Introduktion till mikrosystemteknik vad kan man göra? · Introduktion till mikrosystemteknik-vad...

20/09/2005 # 1 www.acreo.se

Introduktion till mikrosystemteknik-

vad kan man göra?

Christian VieiderAcreo

20/09/2005 # 2 www.acreo.se

Innehåll

Acreo3 exempel på MEMS produkter

– trycksensor – biokemilab– OH Projektor

MEMS teknologinekonomi och marknadslutsatser

20/09/2005 # 3 www.acreo.se

Acreo - R&D in electronics & optics

20/09/2005 # 4 www.acreo.se

Acreo - Industrial Research Center

Converts research results into industrially viable products and processes

Fina

ncia

l ris

k

20%

60%

20%

U&H

Research Development Production

Market

20/09/2005 # 5 www.acreo.se

Acreo data

Hudiksvall• Optical fiber lab

Jönköping• High temp. electronics

Norrköping• Conductive polymers lab• IC system design

150 employees2600 m2 CR lab1300 m2 other labISO 9001

Departments:

Industrial Nano- & Microtechnology

QWIP technology

Photonics

Interconnect & Packaging

System Integration

Business Services

Ownership:60% Industry40% Governement

Kista Electrum• Semiconductor lab• Photonics labs

20/09/2005 # 6 www.acreo.se

Industrial Nano- & MicrotechnologyApplications & Market

Sensors

Electronics Opto-

electronics

Processing &Measurement

Laboratory

Medical Biotech

Paper

Vehicles

Security

Defence TelecomElectronics

20/09/2005 # 7 www.acreo.se

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 SiO2

– Thin film deposition: LPCVD & IDP (Si, SiGe)– Dielectrics: silicon nitride and oxide (LPCVD,

PECVD)– Metallization

20/09/2005 # 8 www.acreo.se

Electrum Laboratory

1300 m2 clean room area– Class 100 - 10 000 (particles/ft3)

500 m2 non-clean room labs

Focus on component processing– QWIP - SiC - MEMS - MOS - Laser

Professional service team

20/09/2005 # 9 www.acreo.se

ThermaCAM™ SC3000

Infrared image of a PC Card

From Research to Product - IR imaging

QWIP - (Quantum Well Infrared Photodetector)

A Sensor for Thermal Infrared ImagingProperties

– 320x240 pixels, 640x480 pixels– Pitch size: 38 or 25 µm– 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

CMOS read out chip

GaAs QWIP chipFlip-chip bump

20/09/2005 # 10 www.acreo.se

Blodtrycksensor

20/09/2005 # 11 www.acreo.se

Vem skall behandlas?

Kliniska problemet!

20/09/2005 # 12 www.acreo.se

Mätning ger svaret!

Pd/Pa =0.85Ballong utvidgning? Nej

Pd/Pa =0.63Ballong utvidgning? Ja

20/09/2005 # 13 www.acreo.se

110 mmHg

RUN CAL REF MODE

Interface electronics

Flexible coil

1.8 m long, 0.36 mm OD guide-wire

Platinum tip

Disconnectable contact

Standard contact

Pressure sensor chip

Top-area: 0.1x1.3 mmThickness: 0.1 mm

Sensor kateter

20/09/2005 # 14 www.acreo.se

Mikromekaniskt membran

20/09/2005 # 15 www.acreo.se

Laboratoriet på en CD

20/09/2005 # 16 www.acreo.se

Fiktiv tyngdkraft

20/09/2005 # 17 www.acreo.se

Mikroreplikering

Plastic Replication

20/09/2005 # 18 www.acreo.se

Mekanisk projektor

20/09/2005 # 19 www.acreo.se

DMD (Digital Micromirror Device)DLP (Digital Light Processor)

20/09/2005 # 20 www.acreo.se

Varför mikro?

trycksensor – storlek - plats i blodkärlen

biokemilab– storlek - reducera reagensåtgången– integrera - produktivitet

OH projektor– prestanda - kontrast– storlek - kompakt system

20/09/2005 # 21 www.acreo.se

Teknologin

20/09/2005 # 22 www.acreo.se

Kärt barn har många namn!

MEMS, MOEMS

mikromekanik, MST, microengineering micromachining/

micromachines

MEMS - MicroElectroMechanical SystemsMOEMS - MicroOptoElectroMechanical SystemsMST – MikroSystemTeknik, MikroStrukturTeknik

nano….

20/09/2005 # 23 www.acreo.se

Tillverkningsteknik från IC

tunnfilms deponeringfotolitografietsning

kvasi-3D (2,5D)satsvis

+

specialprocesser

20/09/2005 # 24 www.acreo.se

Processekvens Deposit thin film layer (oxide, metal, polymer)

Spin on photo-resist

Expose with UV-light through mask

Etch exposed photo-resist areas

Etch thin film layer (wet or plasma)

Remove photo-resist

Etch bulk substrate (wet or plasma)

Bond 2:nd substrate (silicon, glass)

20/09/2005 # 25 www.acreo.se

Material

• halvledare• enkla metaller• kvarts • polymerer• nitrider

• glaser och glaskeramer• pläterbara metaller• termoplaster• piezoelektriska material• speciallegeringar• diamant• ….

20/09/2005 # 26 www.acreo.se

Processutrustning i renrum

20/09/2005 # 27 www.acreo.se

Etsteknik

- 90°54.74° <111>

<100>

(a) (b) (c)

20/09/2005 # 28 www.acreo.se

Etsteknik

Bulk bearbetning Yt bearbetning

Etch holeDiaphragm

20/09/2005 # 29 www.acreo.se

Bondning

Vs GlassSilicon

Hot Plate

Top Electrode

200 C < T < 500 C200 V < Vs < 1000 V

20/09/2005 # 30 www.acreo.se

Replikering

20/09/2005 # 31 www.acreo.se

Replikering

Nickel stamper

SiSi

Injection-moulding

Plasticreplica

20/09/2005 # 32 www.acreo.se

LIGA

20/09/2005 # 33 www.acreo.se

Kapsling och elektronik

Sencera

skydd med bondning separat eller integrerad elektronik

Kapsling och anslutning

20/09/2005 # 34 www.acreo.se

Många alternativ och standarder

20/09/2005 # 35 www.acreo.se

Ekonomi och marknad

20/09/2005 # 36 www.acreo.se

Historik

1970

1980

1990

2000

Trycksensorer

Mekaniskt signal filter

Kvartsstämgaffel

Gyro

Lab-on-chip

RF-mems

Accelerometer

Mikrospegel

IR bolometer

Bläckstråle

20/09/2005 # 37 www.acreo.se

0

1 000

2 000

3 000

4 000

5 000

6 000

7 000

8 000

2003 2004 2005 2006 2007

$ m

illio

ns

MicrobolometersRF MEMSBio & Microfluidics comp.DLP (µ-mirrors)MOEMSGyroscopesAccelerometersP sensorsInkjet Head

MEMS komponent marknaden

(ref Yole)

20/09/2005 # 38 www.acreo.se

låg styckekostnad kräver volym

$

0

10

20

30

40

50

60

10K 100K 1M 10MÅrlig produktion

styc

kepr

is

# 39 www.acreo.se

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

20/09/2005 # 40 www.acreo.se

Mer information

organisationer• minST (www.minst.nu)• universitet och högskolor (UU, KTH, LiTH, LTH, Chalmers, ...)• institut (Acreo och Imego)

internet• Danny Bank’s Introduction, www.dbanks.demon.co.uk/ueng

skrifter• Mikrosystem – möjligheternas teknik, www.teknikforetagen.se• Micro Structure Bulletin (MSB), www.colibri.se• SmallTimes, www.smalltimes.com• MST news, www.mstnews.de

20/09/2005 # 41 www.acreo.se

Micro Fluidic Lab

Air Flow Sensor Blood Pressure SensorNeuronal Electrodes

Plastic Replication

Flow Channel Nanoliter Wells Plastic Pump Integrated Valves

Combi Sensor

RF SwitchLaser Fiber Alignment VCSEL Array MicroChip Laser Packaging

QW Bolometer

Micro Dispensor

Wireless sensor

MEMS på Acreo sedan 1989Fluidics, Sensors, Optics, RF

20/09/2005 # 42 www.acreo.se

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 nanoprocesses

• Biomedical applications

20/09/2005 # 43 www.acreo.se

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 # 44 www.acreo.se

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 # 45 www.acreo.se

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 # 46 www.acreo.se

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 # 47 www.acreo.se

slut