DESENVOLVIMENTO DE SENSORES PIEZORESISTIVOS

Prof. Dr. Marcos MassiLaboratório de Plasmas e Processos Instituto Tecnológico de Aeronáutica – São José dos Campos - Brasilmassi@ita.br

Dias de la Ciencia AplicadaSeptiembre , 2011 – Medellin - Colombia

SUMÁRIO

Tecnologia MEMS (conceito, histórico e aplicações)

MEMS e Circuitos Integrados (CI´s)

Etapas de desenvolvimento de sensores MEMS

Principais mecanismos de transdução usados emMEMS

Vantagens e limitações do uso de Si

Ambientes Agressivos

Principais materiais para desenvolvimento desensores MEMS para aplicações em ambientesagressivos

Desenvolvimento de um sensor de pressão piezoresistivos de SiC

Tecnologia MEMS (Micro-Electro-Mechanical

Systems)

Integração de elementos mecânicos e eletrônicos em

um único “chip”.

Também conhecida como MST – “Microsystems Technology”(Europa) e “Micromachines” ou “Smart Sensors” (Japão)

Escala e Dimensões

Tecnologias envolvidas e aplicações

típicas

Vantagens da tecnologia MEMS

Miniaturização : tamanho e peso reduzidos;

Baixo custo de fabricação: produção em grandeescala com processos de fabricação bemestabelecidos;

Reprodutibilidade e confiabilidade;

Flexibilidade de projeto: soluçõespersonalizadas e integração com eletrônica.

Histórico da tecnologia MEMS

1948 Transistor (J. Bardeen,W.H. Brattain, W. Shockley)

1954 Efeito Piezoresistivo em Si eGe (C.S. Smith)

1958 Primeiro circuito integrado(IC) comercial (J.S. Kilby)

1962 Piezoatuadores integradosde Si (O.N. Tufte et al.)

1971 A Intel desenvolveu oprocessador 4004 com 200transistores

1982 K. Petersen introduz oconceito do silício como materialmecânico.

Histórico da tecnologia MEMS

1983 1º sensor de pressão de Sicomercial (Honeywell)

1985-1992 Intensificação nosestudos de fabricação de sensores

1994 Ampla disponibilidadecomercial de sensores de pressão eacelerômetros

2000 “Kulite Semiconductor”começa a produzir sensores depressão de SiC (substrato)

2002 A Universidade de Berlim emparceria com a Daimler Benzdesenvolve um protótipo de sensorde pressão baseado em filme de3C-SiC.

Estágio atual da tecnologia MEMS

baseada em Si

Tecnologia consolidada e amadurecida com mercado crescente.Movimentou US$ 70 bilhões em 2007.

(fonte “The Economist”, Janeiro 2008)

Estágio atual da tecnologia MEMS

Principais mecanismos de

transdução utilizados em MEMS

T

r

a

n

s

d

u

t

o

r

M

E

M

S

Entrada

P.Ex.:

Tensão mecânica

1. Variação de resistividade

(Efeito Piezoresistivo)

2. Variação de potencial

(Efeito Piezelétrico)

3. Variação de capacitância

(Efeito Capacitivo)

Saída

Por que usar Si para fabricar MEMS?

Propriedades mecânicas e elétricas já são bemconhecidas;

A tecnologia de CI’s foi toda desenvolvida para o Si,ou seja, as técnicas de processamento estãoconsolidadas;

Disponibilidade de substratos comerciais com altapureza (99.999%) e grandes diâmetros (até 12 pol.);

É possível integrar eletrônica;

Ampla faixa de resistividade 230k.cm (intrínseco) epode chegar a 0.5 m.cm (altamente dopado);

A temperatura ambiente e até 125ºC dispositivoseletrônicos baseados em Si apresentam desempenhosuperior aos baseados em outros materiais.

MEMS E CIRCUITOS INTEGRADOS (CI´s)

Os sensores MEMS são constituídos por estruturas 3D

suspensas ( vigas, membranas.....).

Tecnologia de fabricação

De CI´s (estruturas 2D)

Tecnologia MEMS

(estruturas 3D)

Microusinagem

(“Micromachining’)

Alguns softwares usados para auxiliar o

desenvolvimento de sensores MEMS

Projeto: Cadence, Spice, Matlab .......

Simulação: ANSYS, COMSOL, NASTRAN....

Processo de fabricação: SUPREM, COVENTOR....

Etapas de desenvolvimento de

Sensores MEMS

Projeto: dimensionar o sensorpara uma determinada aplicação

Análise do projeto: modelagem e simulação do sensor

Confeccionar máscaras litográficase definir seqüência de fabricação

Processos de microfabricação

EncapsulamentoTeste do sensor

Quando não utilizar Si como material

base para MEMS?

Ambientes AgressivosSão ambientes extremos de temperatura,

pressão, radiação e ataque químico.

Ambientes Agressivos

Principais aplicações que necessitam de sensores capazes

de operar nesses ambientes:

Aplicações terrestresAutomotivas: monitoramento da

combustão do motor;

Aeronáuticas: diversas aplicaçõesna turbina a gás;

Petroquímicas: Exploração depetróleo combinação altatemperatura, alta pressão epresença de fluídos corrosivos;

Aplicações espaciais

Principais materiais para desenvolvimento de

sensores MEMS para aplicações em

ambientes agressivos

SiC

AlN

Si3N4

Óxidos semicondutores (ZnO, TiO2, SiO2, ITO ....)

DLC (~até 300ºC)

É melhor usar filme fino ou substrato

(“bulk”)?

Os substratos de SiC, AlN, ZnO disponíveis

comercialmente tem diâmetro de no máximo 3 pol. comcusto ~15x maior que o wafer de Si;

Os processos de corrosão e metalização ainda não estãoconsolidados;

Desvantagens do substrato

Desvantagens do filme fino

•Difícil reprodutibilidade;

•Propriedades elétricas e mecânicas inferiores as dosubstrato.

DESENVOLVIMENTO DE UM SENSOR

DE PRESSÃO PIEZORESISTIVO

DE CARBETO DE SILÍCIO

Objetivos

• Síntese, dopagem, caracterização e corrosão de

filmes de SiC

• Estudo das propriedades piezoresistivas de filmes

de SiC produzidos

• Fabricação e caracterização de um protótipo

Por que usar o carbeto de silício (SiC) ?

Excelente estabilidade térmica e química;

Excelentes propriedades mecânicas;

Compatibilidade com os processos de

microfabricação baseados em silício.

Técnicas para obtenção do filme de SiC

PECVD e sputtering

Processo Vantagens Desvantagens

PECVD baixa temperatura

alta taxa de deposição

boa adesão filme /substrato

geralmente, os filmes não são

estequiométricos

há incorporação de

subprodutos da reação H, N e O .

Sputtering Melhor controle da

composição do filme

boa adesão filme / substrato

alta taxa de deposição

baixa uniformidade

Desafios:

• Tamanho dos substratos• Alta densidade de defeitos

• Preço do substrato

Métodos utilizados para dopagem de

filmes de SiC

Dopagem in situtipo N : adição dos gases N2 ou PH3

tipo P: adição do gás B2H6

Implantação iônicatipo P: implantação de Al ou Btipo N: implantação de N ou P

Difusão térmica tipo P: difusão de Al

Etapas de processamento para fabricação de

dispositivos baseados em SiC

Oxidação Óxido nativo é o SiO2

Corrosão

• Resistente a corrosão úmida em soluçõescomo KOH ou HF• Corrosão por plasma utilizando gases fluorados

MetalizaçãoMetais mais utilizados: Al ou Au

depositados sobre Ti

Materiais e Métodos –

Deposição de filmes de SiC por PECVD

Substrato: Si (100) tipo –P

Limpeza: RCA

Parâmetros de deposição constantes:

Fluxo de CH4: 20 sccm

Fluxo de Ar : 20 sccm

Tempo: 20 min

Pressão: 0,2 Torr

Amostra Fluxo de SiH4

(sccm)

Fluxo de N2

(sccm)

P1 1 -

P2 2 -

P3 3 -

P4 4 -

P5 4 2

Materiais e Métodos –

Deposição de filmes de SiC por sputtering

Alvo: SiC (99,5% de pureza)

Substrato: Si (100) tipo-P

Limpeza: RCA

Fluxo de Ar : 7 sccm

Potência: 200W

Tempo: 120 min

Amostra Fluxo de N2

(sccm)

M0 -

M1 0,7

M2 1,4

M3 2,1

M4 2,8

M5 3,5

Materiais e Métodos –

Processo de Recozimento Térmico

Temperatura: 1000ºC

Ambiente: Argônio

Tempo: 1h

Materiais e Métodos –

Corrosão RIE dos filmes de SiC

Parâmetro Valor

Temperatura do

substrato (ºC)

20

Pressão (mTorr) 25

Potência (W) 50

Tempo (min.) 3

Fluxo total dos

gases (sccm)

12

Concentração

de O2 (%)

20 ou 80

SF6 + O2

Materiais e Métodos –

Fabricação de resistores de SiC

Materiais e Métodos –

Fabricação de resistores de SiC

Materiais e Métodos – Caracterização

elétrica dos resistores de SiC fabricados

Materiais e Métodos –

Caracterização piezoresistiva dos resistores de SiC

Dimensões da viga: 120 mm x 25 mm x 1,2 mm

Procedimento experimental:

- A resistência do resistor sem tensão mecânica aplicada (R0) foi medida;

- Um bloco com massa de 20 g foi colocado na extremidade livre da viga.

- A resistência do resistor (Rf) quando a viga está submetida a essa tensão mecânica foi medida;

- Determinou-se a variação da resistência elétrica R/R;

- O procedimento foi repetido para blocos com 40, 60, 80 e 100g.

Materiais e Métodos –

Caracterização piezoresistiva dos resistores de SiC

Resultados e Discussões – Caracterização

dos filmes de SiC depositados por PECVD

Amostra Fluxo SiH4

(sccm)

Si (at. %)

C(at. %)

O(at. %)

P1 1 9,0 82,0 5,0

P2 2 14,0 86,0 4,5

P3 3 18,0 73,0 5,0

P4 4 25,0 68,0 4,8

Composição Taxa de deposição

Amostra P5 (dopada): 31% de Si, 56% de C, 7% de N e 3% de O

Resultados e Discussões – Caracterização

dos filmes de SiC depositados por PECVD

Ligações Químicas – Espectros XRD

Antes do recozimento Após recozimento

Resultados e Discussões – Caracterização

dos filmes de SiC depositados por PECVD

Amostra Espessura

(nm)

Resistividade

(.cm)

P1 500 12,5

P2 580 10,4

P3 640 12,8

P4 720 12,3

P5 480 1,3 x10-2

Resistividade Módulo de Elasticidade

Resultados e Discussões – Caracterização

dos filmes de SiC depositados por PECVD

Taxa de corrosão

(nm /min)

Concentraçãode O2 na mistura

Filme como

depositado

Após recozimento

20 145,0 30,0

80 160,0 12,5

* Amostra P4

Resultados e Discussões – Caracterização dos

filmes de SiC depositados por sputtering

N2/Ar Amostra Si

(%)

C

(%)

N

(%)

O

(%)

0 M0 48 48 - 2

0,1 M1 28 24 46 1,5

0,2 M2 28 22 48 1,5

0,3 M3 27 20 51 2

0,4 M4 27 18 52 2

0,5 M5 25 20 53 1,5

Composição Taxa de deposição

Resultados e Discussões – Caracterização dos

filmes de SiC depositados por RF magnetron

sputtering

Ligações Químicas – Espectros XRD

Antes do recozimento Após recozimento

Resultados e Discussões – Caracterização dos

filmes de SiC depositados por RF magnetron

sputtering

Amostra Espessura

(nm)

Resistividade

(M.cm)

M0 816 0,25

M1 756 2,27

M2 608 4,87

M3 577 2,9

Resistividade Módulo de Elasticidade

* Após recozimento

Resultados e Discussões – Comparação entre

as propriedades dos filmes obtidos com os

apresentados na literatura

Este trabalho Literatura

a-SixCy a-SixCy

tipo N

a-SiC a-SiCxNy 3C-SiC a-SiC:H a-C:H

Técnica de

deposição PECVD PECVD sputtering sputtering CVD PECVD PECVD

Estrutura amorfa amorfa amorfa amorfa cristalina amorfa amorfa

Módulo de

elasticidade

(GPa) 72 a 65 57 17 28 a 88 359,5 150

21,5

a

26

Resistividade

(.cm)

12,5

a

10,4

1,3 x 10-2 0,25 x 106

2,27x 106

a

4,87x 106

0,18 1 x 103 1,8 x 106

Resultados e Discussões – Caracterização

elétrica dos resistores de SiC fabricadosAmostra P4

Resultados e Discussões – Caracterização

elétrica dos resistores de SiC fabricadosAmostra P5

Resultados e Discussões – Caracterização

piezoresistiva dos resistores de SiC

Variação da resistência elétrica Coeficiente Piezoresistivo

Desenvolvimento de um Sensor de Pressão

Piezoresistivo – Estrutura propostaPressão aplicada

Diafragma de Si

Piezoresistores de SiC

Ponte de Wheatstone

Tensão de saída

Desenvolvimento de um Sensor de Pressão

Piezoresistivo – Dimensionamento do

Diafragma

Dimensões otimizadas: 1800 x 1800 x 30 µm

Ldm = 2500 x 2500 µm

Desenvolvimento de um Sensor de Pressão

Piezoresistivo – Dimensionamento dos Piezoresistores

O comprimento do piezoresistor ( Lr), a

largura do piezoresistor (W) e a distância

entre a borda e o piezoresistor (d) são as

variáveis do projeto, pois a espessura do

piezoresistor é a espessura do filme de SiC;

O valor de Lr deve ser o menor possível

para que os piezoresistores perpendiculares

às bordas não fiquem próximos ao centro do

diafragma que é a região de mínimo stress;

As máscaras que serão utilizadas para

fabricação do sensor serão impressas em

fotolitos, então, o comprimento e a largura

do resistor devem ser maiores que 50 m;

Desenvolvimento de um Sensor de Pressão

Piezoresistivo – Projeto das Máscaras

Desenvolvimento de um Sensor de Pressão

Piezoresistivo – Etapas de Fabricação

Desenvolvimento de um Sensor de Pressão

Piezoresistivo – Imagens MEV

Desenvolvimento de um Sensor de Pressão

Piezoresistivo – Encapsulamento

Desenvolvimento de um Sensor de Pressão

Piezoresistivo – Fotografias do sensor

Desenvolvimento de um Sensor de Pressão

Piezoresistivo – Fotografias do sensor

Desenvolvimento de um Sensor de Pressão

Piezoresistivo – Teste

Desenvolvimento de um Sensor de Pressão

Piezoresistivo – Caracterização

Conclusões

Filmes produzidos

• Os filmes depositados são compostos não-estequiométricos de Si e C (SixCy);

• O processo de dopagem “in situ” por adição de N2 foi eficiente;

• Os espectros XRD mostraram que os filmes apresentam baixo grau de cristalização.

PECVDSputtering

• O filme depositado sem N2 é um

composto estequiométrico SiC;• O processo de dopagem “in situ” foiineficiente, pois promoveu a formação de filmes SiCxNy;• Baixo grau de cristalização• Alta resistividade e baixo módulo de elasticidade

Conclusões

Protótipo de sensor de pressão de SiC desenvolvido

Principal diferencial piezoresistoresfabricados em filme amorfo de SiC

Boa sensibilidade ~2,7 mV/psi

Problemas de repetibilidade

Trabalhos Futuros

Caracterização do protótipo desenvolvidoem altas temperaturas.

Aprimoramento das etapas de fabricaçãoe encapsulamento do sensor.

Otimização dos processos de deposiçãodos filmes.

Aplicação dos filmes de SiC produzidosem outros tipos de dispositivos.

Agradecimentos

Gracias !