Diseño y fabricación de sistemas micro/nano electromecánicos integrados monolíticamente para aplicaciones de sensores de masa y sensores biológicos con palancas como elementos transductores

Abstract

El objetivo de esta tesis es la implementación de sensores de alta resolución, formados por sistemas micro/nano electromecánicos integrados monolíticamente, basados en palanca como elemento transductor y utilizando para la fabricación tecnologías de silicio. En concreto, se determinará la tecnología de fabricación óptima para la implementación de sensores basados en palancas, para aplicaciones en aire o vacio y líquido. Se establecerán las técnicas de detección y excitación adecuadas para los sensores basados en palancas. Y se realiza la compatibilización de la tecnología de fabricación de sensores con la tecnología CMOS, de forma que se consiga la integración monolítica del sistema.<br/>Para ello, se fabrican tres demostradores distintos, dos de ellos sensores de masa formados por palancas resonantes y un tercer sistema capaz de trabajar en medio líquido para detección electroquímica. <br/>En el primer demostrador se fabrica un sensor de masa formado por una matriz de palancas de polisilicio integrado monolíticamente con la circuitería de lectura. Para ello se utiliza como capa estructural uno de los niveles de polisilicio de la tecnología CMOS utilizada (tecnología CMOS CNM25 2P, 2M con dos niveles de metal y dos niveles de polisilicio). Se han diseñado matrices de cuatro y ocho palancas que permiten realizar medidas multiplexadas de cada una de las palancas independientemente y medidas diferenciales. De forma que por un lado se aumenta la versatilidad del sistema y al realizar medidas diferenciales mejora la resolución. Durante el proceso CMOS se definen las áreas de fabricación y como post-proceso se definen los transductores mecánicos. Tras caracterización eléctrica de los sistemas, de este demostrador se concluye que la integración monolítica es posible y se dispone de un sistema versátil, con resolución en masa inferior a los 40 ag/Hz. <br/>El segundo demostrador consiste en un sensor de masa formado por palancas resonantes de silicio cristalino. Para utilizar silicio cristalino como capa estructural se desarrolla una nueva tecnología, a partir de sustratos SOI, que permite definir regiones para fabricación de la circuitería CMOS y regiones con estructura SOI para la implementación de los transductores. Una vez definida la tecnología, se implementan sensores de masa resonantes (como en el primer demostrador) con mejores características de la capa estructural. Se ha probado el funcionamiento de dichos sensores con una resolución máxima en masa de 7 ag/Hz. La tecnología desarrollada permite la fabricación de sistemas MEMS/NEMS integrados monolíticamente que utilizan silicio cristalino como capa estructural. <br/>Por ultimo se ha desarrollado un tercer dispositivo, que permite trabajar en medio líquido. Se utiliza como elemento transductor una palanca de silicio cristalino. Para detectar la deflexión de la palanca (provocada por estrés superficial debido al depósito de moléculas) se miden variaciones de corriente electroquímica entre la palanca y un electrodo muy próximo a ella dentro de un bipotenciostato. Es preciso que la separación entre dos electrodos sea inferior a los 100 nm, para poder medir esta corriente. Definir estas separaciones supone un reto tecnológico importante, dado que se trata de definir cortes en silicio de una micra de grosor, con anchura inferior a los 100 nm. Se utilizan técnicas de litografía con resolución nanométrica (con microscopio de fuerzas atómicas, AFM y haz focalizado de iones, FIB) combinadas con grabado seco por iones reactivos (RIE) y ataque directo mediante FIB. Se han conseguido los cortes requeridos y se demuestra el funcionamiento del dispositivo.

The objective of this thesis work is to implement high resolution sensors, formed by micro/nano electromechanical systems integrated monolithically, using cantilevers as transducer and silicon technologies for the fabrication. In particular, the optimal fabrication technology is determined to implement cantilever based sensors for air or vacuum applications and liquid ones. Detection and excitation optimal techniques for cantilever based systems are established. The compatibilization between the sensors fabrication and the CMOS technology is obtained, to achieve the on chip monolithic system.<br/>To achieve these objectives, three different demonstrators are fabricated. Two of them are mass sensors formed by resonant cantilevers; the third one is a system able to work in liquid with electrochemical detection. <br/>The first demonstrator is a mass sensor formed by a polysilicon cantilevers array integrated monolithically with the readout circuitry. As structural layer, one of the polysilicon layers of the CMOS technology is used (this technology is CMOS CNM25 2P, 2M with two polysilicon layers and to metal ones). Arrays of four and eight cantilevers have been designed, these designs allow multiplexed measures for individual cantilevers and differential measures. On one hand the versatility of the system is increased, by the other differential measures increase the sensor resolution. During CMOS process, fabrication areas are defined; transducers are defined as a post process. After electrical characterization of the system, it can be conclude that the monolithic integration is possible, and it is disposed a versatile system, with mass resolution lower than 40 ag/Hz.<br/>A mass sensor formed by resonant cantilevers of crystalline silicon forms the second demonstrator. To use crystalline silicon as structural layer a new technology is developed: from SOI (Silicon on Insulator) substrates, different regions are defined to implement the CMOS on bulk silicon and regions with SOI structure to the transducers. Once, the technology is defined, mass sensors are implemented (like in first demonstrator) increasing the characteristics of the structural layer. IT has been proved the working way of these sensors, with a mass resolution of 7 ag/Hz. The developed technology allows a new platform for MEMS/NEMS fabrications, by monolithic integration and using crystalline silicon as structural layer. <br/>Finally, a third device has been defined, which allows to work in liquid. As transducer a crystalline silicon cantilever is used. The deflexion of the cantilever (caused by superficial stress due to molecules adherence) is measured by variations in the electrochemical current between the cantilever and an electrode place close to it, inside a bipotenciostat system. The separation between both electrodes must be smaller than 100nm, to measure this current. The definition of this gaps suppose an important technological issue, due that gaps have to be defined in one micron thick silicon, with a wide smaller than 100 nm. Lithography techniques with nanometric resolutions (atomic force microscope, AFM, and focus ion beam, FIB) combined with reactive ion etching (RIE) are used, together with direct etching with FIB.