1

Projekt współfinansowany przez Uni

ę

Europejsk

ą

w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

In

ż

ynieria wytwarzania

Dr in

ż

. Andrzej Kubiak

1.

Definicje mikro- i nanotechnologii

2.

Zagadnienia utrzymania czysto

ś

ci w procesach mikro- i

nanotechnologii

3.

Materiały półprzewodnikowe – własno

ś

ci, wytwarzanie, obróbka

mechaniczna

4.

Trawienie materiałów półprzewodnikowych

5.

Technologia procesów fotolitografii

6.

Domieszkowanie półprzewodników

7.

Wytwarzanie nowych warstw. Tlenek krzemu

8.

Osadzanie pró

ż

niowe cienkich warstw

9.

Osadzanie chemiczne z fazy lotnej

10. Monta

ż

i hermetyzacja struktur

11. Struktury mechatroniczne

In

ż

ynieria wytwarzania

Dr in

ż

. Andrzej Kubiak

1.

Definicje mikro- i nanotechnologii

2.

Zagadnienia utrzymania czysto

ś

ci w procesach mikro- i

nanotechnologii

3.

Materiały półprzewodnikowe – własno

ś

ci, wytwarzanie, obróbka

mechaniczna

4.

Trawienie materiałów półprzewodnikowych

5.

Technologia procesów fotolitografii

6.

Domieszkowanie półprzewodników

7.

Wytwarzanie nowych warstw. Tlenek krzemu

8.

Osadzanie pró

ż

niowe cienkich warstw

9.

Osadzanie chemiczne z fazy lotnej

10. Monta

ż

i hermetyzacja struktur

11. Struktury mechatroniczne

11. Struktury mechatroniczne

2

Mechatronika to nauka interdyscyplinarna, zawieraj

ą

ce elementy takich dziedzin,

jak mechanika, elektronika, informatyka, budowa maszyn, technika, optyka i
metrologia. Celem mechatroniki jest tworzenie multifunkcjonalnych i strukturalnie
zło

ż

onych produktów działaj

ą

cych inteligentnie w zmieniaj

ą

cym si

ę

otoczeniu,

zwanych mikrosystemami.

Mechatronika i mikrosystemy

Mechatronika i mikrosystemy

J

a

n

A.

D

z

iu

b

a

n

„

T

e

c

h

n

o

lo

g

ia

i

z

a

s

to

s

o

w

a

n

ie

m

ik

ro

m

e

c

h

a

n

ic

z

n

y

c

h

s

tr

u

k

tu

r

k

rz

e

m

o

w

y

c

h

i

k

rz

e

m

o

w

o

-s

z

k

la

n

y

c

h

w

t

e

c

h

n

ic

e

m

ik

ro

s

y

s

te

m

ó

w

”,

W

ro

c

ła

w

2

0

0

4

11. Struktury mechatroniczne

3

Mikrosystem składa si

ę

z nast

ę

puj

ą

cych, współpracuj

ą

cych ze sob

ą

elementów:

-

podzespołów mikromechanicznych (czujniki, aktuatory)

-

układu mikroelektronicznego oraz oprogramowania

Mikrosystemy

Mikrosystemy

Mikrosystem

Sensor

Aktuator

Mikrokonstrukcje

mechaniczne

Wzmacniacze

Sterowanie

Układy

analogowe

Zasilanie

µP

I/O

ROM

RAM

Układy

cyfrowe

Bodziec

Praca

Otoczenie

J

a

n

A.

D

z

iu

b

a

n

„

T

e

c

h

n

o

lo

g

ia

i

z

a

s

to

s

o

w

a

n

ie

m

ik

ro

m

e

c

h

a

n

ic

z

n

y

c

h

s

tr

u

k

tu

r

k

rz

e

m

o

w

y

c

h

i

k

rz

e

m

o

w

o

-s

z

k

la

n

y

c

h

w

t

e

c

h

n

ic

e

m

ik

ro

s

y

s

te

m

ó

w

”,

W

ro

c

ła

w

2

0

0

4

11. Struktury mechatroniczne

4

1. MEMS (Micro-Electro-Mechanical System) – zintegrowane urz

ą

dzenie

mikromechanoelektryczne z cz

ęś

ciami mechanicznymi, elektronicznymi i

oprogramowaniem poł

ą

czonymi w system, wykonane najcz

ęś

ciej z krzemu.

2. MEOMS (Micro-Electro-Opto-Mechanical System) - zintegrowane urz

ą

dzenie

optyczno-mikromechanoelektryczne, najcz

ęś

ciej wykonane z krzemu, obudowie i

funkcjach takich jak MEMS, w którym dodatkowo wykorzystuje si

ę

ś

wiatło

3. µTAS (micro-Total-Analysis System) – zintegrowane, zminiaturyzowane

urz

ą

dzenie w którym mo

ż

na przeprowadza

ć

procesy chemiczne lub analizy

chemiczne, budowane w postaci biochipów (biochemical chip) lub lab-on-chipów
(laboratory-on-the-chip)

4. Mikromaszyna, VSM (Very Small Machine) – miniaturowy, poruszaj

ą

cy si

ę

mechanizm wykonywany za pomoc

ą

technologii mikroelektronicznych i

mikromechanicznych. W najbardziej zaawansowanej postaci mikromaszyna jest
mikrorobotem przemysłowym.

Systematyka mikrosystemów

Systematyka mikrosystemów

11. Struktury mechatroniczne

5

Przykłady mikrosystemów

Przykłady mikrosystemów

MEMS

MEOMS

µTAS, lab-on-chip

mikromaszyny

• czujnki ci

ś

nienia,

przyspieszenia
• przepływomierze
•

ż

yroskopy

• protezy zmysłów
(oko, ucho)
• czujniki biomedyczne
• regeneratory nerwów
• mikroskopy tunelowe
sił atomowych,
• mikrosilniki
elektryczne
• twarde dyski
• drukarki
atramentowe
• aktywne rozpylacze
paliwa
• podzespoły elektro-
niczne, mikrofalowe

• lustra i zwierciadła
• soczewki statyczne i
dynamiczne
• modulatory wi

ą

zek

• przeł

ą

czniki

optyczne
• skanery
• projektory
•suiatki dyfrakcyjne i
maski fotolitograficzne
• interferometry i
monochromatory
• spektrofotometry
• czujniki ci

ś

nienia

• czujniki
przyspieszenia
• detektory optyczne

• mikro- i nanoreaktory
• mieszalniki, filtry i
separatory
• dozowniki płynów,
lekarstw
• dozownik insuliny
• inteligentne pigułki
• chromatografy
gazowe i cieczowe
• czujniki bio, pH,
analizatory bio, DNA,
analizatory chemiczne
• mikropompy, zawory
• manipulatory
komórkowe

•

ś

ruby, spr

ęż

yny, koła

z

ę

bate

• przekładnie liniowe,
obrotowe, planetarne
• mikrosilniki
obrotowe, liniowe,
parowe
• pneumatyczne
turbiny do udra

ż

niania

naczy

ń

krwiono

ś

nych

• narz

ę

dzia, chwytaki

• mikrosiłowniki
• sterowane i
inteligentne
mikropojazdy
diagnostyczne,
naprawcze, militarne

Jan A. Dziuban „Technologia i zastosowanie mikromechanicznych struktur

krzemowych i krzemowo-szklanych w technice mikrosystemów”, Wrocław 2004

11. Struktury mechatroniczne

6

Budowa mikrosystemów

Budowa mikrosystemów

Obecnie mikrosystemy s

ą

najcz

ęś

ciej całkowicie wykonywane z krzemu lub krzemu

poł

ą

czonego ze szkłem w postaci jedno- lub wielowarstwowego chipu,

zawieraj

ą

cego ró

ż

ne trójwymiarowe konstrukcje mechaniczne (membrany, rowki,

belki, wgł

ę

bienia, otwory). Obok nich, na tym samym podło

ż

u krzemowym mog

ą

zosta

ć

wykonane przyrz

ą

dy półprzewodnikowe o ró

ż

nym stopniu integracji,

tworz

ą

ce analogowe i cyfrowe układy elektroniczne.

h

tt

p

:/

/w

w

w

.w

te

c

.o

rg

/l

o

y

o

la

/m

e

m

s

/c

5

_

s

2

.h

tm

Miernik przyspieszenia ze zintegrowanym

cyfrowym systemem obróbki danych

(Analog Devices)

2

11. Struktury mechatroniczne

7

Podstawowe struktury MEMS

Podstawowe struktury MEMS

Sensory:

– efekt piezorezystywny

(zmiana rezystywno

ś

ci

pod wpływem

ś

ciskania/rozci

ą

gania)

-

efekt pojemno

ś

ciowy

(przyspieszeniomierze)

Aktuatory:

-

elektrostatyczne

-

cieplne (drukarki
atramentowe)

-

piezoelektryczne

11. Struktury mechatroniczne

8

Podstawowe metody wytwarzania mikrostruktur:

•

Technologia powierzchniowa (surface micromachining), wykorzystuj

ą

ca procesy

wytwarzania warstwy po

ś

wi

ę

conej (sacrified layer), osadzania i trawienia

polikrzemu oraz trawienia warstwy po

ś

wi

ę

conej. Stosowana do budowy

mikroczujników.

•

Technologia obj

ę

to

ś

ciowa (bulk micromachining), wykorzystuj

ą

ca gł

ę

bokie

trawienie krzemu monokrystalicznego poł

ą

czone z wytwarzaniem i usuwaniem

warstw materiału. Stosowana m.in. do wytwarzania przeł

ą

czników optycznych.

•

Technologia wytłaczania litograficzno-galwanicznego (LIGA - Lithographie,
Galvanformung, Abformung) – wykorzystuj

ą

ca fotolitografi

ę

i selektywne

trawienie oraz wypełnianie za pomoc

ą

osadzania galwanicznego. Uzyskany

trójwymiarowy wzorzec mo

ż

e stanowi

ć

produkt ko

ń

cowy b

ą

d

ź

mo

ż

e zosta

ć

wypełniony innym materiałem, np. metalem lub tworzywem organicznym.
Stosowana m.in. do budowy miniaturowych anten wielkiej cz

ę

stotliwo

ś

ci,

mikromotorów, precyzyjnych dozowników odczynników chemicznych.

Metody wytwarzania mikrostruktur

Metody wytwarzania mikrostruktur

11. Struktury mechatroniczne

9

Wytwarzanie belki (nie-krzemowej) z polikrzemu
• Lokalnie wytworzony obszar łatwy do trawienia

(sucrificial layer)

• Osadzanie warstwy – materiał przyszłej belki
• Fotolitografia i trawienie – kształtowanie belki
• Selektywne wytrawienie obszaru łatwego do

trawienia uwalnia uformowan

ą

belk

ę

Technologia powierzchniowa

Technologia powierzchniowa

-

wykorzystywane s

ą

technologie stosowane w mikroelektronice

-

uwalnianie struktur realizowane jest za pomoc

ą

tzw. warstwy po

ś

wi

ę

conej

Elementy

ż

yroskopu wykonane z polikrzemu

technologiami powierzchniowymi

11. Struktury mechatroniczne

10

Technologia obj

ę

to

ś

ciowa

Technologia obj

ę

to

ś

ciowa

Krzem krystalizuje w postaci kubicznej,
charakteryzuje si

ę

silnie anizotropowymi

własno

ś

ciami

W mikromechanice zintegrowanej najcz

ęś

ciej

wykorzystuje si

ę

podło

ż

a o powierzchni zgodnej z

orientacj

ą

krystalograficzn

ą

(100) lub (110)

Indeksy Millera

h

1

k

1

l

1

Indeksy Millera

h

2

k

2

l

2

K

ą

ty

100

100

110

111

0

o

45

o

54

o

44’

110

110

111

0

o

35

o

16’

111

111

0

o

K

ą

ty pomi

ę

dzy podstawowymi płaszczyznami w krysztale krzemu

11. Struktury mechatroniczne

11

Technologia obj

ę

to

ś

ciowa

Technologia obj

ę

to

ś

ciowa

Uło

ż

enie płaszczyzn krystalograficznych (111), (100) i (110)

w podło

ż

ach (100) i (110)

11. Struktury mechatroniczne

12

Obróbka przestrzenna krzemu

Obróbka przestrzenna krzemu

Podstawowe kształty mikrostruktur zrealizowane za pomoc

ą

trawienia

anizotropowego:

AA’ – otwór, membrana, zagł

ę

bienie

BB’ – belka (cantilever)

w

w

w

.a

e

ro

.o

rg

3

11. Struktury mechatroniczne

13

Izotropowe trawienie krzemu

Izotropowe trawienie krzemu

Stosuje si

ę

mieszanin

ę

HF:HNO

3

:H

2

O (lub CH

3

COOH)

Mechanizm trawienia:

• HNO

3

utlenia lokalnie Si,

• HF usuwa lokalnie tlenek,

• H

2

O lub CH

3

COOH spełniaj

ą

rol

ę

rozcie

ń

czalnika

Cechy charakterystyczne:

• je

ś

li proces kontrolowany jest przez HNO

3

, pozostaje cienka warstwa tlenku

• je

ś

li proces kontrolowany jest przez HF, pozostaje gruba (3-5nm) warstwa

tlenku, który nadaje si

ę

do polerowania

• proces jest bardzo szybki

maska

anizotropowe izotropowe

11. Struktury mechatroniczne

14

Anizotropowe trawienie krzemu

Anizotropowe trawienie krzemu

Cechy charakterystyczne:

•

szybko

ść

trawienia zale

ż

y od orientacji krystalograficznej oraz

domieszkowania borem (wykorzystywane do kontrolowanego zatrzymywania
trawienia)

•

Poprawnie zorientowane podło

ż

e (100) daje łatwe do przewidzenia kształty

•

Odchylenia od orientacji poprawnej przynosi wiele kłopotów

•

Podło

ż

a (110) jest ju

ż

zdecydowanie trudniejsze do opanowania

11. Struktury mechatroniczne

15

Anizotropowe trawienie krzemu

Anizotropowe trawienie krzemu

1. Roztwory KOH (NaOH) – procesy bezpieczne i dobrze poznane, lecz

niekompatybilne z technologi

ą

CMOS, trawienie prowadzone w ok. 80

o

C.

Anizotropia trawienia (111):(110):(100)=1: 600 : 400. Szybko

ś

ci trawienia:

- Si (100) ~ 1

µ

m/min

- SiO

2

~ 2.0nm/min

- Si

3

N

4

~ 1.4nm/godz (!)

2. TMAH (wodorotlenek tetrametyloamoniowy) – wywoływacz rezystów

negatywowych, procesy bezpieczne i kompatybilne z technologi

ą

CMOS.

Anizotropia trawienia (111):(100) ~ 1:10 ÷ 1:35. Szybko

ś

ci trawienia:

- Si (100) ~ 1

µ

m/min

- SiO

2

< 5 nm/min

- Si

3

N

4

< 2 nm/min

3. EDP (etylenodiamina + pyrokatehol + pyrazyna) – roztwór bardzo korozyjny i

bardzo kancerogenny, zgodny z technologi

ą

CMOS, nie trawi Al.

4. Hydrazyna (N

2

H

4

) – paliwo rakietowe, rzedko stosowana ze wzgl

ę

du na silne

własno

ś

ci kancerogenne i wybuchowe

11. Struktury mechatroniczne

16

Elektrochemiczne trawienie krzemu

Elektrochemiczne trawienie krzemu

Przyło

ż

enie zewn

ę

trznego potencjału do układu krzem-elektrolit pozwala na

precyzyjn

ą

kontrol

ę

procesu trawienia krzemu. Elektrolitem mo

ż

e by

ć

roztwór

kwa

ś

ny (HF) lub zasadowy (KOH). Wykorzystuje si

ę

układy dwu-, trój- i

czteroelektrodowe, pozwalaj

ą

ce na wykorzystanie efektu stopowania procesu

trawienia na zł

ą

czu p-n.

Przy niskich st

ęż

eniach HF w elektrolicie zachodzi polerowanie

(elektropolerowanie) powierzchni krzemu, za

ś

przy wysokich st

ęż

eniach HF w

elektrolicie krzem trawi si

ę

miejscami, przez co powstaje krzem porowaty (kryształy

fotoniczne).

Trawienie elektrochemiczne stosuje si

ę

głównie w technologii bardzo cienkich

membran krzemowych.

11. Struktury mechatroniczne

17

Gł

ę

bokie trawienie krzemu

Gł

ę

bokie trawienie krzemu

DRIE (Deep Reactive Ion Etching, „Bosch Process”) polega na
naprzemiennym stosowaniu dwóch procesów plazmowych:

– reaktywne trawienie jonowe (RIE) pozwalaj

ą

ce na usuwanie

krzemu na pewn

ą

gł

ę

boko

ść

– osadzanie warstwy polimeru na

ś

ciankach trawionego profilu

(PECVD), którego efektem jest zabezpieczenie przed trawieniem
w kierunku poziomym

Technika ta umo

ż

liwia uzyskanie bardzo gł

ę

bokich i stromych

ś

cian profilu trawienia

w

w

w

.o

xf

o

rd

p

la

s

m

a

.d

e

11. Struktury mechatroniczne

18

Technologia LIGA

Technologia LIGA

Promienie rtg z synchrotronu przechodz

ą

przez specjaln

ą

mask

ę

na grub

ą

warstw

ę

fotorezystu pokrywaj

ą

c

ą

materiał przewodz

ą

cy (a). Na

ś

wietlony fotorezyst jest

selektywnie usuwany (b), a otrzymany wzór jest wypełniany metalem w procesie
galwanizacji (c,d). Powstała w ten sposób struktura metalowa mo

ż

e by

ć

ju

ż

gotowym elementem, jednak mo

ż

e by

ć

wykorzystana do tworzenia struktur z innych

tworzyw (e,f).

Metoda ta jest wysoce precyzyjna w tworzeniu płaszczyzn struktury, przy
jednoczesnej du

ż

ej powtarzalno

ś

ci kształtów poszczególnych elementów. LIGA

pozwala wytwarza

ć

elementy o rozmiarach od 100

µ

m do kilku milimetrów i

poziomych si

ę

gaj

ą

cych pojedynczych mikronów.

4

11. Struktury mechatroniczne

19

Technologia LIGA

Technologia LIGA

Uchwyty do monta

ż

u

ś

wiatłowodów

wykonane w technologii LIGA,

AXSUN Technologies

h

tt

p

:/

/w

w

w

.l

ig

a

fo

u

n

d

ry

.c

o

m

/

11. Struktury mechatroniczne

20

Ł

ą

czenie anodowe

Ł

ą

czenie anodowe

Umo

ż

liwia pewne ł

ą

czenie poło

ż

y o gładkich powierzchniach np. szkło-krzem,

szkło-szkło (jedno z podło

ż

y musi by

ć

ź

ródłem anionów)

Parametry procesu:

– ci

ś

nienie atmosferyczne lub pró

ż

nia

– temperatura 300-500°C

– nacisk rz

ę

du 20 N

– napi

ę

cie stałe < 2kV

– pr

ą

d < 40mA

Przyło

ż

one napi

ę

cie powoduje pojawienie si

ę

warstwy zubo

ż

onej, w której

wyst

ę

puje silne pole elektr. Na styku krzem-szkło pojawia si

ę

siła

elektrostatyczna skutkuj

ą

ca przepływem jonów tlenu ze szkła krzemu, czyli

zachodzenie reakcji anodowej Si+O- = SiO

2

i powstanie stałego poł

ą

czenia

materiałów.

11. Struktury mechatroniczne

21

Ł

ą

czenie dyfuzyjne

Ł

ą

czenie dyfuzyjne

W przypadku poł

ą

czenia podło

ż

y o bardzo gładkich powierzchniach powstaj

ą

siły van der Waals’a zapewniaj

ą

ce wst

ę

pne poł

ą

czenie obu płytek. Takie

poł

ą

czenie jest wzmacniane przez wygrzewanie w odpowiedniej temperaturze,

w której powstaj

ą

wi

ą

zania chemiczne i pełnie poł

ą

czenie mi

ę

dzy płytkami.

Zastosowanie ł

ą

czenia dyfuzyjnego:

– krzem-krzem

– tlenek krzemu – krzem

– tlenek krzemu – tlenek krzemu

– krzem - azotek galu

– krzem - azotek indu

– ...

Metod

ą

ł

ą

czenia dyfuzyjnego produkowane s

ą

komercyjnie podło

ż

a Silicon-On-

Insulator (SOI)

11. Struktury mechatroniczne

22

Elementy elektroniczne w technologii MEMS

Elementy elektroniczne w technologii MEMS

Cewka RF, kondensator strojony, filtr RF

h

e

im

.i

fi

.u

io

.n

o

/%

7

E

o

d

d

v

a

r/

rf

m

e

m

s

.h

tm

11. Struktury mechatroniczne

23

Miernik napr

ęż

e

ń

Miernik napr

ęż

e

ń

h

tt

p

:/

/w

w

w

.m

e

m

s

p

i.

c

o

m

/t

e

n

s

ile

s

a

n

d

.h

tm

l

11. Struktury mechatroniczne

24

Technologia DLP

Technologia DLP

Zastosowanie technologii mikrosystemów: chip DMD (Digital Micromirror Device)
firmy Texas Instruments stosowany w projektorach multimedialych pracuj

ą

cych w

technologii DLP (Digital Light Processing).

- układ DLP zawiera setki tysi

ę

cy kwadratowych mikrolusterek o boku 16µm i

przerw

ą

mi

ę

dzy nimi 1µm.

- lusterka umocowane s

ą

na mikrozawiasach, pod którymi znajduj

ą

si

ę

komórki

pami

ę

ci RAM. Ka

ż

de lusterko mo

ż

e si

ę

wychyla

ć

o 10 stopni od poło

ż

enia 0.

Texas Instruments

5

11. Struktury mechatroniczne

25

Technologia DLP

Technologia DLP

Texas Instruments

11. Struktury mechatroniczne

26

Technologia DLP

Technologia DLP

- elektroniczne adresowanie komórek pami

ę

ci cyfrowym sygnałem 0/1 wyznacza

poło

ż

enie ka

ż

dego lusterka odpowiednio je wychylaj

ą

c (lusterko w pozycji wł

ą

czonej

b

ą

d

ź

wył

ą

czonej)

- lusterka s

ą

zdolne do wychylania si

ę

pomi

ę

dzy pozycjami wł/wył ponad 1000 razy

na sekund

ę

- tak du

ż

a pr

ę

dko

ść

umo

ż

liwia uzyskanie bardzo szerokiego pasma

cyfrowo modulowanych odcieni szaro

ś

ci oraz zapewnia wierno

ść

odwzorowania

kolorów.

Texas Instruments

11. Struktury mechatroniczne

27

Mikropensety

Mikropensety

h

tt

p

:/

/w

w

w

.m

e

m

s

p

i.

c

o

m

/t

e

n

s

ile

s

a

n

d

.h

tm

l

11. Struktury mechatroniczne

28

Lab-on-chip

Lab-on-chip

Przykład struktury µTAS

h

tt

p

:/

/l

s

i.

e

p

fl

.c

h

/p

a

g

e

1

9

4

9

8

-e

n

.h

tm

l