Processi di deposizioneModifica
Uno degli elementi di base del processo MEMS è la capacità di depositare film sottili di materiale con uno spessore compreso tra un micrometro e circa 100 micrometri. Il processo NEMS è lo stesso, anche se la misura della deposizione dei film varia da pochi nanometri a un micrometro. Ci sono due tipi di processi di deposizione, come segue.
Deposizione fisicaModifica
La deposizione fisica da vapore (“PVD”) consiste in un processo in cui un materiale viene rimosso da un obiettivo, e depositato su una superficie. Le tecniche per fare questo includono il processo di sputtering, in cui un fascio di ioni libera gli atomi da un bersaglio, permettendo loro di muoversi attraverso lo spazio intermedio e di depositarsi sul substrato desiderato, e l’evaporazione, in cui un materiale viene evaporato da un bersaglio usando il calore (evaporazione termica) o un fascio di elettroni (evaporazione e-beam) in un sistema a vuoto.
Deposizione chimicaModifica
Le tecniche di deposizione chimica includono la deposizione di vapore chimico (CVD), in cui un flusso di gas sorgente reagisce sul substrato per far crescere il materiale desiderato. Questa può essere ulteriormente divisa in categorie a seconda dei dettagli della tecnica, per esempio LPCVD (deposizione chimica da vapore a bassa pressione) e PECVD (deposizione chimica da vapore potenziata da plasma).
I film di ossido possono anche essere coltivati con la tecnica di ossidazione termica, in cui il wafer (tipicamente di silicio) è esposto a ossigeno e/o vapore, per far crescere un sottile strato superficiale di biossido di silicio.
PatterningEdit
Patterning nei MEMS è il trasferimento di un pattern in un materiale.
LitografiaEdit
La litografia nel contesto MEMS è tipicamente il trasferimento di un pattern in un materiale fotosensibile tramite esposizione selettiva a una fonte di radiazione come la luce. Un materiale fotosensibile è un materiale che sperimenta un cambiamento nelle sue proprietà fisiche quando viene esposto a una fonte di radiazione. Se un materiale fotosensibile è esposto selettivamente alla radiazione (per esempio mascherando una parte della radiazione), il modello della radiazione sul materiale viene trasferito al materiale esposto, poiché le proprietà delle regioni esposte e non esposte differiscono.
Questa regione esposta può quindi essere rimossa o trattata fornendo una maschera per il substrato sottostante. La fotolitografia è tipicamente usata con la deposizione di metallo o di altri film sottili, l’incisione a umido e a secco. A volte, la fotolitografia è usata per creare una struttura senza alcun tipo di post-incisione. Un esempio è la lente a base di SU8 dove vengono generati dei blocchi quadrati a base di SU8. Poi il photoresist viene fuso per formare una semisfera che funge da lente.
Litografia a fascio di elettroniModifica
La litografia a fascio di elettroni (spesso abbreviata come litografia a fascio di elettroni) è la pratica della scansione di un fascio di elettroni in modo modellato attraverso una superficie coperta da una pellicola (chiamata resistenza), (“esponendo” la resistenza) e di rimuovere selettivamente le regioni esposte o non esposte della resistenza (“sviluppo”). Lo scopo, come per la fotolitografia, è quello di creare strutture molto piccole nella resistenza che possono essere successivamente trasferite al materiale del substrato, spesso tramite incisione. È stata sviluppata per la produzione di circuiti integrati, ed è anche usata per creare architetture nanotecnologiche.
Il vantaggio principale della litografia a fascio di elettroni è che è uno dei modi per battere il limite di diffrazione della luce e fare caratteristiche nella gamma dei nanometri. Questa forma di litografia senza maschera ha trovato largo impiego nella produzione di fotomaschere usate in fotolitografia, nella produzione a basso volume di componenti per semiconduttori e nello sviluppo della ricerca &.
La limitazione chiave della litografia a fascio elettronico è il throughput, cioè il tempo molto lungo necessario per esporre un intero wafer di silicio o substrato di vetro. Un lungo tempo di esposizione lascia l’utente vulnerabile alla deriva del fascio o all’instabilità che può verificarsi durante l’esposizione. Inoltre, il tempo di turn-around per la rilavorazione o la riprogettazione si allunga inutilmente se il modello non viene cambiato la seconda volta.
Litografia a fascio ionicoModifica
È noto che la litografia a fascio ionico focalizzato ha la capacità di scrivere linee estremamente sottili (meno di 50 nm di linea e spazio è stato raggiunto) senza effetto di prossimità. Tuttavia, poiché il campo di scrittura nella litografia a fascio ionico è piuttosto piccolo, i modelli di grandi aree devono essere creati cucendo insieme i piccoli campi.
Tecnologia a traccia ionicaModifica
La tecnologia a traccia ionica è uno strumento di taglio profondo con un limite di risoluzione intorno agli 8 nm applicabile a minerali, vetri e polimeri resistenti alle radiazioni. È in grado di generare fori in film sottili senza alcun processo di sviluppo. La profondità strutturale può essere definita sia dalla gamma di ioni che dallo spessore del materiale. Si possono raggiungere rapporti d’aspetto fino a diversi 104. La tecnica può modellare e strutturare i materiali con un angolo di inclinazione definito. Possono essere generati modelli casuali, strutture di tracce a ioni singoli e modelli mirati che consistono di singole tracce singole.
Litografia a raggi XModifica
La litografia a raggi X è un processo usato nell’industria elettronica per rimuovere selettivamente parti di un film sottile. Utilizza i raggi X per trasferire un modello geometrico da una maschera a un fotoresist chimico sensibile alla luce, o semplicemente “resistenza”, sul substrato. Una serie di trattamenti chimici incide poi il modello prodotto nel materiale sotto la fotoresistenza.
Diamond patterningEdit
Un modo semplice per incidere o creare modelli sulla superficie dei nanodiamanti senza danneggiarli potrebbe portare a nuovi dispositivi fotonici.
Diamond patterning è un metodo per formare MEMS in diamante. Si ottiene con l’applicazione litografica di film di diamante su un substrato come il silicio. I modelli possono essere formati dalla deposizione selettiva attraverso una maschera di biossido di silicio, o dalla deposizione seguita dalla microlavorazione o dalla fresatura a fascio ionico focalizzato.
Processi di incisioneModifica
Ci sono due categorie di base di processi di incisione: incisione umida e incisione secca. Nel primo, il materiale è dissolto quando è immerso in una soluzione chimica. Nel secondo, il materiale viene spruzzato o dissolto usando ioni reattivi o un mordenzante in fase di vapore.
Wet etchingEdit
L’incisione chimica a umido consiste nella rimozione selettiva di materiale immergendo un substrato in una soluzione che lo dissolve. La natura chimica di questo processo di incisione fornisce una buona selettività, il che significa che il tasso di incisione del materiale di destinazione è considerevolmente più alto di quello del materiale della maschera, se selezionato con attenzione.
Incisione isotropicaModifica
L’incisione procede alla stessa velocità in tutte le direzioni. Fori lunghi e stretti in una maschera produrranno scanalature a forma di V nel silicio. La superficie di queste scanalature può essere atomicamente liscia se l’incisione viene eseguita correttamente, con dimensioni e angoli estremamente accurati.
Incisione anisotropaModifica
Alcuni materiali a cristallo singolo, come il silicio, avranno diverse velocità di incisione a seconda dell’orientamento cristallografico del substrato. Questo è noto come incisione anisotropa e uno degli esempi più comuni è l’incisione del silicio in KOH (idrossido di potassio), dove i piani Si <> incidono circa 100 volte più lentamente degli altri piani (orientamenti cristallografici). Pertanto, l’incisione di un foro rettangolare in un wafer (100)-Si si traduce in una fossa di incisione a forma di piramide con pareti di 54,7°, invece di un foro con pareti laterali curve come con l’incisione isotropa.
Mordenzatura HF
L’acido fluoridrico è comunemente usato come mordenzante acquoso per il biossido di silicio (SiO
2, noto anche come BOX per SOI), solitamente in forma concentrata al 49%, 5:1, 10:1 o 20:1 BOE (buffered oxide etchant) o BHF (Buffered HF). Sono stati usati per la prima volta in epoca medievale per l’incisione del vetro. È stato usato nella fabbricazione di circuiti integrati per il patterning dell’ossido del gate fino a quando questa fase del processo è stata sostituita dal RIE.
L’acido fluoridrico è considerato uno degli acidi più pericolosi nella camera bianca. Penetra la pelle al contatto e si diffonde direttamente all’osso. Pertanto, il danno non viene avvertito fino a quando non è troppo tardi.
Incisione elettrochimicaModifica
L’incisione elettrochimica (ECE) per la rimozione selettiva del drogante del silicio è un metodo comune per automatizzare e controllare selettivamente l’incisione. È richiesta una giunzione a diodo p-n attiva, e ogni tipo di drogante può essere il materiale resistente all’etch (“etch-stop”). Il boro è l’agente di drogaggio etch-stop più comune. In combinazione con l’incisione anisotropa a umido come descritto sopra, l’ECE è stato usato con successo per controllare lo spessore del diaframma di silicio nei sensori di pressione di silicio piezoresistivi commerciali. Le regioni drogate selettivamente possono essere create per impianto, diffusione o deposizione epitassiale di silicio.
Dry etchingEdit
Vapor etchingEdit
Xenon difluorideEdit
Xenon difluoride (XeF
2) è un etch isotropico in fase di vapore secco per il silicio originariamente applicato per i MEMS nel 1995 all’Università della California, Los Angeles. Utilizzato principalmente per il rilascio di strutture metalliche e dielettriche attraverso l’undercutting del silicio, lo XeF
2 ha il vantaggio di un rilascio senza stallo a differenza dei mordenzanti umidi. La sua selettività di incisione al silicio è molto alta, permettendogli di lavorare con fotoresist, SiO
2, nitruro di silicio e vari metalli per il mascheramento. La sua reazione al silicio è “plasmaless”, è puramente chimica e spontanea e viene spesso utilizzata in modalità pulsata. Sono disponibili modelli dell’azione di incisione, e i laboratori universitari e vari strumenti commerciali offrono soluzioni che utilizzano questo approccio.
Incisione al plasmaModifica
I moderni processi VLSI evitano l’incisione a umido, e utilizzano invece l’incisione al plasma. Le incisioni al plasma possono operare in diverse modalità regolando i parametri del plasma. L’incisione al plasma ordinaria opera tra 0,1 e 5 Torr. (Questa unità di pressione, comunemente usata nell’ingegneria del vuoto, equivale a circa 133,3 pascal). Il plasma produce radicali liberi energetici, caricati neutralmente, che reagiscono sulla superficie del wafer. Poiché le particelle neutre attaccano il wafer da tutte le angolazioni, questo processo è isotropo.
L’incisione al plasma può essere isotropa, cioè esibire un tasso di sottosquadro laterale su una superficie modellata approssimativamente uguale al suo tasso di incisione verso il basso, o può essere anisotropa, cioè esibire un tasso di sottosquadro laterale inferiore al suo tasso di incisione verso il basso. Tale anisotropia è massimizzata nell’incisione ionica reattiva profonda. L’uso del termine anisotropia per l’incisione al plasma non dovrebbe essere confuso con l’uso dello stesso termine quando ci si riferisce all’incisione dipendente dall’orientamento.
Il gas sorgente per il plasma di solito contiene piccole molecole ricche di cloro o fluoro. Per esempio, il tetracloruro di carbonio (CCl
4) incide il silicio e l’alluminio, e il trifluorometano incide il biossido di silicio e il nitruro di silicio. Un plasma contenente ossigeno è usato per ossidare (“cenere”) il photoresist e facilitarne la rimozione.
Ion milling, o sputter etching, usa pressioni più basse, spesso fino a 10-4 Torr (10 mPa). Bombarda il wafer con ioni energetici di gas nobili, spesso Ar+, che sbattono gli atomi dal substrato trasferendo la quantità di moto. Poiché l’incisione viene eseguita da ioni, che si avvicinano al wafer approssimativamente da una direzione, questo processo è altamente anisotropo. D’altra parte, tende a mostrare una scarsa selettività. L’incisione con ioni reattivi (RIE) opera in condizioni intermedie tra lo sputter e l’incisione al plasma (tra 10-3 e 10-1 Torr). La Deep reactive-ion etching (DRIE) modifica la tecnica RIE per produrre caratteristiche profonde e strette.
SputteringEdit
Reactive ion etching (RIE)Edit
Nella reactive-ion etching (RIE), il substrato è posto all’interno di un reattore, e diversi gas sono introdotti. Un plasma viene colpito nella miscela di gas usando una fonte di potenza RF, che rompe le molecole di gas in ioni. Gli ioni accelerano verso la superficie del materiale da incidere e reagiscono con essa, formando un altro materiale gassoso. Questa è conosciuta come la parte chimica dell’incisione con ioni reattivi. C’è anche una parte fisica, che è simile al processo di deposizione per sputtering. Se gli ioni hanno un’energia sufficiente, possono eliminare gli atomi dal materiale da incidere senza una reazione chimica. È un compito molto complesso sviluppare processi di incisione a secco che bilancino l’incisione chimica e fisica, poiché ci sono molti parametri da regolare. Cambiando l’equilibrio è possibile influenzare l’anisotropia dell’incisione, dato che la parte chimica è isotropa e la parte fisica altamente anisotropa la combinazione può formare pareti laterali che hanno forme da arrotondate a verticali.
Deep RIE (DRIE) è una sottoclasse speciale di RIE che sta crescendo in popolarità. In questo processo, si ottengono profondità di incisione di centinaia di micrometri con pareti laterali quasi verticali. La tecnologia primaria si basa sul cosiddetto “processo Bosch”, dal nome della società tedesca Robert Bosch, che ha depositato il brevetto originale, dove due diverse composizioni di gas si alternano nel reattore. Attualmente ci sono due varianti del DRIE. La prima variazione consiste di tre fasi distinte (il processo originale Bosch) mentre la seconda variazione consiste solo di due fasi.
Nella prima variante, il ciclo di incisione è il seguente:
(i) incisione isotropica SF
6;
(ii) passivazione C
4F
8;
(iii) incisione anisoptropica SF
6 per la pulizia del pavimento.
Nella seconda variante, i passi (i) e (iii) sono combinati.
Entrambe le varianti operano in modo simile. Il C
4F
8 crea un polimero sulla superficie del substrato, e la seconda composizione di gas (SF
6 e O
2) incide il substrato. Il polimero viene immediatamente sputato via dalla parte fisica dell’incisione, ma solo sulle superfici orizzontali e non sulle pareti laterali. Poiché il polimero si dissolve molto lentamente nella parte chimica dell’incisione, si accumula sulle pareti laterali e le protegge dall’incisione. Come risultato, si possono ottenere rapporti di aspetto dell’incisione di 50 a 1. Il processo può essere facilmente utilizzato per incidere completamente un substrato di silicio, e i tassi di incisione sono 3-6 volte più alti dell’incisione a umido.
Preparazione delle matriciModifica
Dopo aver preparato un gran numero di dispositivi MEMS su un wafer di silicio, le singole matrici devono essere separate, il che è chiamato preparazione delle matrici nella tecnologia dei semiconduttori. Per alcune applicazioni, la separazione è preceduta dalla rettifica del wafer per ridurre lo spessore del wafer. Il taglio del wafer può quindi essere eseguito o tramite segatura con un liquido di raffreddamento o con un processo laser a secco chiamato stealth dicing.