Metody a materiály pro vytváření mikrosystémů
materiály monokrystaly C, Si, Ge, GaAs, InF skla vícefázové systémy polykrystalické a amorfní látky porézní látky kompozity materiály prvky Si, Ge, C, Cu, Al, Ni, Cr, Au, Pt oxidy SiO 2, Al 2 O 3, K 2 O, Na 2 0, Li 2 O, CaO, MgO karbidy, nitridy, arsenidy, fosfidy polymery materiály polymery polyolefiny, polyetylén, polypropylén polystyrén - PS polyamidy polymetylmetakrylát - PMMA polykarbonát polyvinylidenfluorid polytetrafluoretylén - TEFLON polyetereterketon - PEEK epoxidy kaučuky silikonové elastomery polydimetylsiloxan - PDMS
Materiály pro mikrotechnologie Materiály pro konstrukci mikrozařízení Monokrystaly Křemík» má zásadní význam v mikrotechnologiích, zejména v mikroelektronice» vynikající fyzikální vlastnosti tvrdost, Youngův modul, pevnost v tahu» není transparentní» elektricky vodivý» nízká chemická odolnost Další (již méně významné)» GaAs» SiO 2 vykazuje piezoelektrický efekt Kovy Sklo» obtížné vytváření 3D struktur» vytváří aktivní vrstvy, mikrokomponenty, elektrody» různé typy» oxid křemičitý s příměsí dalších oxidů» Foturan fotocitlivé sklo s přídavkem oxidů ceru, antimonu a stříbra Keramika Nejčastěji alumina Al 2 O 3» není transparentní» problematická výroba jemných struktur» chemicky odolná» mechanická stabilita» nízká tepelná vodivost» nízká teplotní roztažnost BeO» vysoká tepelná vodivost» prach je toxický (místo BeO často AlN)
Křemík: Sklo:
Materiály pro mikrotechnologie Materiály pro konstrukci mikrozařízení sklo Amorfní materiál na bázi oxidu křemičitého, používaný zejména pro chemické, biochemické a biologické aplikace mikrotechnologií Některé vlastnosti skla transparentní pevné chemicky i biologicky inertní elektricky nevodivé www.mikroglas.com Nevýhody křehké obtížné spojení s jinými materiály nesnadno opracovatelné
Materiály pro mikrotechnologie Materiály pro konstrukci mikrozařízení polymery» nízká tvrdost a teplotní stabilita» v některých případech nízká chemická odolnost» použití plastů různé kvality» jsou levné Standardní plasty PVC, PE, PP, PS, PMMA Speciální plasty PSU polysulfonáty PEEK polyetereterketon PI polyimidy LCP kapalné krystalické polymery Technické/inženýrské plasty zlepšené mechnické, tepelné a elektrické vlastnosti PET - polyetylentereftalát PBT - polybutylentereftalát PA - polyamidy PC - polykarbonáty POM - ployoxymetylén...
Polymer - polymetylmetakrylát + Polymer - polykarbonát bis-fenol fosgen polykarbonát
procesy ubírání materiálu přidávání materiálu přetváření materiálu lepení, spojování, sestavování nástroje fotony elektrony atomy molekul makročástice hroty břity
přidávání materiálu mechanické nanášení tisk, kontaktní, bezkontaktní nástřik, sítotisk kladení drátů, kapek, vláken fyzikální nanášení PVD physical vapor deposition za tepla napařování ve vakuu naprašování chemické nanášení v kapalné nebo plynné fázi za tepla oxidace, nitridizace ve vakuu CVD chemical vapor deposition elektrochemické nanášení katodické pokovování, elektrodepozice, Ni, Cu, Au anodická oxidace
Technologie vytváření mikrostruktur Nanášení tenkých vrstev Fyzikální mechanismus = Physical Vapour Deposition (PVD)» naprašování (sputtering) na substrátu kondenzují částice, které byly uvolněny pomocí iontů s vysokou energií» napařování (evaporating) kondenzací nanášeného materiálu v plynné fázi na studený substrát Oxidace Si na SiO 2» přímo na povrchu Si dochází k reakci s O 2 nebo H 2 O 2 schéma oxidační pece
Physical Vapor Deposition (PVD) 1. Evaporation (napařování) Deposition is achieved by evaporation or sublimation of heated metal onto substrate. This can be done either by resistance heating or by electron-beam (e-beam) bombardment. Thermal Evaporator
(3) Metal evaporator Thermal Evaporation: Heater (coil) E-beam Evaporation High Vac Mech Vac Cruicible: heated up Electromagnetic lens -scan electron beam -focus or defocus Cooling water (<100 C)
Physical Vapor Deposition (PVD) 2. Sputtering (naprašování) Sputtering is achieved by accelerated ion of inert gas (Ar+) by DC or RF drive in plasma through potential gradient to bombard metallic target. Then the targeting material is sputtered away and deposited onto substrate placed on anode.
(4) Sputtering (Al, Ti, W, etc ) (a) Mechanism: physical bombardment of energetic ions (Ar + ) Metal (cathode) Ar + Sputtering yield: metal atoms generated by 1 Ar ion Sputter etching: wafer cathode, cleaning oxide before etching (b) Characteristics: Lower vacuum (100 Pa) : mean free path ~ 50 um Very good step coverage (preferred in IC process) Better contact / stiction Gas (Ar) trapped in the film Introduction to Microelectronic Fabrication (Jaeger)
Additive Processes Physical Vapor Deposition (PVD)
Chemical Vapor Deposition (CVD) Materials deposited Polysilicon silicon nitride (Si3N4) silicon oxide (SiOx) silicon carbide (SiC) etc. How does CVD Work? Gaseous reactants are introduced into chamber at elevated temperatures. Reactant reacts and deposits onto substrate. Types of CVD LPCVD (Low Pressure CVD) PECVD (Plasma Enhanced CVD) Features CVD results depend on pressure, gas, and temperature CVD can be diffusion or reaction limited Varies from film composition, crystallization, deposition rate and electrical and mechanical properties
Chemical Vapor Deposition (CVD)
Technologie vytváření mikrostruktur Galvanické pokovování (Electroplating) nanášení kovových materiálů na obráběný kus (Ni, Cu, permalloy,..)» substrát do elektrolytické lázně, kde působí jako katoda (aby se zaručila vodivost, často se nanáší vrstvička z vodivého materiálu, např. Au) senzor s galvanicky nanesenými cívkami zařízení na galvanické pokovování
ubírání materiálu vakuové operace: sublimace, odprášení, iontové mletí, leptání plazmou chemické odleptání za mokra anodická oxidace odjiskřování laserové odpařování tepelný účinek laseru laserová ablace silový účinek laseru ubírání třísek, vrtání, frézování, soustružení, řezání broušení a leštění pískování kartáčování
Technologie vytváření mikrostruktur Suché leptání (dry etching)» tok chemicky reaktivního ionizonovaného plynu (plazmatu) přes masku na substrát různé druhy:» leptání použitím plazmatu (plasma etching)» iontové leptání (reactive ion etching)» hluboké iontové leptání (deep ion etching) Leptání křemíku» masky z SiO 2, Si 3 N 4 nebo fotorezistů» většinou fluorové nebo chlorové plazma» rychlost leptání 10 mm/min zařízení pro leptání plazmatem
Subtractive Processes Dry Etching Plasma Etching Reaction Mechanism Produce reactive species in gas-phase Reactive species diffuse to the solid Adsorption, and diffuse over the surface Reaction Desorption Diffusion
Technologie vytváření mikrostruktur Anizotropní mokré leptání (Anisotropic Wet Etching)» substrát do roztoku, ve kterém dochází k leptání» u krystalických substrátů (např. Si) je rychlost leptání závislá na krystalografických rovinách dutiny se vytváří podél určitých rovin» leptací činidla se liší dle leptaného materiálu, např. KOH, EDP etylendiaminpyrotechol, TMAH tetrametylamonium hydroxid zařízení na anizotropní leptání za mokra výrobek zhotovený anizotropním leptáním
Technologie vytváření mikrostruktur Izotropní mokré leptání (Isotropic Wet Etching)» substrát do roztoku, ve kterém dochází k leptání» rychlost leptání ve všech směrech stejná (amorfní materiály, např. sklo)» často se používá k odleptávání maskovacích vrstev» jako leptací činidlo: dle substrátu, u skla většinou HF mikrokanál vyrobený izotropním leptáním zařízení na izotropní leptání
Metal Patterning fotoresist kov substrát
Technologie vytváření mikrostruktur Elektrojiskrové obrábění (Electro-Discharge machining EDM)» odebírání svrchní vrstvy materiálu erozivním působením elektrického výboje» výboj mezi dvěma elektrodami pracovní elektroda, druhou tvoří opracovávaný materiál» pomalé produkt vyrobený touto metodou detail zařízení pro elektrojiskrové obrábění
Technologie vytváření mikrostruktur Obrábění laserem (Laser MicroMachining)» odstraňování materiálu (odpaření) pomocí laseru» buď přímé nebo přes masku» pomalé titrační destička zhotovená pomocí LM zařízení pro laserové obrábění
Laser Photoablation High aspect ratio channels achievable Laser pulses in the UV region used Sealing by thermal lamination with a PET/PE film at 125 0 C Depth controllable
Mechanické obrábění nástroje celoplošné různě působící na různě modifikované části materiálu lokální, CNC polohovatelné polohování nástroje polohování substrátu výměna nástroje on-line off-line výběr nástroje ze zásobníku rekonstrukce nástroje
Technologie vytváření mikrostruktur Mechanické mikroobrábění pomocí speciálních nástrojů (mikrovrtačka, mikrofréza )» struktury velikosti 10 2 mm, vhodné pro podpůrné části mikrozařízení» možnost zpracovávat řadu materiálů včetně kovů, nejčastěji polymery» návrh mikrostruktury v CAD programu (Matlab, AutoCAD) Podstavec vyrobený mikrofrézováním z Teflonu (vlevo, velikost cca 30 30 mm) pro skleněný mikročip (uprostřed, velikost asi. 20 20 mm) se sítí mikrokanálků (vpravo, ø kanálků asi 30 mm)
přetváření materiálu geometrické lisování, vytlačování (extruze), vtlačování, vstřikování, ohýbání fyzikální tavení, tuhnutí, krystalizace, fázové přechody chemické štěpení a síťování polymerů, inicializace teplem, světlem, elektrony
Technologie vytváření mikrostruktur Vtlačování za tepla (Hot Embossing) technika pro masovou replikaci mikrostruktur» forma je obtisknuta do filmu termoplastu» jak nástroj, tak vrstva termoplastu jsou předem zahřáty těsně nad skelný přechod termoplastu zařízení pro hot embossing refrakční mřížka vyrobená vtlačováním
Technologie vytváření mikrostruktur Vtlačování za tepla (Hot Embossing) Příklad struktury vyrobené vtlačováním (širší kanálky jsou frézovány) do polystyrenového substrátu:» zařízení skládající se ze dvou paralelních kanálů spojených mikrokanálkem o průměru 7 mm» experimentální realizace elektrolytické diody» mezi dvě PS destičky je vložen chromelový drát» sestava je sevřena mezi dvě skleněné desky a zahřívána na teplotu 90 C; destičky se teplem spojí a drát se vtiskne do nich» v závěru je drát opatrně vytažen, vznikne mikrokanál 7 mm
Imprinting/Embossing Stamp made in Si or metal Stamp pressed on Plastic to form microfluidic channels Many common plastics successfully imprinted
Technologie vytváření mikrostruktur Vstřikování (Injection Molding) replikační technika výroby mikrosystémů (princip stejný jako při výrobě plastů v makrosvětě)» do uzavřené formy (vakuum) je vstříknut polymer (PMMA, PVC)» speciální řízení teplotního režimu» požadavek na vysokou čistotu provozu» nízké náklady na replikaci mikrostruktur forma produkt zařízení pro injection molding
Technologie vytváření mikrostruktur Výroba mikrostruktur další techniky Mikro-stereolitografie 3D struktury» použití pryskyřic (směs monomeru a polymeru)» přesně zaměřeným laserem se postupně vytvrzují určité části v pryskyřičné lázni» celý vytvrzený systém se postupně ponořuje a tak se vytváří další vrstvy Tvarování roztaveného vlákna (Fused deposition modeling (FDM))» taví se vlákno a modeluje se požadovaný tvar AFM litografie» oxidační» škrábací
Technologie vytváření mikrostruktur Výroba mikrostruktur další techniky 3D printing (3DP TM )» celá třída technik» objekt se nanáší po jednotlivých vrstvách» tloušťka vrstev typicky 100 mm, ale může být i 10 mm» 3D tiskárna typicky využívá návrh 3D struktury v programu CAD Depozice vrstev, řádků Fúze granulátu Mikročástice tvořící vrstvu jsou spečeny na zvolených místech, pracovní plocha se v dalším kroku posune směrem dolů, vytvoří se další vrstva mikročástic, které se znovu spečou. Celý proces se mnohokrát opakuje.
Technologie vytváření mikrostruktur Odlévání casting replikace mikrostruktur do polymerních substrátů» nutnost výroby primární matrice (negativ), např. z kovu» matrice se zalije tekutým polymerem nebo roztokem monomeru» po ztuhnutí se finální struktura oddělí od matrice» jednoduchá metoda, nevyžaduje zvláštní vybavení Příklad struktury vyrobené odléváním z PDMS:» zařízení skládající se ze dvou paralelních kanálů spojených mikrokanálkem o průměru 90 mm» do kanálků jsou přivedeny platinové elektrody 90 mm
lepení a spojování lepidly zaplňuje detaily tepelné slinování polystyren - 90ºC, sklo - 500 ºC difuzní spojování čistota povrchu, leptání plazmou polymerace
Kombinací různých technik lze vytvořit kompozitní mikročip
Příklad 1 vytvoření mikroelektrody na povrchu substrátu
Příklad 2 - Soft Lithography Elastomeric polymer cast in a Si stamp and cured Polymer is peeled off Channel architecture thus transferred to the polymer PDMS technology is becoming popular
Whitesides, Soft lithography