Introduktion till mikrosystemteknik - vad kan man göra?

Transkript

1 Introduktion till mikrosystemteknik - vad kan man göra? Christian Vieider Acreo 20/09/2005 # 1

2 Innehåll Acreo 3 exempel på MEMS produkter trycksensor biokemilab OH Projektor MEMS teknologin ekonomi och marknad slutsatser 20/09/2005 # 2

3 Acreo - R&D in electronics & optics 20/09/2005 # 3

4 Acreo - Industrial Research Center Converts research results into industrially viable products and processes Financial risk U&H 20% 60% 20% Market Research Development Production 20/09/2005 # 4

5 Acreo data 150 employees 2600 m 2 CR lab 1300 m 2 other lab ISO 9001 Jönköping High temp. electronics Hudiksvall Optical fiber lab Kista Electrum Semiconductor lab Photonics labs Norrköping Conductive polymers lab IC system design Departments: Industrial Nano- & Microtechnology QWIP technology Photonics Interconnect & Packaging System Integration Business Services Ownership: 60% Industry 40% Governement 20/09/2005 # 5

6 Industrial Nano- & Microtechnology Applications & Market Paper Medical Sensors Biotech Security Processing & Measurement Optoelectronics Laboratory Electronics Vehicles Defence Telecom Electronics 20/09/2005 # 6

7 Electrum Laboratory Semiconductor Processing Laboratory Shared lab with KTH for R&D Separate Acreo production area Focus on component processing QWIP -SiC-MEMS -MOS -Laser Professional service team Processes Epitaxy: GaAs, GaN, InP, Si, SiC, SiGe I-line sub-µ stepper, MABA aligner, DWL Deep etching: ICP III/V, Si and SiO 2 Thin film deposition: LPCVD & IDP (Si, SiGe) Dielectrics: silicon nitride and oxide (LPCVD, PECVD) Metallization 20/09/2005 # 7

8 Electrum Laboratory 1300 m 2 clean room area Class (particles/ft 3 ) 500 m 2 non-clean room labs Focus on component processing QWIP -SiC-MEMS -MOS -Laser Professional service team 20/09/2005 # 8

9 From Research to Product - IR imaging QWIP - (Quantum Well Infrared Photodetector) A Sensor for Thermal Infrared Imaging Properties 320x240 pixels, 640x480 pixels Pitch size: 38 or 25 µm CMOS read out chip Chip size: 14x11 or 18x14 mm Temperature resolution < 0.03 Kelvin Development at Acreo (IM/IMC) Chips now produced by Acreo for FLIR Systems AB, Danderyd Si Read Out Chip GaAs QWIP chip Flip-chip bump Infrared image of a PC Card ThermaCAM SC /09/2005 # 9

10 Blodtrycksensor 20/09/2005 # 10

11 Kliniska problemet! Vem skall behandlas? 20/09/2005 # 11

12 Mätning ger svaret! P d /P a =0.85 Ballong utvidgning? Nej P d /P a =0.63 Ballong utvidgning? Ja 20/09/2005 # 12

13 Sensor kateter 1.8 m long, 0.36 mm OD guide-wire Standard contact 110 mmhg RUN CAL REF MODE Disconnectable contact Flexible coil Interface electronics Platinum tip Top-area: 0.1x1.3 mm Thickness: 0.1 mm Pressure sensor chip 20/09/2005 # 13

14 Mikromekaniskt membran 20/09/2005 # 14

15 Laboratoriet på en CD 20/09/2005 # 15

16 Fiktiv tyngdkraft 20/09/2005 # 16

17 Mikroreplikering Plastic Replication 20/09/2005 # 17

18 Mekanisk projektor 20/09/2005 # 18

19 DMD (Digital Micromirror Device) DLP (Digital Light Processor) 20/09/2005 # 19

20 Varför mikro? trycksensor storlek - plats i blodkärlen biokemilab storlek - reducera reagensåtgången integrera - produktivitet OH projektor prestanda - kontrast storlek - kompakt system 20/09/2005 # 20

21 Teknologin 20/09/2005 # 21

22 Kärt barn har många namn! MEMS, MOEMS mikromekanik, MST, microengineering micromachining/ micromachines MEMS - MicroElectroMechanical Systems MOEMS - MicroOptoElectroMechanical Systems MST MikroSystemTeknik, MikroStrukturTeknik nano. 20/09/2005 # 22

23 Tillverkningsteknik från IC tunnfilms deponering fotolitografi etsning kvasi-3d (2,5D) satsvis + specialprocesser 20/09/2005 # 23

24 Processekvens Deposit thin film layer (oxide, metal, polymer) Etch thin film layer (wet or plasma) Spin on photo-resist Remove photo-resist Expose with UV-light through mask Etch bulk substrate (wet or plasma) Bond 2:nd substrate (silicon, glass) Etch exposed photo-resist areas 20/09/2005 # 24

25 Material halvledare enkla metaller kvarts polymerer nitrider glaser och glaskeramer pläterbara metaller termoplaster piezoelektriska material speciallegeringar diamant. 20/09/2005 # 25

26 Processutrustning i renrum 20/09/2005 # 26

27 Etsteknik <111> - 90 <100> (a) (b) (c) 20/09/2005 # 27

28 Etsteknik Diaphragm Etch hole Bulk bearbetning Yt bearbetning 20/09/2005 # 28

29 Bondning Top Electrode V s Glass Silicon Hot Plate 200 C < T < 500 C 200 V < V s < 1000 V 20/09/2005 # 29

30 Replikering 20/09/2005 # 30

31 Replikering Nickel stamper Injectionmoulding Si Plastic replica 20/09/2005 # 31

32 LIGA 20/09/2005 # 32

33 Kapsling och elektronik skydd med bondning separat eller integrerad elektronik Kapsling och anslutning Sencera 20/09/2005 # 33

34 Många alternativ och standarder 20/09/2005 # 34

35 Ekonomi och marknad 20/09/2005 # 35

36 Historik RF-mems IR bolometer Trycksensorer Kvartsstämgaffel 1990 Bläckstråle Gyro 2000 Accelerometer Lab-on-chip Mikrospegel Mekaniskt signal filter 20/09/2005 # 36

37 MEMS komponent marknaden $ millions Microbolometers RF MEMS Bio & Microfluidics comp. DLP (µ-mirrors) MOEMS Gyroscopes Accelerometers P sensors Inkjet Head (ref Yole) 20/09/2005 # 37

38 låg styckekostnad kräver volym $ 60 stycke pris K 100K 1M 10M Årlig produktion 20/09/2005 # 38

39 Foundries Foundries tillverkar kundens design Väl etablerat inom IC Delar kostnaden med andra produkter > 200 leverantörer för MEMS Silex i Sverige Begränsat med standardprocesser - kvalificerade processteg # 39

40 Mer information organisationer minst ( universitet och högskolor (UU, KTH, LiTH, LTH, Chalmers,...) institut (Acreo och Imego) internet Danny Bank s Introduction, skrifter Mikrosystem möjligheternas teknik, Micro Structure Bulletin (MSB), SmallTimes, MST news, 20/09/2005 # 40

41 MEMS på Acreo sedan 1989 Fluidics, Sensors, Optics, RF Flow Channel Micro Fluidic Lab Nanoliter Wells Plastic Pump Integrated Valves Micro Dispensor Air Flow Sensor Blood Pressure Sensor Neuronal Electrodes Combi Sensor QW Bolometer Wireless sensor Laser Fiber Alignment VCSEL Array MicroChip Laser RF Switch Plastic Replication Packaging 20/09/2005 # 41

42 Ongoing MEMS projects Biomedical Neural recording probes Protein array chip Electrochemical Luminescence Masspectrometer targets Cell culture chamber IR sensors Uncooled IR detector array Optical Laser micro packaging Acreo trend: New MEMS materials Implementation of nano processes Biomedical applications 20/09/2005 # 42

43 Slutsats MEMS teknologin ger nya möjligheter Storlek Strömförbrukning Integrerbarhet Prestanda Kostnad (stora volymer, standardprodukter) Kan användas för att förbättra existerande produkter ta fram nya produkter 20/09/2005 # 43

44 Slutsats MEMS skiljer sig dock från IC IC är mer generiskt med standardprocesser MEMS är applikations specifikt och mycket diversifierat Chiputveckling tar tid och kostar Tillgång till utvecklade processer och foundries gör det enklare 20/09/2005 # 44

45 Slutsats Montering, kapsling och test är ofta mer kritiska än chippet Stor variation av teknologier Vanligtvis specifikt för varje applikation Begränsad tillgång till leverantörer med standard proceser => Möjlighet att ta fram en unik produkt! 20/09/2005 # 45

46 Slutsats När skall man utveckla ett eget chip? Integrering Montering och kapsling på skivnivå Stor marknad (Volym x pris) Finns inget bra att köpa Vad kan du lägga ut? Design - chip - makro interface - elektronik - kapsling - system Börja med chippet Nyttja existerande kompetensen i Sverige! 20/09/2005 # 46

47 slut 20/09/2005 # 47