Mikrosensory półprzewodnikowe

Mikrosensory poacutełprzewodnikowe Wykład 3 201011 1

Podstawowe sensory i ich technologia

Mikrosensory poacutełprzewodnikowe


Plan

1 Dlaczego krzem Własności i zjawiska wykorzystywane w sensoryce

2 Technologia ndash podstawowe procesy


Materiały używane w technologii mikromechanicznej

Krzem i związane z nim materiały są podstawą mikrosystemoacutew Należy tu wymienić

bullkrzem monokrystaliczny (SCS-single crystal silicon)

bullmultikrystaliczny krzem

bullamorficzny krzem (a-Si)

bullstopy krzemu z germanem

bullamorficzny kwarc SiO2

bullazotek krzemu Si3N4

SOI-silicon on insulator


Rodzaj sensora Zjawisko fizyczne Materiał

Sensory ciśnienia przyspieszenia siły

Efekt piezorezystancyjny

Efekt piezoelektryczny

Si (mono lub polikryształ)

SiO2 ZnO

Sensory temperatury

Temperaturowa zależność rezystywności

Temperaturowa zależność napięcia progowego złącza p-n

Efekt termoelektryczny

Si

Si

SiGe

Sensory pola magnetycznego

Efekt Halla Si GaAsInSb

Sensory optyczne Fotoefekt Si Ge GaAsPbS PbSe PbTe PbSnTeInSbHgCdTeCdSCdSeCdTe

Sensory chemiczne

Efekt polowy

Zmiana przewodnictwa elektrycznego

Si

Tlenki metalu (SnO2 ZnO)

Biosensory Efekt polowy Si


Dlaczego krzem tani i dobrze scharakteryzowany materiał łatwo

dostępny (258 Si w skorupie ziemskiej związany jako SiO2)

duża liczba i roacuteżnorodność technik wytwarzania i obroacutebki krzemu

duży potencjał dla integracji z układami kontroli i przetwarzania sygnałoacutew

dobre własności elektryczne mechaniczne (anizotropia) termiczne

tworzy stabilny tlenek (tzw native oxide) SiO2 ndash

elektryczny izolator


Własność Krzem Stal nierdzewna

Kwarc Al

Gęstość [gcm3] 233 79 26 271

Moduł Younga[GPa]

130-190 200 75 72

Granica plastyczności [GPa]

7 21 07 -

Twardość w skali Knooprsquoa [kgm2]

850 660 820

Wspoacutełczynnik rozszerzalności

termicznej [10-6 oC]

26 173 054

Przewodnictwo cieplne w 300K

[Wcm∙K]

157 0329 00146 237

Temperatura topnienia [oC]

1415 1400 1715 660


Si GaAs Ge Jednostka

Przerwa energetyczna (300 K)

112 142 066 eV

Struktura diamentu blendy cynkowej

diamentu

Stała sieci 54 565 5645 Aring

Koncentracja nośnikoacutew samoistnych

151010 18108 241013 cm-3

Ruchliwość

elektronoacutew

dziur

1350

480

7200

200

3900

1900

cm-2Vs

cm-2Vs

Stała dielektryczna 12 115 16

Gęstość 2329 5318 5327 gcm3

Liniowy wspoacutełczynnik rozszerzalności temperaturowej

2610-6 6610-6 5810-6 K-1

Przewodnictwo termiczne 157 046 06 WcmK

Temperatura topnienia 1415 1238 937 oC


Krzem

Struktura diamentu

Eg = 112 eV





TechnologiaMetody wytwarzania można podzielić na

Metody bdquotop-downrdquo dotyczą usuwania materiału Proces niszczy siły spoacutejności pomiędzy elementami ciała stałego Metody bdquotop-downrdquo to trawienie bdquomokrerdquo i bdquosucherdquo obroacutebka mechaniczna laserowa ablacja plazmowe trawienie fotolitografia itp

Metody bdquobottom-uprdquo dotyczą tworzenia nowych struktur ze stopionej masy stanu gazowego ciekłego lub stałego Metody bdquobottom-uprdquo to np samoorganizujące się struktury ale także cienkie warstwy (epitaksja z fazy ciekłej lub gazowej)

Zastosowanie STM

top-down bottom-up


Cienkie warstwy

-epitaksjalne Si

-polikrystaliczne Si

-SiO2

-Si3N4


-metaliczne

Głoacutewne etapy technologii IC

Maski

Litografia

Trawienie

Nanoszenie warstw

Porcjowanie

Pakowanie

Cięcie

Wzrost kryształu

Domieszki


Litografia jest techniką polegającą na przenoszeniu wzoru (ang pattern) z maski na warstwę lub podłoże przy użyciu materiału światłoczułego lub czułego na inne promieniowanie (X elektrony jony) Dla optycznej ekspozycji najczęściej używa się nazwy bdquofotorezystrdquo

Trawienie jest to selektywne usuwanie materiału z pewnych ustalonych obszaroacutew warstwy lub podłoża Rozroacuteżnia się trawienie mokre i suche a także anizotropowe i izotropowe

Najważniejsze procesy


Izotropowe czy anizotropowe trawienie


Szybkość trawienia anizotropowego w Si zależy od kierunku krystalograficznego

Rowek typu V (angbdquoV-grooverdquo) długi czas trawienia

w

)55coth(2 oo hww

Rowek typu U (ang U-groove) kroacutetki czas trawienia h - głębokość wytrawiona

w

wo

Stosunek szybkości trawienia w kierunku lt100gt i lt110gt do trawienia w kierunku lt111gt wynosi odpowiednio 4001 i 6001


Trawienie anizotropowe krzemu

Najczęściej do trawienia anizotropowego krzemu używa się mieszaniny roztworu KOH w wodzie z alkoholem izopropylowym Dla przykładu dla 34 wag KOH w 709oC szybkość trawienia wynosi 1292 μmmin dla płaszczyzny (110) 0629 μmmin dla (100) i tylko 0009 μmmin dla (111)

22222 2)(22 HOHSiOOHOHSi



SEM image of bulk micromachined cantilever fabricated by p+ etch stop and anisotropic etching

Objętościowe struktury wykonane w technologii mikromechanicznej


Struktura sensora pojemnościowego

Rezonujący w pionie sensor oparty na oscylacjach skrętnych wykonany w krzemie techniką mikromechaniczną objętościową


Trawienie plazmowe lub jonowe

RIE (ang reactive ion etching) DRIE (ang deep reactive ion etching)


Przykładowe struktury



Surface micromachining ndash obroacutebka powierzchniowa

sacrificial layer deposition ndash nanoszenie warstwy protektorowej

trawienie w celu utworzenia kotwic (ang anchor) i obszaroacutew złączek (ang bushing regions)

usuwanie warstwy protektorowej (structural layer patterning)

wolno-stojąca struktura (np dźwignia belka)



LIGA ndash technika wykorzystująca litografię elektroplaterowanie (electroplating) i wypełnianie formowanie (molding)

Jest to technika stosowana do wytwarzania mikrostruktur w szeregu materiałach takich jak metale polimery ceramika i szkło Mikrostruktury troacutejwymiarowe 3D charakteryzują się tzw high-aspect-ratio



LIGA (Litograhie Galvanoformung Abformung)

1 Naświetlanie

Promieniowanie synchrotronowe

Struktura absorbująca

Maska

Fotorezyst

Podstawa

2 Wywoływanie struktura fotorezystu


3 Elektroformowanie

Metal

Struktura fotorezystu

Przewodząca podstawa

4 Tworzenie formy

Wnęka formy


5 Wypełnianie formy

6 Usuwanie formy

Substancja wypełniająca formę (np plastik)

Struktura w plastiku


Scanning Tunneling Microscope STM


Plan

1 Dlaczego krzem Własności i zjawiska wykorzystywane w sensoryce

2 Technologia ndash podstawowe procesy

















SiO2 ZnO

Sensory temperatury




Si

Si

SiGe




Sensory chemiczne

Efekt polowy


Si













Kwarc Al

Gęstość [gcm3] 233 79 26 271

Moduł Younga[GPa]

130-190 200 75 72


7 21 07 -


850 660 820



26 173 054


[Wcm∙K]

157 0329 00146 237


1415 1400 1715 660




112 142 066 eV


diamentu



151010 18108 241013 cm-3

Ruchliwość

elektronoacutew

dziur

1350

480

7200

200

3900

1900

cm-2Vs

cm-2Vs


Gęstość 2329 5318 5327 gcm3


2610-6 6610-6 5810-6 K-1




Krzem

Struktura diamentu

Eg = 112 eV








Zastosowanie STM

top-down bottom-up


Cienkie warstwy

-epitaksjalne Si


-SiO2

-Si3N4


-metaliczne


Maski

Litografia

Trawienie

Nanoszenie warstw

Porcjowanie

Pakowanie

Cięcie

Wzrost kryształu

Domieszki










w

)55coth(2 oo hww


w

wo
































1 Naświetlanie



Maska

Fotorezyst

Podstawa



3 Elektroformowanie

Metal



4 Tworzenie formy

Wnęka formy



6 Usuwanie formy





















SiO2 ZnO

Sensory temperatury




Si

Si

SiGe




Sensory chemiczne

Efekt polowy


Si













Kwarc Al

Gęstość [gcm3] 233 79 26 271

Moduł Younga[GPa]

130-190 200 75 72


7 21 07 -


850 660 820



26 173 054


[Wcm∙K]

157 0329 00146 237


1415 1400 1715 660




112 142 066 eV


diamentu



151010 18108 241013 cm-3

Ruchliwość

elektronoacutew

dziur

1350

480

7200

200

3900

1900

cm-2Vs

cm-2Vs


Gęstość 2329 5318 5327 gcm3


2610-6 6610-6 5810-6 K-1




Krzem

Struktura diamentu

Eg = 112 eV








Zastosowanie STM

top-down bottom-up


Cienkie warstwy

-epitaksjalne Si


-SiO2

-Si3N4


-metaliczne


Maski

Litografia

Trawienie

Nanoszenie warstw

Porcjowanie

Pakowanie

Cięcie

Wzrost kryształu

Domieszki










w

)55coth(2 oo hww


w

wo
































1 Naświetlanie



Maska

Fotorezyst

Podstawa



3 Elektroformowanie

Metal



4 Tworzenie formy

Wnęka formy



6 Usuwanie formy















Kwarc Al

Gęstość [gcm3] 233 79 26 271

Moduł Younga[GPa]

130-190 200 75 72


7 21 07 -


850 660 820



26 173 054


[Wcm∙K]

157 0329 00146 237


1415 1400 1715 660




112 142 066 eV


diamentu



151010 18108 241013 cm-3

Ruchliwość

elektronoacutew

dziur

1350

480

7200

200

3900

1900

cm-2Vs

cm-2Vs


Gęstość 2329 5318 5327 gcm3


2610-6 6610-6 5810-6 K-1




Krzem

Struktura diamentu

Eg = 112 eV








Zastosowanie STM

top-down bottom-up


Cienkie warstwy

-epitaksjalne Si


-SiO2

-Si3N4


-metaliczne


Maski

Litografia

Trawienie

Nanoszenie warstw

Porcjowanie

Pakowanie

Cięcie

Wzrost kryształu

Domieszki










w

)55coth(2 oo hww


w

wo
































1 Naświetlanie



Maska

Fotorezyst

Podstawa



3 Elektroformowanie

Metal



4 Tworzenie formy

Wnęka formy



6 Usuwanie formy








112 142 066 eV


diamentu



151010 18108 241013 cm-3

Ruchliwość

elektronoacutew

dziur

1350

480

7200

200

3900

1900

cm-2Vs

cm-2Vs


Gęstość 2329 5318 5327 gcm3


2610-6 6610-6 5810-6 K-1




Krzem

Struktura diamentu

Eg = 112 eV








Zastosowanie STM

top-down bottom-up


Cienkie warstwy

-epitaksjalne Si


-SiO2

-Si3N4


-metaliczne


Maski

Litografia

Trawienie

Nanoszenie warstw

Porcjowanie

Pakowanie

Cięcie

Wzrost kryształu

Domieszki










w

)55coth(2 oo hww


w

wo
































1 Naświetlanie



Maska

Fotorezyst

Podstawa



3 Elektroformowanie

Metal



4 Tworzenie formy

Wnęka formy



6 Usuwanie formy






Krzem

Struktura diamentu

Eg = 112 eV








Zastosowanie STM

top-down bottom-up


Cienkie warstwy

-epitaksjalne Si


-SiO2

-Si3N4


-metaliczne


Maski

Litografia

Trawienie

Nanoszenie warstw

Porcjowanie

Pakowanie

Cięcie

Wzrost kryształu

Domieszki










w

)55coth(2 oo hww


w

wo
































1 Naświetlanie



Maska

Fotorezyst

Podstawa



3 Elektroformowanie

Metal



4 Tworzenie formy

Wnęka formy



6 Usuwanie formy












Zastosowanie STM

top-down bottom-up


Cienkie warstwy

-epitaksjalne Si


-SiO2

-Si3N4


-metaliczne


Maski

Litografia

Trawienie

Nanoszenie warstw

Porcjowanie

Pakowanie

Cięcie

Wzrost kryształu

Domieszki










w

)55coth(2 oo hww


w

wo
































1 Naświetlanie



Maska

Fotorezyst

Podstawa



3 Elektroformowanie

Metal



4 Tworzenie formy

Wnęka formy



6 Usuwanie formy






Cienkie warstwy

-epitaksjalne Si


-SiO2

-Si3N4


-metaliczne


Maski

Litografia

Trawienie

Nanoszenie warstw

Porcjowanie

Pakowanie

Cięcie

Wzrost kryształu

Domieszki










w

)55coth(2 oo hww


w

wo
































1 Naświetlanie



Maska

Fotorezyst

Podstawa



3 Elektroformowanie

Metal



4 Tworzenie formy

Wnęka formy



6 Usuwanie formy














w

)55coth(2 oo hww


w

wo
































1 Naświetlanie



Maska

Fotorezyst

Podstawa



3 Elektroformowanie

Metal



4 Tworzenie formy

Wnęka formy



6 Usuwanie formy



































1 Naświetlanie



Maska

Fotorezyst

Podstawa



3 Elektroformowanie

Metal



4 Tworzenie formy

Wnęka formy



6 Usuwanie formy






3 Elektroformowanie

Metal



4 Tworzenie formy

Wnęka formy



6 Usuwanie formy







6 Usuwanie formy





Mikrosensory półprzewodnikowe

Documents

Transcript of Mikrosensory półprzewodnikowe