MIKROOBDELAVA SILICIJA (I. del) Drago Resnik, Laboratorij za elektronske elemente, Fakulteta za elektrotehniko, Tržaška 25. 1000 Ljubljana Micromach in ing of Silicon {Part I) ABSTRACT Thi& fMper pr^fisnts ari ovdrMawoftdchntqufts and ^elds involvad m advanced micromachinir>g of silicon As Itie marbel demands new and sophisticated sensors and actuators in a venous fields of nowadays lile, tne miaornachning as a tool iS inacori$tarrt pcogre^, sometimes ev«ri an^ad of manufacMers a$ a suppiam«ot lo microelectronics ii is capable lo oner new eoiuiions in area of rTiictodiectromechanicai systems POVZETEK V čCanku je pfikazan pregled raznih tehnik, ki se danes največ uporabljajo pn mikroobdelavn silicija Tržišče dandanes zahreva vedno noveindcvišene senzorje in ahtuatorje na razl^ih področjih nai«9a živijanja Tako le tudi podt^jemikrooodeiavd nepcestar>o v rarvoiu. rtaredkc pa c^o preniieva potrga trga koi dopolnilna ve^a mikroelektronik« ivon shupa) z n^o tudi novo veiO> li^enpvdno mikroeiektromdhanshi sistemi 1 Uvod Silicij že več kol pol stoletja poznan kot tl$ti osnovni material z izrednimi elekrlčnimi lastnostmi, ki ga uporabljamo za izdelavo elektronskih elementov in v zadnjih desetletjih za mikroelektronska integrirana vezja, ki posegajo danes že globoko v submikronsko tehnologijo. Silicij pa se uveljavlja čedalje bolj tudi kot matenal z izrednimi mehanskimi lastnostmi, kot so odzivi na natezne, tlačne, strižne napetosti, elastičnost, toplotna prevodnost in odpornost proti utrujanju materiala Telastnostiomogočajo izdelavo širokega spektra trldlrr^enzionalnih senzorskih in aktuatorskih struktur z orodji mikroobdelave silicija /1-6/. Mikroobdelava silicija je način obdelave standardne silicijeve podlage v primerne eiektromehanske struk* ture, kp bodo izkoriščale razne mehanske lastnosti silicifa z uporabo standardnih planarnih mikroelektron-skih postopkov in novih iedkalnih ter bondirnih tehnik, tudi globinsko v podlago Na isti podlagi pakliub temu še vedno želimo ohraniti električne lastnosti ža izda* lanih elektronskih sestavnih delov na površini. Dasiravno bo govor le o mlkroobdelavi silicija, pa se tzraz mikrccbdelava uporablja tudi pri drugih materi* alih, kot so kremen, G^s, InP, keramika itd. 1.1 Mikroobdelava kot funkcionalna dopolnitev mikroelektronike Ker je silicij kot polprevodniiki material zelo natančno raziskan in poznan, obstajajo seveda težnje, da se gradi na teh spoznanjih tudi dodatne strukture, ki izkoriščajo navedene mehanske lastnosti. Postopki in tehnološke operacije za izdelavo elektron* skih sestavnih delov in vezij na siliciju so že tako dovršene, da se mikroobdelava, kot dodaten proces za razširitev funkcionalnosti posameznih vezij, ponuja kar sama od sebe. Dandanes razpolagamo z zelo visokokvalitetnim, brez* defektnim silicijevim monokristalom velikih dimenzij in dostopne cene, kar je eden od pn/lh pogojev za 3D-mikrostrukture točnih dimenzij, zahtevnih oblik in električnih ter mehanskih lastnosti. Orodja, kot so tehnike nanosa raznih prevodnih in izolacijskih plasti, mokro ter suho jedkanje silicija m drugih tankih plasti, natančni fotolitografski postopki, so na voljo v vsaki mikrcelektronski industriji za tako-imenovano planamo tehnologijo (postopki omeieni na zgornjih 5-10 ym globine silicijeve rezine). Ista orodja in tehnike so uporabljene tudi kot pomoč za tndi menzionalno obdelavo silicija čez celo globino podlage za realizacijo mikroelektromehanskih struktur. Dve osnovni fastnosti, ki omogočata mikroobdelavo silicija sta anizotropno vedenje različnih kristalnih ravnin silicija in pa selektivnost jedkanja glede na maskirne plast). Za mikroobdelavo so posebej primerne Silicijeve rezine orientacije (100) zaradi svojih anizot-ropnih lastnosti, saj «e te ravnin« j«dkajo znatno hitroj« od drugih. V sedemdesetih letih je bil dosežen viden napredek pri mikroobdelavi z izpopolnitvijo tehnik jedkanja s samoustavljanjem na močno dopiramh P"^ plasteh silicija, v osemdesetih letih pa so bile razvite še druge precizne elektrokemijske samoustavitvene te hnike, kar je omogočilo široko uporabo mikroobdelave. Poleg sillciia orientacije (100) se za posebne vertikalne strukture uporablja tudi silicii z orientacijo (110). 1,2 Polja uporabe mikroobdelave Potrebe po zaznavanju in merjenju fizikalnih veličin so sprožile raziskave in razvoj senzorike, ki naj bi bila podaljšana veja mikroeleMronike. Precej časa je minilo, da SO periferne enote ujele hitro se razvijajočo planamo tehnologijo izdelave visokointegriranih vezij. Ta razvoj je bil možen predvsem z napredkom mikroobdelave silicija. Pod pojmom periferne enote razumemo elemente, ki povezujejo realni svet okolja s krmilnim In procesnim delom vezja. To so a) senzorji, ki pretvarjajo fizikalne in kemijske veličine v električni signaf b) aktuatorji. ki pretvarjajo električni signal v mehansko gibanje Elementi, ki so utirali pot senzoriki in omogočili preboj tudi mikroobdelavi, so bili nedvomno senzorji pritiska m meninjki pospeška (akcelerometri). Dandanes najdemo mikroobdelavo silicija na vseh področjih življenja: od avtomobilov, m ikro robotike, biomedicine, vesoljskih programov, optike ter še kje /3/. Vedno znova se pojavljajo zahteve po senzorjih novih fizikalnih veličin raznih menln^n območij, točnosti, novih zahtevnih merilnih okolij, čedalje manjših dimenzij in večje zanesljivosti V zadnjih letih so se povečale težnje po izdelavi tako-imenovanih inteligentnih {"smart") senzorjev, kjer 3D mikroelektromehanske strukture realiziramo skupaj z integriranim vezjem na fsü podlagi, vsaj tam. kjer to uporaba dopušča /6/. Slikd 1. Posnetek SEM mtkro Fresnelovs l^e, izdelane z TiikrooOdelavo v povezav z lasersko diodo. 13/ pod kotom 54.7". so dimenzi|e tako izdelanih struktur precej več)e. kot bi bile, bi |ih izdelali z površinsko mikfoobdelavo Vendar funkcionalnost m robusJnost ki re za potrebno nekatere uporaDe dosežemo le s lo tehniko » površinska mikroobdelava (surface micrornachin» mg) Ima nekatere prednosti pred globinsko mikroobdelavo vsaj pri rnikrostrukturah. ki to v osnovi dovoljujejo Mehanska struktura tukaj ni narejena v globino podla ge. pač pa izključno na površini s kombinacijo več tankih plasiK na nesenih s CVD postopki na silkCi|evo podlago S fotolitografskimi postopki v kombinaciji s plazemskimi in mokrimi jedkanp sukcesivno definiramo obliko struktur posameznih plasti m nato z moknrrk jedkanjem odstranimo Žrtvovane plasii. lako da $e začne mikrostruktura v$sti kot prosto gibajoča Mil • 2 Globinska in površinska mikroobdelava silicija ' globinska mikroobdelava silicija po celi debelfni podlage (bulk micro machining) Pri tej tehnologiji, ki se ludi največ uporablja, potekajo obdelave za realizacijo strukture na obeh straneh rezine. Na sprednji strani se ponavadi izdela plast, ki bo omogočila samoustavitev jedkanja ter tudi funkcionalne elektronske elemente (piezorezistorje. vezja. PZT aktuatorske plasti), na zadnji strani pa se izvaja preko fotolitografsko flefiniramh področij anizotropno jedkanje do končne strukture. Težava je v dolgih časih, ki so potrebni, da se izvrši jedkanje skozi celo strukturo do želene globine skupaj z zahtevo po zelo precizni dvostranski fotolitografiji. saj se morajo maskirni vzorci na sprednji strani točno ujemati z vzorci na zadnji strani rezine Za večino struktur je to neizogibna tehnika, ki se tudi najbolj množično uporablja Zaradi narave ani-zotropnega mokrega jedkanja (100) silicija, ki se jedka r'WiDDtAna ßifttuperevni dnoano oo AidirAno PVREX WKI9 artiJDfropna (Mlitia velllr^j <-s54 74 ) Shka2 Značilen pnmer globtnske mikrooödeiave silici la je piezouporovni senzor Uaka. ki /e bil m le še vlečni konj te nove tehnologije. UpogiO membrane zaradi pritiska se zazna na ditazif-skih piezouponh p* 121. S' prMla jtruarutA i2 poii -SI Si Slika 3 Osnovni princip površinske mikroobdelcive le mehanska struktura enostransko vpetega peresa po/'S'//c;/a. Po ledkaniu žrtvo^/ane plasti (SiO?j nam ostane prosto stoiečs vimet '9. Žrtvovane, vmesne plasti (sacnticial layers), so ponavadi bore- aii fosforosilikatna stekla, plasti, ki ostanejo m tvonjo končno strukturo, pa so ponavadi poiiknstaini silicij ah silicijev LPCVD nitnd Slabe me hanske in električne lastnosti teh polikrisialnih m amortnih plasti so se z novimi tehnologijami in spo znanji na področju tankih plasti izboljšale (n pr zmanjšane napetosti, ki so posledica nanašanja^ a a se metoda čedalje več uporablja Tako izdelane 3D-struk-ture imajO omejitev v z smeri in so omejene z zmoz nostmi tehnik nanašanja in jedkanja m lastnostmi tankih plasti, zato gredo največ do globine 5 ym. S tehnikami bondiranja na drugo silicijevo podlago ali steklo ler tanjšanja pa se uporabnost razširi Prednost povšrinske mikroobdelave silicija pre d globinsko je tudi v tem, da uporabljamo le enostransko fotolitografijo kar nenazadnje pomeni cenejšo opremo LIGA Za 3D-sirukture z visokim razmerjem vertikalne di menzije proti lateralnim je bil razvit postopek LIGA (Litographie-Galvanotormung-Abformung) 7 V tem primeru mikroobdelave so mikroslrukture ponavadi kovinske alt pa plastični odlitki. Z x-zarkovno fotolitografijo se skozi ustrezno masko preslika neka pianarna oblika mikrostrukture čez debelo plast foiopolimera PMMA (ta debelina fotopolimera je tudi končna debe- p&dtaga lioviru struktura Shka 4. Pr^östsvitev osnovn/ft korakov postopka LIGA lina mikrostrukture) na pomožno podlago s prevodno kovinsko plastjo. Sledi razvijanje P MM A, nato pa selektiven elektrokemijski nanos kovine (npr. Ni. Cu} v praznine, kjer smo odstranili osvetljen PMMA. Nate intM wmrni Slika s Mikroturbina, izdelana iz niklja po postopku LIGA 171. PremerrotonQ/e 130 ^im, višina pa 160 ^i/Tj. Maksimalna hitrost vrtenj je 150000 ottratovna minuto. traino$tp9 10 Mikrotufbino lahko uporabimo kot merilnik pretoka. SI stom («Oaedsrsha «»z S4399ik-- Slika 6. Struktura osnovne celice silicijevega kristala 6 odstranimo neosvetljen rez^st. Ostane mikrostruktura. ki jo lahko uporabimo direktno, ko jo odstranimo s podlage ali kot matrico za nadaljnje brizganie komple mentarnih struktur S to tehniko se izdeluje mikro-konektor/e, zobniške prenose za ure. mikroturbine itd Prednost postopka LIGA je. da lahko izdelamo mikro-strukture enakih ali večjih debelin kot pri masivni fbulk') mikroobdelavi. ohranimo pa natančnost late taltiili (Jiinsti;rj kgt pri povr§inski mikroobdelavi Temperaturne obdelave ne presegajo 200 C. 3. Struktura in lastnosti kristalne mreže silicija Kot smo omenili spada Si v družino kristalov s kubično mrežo in ima diamantno strukturo '8 To pdf^^r». da ima dve ploskovno centriram osnovni celici ki imata izhodišče premaknjeno med seboj za (1<'4. 1''4, 1;4) (vogalni atom druge kocke leži na četrtim razdalje glavne diagonale prve kocke). To nam zelo dobro ponazarja si. 6. Pri obravnavi kristalnih mrež lahko defimramo atomske ravnine, kjer so atomi urejeni periodično Ker ima vsaka od leh atomskih ravnin drugačno, sebi lastno postavitev atomov, se lahko zaradi tega razlikujejo tudi n;ene mehanske, fizikalne in elektnčne lastnosti Torej se različne atomske ravnine vedejo anizotropno To pa je izredno pon^embno za izdelavo različnih polprevod-niških struktur, tako mikroelektronskih, kot tudi mikro-elektromehanskih. izdelanih z mikroobdeiavo V kubičnem sistemu so ravnine, kot npr. (hkl), (khl), (hkl) in (Ihk), ekvivalentne med seboj in jih imenuiemo ravnine forme, ter jih označujemo kot |hkl>. V kubič nem sistemu tudi vedno velja, da je smer (orientacija) I hkl I vedno pravokotna na ravnino {hkl) Preprost način za predstavo medsebojne lege posameznih ravnin pn siliciju prikazujemo na modelu na si 7. ki vsebuje skupino {100}. J110) in (i 11! ravnin Mehanske, fizikalne, kemijske m električne lastnosti so funkcija krtstalne onentacije. kar je postalo očitno že pn mikroelektronski tehnologiji izdelave elementov MOS. ki na podlagah neke orientacije ne daiejo zadovoljivih rezultatov Te osnovne razlike lastnosti posameznih orientacij pripisujemo predvsem površinski razporeditvi atomov Si m razdaljam med posameznimi ravninami kristalne mreže. Na si 8 je grafično ponazorjena ta razlika med tremi najbolj pogosto uporabljanimi on-entacijami Si v polprevodniški tehnologiji Vtdimo, kako Slika 7. 3D-mcn3el kubičnega sistema sHicija, kl vključuje {700), {110\ m {111} ravnine v*--- 9 i i Ä i i (b) —«01 (191| |»l<| (c) Slika 6. Pianarns atomska postavitev pri treh osnovnih ofientaa/ah silici/a: (a) <100>.(b) . (C) <111> Tat)ela i. Lastnosti silk:ila pri treh osnovnih orientaci-lah Lastnosti Orientacija <100> <110> <111> razdalja med alomi (nm) 0.543 0.364 0.313 Your>gov modul {kN/mm^) 130 170 190 povriinska ©r^ergija (J/m^) 2.13 1.51 1,23 atomska goslota (lO^/cm^) 6.78 9.59 15.66 gostota prostih vezi (lO^Vm^) 6.78 9.59 11.76 so atomi planarno razporejeni, če gledamo kristal na površini. Različno senčenje atomov pd se nanaša na različne atomske plasti. Za vsako orientacijo so prikazane tudi ravnina osnovnih celic. Anizotropne lastnosti kristala sa nanašajo predvsem na energi|o nepopolno vezanih površinskih atomov (na število prostih vezi oziroma vezi na enoto površine kristala) To omogoča mikroobdelavo In delovanje silcijevih struktur 4 Sklep Preboj v svet senzonke in mikro^lektromehanskin sistemov je dokončno izvršen in mikroobdelava kot suplementarna veja mikroelektronike l|Udem reže danes že velik kos pogače na svetovnem trgu Nove potrebe po specifičnih mikrostrukturah pa narekujejo tudi nove movativne tehnološke postopke m rešitve na področju mikroobdelave. To pa nam omogočajo tako temeljna znanja kot tudi aplikativna. V naslednji številki časopisa bomo podali razširjen pregled osnovnih orodij mikroobdelave, ki so danes v uporabi» mehanizmov, ki nas pripeljejo do začrtanih mikrostruktur, ter del rezultatov, ki slede iz dela v Laboratoriju za elektronske elemente na Fakulteti za elektrotehniko v Ljubljani. 8 Literatura /1/ Kuri E Petetsen. IEEE Proč . Vol 70, No 5 May 1962 /2/ J Pfilersen W Mc Culley. lEEE Spectrum 20-31 Mavid?' O/ M PM^ger. B Eyre. E Krugitch Q Lo SoW Slaie Technology fi9>96 Sep 1997 89-96 /4/ J B Ang«II.SC Ter^. P W Barth. Scientific Amencan Apni laes. 36-47 /s/ h.-J RMdk« H f Schiaak. Sierrans review-R&D Soec«!-spf^g 1990 /6/ KO Wise.K Na|dfi.Scl«rtC9,V0l »4. Nov (1991)1334 1342 m p BiaV' Imardisciplina/v Sctarv:« Rewews. Vol 18 No 3 (1993) 267.272 Fumio Sbimura, Semiconducio' frlicOA crystal tdchndogv Academic Press, Inc , 1989 /9/ W Lang. Materials Science ar>a Engineefing, vd Ri7 Ni str 36 Sep 1996 Zahvala Za pomoč in vzpodbudo pri nastajanju tega dele se zahvaJju)em prof. dr. S. Amonu in drugim sodelavcem Laboratorija za elektronske elemente na Fakulteti za elektrotehniko v Ljubici. IIMW INŠTITUT ZA ELEKTRONIKO IN VAKUUMSKO TEHNIKO Teslova ulica 30, POB 2959,1001 UUBU AN A. Slovenija Tel.: (+306 61) 177 66 00 n.C.,fax: (+386 61) 126 45 78 Elektronska po&ta: lEVT.group^guest.arnes.si Domala stran na Internetu: hrtp://www2.arne$.sl/9uest/lievt/index htm