Материалы и технологии изготовления нано- и микро-электромеханических систем НЭМС/МЭМС

Август 3, 2022

Главная
Физика
Материалы и технологии изготовления нано- и микро-электромеханических систем НЭМС/МЭМС

Содержание

2. Базовый цикл создания НЭМС. Base cycle of NEMS formation.
3. Литография Lithography Нанесение резиста Перенесение изображения маски на резист Селективное травление резиста и материала под ним
4. Травление Etching
5. Травление кремния Etching of Si
6. Профиль травления Etch profile Schematic illustration of cross-sectional trench profiles resulting from four different types of
7. Анизотропное травление Anisotropic etching Illustration of the anisotropic etching of cavities in {100}-oriented silicon: (a) cavities,
8. Анизотропное травление Anisotropic etching Illustration of the anisotropic etching in {110}-oriented silicon. Etched structures are delineated
9. Формирование подвешенных нано-балок Suspended nano/micro beams Illustration of the etching at convex corners and the formation
10. Мембрана над полостью Suspended membrane Scanning-electron micrograph of a thermally isolated RMS converter consisting of thermopiles
11. Электро-химическое травление Electro-chemical etching Illustration of electrochemical etching using n-type epitaxial silicon. The n-type silicon is
12. Подвешенный островок кремния Suspended Si island A fully suspended n-type crystalline silicon island electrochemically etched in
13. DRIE Profile of a DRIE trench using the Bosch process. The process cycles between an etch
14. Зависимость скорости травления от формы. Aspect-ratio-dependent etching in DRIE. The etch rate decreases with increasing trench
15. DRIE (a) Etch-rate dependence on feature size and aspect ratio for a typical DRIE recipe at
16. Анодное сращивание. Anodic bonding Illustration of anodic bonding between glass and silicon. Mobile sodium ions in
17. Прямое сращивание кремния и поликремния Direct bonding of Si Требования к исходным пластинам Si или поли-Si
18. Химико-механическая полировка Chemical-mechanical polishing
19. Sol-gel deposition Материалы: силикон, оксид титана, алюминий, нитрид кремния и др.
20. Лазерная обработка Laser machining Laser machining examples: (a) microlenses in polycarbonate; and (b) fluid-flow device in
21. Гальваническое осаждение. Galvanic deposition.
22. Ультразвуковая шлифовка. Ultrasonic treatment. Photograph of ultrasonically drilled holes and cavities in glass (clear), alumina ceramic
23. Цикл формирования НЭМС. Example
24. Некоторые пары конструкционных и вспомогательных материалов МЭМС. Structural and sacrificial materials. Травитель удаляет вспомогательный материал не
25. Закритическое высушивание. Supercritical drying. Pull-down of a compliant freestanding structure (a cantilever) due to surface tension
26. Комбинирование сращивания и DRIE Combination of bonding and DRIE
27. Комбинирование сращивания и DRIE Combination of bonding and DRIE Scanning electron microscope image of a 200-μm-deep
28. Комбинирование Combination SOI - DRIE
29. Комбинирование Combination SOI - DRIE Scanning electron microscope image of a variable optical attenuator made by
30. Микро- и нано-сопла для струйных принтеров и систем инжекции топлива. Micro/nano-nozzles.
31. Микро- и нано-сопла с боковым выходом. Micro/nano-nozzles and channels. Illustration of side-shooter nozzles: (a) nozzles formed
33. Скачать презентацию

Слайд 2

Базовый цикл создания НЭМС. Base cycle of NEMS formation.

Слайд 3

Литография Lithography
Нанесение резиста
Перенесение изображения маски на резист
Селективное травление резиста и материала

под ним

An illustration of proximity and projection lithography. In proximity mode, the mask is within 25 to 50 μm of the resist. Fresnel diffraction limits the resolution and minimum feature size to ~ 5 μm. In projection mode, complex optics image the mask onto the resist. The resolution is routinely better than one micrometer. Subsequent development delineates the features in the resist.

Слайд 4

Травление Etching

Слайд 5

Травление кремния Etching of Si

Слайд 6

Профиль травления Etch profile
Schematic illustration of cross-sectional trench profiles resulting from

four different types of etch methods.

Слайд 7

Анизотропное травление Anisotropic etching
Illustration of the anisotropic etching of cavities in

{100}-oriented silicon: (a) cavities, self-limiting pyramidal and V-shaped pits, and thin membranes; and (b) etching from both sides of the wafer can yield a multitude of different shapes including hourglass-shaped and oblique holes. When the vertically moving etch fronts from both sides meet, a sharp corner is formed. Lateral etching then occurs, with fast-etching planes such as {110} and {411} being revealed.

(a)

(b)

Слайд 8

Анизотропное травление Anisotropic etching
Illustration of the anisotropic etching in {110}-oriented silicon.

Etched structures are delineated by four vertical {111} planes and two slanted {111} planes. The vertical {111} planes intersect at an angle of 70.5º.

Слайд 9

Формирование подвешенных нано-балок Suspended nano/micro beams
Illustration of the etching at convex corners

and the formation of suspended beams of a material that is not etched (e.g., silicon nitride, p++ silicon). The {411} planes are frequently the fastest etching and appear at convex corners.

Слайд 10

Мембрана над полостью Suspended membrane
Scanning-electron micrograph of a thermally isolated RMS

converter consisting of thermopiles on a silicon dioxide membrane. The anisotropic etch undercuts the silicon dioxide mask to form a suspended membrane. (Courtesy of: D. Jaeggi, Swiss Federal Institute of Technology of Zurich, Switzerland.)

Слайд 11

Электро-химическое травление Electro-chemical etching
Illustration of electrochemical etching using n-type epitaxial silicon.

The n-type silicon is biased above its passivation potential so it is not etched. The p-type layer is etched in the solution. The etch stops immediately after the p-type layer is completely removed.

Слайд 12

Подвешенный островок кремния Suspended Si island
A fully suspended n-type crystalline silicon

island electrochemically etched in TMAH after the completion of the CMOS processing. (Courtesy of: R. Reay, Linear Technology, Inc., of Milpitas, California, and E. Klaassen, Intel Corp. of Santa Clara, California.)

{111}

n – стоп- слой

100 мкм

Слайд 13

DRIE
Profile of a DRIE trench using the Bosch process. The process

cycles between an etch step using SF6 gas and a polymer deposition step using C4F8. The polymer protects the sidewalls from etching by the reactive fluorine radicals. The scalloping effect of the etch is exaggerated.

Характеристики процесса травления DRIE

Слайд 14

Зависимость скорости травления от формы. Aspect-ratio-dependent etching in DRIE.
The etch rate

decreases with increasing trench aspect ratio. (Courtesy of: GE NovaSensor of Fremont, California.)

Слайд 15

DRIE
(a) Etch-rate dependence on feature size and aspect ratio for a

typical DRIE recipe at 600W. (b) Lateral etch observed at the interface between silicon and buried oxide layers, and (c) undercut eliminated with different recipe. (Courtesy of: Surface Technology Systems, Ltd., Newport, United Kingdom.)

(a)

(b)

(c)

Слайд 16

Анодное сращивание. Anodic bonding
Illustration of anodic bonding between glass and

silicon. Mobile sodium ions in the glass migrate to the cathode, leaving behind fixed negative charges. A large electric field at the silicon-glass interface holds the two substrates together and facilitates the chemical bonding of glass to silicon.

V = 0.5-1.5 kV
T = 200-500 °C

Слайд 17

Прямое сращивание кремния и поликремния Direct bonding of Si
Требования к исходным пластинам

Si или поли-Si (Requirements):
Шероховатость не более Roughness < 0.5 nm
Отклонение от плоскости поверхности не более deviation out of plane < 5 μm over 100 mm
Отсутствие химических загрязнений на поверхности Chemically clean

Основные этапы процесса сращивания Steps:
Химическая очистка поверхности и формирование на ней гидроксильных групп. Chemical cleaning, hydroxyl coverage.
Приведение сращиваемых поверхностей в контакт и соединение за счет сил Ван-дер-Вальса. Contacting and Van-der-Waals bonding.
Отжиг при 800-1100 °С и формирование связей по реакции. Annealing and bonding in accord to the chemical reaction

Слайд 18

Химико-механическая полировка Chemical-mechanical polishing

Слайд 19

Sol-gel deposition
Материалы: силикон, оксид титана, алюминий, нитрид кремния и др.

Слайд 20

Лазерная обработка Laser machining
Laser machining examples: (a) microlenses in polycarbonate; and

(b) fluid-flow device in plastic. Multiple depths of material can be removed. (Courtesy of: Exitech Ltd., Oxford, United Kingdom.)

Слайд 21

Гальваническое осаждение. Galvanic deposition.

Слайд 22

Ультразвуковая шлифовка. Ultrasonic treatment.
Photograph of ultrasonically drilled holes and cavities in

glass (clear), alumina ceramic (white), and silicon (shiny). All of the holes in a single substrate are drilled simultaneously.
(Courtesy of: Bullen Ultrasonics, Inc., of Eaton, Ohio.)

Частота: 20-100 кГц
Растворители:
вода, масло
Абразивы:
BC, Al2O3, SiC
Размер отверстий
150 мкм – 100 мм

Слайд 23

Цикл формирования НЭМС. Example

Слайд 24

Некоторые пары конструкционных и вспомогательных материалов МЭМС. Structural and sacrificial materials.
Травитель

удаляет вспомогательный материал не разрушая конструкционный материал

PSG – стекло SiO2:P

Слайд 25

Закритическое высушивание. Supercritical drying.
Pull-down of a compliant freestanding structure (a cantilever)

due to surface tension during drying: (a) water completely fills the volume under the structure; (b) part of the water volume has dried; and (c) most of the water volume has dried, with surface tension pulling the structure down until it touches the substrate.

Цикл сушки:
1. Помещение в метанол, удаление воды
2. Закачка жидкого CO2 под давлением, замещение метанола
3. Нагрев и переход в закритическую область
4. Снижение давления, удаление CO2 газа

Слайд 26

Комбинирование сращивания и DRIE Combination of bonding and DRIE

Слайд 27

Комбинирование сращивания и DRIE Combination of bonding and DRIE
Scanning electron microscope

image of a 200-μm-deep thermal actuator fabricated using silicon fusion bonding and DRIE. (Courtesy of: GE NovaSensor of Fremont, California.)

Слайд 28

Комбинирование Combination SOI - DRIE

Слайд 29

Комбинирование Combination SOI - DRIE
Scanning electron microscope image of a variable

optical attenuator made by DRIE of a SOI wafer. (Courtesy of: DiCon Fiberoptics, Inc., of Richmond, California.)

Слайд 30

Микро- и нано-сопла для струйных принтеров и систем инжекции топлива. Micro/nano-nozzles.

Слайд 31

Микро- и нано-сопла с боковым выходом. Micro/nano-nozzles and channels.
Illustration of side-shooter

nozzles: (a) nozzles formed by orientation-dependent
etching of grooves, wafer bonding, and dicing, and (b) nozzle formed by DRIE and wafer bonding.

Материалы и технологии изготовления нано- и микро-электромеханических систем НЭМС/МЭМС

Содержание

Базовый цикл создания НЭМС. Base cycle of NEMS formation.

Литография LithographyНанесение резиста Перенесение изображения маски на резист Селективное травление резиста и материала

Травление Etching

Травление кремния Etching of Si

Профиль травления Etch profileSchematic illustration of cross-sectional trench profiles resulting from

Анизотропное травление Anisotropic etchingIllustration of the anisotropic etching of cavities in

Анизотропное травление Anisotropic etchingIllustration of the anisotropic etching in {110}-oriented silicon.

Формирование подвешенных нано-балок Suspended nano/micro beamsIllustration of the etching at convex corners

Мембрана над полостью Suspended membraneScanning-electron micrograph of a thermally isolated RMS

Электро-химическое травление Electro-chemical etchingIllustration of electrochemical etching using n-type epitaxial silicon.

Подвешенный островок кремния Suspended Si islandA fully suspended n-type crystalline silicon

DRIEProfile of a DRIE trench using the Bosch process. The process

Зависимость скорости травления от формы. Aspect-ratio-dependent etching in DRIE. The etch rate

DRIE(a) Etch-rate dependence on feature size and aspect ratio for a

Анодное сращивание. Anodic bonding Illustration of anodic bonding between glass and

Прямое сращивание кремния и поликремния Direct bonding of SiТребования к исходным пластинам