpa, el cual es un parámetro aceptable respecto a lo reportado en
el estado del arte [Buschow et al., 2001].
Fig. 4.15: Imágenes obtenidas mediante un microscopio óptico, de estructuras tipo Espiral:
(a), de un proceso realizado a 1100ºC; y (b), de un proceso realizado a 1000ºC.
(a) (b)
- 79 -
4.7 Caracterización eléctrica de las microestructuras
En el proceso ECMOS del INAOE el dopado de poly-Si (6000Ǻ) se realiza a
una temperatura de 1050ºC durante 20 minutos, obteniendo valores de resistencia
laminar de 10 ± 5 Ω/. Como se justificó anteriormente la necesidad de disminuir la
temperatura de proceso, en el proceso PolyMEMS el dopado de las películas de poly-
Si se realiza a 1000ºC, sin embargo, el tiempo de dopado es relativamente largo, el
cual está en función del grosor de la película estructural. En la Tabla 4.4 se listan los
valores nominales de resistencia laminar, el porcentaje de variación y el grosor
obtenidos para cada película de poly-Si. Es importante indicar que en el proceso
PolyMEMS se tiene especial interés en el uso de películas estructurales de alta
conductividad eléctrica, para aplicaciones en actuadores electrotérmicos y
electrostáticos, principalmente.
Tabla 4.4: Resistencia laminar y grosor nominal de las películas
estructurales.
Película Estructural R [Ω/] Grosor [µm]
poly-Si 1 15 ± 2 0.5 ± 0.1 poly-Si 2 5 ± 2 2.0 ± 0.2 poly-Si 3 5 ± 2 1.5 ± 0.1
La caracterización eléctrica consistió en utilizar resistencias de polisilicio para
obtener las curvas corriente – voltaje (I-V), mediante el uso de la fuente de voltaje
2400 del LM del INAOE. De estas estructuras se espera observar un comportamiento
lineal y simétrico de las curvas corriente voltaje, es decir; que los contactos presentes
en las estructuras sean no rectificadores (óhmicos); finalmente se hizo una
comparación de las mediciones realizadas con el valor esperado. El valor de
resistencia R esperado para cada microestructura se obtiene mediante la Ec. 4.2, en
donde la resistencia laminar, R (R = ρ/th) es un valor medido sobre las películas
durante el proceso; w, l, th, son el ancho, largo y grosor de la microestructura,
respectivamente.
- 80 -
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛=
thwl
wlRR
·[] ρ (4.2)
El grabado lateral en rampa (~ 54º) de las películas estructurales origina un
incremento en la resistencia medida debido a la pérdida de volumen, como se explica
a continuación. En la Fig. 4.16 se ilustra esquemáticamente el grabado lateral en
rampa sobre una película de poly-Si de 2µm de grosor, 4.5µm de ancho, y 250µm de
longitud. Se puede observar que el efecto final del volumen fraccional eliminado
)2/··(2 lthw∆ resulta en un incremento del valor de la resistencia R, ya que w1 < w,
en donde www ∆−=1 , la cual no considera el volumen fraccional eliminado,
siendo ∆w ~ 2.2µm (este valor se midió con un microscopio óptico (magnificación de
100x)).
(a) (b)
(c) (d)
Fig. 4.16: Representación esquemática del grabado lateral en rampa de una película de poly-Si:
(a), sección transversal, en donde la línea punteada representa la estructura sin grabado
lateral; (b), vista tridimensional; (c), representación del volumen fraccional eliminado
( )lthw ··∆ durante el grabado; (d), representación simplificada del volumen final que
contribuirá en la resistencia real medida.
w1
th
l
th
∆w
th
∆w
w
l
w
th
∆w [111]
[110]
[100]
- 81 -
En la Tabla 4.5 se muestra el valor esperado, medido y el calculado, para este último
se utilizó la Ec. 4.2. El valor calculado es una buena aproximación al valor medido,
considerando errores de paralelaje en la lectura de ∆w, ya que ésta se realizó
mediante un microscopio óptico. En la Fig. 4.17 se muestra una serie de curvas
corriente voltaje de la estructura bajo estudio (en un rango de -3V a 3V), realizadas
en cinco diferentes dados, se pueden observar el comportamiento característico de un
elemento resistivo, exhibiendo un valor de resistencia de ~ 500Ω.
Tabla 4.5: Valor esperado, medido y calculado a partir de la relación que desprecia
el volumen fraccional eliminado.
Esperado [w] Medido Calculado [w1] Resistencia [Ω] 250 ~ 500 543
Fig. 4.17: Curvas corriente voltaje de un actuador TIM de un brazo, mostrando
un valor de resistencia de 500 ± 100Ω.
- 82 -
Las demás microestructuras caracterizadas mostraron un comportamiento similar,
exhibieron variaciones de ±10% de su valor promedio; la resistencia medida de las
microestructuras con w > 20µm, no fue afectada significativamente por la pérdida de
volumen.
4.8 Microestructuras suspendidas
En esta sección de resultados experimentales se muestran imágenes
representativas de cada proceso realizado en el presente trabajo de tesis. Se hace una
comparativa entre microestructuras fabricadas utilizando ambas temperaturas de
proceso (ECMOS y PolyMEMS), enfocándose principalmente en la rugosidad de los
bordes (LER) de las geometrías; en la disminución de los esfuerzos residuales
mediante ciclos térmicos post-dopado; asimismo se hace una comparación de las
diferentes alternativas de secado final de las estructuras posterior a la etapa de
liberación.
4.8.1 Análisis cualitativo de la rugosidad de los bordes (LER)
Como se comentó anteriormente sobre la dependencia de la definición y
rugosidad de los bordes (LER: Lateral Edge Roughness) con la temperatura, en la
Fig. 4.18 se muestran cuatro fotografías obtenidas por SEM: (a, b), de procesos
preliminares a este trabajo de tesis, en los que se emplearon también las condiciones
del proceso ECMOS; (c, d), de procesos desarrollados utilizando las condiciones
actuales del proceso PolyMEMS. Es importante observar que el grosor de las
películas estructurales de las figuras 4.18 (a, b) y 4.18 (c, d) es de 1µm y 3µm
respectivamente; es decir, las películas estructurales mostradas en las figuras 4.18 (c,
d) fueron tratadas a elevadas temperaturas (durante la etapa de dopado) un mayor
tiempo en comparación con las mostradas en las figuras 4.18 (a, b), siendo aún
mejores los resultados mostrados en las figuras 4.18 (c, d), en las microestructuras
desarrolladas bajo las condiciones del proceso PolyMEMS.
- 83 -
(a) (b)
(e) (d)
Fig. 4.18: Rugosidad de los bordes (LER) de microestructuras fabricadas mediante
condiciones de proceso ECMOS, (a, b); y utilizando condiciones del proceso PolyMEMS, (c, d).
4.8.2 Alternativas para el secado de las estructuras
En la Fig. 4.19 se hace una comparación entre dos procesos de secado final de
las microestructuras: (a, b) utilizando agua como solvente; y (c, d, e) utilizando
Isopropanol, para el secado de las microestructuras, en donde se observan estructuras
exhibiendo colapso. En la Fig. 4.19 (a, c) se muestran dos estructuras tipo anillo
parcialmente colapsadas en la parte central; en las Fig. 4.19 (b, d) se presentan
imágenes de dos espejos de torsión colapsados por uno de sus extremos.
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(a) (b)
(c) (d)
(e)
Fig. 4.19: Comparativa entre diferentes alternativas de secado: (a, b), utilizando
H2O como solvente; y (c, d, e); utilizando Isopropanol.
En la Fig. 4.20 se muestra una serie de imágenes obtenidas por SEM, de
microestructuras utilizando una mezcla de Isopropanol – Resina como solvente para
el proceso final de secado. En la Fig. 4.20 (a) se muestra una estructura tipo Espiral
anclado por el centro; (b), base de Espiral anclado por un extremo; (c, d), espejos de
torsión; (e), sección de puentes de 50µm; (f); anillo de 94 µm de diámetro; (g),
trampolín de 50µm de longitud.
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(a) (b)
(c) (d)
(e) (f)
(g)
Fig. 4.20: Microestructuras suspendidas utilizando una mezcla de Isopropanol – Resina como
solvente para el secado de las microestructuras.
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4.9 Resumen
Se presentaron los principales resultados experimentales de este trabajo de
tesis. Se establecieron las condiciones óptimas en el proceso fotolitográfico para la
obtención sistemática de geometrías con dimensiones mínimas de 5µm. Se analizó el
perfil de grabado de las películas estructurales y su influencia en la resistencia
eléctrica medida sobre las microestructuras. Se confirmó con otras referencias
[Kamins, 1998; Bushow et al., 2001] que la rugosidad superficial de las películas
estructurales depende fuertemente de los ciclos térmicos post-depósito. Se estableció
una temperatura máxima de proceso de 1000ºC, la cual está determinada por el
proceso RPSG, ya que la etapa de dopado de las películas estructurales puede
realizarse a una temperatura menor. La realización del proceso RPSG a la
temperatura propuesta no provocó efectos negativos en la conformalidad de la
película de sacrificio (PSG). Asimismo se detalló el proceso de liberación mecánica
de las estructuras, en donde se utilizaron distintas alternativas de grabantes para PSG,
con la finalidad de incrementar la selectividad respecto a la resina y aluminio. Se
propuso el uso de solventes con tensiones superficiales bajas (en comparación con el
agua, e.g., IPA), para el secado de las estructuras, y con el propósito de disminuir los
eventos de colapso. Se mostraron resultados referentes a la caracterización eléctrica y
mecánica de las microestructuras, enfatizando en los esfuerzos y gradientes de
esfuerzo presentes en los materiales estructurales. Finalmente se hizo una
comparativa entre los diferentes experimentos desarrollados mediante el proceso de
fabricación PolyMEMS – INAOE.
En el siguiente Capítulo se concluyen los resultados experimentales mostrados
en el presente trabajo y se comenta el trabajo futuro a realizar.
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Referencias
Buschow, K., Cahn, W., Flemings, M., Ilshner, B., Kramer, J., Mahajan, S., 2001, “Encyclopedia
of Materials: Science & Technology”, Vol. 8, Elsevier, Pág. 7724-7735.
French, P., 2002, “Polysilicon: a versatile material for microsystems”, S. and A., A99, Pág. 6, 7.
Hoehn, L., Niven, I., 1985, "Averages on the Move", Math. Mag., Pág. 58, 151-156.
Kamins, T., 1998, “Polycrystalline Silicon For Integrated Circuits & Displays”, Kluwer Academic
Publishers, Pág. 97-98, 311, 313-314.
Kirt. R. W., 1996, “Etches Rates for Micromachining Process”, J. of Microelectromechanical
Systems, Vol.5, No.4, Pág. 257.
Mastrangelo, C., Hsu, C., 1993, “Mechanical stability and adhesion of microstructures under
capillary forces. I. Basic theory”, J. of Microelectromechanical Systems, Vol. 2, Pág. 33-43.
Mohamed, G., 2006, “MEMS: Design and Fabrication”, CRC Press, Pág. 3-165-168.
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Capítulo 5 Conclusiones & Trabajo Futuro
5.1 Conclusiones
• La realización del presente trabajo de tesis se desarrolló en función de la
infraestructura del Laboratorio de Microelectrónica del INAOE, considerando la
necesaria compatibilidad con el proceso ECMOS 1 – INAOE.
• Se presentó el desarrollo y la caracterización inicial del proceso de fabricación de
microestructuras de silicio policristalino, denominado PolyMEMS, el cual será
útil para la fabricación de estructuras mediante micromaquinado superficial con
dos niveles de materiales estructurales.
• La fabricación de microestructuras mediante micromaquinado superficial requiere
de un estricto control de las propiedades eléctricas y mecánicas de los materiales
estructurales. Específicamente en el proceso PolyMEMS se mostró especial
interés en las propiedades de las películas de poly-Si, ya que en este proceso es el
material utilizado para la fabricación de las diversas estructuras estáticas o
dinámicas. Si bien existe una tendencia en el comportamiento mecánico y
eléctrico de los materiales, mismo que está en función del método de obtención
(e.g., sistema LPCVD para poly-Si) y de los ciclos térmicos post-depósito,
principalmente, es indispensable realizar un profundo análisis de estas
propiedades en cada laboratorio, con la finalidad de conocer las características y
alcances de cada proceso de fabricación en particular.
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• Por primera vez en el INAOE, se determinaron cualitativa y cuantitativamente
algunos parámetros mecánicos de películas de silicio policristalino: i) esfuerzos
residuales intrínsecos (< ±20MPa), y ii) gradientes de esfuerzos residuales (<
±10MPa/µm), los cuales se encuentran dentro de los valores establecidos en el
estado del arte.
• Se logró disminuir la rugosidad (~80%) de las películas de poly-Si, hecho que
brinda la posibilidad de poder definir geometrías con dimensiones (ancho)
inclusive menores a 5µm. Esto permitiría la fabricación de microestructuras
(sensores y actuadores) capaces de tener deflexiones en el plano paralelo a la
superficie de la oblea, estructuras con sinfín de aplicaciones comerciales.
• En contraste con el proceso ECMOS, resulta de especial interés notar que el
desarrollo la etapa RPSG a la temperatura de 1000ºC, no provocó efectos
negativos en la conformalidad de las películas de PSG.
• La disminución de la temperatura en la etapa de dopado del poly-Si, no influyó de
manera negativa en la resistencia superficial ni en la resistividad final de las
películas estructurales; es decir, la concentración de dopantes de las películas de
poly-Si del proceso PolyMEMS es comparable con el proceso ECMOS del
INAOE, ya que la solubilidad del sólido del fósforo en silicio a temperaturas de
1000 ºC y 1050 ºC está en el orden de 1021cm-3.
• Se analizó el perfil de grabado de las películas estructurales y su influencia en la
resistencia eléctrica medida sobre las microestructuras, con lo que se puede
concluir que, el perfil de dopado de las películas de poly-Si es uniforme.
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5.2 Trabajo Futuro
• Lograr perfiles anisotrópicos sobre las películas estructurales utilizando técnicas
de grabado seco (RIE), mediante plasma de Cl2, ya que la obtención sistemática
de perfiles rectos en las películas estructurales, brinda la posibilidad de fabricar
una gran variedad de sensores y actuadores con deflexiones en el plano paralelo a
la superficie de la oblea.
• Realizar el pulido mecánico químico (CMP) de las películas estructurales, con la
finalidad de planarizar la superficie del polisilicio, y mejorar la definición de las
microestructuras.
• Realizar la caracterización (electrotérmica, electrostática) de los sensores y
actuadores incluidos en el circuito de pruebas. Evaluar su comportamiento y de
ser necesario re-diseñar las estructuras con la finalidad de optimizar su eficiencia,
y así concluir con el proceso de fabricación microestructuras estáticas y dinámicas
con tres niveles de polisilicio.
• Proponer el diseño de microestructuras (sensores y actuadores) que se ajusten a la
capacidad de infraestructura del Laboratorio de Microelectrónica del INAOE, es
decir; que el funcionamiento de las microestructuras no dependa las limitaciones
físicas de los equipos (e.g., del proceso litográfico).
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Apéndice A Proceso de Fabricación PolyMEMS
El proceso PolyMEMS del INAOE se desarrolla utilizando cinco materiales y
nueve niveles de mascarillas; obleas de silicio cristalino con orientación (100) de 2”
de diámetro como soporte mecánico (por lo que el tipo y resistividad pueden
cambiar); dos niveles de materiales estructurales de poly-Si, uno fijo al sustrato
utilizado como electrodo, y un nivel suspendido para la fabricación de estructuras
mecánicas, sensores y actuadores; vidrio de fosfosilicato (PSG) como material de
sacrificio (o soporte mecánico temporal), aluminio (Al) como material de
interconexión eléctrica, y dióxido (SiO2) y nitruro (Si3N4) de silicio como aislantes
eléctricos. El propósito final es desarrollar un proceso de micromaquinado superficial
compatible con el proceso CMOS del INAOE. A continuación se describe
detalladamente el proceso PolyMEMS INAOE:
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1. Limpieza General de las Obleas en Campanas de Extracción: Desengrasado:
Introducir las obleas en TCE, en vibrador ultrasónico: Tiempo = 10minutos Introducir las obleas en Acetona, en vibrador ultrasónico: Tiempo = 10minutos Enjuagar tres veces con H2O DI.
Eliminación del Óxido Nativo: Introducir las obleas en solución buffer 7:1 Tiempo ~ 30 segundos Verificar que las muestras sean hidrofóbicas Enjuagar dos veces con H2O DI.
Limpiezas Estándar RCA’s: Para eliminar residuos metálicos e iónicos.
Introducir las obleas en el sistema Súper Q: Esperar una Resistividad > 16MΩ Secado en centrífuga.
2. Oxidación Térmica (horno de oxidación inicial):
Limpiezas Estándar RCA’s. Condiciones:
Grosor esperado (tox) = 1000 Å Temperatura = 1100ºC, diales (590/713/495) Tiempo = 45min Flujo de O2 = 45ss (1550sccm).
3. Depósito de Si3N4 LPCVD:
Limpiezas Estándar RCA’s. Condiciones para horno LPCVD 2”:
Grosor = 1,000 Å Temperatura = 750ºC, diales (650/335/670) Tiempo = 20min Presión Base < 50mTorr Flujos y Presiones:
SiH4: 33ss; 510mTorr, NH3: 100ss; 2Torr.
4. Depósito de Material Estructural 1 (poly-Si 1) LPCVD: Limpiezas Estándar RCA’s.
Condiciones para LPCVD 2”: Grosor = 5000Ǻ Tiempo = 30min Temperatura = 650ºC, diales (650/235/670) Flujo y Presión de SiH4 (5% en N2) = 130ss, 1.565Torr.
5. Dopado (n+) de poly-Si 1 (horno de dopado de poly-Si):
Condiciones: Tiempo = 35min Temperatura = 1000ºC, diales (525/605/525). Flujos: N2 = 25ss (1 SLPM), O2 = 10ss (200 sccm), PH3 (1% en N2) = 80ss. Eliminar vidrio de fósforo con solución 7:1; Tiempo ~ 1:00min.
NOTA: en la eliminación del vidrio de fósforo verificar que la superficie sea hidrofóbica. La resistencia laminar esperada es Rs = 15±Ω/. Incluir un piloto para realizar mediciones de Rs.
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6. Oxidación de poly-Si 1 (Enmascarante: poly-SiO2 1): Limpiezas Estándar RCA’s.
Condiciones: Grosor esperado (tox) ~ 800Ǻ Temperatura = 900ºC, diales (590/513/495) Tiempo = 10min Flujo: H2O(vapor).
7. Litografía poly-Si 1 (Mascarilla “1”):
Desengrasado: (ver paso 1) Precalentamiento de las obleas (para favorecer la adherencia de la resina) Tiempo = 10min @ 110ºC.
Aplicar Resina Positiva (ma-P 1205), condiciones: Tiempo = 30seg @ 3000rpm, Grosor ~ 4000Ǻ. Pre-cocido de la resina: Tiempo = 10min, Temperatura = 85ºC. Exposición a UV: Tiempo = 4seg. Revelado (positivo al 1.5%): Tiempo = 4seg, verificar al microscopio óptico. Re-cocido de la resina: Tiempo = 20min, Temperatura =110ºC.
NOTA: Verificar que exista un buen contacto oblea-mascarilla para la transferencia fiel de los patrones.
8. Grabado Seco de poly-SiO2 1 (en MicroRIE):
Condiciones: Plasma de CF4 Presión = 250mTorr Potencia = 150W Tiempo = 3:30min
Eliminar resina con acetona en vibrador ultrasónico: Tiempo ~ 10min Enjuagar dos veces con H2O DI.
9. Grabado Húmedo de poly-Si 1: Condiciones:
Solución de KOH al 45%Wt., Tiempo ~ 10min, Temperatura = 40ºC.
NOTA: Utilizar un piloto para medir el escalón; observar al microscopio óptico (Magnificación: 100X), hasta ver uniformidad sobre las muestras.
10. Depósito de Material de Sacrificio 1 (PSG 1) APCVD (Silox):
Limpiezas Estándar RCA’s. Depósito de SiO2:
Condiciones: Grosor (tox) = 2000Ǻ, Tiempo ~ 3:00min, Temperatura = 450ºC (indicador→520ºC) Flujos: N2(2) = 80ss, O2 = 8ss, SiH4 = 125ss.
Depósito de PSG (SiO2 + P2O5): Condiciones: Grosor = 2µm, Tiempo ~ 30min, Temperatura = 450ºC Flujos: N2(2) = 80ss, O2 = 8ss, SiH4 = 125ss, PH3 = 13ss Tiempo Total: (32-34) min.
NOTA: La capa SiO2/PSG evita la difusión del fósforo del PSG hacia el poly-Si. Incluir un piloto para observar la progresión de los colores mediante la carta de colores.
11. Reflujo de PSG 1 (RPSG) (horno de oxidación inicial):
Limpiezas Estándar RCA’s (ver Paso 1) Tratamiento Térmico en horno de oxidación inicial, Condiciones:
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Tiempo: 30min en H2O(vapor); 20min en N2 = 40ss (1.5SLPM), Temperatura = 1000ºC.
Decapado de la superficie de la película de PSG: Condiciones: solución 7:1, Tiempo = 10seg, enjuagar dos veces con H2O DI, y secar en centrífuga.
NOTA: Es importante realizar los pasos 10 y 11 en secuencia inmediata. 12. Litografía base/poly-Si 2 (Mascarilla “2”):
Desengrasado: (ver paso 1) Precalentamiento de las obleas (para favorecer la adherencia de la resina) Tiempo = 10min @ 110ºC.
Aplicar Resina Negativa (ma-N 1420), condiciones: Tiempo = 30seg @ 5000rpm, Grosor ~ 800nm. Pre-cocido de la resina: Tiempo = 10min, Temperatura = 85ºC. Exposición a UV: Tiempo = 10seg. Revelado (revelador negativo ma-D 533s): Tiempo ~ 38seg, verificar al microscopio óptico. Re-cocido de la resina: Tiempo = 15min, Temperatura =110ºC.
13. Grabado de PSG 1:
Condiciones (Grabado en varias etapas): Solución 7:1 @ 32ºC Tiempo Inicial= 60seg Post-Recocido de la resina en horno de recocido: Tiempo = 10min Realizar subsecuentes recocidos en etapas de 60 segundos de grabado Tiempo Total ~ 12min.
NOTA: El primer grabado deberá ser por un tiempo de 30seg. Continuamente verificar al microscopio óptico la uniformidad de la coloración de las muestras.
14. Depósito de Material Estructural 2 (poly-Si 2):
Repetir condiciones del paso 4; Grosor = 2µm, Tiempo = 2hrs. 15. Dopado (n+) de poly-Si 2:
Repetir condiciones del paso 5; Tiempo = 70min. 16. Oxidación de poly-Si 2 (poly-SiO2):
Repetir condiciones del paso 6.
17. Litografía poly-Si 2 (Mascarilla “3”): Desengrasado (ver paso 1)
Precalentamiento de las obleas (para favorecer la adherencia de la resina) Tiempo = 10min @ 110ºC.
Aplicar resina positiva (ma-P 1225), condiciones: Tiempo = 30seg @ 5000rpm, Grosor ~ 1.7µm. Exposición a UV: Tiempo = 10seg. Pre-cocido de la resina: Tiempo = 15min, Temperatura = 85ºC. Revelado (revelador positivo al 1.5%): Tiempo = 10seg, verificar al microscopio óptico. Re-cocido de la resina: Tiempo = 20min, Temperatura =110ºC.
18. Grabado Seco de poly-SiO2 2 (en MicroRIE):
Repetir condiciones del paso 8.
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19. Grabado Húmedo de poly-Si 2: Repetir condiciones del paso 9; Tiempo ~ 50min.
20. Depósito de Material de Sacrificio 2 (PSG 2):
Repetir condiciones del paso 10; Grosor = 1µm; Tiempo (PSG) = 16min. 21. Reflujo de PSG 2:
Repetir condiciones del paso 11; Tiempo: 15min en H2O(vapor); 10min en N2. 22. Litografía Contactos I (Mascarilla “4”):
Repetir condiciones del paso 12. 23. Grabado de PSG 2:
Repetir condiciones del paso 13: Tiempo Total = 6min. 24. Litografía Base/poly-Si 3 (Mascarilla “5”):
Repetir condiciones del paso 12. 25. Grabado de PSG 2:
Repetir condiciones del paso 13: Tiempo Total ~ 6min. 26. Depósito de Material Estructural 3 (poly-Si 3):
Repetir condiciones del paso 4; Grosor = 3µm, Tiempo = 3hrs.
27. Dopado (n+) de poly-Si 3: Repetir condiciones del paso 5; Tiempo = 100min.
28. Oxidación de poly-Si 3 (poly-SiO2 3):
Repetir condiciones del paso 6. 29. Litografía poly-Si 3 (Mascarilla “6”):
Repetir condiciones del paso 17. 30. Grabado Seco de poly-SiO2 3 (en MicroRIE):
Repetir condiciones del paso 8. 31. Grabado Húmedo de poly-Si 3:
Repetir condiciones del paso 9; Tiempo ~ 115min. 32. Depósito PSG 3:
Repetir condiciones del paso 10; Grosor = 1µm; Tiempo (PSG) = 16min. 33. Reflujo de PSG 3:
Repetir condiciones del paso 11; Tiempo: 15min en H2O(vapor); 10min en N2. 34. Litografía de Contactos II (Mascarilla “7”):
Repetir condiciones del paso 12. 35. Grabado de PSG 3:
Repetir condiciones del paso 25.
NOTA: es importante considerar la rápida oxidación del poly-Si n+, una vez grabada la película de PSG 3, las obleas deberán ser preparadas para el depósito de aluminio.
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36. Depósito de Aluminio PVD: Condiciones:
Grosor = 3µm Tiempo = 2hrs.
37. Litografía de Aluminio (Mascarilla “8”):
Repetir condiciones del paso 17. 38. Grabado de Aluminio
Condiciones: Solución Al-Etch Tiempo Inicial = 4min Temperatura = 40ºC. Post-Recocido de la resina en horno de recocido: Tiempo = 10min. Tiempo Total ~ 12min.
NOTA: verificar al microscopio óptico la uniformidad de las muestras. 39. Aleación del Aluminio (en horno de aleación):
Limpiar las obleas en nítrico fumante: Tiempo = 10min Enjuagar 2 veces con H2O DI.
Condiciones: Tiempo = 30min Temperatura = 450ºC, diales (493/050/494) Flujos: N2 = 60ss, H2 = 40ss.
40. Litografía de Pasivación “Liberación” (Mascarilla “9”):
Repetir condiciones del paso 16.
NOTA: para realizar pruebas mecánicas con dos niveles de poly-Si exclusivamente, no es necesario utilizar la mascarilla de pasivación (liberación), y este paso deberá efectuarse después del paso 17, es decir, se omitirán los pasos 18-32.
41. Liberación mecánica de las estructuras (Grabado de PSG): Condiciones para realizar Pruebas Mecánicas:
Grabado utilizando HF (también con estructuras suspendidas): Solución de HF 49%Wt. Tiempo = 26min Temperatura = 20ºC (ambiente)
Después de grabar completamente el óxido de sacrificio, para enjuagar las muestras es necesario efectuar la siguiente rutina:
Diluir el HF con Isopropanol: sustituir gradualmente el HF por Isopropanol a 65ºC, hasta eliminar por completo el HF (en campana de extracción). Agregar resina (ma-P 1225) a la solución y secar en flujo laminar.
Eliminación de la resina mediante Plasma de O2 (MicroRIE): Flujo = 500mTorr Potencia = 200W
Tiempo = 15min
NOTA: el tiempo de grabado depende de las estructuras que se deseen liberar, es indispensable considerar que la razón de grabado lateral del PSG mediante HF 49%Wt. es ~ 4µm/min; 26 minutos es tiempo suficiente para liberar todas las estructuras.
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Condiciones para Realizar Pruebas Eléctricas sobre estructuras suspendidas: Grabado utilizando Ácido Acético/Fluoruro de Amonio/Agua:
Solución (CH3COOH: NH4F: H2O) 33% @ 50ºC Tiempo = 2:30min Post-Recocido de la resina en horno de recocido: Tiempo = 10min.
NOTA: El primer grabado deberá ser por un tiempo de 60seg. Es importante considerar que la razón de grabado lateral del PSG con la solución (CH3COOH: NH4F: H2O) 33% es ~0.5µm. En ningún caso las estructuras liberadas se secan en centrifuga. Cuando las estructuras de 5µm estén suspendidas, continuar el proceso de grabado con las zonas metalizadas expuestas, aprovechando la alta selectividad de la solución respecto al aluminio (~100); no retirar las muestras del grabante.
NOTAS GENERALES
• El proceso PolyMEMS se realiza utilizando el material denominado “varios” del Laboratorio
de Microelectrónica.
• Es importante asegurar la precisión y la estabilidad de la temperatura y presión especificadas
para cada sistema (LPCVD, APCVD); y es recomendable siempre realizar un depósito de
prueba.
• Se recomienda que el depósito y dopado de las películas de poly-Si sea en secuencia
inmediata; y verificar que la resistencia laminar sea la esperada.
• Es importante realizar limpiezas RCA’s antes de realizar cualquier tratamiento térmico:
depósito, oxidación, dopado, etc. Excepto cuando las muestras estén metalizadas, la limpieza
se realizará mediante una solución de nítrico fumante.
• Antes de realizar la litografía de poly-Si es necesario limpiar las obleas y oxidar térmicamente
el poly-Si; esta rutina se utilizará en todas las etapas que involucren poly-Si.
• La limpieza de desengrasado (así como RCA’s) previa a las etapas de litografía, es
exclusivamente sobre muestras que han estado almacenadas.
• El depósito de las películas de PSG y el proceso RPSG deberá realizarse de manera continua,
ya que la porosidad de las películas absorbe humedad (superficie higroscópica); así mismo, es
de vital importancia realizar el decapado superficial del PSG, antes de realizar la litografía y
grabado sobre este material.
• Es indispensable el uso de pilotos en cada una de las pruebas: en los depósitos y grabados
principalmente; en los depósitos siempre colocar un piloto en la entrada de los gases, esto
asegura uniformidad en las demás obleas.
