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Materiais e propriedades 3

Propriedades requeridas importantes   Propriedades elétricas : condutividade, gap de energia,

piezorresistividade, piezoeletricidade...

  Propriedades Mecânicas : Módulo de Elasticidade, Dureza, Tensão mecânica e gradiente de tensão ...

  Propriedades Térmicas : Condutividade térmica e coeficiente de expansão térmica,

  Propriedades Ópticas e Químicas : Absorção óptica, refletividade, índice de refração, molhabilidade

  Propriedades Tecnológicas : Resistência e Seletividade em processos de corrosão e Compatibilidade processos de Microeletrônica,

Silício cristalino é principal material para MEMS de uso comercial

2.2 Materiais e propriedades

“Silicon as a mechanical material”, Kurt E. Petersen, Proceedings of the

IEEE, vol.70, No 5 (1982) 420.

•  Propriedades mecânicas do Si •  MEMS até aquela época

•  Além das vantagens econômicas, das excelentes propriedades semicondutoras e tecnológicas, o Si possui excelentes propriedades mecânicas :

•  Ligação covalente vs. ligação metálica

•  Alta resistência mecânica : Limite de Elasticidade (“Yield Strength”) = 7 GPa

•  Isso significa que um 1 cilindro de Si com seção reta de 1 mm2 suporta cargas de até 700 Kg !

Silício

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2.2 Materiais e propriedades Silício : Propriedades Mecânicas

Deformação Elástica

Para tensões (σ) suficientemente altas (acima do Limite Elástico (LE), o material sofre deformação plástica permanente.

•  Metais, como o Alumínio são dúcteis

Deformação Plástica

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•  O Si cristalino é quase libre de deslocações e outros defeitos estruturais. Além disso, a mobilidade destas é muito baixa. Por isso, o Si é quebradiço e não dúctil, como os metais.

•  Por não ser dúctil, o Si não deforma plasticamente e não pode ser trabalhado por moldagem, como os metais.

Quando a carga é removida, haste de Si retorna sua forma original

•  O Si não apresenta fluência (deformação lenta ou “creep”)

•  O Si não apresenta problemas significativos de fadiga mecânica

•  Si poli-cristalino apresenta proriedades mecânicas semelhantes às do c-Si.

•  Pelo mesmo motivo, o Si deforma elasticamente sem apresentar histerese

2.2 Materiais e propriedades

•  O Silício é um material quebradiço, forte e não dúctil, com uma resistência à tração (“Yield Strength”) maior que a do aço !

Silício : Propriedades Mecânicas

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2.2 Materiais e propriedades Si : Propriedades Térmicas e Óticas

•  O Si é um excelente condutor térmico •  σ maior que a de vários metais •  ~100 vezes maior que a do Vidro

•  Absorção eficiente de luz (fotocondutividade e efeito fotovoltaico)

•  Pobre emissor de luz (gap indireto)

•  Transparente para λ > 1,1 µm (infra vermelho)

•  Alta reflectividade λ < 0,5 µm

•  O coeficiente de dilatação

Si

SiO2

7 Fonte : “Silicon as a Mechanical Material”, Kurt E. Petersen, Proceedings of the IEEE, vol.70, No 5 (1982) 420

Resistência Resistência à tração à Penetração Rigidez

2.2 Materiais e propriedades Propriedades do Si e outros materiais

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2.2 Materiais e propriedades Cristal de Silício

Cristalografia do Silício

(100) (110) (111)

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2.2 Materiais e propriedades

•  Apesar da regularidade do cristal, a distribuição espacial dos átomos muda quando o cristal é visto em diferentes direções

•  em função disso, propriedades como a mobilidade, modulo de elasticidade e coeficientes piezoresitivo e piezoelétrico, dependem da direção dentro do cristal

Cristal visto na Direção (100)

Cristal visto na direção (110)

Cristal visto na direção (111)

Cristal de Silício

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Corte no plano (100)

Corte no plano (110) Corte no plano (111)

Planos cristalinos na lâmina de Si

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Substrato (Si)

Silício poli

2.2 Materiais e propriedades Si policristalino

•  Obtido por LPCVD SiH4+N2 a T > 600 oC

•  Espessuras de até e 2 um

•  Os filmes devem ser tratados termicamente para diminuir o stress

•  Si Cristalino (~1200 oC) Epitaxia (SiCl4 + H2)

•  Si poli-Cristalino (> 600 oC) SiH4 + N2

•  Si amorfo (~250 oC + plasma) SiH4 + H2 (PECVD)

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Si cristalino

Si Poli cristalino

Si monocristalino Czochralski ou epitaxial

Si poli-cristalino LPCVD

2.2 Materiais e propriedades Si cristalino vs. Si policristalino

Al induced cristalization, H.A. Naseem, 2006

2.2 Materiais e propriedades Si amorfo (hidrogenado) Sólido Cristalino

Sólido Amorfo

•  Para ser de interesse tecnológico, precisa ser “hidrogenado”, dando origem ao a-Si:H

•  Obtido por PECVD (T~250 oC) e Sputtering

•  Espessuras de até ~1 um

•  Propriedades elétrica e ópticas dependem da presença do hidrogênio, que satura as ligações incompletas na rede atômica e diminuem a densidade de estados no gap.

Sólido Amorfo Sólido Amorfo Hidrogenado

“dangling bonds”

H2

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2.2 Materiais e propriedades Óxido de Silício

•  O SiO2 é o isolante por excelência em microeletrônica e draças a ele se deve grande parte do tecnologia do Si . ... O Ge e GaAs têm óxido ?

•  A estrutura do SiO2 : Cristalino (Quartzo) Amorfo

•  Menor densidade •  Difusão de impurezas

Utilização limitada a processos de curta

duração

•  É corroído em HF, apresentando boa seletividade com relação ao Si . Mas também é corroído pelas soluções utilizadas para corroer o substrato de Si. (KOH por exemplo)

•  Piezoeletrico

•  Possui excelentes propriedades como isolante elétrico e térmico e grade estabilidade química

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2.2 Materiais e propriedades Óxido de Silício

•  O SiO2 pode ser obtido por diferentes técnicas, as quais produzem películas com diferentes propriedades e características, as quais determinam a forma que o SiO2 pode ser utilizado :

¤  Óxidação Térmica : SIO2 melhor qualidade, para aplicação como isolante de porta em capacitores e transistores MOS

¤  Óxido CVD : propriedade inferiores às do SiO2 térmico, por isso é usado como : •  material de mascaramento em processos de difusão térmica e implantação iônica. •  para aumentar a espessura dos óxidos de campo (em estruturas MOS) •  como camada isolante entre diferentes níveis de metalização

¤  Óxidos PSG e BPSG (SiO2 + P2O5 + B2O3 ) :

•  Melhor cobertura de degrau (“step coverage”) do que o SiO2 não dopado CVD

•  Excelente barreira contra umidade e íons alcalinos como Na+ e K+

•  Reflui a temperaturas elevadas (entre 1000 e 1100 oC). Isso permite “suavizar”superfícies com topografia muito acidentada (necessário, por exemplo, em processos de metalização e critico em sistemas de vários níveis metálicos.

•  Nos óxido BPSG o adição do boro permite suavizar topografias em temperaturas menores (700 - 900 oC). Por isso é utilizado em processos onde menores temperaturas são requeridas (por exemplo, junções rasas)

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É praticamente impermeável à difusão de impurezas, umidade e a íons de sódio

•  Apresenta crescimento conforme sobre metais

•  Apresenta baixa densidade de defeitos (“pin holes”)

•  De interesse específico para MEMS :

¤  Apresenta alta resistência mecânica e dureza, maiores que as do Si

¤  Apresenta alta estabilidade química, sendo insensível à maioria das soluções corrosivas ácidas ou básicas.

¤  Por outro lado, pode ser corroído em processos a plasma.

¤  Por outro lado, apresenta considerável stress mecânico interno, o que provoca acentuadas deformações em estruturas de Si3N4.

•  Por isso, em MEMS o Si3N4 é utilizado principalmente como material de mascaramento (em processos de corrosão) e como camada dielétrica isolante.

•  Na circuitos de controle, extração e/ou condicionamento de sinais, o Si3N4 é utilizado nas aplicações comuns da microeletrônica (camada isolante e mascara em processos de oxidação e difusão térmica.

2.2 Materiais e propriedades Nitreto de Silício

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Strees em Si3N4 •  Problema : devido ao strees mecânico, filmes de

Si3N4 costumam apresentam rachaduras para espessuras acima de 200 nm.

•  O strees está relacionada com tensões internas do material e na região de interface como substrato.

•  Assim, para minimizar os problemas de strees é necessário depositar, entre o Si3N4 e o substrato de Si, uma película fina de SiO2.

2.2 Materiais e propriedades Nitreto de Silício

•  Sobre silício, os filmes de Si3N4 possuem tensão mecânica compressiva.

•  Quando depositado por PECVD, apresenta menor tensão compressiva,aumentando sua resistência à fratura e delaminação.

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2.2 Materiais e propriedades Filmes Metálicos

•  Filmes metálicos são utilizados de diversas formas em MEMS. A aplicação principal é como linhas condutoras e/ou eletrodos, mas também podem ser utilizados como material de sacrifício ou como componente estrutural (pontas de emissão, espelhos, etc.).

•  A aplicação final e os processos de microfabricação determinam a escolha dos metais, mas fatores como seletividade e resistência nos processos de corrosão, aderência aos substratos e soldabilidade também são importantes.

•  Alguns dos metais mais utilizados em MEMS são :

Será dado como trabalho para fazer em casa. Ver exercício no final destas transparências ...

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2.2 Materiais e propriedades Vidro e Quartzo

•  Substrato de vidro e sílica fundida (SiO2 amorfo) : devido à sua proximidade como o SiO2, os vidros são materiais com alta compatibilidade tecnológica com o Si. Eles são utilizados quando substratos transparentes ou isolantes eletricamente são necessários.

•  Exemplo de aplicação : sensores de pressão, onde lâminas de Si são coladas eletrostáticamente com vidro Pyrex através de processos de “soldagem anôdica”. O fator crítico nesse processo é a diferença de coeficiente expansão térmica entre o Si e o vidro (em sílica fundida é menor e em vidro comum é maior), que pode levar a trincas e/ou quebra dos substratos.

•  A microfabricação em vidro é baseada na corrosão úmida em soluções de HF. Aditivos são necessários depdendendo da composição do vidro. Perfuração ultra-sônica também é utilizada. Em ambos os casos a a qualidade das bordas em geral é pobre.

•  Metais podem ser depositados facilmente sobre vidro ou sílica fundida, podem ser fotogravados sem problemas por fotolitografia convencional.

•  Substrato microusinados de vidro com eletrodos metálicos integrados tem sido bastante utilizados em sistemas microfluídicos para analise bioquímico.

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2.2 Materiais e propriedades Filmes Poliméricos

•  Polímeros são constituídos por longas cadeias atômicas de carbono e hidrogênio à qual podem estar conectados diversos o grupos ou radicais contendo elementos como O e N. Por serem baseados em carbono, as ligações químicas entre átomos são de tipo covalente.

•  Em tecnologia de MEMS os polímeros são utilizados de diferentes formas devido principalmente às suas propriedades ópticas e termoplásticas. Em ambos casos, os principais atrativos são : baixo custo e facilidade de uso, estabilidade química, transparência na região do visível e baixas temperaturas de processamento :

•  Fotoresistes com espessuras entre 1 e 10 µm são depositados por “Spin-Coating” é utilizados em processos convencionais de folotitografia. Também são utilizados como material de sacrificio em processos de microfabricação em superfície.

•  SU-8 (é um fotoresiste negativo, que permite espessuras de até 300 µm ou mais

•  PMMA (poli metil metacrilato) (acrílico) •  Polyimida (Kapton ®DuPont) •  PDMS (poli dimetil siloxano)

•  http://www.microchem.com/products

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2.2 Materiais e propriedades

•  Além dos fotorresistes, os polímeros mais utilizados em tecnologia de MEMS são Termoplásticos

•  Polímeros Termoplásticos são caracterizados pela existência, a temperaturas suficientemente altas, de uma “Transição Vitrea” (amolecimento), que depende do tipo de polímero (tipo e comprimento da cadeia principal e tipos de radicais laterais).

•  Assim, podem ser estruturados por moldagem quente ou fria.

•  Entre os polímeros termoplásticos mas utilizados em MEMS podemos destacar :

Polímeros

•  PMMA (poli metil metacrilato) (acrílico) : polímero termoplástico transparente e fotosensível (positivo), sensível a UV, feixe de elétrons e raios-X. Pode ser depositado por spin-coating e fotogravado como fotorresite, em espessuras de até algumas dezenas de µm.

•  Também poder ser obtido em folhas. Usados em recobrimento, como material de sacrifício e estrutural. Por exemplo, lâminas de PMMA e outros policarbonatos e acrílicos com canais previamente fabricados, podem ser coladas para formar sistemas microfluídicos.

•  Usado no processo LIGA Micromotor usando processo LIGA

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2.2 Materiais e propriedades Polímeros

•  Polyimida (Kapton ®DuPont) : obtido em geral na forma de folhas com espessuras de até ~200 um. Bom isolante elétrico, inerte e resistente a altas temperaturas (-250 até +400 ºC).

•  Em folhas é utilizado na industria eletrônica em circuitos impressos flexíveis.

•  Em tecnologia de MEMS folhas de Kapton tem sido utilizadas microusinadas com Laser para formar canais para sistemas microfluídicos.

•  Também pode ser obtido por “spin-coating” com espessura de alguns µm e nesta forma é utilizado como resiste, material de sacrifício e como cola em “wafer bonding”.

•  PDMS (poli dimetil siloxano) : é um polimero a base de Si com as seguintes propriedades :

•  Flexível e Transparente •  Inerte quimicamente e Biocompativel •  Permeável a alguns gases

•  PMDS em Microfluídica : Canais e válvulas

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2.2 Materiais e propriedades Polímeros

•  SU-8 é um epoxy fotosensível que pode ser utilizado como fotoresiste de tipo negativo.

•  O recozimento pós-exposição inicia um processo de “crosslinking” que torna as cadeias poliméricas nas regiões expostas mais resistente. Assim, durante a revelação é removido o fotorresiste que não foi exposto. Por isso, o padrão obtido é o “negativo” do padrão na mascara fotolitográfica,

•  Permite a obtenção por “spin-coating” de películas grossas, com até 250 µm ou mais em uma única deposição. Em múltiplas deposições, a espessura pode atingir 1 mm ou mais,

•  O processamento do SU-8 é feito pelos métodos fotolitograficos convencionais (UV, 350–400 nm), mas a exposição também pode ser feita por feixe de elétrons ou raios-X,

•  A cura a maiores temperaturas ou maiores tempos, aumenta o “crosslinking” e a estabilidade térmica do SU-8, tornando-o muito resistente a solventes, ácidos e bases. Por isso mesmo, a sua remoção é relativamente difícil e realizada por plasma (“striping”),

•  Permite fabricar estruturas com alta razão de aspecto (altura para largura) de até 20:1,

•  o SU-8 tem sido usado para : •  fabricar microcanais em sistemas microfluídicos, guias de onda, etc. •  como material de mascaramento em processos de eletro-deposição

•  produzido pela MicroChem Corp (http://www.microchem.com/)

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•  O carbeto de Silício (SiC) e o diamante são semicondutores de alto gap de grande interesse para MEMS pois possuem : alta dureza, alta rigidez (modulo de Young), resistência a ambientes agressivos quimicamente, estabilidade em altas temperaturas e alta condutividade térmica :

•  O SiC pode ser obtidos com diferentes estruturas cristalina. Lâminas de SiC hexagonal são vendidas comercialmente, mas a custo elevado e em pequenos diâmetros. SiC cubico pode ser obtido por crescimento epitaxial diretamente sobre Si, mas o material apresenta grande densidade de poros e defeitos estruturais devido à diferença nas distâncias interatômicas.

•  Têm sido desenvolvidos sensores de pressão de SiC que operam em altas temperaturas (~500 oC) mas a maioria dos trabalhos é em âmbito acadêmico. A corrosão do SiC é uma dificuldade e exige métodos alternativos para definir padrões, como a deposição seletiva.

•  SiC policristalino obtido por CVD tem sido estudado como material estrutural utilizando películas Si ou SiO2 como material de sacrifício. Em nosso grupo temos utilizado a-SiC:H/SiOxNy ambos obtido por PECVD.

2.2 Materiais e propriedades SiC e Diamante

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2.2 Materiais e propriedades Estruturasde de SiC

Cantilevers de SiC obtido por PECVD : note o baixo stress

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2.2 Materiais e propriedades Diamante

•  Apesar do interesse, o diamante tem sido menos estudado que o SiC.

•  Filmes com até alguns micrometros de diamante policristalino ou “diamnod like carbon” são obtidos por CVD e PECVD são semicondutores de alto gap com propriedades particularmente interessantes para MEMS.

•  A razão entre o módulo de elasticidade e a densidade do diamante é extremamente alta, o que permite fabricar estruturas vibrantes com freqüência de ressonância extremamente altas :

•  Devido à sua larga banda proibida o diamante é bom emissor de elétrons por efeito de campo, por isso tem sido utilizado na fabricação de ponteiras de emissora de elétrons.

•  A semelhança do que ocorre com o SiC, a corrosão dos filmes de diamante também é uma dificuldade tecnológica e métodos alternativos para definição padrões devem se procurados (como a deposição seletiva).