3
Materiais e propriedades
Propriedades requeridas importantes
 
 
 
 
 
Propriedades elétricas : condutividade, gap de energia,
piezorresistividade, piezoeletricidade...
Propriedades Mecânicas : Módulo de Elasticidade, Dureza, Tensão
mecânica e gradiente de tensão ...
Propriedades Térmicas : Condutividade térmica e coeficiente de
expansão térmica,
Propriedades Ópticas e Químicas : Absorção óptica, refletividade,
índice de refração, molhabilidade
Propriedades Tecnológicas : Resistência e Seletividade em
processos de corrosão e Compatibilidade processos de
Microeletrônica,
2
2.2 Materiais e propriedades
Silício
Silício cristalino é principal
material para MEMS de uso
comercial
“Silicon as a mechanical material”,
Kurt E. Petersen, Proceedings of the
IEEE, vol.70, No 5 (1982) 420.
•  Propriedades mecânicas do Si
•  MEMS até aquela época
•  Além das vantagens econômicas, das excelentes
propriedades semicondutoras e tecnológicas, o Si
possui excelentes propriedades mecânicas :
•  Ligação covalente vs. ligação metálica
•  Alta resistência mecânica : Limite de
Elasticidade (“Yield Strength”) = 7 GPa
•  Isso significa que um 1 cilindro de Si com
seção reta de 1 mm2 suporta cargas de até
700 Kg !
Silício : Propriedades Mecânicas
2.2 Materiais e propriedades
Deformação Elástica
Deformação Plástica
Para tensões (σ) suficientemente altas
(acima do Limite Elástico (LE), o material
sofre deformação plástica permanente.
•  Metais, como o Alumínio são dúcteis
4
Silício : Propriedades Mecânicas
2.2 Materiais e propriedades
•  O Silício é um material quebradiço, forte e não
dúctil, com uma resistência à tração (“Yield
Strength”) maior que a do aço !
•  O Si cristalino é quase libre de deslocações e
outros defeitos estruturais. Além disso, a
mobilidade destas é muito baixa. Por isso, o Si
é quebradiço e não dúctil, como os metais.
•  Por não ser dúctil, o Si não deforma
plasticamente e não pode ser trabalhado por
moldagem, como os metais.
•  Pelo mesmo motivo, o Si deforma elasticamente
sem apresentar histerese
•  O Si não apresenta fluência (deformação lenta
ou “creep”)
•  O Si não apresenta problemas significativos de
fadiga mecânica
•  Si poli-cristalino apresenta proriedades
mecânicas semelhantes às do c-Si.
Quando a carga é removida, haste de
Si retorna sua forma original
5
Si : Propriedades Térmicas e Óticas
•  O Si é um excelente condutor térmico
•  σ maior que a de vários metais
•  ~100 vezes maior que a do Vidro
2.2 Materiais e propriedades
•  O coeficiente de dilatação
Si
SiO2
•  Absorção eficiente de luz (fotocondutividade e
efeito fotovoltaico)
•  Pobre emissor de luz (gap indireto)
•  Transparente para λ > 1,1 µm (infra vermelho)
•  Alta reflectividade λ < 0,5 µm
6
Propriedades do Si e outros materiais
Resistência
à tração
Resistência
à Penetração
2.2 Materiais e propriedades
Rigidez
Fonte : “Silicon as a Mechanical Material”, Kurt E. Petersen, Proceedings of the IEEE, vol.70, No 5 (1982) 420
7
Cristal de Silício
2.2 Materiais e propriedades
Cristalografia do Silício
(100)
(110)
(111)
8
Cristal de Silício
2.2 Materiais e propriedades
•  Apesar da regularidade do cristal, a distribuição
espacial dos átomos muda quando o cristal é
visto em diferentes direções
•  em função disso, propriedades como a
mobilidade, modulo de elasticidade e coeficientes
piezoresitivo e piezoelétrico, dependem da
direção dentro do cristal
Cristal visto na
Direção (100)
Cristal visto na
direção (110)
Cristal visto na
direção (111)
9
Planos cristalinos na lâmina de Si
Corte no plano (100)
Corte no plano (111)
Corte no plano (110)
10
Si policristalino
2.2 Materiais e propriedades
•  Obtido por LPCVD
SiH4+N2 a T > 600 oC
•  Espessuras de até e 2 um
•  Os filmes devem ser tratados
termicamente para diminuir o
stress
•  Si Cristalino (~1200 oC)
Epitaxia (SiCl4 + H2)
Silício poli
Substrato (Si)
•  Si poli-Cristalino (> 600 oC)
SiH4 + N2
•  Si amorfo (~250 oC + plasma)
SiH4 + H2 (PECVD)
11
2.2 Materiais e propriedades
Si cristalino vs. Si policristalino
Si Poli cristalino
Si
cristalino
Si poli-cristalino LPCVD
Si monocristalino Czochralski ou epitaxial
Al induced cristalization,
H.A. Naseem, 2006
12
Si amorfo (hidrogenado)
2.2 Materiais e propriedades
Sólido Cristalino
•  Para ser de interesse tecnológico, precisa ser “hidrogenado”,
dando origem ao a-Si:H
•  Obtido por PECVD (T~250 oC) e Sputtering
•  Espessuras de até ~1 um
•  Propriedades elétrica e ópticas dependem da presença do
hidrogênio, que satura as ligações incompletas na rede
atômica e diminuem a densidade de estados no gap.
Sólido Amorfo
“dangling
bonds”
Sólido Amorfo Hidrogenado
H2
Sólido Amorfo
2.2 Materiais e propriedades
Óxido de Silício
•  O SiO2 é o isolante por excelência em microeletrônica e draças a ele se deve
grande parte do tecnologia do Si . ... O Ge e GaAs têm óxido ?
•  A estrutura do SiO2 :
Cristalino (Quartzo)
•  Piezoeletrico
Amorfo
•  Menor densidade
•  Difusão de impurezas
•  Possui excelentes propriedades como isolante
elétrico e térmico e grade estabilidade química
•  É corroído em HF, apresentando boa seletividade
com relação ao Si . Mas também é corroído pelas
soluções utilizadas para corroer o substrato de
Si. (KOH por exemplo)
Utilização limitada a
processos de curta
duração
14
Óxido de Silício
2.2 Materiais e propriedades
•  O SiO2 pode ser obtido por diferentes técnicas, as quais produzem películas com diferentes
propriedades e características, as quais determinam a forma que o SiO2 pode ser utilizado :
¤  Óxidação Térmica : SIO2 melhor qualidade, para aplicação como isolante de porta em
capacitores e transistores MOS
¤  Óxido CVD : propriedade inferiores às do SiO2 térmico, por isso é usado como :
•  material de mascaramento em processos de difusão térmica e implantação iônica.
•  para aumentar a espessura dos óxidos de campo (em estruturas MOS)
•  como camada isolante entre diferentes níveis de metalização
¤  Óxidos PSG e BPSG (SiO2 + P2O5 + B2O3 ) :
•  Melhor cobertura de degrau (“step coverage”) do que o SiO2 não dopado CVD
•  Excelente barreira contra umidade e íons alcalinos como Na+ e K+
•  Reflui a temperaturas elevadas (entre 1000 e 1100 oC). Isso permite
“suavizar”superfícies com topografia muito acidentada (necessário, por exemplo, em
processos de metalização e critico em sistemas de vários níveis metálicos.
•  Nos óxido BPSG o adição do boro permite suavizar topografias em temperaturas
menores (700 - 900 oC). Por isso é utilizado em processos onde menores
temperaturas são requeridas (por exemplo, junções rasas)
15
Nitreto de Silício
2.2 Materiais e propriedades
É praticamente impermeável à difusão de impurezas, umidade e a íons de sódio
•  Apresenta crescimento conforme sobre metais
•  Apresenta baixa densidade de defeitos (“pin holes”)
•  De interesse específico para MEMS :
¤  Apresenta alta resistência mecânica e dureza, maiores que as do Si
¤  Apresenta alta estabilidade química, sendo insensível à maioria das soluções
corrosivas ácidas ou básicas.
¤  Por outro lado, pode ser corroído em processos a plasma.
¤  Por outro lado, apresenta considerável stress mecânico interno, o que provoca
acentuadas deformações em estruturas de Si3N4.
•  Por isso, em MEMS o Si3N4 é utilizado principalmente como material de
mascaramento (em processos de corrosão) e como camada dielétrica isolante.
•  Na circuitos de controle, extração e/ou condicionamento de sinais, o Si3N4 é
utilizado nas aplicações comuns da microeletrônica (camada isolante e mascara
em processos de oxidação e difusão térmica.
16
Nitreto de Silício
2.2 Materiais e propriedades
Strees em Si3N4
• 
Problema : devido ao strees mecânico, filmes de
Si3N4 costumam apresentam rachaduras para
espessuras acima de 200 nm.
• 
O strees está relacionada com tensões internas
do material e na região de interface como
substrato.
• 
Assim, para minimizar os problemas de strees é
necessário depositar, entre o Si3N4 e o substrato
de Si, uma película fina de SiO2.
• 
Sobre silício, os filmes de Si3N4 possuem
tensão mecânica compressiva.
• 
Quando depositado por PECVD, apresenta
menor tensão compressiva,aumentando
sua resistência à fratura e delaminação.
17
Filmes Metálicos
2.2 Materiais e propriedades
•  Filmes metálicos são utilizados de diversas formas em MEMS. A aplicação principal é como
linhas condutoras e/ou eletrodos, mas também podem ser utilizados como material de sacrifício
ou como componente estrutural (pontas de emissão, espelhos, etc.).
•  A aplicação final e os processos de microfabricação determinam a escolha dos metais, mas
fatores como seletividade e resistência nos processos de corrosão, aderência aos substratos e
soldabilidade também são importantes.
•  Alguns dos metais mais utilizados em MEMS são :
Será dado como trabalho para fazer em casa. Ver exercício no final destas
transparências ...
18
Vidro e Quartzo
2.2 Materiais e propriedades
•  Substrato de vidro e sílica fundida (SiO2 amorfo) : devido à sua proximidade como o
SiO2, os vidros são materiais com alta compatibilidade tecnológica com o Si. Eles são utilizados
quando substratos transparentes ou isolantes eletricamente são necessários.
•  Exemplo de aplicação : sensores de
pressão, onde lâminas de Si são coladas
eletrostáticamente com vidro Pyrex através
de processos de “soldagem anôdica”. O
fator crítico nesse processo é a diferença de
coeficiente expansão térmica entre o Si e o
vidro (em sílica fundida é menor e em vidro
comum é maior), que pode levar a trincas e/
ou quebra dos substratos.
•  A microfabricação em vidro é baseada na corrosão úmida em soluções de HF. Aditivos são
necessários depdendendo da composição do vidro. Perfuração ultra-sônica também é utilizada.
Em ambos os casos a a qualidade das bordas em geral é pobre.
•  Metais podem ser depositados facilmente sobre vidro ou sílica fundida, podem ser fotogravados
sem problemas por fotolitografia convencional.
•  Substrato microusinados de vidro com eletrodos metálicos integrados tem sido bastante
utilizados em sistemas microfluídicos para analise bioquímico.
19
Filmes Poliméricos
2.2
Materiais
e propriedades
•  Polímeros são constituídos por longas cadeias atômicas de carbono e hidrogênio à qual podem
estar conectados diversos o grupos ou radicais contendo elementos como O e N. Por serem
baseados em carbono, as ligações químicas entre átomos são de tipo covalente.
•  Em tecnologia de MEMS os polímeros são utilizados de diferentes formas devido principalmente
às suas propriedades ópticas e termoplásticas. Em ambos casos, os principais atrativos são :
baixo custo e facilidade de uso, estabilidade química, transparência na região do visível e baixas
temperaturas de processamento :
•  Fotoresistes com espessuras entre 1 e 10 µm são depositados por “Spin-Coating” é
utilizados em processos convencionais de folotitografia. Também são utilizados
como material de sacrificio em processos de microfabricação em superfície.
•  SU-8 (é um fotoresiste negativo, que permite espessuras de até 300 µm ou mais
•  PMMA (poli metil metacrilato) (acrílico)
•  Polyimida (Kapton ®DuPont)
•  PDMS (poli dimetil siloxano)
•  http://www.microchem.com/products
20
Polímeros
2.2 Materiais e propriedades
•  Além dos fotorresistes, os polímeros mais utilizados em tecnologia de MEMS são Termoplásticos
•  Polímeros Termoplásticos são caracterizados pela existência, a temperaturas suficientemente
altas, de uma “Transição Vitrea” (amolecimento), que depende do tipo de polímero (tipo e
comprimento da cadeia principal e tipos de radicais laterais).
•  Assim, podem ser estruturados por moldagem quente ou fria.
•  Entre os polímeros termoplásticos mas utilizados em MEMS podemos destacar :
•  PMMA (poli metil metacrilato) (acrílico) : polímero
termoplástico transparente e fotosensível (positivo),
sensível a UV, feixe de elétrons e raios-X. Pode ser
depositado por spin-coating e fotogravado como
fotorresite, em espessuras de até algumas dezenas de µm.
•  Também poder ser obtido em folhas. Usados em
recobrimento, como material de sacrifício e estrutural. Por
exemplo, lâminas de PMMA e outros policarbonatos e
acrílicos com canais previamente fabricados, podem ser
coladas para formar sistemas microfluídicos.
•  Usado no processo LIGA
Micromotor usando processo LIGA
21
Polímeros
2.2 Materiais e propriedades
•  Polyimida (Kapton ®DuPont) : obtido em geral na forma de folhas com espessuras de até
~200 um. Bom isolante elétrico, inerte e resistente a altas temperaturas (-250 até +400 ºC).
•  Em folhas é utilizado na industria eletrônica em circuitos impressos flexíveis.
•  Em tecnologia de MEMS folhas de Kapton tem sido utilizadas microusinadas com Laser
para formar canais para sistemas microfluídicos.
•  Também pode ser obtido por “spin-coating” com espessura de alguns µm e nesta forma é
utilizado como resiste, material de sacrifício e como cola em “wafer bonding”.
•  PDMS (poli dimetil siloxano) : é um polimero
a base de Si com as seguintes propriedades :
•  Flexível e Transparente
•  Inerte quimicamente e Biocompativel
•  Permeável a alguns gases
•  PMDS em Microfluídica : Canais e válvulas
22
Polímeros
2.2 Materiais e propriedades
•  SU-8 é um epoxy fotosensível que pode ser utilizado como fotoresiste de tipo negativo.
•  O recozimento pós-exposição inicia um processo de “crosslinking” que torna as cadeias
poliméricas nas regiões expostas mais resistente. Assim, durante a revelação é removido
o fotorresiste que não foi exposto. Por isso, o padrão obtido é o “negativo” do padrão na
mascara fotolitográfica,
•  Permite a obtenção por “spin-coating” de películas grossas, com até 250 µm ou mais em
uma única deposição. Em múltiplas deposições, a espessura pode atingir 1 mm ou mais,
•  O processamento do SU-8 é feito pelos métodos fotolitograficos convencionais (UV, 350–
400 nm), mas a exposição também pode ser feita por feixe de elétrons ou raios-X,
•  A cura a maiores temperaturas ou maiores tempos, aumenta o “crosslinking” e a estabilidade
térmica do SU-8, tornando-o muito resistente a solventes, ácidos e bases. Por isso mesmo,
a sua remoção é relativamente difícil e realizada por plasma (“striping”),
•  Permite fabricar estruturas com alta razão de aspecto (altura para largura) de até 20:1,
•  o SU-8 tem sido usado para :
•  fabricar microcanais em sistemas microfluídicos, guias de onda, etc.
•  como material de mascaramento em processos de eletro-deposição
•  produzido pela MicroChem Corp (http://www.microchem.com/)
23
SiC e Diamante
2.2 Materiais e propriedades
•  O carbeto de Silício (SiC) e o diamante são semicondutores de alto gap de grande interesse
para MEMS pois possuem : alta dureza, alta rigidez (modulo de Young), resistência a ambientes
agressivos quimicamente, estabilidade em altas temperaturas e alta condutividade térmica :
•  O SiC pode ser obtidos com diferentes estruturas cristalina. Lâminas de SiC hexagonal são
vendidas comercialmente, mas a custo elevado e em pequenos diâmetros. SiC cubico pode ser
obtido por crescimento epitaxial diretamente sobre Si, mas o material apresenta grande densidade
de poros e defeitos estruturais devido à diferença nas distâncias interatômicas.
•  Têm sido desenvolvidos sensores de pressão de SiC que operam em altas temperaturas
(~500 oC) mas a maioria dos trabalhos é em âmbito acadêmico. A corrosão do SiC é uma
dificuldade e exige métodos alternativos para definir padrões, como a deposição seletiva.
•  SiC policristalino obtido por CVD tem sido estudado como material estrutural utilizando películas
Si ou SiO2 como material de sacrifício. Em nosso grupo temos utilizado a-SiC:H/SiOxNy ambos
obtido por PECVD.
24
Estruturasde de SiC
2.2 Materiais e propriedades
Cantilevers de SiC obtido por PECVD : note o baixo stress
25
Diamante
2.2 Materiais e propriedades
•  Apesar do interesse, o diamante tem sido menos estudado que o SiC.
•  Filmes com até alguns micrometros de diamante policristalino
ou “diamnod like carbon” são obtidos por CVD e PECVD são
semicondutores de alto gap com propriedades particularmente
interessantes para MEMS.
•  A razão entre o módulo de elasticidade e a densidade do diamante é extremamente
alta, o que permite fabricar estruturas vibrantes com freqüência de ressonância
extremamente altas :
•  Devido à sua larga banda proibida o diamante é bom emissor de elétrons por efeito de campo,
por isso tem sido utilizado na fabricação de ponteiras de emissora de elétrons.
•  A semelhança do que ocorre com o SiC, a corrosão dos filmes de diamante também é uma
dificuldade tecnológica e métodos alternativos para definição padrões devem se procurados
(como a deposição seletiva).
26