GUIA DE PRINCIPIANTES PARA LA FABRICACION DE MEMS 1.- DEPOSITO

Guia de Principiantes de fabricacion de MEMS

Hay 3 bloques basicos en la tecnologia MEMS, que son 1.La capacidad de depositar peliculas delgados de material en un substrato, 2. Aplicar una mascara con un patron encima de los films por imagen litografica, y 3. Remover (etch) los peliculas selectivamente de la mascara. Un proceso MEMS es usualmente un secuencia estructurada de estas operacions para formar un dispositivo.

Proceso de Deposito de peliculas delgados en MEMS

Uno de los bloques basicos de construccion en un proceso de MEMS es la capacidad de depositar peliculas delgados de un material. En esto se assume que un filme Delgado tiene un ancho entre pocos nanometros y cerca de 100 micrometros. El filme puede consecuentemente ser removido usando procesos descritos en las secciones de litograia y Etching de esta guia.

La tecnologia de deposition puede ser clasificada en dos grupos:

1. Depositoes que suceden por una reaccion quimica:

Chemical Vapor Deposition(CVD)

Electrodeposition

Epitaxy

Thermal Oxidation

Estos procesos explotan la creacion de materials solidos directamente de reacciones quimicas en gas y/o composiciones liquidas o con el material del substrato. El material solido no es usualmente el unico producto formado por la reaccion. Otros productos pueden incluir gases, liquidos y aun otros solidos.

2. Depositoes que suceden por una reaccion fisica:

Physical Vapor Deposition (PVD)

Casting

Comun para todos estos procesos es que el material depositado es trasladado fisicamente en el sustrato. En otras palabras, no hay reaccion quimica que forma el material sobre el sustrato.

CHEMICAL VAPOR DEPOSITION (CVD)

En este proceso, el sustrato es colocado dentro de un reactor en el cual un numero de gases es entregado. El principio fundamental de este proceso es que una reaccion quimica toma lugar entre los gases. El producto de esta reaccion es un material solido que es condensado en todas los lugares dentro del reactor.

Las dos mas importantes tecnologias CVD en MEMS son el Low Pressure CVD (LPCVD) y el Plasma Enhanced CVD (PECVD). El proceso LPCVD produce layers con una excelente uniformidad de espesor y caracteristicas del material. El problema fundamental con el proceso es que se require altas temperatures (mas altas de 600C) y tiene una muy lenta tasa de deposito. El proceso PECVD puede operar a bajas temperatures (debajo los 300C) gracias a la energia extra que el suplida a las moleculas por el plasma en el reactor. Sin embargo, la calidad del filme tiende a ser inferior a proceso que es corridor a altas temperatures. En Segundo lugar, muchos sistemas de deposito PECVD pueden solo depositar el material en un solo lado de los wafers en 1 a 4 wafers a la vez. Sistemas LPCVD depositan peliculas en ambos lados de al menos 25 wafers a la vez. La figura muestra un tipico reactor LPCVD.

Cuando usar el proceso CVD?

EL Proceso CVD es idealmente usado cuando uno desea un filme Delgado con Buena cobertura. Una variedad de materials puede ser depositado con esta tecnologia, sin embargo, alguno de ellos son menos populares en las fabs porque forman productos daninos durante el proceso. La calidad de el material varia entre proceso y proceso, sin embargo es un rugle de oro que procesos a alta temperature entrega un material con alta calidad y menos defectos.

ELECTRODEPOSITION

Este proceso es tambien conocido como “electroplating” y es tipicamente restringido a materials que son electricamente conductores. Basicamente hay dos tecnologias para plating: Electroplating y Electroless plating. En el proceso de electroplating el sustrato es colocado en una solucion liquida (electrolyte). Cuando un potencial electrico es aplicado entre un area conductora en el substrato y un electrode no conductor (usualmente platino) en el liquido, un proceso quimico de redox toma lugar en la formacion de una capa de material en el sustrato y usualmente alguna generacion de gas en el electrode no conductor.

En el proceso de electroless plating una mas compleja solucion quimica es usada, en el cual la deposito sucede espontaneamente en cualquier superficie que forma un suficiente alto potencial electromecanico con la solucion. Este proceso es deseable porque no require ningun potencial externo y contacto a el sustrato durante el precesamiento. Desafortunadamente, este es tambien mas dificil de controlar el espesor del filme y su uniformidad. Una figura de la configuracion tipica para el proceso de electroplating es mostrado abajo.

EPITAXY

Esta tecnologia es muy similar a lo que sucede en proceso CVD, sin embargo, si el sustrato es un semiconductor con cryatl ordenado (i.e. silicon, galio arsenico), este es possible que con este proceso continuar construyendo sobre el sustrato con la misma orientacion cristalografica con el sustrato actuando como una semilla para la deposito. Si un sustrato amorfo/policristalina es usado, el filme tambien sera amorfo o policristalino.

Hay muchas tecnologias para crear las condiciones necesarias dentro de un reactor para estimular el crecimiento epitaxial, de los cuales el mas importante es Vapor Phase Epitaxy (VPE). En este proceso, un numero de gases son introducidos en un reactor de induccion de calor donde solo es sustrato es calentado. La temperature de el sustrato tipicamente debe de ser al menos 50% de el punto de fusion de el material que ha de ser depositado.

Una ventaja del epitaxy es la alta tasa de crecimiento del material, el cual permite la formacion de peliculas con considerable espesor (>100um). Epitaxy es una tecnologia ampliamente usada para producir sustratos de Silicon On Insulator(SOI). La tecnologia es primariamente usada para deposito de silicon. Un diagrama de un tipico reactor vapor phase epitaxial es mostrado abajo.

Cuando usar el proceso de epitaxy?

Este ha sido y continua siendo una tecnologia emergente en MEMS. El proceso puede ser usado para formar peliculas en silicon con espesor de ~1um a >100um. Algunos procesos require una exposicion a alta temperature de el sustrato, mientra que otros no require significante calentamiento del sustrato. Algunos procesos pueden aun ser usados para performar selective deposito, dependiendo en la superficie de el sustrato.

THERMAL OXIDATION

Este es uno de las tecnologias mas basicas de deposito. Este es simplemente oxidacion de la superficie del sustrato en una atmosfera rica de oxigeno. La temperature es incrementada entre 800C-1100C para acelerar el proceso. Tambien este es la unica tecnologia de deposito que en realidad consume algo de el sustrato como este procede. El crecimiento del filme es rechazada por diffusion de oxigeno en el sustrato, lo que significa que el crecimiento del filme es en realidad hacia abajo en el sustrato. Como el espesor de las capas de oxido crece, la difusion de oxigeno en el sustrato comienza mas dificil de manipular, esto crea una relacion parabolica entre el espesor de la pelicula y el tiempo de oxidacion para peliculas mas gruesas que ~100nm. Este proceso es naturalmente limitado a materials que pueden ser oxidados, y esto puede solo formar peliculas que son oxidos de ese material. Este es el clasico proceso usado para formar dioxide de silicio en un sustrato de silicio. Una figura del un tipico horno de oxidacion de wafers es mostrado abajo.

Cuando usar Thermal Oxidation?

Cuando tu lo desees, este es un proceso muy simple, el cual desafortunadamente produce peliculas con un limitado uso en componentes MEMS. Este es tipicamente usado para formar peliculas que son usadas para insulacion electrica.

PHYSISCAL VAPOR DEPOSITION (PVD)

PVD cubre un numero de tecnologias de deposito en que materials are soltados de una fuente y transferido a el sustrato. Las dos mas importantes tecnologias son evaporation y sputtering.

Cuando usar PVD?

PVD comprende las tecnologias estandares para deposito de metales. Este es de lejos el mas comun que CVD para metales desde que este puede ser performado a un mas bajo riesgo en el proceso y mas barato en el costo de materiales. La calidad de la pelicula es inferior a el CVD, que para metales significa una alta resistividad y para los insuladores mas defectos y trampas. El paso de cobertura no es tan bueno como el CVD.

Escoger el metodo de deposito (i.e. evaporation vs. sputtering) deberia en muchos casos ser arbitrario, y puede depender mas en que tecnologia esta disponible para el material especificado en ese tiempo.

EVAPORATION

En evaporacion el sustrato es colocado dentro de una camara de vacio, en que un bloque(fuente) de el material que ha de ser depositado es colocado. La fuente del material es entonces calentado a un punto donde este empieza a hervir y evaporarse. La camara de vacio es requerida para permitir a las moleculas evaporarse libremente dentro de la camara, y ellos subsequecuentemente condensarse en todas las superficies. Este principio es el mismo para todas las tecnologias de evaporacion, unicamente el metodo usado en el calentamiento (evapora) de la fuente del material difiere. Hay dos tecnologias de evaporacion, que son e-beam evaporation y resistive evaporation cada uno referida al metodo de calentamiento. En e-beam evaporation, un electron beam es encaminada a la fuente del material causando un calentamiento local y evaporacion. En resistive evaporation, un bote de tungsteno, conteniendo la fuente del material, es calentado electricamente con una alta corriente para hacer evaporar al material. Muchos materiales son restrictivos en terminus de que el metodo de evaporacion puede ser usado ( i.e. aluminio es muy dificil de evaporar usando calentamiento resistive), el cual tipicamente relacion a las propiedades de la fase de transicion del material. Una figura de el sistema tipico para e-beam evaporation es mostrado abajo.

Sputtering

Sputtering es una tecnologia en el que el material es soltado de una fuente a mucho menos temperature que la de evaporacion. El sustrato es colocado en una camara de vacio con la fuente de material, llamado “blanco”, y un gas inerte(tal como argon) es introducido a una baja presion. Un gas plasma es estimulada usando un fuente RF de poder, causando que el gas empieze a ser ionizado. Los iones son acelerados hacia la superficie de el “blanco”, causando a los atomos del material fuente romperse de el blanco en forma de vapor y condensarse sobre todas las superficies incluyendo el sustrato. Como en evaporacion, el principio basico de sputtering es el mismo que para todas las tecnologias de sputtering. Las diferencias se refieren normalmente a la casa en la que el bombardeo de iones de el “blanco” se realiza.