AfzetprocédésEdit
Een van de basisbouwstenen in de MEMS-bewerking is de mogelijkheid om dunne films van materiaal af te zetten met een dikte die varieert van één micrometer tot ongeveer 100 micrometer. Het NEMS-proces is hetzelfde, hoewel de meting van de filmdepositie varieert van enkele nanometers tot één micrometer. Er zijn twee soorten depositieprocessen, namelijk
Fysische depositieEdit
Fysische dampdepositie (“PVD”) is een proces waarbij een materiaal van een target wordt verwijderd en op een oppervlak wordt afgezet. Technieken om dit te doen zijn onder meer sputteren, waarbij een ionenbundel atomen vrijmaakt uit een trefplaat, zodat deze door de tussenliggende ruimte kunnen bewegen en zich afzetten op het gewenste substraat, en verdamping, waarbij een materiaal van een trefplaat wordt verdampt met behulp van warmte (thermische verdamping) of een elektronenbundel (e-beam verdamping) in een vacuümsysteem.
Chemische depositieEdit
Chemische depositietechnieken omvatten chemische dampdepositie (CVD), waarbij een stroom brongas op het substraat reageert om het gewenste materiaal te laten groeien. Dit kan verder worden onderverdeeld in categorieën, afhankelijk van de details van de techniek, bijvoorbeeld LPCVD (lagedruk chemische dampdepositie) en PECVD (plasma-enhanced chemical vapor deposition).
Oxidefilms kunnen ook worden gegroeid door de techniek van thermische oxidatie, waarbij de (meestal silicium) wafer wordt blootgesteld aan zuurstof en/of stoom, om een dunne oppervlaktelaag van siliciumdioxide te groeien.
PatterningEdit
Patterning in MEMS is het overbrengen van een patroon in een materiaal.
LithographyEdit
Lithography in MEMS context is typisch het overbrengen van een patroon in een lichtgevoelig materiaal door selectieve blootstelling aan een stralingsbron, zoals licht. Een lichtgevoelig materiaal is een materiaal dat een verandering in zijn fysische eigenschappen ondergaat wanneer het aan een stralingsbron wordt blootgesteld. Wanneer een lichtgevoelig materiaal selectief aan straling wordt blootgesteld (b.v. door een deel van de straling af te schermen), wordt het patroon van de straling op het materiaal overgebracht op het blootgestelde materiaal, aangezien de eigenschappen van de blootgestelde en niet-blootgestelde regio’s verschillen.
Dit blootgestelde gebied kan dan worden verwijderd of behandeld, waardoor een masker voor het onderliggende substraat wordt verkregen. Fotolithografie wordt meestal gebruikt met afzetting van metaal of andere dunne film, nat en droog etsen. Soms wordt fotolithografie gebruikt om een structuur te creëren zonder enige vorm van etsen achteraf. Een voorbeeld hiervan is de SU8 lens, waarbij op SU8 gebaseerde vierkante blokken worden gegenereerd. Vervolgens wordt de fotoresist gesmolten om een halve bol te vormen die als lens fungeert.
ElektronenbundellithografieEdit
Elektronenbundellithografie (vaak afgekort als e-beam lithografie) is de praktijk van het scannen van een bundel elektronen in een patroon over een oppervlak bedekt met een film (de zogenaamde resist), (“belichten” de resist) en van selectief verwijderen van ofwel belichte of niet-belichte regio’s van de resist (“ontwikkelen”). Het doel is om, net als bij fotolithografie, zeer kleine structuren in de resist te creëren die vervolgens op het substraatmateriaal kunnen worden overgebracht, vaak door etsen. Deze techniek werd ontwikkeld voor de vervaardiging van geïntegreerde schakelingen en wordt ook gebruikt voor het maken van nanotechnologie-architecturen.
Het belangrijkste voordeel van elektronenbundellithografie is dat het een van de manieren is om de diffractielimiet van licht te overwinnen en kenmerken in het nanometergebied te maken. Deze vorm van maskerloze lithografie wordt veel gebruikt bij het maken van fotomaskers voor fotolithografie, de productie van halfgeleidercomponenten in kleine oplagen en de ontwikkeling van onderzoek &.
De belangrijkste beperking van elektronenbundellithografie is de verwerkingscapaciteit, d.w.z. de zeer lange tijd die nodig is om een volledige siliciumwafer of glassubstraat te belichten. Een lange belichtingstijd maakt de gebruiker kwetsbaar voor bundeldrift of instabiliteit die tijdens de belichting kan optreden. Ook wordt de doorlooptijd voor herbewerking of herontwerp onnodig verlengd als het patroon de tweede keer niet wordt gewijzigd.
IonenbundellithografieEdit
Het is bekend dat met gefocusseerde-ionenbundellithografie uiterst fijne lijnen kunnen worden geschreven (minder dan 50 nm lijn en ruimte is bereikt) zonder nabijheidseffect. Omdat het schrijfveld bij ionenbundellithografie echter vrij klein is, moeten grote gebiedspatronen worden gemaakt door de kleine velden aan elkaar te naaien.
Ion track technologyEdit
Ion track technology is een diep snijgereedschap met een resolutielimiet rond 8 nm dat kan worden toegepast op stralingsbestendige mineralen, glazen en polymeren. Het is in staat om gaten in dunne films te genereren zonder ontwikkelingsproces. De structurele diepte kan worden bepaald door het ionenbereik of door de materiaaldikte. Aspectverhoudingen tot verscheidene 104 kunnen worden bereikt. De techniek kan materialen vormen en structureren onder een gedefinieerde hellingshoek. Willekeurige patronen, single-ion track structuren en gerichte patronen bestaande uit individuele single tracks kunnen worden gegenereerd.
RöntgenlithografieEdit
Röntgenlithografie is een proces dat wordt gebruikt in de elektronische industrie om selectief delen van een dunne film te verwijderen. Het maakt gebruik van röntgenstralen om een geometrisch patroon van een masker over te brengen op een lichtgevoelige chemische fotoresist, of gewoon “resist”, op het substraat. Een reeks chemische behandelingen graveert vervolgens het geproduceerde patroon in het materiaal onder de fotoresist.
Diamant patterningEdit
Een eenvoudige manier om patronen in het oppervlak van nanodiamanten te kerven of te maken zonder ze te beschadigen, zou kunnen leiden tot nieuwe fotonische apparaten.
Diamant patterning is een methode om diamanten MEMS te vormen. Het wordt bereikt door het lithografisch aanbrengen van diamantfilms op een substraat zoals silicium. De patronen kunnen worden gevormd door selectieve afzetting via een siliciumdioxidemasker, of door afzetting gevolgd door micromachining of gefocusseerd ionenbundelfrezen.
EtsprocessenEdit
Er zijn twee basiscategorieën van etsprocessen: nat etsen en droog etsen. Bij de eerste wordt het materiaal opgelost door onderdompeling in een chemische oplossing. Bij de laatste wordt het materiaal gesputterd of opgelost met behulp van reactieve ionen of een etsmiddel in dampfase.
Nat etsenEdit
Wet chemisch etsen bestaat uit het selectief verwijderen van materiaal door een substraat onder te dompelen in een oplossing die het oplost. De chemische aard van dit etsproces zorgt voor een goede selectiviteit, wat betekent dat de etssnelheid van het doelmateriaal aanzienlijk hoger is dan het maskermateriaal, mits zorgvuldig geselecteerd.
Isotroop etsenEdit
Etsen vordert met dezelfde snelheid in alle richtingen. Lange en smalle gaten in een masker zullen v-vormige groeven in het silicium produceren. Het oppervlak van deze groeven kan atomair glad zijn als de ets correct wordt uitgevoerd, met afmetingen en hoeken die uiterst nauwkeurig zijn.
Anisotroop etsenEdit
Bij sommige eenkristal materialen, zoals silicium, zal de etssnelheid verschillen afhankelijk van de kristallografische oriëntatie van het substraat. Dit staat bekend als anisotroop etsen en een van de meest voorkomende voorbeelden is het etsen van silicium in KOH (kaliumhydroxide), waarbij de Si <> vlakken ongeveer 100 keer langzamer etsen dan andere vlakken (kristallografische oriëntaties). Daarom resulteert het etsen van een rechthoekig gat in een (100)-Si wafer in een piramidevormige etsput met 54,7° wanden, in plaats van een gat met gebogen zijwanden zoals bij isotroop etsen.
HF etsenEdit
Waterstoffluoridezuur wordt gewoonlijk gebruikt als waterig etsmiddel voor siliciumdioxide (SiO
2, ook bekend als BOX voor SOI), meestal in 49% geconcentreerde vorm, 5:1, 10:1 of 20:1 BOE (gebufferd oxide etsmiddel) of BHF (gebufferd HF). Ze werden voor het eerst gebruikt in de middeleeuwen voor het etsen van glas. Het werd gebruikt bij de fabricage van IC’s voor het etsen van het poortoxide totdat deze processtap werd vervangen door RIE.
Hydrofluorzuur wordt beschouwd als een van de gevaarlijkste zuren in de cleanroom. Het dringt bij aanraking door de huid en verspreidt zich direct naar het bot. Daarom wordt de schade pas gevoeld als het te laat is.
elektrochemisch etsenEdit
Elektrochemisch etsen (ECE) voor dopantselectieve verwijdering van silicium is een gangbare methode om het etsen te automatiseren en selectief te regelen. Een actieve p-n diode junctie is vereist, en elk type doteringsmateriaal kan het ets-resistente (“etch-stop”) materiaal zijn. Borium is het meest voorkomende ets-stop doteringsmateriaal. In combinatie met nat anisotroop etsen zoals hierboven beschreven, is ECE met succes gebruikt voor het regelen van de dikte van het siliciummembraan in commerciële piëzoresistieve siliciumdruksensoren. Selectief gedoteerde gebieden kunnen worden gecreëerd door implantatie, diffusie of epitaxiale afzetting van silicium.
Droog etsenEdit
Damp etsenEdit
Xenon difluorideEdit
Xenon difluoride (XeF
2) is een droge dampfase isotrope ets voor silicium oorspronkelijk toegepast voor MEMS in 1995 aan de Universiteit van Californië, Los Angeles. Voornamelijk gebruikt voor het vrijmaken van metaal en diëlektrische structuren door silicium te onderbreken, heeft XeF
2 het voordeel van een stiction-free release in tegenstelling tot natte etsmiddelen. Zijn etsselectiviteit aan silicium is zeer hoog, toestaand het om met fotoresist, SiO
2, siliciumnitride, en diverse metalen voor het maskeren te werken. De reactie op silicium is “plasmaloos”, is zuiver chemisch en spontaan en wordt vaak in gepulseerde modus gebruikt. Er zijn modellen van de etsende werking beschikbaar, en universitaire laboratoria en diverse commerciële hulpmiddelen bieden oplossingen waarbij deze benadering wordt gebruikt.
Plasma etsenEdit
Moderne VLSI-processen vermijden nat etsen en gebruiken in plaats daarvan plasma etsen. Plasma-etsers kunnen in verschillende modi werken door de parameters van het plasma aan te passen. Gewone plasma-etsen werken tussen 0,1 en 5 Torr. (Deze drukeenheid, die algemeen wordt gebruikt in de vacuümtechniek, is gelijk aan ongeveer 133,3 pascal). Het plasma produceert energetische vrije radicalen, neutraal geladen, die reageren op het oppervlak van de wafer. Aangezien de neutrale deeltjes de wafer vanuit alle hoeken aanvallen, is dit proces isotroop.
Plasma etsen kan isotroop zijn, d.w.z. een laterale ondersnijdingssnelheid op een patroonoppervlak vertonen die ongeveer gelijk is aan de neerwaartse etsnelheid, of kan anisotroop zijn, d.w.z. een kleinere laterale ondersnijdingssnelheid vertonen dan de neerwaartse etsnelheid. Een dergelijke anisotropie wordt gemaximaliseerd bij diep reactief ionetsen. Het gebruik van de term anisotropie voor plasma etsen moet niet worden verward met het gebruik van dezelfde term wanneer wordt verwezen naar oriëntatie-afhankelijk etsen.
Het brongas voor het plasma bevat gewoonlijk kleine moleculen die rijk zijn aan chloor of fluor. Zo etst tetrachloorkoolstof (CCl
4) silicium en aluminium, en etst trifluormethaan siliciumdioxide en siliciumnitride. Een zuurstofhoudend plasma wordt gebruikt om de fotoresist te oxideren (“verassen”) en gemakkelijker te verwijderen.
Ion milling, of sputter etching, gebruikt lagere drukken, vaak zo laag als 10-4 Torr (10 mPa). Het bombardeert de wafer met energetische edelgasionen, vaak Ar+, die atomen van het substraat slaan door momentum over te brengen. Omdat het etsen wordt uitgevoerd door ionen, die de wafer ongeveer vanuit één richting benaderen, is dit proces zeer anisotroop. Anderzijds heeft het de neiging een geringe selectiviteit te vertonen. Reactieve-ionenetsen (RIE) werkt onder omstandigheden die het midden houden tussen sputteren en plasmaetsen (tussen 10-3 en 10-1 Torr). Deep reactive-ion etching (DRIE) modificeert de RIE techniek om diepe, smalle elementen te produceren.
SputteringEdit
Reactief ion etsen (RIE)
Bij reactief-ion etsen (RIE) wordt het substraat in een reactor geplaatst, en worden verschillende gassen ingebracht. In het gasmengsel wordt met behulp van een RF-energiebron een plasma aangeslagen, dat de gasmoleculen in ionen breekt. De ionen versnellen naar en reageren met het oppervlak van het te etsen materiaal, waarbij een ander gasvormig materiaal wordt gevormd. Dit staat bekend als het chemische deel van reactief ionetsen. Er is ook een fysisch deel, dat vergelijkbaar is met het sputtering-depositieproces. Als de ionen een voldoende hoge energie hebben, kunnen zij atomen uit het te etsen materiaal slaan zonder chemische reactie. Het is een zeer complexe taak om droog-ets-processen te ontwikkelen waarbij chemisch en fysisch etsen met elkaar in evenwicht zijn, aangezien er veel parameters zijn die moeten worden aangepast. Door de balans te veranderen is het mogelijk de anisotropie van het etsen te beïnvloeden, aangezien het chemische deel isotroop is en het fysische deel zeer anisotroop kan de combinatie zijwanden vormen die vormen hebben van afgerond tot verticaal.
Deep RIE (DRIE) is een speciale subklasse van RIE die in populariteit toeneemt. Bij dit proces worden etsdieptes van honderden micrometers bereikt met bijna verticale zijwanden. De primaire technologie is gebaseerd op het zogenaamde “Bosch-proces”, genoemd naar het Duitse bedrijf Robert Bosch, dat het oorspronkelijke octrooi heeft aangevraagd, waarbij twee verschillende gassamenstellingen elkaar afwisselen in de reactor. Momenteel zijn er twee varianten van het DRIE-procédé. De eerste variant bestaat uit drie afzonderlijke stappen (het oorspronkelijke Bosch-procédé), terwijl de tweede variant slechts uit twee stappen bestaat.
In de eerste variatie is de etscyclus als volgt:
(i) SF
6 isotroop etsen;
(ii) C
4F
8 passiveren;
(iii) SF
6 anisoptropisch etsen voor het reinigen van de vloer.
In de 2e variatie worden stappen (i) en (iii) gecombineerd.
Beide variaties werken op dezelfde manier. De C
4F
8 creëert een polymeer op het oppervlak van het substraat, en de tweede gassamenstelling (SF
6 en O
2) etst het substraat. Het polymeer wordt onmiddellijk weggesputterd door het fysische deel van het etsen, maar alleen op de horizontale oppervlakken en niet op de zijwanden. Aangezien het polymeer slechts zeer langzaam oplost in het chemische deel van het etsen, hoopt het zich op de zijwanden op en beschermt deze tegen het etsen. Als gevolg hiervan kunnen ets-aspectverhoudingen van 50 tot 1 worden bereikt. Het proces kan gemakkelijk worden gebruikt om volledig door een silicium substraat te etsen, en de etssnelheden zijn 3-6 keer hoger dan bij nat etsen.
MatrijsvoorbereidingEdit
Na het prepareren van een groot aantal MEMS apparaten op een silicium wafer, moeten de individuele matrijzen worden gescheiden, wat in de halfgeleidertechnologie matrijsvoorbereiding wordt genoemd. Voor sommige toepassingen wordt de scheiding voorafgegaan door het terugslijpen van de wafer om de dikte van de wafer te verminderen. Wafer dicing kan dan worden uitgevoerd door zagen met behulp van een koelvloeistof of een droog laserproces dat stealth dicing wordt genoemd.