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  • 1. Facoltà di Ingegneria Condensatore a capacità variabile Tesina di Sistemi Microelettromeccanici Docente: Studenti: Prof. Marco Balucani Luca Pizzato Francesco Coppola Fausto Pasqualitto Stefano Barbieri 22/1/2009
  • 2. Condensatore a Capacità Variabile Indice 1 Introduzione ................................................................................2 2 Principi di funzionamento ...........................................................7 3 Dimensionamento della struttura ..............................................10 3.1 Dimensione delle armature..................................................11 3.2 Travi di sostegno dell’armatura ..........................................11 4 Processi costruttivi....................................................................16 4.1 Passi di processo .................................................................16 4.2 Struttura Completa ..............................................................32 5 Posizionamento dei Marker ......................................................34 6 Analisi dei costi .........................................................................38 6.1 Costo Singoli passi di processo ...........................................38 6.2 Analisi conclusiva dei costi ................................................46 Bibliografia ……………………………...…………………….. 47 Tesina Sistemi microelettromeccanici Pagina 2
  • 3. Condensatore a Capacità Variabile Capitolo 1 Introduzione Per la realizzazione del condensatore a capacità variabile si è scelto di usare un particolare tipo di tecnica per la realizzazione dei dispositivi MEMS (Micro Electro Mechanic System), Tale tecnica MEMSCAP™ va sotto il nome di Processo MUMPs® ossia Multi User MEMS Process . 1.1 Processi Standard MUMPs® La casa produttrice propone in commercio tre tipi di processi MUMPs standard:  MetalMUMPs: Struttura realizzata attraverso spessi piatti in nickel (18-20 um) costruiti sopra strati di polisilicio e nitrato. Il nickel è usato come materiale principale per la realizzazione del dispositivo e per le interconnessioni. Polisilicio drogato viene sfruttato per realizzare eventuali resistenze e ulteriori strutture meccaniche. Il PSG viene utilizzato sempre come stato sacrificale per creare spazi tra i livelli della struttura. Questo processo può essere usato per produrre relé, interruttori magnetici o dispositivi a radiofrequenza. 1. Il nikel è usato come materiale principale e layer di connessione elettrica con i pad e l‟esterno 2. polisilicio drogato può essere usato per resistenze, ulteriori strutture meccaniche oppure linee di connessione elettrica (cross-over elettrical routing) 3. il nitrato è depositato come superficie isolante con il substrato 4. PSG come materiale sacrificale 5. Un trench nel substrato di silicio può essere incorporato per aumentare l‟isolamento termico e elettrico 6. Uno strato d‟oro viene depositato per avere una bassa resistenza elettrica Tesina Sistemi microelettromeccanici Pagina 3
  • 4. Condensatore a Capacità Variabile  SOIMUMPs: Questo tipo di lavorazione comincia con un wafer di tipo SOI (Silicon On Insulator). Usando un processo litografico per ogni lato del wafer è possibile creare un pattern in ogni faccia fino al livello fino a raggiungere il livello dell‟ossido permettendo la connessione dei dispositivi anche tra lati diversi. I dispositivi realizzati con questa tecnologia sono principalmente giroscopi, optical device o circuiti di controllo per display  PolyMUMPs: che verrà analizzato in dettaglio nel paragrafo successivo è un processo di microfabbricazione superficiale a tre strati di polisilicio, alternati a due strati di ossido sacrificale, con metallizzazione finale. 1.2 Processo polyMUMPs® Nella realizzazione del nostro dispositivo avendo scelto di usare come materiale base per la struttura il polisilicio, si seguirà pertanto il processo di tipo polyMUMPs vediamo quindi nel dettaglio tale tecnica. Tesina Sistemi microelettromeccanici Pagina 4
  • 5. Condensatore a Capacità Variabile Il processo polyMUMPs permette di realizzare dispositivi tramite micromaching su tre strati di polisilicio: normalmente il processo viene sviluppato su un wafer di diametro di 100 mm di silicio monocristallino (100) drogato n con una resistività pari a 1-2 Ωcm. Il wafer viene drogato in un forno attraverso una diffusione di POCl3 trasformando il semiconduttore intrinseco in uno drogato di tipo n. Lo strato successivo sono 600 nm di nitruro di silicio depositati attraverso LPCVD (Low Preasure Chemical Vapor Deposition); tale tecnica permette di depositare uno strato a basso stress residuo. Sopra il nitruro di silicio viene depositato attraverso LPCVD uno strato di polisilicio (Poly0) con uno spessore di 500 nm. Si utilizza la fotolitografia assieme ad un attacco chimico adeguato per poter realizzare delle strutture in Poly0. L‟attacco chimico viene usato accoppiato alla tecnica RIE (Reaction Ion Etch) che permette una rimozione del materiale con pareti laterali molto verticali. Al di sopra dello strato Poly0 viene depositato tramite tecnica LPCVD 2μm di un vetro fosfosilicato (PSG) che poi viene ricotto a 1050 °C per un ora in atmosfera di argon. Questo strato ha uno scopo molteplice, quello di isolare elettricamente tra i due strati successivi di polisilicio, quello di essere uno strato sacrificale per rilasciare le strutture di silicio ed in fine quello di apportare sostanze droganti in diffusione nel silicio per trasformarlo da semiconduttore intrinseco a drogato n. Il layer successivo è costituito da uno strato di polisilicio (Poly1) con uno spessore di 2 μm depositato attraverso LPCVD. Prima della ricottura a 1050 °C in argon, viene depositato uno strato di 200 nm di PSG che garantisce il drogaggio al silicio. Successivamente alla ricottura viene depositato con la stessa tecnica uno strato di ossido sacrificale PSG con uno spessore complessivo di 750 nm, anche questo subisce una ricottura a 1050°C in argon. Un altro strato di polisilicio (poly2) viene depositato sopra il secondo ossido con uno spessore di 1,5 μm e con la stessa tecnica del precedente viene drogato durante la ricottura. L‟ultimo strato che viene depositato è formato da un pre-layer di cromo e da uno strato di oro dello spessore di 500 nm. Il pre-layer di cromo serve a incrementare l‟adesione dello strato di oro che viene accresciuto attraverso evaporazione. La fotolitografia sull‟oro viene affiancata da una tecnica di rimozione chiamata lift-off. Il lift-off consiste nella rimozione dello strato metallico attraverso uno stripping dell‟oro adeso su una maschera fotolitografia. Tale processo è molto delicato ed è possibile utilizzarlo solo dove l‟adesione dello strato metallico risulta adeguato. Nella figura (Fig. 1.1) si riporta gli strati depositati che vanno a formare il dispositivo. Fig 1.1 Esempio di un processo polyMUMPs® Tesina Sistemi microelettromeccanici Pagina 5
  • 6. Condensatore a Capacità Variabile I passi fondamentali fissi per i processi di tipo polyMUMPs sono riassunti in Tabella1.1: Ordine Nome Descrizione funzione Isolamento tra il substrato e gli strati elettrici 1 Nitride sovrastanti Layer elettrico di polisilicio per il piano di massa 2 Poly0 e la formazione del primo elettrodo. Sta al di sotto del primo livello meccanico della struttura Primo strato sacrificale di ossido (PSG). Permette 3 First Oxide di costruire uno spazio tra il successivo strato di polisilicio e il substrato 4 Poly1 Primo livello meccanico di polisilicio Second Secondo strato sacrificale, permette di creare un 5 gap tra il secondo strato di poly ed il secondo Oxide 6 Poly2 Terzo strato elettrico di polisilicio Permette una connessione elettrica all‟intero 7 Metal circuito Tesina Sistemi microelettromeccanici Pagina 6
  • 7. Condensatore a Capacità Variabile Capitolo 2 Principio di funzionamento Un condensatore a capacità variabile è un dispositivo che varia il valore della propria capacità sfruttando la regola che la determina: A C (2.1) (h0  h) dove la    0 air  8.859  10 12 indica la costante dielettrica assoluta ed A la superficie delle armature parallele. Variando meccanicamente la distanza h tra le due armature, essendo  e A fissati, è possibile modificare il valore della capacità C. Le capacità variabili in tecnologia MEMS hanno la potenzialità per prendere il posto dei convenzionali diodi varactor in molte applicazioni come variatori di fase, oscillatori, dispositivi per la sintonia radio, etc.. Nonostante vi siano numerose configurazioni per realizzare capacità MEMS, quella ad armature parallele consente di ottenere un fattore di merito Q relativamente alto ed è inoltre semplice da realizzare data la facilità di fabbricazione. Capacità di questo tipo, tuttavia, hanno teoricamente un tuning range massimo pari al 50% a causa del collasso della struttura qualora la tensione applicata superi il valore di pull-in, come verrà esposto in seguito. In figura 2.1 è mostrato lo schema di un condensatore convenzionale a capacità variabile. km km + VDC h0-h - C Fig. 2.1 L‟armatura inferiore è fissata al substrato, mentre quella superiore è sospesa tramite delle travi schematizzate come elementi elastici (molle) aventi costante elastica km. Imponendo una tensione continua VDC  0 e sfruttando l‟attrazione elettrostatica che agisce sulle due armature poste a potenziali diversi si ottiene una variazione della distanza tra l‟armatura superiore e quella inferiore, e di conseguenza una variazione della capacità. Tesina Sistemi microelettromeccanici Pagina 7
  • 8. Condensatore a Capacità Variabile La forza elettrostatica risulta pari a: 1 C 2 1 C   A  2 1  AV DC2 2 1 C VDC Fe  VDC   VDC   (2.2) 2 h 2 h  h0  h    2 h0  h 2 2 h0  h  questa la si può pensare come la forza elastica proporzionale alla variazione della distanza h tra le armature mediante la costante elastica ke: Fe  ke h0  h (2.3) dove ke è determinata nel modo seguente: Fe C ke   V2 (2.4) h h0  h2 DC L‟armatura superiore incernierata mobile, è soggetta ad una forza elastica di richiamo generata dalle molle stesse pari a: Fm  km h (2.5) L‟armatura superiore, soggetta ad entrambe le forze, si trova in posizione di equilibrio quando la Fm e la Fe si bilanciano. Per trovare il punto di equilibrio è allora sufficiente eguagliare le due equazioni (1.2) e (1.5): 2  ke h0  h  1 C VDC 1 km h  (2.6) 2 h0  h  2 da cui si ricava il valore di ke rispetto a km: 2k m h ke  (2.7) h0  h Imponendo l‟uguaglianza della costante elastica km con quella elettrostatica ke si ha che l‟escursione massima è h0 hmax  (2.8) 3 Oltre questo punto, quando lo spostamento dell‟armatura centrale dalla posizione di riposo VDC  0 supera h0 3 , si ha il fenomeno chiamato pull-in: la forza elettrostatica prevale su quella elastica imposta dalle travi e l‟armatura centrale collassa su quella superiore creando un Tesina Sistemi microelettromeccanici Pagina 8
  • 9. Condensatore a Capacità Variabile cortocircuito che elimina la differenza di potenziale tra le armature, facendo tornare l‟armatura superiore in posizione di riposo (probabilmente con delle oscillazioni). Naturalmente questo è un comportamento indesiderato, pertanto il condensatore a capacità variabile verrà dimensionato in modo che non si verifichi una variazione di distanza tra le armature maggiore di un terzo della distanza a riposo. Quando l‟armatura sospesa si sposta di una lunghezza hmax da quella di equilibrio h0 si ottiene un intervallo di variazione della capacità Cmax pari a: C max  C0  A (h0  hmax )   A h0 ) hmax C max    (2.9) C0  A h0 h0  hmax Sostituendo hmax  h0 3 nella relazione precedente si ottiene una variazione percentuale massima della capacità del 50%. Tesina Sistemi microelettromeccanici Pagina 9
  • 10. Condensatore a Capacità Variabile Capitolo 3 Dimensionamento della struttura In questo capitolo si riportano i calcoli e le considerazioni fatte sulle dimensioni del componente realizzato in questo lavoro di tesina. La struttura da noi proposta per realizzare un condensatore con capacità elettromeccanicamente variabile, è composta da tre differenti armature, in cui sia l‟armatura superiore che quella inferiore sono fisse, mentre l‟armatura centrale è sospesa tra le due risulta mobile. In figura 3.1 è mostrato lo schema della capacità variabile che si vuole realizzare. E2 + VDC1 C0 h0 km - km E1 - h0 VDC2 E3 + Fig. 3.1 Indichiamo con E1 l‟armatura centrale, con E2 l‟armatura superiore, e con E3 l‟armatura inferiore. In condizioni di riposo, cioè quando non viene applica nessuna tensione al dispositivo, la distanza tra i piatti risulta essere pari a h0 . Imponendo ora una tensione continua VDC1  0 sull‟armatura superiore E2, e una tensione VDC 2  0 sull‟armatura inferiore E3, viene generata una forza attrattiva tra le armature E1, E2 che ne riduce la distanza, analogamente se si applica una tensione continua VDC 2  0 sull‟armatura inferiore E3 e una tensione nulla VDC1  0 sull‟armatura superiore E2, il piatto sospeso si verrà attratto verso l‟armatura inferiore E3. Come è facile intuire l‟utilizzo sfruttando questo semplice meccanismo si riesce ad incrementare la variazione della massima distanza possibile tra le armature, a parità dimensioni delle armature e tensioni applicate, rispetto al caso convenzionale aumentando così di fatto il tuning range del 3 condensatore. La capacità massima che questo condensatore può raggiungere è ancora 0 2 Tesina Sistemi microelettromeccanici Pagina 10
  • 11. Condensatore a Capacità Variabile 3 contemporaneamente la capacità minima può essere modificata fino a del valore nominale se le 4 distanze tra i piatti sono uguali. Con questa struttura è possibile raggiungere un tuning range massimo teorico del 100% (2:1). Vediamo quindi nel dettaglio il dimensionamento della struttura. 3.1 Dimensione delle armature Il condensatore che ci proponiamo di progettare dovrà avere una capacità C0  550 fF . Per ottenere tale valore di capacità è necessario dimensionare opportunamente la superficie delle varie armature tenendo presente anche il fenomeno del pull-in. Le armature (quadrate) sono scelte di dimensioni 250  m per 250  m , le armature avranno un area pari a : AE1  AE 2  AE 3  62500 m 2 (3.1) Con tali dimensioni per avere una capacità a riposo di C0  550 fF le armature E1 e E2 devono essere distanziate A (8.859 10 12 )  (6.25 10 8 ) h0    1.006110 6  1 m (3.2) C0 5.5 10 13 3.2 Travi di sostegno dell’armatura Le molle di figura 3.1 schematizzano le travi che mantengono la struttura E1 sospesa. Il primo passo per il dimensionamento della struttura consisterà nel calcolo della massima escursione percorribile dall‟armatura E1. Dato che applicando una tensione VDC1  0 , tra le due armature viene generato un campo elettrico il quale dà origine ad una forza elettrostatica pari a : 1 C 2 1 C VDC2 Fe  VDC  (3.3) 2 h 2 h0  h  Tesina Sistemi microelettromeccanici Pagina 11
  • 12. Condensatore a Capacità Variabile Eseguendo quindi un bilancio delle forze cioè uguagliando la forza elettrostatica a quella elastica di richiamo delle molle (2.5) che modellizzano le travi di sostegno si ottiene che: h0 hmax   3.3538 10 7 m  0.34 m (3.4) 3 Una volta determinato il valore di hmax la capacità massima risulterà essere: A (8.859 10 12 )  (6.25 10 8 ) Cmax    8.25 10 13 F  825 fF (3.5) (h0  hmax ) (10 6  3.36 10 7 ) Il massimo della forza elettrostatica si avrà quando si applica la tensione massima cioè VDC1  3.3 V : 1 Cmax VDC2 1 (8.25 10 13 )  (10.89) Fe ( MAX )    6.69 10 6 N (3.6) 2 h0  hmax  2 (10  3.36 10 ) 6 7 Sull‟armatura E1, agisce inoltre anche la forza peso dell‟armatura stessa, che risulta esser pari a: Fp  gV (3.7) dove V è il volume della dell'armatura E1, g l'accelerazione gravitazionale ( g  9.81 m s ), ρ la 2 3 densità di massa del polisilicio che vale di 2300 Kg m . Ora tenendo presente che lo spessore scelto per l‟armatura è b  2  m , allora il volume del piatto vale: VE1  AE1b  (6.25 10 8 )  (2 10 6 )  1.25 10 13 m3 (3.8) Pertanto la forza peso che agisce sulla struttura, si ricava dunque sarà: Fp  2300  (9.8)  (1.25  10 13 )  2.8175  10 9 N (3.9) Come si può notare, la forza peso risulta essere circa tre ordini di grandezza più piccola rispetto alla forza elettrostatica (formula 3.6) e quindi per questo motivo verrà trascurata nei calcoli che seguiranno. La capacità minima C min , è misurata sull‟armatura centrale quando si applica una tensione nulla VDC1  0 all‟armatura superiore e una tensione continua VDC 2  3.3 V sull‟armatura inferiore, e risulta essere: Tesina Sistemi microelettromeccanici Pagina 12
  • 13. Condensatore a Capacità Variabile A (8.859 10 12 )  (6.25 10 8 ) Cmin   6 7  4.12 10 13 F  412 fF (3.10) (h0  hmax ) (10  3.36 10 ) la variazione percentuale della capacità risulta essere quindi: 3 3 C0  C0 C max  C min 3 C max   2 4   0.75 (3.11) C0 C0 4 Si ha dunque teoricamente un „tuning range‟ massimo del 75% . Passiamo quindi passare a calcolare la lunghezza delle travi di sostegno, per far ciò utilizzando l‟equazione generale della trave: d 4w EI  q (3.12) dx 4 dove:  w  w(x) è lo spostamento lungo l'asse z del generico punto x della trave,  E è il modulo di Young del materiale,  I è il momento di inerzia della trave  q rappresenta la forza peso distribuita sulla trave (che verrà considerata nulla). Ne deriva quindi che: d 4w EI  0 (3.13) dx 4 Da questa equazione, tramite opportune derivazioni e condizioni al contorno, si ricava la lunghezza L della trave tale che garantisca l'equilibrio tra le forze: 1 F 3 w( L)  L (3.14) 3 EI dove F è la forza applicata all‟estremità della trave. Invertendo questa relazione, è possibile ricavare il valore della lunghezza della trave in funzione degli altri parametri: 3 w ( L) EI L3 (3.15) F Tesina Sistemi microelettromeccanici Pagina 13
  • 14. Condensatore a Capacità Variabile Da questa equazione è possibile determinare il valore di L in funzione della forza e della deformazione massima che la trave dovrà sopportare. Considerando che la struttura è composta da quattro travi ed ipotizzando che ciascuna trave sia sottoposta alla stessa forza elettrostatica si ha: F F e (3.16) 4 Per la geometria della struttura si assume quindi che ogni trave sia sottoposta ad 1/4 della forza elettrostatica complessiva, e l'escursione massima w (L) è pari ad hmax . Sotto queste condizioni la lunghezza della trave è data dalla seguente relazione: 12 EI L3 hmax (3.17) Fe Per calcolare il momento di inerzia si considera la sezione della trave che viene assunta rettangolare di dimensioni a x b sulla quale, considerando il sistema di riferimento scelto in figura 3.1 ed y come un asse neutro, è presente un momento di inerzia pari a: b2 ab 3 I yy   az dz  3 (3.18) b 2 12 z z   b =2 m Neutral surface a = 4 m y x Fig. 3.2 Il momento d‟inerzia dipende dallo spessore della trave nonché dalla larghezza della stessa. Lo spessore è, come detto sopra, la quantità di polisilicio depositata: b = 2μm. Sostituendo il valore del momento d‟inerzia nell‟espressione di L (3.16), si ottiene: E ab 3 L3 hmax (3.19) Fe Tesina Sistemi microelettromeccanici Pagina 14
  • 15. Condensatore a Capacità Variabile Il valore di a viene fissato in base ad una relazione empirica per cui a b  5 . Imponiamo a  4 m considerando che il modulo di Young per il polisilicio vale 160 GPa, la lunghezza della trave risulta essere: (160 10 9 )  (4 10 6 )  (8 10 18 )  (3.36 10 7 ) L3 6  4 10 5 m  40 m (3.20) 6.69 10 Lo sforzo sopportato dalla trave è massimo nel punto in di incastro e quando la quota z è massima ossia per z  b 2 , ne risulta che lo sforzo massimo vale quindi : Fe Lb (6.69 10 6 )  (4 10 5 )  (2 10 6 )  MAX    25.12 MPa (3.21) 8I 8  (2.667 10 24 ) Per rimanere all'interno di margini di sicurezza è opportuno che tale valore non superi i 2/3 del punto di snervamento del materiale ( σpolyMAX = 1200 MPa ). 2  poly   polyMAX (3.22) 3 La tensione di snervamento o punto di snervamento, è definita come il valore della tensione in corrispondenza della quale il materiale inizia a deformarsi plasticamente, passando da un comportamento elastico reversibile ad un comportamento plastico caratterizzato dallo sviluppo di deformazioni irreversibili che non cessano al venir meno della causa sollecitante. Nella situazione in esame i 2/3 del punto di snervamento del polisilicio corrispondono a 800 MPa (si osservi la figura 3.2); pertanto la deformazione della trave sarà di tipo elastica, permettendo alla struttura di tornare alla posizione di riposo al termine dell'applicazione della forza elettrostatica  stress carico di rottura ~2500 MPa polyMAX 1200 MPa (2/3)polyMax snervamento  800 MPa   campo campo strain elastico plastico Fig. 3.2 Tesina Sistemi microelettromeccanici Pagina 15
  • 16. Condensatore a Capacità Variabile Capitolo 4 Processi costruttivi Per realizzazione il componente verranno utilizzate le tecniche tipiche di creazione di un dispositivo MEMS. Come substrato sul quale realizzare il componenti si è scelto un wafer di vetro in quanto, essendo quest'ultimo un isolante, permette di minimizzare le correnti parassite presenti. La realizzazione del condensatore a capacità variabile prevede processi di deposizione, di etching, e processi fotolitografici, per quest‟ultimi si utilizzeranno diverse maschere di tipo soda lime (per un totale di otto), ed una particolare attenzione si porrà durante la realizzazione delle stesse al posizionamento dei marker, ossia riferimenti geometriche che permettono di allineare con estrema precisione le maschere sulla superficie del wafer (vedi Capitolo 5). 4.1 Passi di processo Diamo ora quindi la descrizione in sequenza dei passi di processo necessari per la fabbricazione del nostro componente, fornendo per meglio capire, anche una rappresentazione grafica di una sezione della struttura (figura 4) Fig 4 Tesina Sistemi microelettromeccanici Pagina 16
  • 17. Condensatore a Capacità Variabile 1) Wafer Cleaning Prima di compiere qualunque azione sul wafer, lo si pulisce per eliminare eventuali impurità, che indebolirebbero l'adesione della seguente deposizione. 2) Deposizione del Nitrato Il passo successivo consiste nel depositare tramite evaporazione un sottile strato di 0.6µm di nitrato, allo scopo di passivare il substrato in quanto tale materiale risulta essere una barriera contro la diffusione degli ioni. 3) Deposizione del Polisicio 0 Questa prima deposizione di 0.5µm di polisicio serve per costruire la piastra inferiore del condensatore, la base per i „pad‟ dove andare ad applicare i morsetti della tensione e di misura, e le piste e di interconnessione agli stessi. 4) Fotolitografia A questo punto seguono una serie di processi standard che accorperemo per semplicità sotto il nome fotolitografia, tali processi sono necessari ogni volta che si vuole andare a sagomare opportunamente la struttura per riuscire ad avere il pattern da noi desiderato. Tutti i processi litografici devono essere condotti in un ambiente il privo di impurità: per tale ragione si effettuano in una camera pulita che non contiene più di cento particelle di impurità per piede cubo. La fotolitografia è dunque il trasferimento di un pattern ad un materiale fotosensibile per esposizione selettiva ad una sorgente di radiazioni quale ad esempio la luce. Nei dispositivi MEMS il materiale fotosensibile utilizzato è il photoresist che non è altro che un polimero organico che varia la propria solubilità in base all'azione della luce su di esso. Se il photoresist è positivo allora la parte illuminata risulta più solubile di quella non esposta e può essere selettivamente rimossa nella successiva fase di sviluppo, altrimenti il photoresist è negativo ed il comportamento risulta essere invertito. Tesina Sistemi microelettromeccanici Pagina 17
  • 18. Condensatore a Capacità Variabile Fig. 4.1 In figura 4.1 è mostrato un tipico esempio di processo fotolitografico. a) Sulla superficie della fetta viene depositato uniformemente uno strato di metallo; b) Sopra lo strato di metallo viene deposto uno strato di photoresist positivo; c) La fetta viene esposta selettivamente alla radiazione elettromagnetica a cui il resist è sensibile mediante l'utilizzo di un'opportuna maschera sulla quale è riportata la figura geometrica desiderata (la maschera è trasparente su tutta la sua superficie all'infuori di una regione di forma e posizione corrispondenti a quelle richieste); d) Il photoresist viene sviluppato e lavato in modo tale da rimuovere la parte di photoresist impressionata; e) Il metallo non protetto dal photoresist viene attaccato con un opportuno agente; f) Viene quindi asportato anche il resist di protezione, ottenendo così l'aspetto desiderato del wafer. Tesina Sistemi microelettromeccanici Pagina 18
  • 19. Condensatore a Capacità Variabile 4.1)Passi del processo fotolitografico I passi di un generico processo fotolitografico sono: 1) Deposizione del photoresist AZ1518: mediante la tecnica dello spinning, ovvero attraverso la deposizione di una goccia di polimero organico al centro del wafer che, in seguito, inizia a ruotare (in questo modo il photoresist si distribuisce uniformemente su tutto il piano). 2) Soft baking: il wafer viene inserito in un forno per 5-10 minuti a circa 80°, per indurire il photoresist, in modo tale da garantire una buona tenuta sul wafer. 3) Esposizione 1 X Contact Aligner : viene allineata per contatto la maschera . 4) Sviluppo AZ del photoresist: il photoresist è soggetto ad attacchi bagnati di agenti chimici (swelling) che rimuovono le zone illuminate dai raggi UV. 5) Hard-baking: il wafer viene reinserito in un forno per 20-30 minuti ad una temperatura compresa tra i 100°C e 150°C. 6) Etching bagnato: con tale operazione si asporta il materiale nelle regioni non coperte da resist, attacco viene detto „bagnato‟ perché prevede l'immersione del wafer in una soluzione acida che attacca ed elimina (per reazione chimica) il materiale nei punti dove è stato appena rimosso il resist. 7) Stripping organico del photoresist: il photoresist rimasto viene incenerito in un forno a 400°C. 8) Pulizia piranha: viene eseguito un ulteriore attacco bagnato per rimuovere eventuali residui lasciati dai passi precedenti. 4.2) Etching del polisicio Nel caso occorra rimuovere del polisilicio, nel processo fotolitografico non si userà un attacco di tipo bagnato,punto f della sequenza dei passi al punto 4.1, bensì si utilizzerà per questo tipo di etching, il così detto RIE cioè Reactive Ion Etching. Si tratta di una tecnica di etching a secco che rientra nella tipologia dei plasma-etching systems, in cui particelle cariche di un plasma si scontrano con la superficie del wafer e rimuovono strato dopo strato il materiale. L'etching a ioni reattivi viene applicato in particolare per le strutture anisotrope del silicio, per dielettrici organici e inorganici, materiali barriera metallici e polimeri per applicazioni elettroniche e optoelettroniche. Per esempio nella rimozione di silicio o di strati contenenti silicio vengono utilizzati in primo luogo gas etching a base di fluoro, quali CF4 e SF6, mentre invece l'etching di molecole organiche o la pulizia di strati inorganici da residui organici viene eseguito attraverso del plasma di ossigeno o gas composti da O2 e CF4. Tesina Sistemi microelettromeccanici Pagina 19
  • 20. Condensatore a Capacità Variabile 4.3) Prima Maschera Fig. 4.2 Prima Maschera Tesina Sistemi microelettromeccanici Pagina 20
  • 21. Condensatore a Capacità Variabile 5) Deposizione PSG Dopo il primo processo fotolitografico si procede con una successiva deposizione di uno strato sacrificale PSG acronimo che sta per PhosphoSilicate Glass dello spessore di 1.5µm per creare uno spessore su cui andare a costruire il piatto flottante della struttura. Questo materiale è un silicato drogato con del fosforo, largamente usato per questi scopi dato la facilita di etching del materiale. Il PSG si deposita attraverso il processo di LPCVD, Si tratta del processo di deposizione chimica, Chemical Vapor Deposition a bassa pressione che permette di ottenere strati con eccellente uniformità di spessore e caratteristiche del materiale. 6) Reflow Dopo la deposizione del PSG, si esegue un reflow ossia si effettua un riscaldamento del wafer per planarizzare la deposizione del materiale sacrificale e far si che la superficie della struttura risulti liscia ed uniforme. 7) Fotolitografia: Si ripercorrono tutti i passi del punto 4.1 che per brevità omettiamo di ripetere Tesina Sistemi microelettromeccanici Pagina 21
  • 22. Condensatore a Capacità Variabile 7.1) Seconda Maschera Fig. 4.3 Seconda Maschera Da ora in poi illustreremo velocemente i successivi passi di fabbricazione in quanto per la maggior parte sono ripetizioni cicliche di passi precedentemente visti: 8) Deposizione Polisicio1: Deposizione di 3.5 µm di polisicio serve per costruire la piastra intermedia del condensatore 9) Fotolitografia: Si ripercorrono tutti i passi del punto 4.1 che per brevità omettiamo di ripetere usando del photoresis Positivo. Tesina Sistemi microelettromeccanici Pagina 22
  • 23. Condensatore a Capacità Variabile 9.1) Terza Maschera (serve a sagomare la struttura centrale) Fig. 4.4 Terza Maschera Tesina Sistemi microelettromeccanici Pagina 23
  • 24. Condensatore a Capacità Variabile 9.2) Quarta Maschera (serve a portare allo spessore di 2 µm il piatto centrale e le travi) Fig. 4.5 quarta Maschera Tesina Sistemi microelettromeccanici Pagina 24
  • 25. Condensatore a Capacità Variabile 10) Deposizione PSG Si deposita quindi nuovamente del PSG per uno spessore pari a 1 µm 11) Reflow Si effettua nuovamente la procedura del reflow. 12) Fotolitografia Si ripercorrono tutti i passi del punto 3.4.1 che per brevità omettiamo di ripetere, usando però del photoresis Negativo 12.1) Quinta Maschera Fig. 4.6 Quinta Maschera Tesina Sistemi microelettromeccanici Pagina 25
  • 26. Condensatore a Capacità Variabile 13) Deposizione di Polisilicio2 Si deposita quindi nuovamente del PSG per uno spessore pari a 5.0µm 14) Fotolitografia Si ripercorrono tutti i passi del punto 3.4.1 che per brevità omettiamo di ripetere, usando del photoresis Positivo 14.1) Etching del polisicio Attraverso il Rie si fa un etch di uno strato di spessore pari a 4.5 µm. Tesina Sistemi microelettromeccanici Pagina 26
  • 27. Condensatore a Capacità Variabile 14.2) Sesta Maschera Fig. 4.7 Sesta Maschera Tesina Sistemi microelettromeccanici Pagina 27
  • 28. Condensatore a Capacità Variabile 15) Fotolitografia Si ripercorrono tutti i passi del punto 3.4.1 che per brevità omettiamo di ripetere, usando del photoresis Positivo. 15.1) Settima Maschera Fig. 4.8 Settima Maschera Tesina Sistemi microelettromeccanici Pagina 28
  • 29. Condensatore a Capacità Variabile 16) Deposizione Oro Mediante l'evaporazione di uno strato di 0.5 µm di oro e il conseguente etching per aumentare la conducibilità del top plate, delle piste e dei pad. In questo modo si cerca di ridurre le componenti parassite che possono influire nel tuning range della capacità. 17) Fotolitografia Si ripercorrono tutti i passi del punto 3.4.1 che per brevità omettiamo di ripetere, usando del photoresis Positivo: Tesina Sistemi microelettromeccanici Pagina 29
  • 30. Condensatore a Capacità Variabile 17.1) Ottava Maschera Fig. 4.9 Ottava Maschera Tesina Sistemi microelettromeccanici Pagina 30
  • 31. Condensatore a Capacità Variabile 4.1.1 Riassunto dei passi di processo In tabella 4.1 troviamo riassunti i passi di processo necessari alla realizzazione della struttura. Ordine Passo di processo 1 Wafer Cleaning 2 Deposizione Nitrato 3 Deposizione Poly0 4 Processi Fotolitografici * 5 Deposizione PSG 6 Reflow 7 Processi Fotolitografici * 8 Deposizione Poly1 9 Processi Fotolitografici * 10 Deposizione PSG 11 Reflow 12 Processi Fotolitografici * 13 Deposizione Poly2 14 Processi Fotolitografici * 15 Processi Fotolitografici * 16 Deposizione Oro 17 Processi Fotolitografici * Tabella 4.1 * Il passo di processo che va sotto il nome di processi fotolitografici comprende al suo interno una serie di passi intermedi che sono riportati in tabella 4.2 Ordine Passi del processo Fotolitografico 1 Deposizione del photoresist (AZ1518) 2 Soft baking 3 Esposizione 1 X Contact Aligner 4 Sviluppo AZ del photoresist 5 Hard-baking 6 Etching 7 Stripping organico del photoresist 8 Pulizia piranha Tabella 4.2 Tesina Sistemi microelettromeccanici Pagina 31
  • 32. Condensatore a Capacità Variabile 4.2 Struttura Completa Diamo ora una rappresentazione tridimensionale della struttura realizzate seguendo i passi di cui al punto 4.1 Fig. 4.10 Visione 3d della struttura Per una migliore comprensione forniamo in figura 4.12 anche un visione 3D non in scala della struttura in cui sono state enfatizzate le dimensioni e si sono stati usati differenti colori per meglio evidenziare le differenti parti di cui la struttura è composta, in figura 4.14 si vede invece un dettaglio della stessa. Tesina Sistemi microelettromeccanici Pagina 32
  • 33. Condensatore a Capacità Variabile Fig. 4.12 Visione 3d non in scala della struttura Fig. 4.13 Dettaglio 3d non in scala della struttura Tesina Sistemi microelettromeccanici Pagina 33
  • 34. Condensatore a Capacità Variabile Capitolo 5 Posizionamento dei Marker Nella realizzazione delle maschere un ruolo importante, per il loro corretto utilizzo, è rivestito da dei riferimenti chiamati marker. Questi sono strutture geometriche che permettono il preciso allineamento delle maschere sul wafer, sovrapponendo i marker del wafer con quelli della maschera si ottiene il corretto trasferimento delle strutture dall'uno all'altro. Possono essere di varie forme a seconda della precisione richiesta: I marker della prima maschera sono di riferimento per l'allineamento delle successive. La zona dove sono inseriti i marker è illustrata in figura 5.1 Fig. 5.1 Posizionamento dei marker sul wafer Tesina Sistemi microelettromeccanici Pagina 34
  • 35. Condensatore a Capacità Variabile Per riuscire a vedere dove si trovano, i marker vanno inseriti in un quadrato di circa 3mm di lato di colore diverso rispetto al resto del substrato. Su ognuna delle maschere successive alla prima sono state fatte delle aperture della stessa forma del marker che si intende utilizzare, ma leggermente più grandi (circa 4µm per ogni lato), a causa delle deposizioni che creano degli strati di metallo sopra i marker. I marker sono dunque 7 per 8 maschere ed il loro posizionamento su ciascuna maschera è illustrato in figure seguenti In ogni reticolo vanno inseriti dei marker per riuscire ad allineare tra loro le varie maschere. La zona del reticolo dove vanno inseriti ` e indicata in figura 5.2. Per permettere all‟operatore di vedere dove si trovano vanno messi in un quadrato di 2 − 3mm di lato di colore diverso rispetto al resto del substrato. Quindi, li inseriremo in un quadrato vuoto di 3mm di lato. Fig 5.2 Nel primo reticolo, quello del primo strato di polisilicio, inseriamo tutti il primo marker a forma di croce che poi verrà utilizzato per allineare tutte le altre maschere alla prima. Considerando anche l‟underetching, sul substrato otterremo una croce di dimensioni pari a 150μm di larghezza e 150μm di altezza. Per effettuare l‟allineamento delle tre maschere successive, useremo ogni volta una croce diversa. Ognuna di esse metteremo un‟apertura con la forma del marker che vogliamo usare, ma leggermente più grande. In teoria per effettuare l‟allineamento basterebbe allargare i marker di 2÷3μm su ogni lato. In realtà dobbiamo ingrandirle un po‟ di più, fino a 4†5μm.Questo accorgimento serve a fare in modo che i processi effettuati tra l‟utilizzo delle due maschere non ci rendano ciechi rispetto ai marker stessi. Infatti, per esempio, quando l‟operatore andrà ad allineare la maschera successiva il marker sarà completamente ricoperto da uno strato del materiale deposto. Il marker sarà ancora visibile con un microscopio ottico da parte dell‟operatore, poiché in corrispondenza di esso si crea uno scalino del materiale deposto. In figura 5.3 da sinistra a destra e dall‟alto verso il basso sono collocati tutti i marker per ogni maschera che verranno utilizzati per Tesina Sistemi microelettromeccanici Pagina 35
  • 36. Condensatore a Capacità Variabile ogni procedura di allineamento. Le successive maschere (figura 5.4÷5.10) avranno delle croci posizione all‟altezza della croce corrispondente con una grandezza maggiorata ad ogni processo. Quindi la seconda maschera avrà una croce di altezza e larghezza pari a 155um e così via, fino ad arrivare alla ottava maschera dell‟oro che avrà una dimensione di 185um x 185um, i valori delle dimensioni dei marker di ogni maschera è riportata in tabella 5.1. Fig 5.3 – Marker prima maschera Fig 5.4 – Marker seconda maschera Fig 5.5 – Marker terza maschera Fig 5.6 – Marker quarta maschera Fig 5.7 – Marker quinta maschera Fig 5.8 – Marker sesta maschera Fig 5.9 – Marker settima maschera Fig 5.10 – Marker ottava maschera Tesina Sistemi microelettromeccanici Pagina 36
  • 37. Condensatore a Capacità Variabile Dimensioni marker Maschera Width (µm) Legnth (µm) Prima 150 150 Seconda 155 155 Terza 160 160 Quarta 165 165 Quinta 170 170 Sesta 175 175 Settima 180 180 Ottava 185 185 Tabella 5.1 Tesina Sistemi microelettromeccanici Pagina 37
  • 38. Condensatore a Capacità Variabile Capitolo 6 Analisi dei costi Il problema del costo di un dispositivo elettronico è un problema essenziale nella realizzazione del componente stesso; infatti, oltre ad essere performante, questo deve avere un costo ridotto per poter fronteggiare la concorrenza. Nel seguito verranno esaminati i vari passi di processo e, di ognuno di questi, verrà fornito il costo di realizzazione in base alle varie tecniche adottate e tecnologie sfruttate. Per l'analisi che segue, si è fatto uso del prezzario fornito dalla Integrated Micromachines Incorporated e sono stati considerati wafer dal diametro di 100mm: l'area complessiva risulta quindi essere pari a 7.85*109 µm2. 6.1 Costo Singoli passi di processo Illustriamo ora i costi che dovremmo sostenere per ogni singolo passo di processo: 1) Substrato: Come prima realizzazione del componente sviluppato, si è pensato di commissionare alla fonderia la produzione di 25 wafer di vetro, sui quali è stato possibile integrare 190775 componenti. Il costo di ciascun wafer è di 15,00 dollari, nei quali sono incluse le spese per la pulizia preventiva del materiale. 2) Deposizione del nitrato: La fonderia prevede un costo di 35,00 dollari per una deposizione iniziale di 1000 Å di nitrato (prezzo considerato per un wafer). Per ogni Å successivo è previsto un costo di 0,005 dollari. Per quanto riguarda la deposizione effettiva, dal momento che è stato deciso, in fase di progetto, di deporre 0.6 μm di nitrato, si avrà un costo di 60,00 dollari a wafer. Di conseguenza, il costo totale per il processo di deposizione è di 1500 dollari. In tabella 1 sono illustrate in dettaglio le fasi suddette. Descrizione Costo per wafer Costo per lotto Costi di fonderia(deposizione) Primi 1000 Å $ 35,00 $ 875 Å addizionali $ 0,005*5000 $ 625 TOTALE $ 1500 Tabella 1 Tesina Sistemi microelettromeccanici Pagina 38
  • 39. Condensatore a Capacità Variabile 3) Deposizione del primo strato di polisilicio: La fonderia prevede un costo di 220,00 dollari per una deposizione iniziale di 1000 Å di nitrato (prezzo considerato per un lotto di 25 wafer). Per ogni Å successivo è previsto un costo di 0,04 dollari. Per quanto riguarda la deposizione effettiva, dal momento che è stato deciso, in fase di progetto, di deporre 0.5 μm di polisilicio, si avrà un costo di 380,00 dollari a lotto. In tabella 2 sono illustrate in dettaglio le fasi suddette. Descrizione Costo per lotto Costi di fonderia(deposizione) Primi 1000 Å $220 Å addizionali $ 0,04*4000 TOTALE $ 380 Tabella 2 4) Litografia per il polisilicio: . Il processo prevede l'applicazione del resist AZ1518, offerta a 5,00 dollari a wafer. Il costo totale, essendo stati commissionati 25 wafer, è dunque di 125,00 dollari. Successivamente si esegue un'esposizione di tipo 1X Contact Aligner dal costo di 7,00 dollari a wafer; per questo passo di sviluppo, la spesa prevista è quindi di 175,00 dollari. Segue quindi uno sviluppo AZ dal costo di 20,00 dollari a wafer (500,00 dollari per l‟intero lotto), che comprende anche la fase di soft baking (il wafer è inserito in un forno per 5-10 minuti a circa 80°, per indurire il photoresist, in modo tale da garantire una buona tenuta sul wafer). Fatto ciò si passa all‟Hard Baking il cui costo è 25,00 dollari a lotto. E‟ necessario rimuovere il polisilicio in eccesso: quest'operazione si esegue mediante un procedimento di etching ionico avente un costo di 25,00 dollari a wafer (il costo per il lotto totale sarà quindi di 625 dollari). Per rimuovere il resist si esegue uno Stripping Organico al costo di 50, 00 dollari. Si provvede quindi alla pulizia dei wafer tramite tecnica Piranha dal costo di 50,00 dollari. Il costo totale per la prima litografia è quindi di 1550,00 dollari; tutti i precedenti passi sono riassunti in tabella 3. Descrizione Costo per wafer Costo per lotto Costo totale Passo di processo Maschera 1 $ 450 $ 450 Applicazione Photoresist $5 $ 125 positivo Esposition (1x Contact Aligner) $7 $ 175 Sviluppo AZ $ 20 $ 500 Baking over bake $ 25 $ 25 Etching polisilicio $ 25 $ 625 Stripping del photoresist $ 50 $ 50 Pulizia Piranha $ 50 $ 50 TOTALE $ 2000 Tabella 3 Tesina Sistemi microelettromeccanici Pagina 39
  • 40. Condensatore a Capacità Variabile 5) Deposizione del psg: Una volta che è stato creato il piatto alla base del condensatore, si provvede a creare uno spessore su cui andare a costruire il secondo piatto a una distanza di 1 µm da quello in basso: per fare ciò si depone uno strato di psg. Considerando un costo per i primi 1000 Å di 220 dollari (per 25 wafer) e per ogni Å successivo di 0,04 dollari, il costo totale per questo processo è di 980 dollari. Descrizione Costo per lotto Costi di fonderia(deposizione LPCVD) Primi 1000 Å $220 Å addizionali $ 0,04*9000 TOTALE $ 580 Tabella4 6) Litografia del psg: Una volta creato lo spessore necessario si devono creare le strutture di sostegno del condensatore, per questo si provvede a un etching del psg. Descrizione Costo per wafer Costo per lotto Costo totale Passo di processo Maschera 2 $ 450 $ 450 Applicazione Photoresist negativo $5 $ 125 Esp (1x Contact Aligner) $7 $ 175 Sviluppo AZ $ 20 $ 500 Baking over bake $ 25 $ 25 Etching polisilicio $ 25 $ 625 Stripping del photoresist $ 50 $ 50 Pulizia Piranha $ 50 $ 50 TOTALE $ 2000 Tabella 5 7) Deposizione del secondo strato di polisilicio: E‟ necessario adesso depositare 3,5 µm di polisilicio per creare le strutture di sostegno e la parte del piatto centrale. Considerando sempre un costo per i primi 1000 Å di 220 dollari (per 25 wafer) e per ogni Å successivo di 0,04 dollari, il costo totale per questo processo è di 980 dollari. Descrizione Costo per lotto Costi di fonderia (deposizione) Primi 1000 Å $220 Å addizionali $ 0,04*34000 TOTALE $ 1580 Tabella 6 Tesina Sistemi microelettromeccanici Pagina 40
  • 41. Condensatore a Capacità Variabile 8) Litografia del secondo strato di polisilicio: Deposto il secondo strato di polisilicio, si dovrà sagomare il piatto centrale del condensatore: per fare questo è necessario un nuovo processo di litografia in cui l‟attacco RIE è di 3,5 µm . Descrizione Costo per wafer Costo per lotto Costo totale Passo di processo Maschera 3 $ 450 $ 450 Applicazione Photoresist positivo $5 $ 125 Esp (1x Contact Aligner) $7 $ 175 Sviluppo AZ $ 20 $ 500 Baking over bake $ 25 $ 25 Etching polisilicio di 3, 5 µm (RIE) $ 25 $ 625 Stripping del photoresist $ 50 $ 50 Pulizia Piranha $ 50 $ 50 TOTALE $ 2000 Tabella 7 9) Litografia secondo strato di polisilicio per eliminare parti in eccesso: Deposto il secondo strato di polisilicio, dopo aver creato e sagomato il piatto centrale del condensatore e le strutture di sostegno del piatto stesso si deve fare in modo che il piatto e le travi siano spesse 2 µm: per fare questo è necessario un nuovo processo di litografia e un attacco RIE di 1,5 µm. Descrizione Costo per wafer Costo per lotto Costo totale Passo di processo Maschera 4 $ 450 $ 450 Applicazione Photoresist $5 $ 125 positivo Esp (1x Contact Aligner) $7 $ 175 Sviluppo AZ $ 20 $ 500 Baking over bake $ 25 $ 25 Etching polisilicio di 1,5 µm $ 25 $ 625 (RIE) Stripping del photoresist $ 50 $ 50 Pulizia Piranha $ 50 $ 50 TOTALE $ 2000 Tabella 8 10) Deposizione del psg: Una volta che è stato creato la struttura di sostegno e il piatto centrale, si provvede a creare uno spessore su cui andare a costruire il piatto finale a una distanza di 1 µm da quello di mezzo: per fare Tesina Sistemi microelettromeccanici Pagina 41
  • 42. Condensatore a Capacità Variabile ciò si depone uno strato di psg di 1,5 µm . Considerando un costo per i primi 1000 Å di 220 dollari (per 25 wafer) e per ogni Å successivo di 0,04 dollari, il costo totale per questo processo è di 980 dollari. Descrizione Costo per lotto Costi di fonderia (deposizione LPCVD) Primi 1000 Å $220 Å addizionali $ 0,04*9000 TOTALE $ 580 Tabella 9 11) Litografia dello strato di psg: Deposto lo strato sacrificale di psg, si dovrà provvedere ad attaccarlo laddove voglio costruire il piatto superiore del condensatore. Descrizione Costo per wafer Costo per lotto Costo totale Passo di processo Maschera 5 $ 450 $ 450 Applicazione Photoresist negativo $5 $ 125 Esp (1x Contact Aligner) $7 $ 175 Sviluppo AZ $ 20 $ 500 Baking over bake $ 25 $ 25 Etching polisilicio (RIE) $ 25 $ 625 Stripping del photoresist $ 50 $ 50 Pulizia Piranha $ 50 $ 50 TOTALE $ 2000 Tabella 10 12) Deposizione del terzo strato di polisilicio: E‟ necessario adesso depositare 5,0µm di polisilicio per creare la piastra superiore del condensatore e le pareti di sostegno della struttura. Considerando sempre un costo per i primi 1000 Å di 220 dollari (per 25 wafer) e per ogni Å successivo di 0,04 dollari, il costo totale per questo processo è di 980 dollari. Descrizione Costo per lotto Costi di fonderia (deposizione) Primi 1000 Å $220 Å addizionali $ 0,04*49000 TOTALE $ 2180 Tabella 11 Tesina Sistemi microelettromeccanici Pagina 42
  • 43. Condensatore a Capacità Variabile 13) Litografia del terzo strato di polisilicio: Deposto il terzo strato di polisilicio, si dovrà sagomare il piatto superiore del condensatore: per fare questo è necessario un nuovo processo di litografia e un attacco RIE di 4,5 µm perché lo spessore del piatto è di 0,5 µm. Descrizione Costo per wafer Costo per lotto Costo totale Passo di processo Maschera 6 $ 450 $ 450 Applicazione Photoresist $5 $ 125 positivo Esp (1x Contact Aligner) $7 $ 175 Sviluppo AZ $ 20 $ 500 Baking over bake $ 25 $ 25 Etching polisilicio di 3,5 µm $ 25 $ 625 (RIE) Stripping del photoresist $ 50 $ 50 Pulizia Piranha $ 50 $ 50 TOTALE $ 2000 Tabella 12 14) Litografia terzo strato di polisilicio per eliminare parti in eccesso: Deposto il terzo strato di polisilicio, dopo aver creato e sagomato il piatto superiore del condensatore e le strutture di sostegno del piatto stesso si devono eliminare le parti in eccesso: per fare questo è necessario un nuovo processo di litografia e un attacco RIE di 0,5 µm. Descrizione Costo per wafer Costo per lotto Costo totale Passo di processo Maschera 7 $ 450 $ 450 Applicazione Photoresist positivo $5 $ 125 Esp (1x Contact Aligner) $7 $ 175 Sviluppo AZ $ 20 $ 500 Baking over bake $ 25 $ 25 Etching polisilicio di 0,5 µm (RIE) $ 25 $ 625 Stripping del photoresist $ 50 $ 50 Pulizia Piranha $ 50 $ 50 TOTALE $ 2000 Tabella 13 Tesina Sistemi microelettromeccanici Pagina 43
  • 44. Condensatore a Capacità Variabile 15) Deposizione di uno strato di oro: La fonderia prevede un costo di 100 dollari per una deposizione iniziale di 1000 Å di oro (per tutti i 25 wafer). Per ogni Å successivo è previsto un costo di 0,065 dollari. Descrizione Costo per lotto Costi di fonderia (deposizione) Primi 1000 Å $100 Å addizionali $ 0,065*4000 TOTALE $ 360 Tabella 14 16) Litografia dello strato d‟oro: Deposto lo strato d‟oro, si dovrà rimuovere l‟oro in eccesso per creare le piste dei contatti: per fare questo è necessario un nuovo processo di litografia e un attacco bagnato di 0,5 µm. Descrizione Costo per wafer Costo per lotto Costo totale Passo di processo Maschera 8 $ 450 $ 450 Applicazione Photoresist positivo $5 $ 125 Esp (1x Contact Aligner) $7 $ 175 Sviluppo AZ $ 20 $ 500 Baking over bake $ 25 $ 25 Etching bagnato di 0,5 µm $ 35 $ 875 Stripping del photoresist $ 50 $ 50 Pulizia Piranha $ 50 $ 50 Costo di setup $ 150 $ 150 TOTALE $ 2400 Tabella 15 17) Dicing: Si è ultimata la preparazione dei wafer; a questo punto, occorre tagliarli, mediante il dicing al fine di ottenere il singolo componente. Questo passo consiste di un costo fisso di set-up di 50 dollari. Il processamento di un singolo wafer costa 35 dollari, mentre per il dicing vero e proprio esiste un costo a taglio di 0,30 dollari. Per il calcolo del numero di tagli da eseguire è necessario fare le seguenti considerazioni: Tesina Sistemi microelettromeccanici Pagina 44
  • 45. Condensatore a Capacità Variabile a) Il numero di die per wafer è dato dalla seguente formula:  r2 2 r dies / wafer    test _ dies die _ area 2* die _ area Dove con die_area si indica l'area del dispositivo, con r il raggio del wafer e con test_dies un certo numero di dispositivi ad hoc che vengono integrati sul wafer al solo scopo di testare la qualità dello stesso (in quanto molto pochi, nei calcoli successivi verranno trascurati). Date le dimensioni del wafer (100mm di diametro) e del dispositivo (1mm di lato), si hanno circa 7631 componenti per wafer. b) Dal momento che parte dell'area del wafer viene sprecata, se ne considera per l'utilizzo effettivo il 90%, dal quale si ricava il raggio effettivo; c) Il numero di tagli effettuati è pari alla somma dei tagli orizzontali e verticali, ottenuti dividendo il diametro del wafer per le dimensioni orizzontale e verticale del die del componente realizzato. In definitiva, si ottengono complessivamente 200 tagli. Il costo per wafer ammonta a 95 dollari. Dal momento che si sta considerando un lotto di 25 wafer, il dicing effettivo viene a costare, complessivamente, per questo passo di processo, 2425 dollari. Tutte le fasi per questo passo di analisi sono illustrate in tabella. Descrizione Costo per wafer Costo totale Costi di fonderia(deposizione ) Costi di setup $ 50 Processamento $ 35 $ 875 Dicing($ 0,30 a taglio) $ 60 $ 1500 TOTALE $ 2425 Tabella 16 Tesina Sistemi microelettromeccanici Pagina 45
  • 46. Condensatore a Capacità Variabile 6.2 Analisi conclusiva dei costi In tabella 17 si riporta un‟analisi conclusiva dei costi di lavorazione per realizzare il nostro componente per un lotto di 25 wafer. Descrizione Costo totale Wafers di vetro $ 375 Deposizione nitrato $ 1500 1° deposizione di polisilicio (0,5 µm) $ 380 1° litografia del polisilicio $ 2000 1° deposizione del psg (1 µm) $ 580 1° litografia del psg $ 2000 2° deposizione del polisilicio (3,5 µm) $ 1580 2° litografia del polisilicio $ 2000 Litografia per eliminare parti in eccesso $ 2000 2° deposizione del psg (1µm) $ 580 2° litografia del psg $ 2000 3° deposizione del polisilicio (5 µm) $ 2180 3° litografia del polisilicio $ 2000 Litografia per eliminare parti in eccesso $ 2000 Deposizione dell‟oro (0,5 µm) $ 360 Litografia dell‟oro $ 2400 Dicing $ 2425 TOTALE $ 26360 Tabella 17 Considerando che il numero di condensatori variabili realizzabili per un singolo lotto è 190775 e che costo totale per realizzarli ammonta a 26360 $ segue che ogni singolo componente realizzato pertanto verrebbe a costare ≈ 0.14 $ (per la precisione 0.1382$) Numero di componenti Totali Costi Totali 190775 23360 $ Costo Singolo pezzo 0.1382 $ Tabella 18 Tesina Sistemi microelettromeccanici Pagina 46
  • 47. Condensatore a Capacità Variabile Bibliografia 1) A. Dec, K. Suyama, “Micromachined electro-mechanically tunable capacitors and their applications to RF IC‟s” in IEEE Transactions on microwave theory and techniques Vol 46, NO 12, Decemeber 1998. 2) www.memscap.com 3) J. Carter, A. Cowen and others, “polyMumps design handbook ver11”. 4) N. Maluf, “An introduction to microelectromechanical systems engineering”. 5) Foundry services, www.micromachines.com Tesina Sistemi microelettromeccanici Pagina 47