Sistema para Micro Maquinado de Silicio Mediante Iones Reactivos, DRIE

Autor: Jesús J. Alcántar Peña

La fabricación de dispositivos “Micro-Electro-Mechanical Systems (MEMS)” suele utilizar en la mayoría de los casos métodos complejos, en donde es necesario implementar herramientas especializadas que puedan resolver las necesidades del micro-maquinado. Dentro de dichos procesos se encuentran generalmente, procesos de fotolitografía, depósito de películas delgadas mediante evaporación térmica y sputtering, oxidación de obleas de silicio, unión de substratos de diferentes materiales y los ataques profundos utilizando iones reactivos “Deep Reactive-Ion Etching (DRIE)”. En esta nota nos enfocaremos al sistema DRIE disponible en las instalaciones de cuarto limpio de la Dirección de Microtecnologías en CIDESI.

El vídeo muestra el proceso de fabricacion de estructuras MEMS utilizando el sistema DRIE “Deep Reactive Ion Etching” ubicado en el cuarto limpio de CIDESI Querétaro.

Si estas interesado en hacer uso de las instalaciones del cuarto limpio de CIDESI Querétaro, no dudes en contactarnos… Puedes visitar el siguiente link para mas información.

¿Cuál es el principio de operación del sistema DRIE?

El sistema DRIE, (Figura 1), se caracteriza por realizar ataques secos (a base de plasma) sobre obleas de Silicio utilizando el método “BOSCH” nombrado por Robert Bosch.

Fig. 1. Sistema DRIE “Deep Reactive-Ion Etching” del cuarto limpio de CIDESI Querétaro.

El proceso se caracteriza por ser un proceso de grabado altamente anisotrópico que se utiliza para crear perforaciones  de penetración profunda (desde el punto de vista de micro-fabricación) para la creación de estructuras complejas durante la fabricación de MEMS, en donde ataques mediante procesos húmedos no logran resolver, se caracteriza por implementar 3 pasos fundamentales (depósito de capa protectora, ataque de patrón de capa protectora y ataque de silicio) de corta duración los cuales representan un ciclo de ataque (19 segundos aproximadamente) y la cantidad de material removida será controlada por la cantidad de ciclos. Sin embargo, el proceso completo consta de 5 pasos ilustrados en la Fig. 2, los cuales se describen a continuación:

  1. Definición de patrón: En este paso se define mediante procesos de fotolitografía el patrón a plasmar en la superficie de una oblea de Silicio, la ventaja es que se puede implementar cualquier geometría de dos dimensiones para posteriormente penetrar en el bulto del Silicio, a diferencia de ataques húmedos que dependen totalmente de la orientación cristalográfica del Silicio. Es muy importante considerar que tipo de material se utilizará para definir el patrón debido a que es el que te permitirá llegar a ciertas profundidades deseadas dependiendo de la selectividad respecto al Silicio, generalmente se puede utilizar fotoresina, SiO2, Si3N4, Cr, entre otros.
  2. Primer ataque (SF6): Este proceso se caracteriza por realizar el primer ataque de Silicio y definir el inicio de la cavidad, en donde también sufre daño la capa protectora, pero a un nivel menor, para este proceso se utiliza un plasma a base de SF6 con una pequeña parte de O2 sin aceleración de iones, es importante mencionar que el tiempo es relativamente muy corto 1-2 segundos debido a que a mayor tiempo, las paredes sufrirán daños.
  3. Pasivación (C4F8): En este proceso se deposita una capa protectora de teflón utilizando un plasma a base de C4F8 cubriendo de manera “conformal” superficies y cavidades, con la finalidad de proteger las paredes.
  4. Segundo ataque (SF6) con “bias”: Este paso es utilizado para remover el teflón protector previamente depositado utilizando un plasma a base de SF6 con O2 pero con aceleración hacia la superficie logrando remover la capa protectora localizada en la superficie del silicio y en la base de la cavidad dejando solamente protección en las paredes.
  5. Segundo ataque (SF6) sin “bias”: Este paso es inmediato al paso anterior con diferencia de no utilizar aceleración de iones y mayor presión dentro de la cámara para generar el siguiente ataque de la cavidad en el silicio, durante un corto tiempo, para evitar dañar la paredes.
  6. Ciclo de ataque: Este proceso consiste en repetir los pasos 3, 4 y 5 cuantas veces sea necesario, un ciclo completo puede tomar alrededor de 19 segundos dependiendo de la receta a utilizar, que a su vez depende de las estructuras a definir, la velocidad de ataque dependerá también del área expuesta de la cavidad por lo que es importante siempre caracterizar la velocidad de ataque para cada muestra particular con la posibilidad de realizar pequeños ajustes en las recetas.

Fig. 2. Descripción general del proceso DRIE.

¿Qué tipo de dispositivos podemos fabricar con el sistema DRIE?

El área de aplicación es muy extenso para este tipo de sistemas, va desde dispositivos electrónicos como capacitores, hasta sistemas con micro-mecanismos e incluso micro cámaras para sensores de flujo o gas. En la Figura 3 se pueden observar diferentes tipos de aplicaciones que el equipo de trabajo de microtecnologías en CIDESI ha realizado utilizando el sistema DRIE.

Fig. 3. Aplicaciones obtenidas mediante el sistema DRIE, (A) Incremento de ángulo de contacto (hidrofobicidad), (B) y (C) incremento de área superficial para súper capacitores con alta constante dieléctrica
  1. Super-hidrofobicidad: La Figura 3 (A y B) y Figura 4 (B) muestran un arreglo de trincheras que limitan el área de contacto de la superficie con el agua, adicionalmente se agregó un recubrimiento con un tratamiento superficial el cual evita la adhesión del agua en la superficie, en donde, combinando modificaciones mecánicas y químicas en la superficie se puede lograr aplicaciones donde se requieran superficies súper-hidrofóbicas.
  2. Sensores de gas, flujo y filtrado: La Figura 3 (C) y Figura 3 (D) muestran cavidades con diferentes configuraciones las cuales permiten crear micro-cámaras y micro-canales que brindan la posibilidades de fabricar sensores de flujo, filtros de partículas y micro canales.
  3. Membranas: La Figura 3 (D y E) muestran membranas de Si3N4 fabricadas mediante la creación de una cavidad circular utilizando el sistema DRIE, dichas membranas son utilizadas como ventanas para aplicaciones de fuentes de rayos X.
  4. Súper-capacitores: La Figura 4 (A y C) muestran imágenes obtenidas por medio de microscopía electrónica de barrido (SEM) de trincheras con alta relación de aspecto con la finalidad de aumentar el área superficial en un área bidimensional pequeña a comparación, y poder obtener súper capacitores con alta constante dieléctrica.
  5. Sensores de presión: La Figura 3 (F) muestran la parte trasera de una oblea de silicio donde se crea la cavidad para la fabricación de sensores de presión a base de efectos piezorresistivos en membranas.
Fig. 4. Microscopia Electrónica de Barrido de estructuras fabricadas mediante el sistema DRIE, (A) corte transversal de trincheras de alta relación de aspecto, (B) corte trasversal en ángulo de micro pilares, (C) vista en ángulo de trincheras con alta área superficial y (D) corte transversal de combinación de estructuras.


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El equipo de la Dirección de Microtecnologías (DMT)
Centro de Ingeniería y Desarrollo Industrial (CIDESI)

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