Fabrication and characterization of silicon carbide (a-SiC:H) MEMS obtained by PECVD.

O objetivo deste trabalho foi o desenvolvimento de sistemas microeletromecânicos (MEMS) de carbeto de silício amorfo hidrogenado e outros materiais obtidos por PECVD, visando à obtenção de movimento controlado por efeito Joule induzido. Este estudo foi realizado junto ao Grupo de Novos Materiais e Dispositivos do Laboratório de Microeletrônica da Escola Politécnica da Universidade de São Paulo. A motivação do desenvolvimento desta pesquisa é relacionada ao grande interesse tecnológico e econômico que os sistemas microeletromecânicos vêm adquirindo em diversas áreas. Estes sistemas possibilitam soluções inovadoras que não poderiam ser feitas de outra forma a não ser pela integração de estruturas mecânicas a dispositivos eletro-eletrônicos em um mesmo substrato. Neste trabalho foi descrita a fabricação de estruturas estáticas de a-SiC:H. Foram fabricadas micropontes auto-sustentadas de carbeto de silício amorfo hidrogenado (a-SiC:H), utilizando um processo totalmente baseado em PECVD a baixas temperaturas. Na etapa inicial do trabalho foram exploradas as geometrias das estruturas e as limitações do processo de fabricação. Neste processo, o a-SiC:H foi usado como máscara para a corrosão do silício em KOH e como material estrutural. Após 1,5 horas de corrosão em KOH, o a-SiC:H não apresentou alterações visíveis, possibilitando sua utilização como material de mascaramento para corrosões em KOH. Foi possível obter micropontes de 20 µm a 2 mm de comprimento compraticamente 100% de confiabilidade. A segunda parte do trabalho demonstrou a obtenção de movimento controlado em micropontes auto-sustentadas e descreveu a fabricação e caracterização de sistemas microeletromecânicos de a-SiC:H e SiOxNy de um e dois níveis de metalização atuados termicamente através do efeito Joule induzido. ) Os dispositivos fabricados mostraram grande reprodutibilidade e resistência mecânica, suportando processos de fabricação agressivos com estruturas auto-sustentadas. Os dispositivos fabricados foram atuados para obter movimento controlado e sincronizado por computador, permitindo simular movimento ciliar em fileiras de cantilevers. Também foi observado que cantilevers possibilitam sua atuação, sem diminuição na amplitude do movimento, com freqüências de até 150 Hz. Foi observado um deslocamento máximo de 31 µm para cantilevers de 500 mm de comprimento. A determinação da freqüência de ressonância de cantilevers possibilitou a obtenção do módulo de elasticidade do a-SiC:H, para o qual se obteve valores da ordem de 410 GPa, próximos aos valores relatados na literatura. Este trabalho mostrou um importante desenvolvimento na área de sistemas microeletromecânicos de a-SiC:H e outros materiais depositados por PECVD atuados termicamente. Mostrou também a possibilidade da determinação de características de filmes finos, como o módulo de elasticidade e stress residual localizado, utilizando estruturas auto-sustentadas. E por fim, estetrabalho abre caminho para a implementação de MEMS complexos com vários níveis de metalização e diversas camadas estruturais utilizando os processos descritosThe objective of this work was the development of hydrogenated amorphous silicon carbide and other PECVD materials microelectromechanical systems (MEMS), with intention of obtaining controlled motion induced by Joule effect. This research was conducted within the Grupo de Novos Materiais e Dispositivos of the Laboratório de Microeletrônica of the Escola Politécnica of the Universidade de São Paulo. The motivation to develop this research is related to the great technological and economical interest that the microelectromechanical systems have been attaining in different areas. These systems enable innovative solutions that can not be done without the integration of mechanical structures and electro-electronic devices in the same substrate. In this work, the fabrication of a-SiC:H static structures was described. Microbridges of hydrogenated amorphous silicon carbide have been fabricated using an entirely based, low temperature, PECVD process. In the first part of the work, the geometries and process limitations were investigated. In the fabrication process developed, a-SiC:H was used as both mask material in a silicon KOH etch and structural material. After 1.5 hours of KOH etch, no visible changes were seen in the a-SiC:H film, thus this film can be used as a masking material in KOH-based etchants. Microbridges of 20 µm to 2 mm in length were obtained with 100 % reliability. The second part of the work, demonstrated motion in the fabricated a-SiC:Hmicrobridges and described the fabrication process and characterization of a-SiC:H and SiOxNy microelectromechanical systems with one and two metallization levels that can be actuated due to the induced Joule effect. The fabricated devices showed good reproducibility and mechanical resistance, withstanding aggressive fabrication processes with the structures already free-standing. ) These devices were actuated to obtain computer controlled and synchronized motion, simulating ciliary motion of rows of cantilevers. It was also observed that cantilevers can be actuated, with no reduction of the motion amplitude, up to frequencies of 150 Hz. The maximum dislocation of 31 µm was observed for a 500 mm long cantilever. The determination of the resonant frequency allowed the calculation of the Young modulus for a-SiC:H. The values obtained were in the order of 410 GPa, similar the literature results. This work showed an important development of thermally actuated a-SiC:H and other PECVD materials microelectromechanical systems. It also showed the possibility of characterizing thin films by obtaining properties such as Young modulus and local residual stress using freestanding structures. Finally, this work enables the development of more complex MEMS with many metallization level and structural layers using the described fabrication process