1. INTRODUCERE. OBIECTIVELE LUCRĂRII. Eliberarea anumitor elemente din componența microstructurilor MEMS utilizând tehnicile de corodare este unul… [301912]

1. INTRODUCERE. OBIECTIVELE LUCRĂRII.

[anonimizat]. [anonimizat]-mecanice ale microstructurii.

[anonimizat], [anonimizat], dioxidul de siliciul sau nitratul de siliciu.

[anonimizat], depozitate pe suprafața plachetei.

Microprelucrarea în volum îndepărtează cantități mari de material și este de obicei aplicată pentru a [anonimizat] a substratului.

[anonimizat], sub straturile ce ar trebui să fie active.

[anonimizat] a [anonimizat], în fuctie de materialul ce va fi îndepărtat.

Există metode de a grava materialul pe bază de agenți corodanți gazoși sau lichizi.

[anonimizat], [anonimizat].

[anonimizat], în principal: corodarea cu soluție de KOH (hidroxid de potasiu) și TMAH (hidroxid de tetra metil amoniu). Ambele metode sunt utilizate pentru a [anonimizat], precum membranele subțiri sau consolele.

Pentru a [anonimizat].

[anonimizat].

Pe baza cunoașterii arhitecturii cristalografice a siliciului și a [anonimizat].

[anonimizat]-mecanice (MEMS), microprelucrarea in volum si cea de suprafata sunt tehnologiile de baza. [anonimizat] o succesiune de depozitii de filme subtiri si corodeaza selectiv deasupra substratului.

[anonimizat].

Desi microprelucrarea in volum este de obicei considerata metoda “clasica”, dar, [anonimizat], in functie de rezultatele dorite.

[anonimizat], structurile cu suprafetele microprelucrate utilizează o zonă mai mică a chipului, lăsând astfel mai mult spațiu pentru elementele electronice. [anonimizat], masa mai mare ofera o sensibilitate mai mare accelerometrelor iar zonele mai mari duc la capacitati mai mari pentru citirea mai usoara, care sunt extrem de utile in fabricarea dispozitivului inertial.

In lucrare, au fost investigate efectele utilizarii solutiile de corodare cu surfactanti.

Comportamentul semnificativ diferit al corodarii in solutie de TMAH si Triton este foarte folositor pentru a extinde dezvoltarea aplicatiilor MEMS.

Structurile 3D create prin gravarea umeda au beneficiul ca surfactantul este adsorbit la suprafata siliciu-corodant ca un strat fin, actionand ca un filtru, moderand comportamentul agentului coroziv.

Agenții corozivi anizotropi sunt recunoscuți ca fiind dependenți de orientarea cristalografică, deoarece vitezele de corodare pe care le impun depind de direcțiile cristalografice. Hidroxidul de potasiu (KOH), etilendiamina pirocatecolul (EDP) precum și

hidroxidul de amoniu tetra-metil (TMAH) sunt principalii corodanți utilizați în acest tip de microprelucrări.

2. STADIUL ACTUAL AL REALIZĂRILOR ÎN DOMENIUL CORODARII UMEDE ANIZOTROPE A SILICIULUI

2.1. Previziuni asupra procesului de corodare în soluție de TMAH

Structura corodată este foarte diferită de mască originală utilizată, precum deschiderile pătrate ce se finalizează cu planele (111) ca pereții laterali și colțurile tamponului rectangular. Acestea vor fi rotunjite foarte mult după corodarea în soluție de TMAH, după cum se poate observa în figură 5. Pentru a obține mai multe informații despre corodarea în soluție de TMAH, a fost proiectată o mască cu diferite forme ale deschiderilor.

Aceste deschideri constau în mai multe colțuri ale căror margini se poziționeaă pe direcții diferite. Figura 4 prezintă o parte din acestă mască.

Figura 5. Masca utilizată pentru obținerea mai multor detalii despre corodarea umedă în soluție de TMAH a siliciului. Aceste informații sunt utilizate cu scopul de a obține modele ale unor măști mai eficiente.

A fost modelată o plachetă de siliciu utilizând această mască și a fost executată o corodare în soluție de TMAH de 360 min, după care a fost studiat eșantionul cu ajutorul unui microscop electronic cu baleiaj (SEM).

S-a putut observa că, pentru un colț concav, pe lângă planele paralele ale marginilor colțului, crevasele obținute după corodare sunt dominate de planele cu corodare înceată, în principal planele (111) și uneori planele (100). Și pentru un colț convex, forma rezultantă este deci dominată de planele cu corodare rapidă. În acest caz sunt planele (411). Rezultatele se observă în figură 6.

Figura 6. Rezultatele corodării utilizând masca prezentată în figură 5. În partea din stânga arată rezultatul colțurilor concave și în dreapta este prezentată subtăierea colțului convex. Linia groasă conturează forma măștii utilizate pentru a modela suprafața. În imaginea din stânga, putem vedea câteva filme cu forme neregulate agățate de margine. Acesta este filmul de reziduu de oxid care este utilizat ca o mască și care poate fi foarte ușor îndepărtat în soluție de acid fluorhidric (HF) fără a atacată siliciul.

Aceste acțiuni vor cauza o problemă când încercăm să corodăm adânc în substrat pentru că crevasa corodată va fi ușor diferită de mască utilizată. De exemplu, în figură următoare observăm crevasa corodată sub o deschidere a măștii cu o formă arbitrară, cauzată de subtăiere.

Figura 7. Structura corodată a unei deschideri arbitrare ce va fi formată de planele (111) după o lungă corodare în TMAH, nedepinzând de ce tip de deschidere este.

Pe de cealaltă parte, subtăierea poate fi de ajutor în proiectarea unor structuri, în special în obținerea structurilor suspendate.

Figura 8. Grindă suspendată obținută prin subtăiere.

2.2. Tehnica stopării corodării

Utilizarea corodării pentru a da formă obiectelor nu este de foarte mare ajutor dacă este incapabilă de a controla adâncimea și lățimea dimensiunii corodate.

Dimensiunile laterale, uneori pot fi definite prin corodarea înceată a planelor (111) dacă lăsăm marginea paralelă cu direcția (110). De exemplu, canelurile în V, ce sunt utilizate pentru a fixa un fir, pot fi corodate utilizând o deschidere rectangulară a cărei margine este de-a lungul direcției (110).

Din moment ce frontul corodat va fi mărginitde planele (111), crevasa corodată va rămâne de aproape aceeași dimensiune cu cea a măștii. Trebuie să redimensionăm deschiderea, să o facem mai mică, pentru a compensa corodarea acestor plane cu corodare înceată.

Adâncimea canelurilor în V poate fi controlată prin lățimea deschiderilor.

Figura 9. Utilizarea canelurilor în V ca o metodă de stopare a corodării. Adâncimea corodării este definită chiar în momentul în care canelul în V este format.

Din moment ce planele (111) formează un unghi de 54.7⁰ pe suprafața plachetei, a fost determinată o relație între adâncimea corodării și lățimea deschiderii:

w=2√2h

De exemplu, dacă dorim că adâncimea de corodare să fie de 50 μm, lățimea deschiderii trebuie să fie de 2√250= 141 μm. La momentul exact când canelurile în V sunt definite, adâncimea de corodare a ajuns la nivelul dorit.

Din moment ce rata de corodare a planului (111) nu este nulă, lățimea ar trebui să ie un pic mai mică decât 141 μm, diferența depinzând de această rată. Dar determinarea momentului când canelurile în V sunt formate, nu este deloc ușoară.

Deși o acuratețe de aproape 1 μm poate fi obținută utilizând metoda canelurilor în V, niciuna din tehnicile menționate nu sunt de mare încredere în privința preciziei. Așa că este necesară o tehnică a stopării corodării pentru a face asta.

2.3. Compatibilitatea procesului de corodare MEMS cu tehnologia CMOS

Device-urile MEMS sunt concepute pentru detectarea specifică a funcțiilor de acționare bazate pe structuri tridimensionale și mecanisme care pot fi fabricate printr-un set de etape cunoscute, compatibile cu tehnologiile CMOS, utilizate în micro-electronica pentru fabricarea de circuite integrate.

Aceste sisteme sunt utilizate în diverse domenii, din moment ce funcțiile principale sunt acelea de senzori și actuatori la scară micro și nano. Dezvoltarea acestora a dus la crearea unor elemente importante în mai multe domenii precum optică, telecomunicațiile, domeniul aparaturii biomedicale avansate precum și cel al procesării de imagini și chiar micro-fluidica.

Un mod de a realiza integrarea sistemelor este de a interfața senzorii și actuatorii în micro-module separate. Fiecare dintre ele (structuri și module tridimensionale) este fabricat într-un cip separat apoi sunt conectate și ambalate împreună.

Avantajul acestei alternative este independentă tehnologică asupra modului de realizare al fiecărui bloc, aplicând pașii convenabili pentru satisfacerea scopurilor specifice, adică gravarea pe o parte și mircroelectronica pe de altă parte.

Din păcate, ambalarea unui astfel de produs poate fie extrem de complexă și de sensibilă, existând șansa de defectare a dispozitivului și, astfel, de reducere a randamentului.

Prin urmare, o alegere bună este integrarea monolitică a sistemului în același substrat, unde senzorii sau dispozitivile de acționare sunt amplasate lângă electronică în același proces tehnologic, eliminând interconexiunile suplimentare, reducând suprafața sistemului și, astfel, producând creșterea randamentului.

Un design inteligent poate aduce un nivel de compatibilitate ridicat între diferitele blocuri utilizate în sistem și procesul de ambalare.

Cu toate acestea, această simplitate aparentă este valabilă numai pentru MEMS-urile fabricate utilizând tehnologiile CMOS.

O mare atenție trebuie acordată straturilor de material utilizate ca măști de protecție. Deci, scopul principal este de a procesa cipul fără riscuri și fără deteriorarea straturilor de mascare atunci când microprelucram structuri tridimensionale tipice precum senzorii sau microactuatorii.

O tehnică de bază în MEMS este corodarea umedă în volum, când gravarea se produce în substratul suficient de gros, cu o soluție pregătită cu anumite elemente care reacționează cu el, eliminând o parte din substrat. Cantitatea de material corodat depinde de natură și de condițiile soluției utilizate, cum ar fi temperatura, concentrația, timpul de gravare, agitarea și orientarea cristalografică a substratului.

Materialele folosite ca măști de protecție joacă, de asemenea, un rol foarte importând în procesul de microprelucrare astfel încât să se poate obține structura dorită.

În general, comodarea umedă în volum este utilizată pentru a produce structuri de tipul grinzilor în consolă, a miro-cavitatilor, a membranelor sau a micro-canelurilor.

2.4. Diferențele dintre un colț concav și un colț convex

Un computer are nevoie de un program, o aplicatie pentru a putea determina daca un colt este convex sau concav. In acest program ii spunem computerului sa utilizeze urmatoarea metoda.

În primul rând, pentru a-i spune computerului forma măștii mele, am introdus coordonatele apexurilor în ordine trigonometrica dupa cum se poate vedea in figura urmatoare. Am introdus coordonatele de la punctul 1 pana la 6.

Figura 25: Introducerea coordonatelor mască în computer

Daca un colt este convex sau concav, se determina prin urmaotarea metoda.

Având un colț format din trei puncte: 1, 2, 3, punctul 2 aici este vârful colțul, putem folosi doi parametri pentru a descrie acest colt: θ1, θ2. Și sunt doar patru posibilități despre relația dintre θ1 și θ2, adică:

a: θ1 > θ2 si θ1 < π

b: θ1< θ2 si θ2 < π

c: θ1 > θ2 si θ1 > π

d: θ1 < θ2 si θ2 – θ1 > π

Din fericire, aceste patru cazuri pot fi fie un colț concav sau un colț convex.

De exemplu, cazurile a și d sunt colțuri convexe, în timp ce cazul b și cazul c corespund

colțurile concave, după cum se arată în figura următoare.

Figura 26. Diferentele dintre colțul convex și colțul concav.

2.5. Evoluția colțurilor în cadrul corodării în soluție de TMAH

Pentru a prezice rezultatul de gravare in solutie de TMAH, avem nevoie de diagrama vitezelor de corodare pentru corodarea in aceasta solutie. Mai jos sunt datele vitezelor utilizate, care sunt determinate experimental prin metoda roții vagonului.

Figura 27. Diagrama vitezelor de corodare in solutie de TMAH, concentratie 25% la o temperature de 85⁰C.

Coltul convex

Pentru a obține evoluția colțurilor în gravura TMAH, trebuie să gasim marginea structurii corodate, de exemplu punctul P în figura 28. Deoarece pentru colțurile convexe structura gravată va fi legată de acele planuri de gravare rapidă, coordonatele punctului P pot fi determinate folosind următoarea formulă:

(14.1)

Aici alegem diferite valori ale lui θ si determinam un maximum. Rata de corodare (θ) este rata de corodare de-a lungul direcției θ și poate fi găsită din diagrama vitezelor de corodare a TMAH, figura 27, α este direcția OP, intervalul θ din bucla programului a fost evidențiat în figura 28. Intervalul este puțin diferit în cele patru cazuri a, b, c, d.

Figura 28. Marginea coltului convex dupa corodare. Linia galbena reprezinta coltul original, zona gri descrie forma corodata si α este directia OP. Sageata din stanga figurii indica intervalul θ in codul programului. Pozitia lui P poate fi determinata de distanta OP si α.

Colturile concave

Pentru colțurile concave, situația este similară, doar în formula 3.18, maximul ar trebui să fie schimbat la minim, deoarece acum forma gravată este determinată de planurile cu viteza mica de corodare.

2.6. Materiale pentru mască

În principal, toate materialele care corodează încet în soluție de TMAH sunt potrivite pentru a fi utilizate ca materiale pentru obținerea măștilor. Alegerea unui material particular pentru o mască depinde de un număr de elemente de luat în considerare. Problema principală este disponibilitatea în laborator, ușurința procesului (cum ar fi timpul de procesare, complexitatea și fiabilitatea), selectivitatea procesului de corodare și costurile. Dintre multe materiale, cele mai utilizate sunt dioxidul de siliciu și nitratul de silicu.

2.7. Dioxidul de siliciu

Dioxidul de siliciu, SiO2 este probabil cel mai important material de luat în considerare în construcția măștilor necesare în procesul de microprelucrare.

Acest material prezintă mai multe avantaje. În primul rând, poate fi crescut foarte ușor pe plachetele de siliciu prin simpla oxidare a acestora. Două procedee de bază sunt utilizate: oxidarea umedă și cea uscată.

Oxidare umedă: Si (s) + 2H2O (g) →SiO2 (s) + 2H2 (g)

Oxidare uscată: Si (s) + O2 (g) → SiO2 (s)

unde s – solid iar g – gazos.

Dezvoltarea dioxidul de siliciu implică încălzirea plachetei prin pulverizarea oxigenului uscat sau umed la o presiune de 1 atm la temperaturi foarte ridicare (între 800 și 1,200⁰ C) pentru o perioadă de mai multe ore.

Timpul de procesare depinde de cât de gros este stratul de oxid necesar. Viteza de corodare depinde de parametrii precum orientarea cristalografică a siliciului, temperatura în cuptor, timpul de procesare cât și grosimea oxidului nativ de pe plachetă.

Există o multitudine de lucrări științifice care explică procesul oxidării termice a siliciului și prezicerea grosimii în termeni de timp de procesare și temperatură.

Procesul de oxidarea umedă este mai rapid decât cel de oxidare uscată, de exemplu, pentru a crește oxid de 0.4 microni pe o plachetă blank (100) la 1,000⁰ C, oxidarea umedă are nevoie de o singură oră pentru a ajunge la rezultatul dorit, în timp ce procedeul de oxidare uscată are nevoie de aproximativ o zi întreagă.

Însă, calitatea dioxidului de siliciu obținut prin oxidarea uscată este mai bună decât cea a dioxidului obținut prin oxidare umedă. În ciuda acestei problematici, putem considera dioxidul obținut prin oxidare umedă destul de bun , atât timp cât se utilizează ca mască.

De asemenea, în timpul oxidării, siliciul va fi consumat. Raportul grosimii de siliciu convertit, XSi, utilizat pentru a obține grosimea oxidului, XOxid, este proporțional cu densitățile respective: XSi = 0.46XOxid. Aceste valori sunt absolut necesare atunci când suntem stricți în ceea ce privește grosimea stratului de oxid.

Selectivitatea dioxidului de siliciu relativ la siliciu în soluție de TMAH este foarte bună. Viteza de corodare a SiO2 este de patru ori mai mică decât cea a siliciului (100). Luând acestea în considerare, se poate determina ca pentru a coroda o plachetă de 6 inch, cu grosimea de 675 μm, un film de oxid de 1000 Å este îndeajuns. În practică se utilizează un film un pic mai gros.

O altă particularitate a dioxidului de siliciu este aceea că poate și modelat ușor utilizând procedeul de corodare cu ioni reactivi (“Reactive Ion Etching” – RIE) în plasmă bazată pe un amestec de CF4/O2 (tetrafluormetan/oxigen).

În final, dioxidul de siliciu poate fi îndepărtat utiliazand un agent coroziv umed, precum o soluție de acid fluorhidric (HF). Viteza de corodare într-o soluție cu raportul H2O la HF de 10:1 este de aproximativ 300 Å/min. În concluzie, putem utiliza acid fluorhidric tamponat pentru a elibera structurile obținute.

2.8. Nitrură de siliciu

Nitrura de silicu poate fi crescută pe plachetă printr-o metodă CVD (“Chemical Vapor Deposition” – CVD) adică depunere chimică prin vapori sau printr-o metodă LPCVD (“low pressure chemical vapor deposition” – LPCVD), adică depunere chimică prin vapori la presiune joasă.

Comparat cu dioxidul de siliciu, nintrura are de asemenea o selectivitate foarte pronunțată față de siliciu în soluție de TMAH și poate fi modelată utilizând RIE. Dezavantajele sunt prețul de cost ridicat și faptul că îndepărtarea prin eroziune umedă este anevoioasă.

Pe lângă dioxidul de siliciu și nitrura, în zilele noastre, carbura de siliciu este apreciată drept un bun material pentru microprelucrari, nefiind utilizat doar ca mască ci și ca un strat structural.

2.9. Compensarea și simularea colțului

După cum s-a determinat experimental, adânciturile corodate sunt destul de diferențe de mască utilizată din pricina subtăierii, în special la colțurile structurilor. În figură 1 se poate observa o rotunjire a colțurilor datorată subtăierii măștii necompensate.

Figura 12. Imagine a subtăierii a colțurilor convexe. Masca de oxid este de un pătrat cu dimensiunile de 80 μm x 80 μm, și perioada de corodare este de 40 de minute.

Dacă adâncimea de corodare este mică și dimensiunile x-y ale structurii sunt mult mai mari decât adâncimea de corodare, subtăierea nu va cauza o mare problemă.

Această situație este cel mai des întâlnită în cazul microprelucrărilor de suprafață. În orice caz, când executăm o microprelucrare de suprafață, este necesar să luăm în considerare efectele subtăierii.

De exemplu, pentru a obține o structură de tip mesa, cu o dimensiune de 300 μm x 300 μm și 300 μm înălțime, trebuie ca placheta să fie scufundată în soluție de TMAH pentru 10 ore (cu o rată de corodare tipică soluției de TMAH de 30 μm pe oră).

Dacă utlizăm o mască cu dimensiunile de 300 μm x 300 μm și planul cu cea mai mare rată de corodare (411) va reieși datorită subtăierii. Intersecția planelor (411) și (100) face un unghi de 31⁰ cu flat-ul plachetei, după cum se poate observa în figură 2.

Figura 13. Dispariția siliciului sub masca de oxid datorită subtăierii. a) mască cu dimensiunile de 300 μm x μm; b) 60 de minute în soluție de TMAH; c) 120 de minute în soluție de TMAH; d) 200 de minute în soluție de TMAH.

AB = BC = CD = DA = 300 μm

OC = 300/√2 = 212 μm

OH = OC sin (45 + 31) = 206 μm

Din moment ce viteza de corodare a planului (411) este de aproape 60 μm pe oră este de OH/60 = 3.4 ore pentru a coroda siliciul de sub mască, dar trebuie luat în considerare faptul că după o corodare în TMAH de peste 10 ore nu mai rămâne deloc material. Astfel, este important să luăm în considerare subtăierea pentru a obține colțuri cu o formă ascuțită.

2.10. Stoparea corodării utilizând bor

Datorită deficienței tehnicii de stopare în timp, este des utilizată tehnica stopării corodării utilizând bor. Acest proces este bazat pe faptul că siliciul dopat puternic cu bor se corodează mult mai încet decât siliciul dopat în cantități mai mici.

La o concentrație de bor de aproximativ 2~31019 cm-3, rata de corodare începe să scadă. Această scădere a ratei de corodare este aproape independentă de orientarea cristalografică și concentrația critică la care viteza începe să scadă este ușor dependentă de temperatură.

Doparea cu bor poate fi făcută prin implantare de ioni sau depuneri în fază gazoasă.

Putem folosi un strat de oxid de diliciu ca o mască pentru a dopa selectiv placheta de siliciu cu bor. Figura următoare prezintă un proces tipic de obținere a unei membrane utilizând tehnica stopării cu bor.

Figura 10. Un proces tipic de obținere a unei membrane de siliciu utiliând tehnica stopării cu bor. a) se dopează suprafața de sus cu bor. Adâncimea stratului de dopare poate fi controlat cu energia borului implantat; b) modelul de oxid de pe supafata de jos; c) corodarea în soluție de TMAH.

Comparând această tehnică cu cea a stopării în timp putem spune că tehnica ce utilizează bor este mai percisa și mai ușor de manevrat. Totuși, din moment ce atomii de bor sunt mai mici decât cei ai siliciului, vor cauza solicitări în membrana sau în grinzile pe care le modelăm. De asemenea, conductivitatea siliciului este marită de dizolvarea borului în siliciu. Materialul nu mai este potrivit pentru utilizări în domeniul electric și indifuzarea rezistorilor nu mai este posibilă.

O altă problemă este aceea că acest procedeu este cum mai costisitor decât cel prezentat anterior. În mod normal, aceasta costă în jur de 400-500 de dolari pentru a dopa o singură plachetă de siliciu de 6 inch.

2.11. Placheta SPI (siliciu pe izolator) utilizată pentru stoparea corodării

Soluțiile de corodare anizotropă nu atacă un număr ridicat de materiale. Prin urmare, un film subțire dintr-un asemenea material poate fi utilizat pentru a opri corodarea. Siliciul pe izolator (SPI) este un asemenea exemplu. În următoarea figura putem vedea schema unei astfel de plachete.

Figura 11. Placheta SPI. Stratul superior de siliciu este de obicei numit “strat de lucru”. Substratul de siliciu inferior este numit “suport”.

Placheta SOI poate fi obținută prin impantare cu oxigen sau prin alipirea plachetei, stratul superior de siliciu este stratul de lucru iar cel inferior este utilizat drept suprot.

Stratul de oxid îngropat nu este utilizat doar ca un opritor al corodării în corodarea umedă în volum dar devine și un izolator dintre stratul superior și cel inferior.

Din moment ce nu există doparea cu bor pe plachetel SPI, eliminăm solicitările și problemele de conductivitate. Și această tehnică, ca și cea care utilizează bor, este foarte costisitoare. În general, prețul de cost a unei plachete SPI este de 300 de dolari, în condițiile în care o simplă plachetă costă aproximativ 20 de dolari.

Pe lângă metodele menționate anterior, se pot utiliza și tehnicile de stopare a corodării utilizând procese electrochimice. Acestea implică doparea și polarizarea siciliului în timpul corodării anizotrope. Avantajul este nivelele slabe de dopare sunt suficiente pentru a opri corodarea. În acest fel, microstructurile fabricate cu această metodă sunt potrivite pentru circuite integrate și nu au probleme cu solicitările.

Dezavantajul este că această metodă este mult mai complexă decât metoda ce utilizează bor.

3. DEFINIREA PROBLEMEI – OBIECTIV AL CERCETĂRII SAU PREZENTAREA REALIZĂRII (SOLUȚIEI) PROPRII

In ceea ce priveste sistemele micro-electro-mecanice (MEMS), microprelucrarea in volum si cea de suprafata sunt tehnologiile de baza. Microprelucrarea in volum defineste structuri prin corodarea selectiva inauntrul substratului, in timp ce microprelucrarea de suprafata utilizeaza o succesiune de depozitii de filme subtiri si corodeaza selectiv deasupra substratului.

Cele doua tehnologii sunt relativ diferite, rezultand dimensiuni si proprietati mecanice diferite.

Desi microprelucrarea in volum este de obicei considerata metoda “clasica”, dar, in industrie, sunt utilizate ambele metode, in functie de rezultatele dorite.

De exemplu, in cazu accelerometrelor capacitative, structurile cu suprafetele microprelucrate utilizează o zonă mai mică a chipului, lăsând astfel mai mult spațiu pentru elementele electronice. Pe de cealalta parte, in microprelucrarea in volum, masa mai mare ofera o sensibilitate mai mare accelerometrelor iar zonele mai mari duc la capacitati mai mari pentru citirea mai usoara, care sunt extrem de utile in fabricarea dispozitivului inertial.

In cadrul acestui capitol, se va studia corodarea umeda anizotropa utilizand solutii cu surfactanti si se vor observa rezultatele acestui proces.

3.1. Corodarea umeda anizotropa a MEMS

Tehnologia microprelucrarii in volum se bazeaza pe corodarea izotropa sau anizotropa, in ambele faze ale acesteia, faza lichida (umeda) si faza de plasma (uscata).

Desi corodarea in plasma a reusit sa se integreze printre corodantii traditionali umezi, costul ridicat al corodarii uscate si dificultatea in obtinerea unei viteze de corodare constante pe toata suprafata plachetei in corodarea umeda izotropa fac ca metoda corodarii umede anizotrope sa fie cea mai profitabila de pe piata, la o calitate relativ apropiata de cea a structurilor obtinute prin corodarea in plasma.

Caneluri gravate, pereti, grinzi in consola si alte structuri de tip diafragma (membrane) exemplifica particularitatile corodarii dependente de orientarea planelor cristaline.

Combinand aceste particularitati cu utilizarea mastilor de corodare, viteza de corodare anizotropa devine cea mai valoroasa proprietate deoarece aduce un pret de cost redus si o precizie ridicata in producerea de structuri tridimensionale, delimitate de fatete fine, lucioase, conducand spre structuri mai complexe, cu functionalitati sofisticate, dupa cum se poate observa in figura 1.

Figura 1. Diferite structuri obtinute prin corodarea umeda anizotropa: a) micro-ace pentru aplicatii bio-medicale; b) caneluri adancite; c) sistem necesar in constructia accelerometrelor d) caneluri pentru asezarea fibrei obtice; e) cantilever f) filamente suspendate utilizate ca incalzitoare MEMS.

Mai multi corodanti alcalini au fost utilizati pentru corodarea umeda anizotropa a siliciului monocristalin. Cateva dintre caracteristicile principale ale acestor corodanti sunt comparate in Tabelul 1. Substanta de etilendiamina, pyrocatecolul in combinatie cu apa nu sunt larg utilizate datorita riscurilor la care se expun persoanele care intra in contact cu substantele. Astfel, se utilizeaza KOH (hidroxid de potasiu) si TMAH (hidroxid de tetrametilamoniu) in mod regulat.

Bazandu-ne pe abilitatea de a intelege procesul atacului chimic intretinut de acesti agenti corodanti, se utilizeaza ca masti pentru corodare substante precum: SiO2 (oxid de siliciu), nitrura de siliciu (Si3N4) si alte straturi de metal (ex. Cr, Au). KOH nu este roxic, este usor de utilizat si produce profile de corodare foarte bune. De asemenea poseda si o selectivitate foarte buna intre Si si Si3N4, dar slaba pentru SiO2. Desi TMAH are o rata joasa de corodare, are caracteristici exceptionale, cum ar fi absenta ionilor nocivi.

In concluzie, solutiile de TMAH sunt preferate atat in cercetare cat si in productie.

+: Bun; 0:Mediu; -:Slab

Tabel 1. Comparatie intre mai multe tipuri de corodanti umezi.

3.2. Avantajele utilizării agenților corozivi modificați cu surfactant

Cu diferiți agenți corozivi sau cu condiții diferite de temperatură sau concentrație, se pot obține diferite caracteristici în urma corodării, care pot fi clasificate, in mare, in: gradul de anizotropie, rugozitatea suprafeței si subtăierea măștii la colțuri.

Gradul de rugozitate este o caracteristică importantă atunci când vorbim despre aplicațiile în domeniile de inginerie a sistemelor optice si tribologie. Pe de cealalta parte, design-ul convențional al structurilor MEMS fabricate utilizând tehnici de microprelucrare umedă în volum ale Si{100} produc colturi convexe si concave foarte ascuțite.

Prin producerea unor colțuri concave rotunjite, putem reduce din solicitari, îmbunătățind astfel eficiența mecanică a microstructurilor.

In soluțiile pure de TMAH, nu obtinem nicio rugozitate si nicio subtaiere de mare precizie.

In figura 2 este ilustrat un cantilever obținut prin corodarea anizotropă in conditii de 10% procent de masa in concentrtie la 60șC.

Suprafața corodată este acoperită de movile cu o rugozitate de aproximativ 110nm.

Figura 2. Cantilever obținut prin corodare anizotropă in soluție de TMAH 10% procent de masă în concentrație la 60șC (adâncimea de corodare = 34µm). Figura din dreapta sus este de 100 µm x 100 µm

Printre acele metode de îmbunătățire a rugozității suprafeței și a subtăierii colțurilor de mască, de exemplu, impuritățile metalice, alcoolii, difuzia, lumina, presiunea, iradierea cu microunde, compensarea la colț și iradierea cu ultrasunete și alții, gravarea anizotropă umedă modificată cu surfactant este mai importantă pentru efectele atât în ceea ce privește rugozitatea suprafeței cât și scăderea subtăierii dar și pentru stabilizarea schimbărilor anizotropice.

3.3. Particularitățile si caracterizarea vitezei de corodare anizotropă

Diferiți agenți corozivi pot obtine proprietati diferite in decursul procesului de corodare. Una dintre aceste caracteristici de baza ale procesului este viteza de corodare functie de concentratia solutiei de corodare.

Caracteristicile vitezei de corodare aniztropa sunt studiate utilizand specimene de siliciu sferic, folosind solutii de TMAH cu si fara surfactant.

Se vor analiza in special corodanti modificati cu surfactant pentru a analiza in detaliu beneficiile pe care acestia le prezinta pentru aplicatiile MEMS.

3.4. Detalii experimentale

Acest specimen ne permite sa obtinem date despre vitezele de corodare in functie de orientarile cristalografice, in aceleasi conditii in mod simultan, toate aceste orientari fiind expuse la suprafata sferei.

Lingoul de siliciu este macinat mecanic si infasurat si lustruit intr-o suprafata de oglinda cu o sfericitate mai mica de 10 μm si o rugozitate de suprafata intre 0.005–0.007 μm.

Viteza de corodare este calculata prin diferetele de dimensiuni inainte si dupa microprelucrare, pe fiecare orientare cristalografica. Solutiile de baza utilizate in acest experiment sunt TMAH si TritonX-100. Solutia Triton este utilizata pentru a prepara solutia finala de TMAH.

In figura 4 este prezentat specimenul sferic inainte si dupa corodarea la 61șC in solutie de TMAH + Triton.

Harta conturilor este creata cu Simulatorul de corodare anizotropa de la (FabMeister-ES), in figura 5.

Din pricina simetriei cristalografice a specimenului sferic, doar un sfert de sfera si ratele medii de corodare este prezentat. Spectrul planelor afectate de adaugarea surfactantului este vizibil in mod clar.

Ratele de corodare a planelor {100} si a planelor vicinale sunt aproape neafectate cand surfactantul este adaugat.

Figura 3. Localizarea diferitelor orientari cristalografice pe mostra sferica de siliciu si vederea schematica a profilelor masurabile ale suprafetei.

Figura 4. Fotografiile eșantionului emisferei: (a) înainte de gravarea și (b) după gravarea (temperatura corodantului= 61 ° C).

Efectul temperaturii asupra ratelor de corodare este prezentat in figura 6. Anizotropia corodarii este influentată de temperatura. Orientarea cu cea mai mare rata de corodare este deplasata catre {350} odata cu cresterea temperaturii. Spre deosebire de 71 și 81°C, nici un singur plan nu pare a fi planul cu cea mai mare viteza de corodare la 61°C.

Cand ne referim la ratele de corodare intre planele {100} si {110} este necesar sa cunoastem faptul ca depind in cea mai mare masura de temperatura; cu toate acestea intre {110} si {111} prezinta o dependenta mai mica.

Se poate concluziona evident din aceste rezultate faptul ca anizotropia depinde de temperatura agentului corodant. Acest lucru va rezulta in diferite profile gravate datorita diferentei de temperaturi, chiar daca este utilizata o masca identica.

Exemple de rate de gravare sunt enumerate in tabelul 2.

Figura 5. Harta ratelor de corodare in solutie TMAH pura si in solutie cu surfactant.

Figura 6. Efectul temperaturii asupra anizotropiei ratei de corodare in 25% concentratie de masa TMAH + 0.1% Triton X-100.

Tabelul 2. Vitezele de corodare functie de orientare-temperatura si rapoartele vitezelor de corodare la {mnl}/{100} in solutie TMAH + Triton

Dependenta de tip Arrhenius a vitezelor de corodare pentru sase plane {110}, {100}, {111}, {331}, {711} si {221} este reprezentata in figura urmatoare. Energia de activare a solutiei de TMAH + Triton (0.1 – 0.2 eV) este mai mica decat cea a solutiei pure de TMAH (sau KOH) care se situeaza in pragul 0.5 – 0.7 eV.

Asemanarea dintre energiile de activare a planelor {331} si {221}, care se afla intre {110} si {111}, este interesanta si poate si comparata cu vitezele de corodare discutate anterior. In particular, planele {110} au energii de activare foarte scazute.

Figura 8. Graficul de tip Arrhenius a vitezelor de corodare pentru diferite plane.

3.5. Surfactantii

Agentii activi de suprafata, pe scurt surfactanții, sunt substante chimice care, în solutii

se concentreaza la suprafata și solubilizeaza materiale care au o mica afinitate unele fata de

altele. Acumulandu-se pe suprafetele de separare, surfactanții sunt capabili sa modifice

puternic, chiar în concentratii foarte mici, proprietățile superficiale ale lichidelor în care se

dizolva.

Surfactantii prezinta o structura moleculara asimetrica, compusa din doua parti, cu

proprietăți fundamentale diferite: una nepolara sau slab polara (hidrocarbonata) și alta

puternic polara (ionizabila sau neionizabila).

Partea nepolara este insolubila în apa (hidrofoba) și în lichide puternic polare dar este usor solubila în uleiuri (lipofila) și în general în lichide nepolare.

Partea polara, din contra, este hidrofila. Datorita diverselor afinitati pe care le

prezinta pentru diferitele faze, astfel de molecule se numesc amfifile.

Acumularea surfactanților la interfete se datoreaza structurii asimetrice a moleculelor

lor, care prezinta afinitati diferite fata de diferitele faze care formeaza sistemul.

Stratul de adsorbtie care se formeaza serveste ca legatura intre fazele insolubile (de exemplu apa-ulei).

Industrial surfactanții se impart în patru categorii bazate pe sarcina electrica prezenta în moleculele lor în solutii: surfactanții anionici au un ion negativ în gruparea polara iar

surfactanții cationici un ion pozitiv.

Surfactantii neionici nu au sarcina electrica. Surfactantii amfolitici au fie o sarcina negativa, fie una pozitiva în functie de pH-ul solutiei. Fiecare din

acestea are partea nepolara constituita dintr-o grupa hidrocarbonata ce difera ca dimensiune

moleculara și complexitate.

Surfactantii avand în aceeasi molecula elemente de structura nepolare (sau foarte slab

polare, ca de exemplu catenele alchilice) și elemente de structura puternic polare (grupele

functionale ionizate sau nu) se adsorb la interfete în straturi monomoleculare orientate.

Surfactantii isi pot gasi intrebuintare ca detergenti, emulsifianti, spumanti, agenti de dispersare, adezivi.

Tensiunea superficială este definită ca excesul de energie liberă pe unitatea de suprafața (J/m2 ).

Tensiunea interfacială este tensiunea care apare la interfața dintre două faze nemiscibile.

Reducerea tensiunii superficiale și interfaciale se poate realiza prin introducerea unui surfactant.

Când se adaugă surfactantul în sistem, moleculele acestuia se deplasează către suprafața lichidului. Lanțul hidrofob se aliniază către faza mai puțin polară, iar partea hidrofilă se orientează către faza polară.

Moleculele de surfactant distrug forțele coezive de la suprafața și înlocuiesc moleculele lichidului de la suprafață (respectiv interfață). Astfel, interacțiunile de la suprafață/interfață au loc între partea hidofobă a surfactantului și moleculele nepolare, respectiv între partea hidrofilă și moleculele polare.

Aceste interacțiuni sunt mai puternice decât cele dintre moleculele polare și nepolare, ceea ce conduce la scăderea tensiunii superficiale/interfaciale.

3.6. Adsorbtia moleculelor de surfactant si efectul asupra corodarii

Schimbarea in comportamentul corodarii in solutie de TMAH dupa incorporarea surfactantului indica faptul ca mecanismul de reactie la suprafata este afectat de moleculele de surfactant, care pot bloca selectiv unele din suprafete active, in special cele care apar pe Si{100}.

Triton-X are urmatoarea structura moleculara:

Un capat al moleculei este hidrofob, iar celalalt este hidrofil.

3.7. Adsorbtia moleculelor de surfactant pe suprafata siliciului

Elipsometria spectroscopica este utilizata, ca o tehnica senzitiva in ceea ce priveste suprafata, pentru a determina grosimea filmelor subtiri pe diferite suprafete de ordinul subnanometrilor.

Desi surfactantii non-ionici nu iau parte la reactia de corodare, este cunoscut faptul ca moleculele acestora adsorb pe suprafata siliciului.

In figura 9 (d) se observa grosimea stratului de surfactant obtinuta utilizand un dispozitiv de curatare cu ultrasunete (VS-D100) la 110 W în timpul șederii în surfactant la temperatura camerei (aprox 20ș).

Dupa agitarea cu ultrasunete, grosimea stratului de surfactant pentru {110} creste, indicand faptul ca o conventie fortata adecvata imbunatateste adsorbtia moleculelor de surfactant.

Cu toate acestea, pentru {100} grosimea este cu putin mai mare decat fara agitatia cu ultrasunete, indicand putine schimbari in ceea ce priveste proprietatile suprafetei.

Desi studiul prezinta o adsorbtie mai mare a moleculelor de Triton dupa utilizarea agitarii cu ultrasunete, in special pentru {110}, forta oscilanta rezulta in fluctuatii ale grosimii suprafetei.

Un strat adsorbit neomogen este considerat un dezavantaj în ceea ce privește repetabilitatea și controlul rugozității suprafeței.

Figura 9. Studiu prin elipsometrie spectronomica: a) grosiemea stratului de surfactant obtinut in 1% vol Triton functie de numarul de imersiuni in apa distilata la temperatura camerei; b) grosimea stratului de surfactant functie de timpul de imersiune c) grafic de tip Arrhenius a grosimii de saturatie a surfactantului; d) comparatie a grosimilor surfactanctilor atasati pe suprafete de siliciu prin agitatie cu ultrasunete la temperatura camerei.

3.8. Efecte ale stratului de surfactant adsorbit asupra corodarii

Pentru a observa efectele stratului de surfactant adsorbit asupra morfologiei suprafatei corodate a siliciului si asupra vitezei de corodare, este utilizata solutia de TMAH de 10% concentratie de masa, la doua temperaturi diferite (temperatura camerei si 60șC, atat pentru baia in Triton cat si pentru corodarea in solutia de TMAH) cu numarul de imersiuni = 3.

Vitezele de corodare si morfologia suprafetei corodate a {110} si {100} cu strat de Triton pre-adsorbit cu diferite grosimi sunt prezentate in figura 10 (adancimea de corodare ~ 30±3µm).

Figura 10. Efectele stratului de surfactant pre-adsorbit (1% vol Triton in apa purificata) pe grosimea suprafetei (Ra) si viteza de corodare pentru Si {110} si Si {100} in 10% concentratie de masa TMAH: a) temperatura camerei si b) 60șC.

3.9. Aplicatii in MEMS

Comportamentul semnificativ diferit al corodarii in solutie de TMAH si Triton este foarte folositor pentru a extinde dezvoltarea aplicatiilor MEMS. Structurile 3D create prin gravarea umeda au beneficiul ca surfactantul este adsorbit la suprafata siliciu-corodant ca un strat fin, actionand ca un filtru, moderand comportamentul agentului coroziv.

3.10. Structuri MEMS

Metoda compensarii colturilor este cea mai des utilizata metoda pentru a obtine colturi convexe cu margini drepte si varfuri ascutite. Designul si dimensiunile structurii de compensare necesare necesita cunoasterea vitezei de subtaiere si dependenta acesteia de agentul coroziv.

Daca designul unei structuri MEMS nu include niciun colt concav/convex dar se doreste o suprafata drepata si fina, atunci concentratia ridicata a solutiei de TMAH va fi selectata pentru corodare anizotropa.

Daca structura cuprinde colturi concave rotunjite si colturi convexe cu margini drepte, solutia pura de TMAH nu poate fi utilizata datorita subtaierii severe ce ar avea loc.

Figura 11. Structura de tip MESA obtinuta prin corodarea cu solutii modificate cu surfactant

Colturile convexe ascutite si colturile concave rotunjite corodate in solutii de TMAH modificate cu surfactant sunt prezentate in Figura 11. Modele variate de tipare corodate (cu adancimea de corodare de aprox. 35 µm) utilizand solutia de TMAH cu 25% concentratie de masa sunt prezentate in figura 12.

Subtaierea la colturile convexe este redusa considerabil datorita anizotropiei modificate de adsorbtia de surfactant. Aceasta solutie prezinta o subtaiere minima si produce suprafete foarte fine, la o viteza de corodare rezonabila.

Figura 12. Doua tipare diferite de modele de corodare in TMAH pur si modificat cu surfactant la temperatura de 60șC (adancimea de corodare = 35µm).

4. MODELAREA MATEMATICĂ A PRINCIPALELOR

SUBANSAMBLURI ȘI REZULTATELE SIMULĂRILOR

4.1. Simulări ale corodării

Caracteristicile considerate pentru optimizarea geometriei sunt: lățimea brațelor de sprijin, dimensiunile membranei subțiri, orientarea membranei subțiri în raport cu planele cristaline.

Au fost făcute mai întâi simulări cu aceste considerente cu software-ul AnisE de la Intellisuite. Geometria de bază (A) a membranei suspendate este prezentată în figura 8, având rapoarte de dimensiuni simple între diferitele elemente ale membranei, cum ar fi brațele de sprijin, cavitățile și zona membranei. Pe parcursul simulării, corodarea în volum a avut loc în siliciu și materialul măștii de protecție a fost exclusiv dioxidul de siliciu.

Figura 8. Dimensiunile membranei în [µm]. Geometria A.

În primul rând, dacă lățimea brațelor de sprijin este mărită, s-a constatat ca o suprapunere a zonelor gravate rezultate trebuie să existe și sub brațe, porning de la siliciul expus al cavităților. Acest lucru permite ca membrana să fie eliberată, în caz contrat, doar patru cavități rectangulare și separate vor fi obținute.

Aceasta coincidere a suprafețelor de material este prezentată în figura 9. Datorită subtaierii – mereu prezentă în acest proces – suprapunerea poate fi minimă, suficientă ca brațele de sprijin ale membranei să fie eliberate.

Figura 9. Geometria A. Zonele de corodare sunt marcate cu linii negre, iar cele suprapuse sunt marcate cu linii gri.

O altă geometrie (Geometria B) a fost testată, inclusiv importante suprapuneri, și de asemenea se pot evita caracteristicile orientare paralel sau perpendicular pe orientările <110> care pot genera planuri {111}. Era de așteptat o reducere a timpului în gravarea cu această modificare, prezentată în figura 10. După cum se poate observa, geometria originală a fost rotită la 45 ° față de referință planului {110}, păstrând aceeași suprafață.

Rezultatul obținut prin simularea acestui nou model de geometrie a fost o reducere de 18% a timpului, adică membrana a fost complet eliberată în 82 de minute.

O particularitate a geometriei prezentată în figura 10 este reducerea planurilor expuse {111}, deoarece prin această alternativă se evită marginile care sunt paralele sau perpendiculare cu planurile {110}.

Acest lucru reduce atât cantitatea de siliciu ce va fi corodată cât și perioada de corodate.

Apoi, a fost studiată o nouă geometrie (figura 11a) și va fi identificată ca Geometria C.

Diferența dintre această și respectiv geometriile A și B este ca, deși membrana este, de asemenea, rotită 45°, brațele de susținere sunt aliniate de-a lungul marginilor membranei.

După simulare, o reducere de timp de 27% a fost obținută în comparație cu geometria A, din moment ce membrana a fost eliberată după 75 de minute.

Figura 10. Geometria B. a) Membrana rotită la 45° în raport cu referința planului (110); b) Suprapunerile din cadrul corodării

Motivul creșterii eficienței pentru corodarea siliciului se datorează faptului ca în Geometria C sunt mai puține plane {111} generate la perimetrul membranei subțiri, permițând ca siliciul de dedesubt să fie corodat la începutul procesului și nu după ce brațele sunt eliberate.

Conform simulării, cavitatea gravată este de 56 μm adâncime.

Diferența între adâncimile obținute cu geometriile A și B, după corodare, pot fi atribuite expunerii unor plane {110} mai mari, printre altele, care au o viteză de corodare mai mare. Aceste aspecte sunt ilustrate cu suprapunerile în figura 11b.

Figura 11. A) Geometria; b) Suprapunerea

O alternativă pentru această ultimă geometrie este prezentată în figura 12a, unde au fost adăugate brațe de susținere suplimentare. Aceasta va fi identificată ca Geomtria D.

Scopul acestor extra brațe de spijin este de a oferi suport mecanic membranei subțiri, astfel încât orice deteriorare să poată fi prevenită dacă o vibrație nedorită apare brusc pe cip.

După simulare, această modificare nu a evidențiat nicio îmbunătățire a timpului de gravare, deoarece membrana a fost eliberată în 75 de minute cu o adâncime de aproximativ 56 μm pentru cavitatea gravată. Deci, în comparație cu geometria C, se poate considera ca singurul avantaj este îmbunătățirea suportului mecanic.

În figura 12b, diferența dintre zonele de suprapunere din geometriile C și D, poate și văzută clar.

Figura 12. A) Geometria D; b) Zonele de corodare și suprapunerea.

4.2. Simulările mecanice

Bazat pe o analiză a elementelor finite efectuată cu COMSOL, comportamentul membranelor suspendate a studiat și geometriile descrise anterior au fost simulate.

În cazul geometriei A, deformația maximă obținută este de 6.357×10-15 µm, cu un stres maximum Von Mises de 1.229×10-3 MPa, care este semnificativ sub limita elastică pentru SiO 2 (55MPa). Aceste rezultate sunt prezentate în figura 13.

Figura 13. Simulare a geometriei A utilizând analiza elementelor finite.

În cazul geometriei B, deformația maximă și stresul Von Mises obținute au fost de 7.38×10-7 μm, repsectiv 1.523×10-5 MPa. Rezultatele sunt prezentate în figura următoare.

Figura 14. Simulare a geometriei B utilizând analiza elementelor finite.

În continuare, geometria C prezintă o deformare de 2.952X10-5 μm, cu un maximum al stresului Von Mises de 161X10-3 MPa, evidentiand faptul ca acesta este un design foarte bun din punct de vedere mecanic. Rezultatele sunt prezentate în figura 15.

Figura 15. Simulare a geometriei C utilizând analiza elementelor finite.

În ceea ce privește geometria D, au fost obținute deformația maximă de 2.403X10-4 μm și un stres Von Mises xu maximum de 0.01X10-3 MPa. Aceste rezultate sunt reprezentate în figura 16.

Figura 16. Simulare a geometriei D utilizând analiza elementelor finite.

4.3. Rezultate experimentale studiate

Substraturile de siliciu au fost preparate cu un strat gros de dioxid de siliciu (~390 nm).

Geometrii similare ca cele propuse anterior au fost definitivate prin fotolitografie. După aceea, o corodare cu o soluție de 100 ml cu 10% TMAHW la 80°C cu 1,36 g de peroxidisulfat de amoniu (APS), a fost realizată peste 25, 50, 75 și 102 min. APS-ul a îmbunătățit finisarea eșantionului. Aceasta este o formulă comună pentru soluțiile de corodare bazate pe TMAHW.

După aceste perioade, probele au fost verificate cu un microscop pentru a verifica calitatea și corectitudinea corodării. Figura 17 prezintă avansul procesului de gravare pentru geometria A.

Figura 17. Fotografii ale corodării geometriei A.

Pentru geometria C, figura 18 ilustrează progresul corodării pentru 25, 50 și 75 de minute, unde planele distincte sunt formate.

Figura 19. Microfotografii ale geometriei C.

În același mod, geometria D a fost prelucrată în soluție de TMAH și fotografiile au fost luate la termenele precizate anterior. Figura 19 prezintă rapiditatea cu care a fost formată bază plată.

Figura 19. Geometria D în timpul corodării, în mai multe etape.

În continuare sunt prezentate și discutate rezultatele proceselor experimentale de corodare, susținute cu simulări (stânga) și imagini SEM (dreapta).

Geometria A.

25 de minute: se poate observa ca după această perioadă brațele de suport sunt complet detașate, dar centrul membranei începe să fie corodat la colțuri

50 de minute: încă există contact între centrul membranei și siliciul ce va fi corodat

75 de minute: după această perioadă de corodare, o structură în formă de piramidă cu baza pătrată este formată în centrul membranei, având plane de la care corodarea poate continua fără dificultate.

120 de minute: membrana a fost complet eliberată; se poate observa cavitatea de jos care prezintă planul {100} foarte fin.

Geometria C.

25 de minute: cu aceasta geometrie, inițial brațele de susținere sunt eliberate pentru prima dată, expunând planele {110}, care au o rată ridicată de corodare.

50 de minute: aici se poate vedea ca o coloană cu fațetele {110} este formată în centrul membranei, astfel încât gravarea poate continua cu ușurință.

75 de minute: în final, membrana este complet eliberată și cavitatea prezintă o suprafață fină.

Geometria D.

25 de minute: după perioadă inițială de corodare, brațele de susținere au fost complet eliberate, dar o structură complexă este încă prezentă, având colțuri convexe care pot încetini procesul corodării.

50 de minute: după 25 de minute suplimentare, substratul acestei geometrii arată ca cel obținut cu geometria C, având, de asemenea, planele {110} cu o ridicată viteza de gravare.

75 de minute: în cele din urmă, procesul de corodare a eliberat complet membrană, structura prezentând o cavitate netedă.

Comparând datele obținute din simulări și imaginile SEM din probele experimentale, este clar ca ele sunt aproape identice, structurile având o cavitate și suprafața netedă. Cu toate acestea, există o diferenția în predicția timpului pentru eliberarea membranei între teorie și experiment. Datele au fost centralizate în tabelul 1.

Tabelul 1.

5. EXPERIMENTARI

5.1 Prezentarea soft-ului „ACES”, pentru simularea procesului de corodare umeda anizotropa utilizand solutii cu surfactanti

Softul „ACES” (Anisotropic Crystalline Etching Simulation – Simulator de corodare anizotropa cristalina) a fost produs in anul 1998 la Universitatea din Illinois, sub indrumarea profesorilor Zhu Zhenjun si Chang Liu, toate drepturile rezervate.

Acest program permite crearea unor simulari ale procesului de corodare, permitand modificarea mai multor parametri.

Interfata aplicatiei este una placuta, putand accesa usor toate meniurile acesteia pentru obtinerea unui rezultat cat mai aproapiat de necesitatile utilizatorului.

Se poate alege modelul mastii de corodare dintr-o biblioteca proprie a aplicatiei, sau aceasta poate fi creata 2D, intr-un mod simplist, de catre utilizator, in aplicatii precum MS Paint.

Se pot modifica inaltimea si latimea mastii si, de asemenea, exista posibilitatea de a alege tipul mastii (negativa sau pozitiva), in functie de necesitatile utilizatorului.

Dupa ce tipul mastii a fost ales, programul permite alegerea orientarii plachetei. Posibilitatile sunt urmatoarele:

Suprafata <100> cu marginea [100];

Suprafata <100> cu marginea [110];

Suprafata <110> cu marginea [110];

Suprafata <111> cu marginea [110];

In continuare, se va alege tipul agentului coroziv, programul detinand informatii cat si despre vitezele de corodare ale acestora.

Exista si posibilitatea introducerii de noi agenti corozivi in biblioteca aplicatiei.

In meniul „Maintain Etchrate Database” regasim toti agentii corozivi disponibili pentru simulare.

Aplicatia permite alegerea mai multor parametri, precum conditiile la margine, afisare si simulare, simularea putand avea loc prin metoda stohastica sau cea continua.

In urmatorul pas, putem alege din cele 5 procese disponibile si anume: corodarea umeda a siliciului, corodare umeda GaAs, corodare cu ioni reactivi (RIE – anizotropic), pasivare sau dopare cu bor.

De asemenea, tot in aceasta fereastra, alegem si perioada de timp pentru care va avea loc procesul nostru de corodare.

Dupa ceasta etapa, are loc simularea propriu-zisa, unde putem observa efectele corodarii, in fuctie de parametrii alesi.

In exemplul urmator, regasim procesul de corodare umeda anizotropa a unui cantilever, unde regasim toti parametrii selectati in meniul din stanga ecranului.

In meniurile „Display” si „View” avem la dispozitie diverse optiuni pentru vizualizarea rezultatului.

In meniul Display, regasim urmatoarele optiuni:

Modul de afisare: Atom Mode, Cut View Mode, Cross Section, Measure Mode, Polygon Mode

Culoarea de fundal

Reprezentarea culorilor in functie de orientare sau adancime

Afisarea sau nu, a mastii

Reprezentarea in sectiune

In meniul View, avem optiunile de rotire a obiectului („Rotation”) sau de scalare a imaginii („Scalling”)

5.2 Realizarea simularii procesului de corodare umeda anizotropa a unei structuri tip „roata-de-vagon” utilizand KOH in comparatie cu TMAH + Triton, utilizand softul „ACES”

Se vor studia, in paralel, procesele de corodare umeda anizotropa a unei structuri tip „roata-de-vagon” (wagon wheel). Aceste simulari se vor realaiza utilizand softul „ACES”, prezentat anterior.

Aceste procese vor avea loc respectand vitezele de corodare determinare experimental, pentru temperatura de 60°C, pentru o perioada de timp de 3, 6 si respectiv 9 minute, in ficare dintre cei doi agenti corozivi utilizati: KOH 30% si TMAH + Triton 0.1%.

6. CONCLUZII

A fost investigata, in primul rand, viteza de corodare in solutii modificate cu surfactant, putand observa diferentele ce apar fata de rezultatele obtinute cu ajutorul solutiilor pur alcaline.

Ratele de corodare ale planului {100} si a planelor vicinale sunt aproape neafectate la adaugarea de surfactant, in timp ce ratele de corodare ale planului {110} cat si a planelor vicinale sunt reduse in mod semnificativ.

Anisotropia îmbunătățită ({mnl} / {100}) la temperaturi ridicate oferă o mai bună performanță in conformitatea cu profilul de mască in cazul formarii unei microcavități.

Energia de activare a TMAH + Triton (0,1-0,2 eV) este mai scăzută decât cea a soluției pure TMAH (sau KOH) (0,5-0,7 eV), prezentand într-o anumită măsură procesul de gravare controlată prin difuzie.

In al doilea rand, efectul de baza al agentului coroziv este inteles microscopic si dovedit macroscopic, ceea ce permite obtinerea unor structuri MEMS de o complexitate ridicata.

Grosimile straturilor de surfactant sunt investigate în funcție de variația de orientare, temperatura, si alti parametri.

Se formează straturile de surfactant pre-adsorbite iar efectele lor asupra vitezei de corodare, rugozității suprafeței și subtaierii colțului indică faptul că surfactantul dizolvat este adsorbit pe suprafață în timpul gravării.

Acest tip de corodare, utilizand substante modificate cu surfactant, prezinta un foarte mare potential in incercarea de a crea structuri de tip MEMS cu designuri dintre cele mai complexe.

Agenții corozivi anizotropi sunt recunoscuți ca fiind dependenți de orientarea cristalografică, deoarece vitezele de corodare pe care le impun depind de direcțiile cristalografice. Hidroxidul de potasiu (KOH), etilendiamina pirocatecolul (EDP) precum și

hidroxidul de amoniu tetra-metil (TMAH) sunt principalii corodanți utilizați în acest tip de microprelucrări.

După un studiu avansat în ceea ce privește microprelucrarea în volum utilizând soluții de TMAH, am obținut mai multe informații valoroase cu privire la acest proces. Tehnica de stopare a corodării, metoda compensării colțurilor și alinierea fata-spate sunt cele mai dificile provocări întâlnite în microprelucrarea în volum. Mai multe cercetări vor avea loc cu privire la aceste aspecte.

Comparată cu cea a colțurilor convexe, metoda de compensare a colțurilor concave este de obicei mai dificilă și masca utilizată este mai complicată deoarece este imposibil de a elimina planele (111) în timpul corodării umede anizotrope.

Pentru a putea alege cea mai eficientă metodă de compensare, este necesar să le studiem pe cele existente și să o alegem pe cea mai potrivită în funcție de parametrii pe care dorim să-i obținem.

S-a demonstrat teoretic și experimental ca geometria unei micro-incalzitoare (ca cea utilizată în micro-incalzitoare compatibile CMOS pentru senzorii de gaze semiconductoare) poate fi modificat convenabil pentru a reduce timpul de corodare în soluție de TMAHW cu aproximativ 20%.

Scăderea perioadei de corodare este utilă, în special, dacă aceste structuri sunt fabricate cu materiale care pot fi deteriorate de soluția de gravare utilizată.

Prin urmare, soluții selective cu rezultate repetabile ar trebui utilizate pentru a proteja integritatea acelor straturi care au o funcționalitate electrică sau structurală. Acestea trebuie protejate și după procesul de corodare.

Scopul este acela de a păstra aceste dispozitive în soluția de corodare pentru cel mai scurt timp posibil, protejându-le de eventuale daune chimice.

Analiza de geometrie propusă, bazată pe conceptul orientărilor cristalografice, este o strategie utilă în ceea ce privește dezvoltarea design-urilor MEMS, profitând de particularitățile corodării umede anizotrope.

Pentru cazurile prezentate aici și utilizând TMAHW, se concluzionează ca planele {111} și atunci când este posibil, direcțiile <110>, care generează aceste plane, ar trebui să fie evitate, nu numai în dezvoltarea micro-incalzitoarelor cât și în alte structuri, precum grinzile în consolă.

În concluzie, există o optimizare a procesului de corodare, mai ales dacă este inclus ca post-proces în fabricarea circuitelor integrate prin tehnologii CMOS compatibile cu tehnologii MEMS.

BIBLIOGRAFIE