Capítulo 1:
Introducción
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1. INTRODUCCIÓN
1.1 Presentación
Nos encontramos ante la memoria del proyecto de investigación desarrollado en los laboratorios del Departamento de Ingeniería Electrónica de la Escuela Superior de Ingenieros de Sevilla por la alumna Silvia Gonsalve García con objeto de obtener la titulación de Ingeniería Química.
Este proyecto pertenece al tipo de proyectos multidisciplinares; en él se aplican los conocimientos de la Química a la base de la Microelectrónica, el silicio.
Hoy en día difícilmente un área de conocimiento puede avanzar sin otra. Cuando algún dispositivo se pretende llevar al uso cotidiano, cada vez más necesita para su fabricación de la combinación de conocimientos de diversos campos. El caso del diseño de un vehículo es un claro ejemplo de fusión de conocimientos para un mismo fin: los ingenieros de materiales determinan cuales son los materiales más adecuados para cada pieza según las condiciones a la que va a estar sometida, los ingenieros industriales de distintas especialidades determinan las eficiencias y mejoras del motor así como las de las demás piezas, los ingenieros químicos estudian las reducciones de emisiones, etc.
En el caso en que nos encontramos, en este proyecto, la microelectrónica hace uso de la química para la realización de microsistemas.
Se pretende llegar a conseguir el grabado perfecto de microsurcos en una oblea de silicio. Para ello es necesario dominar cada uno de los pasos de los procesos que se utilizan.
1.2 Introducción
La microelectrónica ha alcanzado una sofisticación tecnológica y un desarrollo industrial de gran envergadura. Ha desarrollado técnicas para la fabricación de circuitos integrados, que se basan principalmente en procesos físicos y químicos. Los microsistemas utilizan las técnicas de fabricación de la microelectrónica para otras aplicaciones como por ejemplo: microsensores, microactuadores, microinterruptores, sistemas químicos, biológicos, microreactores, microfluídica, etc. La industria de la tecnología de los microsistemas ha experimentado un rápido crecimiento en la última década y dado que los productos obtenidos presentan una serie de características sumamente interesantes, se prevé que durante este siglo se continuará avanzando en este campo. Estas ventajas son:
Apto por su bajo coste, alto volumen de producción.
Reducido tamaño, peso y consumo de energía.
Alto grado de funcionabilidad.
Integración con controles electrónicos. Robustez y fiabilidad mejorada.
Bio-compatibles.
Estas atractivas características están siendo utilizadas para algunas aplicaciones industriales. Cada vez más, la tecnología de los microsistemas se extiende en todos los aspectos de la vida moderna, algunos ejemplos incluyen pantallas de proyección de alta definición del tamaño de la palma de la mano, dispositivos médicos implantables del tamaño de un grano de cereal, teléfonos móviles del tamaño de un botón,…
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1.3 Objetivos
El objeto de este proyecto es la Aplicación de la Tecnología disponible para la Caracterización de las Técnicas de Fabricación de la Microelectrónica en un laboratorio.
La finalidad última de este proyecto es conseguir reproducir algunos de los procesos básicos que se utilizan para el modelado de dispositivos microelectrónicos en la industria. Para ello se realizarán grabados en obleas de silicio del orden de micras.
1.4 Motivación
La idea del desarrollo de este proyecto surge de la necesidad de disponer de una Sala Blanca en la que implementar físicamente los avances tecnológicos que se están alcanzando en el campo de los Microsistemas en el Grupo de Tecnología Electrónica del Departamento de Ingeniería Electrónica de la Escuela Superior de Ingenieros de Sevilla.
Hasta ahora había que recurrir a la colaboración del CNM, Centro Nacional de Microelectrónica, de Barcelona y de la EPFL, Ecole Polytechnique Federale de Lausanne (Suiza), que proporcionaba sus instalaciones, sus Salas Blancas, y la ayuda de sus profesionales. Se pretende conseguir autosuficiencia, una independencia de estas instituciones. El elevado coste de una Sala Blanca completa hace que nos sea imposible disponer de una actualmente. No obstante, nuestro objetivo será desarrollar los procesos de fabricación en la medida que estén a nuestro alcance.
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1.5 Precedentes históricos
La minuaturización se ha convertido en una ciencia, la ciencia de hacer las cosas muy pequeñas. Los métodos que pretenden escalar algo grande a algo pequeño están tomados de la industria electrónica, siendo la mayoría de los materiales y procesos estándar los usados habitualmente en la fabricación de circuitos integrados (IC).
Figura 1. Imagen al microscopio de un MEMS
La miniaturización abre paso a los microsistemas y al desarrollo de MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems).
Un MEMS es la integración de elementos mecánicos, de sensores, de actuadores, y de elementos mecánico electrónicos en un sustrato de silicio mediante la aplicación de la tecnología de microfabricación. Mientras que la electrónica fabrica usando las secuencias de proceso de circuitos integrados (por ejemplo CMO, Bipolar, o BICMOS), los MEMS son fabricados usando procesos de micromodelado compatibles que atacan selectivamente partes de la oblea de silicio y añade nuevas capas estructurales para formar dispositivos mecánicos y electromecánicos.
La mayoría de los métodos de miniaturización que tratan de escalar algo grande a mucho menor tamaño empiezan con litografía, técnica usada para transferir copia de un modelo a la superficie de un material sólido tal como una oblea de silicio. No
obstante, también hay métodos que no se basan en la litografía.
La forma más usada de litografía es la fotolitografía, la cual ha evolucionado rápidamente y mejorado constantemente su habilidad para resolver figuras cada vez más pequeñas.
La fotolitografía tiene la gran ventaja con respecto a los demás métodos de que tiene la posibilidad de producción a gran escala y un bajo coste de operación. En nuestro caso, al tratarse de un trabajo de caracterización mediante pruebas y ensayos no se da el caso anterior y pese a pasar a ser un proceso caro resulta factible económicamente. La siguiente etapa después de la fotolitografía es el grabado o ataque. El grabado puede ser seco o húmedo. El grabado seco es un importante método de transferencia de un modelo mediante eliminación de capas de sustrato. Recientes progresos en la profundidad del grabado directo así como preocupaciones medioambientales sobre las sustancias químicas usadas en el grabado húmedo han ayudado a impulsar al grabado seco más allá al lado de la vanguardia.
El grabado seco requiere de una tecnología que no disponemos en nuestro laboratorio y el grabado húmedo se basa principalmente en el uso de productos químicos, que en su mayoría son fáciles de conseguir. Por ello, caracterizaremos el grabado húmedo en lugar del seco.
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1.6 Otras técnicas existentes
El avance de las tecnologías usadas para la fabricación de microsistemas ha llegado a tal punto que los dispositivos que permite desarrollar son de gran interés por la diversidad de sus aplicaciones. Las tecnologías de fabricación se agrupan principalmente en cinco grupos:
Micromecanización en volumen, Bulk Micromachining.
Micromecanización superficial, Sacrificial Surface Micromachining (SSM).
LIGA y HARMS.
Deposición de capas activas. Técnicas láser y de erosión.
La micromecanización en volumen se basa en la definición de dispositivos aprovechando todo el espesor de la oblea, mediante técnicas de ataque.
La micromecanización superficial se basa en la deposición y ataque de capas sobre la superficie de la oblea de silicio. La estructura se define mediante capas estructurales, normalmente polisilicio, sobre capas de sacrificio, normalmente óxido de silicio.
LIGA y HARMS son tecnologías que no podemos considerar como microelectrónicas. Se basan en la deposición de resinas especiales que permiten definir estructuras con una relación entre grosor y anchura muy considerable.
La deposición de capas activas permite la realización de sensores químicos, piezoeléctricos, magnéticos, etc. Por otro lado, hay técnicas menos estandarizadas como son el láser o la erosión.
1.7 Estructura del proyecto
Este proyecto se divide en 8 Capítulos, un apartado dedicado a la Bibliografía utilizada y un Anexo. Cada capítulo consta de una breve introducción que antepone lo que se pretende en el mismo.
En el Capítulo 1: “Introducción”, en el que nos encontramos, se exponen los objetivos y motivaciones que llevaron en su momento al planteamiento de la posible realización de un proyecto fin de carrera en este campo.
En el Capítulo 2: “Descripción general del proceso de fabricación” se indica la secuencia que se debe seguir en el proceso de fabricación, y cuál será el material substrato que se utilizará y porqué.
Para una clara compresión de cada una de las etapas del proceso de fabricación descrito en el Capítulo 2 se necesita el conocimiento de la teoría en la que se basan. En el Capítulo 3: “Fotolitografía” se exponen la teoría en la que se basa cada etapa, las variantes de cada una de las técnicas que aplican y las tendencias de los parámetros más relevantes. Los tipos de grabado, seco y húmedo, son descritos en el Capítulo 4: “Grabado”.
Los Capítulos 5 y 6, respectivamente, desarrollan el modo de llegar a implementar físicamente tanto la fotolitografía como el grabado.
