Presentacin de PowerPoint
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Universidad Autnoma del Estado de Morelos (UAEM)
Centro de Investigaciones en Ingeniera y Ciencias Aplicadas
(CIICAp)Asesor CIICAp: Dra. Margarita Tecpoyotl TorresEstudiante
Doctorado: MICA Pedro Vargas ChablEnero 2015Diseo, simulacin y
fabricacin de unamicropinza doble MEM
Universidad Autnoma del Estado de Morelos (UAEM)
Centro de Investigaciones en Ingeniera y Ciencias Aplicadas
(CIICAp)Estancia Septiembre 2014 Enero 2015 en el Instituto
Nacional de Astrofsica ptica y Electrnica (INAOE)
Laboratorio de microelectrnicaAsesor INAOE: Dr. Joel Molina
ReyesAsesor CIICAp: Dra. Margarita Tecpoyotl TorresEstudiante
Doctorado: MICA Pedro Vargas ChablEnero 2015
3ActividadesEstancia Septiembre 2014 Enero 2015 en el Instituto
Nacional de Astrofsica ptica y Electrnica (INAOE)
4Objetivos
5ObjetivosConocer y familiarizarse en el proceso de fabricacin
de los circuitos integrados.Fabricar el o los dispositivos MEM
(chevrn con regulador de movimiento y chevrn sin regulador de
movimiento).Realizar la caracterizacin de los sensores de efecto
campo sensibles a iones (ISFETs).Someter a stress constante por 24
hr al sensor y encontrar sus curvas caractersticas.Realizar
regeneracin del sensor.Modelar matemticamente y de acuerdo a las
curvas de respuesta la degeneracin y regeneracin del
sensor.CIICAp-UAEM
Se llevaron a cabo tres actividades principales durante la
estancia:Proceso de fabricacin de Circuitos Integrados
(CI)Caracterizacin de Transistores de Efecto Campo Sensible a Iones
(ISFETs)Regeneracin del ISFETTodas las actividades se llevaron a
cabo en el laboratorio de microelectrnica, rea MOS y rea No MOS
respectivamente.6CIICAp-UAEM
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7Seguridad en sala de procesos Vestimenta de seguridad: guantes
qumicos, careta, protector corporal, traje, guantes, gafas (para
proteger a la sala, no a la persona). Plan de trabajo preparado con
antelacin.Seguimiento de los procedimientos normalizados y las
normas de seguridad.
CIICAp-UAEM
8EstructuraLimpieza de obleasRemocin de partculasLimpieza
RCACrecimiento del xidoMetalizacin
FotolitografaDeposicin de la fotoresinaHorneado
blandoInsoladoReveladoHorneado duroGrabado de AluminioProceso de
fabricacin de Circuitos Integrados (CI)CIICAp-UAEM
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Limpieza de obleasRemocin de partculasLimpieza RCACrecimiento
del xidoMetalizacin
10Para el proceso de remocin de partculas o impurezas inorgnicas
se utilizaron tres agentes qumicos: Tricloroetano TCE
(C2H3Cl3)Acetona (CH3CH3)Agua de ionizada (DI H2O)Limpieza especial
[1,8]RC1: para remover materiales orgnicos y algunos metales (Au,
Ag, Cu, Ni, Cd and Cr)RCA2: para remover iones inorgnicos
(nitratos, nitruros) y metales pesados.IntroduccinCIICAp-UAEM
11Remocin de partculas (proceso menos agresivo) [1,8]limpieza
del contenedor para el TCE con agua de ionizada abundante.Se
colocaron las obleas en el contenedor con 120 ml de TCE.Se deposit
en un vibrador el contenedor por un tiempo de 10 minutos.Se realiz
limpieza del contenedor para la acetona, con agua de ionizada.
Figure 3. Campana de limpieza y vibradorCIICAp-UAEM
12Remocin de partculas (proceso menos agresivo)
[1,8]Posteriormente se colocaron las obleas en un recipiente con
acetona y de la misma menera se colocaron en el vibrador por 10
minutos.Seguidamente se colocaron las obleas en una tina CMOS con
agua de ionizada para su enjuague.ACETONAAGUA DEIONIZADAOBLEAS DE
SILICIOTCE
CIICAp-UAEM
13Limpieza RCA (proceso mas agresivo) [1,8]Se coloc agua de
ionizada al contenedor RCA 1 y se deposit en un calentador por 17
minutos a una temperatura entre 75C a 80C.Se prepar la solucin de
acuerdo a la tabla 1 y se colocaron las obleas en el contenedor RCA
1 por 17 minutos.Table 1. RCA1, en probeta de 300 ml volumen 260
mlPreparacin SustanciaCantidad (ml)1H2O Di (Agua de
ionizada)183.52NH4OH (hidrxido de amonio)30.63H2O2 (perxido de
hidrgeno)46
CIICAp-UAEM
14Limpieza RCA (proceso mas agresivo) [1,8]En otra parrilla se
prepar la solucin de acuerdo a la tabla 2, se sumergieron las
obleas en la solucin por un tiempo de 17 minutos a una temperatura
entre 75 C a 80 C.Despus de la limpieza RCA 2 las obleas se
enjuagan con abundante agua de ionizada.
Tabla 2. RCA2 en probeta de 300 ml volumen 260
mlPreparacinSustanciaCantidad (ml)1H2O Di (Agua de
ionizada)191.82H2O2 (Perxido de hidrgeno)413HCl (cido
hidroclorhdrico)27.4
CIICAp-UAEM
15Limpieza RCA (proceso mas agresivo) [1,8]Se prepar un
contenedor para el BHF (solucin buffer de cido fluorhdrico) en el
cual se sumergieron las obleas por cinco minutos aproximadamente,
seguidamente se volvieron a enjuagar las obleas con agua de
ionizada.Lo siguiente fue colocar las obleas en la base de una
centrifuga del sistema llamado super Q , a una resistividad de 18
ohms por aproximadamente 5 minutos.Se habilit el horno para el
crecimiento del xido, con nitrgeno y vapor de agua, dejando las
obleas por un tiempo de 56 minutos.CIICAp-UAEM
16Crecimiento del xido[1,8]Posteriormente se elev la cantidad de
nitrgeno y se dejaron por 30 minutos las obleas.
Figure 5. rea de hornosMetalizacin[1,8]Despus de dicho
procedimiento se realiz la metalizacin en el laboratorio de nano
electrnica con ayuda de los tcnicos del laboratorio. Debido a que
es otra administracin no se pude observar todo el
proceso.CIICAp-UAEM
17Finalmente junto con la metalizacin las obleas quedaron de la
siguiente manera:
Silicio (Si)Aluminio (Al)xido de silicio (SiOx)xido de Hafnio
(HfOx)
Aluminio (Al)Acabado espejoAcabado normalCIICAp-UAEM
18Proceso de fotolitografa
Deposicin de la fotoresinaHorneado
blandoInsoladoReveladoHorneado duro
19Proceso de fotolitografa[1,8]Se colocaron las obleas una a una
en un spinner para la distribucin de la resina en las obleas a 4000
RPM en un tiempo de 35 segundos.La resina utilizada fue PR(+) 1512
(darkfield)Posteriormente las obleas se colocaron en un calentador
por 1 minuto a 95 C (soft bake)Se realiz grabado con luz UV a travs
de una mascarilla definida (insolado).
Figura 6. Sputtering y calentador CIICAp-UAEM
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Figura 7. Microscopio utilizado en la fotolitografaProceso de
fotolitografa[1,8]Se sumergieron las obleas una a una en una
solucin (AZ 726) por 16 s. (revelado).Despus se enjuagaron todas
las obleas con agua de ionizada.Una vez secos las obleas se verific
una a una la condicin de la resina por medio de un microscopio. Se
coloc resina en la parte inferior de las obleas de manera
artesanal.CIICAp-UAEM
21
Solucin AZ 726Agua de ionizada
Figura 8. rea de preparacin de la solucin AZ 726
Figura 9. Estado de la resina en horneado a temperatura
variableProceso de fotolitografa [1,8]Las obleas se colocaron en la
parrilla que est junto al sputtering por 10 minutos a 110 C
(horneado duro).CIICAp-UAEM
22Grabado de aluminio
23HNO3 6 mlCH3COOH 4 mlH3PO4 150 ml(cido Ntrico)cido Acticocido
fosfricoGrabado de aluminio [1,8]Se prepar la solucin para el
grabado de aluminio:En bao mara por 15 minutos se sumergieron las
obleas una a una hasta que el metal fue removido completamente,
2.46 s.CIICAp-UAEM
24Grabado de aluminio [1,8]Una vez removido el metal se
enjuagaron las obleas con acetona y posteriormente con agua de
ionizada.
Figura 10. Microscopio para verificar metalPor ltimo se
sometieron las obleas a un horneado con dos gases principales,
hidrgeno y nitrgeno a 475 C, esto con la finalidad de eliminar
elementos entre la interfaz del xido y el dielctrico que puedan
afectar la operacin del dispositivo.CIICAp-UAEM
25Fabricacin de los dispositivos chevrn MEM con y sin regulador
de movimiento
26
Figura 11. Estructura simulada y patrn de fabricacin en
monitor
CIICAp-UAEM
27Caracterizacin de Transistores de Efecto Campo Sensible a
Iones (ISFETs) [2-7]
28UnISFET(Ion Sensitive Field Effect Transitor,transistor de
efecto camposensible aiones) es unsensorelectroqumico que reacciona
a cambios en la actividad de un ion dado. Si el cambio es en la
actividad del ion hidrgeno, se habla entonces de un ISFET sensible
alpH.Este dispositivo se basa en elMOSFET y los materiales tpicos
para la compuerta son el Si3N4, Al2O3y el Ta2O5[2,3].
1: Referencia2:xido de la compuerta3:Resina
aislante4:CanalS:FuenteD:DrainB:CuerpoSolucin
Figura 12. Comparacin fsica de un a) MOSFET y un b)
ISFETCIICAp-UAEM
29TecnologasTecnologa totalmente compatible con la tecnologa
CMOS y de integracin de circuitos.Packaging automtico basado en
polmeros encapsulantes termo y fotocurables.AplicacionesAnlisis
Biomdico.Vigilancia medioambiental.Control y automatizacin de
procesos industriales.CIICAp-UAEM
30CaractersticasPequeo tamao, adaptable a sistemas
miniaturizados.Respuesta 10 veces ms rpida que los electrodos de
vidrio.Gran estabilidad a largo plazo.Alta reproducibilidad.Baja
impedancia de la seal de salida.Bajo coste (fabricacin masiva).No
requiere mantenimiento (almacenan en seco).CIICAp-UAEM
31Los buffers de pH son soluciones que tienen un valor constante
de pH con el tiempo.
Figura 14. Diagrama esquemtico de un electrodo de referencia
Ag-AgCl
pH 04pH 07pH 7.2pH 10Figura 13. Soluciones Buffers de pH 04, 07,
7.2 y 10CIICAp-UAEM
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Figura 15. a) Analizador de parmetros de semiconductores, b)
circuito electroqumico, buffer pH 07, electrodo, pH metro e ISFET,
c) prueba del sensor sometido a temperatura y d) Sensor
ISFETa)b)c)d)
CIICAp-UAEM
33
Figura 16. Grficas del comportamiento del sensor con voltaje
drenaje-fuente variable de 0 a 750 mV en pH 04, 07 y 10 Las
siguientes grficas presentan el comportamiento del sensor ISFET 094
en pH 04, 07 y 10. Se realiz una variacin del VDS en 0 V, 250 mV,
500 mV y 750 mV. El voltaje de referencia, Vref, en el electrodo se
suministr a 2.5 V.Este resultado principalmente se utilizan para
calcular la sensibilidad del sensor. CIICAp-UAEM
34Figure 17. IDS-VREF grficas del ISFET sumergidos en diferentes
soluciones con diferentes VDS.
Curvas caractersticas del sensor ISFET en diferentes soluciones
buffer con VDS en 250 mV, 500 mV y 750 mV. IDS en 300 A, 400 A y
500 A.CIICAp-UAEM
35
Table 3. Valores calculados de sensibilidad.
La sensibilidad del ISFET esta representado por la siguiente
expresin:EC. 1Resultados de la sensibilidad en mV por pH con VDS en
250 mV, 500 mV y 750 mV. El objetivo es identificar un VDS que
presente la mayor sensibilidad del sensor.CIICAp-UAEM
36
El voltaje de humbral o encendido para mayor precisin se calcula
a partir de la extrapolacin de la derivada del IDS con respect al
Vref dando como resultado el VGSi por [4 y 7]
EC. 2Figure 18. Clculo del VGSi apartir de la extrapolacin para
el VTh CIICAp-UAEM
37Figura 19. Mediciones de la deriva en Tiempo vs IDS
pH levelIDS Drift [A/h]V Drift
[mV/h]100.612.171.74.7341.865.67
Tabla 4. Derivas de corriente y voltajeCIICAp-UAEM
38Mediciones Temperatura-IDS
Figure 20. Respuesta de la corriente del ISFET como una funcin
de pH y temperaturaCIICAp-UAEM
39Stress del ISFET 097 por 24 hr a temperatura constante, 39 C,
en una solucin buffer pH 7.2
40
Vref [V]IDS [A]CIICAp-UAEM
41
CIICAp-UAEM
421er. Tratamiento del ISFET 097 en pH 10
43Para el tratamiento de la regeneracin:Vref = - 2.0 V
Tiempo de exposicin = 9600 s
Temperatura = 39 C en pH 10
VDS = -500 mV
IDS (A)Vref (V)292.37 A318.29 A224.73 A246.24 A221.36 A243.44
A168.29 A191.51 AThere is a shift to the leftRegeneracin del ISFET
097, comparacin despus del tratamiento en pH 10 por 2.6 hrs
CIICAp-UAEM
44Regeneracin del ISFET 097 en pH10 por 4 hr
45
Vref [V]ID [A]
Curve after of exposition to 24 hr Sensor in pH 7.2 (1st
regeneration to 9600 s) Sensor in pH 7.2 (2nd regeneration to 4800
s) Curve original CIICAp-UAEM
46
Vref [V]ID [A]CIICAp-UAEM
47Percent of increment Vref with ID fixed (100 A)Percent of
increment ID with Vref fixed (100 A)CIICAp-UAEM
48Objetivos futuros para el desarrollo de la tesis
49Caracterizar al dispositivo chevrn MEM.
Realizar las pruebas correspondientes a la pinza MEM, buscar la
implementacin, modelarla, fabricarla y caracterizarla.
Buscar bibliografa para el desarrollo de un sensor MEM de pH y
disear un prototipo preliminar. [9]
Objetivos para el desarrollo de la tesis
CIICAp-UAEMFigura 20. Modelo esquemtico de un sistema de medicin
de pH por cantiliver
50Cronograma de actividades
51CRONOGRAMA DE ACTIVIDADES 2015ACTIVIDAD1er. Semestre
(2014)2do. Semestre (2015)3er. Semestre (2015)4to. Semestre
(2016)5to. Semestre (2016)6to. Semestre (2017)7mo. Semestre
(2017)8vo. Semestre (2018)AGOSTO - DICENERO - JUNIOAGOSTO -
DICENERO - JUNIOAGOSTO - DICENERO - JUNIOAGOSTO - DICENERO -
JUNIOESTANCIA INAOECURSOSREVISIN BIBLIOGRFICADISEO Y PRUEBAS DE
DIFERENTES ESTRUCTURAS MEMSDISEO Y FABRICACIN DE SENSORES
MEMSCURSOS DE INGLSPRUEBASREDACCIN DE TESIS
CIICAp-UAEM
ACTIVIDAD PROGRAMADAACTIVIDAD REALIZADAACTIVIDAD EN CURSO
ACTIVIDAD FINALIZADA
52[1]S. Wolf, microchip manufacturing Captulo 8, Pag.
1-29[2]Molina R. Joel, Calleja A. Wilfrido, Landa V. Mauro, Alarcn
P. Pablo, Fabricacin y Caracterizacin Electroqumica de ISFETs:
Progreso hacia el Desarrollo de la Bio-Electrnica, Instituto
Nacional de Astrofsica, Optica y Electrnica. INAOE, Puebla, segundo
congreso nacional de electronica 24, 25 y 26 de septiembre de 2002
centro de convenciones William o. Jenkins puebla, Puebla,
Mxico.[3]Molina Reyes Joel, Tesis Estudio de Estructuras
Dielctrico-Silicio y su Aplicacin en Sensores de Ionestipo-ISFET,
Instituto Nacional de Astrofsica, ptica y Electrnica, Puebla,
Mxico, 11 de julio del 2002.[4]Dieter k. Schroder, book,
Semiconductor material and device characterization, Third Edition,
Arizona State University, Tempe, AZ, IEEE, wiley interscience,
2006.[5]Bergveld Em, ISFET, Theory and Practice, University of
Twente, Research Institute, IEEE sensor conference toronto, october
2003.[6] Shailendra Sharma, Nidhish Tiwari, Prashant Kumar Pandiya,
Milind Manohar Agrawal, Dhiraj Shrivastava, Design and Simulation
of ISFET Using Si3N4 as the Sensing Layer for Biomedical
Applications, International Journal of Engineering and Technical
Research (IJETR) ISSN: 2321-0869, Volume-2, Issue-4, April 2014
53[7]CavaGabriel, Dvila Jos, Mogrovejo Salvador, Gutarra Abel,
Caracterizacin Elctrica y Electroqumica de Sensores tipo Transistor
de Efecto de Campo Sensitivo a Iones (ISFET), Laboratorio de
Catlisis y Medio Ambiente. Facultad de Ciencias, Universidad
Nacional de Ingeniera.[8]Saliterman, Steven S., Fundamentals of
bioMEMS and medical microdevices. Wiley-interscience, (2006).[9]Ji
Hai-Feng, Hansen K.M., Hu Z., Thundat T., Detection of pH variation
using modifed microcantilever sensors, Sensors and Actuators B 72
(2001) 233 to 238, Oak Ridge National Laboratory.