Dielekrični sloj

Kot izolacijski dielektrični sloj smo uporabili tip fotorezista SU-8 GM 1050 proizvajalca Gersteltec Sarl. SU-8 GM 1050 je visoko kontrastni fotorezist na osnovi epoksija. Primarno se ga uporablja v mikroelektroniki, kjer je potreben kemično in termično stabilen sloj.

Fizikalne lastnosti SU-8 GM 1050, podane s strani proizvajalca, so prikazane v preglednici 4.2.

Pred nanosom dielektričnega materiala smo na površino nanesli sloj temeljnega premaza imenovan Omnicoata, ki povečuje adhezijo SU-8 fotorezistov. Nanesli smo ga s pomočjo spin coatinga pri hitrosti 4000 RPM. Po končanem postopku nanašanja sledi še korak SB pečenja pri temperaturi 200 °C za 2 minuti.

Eksperimentalno delo

Preglednica 4.2: Fizikalne lastnosti SU-8 GM1050 [50]

Lastnost Vrednost Enota

Dielektrična konstanta 3.2 (10 MHz) /

Volumska upornost 1 ∙ 10¹⁶ cm

Porušitvena napetost 0,1-11 V/μm

Toplotna prevodnost 0,2 W/mK

SU-8 smo na površino nanesli s pomočjo spin coatinga. Ker gre za tekočino z visoko viskoznostjo, smo z namenom enakomernega nanosa sloja postopek spin coatinga pričeli s pospeševanjem kotne hitrosti 100 RPM/s do končne hitrosti 1000 RPM, pri kateri se je nato vzorec vrtel 40 sekund. Pri končni hitrosti 1000 RPM dosežemo debelino sloja 8,4 μm, kot je razvidno iz slike 4.13. Spin coatingu sledi korak SB pečenja, pri čemer smo elektrode na grelni plošči temperature 120 °C pustili 2 minuti. Z namenom debelejšega sloja SU-8 smo postopek ponovili, kar pomeni, da je debelina sloja na koncu znašala 16,8 μm. Utemeljitev te odločitve je opisana v poglavju 4.1.5.1.

Slika 4.13: Odvisnost debeline fotorezista tipa SU-8 GM 1050 od kotne hitrosti vrtenja [49]

V nadaljevanju smo substrat izpostavili UV svetlobi za 30 minut, saj je SU-8 prav tako fotorezist in se z izpostavljenostjo UV svetlobi utrdi. Temu sledi korak PEB pečenja na grelni plošči. Najprej se PEB pečenje izvaja 1 minuto pri temperaturi 65 °C, nato pa še 10 minut pri temperaturi 95 °C. Zadnji korak je trdno pečenje (ang. hard bake (HB)), ki traja 10 minut na grelni plošči temperature 150 °C. Namen HB pečenja je odpravljanje napak, predvsem razpok, ki nastanejo po nanosu dielektrika. Proizvajalec dielektrika podaja podatek, da naj bi v nanosu vse razpoke, manjše od 5 μm, izginile.

Eksperimentalno delo

Celotno sosledje nanosa dielektričnega sloja z vsemi pripadajočimi parametri prikazuje slika 4.14.

Slika 4.14: Sosledje postopka nanosa dielektričnega sloja

4.1.5.1. Debelina dielektrika ter napetost porušitve

Na delovanje naprave elektro-omočljivosti ima največji vpliv dielektrični sloj.

Najpomembnejši parameter pri dielektričnem sloju je maksimalna napetost, katero dielektrični sloj zdrži preden pride do dielektrične porušitve. Dielektrična porušitev ali dielektrična odpoved je pojav, pri katerem izolacijski material prevaja električno napetost.

Dielektrična odpoved rezultira v nepopravljivi škodi na napravi. Kot je prikazano v preglednici 4.2, je porušitvena napetost, ki jo podaja proizvajalec za SU-8 med 0,1 in 11 V/μm. Upoštevajoč enačbo (2.31) pomeni, da dielektrični sloj debeline 16,8 μm zdrži napetost med 1,68 V in 184,8 V.

Graf na sliki 4.15 prikazuje odvisnost potrebne dovedene električne napetosti za spremembo kota omočljivosti ∆θ = 50° od debeline dielektričnega sloja. S preoblikovanjem enačbe (2.22) lahko izračunamo potrebno dovedeno električno napetost za željeno spremembo kota omočljivosti. Na sliki 4.15 modra krivulja prikazuje potrebno dovedeno električno napetost za spremembo kota omočljivosti 50°. Rdeča krivulja na sliki 4.15 prikazuje napetost dielektrične porušitve za vrednost porušitvene napetosti 11 V/μm pri določeni debelini dielektričnega sloja (izračunano po enačbi (2.31)). Točka v kateri se modra in rdeča krivulja stikata predstavlja minimalno potrebno debelino dielektrika, da pri dovedeni napetosti (ki je potrebna za spremembo kota omočljivosti 50°) ne pride do dielektrične porušitve. Iz slike 4.15 lahko opazimo, da pri porušitveni napetosti dielektrika, kakršno podaja proizvajalec, potrebujemo debelino sloja večjo od 35 μm. Pri taki debelini dielektrika, bi bil potreben več kot štiri slojni nanos.

Eksperimentalno delo

Slika 4.15: Grafična določitev minimalne debeline dielektričnega sloja

Proizvajalec nam je v pomoč pri določanju porušitvene napetosti posredoval članek [51], ki opisuje vpliv temperature HB pečenja na lastnosti SU-8. Pri HB pečenju na temperaturi 150 °C so izmerili porušitveno napetost 40 V/μm. V primeru porušitvene napetosti 40 V/μm sloj SU-8 GM 1050 debeline 16,8 μm zdrži maksimalno napetost 672 V. Na sliki 4.15 je napetost dielektrične porušitve prikazana z zeleno barvo. Iz slike je razvidno, da pride v tem primeru do dielektrične porušitve pri veliko manjši debelini dielektričnega sloja (stik modre in zelene krivulje). Pri eksperimentalnem testiranju z debelino sloja 8,4 μm smo ugotovili, da pride do dielektrične porušitve v materialu, zato smo se odločili za dodaten sloj. Prednost dveh slojev dielektrika je tudi v tem, da se defekti posameznega sloja izničujejo. Če ima en sloj na določenem mestu defekt, bo drugi sloj ta defekt izničil. Vendar pa bo drugi sloj, na mestu defekta prvega sloja, občutil polno dovedeno električno napetost. Tam mora dovedeni potencial zanesljivo zdržati brez okvare, kar se je v nadaljevanju izkazalo da drži.

Uporabljena silicijeva rezina ima na površini sloj SiO2 debeline 2000 nm. Dielektrična trdnost toplotno pridelanega SiO2 znaša 1000 V/μm, kar še dodatno pripomore k višji porušitveni napetosti dielektričnega sloja. Zgolj sloj SiO2 zdrži torej napetost 2000 V.

Dielektrična trdnost SiO2, velja na splošno za eno izmed največjih dosegljivih ter med materiali, ki se uporabljajo v običajni mikroelektroniki, za največjo [52].