Thermo-mechanical properties of a-SiC:H and SiOxNy thin films and development of MEMS.

O presente trabalho, realizado junto ao Grupo de Novos Materiais e Dispositivos (GNMD), no Laboratório de Microeletrônica do Departamento de Sistemas Eletrônicos da Escola Politécnica da USP, visou determinar algumas das propriedades termo-mecânicas de materiais depositados pela técnica de plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD) que são importantes para o desenvolvimento de sistemas microeletromecânicos (MEMS). O módulo de elasticidade, a tensão mecânica residual, o coeficiente de expansão térmica e a condutividade térmica de filmes finos de carbeto de silício amorfo hidrogenado (a-SiC:H) e de oxinitreto de silício (SiOxNy) foram estudados. Medidas de nanoindentação e ressonância de cantilevers foram utilizadas para a obtenção do módulo de elasticidade e os resultados obtidos foram similares (75 e 91 GPa) pelos dois métodos e compatíveis com valores encontrados na literatura. Além disso, obteve-se o módulo de elasticidade de filmes de cromo (285 GPa). A tensão mecânica residual dos filmes utilizados neste trabalho foi medida através da curvatura do substrato induzida pela deposição dos filmes e pela deformação de cantilevers. O valor médio da tensão mecânica, obtido pela curvatura do substrato, variou de -69 MPa até -1750 MPa, mostrando grande dependência das condições de deposição dos filmes. O método que utiliza a deformação de cantilevers possibilitou a obtenção do gradiente de tensão mecânica, que também mostrou uma dependência das condições de deposição, sendo sempre o a-SiC:H quase estequiométrico o menos tensionado. O coeficiente de expansão térmica foi medido utilizando a técnica do gradiente de temperatura e o valor obtido foi similar a valores reportados na literatura para o carbeto de silício cristalino. Para um a-SiC:H quase estequiométrico foi obtido um coeficiente de expansão térmica de 3,41 m/oC, enquanto para um a-SiC:H rico em carbono o valor foi de 4,36 m/oC. Também foi verificado que a variação da resistência do cromo em função da temperatura é pequena, não permitindo sua utilização como sensor de temperatura e inviabilizando a obtenção da condutividade térmica dos filmes estudados. Além disso, foram apresentados trabalhos promissores, mostrando o potencial dos materiais estudados para o desenvolvimento de MEMS. Nesses trabalhos, demonstrou-se a viabilidade de integrar microestruturas atuadas termicamente e guias de onda ópticos, utilizando os materiais estudados neste trabalho. Foram fabricados chaves ópticas, portas lógicas ópticas, fontes de luz integradas e acoplamento das fontes de luz com guias de onda.This work, realized at the New Materials and Devices Group (GNMD) at the Microelectronics Laboratory of the Department of Electronic Systems of the Polytechnic School of the University of São Paulo, focused at the determination of thermo-mechanical properties of materials deposited by plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD) that are important for the development of microelectromechanical systems (MEMS). The Youngs modulus, the residual stress, the coefficient of thermal expansion and the thermal conductivity of amorphous hydrogenated silicon carbide (a-SiC:H) and silicon oxynitride (SiOxNy) thin films were studied. Nanoindentation and the resonance of cantilevers were used to obtain the Youngs modulus. The results were similar (75 and 91 GPa) with both methods and compatible with literature values. Further, the Youngs modulus of chromium films was also obtained (285 GPa). The residual stress of thin films was obtained through the substrate curvature induced by the film deposition and through the deformation of cantilever beams. The residual stress, obtained through the substrate curvature, varied between -69 MPa and -1750 MPa, showing great dependence on the deposition conditions of these materials. The deformation of cantilevers allowed the determination of the stress gradient and it was also affected by the deposition conditions. In all stress measurements the near stoichiometry a-SiC:H film was less stressed. The coefficient of thermal expansion was measured using the temperature gradient technique and the obtain values were similar to those reported in the literature for crystalline silicon carbide. For a near stoichiometry a-SiC:H film, a value of 3.41 m/oC was obtained, while a carbon rich film showed a thermal expansion coefficient of 4.36 m/oC. It was also verified that the variation of the chromium resistance as a function of temperature is small. This did not allow the utilization of chromium as a temperature sensor, which prevented the obtention of the thermal conductivity of the studied films. Also, some promising works were presented, showing potential applications of the studied materials for the development of MEMS. In these works, the viability of integration of thermal actuated microstructures and optical waveguides was demonstrated. In these works, optical switches, optical logic gates, integrated light sources and coupling of integrated light sources with optical waveguides were presented

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

MEMS-based incandescent microlamps for integrated optics applications

In this work we present the fabrication and operation of incandescent microlamps for integrated optics applications. This microlamp emits white and infrared light from a chromium resistor embedded in a free-standing silicon oxynitride (SiO(x)N(y)) cantilever that can be coupled to an optical waveguide. In fact, the chromium resistor is sandwiched between layers of SiO(x)N(y) that isolate it from the atmosphere, while electric current heats the resistor to incandescent temperatures. The same SiO(x)N(y) material used in the microlamp fabrication is also used to produce the optical waveguides to allow a monolithic integration of light source and optical circuit. Front-side bulk micromachining of the silicon substrate in potassium hydroxide (KOH) solution is used to fabricate the cantilevers that thermally isolate the resistors from the substrate, thus reducing the heat transfer and the current required to light the lamp.FAPESPCNP

A Microwave-Based Microfluidic Cell Detecting Biosensor for Biological Quantification Using the Metallic Nanowire-Filled Membrane Technology

A label-free, sensitive, miniaturized sensing device was developed for detecting living cells in their flow stream. The outstanding performance of this biosensor in distinguishing living cells in cell suspension was achieved by integrating microstrip stub resonator above a microfluidic structure using the metallic nanowire-filled membrane technology. The cell suspension flows in a microfluidic channel placed between the tip of the stub resonator and its ground plane as the substrate to take advantage of the uniform and concentrated field distribution. We studied the changes in relative permittivity due to the presence of a single living cell in the phase of the transmitted signal (S21). An average variation of as much as 22.85 ± 1.65° at ~11.1 GHz is observed for the living cell sensing using this optimized device. This biosensor could detect rapid flowing cells in their biological medium in real-time and hence, can be used as an early diagnosis and monitoring tool for diseases