دانلود مقاله MEMS چیست؟

1- 1 - MEMS چیست؟

سیستم های میکرو الکترو مکانیکی (MEMS) نوعی سیستم هستند که اندازه فیزیکی خیلی کوچکی دارند.

این سیستمها دارای اجزای الکتریکی و مکانیکی هستند.

هرچند که بعضی اوقات دارای قسمتهای غیر متحرک غیر الکترونیکی ( مثل قسمتهای شیمیایی، بیو شیمیایی و نوری ) نیز هستند.

برای ساخت این ادوات خیلی کوچک، از تکنیک ها و موادی که در ساخت مدار های مجتمع بکار می روند، استفاده می شود.

همان طور که در شکل 1 – 1 مشاهده می شود، MEMS در واقع یک پل بین رشته های میکرو الکترونیک و مکانیک است.و وسیله ای برای برقراری ارتباط و برهمکنش بین دنیای الکترونیک و دنیای اطراف است.

MEMS اصطلاحی است که اولین بار در اواخر دهه 1980 در آمریکا برای نامیدن این سیستم ها معمول شد.

این رشته از تکنولوژی، در اروپا به Microsystems و در ژاپن به Micromechartonics معروف است.

با وجود این هنوز بر سر معنای این اصطلاح اتفاق نظر وجود ندارد.

به هر حال تصویری که از MEMS وجود دارد، یک واحد کامل است که هم قسمتهای الکتریکی و هم میکرو ساختارهای مکانیکی دارد.

اندازه این اجزاء نیز بین چند نانومتر تا چند میلی متر متفاوت است، بعضی میگویند که اندازه یک واحد MEMS باید کمتر از یک سانتی متر مکعب باشد.

اما این تعریف، هنوز مبهم و ناقص است.

چیزی که در مورد ادوات MEMS مشترک است، این است که آنها در مقایسه با ماشین های عادی، یک یا چند تا از این ویژگی ها را در کوچک سازی سیستم (Miniaturization) دارند: تعداد اجزاء، پیچیدگی کار، مجتمع سازی سیستم و قابلیت تولید انبوه.

موج MEMS با توسعه تکنولوژی میکرو ماشینینگ سیلیکونی به پیش می رود.

تکنولوژی میکرو ماشینینگ سیلیکونی در بیشتر موارد از تکنولوژی Micro fabrication استفاده می کند، که همان تکنولوژی ساخت مدارهای مجتمع است.

اما در ضمن با تکنولوژی های دیگر مثل Micro EDM , Liga نیز تقویت شده است، دو خاصیت مهم در میکرو ماشینینگ سیلیکونی هست که از تکنولوژی مدارهای مجتمع به ارث برده شده است : یکی کوچک بودن اندازه و دیگری تعداد زیاد این صفات ویژه باعث می شوند که ماشین ها و سیستم های معمولی در مواردی، نتوانند با میکرو ماشینینگ سیلیکونی رقابت کنند.

تکنولوژی MEMS با حوزه های مختلفی مرتبط است.

هم از آنها استفاده می کند و هم در آنها کاربرد دارد، مانند شیمی، فیزیک، مهندسی، زیست شناسی وپزشکی.

از آنجائی که برای کنترل و یا خواندن سیگنال حاصل از قسمت مکانیکی، یک مدار الکترونی نیز لازم است، امروزه معمولاً این دو قسمت را با هم روی یک ویفر می سازند، این کار باعث افزایش دقت، کاهش هزینه و کاهش اندازه فیزیکی سیستم می شود.

افزایش دقت به خاطر کاهش نویز، و نیز کاهش مقاومت و خازن پارازیتیک خط انتقال بین دو قسمت است.

امروزه می توان سیستم های MEMS را قبل از ساخت با کامپیوتر، شبیه سازی کرد و صحت کار سیستم را ارزیابی کرد.

تولید نرم افزارهای MEMS CAD Tools با عث می شوند که طراحی و ساخت ادوات جدید با سرعت خیلی بیشتری انجام شود.

ادوات MEMS، در زمینه های مختلفی مثل پزشکی، حمل و نقل، خودکار سازی، ماشین آلات، انواع سنسورها، سیستم های نظامی و صفحات نمایشگر کاربرد دارند.

در سال 1997 تخمین زده می شد که بازار جهانی MEMS، حدود 2 میلیارد دلار باشد.

تا سال 2000 بازار جهانی MEMS به حدود 14 میلیارد دلار و ارزش اثر آن بر بازار به طور کلی 100 میلیارد دلار بوده است.

پس می توان گفت که MEMS آینده بسیار خوبی دارد.

1- 2 - تاریخچه ایده ساخت سیستم های خیلی کوچک در سال 1959 توسط فیزیکدان مشهور ریچارد فاینمن، در یک سخنرانی با عنوان There is a plenty of room at the bottom مطرح شد.

او در این سخنرانی، ایده ها و چشم اندازهایی در مورد طرح کار، دانش، مهندسی و کاربردهای سیستم ها و ماشین های خیلی کوچک مطرح کرد.

او در سال 1983 نیز سخنرانی دیگری را در این مورد ایراد کرد و پیش بینی های جالبی را ارائه داد، که بعضی از آنها تاکنون محقق شده اند و بعضی دیگر نیز موضوع تحقیقات هستند.

در سال 1982 کورت پیترسن از IBM، پس از چند سال پژوهش و آزمایش مقاله ای انتشار داد که در آن با بیان نتایج پژوهش هایش نشان داد که سیلیکون دارای خواص و قابلیتهای بسیار خوبی ( از جمله استحکام ) برای ساخت قطعات مکانیکی خیلی کوچک است.

از آنجایی که در ساخت مدارهای مجتمع نیز به وفور از سیلیکون استفاده می شود و فرآیندهای لازم برای ساخت ادوات سیلیکونی ( مثل لیتوگرافی، Etching و ...

) وجود داشتند، این مقاله باعث شد که ساخت قطعات مکانیکی سیلیکونی، به سرعت رواج یافته و پیشرفت کند.

مقاله سال 1982 پیترسن از نظر بسیاری افراد، به عنوان نقطه آغاز رسمی تکنولوژی MEMS شناخته می شود.

هرچند که قبل از آن نیز کارهای پراکنده ای در مورد ساخت سیستم های بسیار کوچک انجام شده و انتشار یافته بودند.

پیترسن اکنون نیز زنده است و یکی از پرکارترین و مشهورترین پژوهشگران در زمینه MEMS به شمار می رود.

1- 3 – MEMS چه مزایایی دارد؟

سیستم های MEMS اندازه بسیار کوچکی دارند.

این مهمترین مزیت MEMS است.

استفاده از MEMS به عنوان سنسور مفید است.

چرا که به خاطر اندازه خیلی کوچکش، بسیار کمتر از ادوات بزرگ با محیط بر همکنش و تبادل انرژی دارد.

در ضمن می توان از یک آرایه از سنسورها استفاده کرد، ( برای اثر Redundancy ) بدون این که حجم زیادی اشغال شود.

استفاده از MEMS به عنوان محرک نیز مفید است.

چرا که بخاطر اندازه خیلی کوچکش، حرکت اعمال شده توسط آن می تواند خیلی دقیق باشد.

در ضمن، کوچک بودن این ادوات باعث می شود که بتوان آنها را در جاهای خاصی، مثل خودروها و بدن انسان وارد کرد تا بعضی پارامترهای محیط را اندازه گرفته یا تغییر دهند.

از آنجائی که تولید MEMS شبیه تولید مدارهای مجتمع است، پس ادوات MEMS نیز در صورت تولید انبوه ارزان تمام می شوند.

در ضمن در موارد خاص، اگر ادوات MEMS گران تمام شود نیز، در جاهای خاصی که اندازه و وزن کم بسیار مهم است ( مثل ماهواره ها یا سفینه های فضائی ) بازهم استفاده از MEMS توجیه دارد.

در ضمن همان طور که قبلاً هم ذکر شد، اگر قسمت های مکانیکی و الکترونیکی سیستم MEMS به طور یکپارچه روی یک ویفر ساخته شوند، دقت و حساسیت سیستم حاصله بسیار بیشتر از سیستم های بزرگ معمولی خواهد بود.

( به خاطر کاهش نویز و مقاومت و خازن پارازیتیک ) 1- 4 – در چه جاهایی از MEMS استفده می شود؟

در وسایل نقلیه از فشار سنج های MEMS برای اندازه گیری فشار روغن موتور، فشار خلاء، فشار تزریق سوخت، فشار سوخت منتقل شده، فشار خط ترمز ABS، فشار تایرها و فشار هوای ذخیره شده برای کیسه هوایی استفاده می شود.

همچنین از شتاب سنج های MEMS هم می توان برای خواندن دمای روغن موتور، ضد یخ و دمای هوا استفاده کرد.

در صنعت نیز سیستم های خودکار و ابزار دقیق می توانند از ادوات MEMS مثل فشار سنج، دما سنج، شتاب سنج، سنسور فاصله (Proximity) استفاده کنند.

در سیستم های کنترل کننده در خانه و صنعت نیز می توان از MEMS استفده کرد.

در اینجا هم سنسورها و هم محرک ها مورد نیاز هستند.

از سنسورها برای اندازه گیری پارامترهای مختلف محیط اطراف و از محرکها برای تنظیم پارامترها استفاده می شود.

سیستم های نوری نیز از محرک های MEMS در جاهای مختلفی مثل آئینه و پروژکتورهای دیجیتال، فیلترها، مدولاتورهای نوری، ابزار خواندن خط نماد (Barcode) و ...

استفاده می کنند.

در پزشکی نیز می توان از ابزار MEMS در جاهایی که دخالت دست ممکن نیست، مثل : آندوسکوپی، جراحی از راه دور و جراحی های ظریف مثل جراحی چشم ( مثلاً آب مروارید ) استفاده کرد.

همچنین می توان ادوات خیلی ریز MEMS را وارد بدن و دستگاه گردش خون کرد تا کارهایی مثل شناسایی بیماری و آزاد کردن دارو در مناطق خاصی از بدن را انجام دهند.

در موارد متعدد دیگر مثل چاپگر جوهر افشان و میکروسکوپ ها نیز از MEMS استفاده می شود.

هر کدام از این موارد بعداً به طور مفصل توضیح داده خواهد شد.

2- فرآیند ساخت فر آیند ساخت به چند دسته عمده تقسیم می شود: ساخت مدار مجتمع ( IC Fabrication ) .

میکرو ماشینینگ توده ای ( Bulk Micro machining ) .

میکرو ماشینینگ سطحی ( Surface Micro Machining ) .

حکاکی عمیق یون واکنش زا ( DRIE = Deep Reactive Ion Etch ) .

میکرو ماشینینگ توده ای و سطحی در قسمت بعد توضیح داده خواهند شد.

فرآیند ساخت مدار مجتمع که در MEMS نیز استفاده می شود، خود به چند دسته تقسیم می شود : لایه نشانی ( Deposition ) .

نقش نگاری ( Lithography ) .

روش برداشتی یا حذفی ( Removal ) .

یکی از نیازهای مهم در MEMS قدرت نشاندن لایه هایی از مواد با کیفیت خوب است.

فن آوری لایه نشانی در MEMS به دو دسته تقسیم می شود : لایه نشانی بر اساس واکنش شیمیایی .

لایه نشانی بر اساس واکنش فیزیکی .

در لایه نشانی بر اساس واکنش شیمیایی، ترکیبات گاز یا مایع با یکدیگر واکنش داده و نهایتاً یک لایه بر روی بستر رسوب می کند، چند روش وجود دارد که بر اساس واکنش شیمیایی عمل می کنند : لایه نشانی بخار شیمیایی ( CVD ) .

آبکاری ( Electro deposition ) .

رشد لایه هم بافته .

اکسایش حرارتی .

در لایه نشانی بر اساس واکنش فیزیکی هیچ نوع واکنش شیمیایی اتفاق نمی افتد و مواد به صورت فیزیکی روی بستر نشانده می شوند.

دو روش زیر بر اساس واکنش فیزیکی عمل می کنند : لایه نشانی بخار فیزیکی ( PVD ) .

ریخته گری ( Casting ) .

در روش برداشتی یا حذفی که سومین روش از فرآیندهای ساخت MEMS می باشد، باید قسمت های اضافی بستر بر طبق الگوی مورد نظر زدوده شوند که خود به دو دسته تقسیم می شوند.

حکاکی تر ( Wet Etching ) .

حکاکی خشک یا حکاکی پلاسما ( Dry or Plasma Etching ) .

حال به شرح جزئیات روش های گفته شده می پردازیم : 2-1- روشهای لایه نشانی شیمیایی 2-1-1- لایه نشانی بخار شیمیایی ( CVD: Chemical vapor Deposition ) در این روش بستر در یک راکتور قرار گرفته و یک یا چند گاز مثل ( N2 ) وارد می شوند.

این گازها تا رسیدن به حرارت لایه نشانی گرم می شوند و از این حرارت به بعد ورود این گازها قطع می شوند و از این به بعد گاز واکنش دهنده وارد می شود.

در اثر واکنش این گازها با هم یک لایه بر روی بستر نشانده می شود.

بسیاری از لایه های CVD یا به صورت Amorphous یا به صورت Polycrystalline هستند.

لایه نشانی بخار شیمیایی به دو صورت زیر انجام می شود : CVD فشار پایین ( LPCDV : Low Pressure CVD ) .

CVD بهبود یافته یا پلاسما ( PECVD : Plasma Enhaced CVD ) .

فرایند LPCVD بهترین لایه ها از نظر کیفیت، ضخامت و مشخصه موادی خوب را تولید می کند.

مشکل اساسی این روش نیاز به دمای بالای فرایند ( بیشتر از 600 درجه سانتیگراد ) و پایین بودن سرعت لایه نشانی است .

در فرایند PECVD، گاز به اجزای سازنده اش تجزیه می شود.

پلاسما باعث افزایش سرعت فرایند می شود.

پلاسما بوسیلۀ یک منبع RF گرم شده، باعث تشکیل یون هایی می شود .نیست و ممکن است شامل ترکها یا جاهای خالی باشد.شکل 2 – 1 یک راکتور LPCVD را نشان می دهد .

پلاسما بوسیلۀ یک منبع RF گرم شده، باعث تشکیل یون هایی می شود .

بسیاری از یونها روی زیر لایه ( Substrate ) لایه نشانی ( Deposite ) می شوند.

با این روش کیفیت لایه نازک ( Thin film ) معمولاً خوب نیست و ممکن است شامل ترکها یا جاهای خالی باشد.شکل 2 – 1 یک راکتور LPCVD را نشان می دهد .

شکل 2 – 1 2 – 1 – 2 – آبکاری( Electrodeposition ) این روش، برای ایجاد لایه هائی از مواد هادی الکتریکی مناسب است .

دو فناوری برای آبکاری وجود دارد : Electroplating Electrolessplating در فرایند Electroplating، بستر در یک الکترولیت قرار گرفته و وقتی پتانسیل بین سطح هادی بستر و الکترود کاتد ( معمولاً پلاتینیوم ) اعمال می شود، یک واکنش شیمیایی انجام گرفته و نتیجه آن تشکیل یک لایه روی بستر و تولید گاز از الکترود کاتد است.

در روش Electrolessplating یک ترکیب شیمیایی استفاده می شود و روی هر سطحی که پتانسیل الکترو شیمیایی بالاتری با محلول داشته باشد، لایه نشانی انجام می شود .

این روش بخاطر عدم نیاز به پتانسیل الکتریکی خارجی و عدم استفاده از Contact به زیر بنا خوب است، امّا کنترل ضخامت و یکنواختی لایه نشانده شده سخت است .شکل 2-2 شماتیک دستگاه Electrodeposition را نشان می دهد .

شکل 2 هنگامی که لایه رسوب یافته هادی الکتریکی خوبی مثل مس، طلا و نیکل باشد مناسب است.

با استفاده از این روش لایه هائی به ضخامت بین 1 تا 100 میکرومتر میتوان ایجاد نمود.

اگر از پتانسیل خارجی استفاده شود، ضخامت را میتوان کنترل کرد، ولی این کار نیازمند اتصال الکتریکی به بستر است و سطح بستر نیز باید قبل از لایه نشانی هادی باشد.

1 – 3 رشد لایه همبافته ( Epitaxy ) این روش، روشی است که فقط یکبار در شروع مراحل ساخت مورد استفاده قرار می گیرد.

طی این مرحله، لایه ای از سیلیسیم روی قرصی از سیلیسیم رشد داده می شود .

هنگامی که لایه همبافته بر روی بستر رسوب می کند، اتم های درون آن مطابق ساختار شبکه زیرین خود مرتب می شوند.

بنابراین، لایه سیلیسیمی که به روش همبافته رشد پیدا می کند، ساختار کاملاً بلورین دارد و ساختار بلور زیرین را تکرار می کند.

فایده لایه همبافته از اینجا ناشی می شود که لایه های رشد یافته را می توان از نظر میزان / و یا نوع، به طرز متفاوتی نسبت به بستر زیرین آلایید .

این گونه لایه ها اغلب بخشهای حساسی از افزاره های الکتریکی را تشکیل می دهند ( مثلاً ناحیه کانال در ترانزیستور های CMOS یا کلکتور – بیس وامیتر در ترانزیستور های دو قطبی ) رشد لایه همبافته برای ایجاد ناحیه فعال در فن آوری SOI (Silicon on insulator) نیز به کار میرود.

شکل 2 – 3 شماتیکی از VPE را نشان می دهد.

شکل 3 برای ایجاد لایه همبافته، قرص درون کوره رشد لایه همبافته قرار داده می شود.

در اثر واکنش شیمیایی ( مثلاً تجزیه سایلن ) سیلیکون بر روی بستر رسوب می کند.

2 – 1 – 4 اکسایش حرارتی این روش یکی از اساسی ترین روش های لایه نشانی است.

در این روش بستر در محیط اکسیژن و در دمای 1100 تا 800 درجه سانتیگراد ( بسته به سرعت مورد نیاز برای اجرای فرآیند ) اکسید می شود.

در این روش مقداری از بستر نیز برای انجام واکنش مصرف می شود.

سرعت رشد لایه با افزایش ضخامت آن کم می شود، زیرا اکسیژنی که به سطح بستر می رسد، رفته رفته کمتر می شود.

وقتی ضخامت لایه اکسید زیاد می شود، نفوذ اکسیژن به آن سخت می شود.

بر اساس رابطه سهمی بین ضخامت لایه و زمان اکسایش، ضخامت به حدود 100 نانومتر محدود می شود.

با این روش لایه SIO2 روی Si تشکیل می شود.

شکل 2 – 4 این روش را نشان می دهد.

شکل 4 2- 2 روش های لایه نشانی فیزیکی 2 – 2 – 1 رسوب بخارات فیزیکی ( PVD : Physical vapor Deposition ) در این روش مواد از منبع گرفته شده و به بستر منتقل می شوند.

دو روش مهم تبخیر ( Evaporation ) و کندوپاش ( Sputtering ) است.

PVD ، روش استانداردی برای لایه نشانی فلزات است.

خطرات کمی نسبت به CVD دارد و هزینه مواد آن کمتر ازCVD است.

ولی کیفیت لایه های آن بدتر از CVD است.

PVD برای فلزات با مقاومت بالا و برای عایق ها، نقص ها و تله های زیادی دارد.

همچنین پوشش پله ای در این روش خوب نیست .

2 – 2 – 2 تبخیر ( Evaporation ) .

در این روش بستر و مواد مورد نظر در یک محفظه خلا قرار می گیرند، سپس مادۀ مورد نظر را به صورت نقطه ای گرم کرده و در آن نقطه ماده ذوب و تبخیر می شود.

وجود خلا مهم است، زیرا به مواد ذوب شده اجازه می دهد تا بدون برخورد با ملکولهای هوا به بستر مورد نظر برسند و بر روی آن ( و محیط اطراف آن ) رسوب کنند.

دو روش برای تبخیر وجود دارد : روش مقاومتی روش باریکه الکترونی در روش گرم کردن با اشعه الکترونی، یک باریکه الکترونی توسط تفنگ الکترونی ( شامل فیلمان، کاتد، آند، لنزهای الکترو استاتیکی و مغناطیسی و شتاب دهنده الکترو استاتیکی ) تولید و شتاب داده می شود، به گونه ای که به ماده داخل بوته برخورد کند.

بوته از زیر توسط خنک کننده ( آب )، خنک می شود.

در این روش باریکه الکترونی به صورت محلی فقط یک نقطه از ماده را تبخیر می کند و بنابراین آلودگی از بوته وارد لایه نمی شود و برای مواد دیر گداز کاملاً مناسب است .

شکل 2 – 5 روش تبخیر به کمک الکترون را نشان می دهد.

شکل 5 در روش تبخیر مقاومتی، یک بوته تنگستنی که شامل مواد مورد نظر است و با عبور جریان ( حدود A 260 ) ماده مورد نظر ذوب و تبخیر می شود.

این روش برای مواد دیر گداز مناسب نیست .

2 – 2 – 3 کندوپاش ( Sputtering ) این روش بسیاری از مشکلات Evaporation را حل می کند.

این روش بر اساس کندن اتم ها از ماده مورد نظر در دمای خیلی پایین تر از دمای ذوب آنها و نشاندن آنها بر روی بستر کار می کند .

در این روش بستر و ماده مورد نظر به نام هدف ( Target ) در خلا ) 10-8torr تا ( 10-7 قرار گرفته و یک گاز خنثی ( Ar یا He ) با فشار کم به آن اعمال می شود.

Target کاتد است و ویفرها ( Substrate ) آند هستند.

با استفاده از منبع dc یا rf پلاسما تشکیل شده و گاز یونیزه می شود.

یون ها به طرف ماده مورد نظر شتاب داده میشوند و اتم های آن را پراکننده می کنند.

این اتمها روی بستر می نشینند.

شکلی از Sputtering نوع RF در شکل 2- 6 دیده می شود.

شکل 6 در این روش تقریباً همه مواد Sputter می شوند.

می تواند بیشتر از یک هدف مورد استفاده قرار گیرد.

( co sputtering ).

بیش از یک Substrate می تواند مورد استفاده قرار گیرد ( Mass Sputtering ) .

2 – 2 – 4 – ریخته گری ( Casting ) در این روش ماده ای که باید نشانده شود در یک حلال، حل می شود و می توانیم آن را با اسپری کردن و یا چرخاندن روی بستر قرار دهیم، سپس حلال تبخیر شده و ماده مورد نظر روی زیر بنا باقی می ماند.

این روش برای مواد پلیمری خوب است، چون به راحتی در حلال ها حل می شوند.

این روش شبیه استفاده از فتورزیست در فوتولیتوگرافی است.

ضخامت فیلم می تواند از یک لایه مولکولی تا چند ده میکرون باشد.

برای تشکیل فیلم شیشه روی زیربنا از این روش استفاده می شود.شکل 2- 7 این روش را نشان می دهد.

شکل 7 از روش Casting برای ایجادلایه هائی از مواد مختلف می توان استفاده نمود ( مخصوصاً برای پلیمرها ) .

ضخامت لایه را با دقّت 10% ( با زمان و سرعت چرخش ) میتوان کنترل کرد.

2- 3 – روشهای حکاکی ( Etching ) .

2 – 3 – 1 حکاکی تر ( Wet Etching ) .

ساده ترین روش حکاکی است .

در این روش یک حلال ماده را خورده و الگوی مورد نظر تولید می شود .

این حلال ها باید قابلیت انتخابی داشته باشند.

یعنی نباید مواد دیگر و یا محافظ حساس به نور ( فتوزیست ) را حل یا خراب کنند .

حکاکی کننده های تر به دو گروه عمده تقسیم می شوند : 1 – حکاکی کننده های Isotropic 2 – حکاکی کننده های Anisotropic حکاکی کننده های Isotropic ویفر را در همه جهات با نرخی یکسان حکاکی می کنند .

حکاکی کننده هایAnisotropic ویفر را در جهات مختلف و نرخهای مختلفی حکاکی می کنند.

بعضی از حکاکی کننده ها ویفر را با توجه به محل تمرکز نا خالصی ها در نرخهای متفاوت حکاکی می کنند .

حکاکی کننده های Isotropic برای سیلیکون، طلا، پلی سیلیکن، آلومینیوم، نیترید و اکسید وجود دارند.

Isotropic ها ماده را بطور افقی زیر Mask در نرخ یکسانی حکاکی می کنند.

در شکل زیر لایه های نازکی از اکسید روی ویفری از سیلیکون نشان داده شده است که در آن از حکاکی کننده ای استفاده شده که اکسید را سریعتر از سیلیکونی که در لایه های زیرین قرار دارد، حکاکی می کنند.

( مثل اسید هیدروفلوئوریک HF ).

شکل 2 – 8 حکاکی کننده های Anisotropic وجود دارند که سطوح کریستالی را در نرخهای مختلفی حکاکی می کنند .

متداول ترین آنها هیدروکسید پتاسیم ( KOH ) می باشد.KOH برای استفاده کاملاً ایمن می باشد.

متداولترین جهت کریستالی سیلیکون می باشد.

ساده ترین ساختاری که می تواند با استفاده از KOH برای حکاکی ویفر سیلیکون ساخته شود در شکل 2 – 9 نشان داده شده است.

جهت نیز استفاده می شود ولی جهت استفاده نمی شود.

شکل 2 – 9 این شکل یک کانال V شکل با گوشه های راست زاویه و دیواره های مورب می باشد.

با استفاده از ویفرهای با جهات کریستالی مختلف می توان کانالهائی یا گودالهائی با دیواره عمودی ساخت .

اکسید و نیترید در KoH به آهستگی حکاکی می شوند.

اکسید می تواند به عنوان یک Mask حکاکی برای زمانهای کوتاه در حمام KoH استفاده شود.

برای زمانهای طولانی، نیترید Mask حکاکی بهتری می باشد، زیرا در KoH به آهستگی حکاکی می شود.

مقادیر زیاد Boron در سیلیکون باعث کاهش نرخ حکاکی می شود.

نا خالصی بور معمولاً بوسیله فرآیندی به نام Diffusion وارد سیلیکون می شود.

Mask ضخیمی از Oxide در جایی که Boron داخل سیلیکون نباید بشود، در بالای ویفر سیلیکون تشکیل و الگو داده می شود.

( شکل a ).

ویفر سپس در یک کوره در تماس با یک منبع انتشاری بور قرار داده می شود.

در طی مدّتی اتمهای بور داخل ویفر سیلیکون می شوند.

یک بار که عمل انتشار بور کامل شد Maskاکسید برداشته می شود.

( شکل b ).

سپس Mask دوّم قبل از اینکه ویفر در حمام KOH وارد شود، لایه نشانی و الگو دهی می شود.

( شکل c ).

KOH سیلیکونی را که بوسیله Mask حفاظت نشده حکاکی می کند.

( شکل d ).

شکل 2 – 10 بور می توان داخل سیلیکون به اندازه در طی 15 تا 20 ساعت قرار داده شود.

البته هر چه در کوره کمتر نگاه داشته شود، مطلوب تر است.

وقتی که ویفر را از جلو در KOH حکاکی می کنیم، ممکن است قسمت تحتانی بور تزریق شده در سیلیکون حکاکی نشود.

در این موارد، ویفر را می توان از پشت حکاکی کرد، اگر چه این روش هم بدون مشکل نیست.

از مشکلات آن می توان به زمان حکاکی طولانی تر و ویفرهای گرانتر اشاره کرد.

در روش حکاکی تر Isotropic کیفیت لبه ها خیلی خوب است.

از عوامل مؤثر بر این روش می توان موارد زیر را نام برد : حکاکی کننده ( Etchant ).

روش تحریک ( Strring method ).

حرارت.

سطح تزریق.

نقص کریستال.

حکاکی کننده های متداول مورد استفاده در این روش عبارتند از : HNO3 (اسید نیتریک ).

HF )اسید هیدرو فلوریک ).

CH3 COOH (اسید استیک ).

Mask های متداول مورد استفاده در مقابل این حکاکی کننده ها عبارتند از : Si3 N4 ( نیتریتها ).

فلزهای نجیب ( Nobble ) SiO2 شکل 2 – 11 تفاوت بین حکاکی تر Isotropic و Anisotropic را واضح تر نشان می دهد.

شکل 2 – 11 برای کنترل حکاکی Anisotropic و مطمئن شدن از اینکه حکاکی در یک سطح مشخص متوقف می شود از Etching stop ها استفاده می شود.

از Boron معملاً به عنوان Etch stop استفاده می شود.

به عنوان مثال تزریق 1020 اتم Boron در هر cm3 نرخ حکاکی را به صورت زیر تغییر می دهد.

1 – ضریبی از 500 برای EDS ( نوع S ) در 66ºc برای سیلیکون 2- ضریبی از 10 برای 42% KOH در 66ºc برای سیلیکون حکاکی P+ Boron در حکاکی n-si خیلی مؤثر است، امّا باعث استرس مکانیکی در دیافراگم انتهائی می شود.

نوع دیگری از Etch stop ها تحت عنوان متوقف کننده های حکاکی الکترومکانیکی ( Electromechanical ) وجود دارند که در آن از یک اتصال p-n که در گرایش معکوس قرار داد استفاده می شود.

شکل 13 در طی زمان حکاکی جریان نشتی اتصال p-n در بایاس معکوس برقرار است.

وقتی که همۀ لایه p حکاکی شود، ناگهان جریان افزایش یافته و حکاکی متوقف می شود.

تزریق زیاد در این روش مورد نیاز نیست.

2 – 3 – 2 - حکاکی خشک یا حکاکی پلاسما ( Dry or Plasma Etching ) این روش به سه دستۀ زیر تقسیم می شود : حکاکی توسط یون واکنش زا ( Reactive Ion Etch : RIE ).

حکاکی به روش کندوپاش ( Sputter Etching ).

حکاکی در فاز گاز.

در RIE ، بستر در یک راکتور که حاوی گازهای واکنش دهنده است قرار می گیرد.

سپس پلاسمای ac اعمال می شود و مولکولهای گاز به یون تبدیل می شوند.

یونها شتاب داده شده و با بستر واکنش می نمایند و باعث خرد شدن آن می شوند .

این روش شیمیایی RIE است.

یک روش فیزیکی مشابه کندوپاش نیز وجود دارد.

در این روش با اعمال یونهای یک گاز با انرژی مناسب به اتمهای ماده مورد نظر آن را می زداییم.

اجرای این روش به خاطر نیاز به تنظیم چندین پارامتر سخت است.

زدودن فاز بخار نیز می تواند با همان وسایل RIE انجام شود.

در این روش قرص در محفظه قرار داده شده و چند گاز واکنش دهنده به آن وارد می شود.

موادی که که باید حل شوند، در واکنش گاز با سطح، زدوده می شوند.

دو روش برای این کار وجود دارد : استفاده از HF.

استفاده از xeF2.

هر دو روش بالامنجربه زدایش هم جهته ( Isotropic ) می شوند.

روش زدایش خشک در مقایسه با روش شیمیایی (حکاکی تر ) گران است.

اگر نیاز به دیواره های عمودی یا ایجاد نقشهای ریز باشد، این روش مفید است.

شکل 2 – 13 یک سیستم RIE را نشان می دهد.

RIE یک روش حکاکی Anisotropic می باشد.

شکل 14 2 – 4 – کاشت یونی کاشت یونی، اساسی ترین فرآیندی است که بوسیله آن تراکم ناخالصی های آلاینده را تغییر می دهند.

این فرآیند در دستگاهی به نام دستگاه کاشت یونی انجام می شود و طی آن تمام سطح هدف ( Target ) در معرض بمباران یک نواخت میزان کاملاً مشخصی از اتمهای یونیزه شده آلاینده مورد نظر، از قبیل آرسنیک( As ) ، فسفر ( P ) و بور (B) قرار می گیرد.

این یون ها، ابتدا در یک میدان الکتروستاتیک شتاب می گیرند و به این ترتیب برای وارد شدن به هدف، انرژی کافی به دست می آورند.

( Kev 300 تا 10 ) .

یون ها وارد قسمتهائی از سیلیسیم می گردند که بوسیله ضخامت مناسبی از Mask محافظ از ورودشان جلوگیری نشده باشد.

این پوشش محافظ را می توان از محافظ حساس به نور، si3N4 ,sio2 سیلیسیم چند بلوره یا ترکیبی از این مواد انتخاب نمود.

موقعیت قله یون های کاشته شده در لایه و پهنای آن به انرژی یون ها، جرم یون ها و ماده بستگی دارد.

برای کاربردهای معمولی این پارامتر بین 0.05 تا 0.5 میکرومتر تغییر می کند.

تعداد کل یون های کاشته شده بر واحد سطح یا دوز یونی را می توان به دقّت کنترل نمود و این تعداد، بسته به کاربرد مورد نظر معمولاً 1 تا 10 یون بر میکرومتر مربع است.

اتم های ناخالصی ممکن است به طور مستقیم و یا پس از گذشتن از میان لایه نازکی که معمولاً اکسید حرارتی سیلیسیم است، در داخل سیلیسیم کاشته شوند.

2- 5 – نقش نگاری ( Lithography ).

نقش نگاری فرآیندی است که طی آن الگو های هندسی از یک نقاب، بر روی سطح قرص، یا بر روی سطح لایه ای که قرص را پوشانیده است، منتقل می گردند.

برای این منظور، سطح ابتدا بوسیلۀ لایۀ پلیمری به نام محافظ حساس پوشانیده می شود.

و الگو های هندسی از سطح نقاب به روی آن منتقل می گردند.

برای این انتقال، چند روش وجود دارد که در حال حاضر معمول ترین این روشها، روش نوری است.

به همین علّت این فرآیند، نقش نگاری نوری ( Photolithography ) و لایه پلیمر محافظ حساس به نور (Photoresist) نامیده می شود.

شکل a لایه نازکی از یک ماده مثل اکسید سیلیکون را روی زیر لایه ای ( Substrate ) از ماده ای دیگر مثل ویفر سیلیکون نشان می دهد.

می خواهیم که مقداری از دی اکسید سیلیکون به طور انتخابی برداشته شود و فقط در نواحی خاصی، دی اکسید سیلیکون روی ویفر سیلیکون باقی بماند ( شکل f ) ابتدا یک Mask که نوعاً یک الگوی کروم ( Chromium ) روی یک صفخه شیشه ای ( Glass plate ) است، ایجاد می شود.

سپس ویفر با یک پلیمر که به نور ماورا بنفش حساس است و به آن Photoresist می گویندِِِ،پوشانده می شود (شکل b ) نور ماورا بنفش از طریق mask داخل photoresist راه می یابد و الگوی روی Mask به لایه Photoresist منتقل می شود ( شکل c,d ).

اگر ماده محافظ حساس به نور مثبت ( Positive ) باشد،در مرحله ظهور، مناطقی را که در معرض نور قرار نگرفته اند،بدون تغییر باقی می گذارد و بقیه را پاک می کند، اگرماده محافظ حساس به نور منفی باشد، عمل عکس اتفاق می افتد.

ماده ای شیمیایی برای برداشتن اکسید در مناطقی که Photoresist برداشته شده، استفاده می شود.

( شکل e ) در نهایت Photoresist نیز برداشته می شود.

( شکل f ).

شکل 15 2-6- هم ترازی یا تنظیم ( Alignment ) برای ساختن قطعات مفید الگوهای مراحل مختلف لیتوگرافی که مربوط به یک ساختار هستند باید با یکدیگر Align شوند.

الگوی اولیه معمولاً به یک ویفر که شامل مجموعه ای از نشانه های ( Alignment Marks ) alignment است، انتقال می یابد.

آن ویفر دارای خصوصیات دقیقی است، چون به عنوان مرجعی برای جای گذاری الگوهای زیر مجموعه استفاده می شود.

( شکل 2 – 15 ).

به علّت این که نشانه های Alignment اصلی ممکن است در عملیات پردازش زدوده شوند، پس در الگوهای دیگر هم نشانه های Alignment به عنوان ذخیره وجود دارند.

برای هر نشانه Alignment روی ویفر باید یک Lable وجود داشته باشد تا معلوم شود که باید به کدام الگو alignشود.با ایجاد مکان نشانه alignmentو قرار دادن الگو به طور صحیح برای کاربر ساده می باشد.

هر لایه الگو باید دارای یک خصوصیت Alignment باشد، چون ممکن است قرار باشد به لایه های دیگر متصل شود.

شکل 16 منوط به تجهیزات لیتوگرافی مورد استفاده، خصوصیت روی Mask مورد استفاده برای ثبت کردن Mask، ممکن است به ویفر انتقال یابد، شکل ( 2 – 16 ).

در این مورد، قرار دادن نشانه های Alignment آن چنان که روی عملکرد قطعه یا فرآیند پردازش زیر مجموعه ها تأثیر نگذارد، مهم می باشد.

برای مثال، نشانه Alignment نشان داده شده در شکل زیر بعد از حکاکی DRIE ویفر از بین رفته است.

انتقال الگو از طرح های Mask alignment به ویفر ممکن است، طرح های Alignment روی ویفر را حذف کند.

در این مورد، نشانه های Alignment باید برای کاهش این اثر طراحی شوند، یا به طور متناوب باید چندین کپی از نشانه های Alignment روی ویفر وجود داشته باشد.

بنابراین نشانه های Alignment دیگری برای ثبت شدن به قبلی ها برای دیگر Mask ها وجود خواهد داشت.