ES2363283A1 - Dispositivo microelectronico basado en redes de microelectrodos de diseño y anillo, y metodo de fabricacion del mismo. - Google Patents
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Abstract
Dispositivo microelectrónico basado en redes de microelectrodos de disco y anillo, y método de fabricación del mismo.La presente invención consiste en un dispositivo microelectrónico basado en redes de microelectrodos de anillo (6) y disco (5), que consigue que la corriente se amplifique y pueda permitir la raalización de medidas electroquímicas sin tener que utilizar el comúnmente usado electrodo rotante de anillo-disco, el dispositivo tridimensional ayuda a superar las limitaciones de resolución impuestas por la alineadora empleada en las etapas fotolitográficas. La presente invención también describe el método de fabricación de dicho dispositivo microelectrónico.
Description
Dispositivo microelectrónico basado en redes de
microelectrodos de disco y anillo, y método de fabricación del
mismo.
La presente invención se enmarca en el área
científico-técnica de la Química, dentro del sector
de las aplicaciones electroquímicas, en entornos donde se utilicen
técnicas voltamperométricas, como la voltametría cíclica o la
amperometría. Puede emplearse en sectores tan dispares como el
control de aguas, la determinación de metales pesados o de
parámetros electroquímicos de interés analítico, como también puede
emplearse como base de nuevos biosensores.
El objeto principal de la presente invención se
refiere a un dispositivo microelectrónico basado en redes de
microelectrodos de disco y anillo y al método de fabricación del
mismo. Otro objetivo de la presente invención es su aplicación en
mediciones electroquímicas.
El electrodo rotante es una herramienta
electroquímica clásica que permite mantener un flujo controlado y
constante de material hacia la superficie de un electrodo. Es una de
las varias técnicas conocidas como "hidrodinámicas", junto a
sistemas como celdas de flujo o electrodos de chorro ("wall
jet", en Inglés). Los electrodos rotantes son muy conocidos y
ampliamente utilizados para estudios tanto electroanalíticos como de
caracterización de materiales o de medida de mecanismos de reacción
y determinación de parámetros cinéticos. Un electrodo rotante es
generalmente un electrodo de disco, formado por un metal como oro,
platino u otro, o bien carbono o derivado del carbono, pulido y
rodeado de un material aislante de forma cilíndrica y con el cual
resulta concéntrico. Este electrodo se acopla a un motor conectado a
una unidad que permite un control muy preciso de la velocidad de
rotación, de manera que puedan obtenerse condiciones reproducibles.
En general se busca generar condiciones de flujo laminar en la
interfase electrodo-disolución, de manera que se
consiga un aporte elevado y constante de material que resulte en
corrientes limitantes fáciles de medir. Los electrodos rotantes se
emplean típicamente para determinar parámetros mecanísticos tales
como coeficientes de difusión o concentración de un determinado
analito, el número de electrones que intervienen en una determinada
reacción, constantes de reacción o parámetros relacionados con la
viscosidad de un
medio.
medio.
Una variante del electrodo rotante es el
conocido como electrodo rotante de anillo y disco. Este dispositivo
tiene sus orígenes a finales de los años 1950, cuando Frumkin y
Nekrasov lo desarrollaron con el fin de detectar intermedios de
reacción inestables. Consiste en un electrodo de disco rotante
rodeado por un anillo aislante concéntrico y a continuación por
segundo electrodo anular concéntrico. Así se consigue disponer de
dos electrodos independientemente polarizables, lo que permite
utilizar el disco central como electrodo "generador" de nuevas
especies químicas que pueden ser detectadas en el electrodo anular
contiguo, que actúa como "colector". Todo esto permite
determinar constantes cinéticas de reacción, ya que modulando la
velocidad de rotación del sistema se consiguen mayores o menores
tasas de aporte de materia del disco al anillo. Además de jugar con
la velocidad de rotación, también es posible variar la distancia que
separa a ambos electrodos. Cuánto más pequeña sea dicha distancia,
más rápidos serán los procesos que se pueden estudiar. Esta
capacidad de trabajar con los dos electrodos actuando como
"generador" y "colector" también viene aprovechándose en
otro tipo de dispositivos de escala micrométrica, conocidos como
microelectrodos de doble y triple banda, pero más eficazmente en los
microelectrodos interdigitados.
Los microelectrodos son electrodos que
presentan, por lo general, al menos una dimensión del orden de
magnitud o inferior al espesor de la capa de difusión que se genera
cuando trabajan. Habitualmente, esta dimensión es del orden de unas
pocas micras. Los microelectrodos pueden fabricarse mecánica o
litográficamente, y son de gran utilidad en electroanálisis de
medios muy resistivos, o para medidas de analitos presentes a baja
concentración, o para medidas cinéticas de fenómenos rápidos (en
comparación con lo que se puede llegar a medir con un macroelectrodo
o con un electrodo rotante). Dado su pequeño tamaño, los
microelectrodos tienen una serie de ventajas adicionales. Entre
otras cosas, experimentan pérdidas ohmicas ("iR drop")
muy bajas, por lo que pueden ser empleados en medios muy resistivos,
también experimentan corrientes capacitivas muy bajas, ya que su
área es muy pequeña. Como contrapartida, la corriente que se puede
llegar a medir en un microelectrodo es típicamente muy baja, del
orden de los nanoamperios. Esto obliga a trabajar con equipos
bastante sensibles y en condiciones de aislamiento eléctrico
bastante
estrictas.
estrictas.
Las redes de microelectrodos son agrupaciones
ordenadas o aleatorias de un número más o menos grande de
microelectrodos, conectados en paralelo. En la invención que se
presenta se trabaja con de redes de microelectrodos conectados en
paralelo, aunque también se podrían hacer dispositivos
individualmente accesibles. En una red de microelectrodos se suman
las corrientes obtenidas en cada uno de los microelectrodos que la
componen ya que los microelectrodos están conectados a un contacto
único,con lo que se consigue elevar el orden de magnitud de la
corriente total y facilitar así su medida. Por otro lado, y operados
en condiciones óptimas, las redes de microelectrodos permiten
conservar prácticamente todas las ventajas de los microelectrodos
individuales, tales como son la sensibilidad y la baja componente
capacitiva de la corriente, en comparación con un macroelectrodo que
tuviese la misma área superficial que el área ocupada por la
red.
La mayoría de las redes de microelectrodos que
se utilizan están formadas por microdiscos, aunque también es
posible encontrar microelectrodos de otras geometrías. La segunda
geometría más estudiada son las microbandas. Inicialmente se trabajó
sobre microbandas individuales, seguido de la combinación de dos. La
limitación venía dada por la técnica de fabricación. Lo más habitual
era partir de una fina lámina del metal que se quería emplear como
electrodo. Esta lámina se encapsulaba en un material aislante, como
vidrio o alguna resina, de modo que al pulir el conjunto quedase
expuesto el borde de la lámina, dando lugar a una microbanda.
Más adelante, con la disponibilidad de técnicas
fotolitográficas, comienzan a surgir dispositivos en los que hay una
multitud de microbandas conectadas de forma alternada en dos
electrodos interdigitados. Estos dispositivos se han utilizado
principalmente para medidas de impedancia y capacidad, aunque
también hay ejemplos de su utilización en amperometría. Los
electrodos interdigitados pueden usarse en modo
"generador-colector", y sus eficiencias de
colección son más altas que en los electrodos de dos o tres
microbandas. Su misión es similar a la del disco rotatorio, aunque
las implicaciones teóricas difieren en parte.
La presente invención consiste en un dispositivo
microelectrónico red de microelectrodos de anillo y disco dispuestos
en una configuración tal que consigue que la corriente se amplifique
y pueda permitir la realización de medidas electroquímicas sin tener
que utilizar el comúnmente usado electrodo rotante de
anillo-disco con las ventajas que esto supone. Como
se ha descrito anteriormente en el estado de la técnica, hay
múltiples soluciones para realizar mediciones; el dispositivo
microelectrónico objeto de la invención ofrece varias ventajas sobre
estas soluciones conocidas. Estas ventajas son principalmente la
miniaturización, la falta de necesidad de disponer de un caro
sistema rotor y la posibilidad de estudiar procesos químicos
rápidos.
A su vez la invención propuesta no sólo se
centra en un dispositivo microelectrónico basado en redes de
microelectrodos de anillo y disco, sino que además describe un
procedimiento de obtención para su posterior uso en aplicaciones
electroquímicas donde se utilicen técnicas voltamperométricas,
siendo de gran utilidad para sectores como el control de aguas, la
determinación de metales pesados, la determinación de parámetros
electroquímicos de interés analítico, y la detección mediante
biosensores.
La presente invención se basa en la fabricación
mediante técnicas fotolitográficas de redes de microelectrodos de
disco y de anillo sobre un chip planar para la amplificación de
corriente, logrando de este modo una miniaturización notablemente
significativa de los actuales electrodos rotantes de
anillo-disco que son comúnmente usados para la
realización de medias electroquímicas.
Así pues se superan los límites de resolución de
la alineadora en el paso fotolitográfico y se facilita la
posibilidad de nuevas geometrías.
Los equipos de fotolitografía ópticos como los
utilizados habitualmente en procesos CMOS están sujetos a unos
límites de resolución, que en la actualidad se encuentran en torno a
una micra. Esto quiere decir que no sería posible definir motivos
muy por debajo de ese tamaño, y esto también afecta a la separación
entre motivos.
Otra ventaja de fabricar los microelectrodos en
dos niveles diferentes es que se hace posible realizar geometrías
que de otro modo resultarían imposibles en un único plano. Por
ejemplo, si se deseara construir un microelectrodo circular rodeado
por otro anular, sería necesario que el anillo estuviese abierto por
la zona a través de la que saliera la conexión del disco, con lo que
la geometría original quedaría desvirtuada. El caso de la presente
invención, que incluye una red formada por muchos de estos sistemas
disco-anillo, resultaría del todo imposible si se
realizara en un solo nivel. Otras configuraciones, como por ejemplo
estructuras de tipo peine o microbandas interdigitadas, también se
verían beneficiadas por esta disposición en dos planos paralelos
separados por la capa de dieléctrico en contraste con la
aproximación habitual de disponer las microbandas en el mismo
plano.
Una de las ventajas de disponer de una red de
microelectrodos de disco y anillo, en comparación con un sistema de
electrodo rotante de disco y anillo es que se elimina la necesidad
de un sistema rotor, ya que aprovechamos las altas tasas de
transporte de materia que caracterizan el comportamiento de los
microelectrodos y también se consigue un mayor nivel de
miniaturización del montaje experimental.
Debido al reducido tamaño del dispositivo, es
posible trabajar con volúmenes de muestra más pequeños que con un
electrodo rotante convencional, donde el diámetro del electrodo es
de al menos un centímetro. Además del espacio que ocupa el electrodo
rotante, también es necesario contar en el sistema con un electrodo
auxiliar y con otro de referencia. En el caso de trabajar con chips,
tanto el electrodo auxiliar como el de referencia pueden
integrarse.
El hecho de reducir la separación entre
microelectrodos por debajo de una micra permite al electroquímico
medir procesos cinéticos rápidos (>5x10^{3} s^{-1}) con un
bipotenciostato convencional y a velocidades de barrido moderadas.
Esto también implica que se puedan medir procesos
ultra-rápidos si se dispone de un potenciostato
rápido. En este sentido, cabe destacar que este tipo de
potenciostatos rápidos muestran plenamente sus posibilidades
trabajando con microelectrodos, ya que éstos experimentan corrientes
capacitivas y caídas óhmicas muy por debajo de las sufridas por
electrodos convencionales (macroelectrodos).
Como se desprende de las características y
ventajas anteriormente descritas, el hecho de hacer el dispositivo
tridimensional ayuda a superar las limitaciones de resolución
impuestas por la alineadora empleada en las etapas
fotolitográficas.
Las máquinas más usuales utilizadas para
realizar fotolitografía en obleas con metales nobles (oro, platino e
iridio, por poner tres ejemplos) tienen una resolución de entre tres
y cinco micras. Esto quiere decir que la mínima separación que se
puede obtener entre electrodos dispuestos en el mismo plano sería de
al menos 3 a 5 micras. Al pasar a una configuración tridimensional
se puede llegar a separar los electrodos media micra sin demasiada
dificultad.
La eficacia de los dispositivos aumenta al
disminuir la distancia que separa los microelectrodos, porque las
corrientes medidas están condicionadas por el transporte de materia
y, lógicamente, cuanto menor sea la distancia a través de la cual
tienen que difundir las moléculas, más rápido podrán pasar de un
electrodo a otro, y mayor será la corriente registrada.
Así pues, en un primer aspecto de la invención
se describe un dispositivo microelectrónico basado en redes de
microelectrodos de disco y anillo sobre una oblea de silicio útil
para medir parámetros electroquímicos, en adelante dispositivo
microelectrónico, que comprende:
- a)
- Un chip planar formado a partir de una oblea de un material semiconductor seleccionado entre silicio, pírex, cuarzo y carburo de silicio.
- b)
- Una primera capa de material dieléctrico seleccionado, entre un óxido, un nitruro, una combinación de ambos y un polímero o una resina, que separa y aísla eléctricamente,
- c)
- Un nivel metálico inferior
- d)
- Una segunda capa de material dieléctrico
- e)
- Un nivel metálico superior donde se encuentran definidos los microelectrodos.
- f)
- Una tercera capa de material dieléctrico; seleccionado entre un óxido, un nitruro, una combinación de ambos y un polímero o una resina, donde se encuentran definidos también los puntos de conexión.
- g)
- Anillos definidos en el nivel metálico superior y discos definidos en el nivel metálico inferior.
\vskip1.000000\baselineskip
Un aspecto particular de la invención lo
constituye el dispositivo microelectrónico de la invención en el que
el nivel metálico inferior y el nivel metálico superior pueden ser
constituidos a partir de cualquier tipo de material susceptible a
ser depositado por técnicas compatibles con procesos de sala blanca
como sputtering, evaporación, electroporación o PVD.
Una realización particular de la invención lo
constituye el dispositivo microelectrónico de la invención en el que
el material metálico del nivel metálico inferior y del nivel
metálico superior es una tricapa de titanio, níquel y oro.
Con el fin de optimizar la amplificación de la
corriente, uno de los aspectos de importante relevancia radica en el
espesor de la capa de material dieléctrico que será la que controle
la distancia efectiva entre los microelectrodos de disco situados en
el nivel metálico inferior y los microelectrodos de anillo situados
en el nivel metálico superior. Este parámetro variará según el tipo
de material aislante que se utilice, pudiendo ser de mayor espesor
si éste es un polímero o una resina; este parámetro está
influenciado también por el tipo de material del chip utilizado.
Así pues, otro aspecto particular de la
invención lo constituye el dispositivo microelectrónico de la
invención en el que cuando el material dieléctrico de la primera
capa de material dieléctrico es un óxido, un nitruro o una
combinación de ambos, el espesor de dicha capa está comprendido
entre 400 nanómetros y 2 micrómetros.
Otro aspecto particular de la invención lo
constituye el dispositivo microelectrónico de la invención en el que
cuando dieléctrico de la primera capa de material dieléctrico es un
polímero o una resina, el espesor de dicha capa está comprendido
entre 50 nanómetros y 100 micrómetros.
Otro aspecto particular de la invención lo
constituye el dispositivo microelectrónico de la invención en el que
el chip planar es de silicio y en el que la primera capa de material
dieléctrico es de un espesor de, al menos 0.5 micrómetros.
Tal como se ha comentado en el estado de la
técnica en una red de microelectrodos se suman las corrientes
obtenidas en cada uno de los microelectrodos que la componen
conectados en paralelo, estando dichos microelectrodos están
conectados a un contacto único. En la presente invención los
inventores han observado que la configuración en paralelo es la que
logra una mayor amplificación de la corriente.
Así pues, otro aspecto particular de la
invención lo constituye el dispositivo microelectrónico de la
invención en el que los microelectrodos de anillo y disco que forman
las redes conectados en paralelo, pues la conexión en paralelo logra
una mayor amplificación de la corriente.
Otro aspecto de la invención lo constituye un
procedimiento de obtención de la red de microelectrodos de anillo y
disco, en adelante procedimiento de la invención, que se realiza
mediante técnicas fotolitográficas y comprende las siguientes
etapas:
a) Deposición de una capa de material
dieléctrico sobre una oblea, de tal forma que el silicio o material
que forma la oblea quede aislado con un espesor a partir de 0.6
micrómetros, preferentemente de 1 micrómetro de óxido.
b) Primera metalización de la oblea obtenida en
a) mediante la deposición de un metal que formará los discos.
c) Etapa de fotolitografía para definir la
geometría de los discos del nivel metálico inferior que comprende
las siguientes subetapas:
- i)
- Exposición a través de una máscara con los motivos geométricos correspondientes, así como los motivos de alineamiento necesarios para la correcta definición de los siguientes niveles fotolitográficos.
- ii)
- Revelado en un baño de disolvente.
- iii)
- Grabado consistente, por ejemplo, en un ataque redox en un baño de yodo/yoduro de las zonas no protegidas por la fotoresina, a fin de eliminar el metal de las zonas no protegidas.
- iv)
- Decapado con acetona para eliminar toda la resina o mediante exposición a un plasma de oxígeno.
- v)
- Limpiado de la oblea mediante sucesivos lavados con agua desionizada.
d) Deposición de una capa de material
dieléctrico con propiedades de aislamiento eléctrico sobre la
oblea.
e) Segunda metalización en el que se deposita el
segundo nivel de metal que servirá para definir los anillos.
f) Etapa de fotolitografía para definir la
geometría de los planos que contendrán los microelectrodos anulares
del nivel metálico superior que comprende las siguientes
subetapas:
- i)
- Ataque húmedo del metal.
- ii)
- Decapado de la resina.
g) Deposición de una nueva capa de material
dieléctrico que será lo más delgada posible, para mantener aislado
eléctricamente al segundo metal.
h) Definición de los discos situados en el nivel
metálico superior, y que marcan el diámetro exterior de los anillos,
y del contacto correspondiente que comprende las siguientes
subetapas:
- i)
- Exposición a través de una máscara de cromo o una transparencia en la que se han definido los motivos correspondientes a los microelectrodos situados en el nivel metálico superior.
- ii)
- Revelado en un baño de disolvente.
- iii)
- Grabado de la capa de dieléctrico superior.
- iv)
- Grabado de la capa intermedia de dieléctrico.
- v)
- Eliminación de la resina de las zonas protegidas en un baño de acetona.
- vi)
- Limpiado de la oblea mediante sucesivos lavados con agua desionizada.
Después de todo el proceso descrito, una
realización particular de la invención lo constituye el
procedimiento de la invención en el que el material dieléctrico
usado en la etapa a) es un óxido de silicio.
Otro aspecto particular de la invención lo
constituye el procedimiento de la invención en el que la
metalización de b) se lleva a cabo con un material susceptible a ser
depositado por técnicas compatibles con procesos de sala blanca como
sputtering, evaporación, electroporación o PVD, perteneciente, a
título ilustrativo y sin que limite el alcance de la invención, al
siguiente grupo: tricapa de titanio, níquel y oro, oro sobre cromo y
oro directamente sobre el
sustrato.
sustrato.
Otra realización particular de la invención lo
constituye el procedimiento de la invención en el que el disolvente
usado en la subetapa de revalado c.ii) de la etapa de fotolitografía
c) es el hidróxido de tetrametil amonio
(TMH).
(TMH).
Otra realización particular de la invención lo
constituye el procedimiento de la invención en el que la subetapa de
decapado c.iv) de la etapa de fotolitografía c) se realiza mediante
exposición a un plasma de oxígeno.
Otro aspecto particular de la invención lo
constituye el procedimiento de la invención en el que el material
dieléctrico usado en la etapa d) puede ser cualquier material con
propiedades de aislamiento eléctrico seleccionado, a título
ilustrativo y sin que limite el alcance de la invención, al
siguiente grupo: un óxido, un nitruro, una combinación de ambos, un
polímero o una resina. La misión de este material es doble: por un
lado aislar eléctrica y herméticamente el metal del resto, y por
otro, controlar la separación entre el disco y el anillo.
Otra realización particular de la invención lo
constituye el procedimiento de la invención en el que el material
dieléctrico usado en la etapa d) es un oxinitruro.
Otra realización particular de la invención lo
constituye el procedimiento de la invención en el que el material
dieléctrico de g) es una fotoresina. Esta capa de material
dieléctrico debe ser lo más delgada posible a fin de no limitar el
acceso al material por difusión a los electrodos, tanto a los
anillos como a los microelectrodos porque están enterrados al menos
0.4 micrómetros. Este nuevo dieléctrico debe presentar el espesor
mínimo de material que garantiza aislamiento eléctrico del sistema.
En el caso de la realización de la invención, como se utiliza una
capa mixta de oxido y nitruro, debe ser al menos 0.5 micras.
Otra realización particular de la invención lo
constituye el procedimiento de la invención en el que el disolvente
usado en la subetapa de revalado h.ii) de la etapa de fotolitografía
h) es el hidróxido de tetrametil amonio
(TMH).
(TMH).
Otro aspecto particular de la invención lo
constituye el procedimiento de la invención en el que el grabado de
la capa de dieléctrico superior h.iii) de la etapa de fotolitografía
h) se lleva a cabo mediante grabado húmedo o
seco.
seco.
Otra realización particular de la invención lo
constituye el procedimiento de la invención en el que el grabado de
la capa intermedia de dieléctrico h.vi) de la etapa de
fotolitografía h) se lleva a cabo mediante la técnica de de grabado
por iones reactivos.
Otro aspecto de la invención lo constituye el
uso del dispositivo microelectrónico de la invención para
aplicaciones electroquímicas como el control de aguas, la
determinación de metales pesados, la determinación de parámetros
electroquímicos de interés analítico, así como su uso como base de
biosensores.
En resumen, la presente invención, que consiste
en una red de microelectrodos de anillo y disco dispuestos en una
configuración específica, consigue que la corriente se amplifique y
pueda permitir la realización de medidas electroquímicas sin tener
que utilizar el comúnmente usado electrodo rotante de
anillo-disco con las ventajas que esto supone. Como
se ha mencionado anteriormente, estas ventajas son principalmente la
miniaturización, la falta de necesidad de disponer de un caro
sistema rotor y la posibilidad de estudiar procesos químicos
rápidos.
Para complementar la descripción que se está
realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las
características de la invención, de acuerdo con un ejemplo
preferente de realización práctica de la misma, se acompaña como
parte integrante de dicha descripción, un juego de dibujos en donde
con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo
siguiente:
Figura 1.- Muestra el estado de la técnica. Un
esquema del electrodo rotante.
Figura 2.- Muestra el estado de la técnica. Un
esquema del electrodo rotante de disco y anillo.
Figura 3.- Esta figura muestra un esquema de la
capa de difusión, d, sobre un microelectrodo de radio r.
Figura 4.- Esta figura muestra un dispositivo
acabado y detalle de sus partes.
Figura 5.- En esta figura se aprecian los pasos
de fabricación del dispositivo.
Figura 6.- Esta figura detalla las distintas
fases de la fabricación del dispositivo.
Figura 7.- En esta figura se muestra un detalle
del dispositivo acabado.
Para un mejor entendimiento de la invención a
continuación se describen unos ejemplos de realización de la
misma:
Tal y como se desprende de las figura 1 y 2,
donde se puede ver una representación esquemática del estado de la
técnica, el dispositivo objeto de la invención se basa en estos
conceptos.
Como se desprende de la figura 1 donde se
representa el estado de la técnica, un electrodo rotante está
comprendido por:
- -
- Un material aislante (20).
- -
- Un electrodo de disco (21).
- -
- Un contacto entre el disco y el eje metálico del electrodo (22).
- -
- Un eje metálico del electrodo, que se conecta al rotor (23).
\vskip1.000000\baselineskip
Tal y como muestra la figura 2, donde se
representa el estado de la técnica, el electrodo rotante de disco y
anillo está formado por:
- -
- Un material aislante (24).
- -
- Un electrodo de anillo (25).
- -
- Un electrodo de disco (26).
- -
- Un contacto entre el electrodo de disco y el eje metálico del electrodo (27).
- -
- Un contacto del electrodo de anillo (28).
- -
- Un eje metálico del electrodo, que se conecta al rotor (29).
\vskip1.000000\baselineskip
A continuación se detalla una ejemplo de
aplicación, más concretamente se describe un proceso de fabricación
del dispositivo objeto de la invención.
A partir de una oblea de silicio (1), ver fig.
4, pulida se hizo crecer una capa de óxido de alrededor de una micra
de espesor. Esta capa de óxido sirve para aislar eléctricamente la
oblea de silicio (1) del resto del dispositivo. A continuación, se
llevó a cabo la metalización de la oblea de silicio (1). En este
caso esta metalización se realizó depositando una tricapa de titanio
(20-50 nm), que actúa como promotor de adherencia
bajo una capa de níquel (20-50 nm) que actúa como
barrera difusional para evitar la mezcla del titanio con el oro que
se deposita sobre el níquel. La capa de oro tiene un espesor de
50-150 nm.
El siguiente paso consistió en una etapa de
fotolitografía que sirve para definir la geometría del nivel
metálico donde quedarán definidos los discos (5), tal y como se ve
en la fig. 4, en el dispositivo final. Para ello, se depositó una
capa de fotoresina sobre la oblea de silicio (1) metalizada y se
insola a través de una máscara con los motivos geométricos
correspondientes, así como los motivos de alineamiento necesarios
para la correcta definición de los siguientes niveles
fotolitográficos.
Una vez expuesta, se revela en un baño de
disolvente capaz de eliminar la resina no curada. El siguiente paso
consiste en grabar, eliminando el metal de las zonas no protegidas
por la fotoresina. Finalmente, se elimina toda la resina en una
etapa de decapado, y se procede a limpiar de nuevo el resultado
mediante sucesivos lavados con agua desionizada.
El siguiente paso consiste en una etapa de
pasivación con óxido. Dado que es el espesor de esta capa el que
controla la distancia efectiva entre el disco y el anillo, su
espesor es de 1 micras. El óxido crece de forma isotrópica sobre
toda la superficie.
A continuación, se lleva a cabo una nueva
metalización de la oblea final, utilizando para ello la
tri-capa descrita anteriormente. En este nivel de
metal quedarán definidos los electrodos anulares que rodearán a los
discos (5). Aunque en este caso el metal utilizado es oro, es
posible utilizar cualquier otro metal susceptible de ser depositado
por sputtering, evaporación, electrodeposición, PVD o, en general,
cualquier técnica compatible con procesos de sala blanca.
\newpage
La siguiente etapa consiste en la definición de
las zonas en las que se conservará el segundo metal, mediante una
etapa de fotolitografía. Para ello se cubre el resultado del proceso
anterior con una fina capa de fotoresina. A continuación, se insola
a través de una máscara de cromo en la que se han definido dichos
motivos. Tras la exposición, se elimina la resina no curada en un
baño del disolvente correspondiente.
Tras el revelado se procede al grabado de las
zonas expuestas del metal de la capa superior. Esto se lleva a cabo
en un baño húmedo. Tras este grabado, se elimina la resina de las
zonas protegidas mediante inmersión en un baño de acetona y se
procede al lavado del resultado del proceso anterior en agua
desionizada. Como se desprende de la figura 4, cabe destacar que el
nivel metálico superior (3) contiene una serie de orificios que
servirán posteriormente para definir los discos (5) del nivel
metálico inferior (2), en una etapa de ataque seco en que el metal
del nivel superior actuará como máscara.
La siguiente etapa consiste en una nueva
pasivación, aunque en esta ocasión conviene que la capa depositada
sea lo más fina posible sin menoscabo del aislamiento eléctrico de
la capa metálica superior. Una vez pasivada la oblea, ésta se
someterá a una nueva etapa fotolitográfica destinada a la definición
de los discos (5) y los anillos (6).
Tras cubrir el resultado del proceso anterior
con una fina capa de fotoresina, esta se insola, a través de una
máscara que contiene los motivos de los puntos de contacto con el
nivel metálico inferior (2), así como unos discos (5) que definirán
el tamaño de los anillos (6) del nivel metálico superior (2). Tras
eliminar la resina no curada, se procede al ataque de la capa
superior de oxinitruro, en una etapa de grabado que puede ser húmedo
o seco. En esta etapa se consigue eliminar no sólo el dieléctrico
del nivel superior, sino también el dieléctrico que separa los dos
niveles metálicos en las zonas definidas como discos por el nivel
metálico superior (2). Tras este grabado, se procede a la
eliminación de la fotoresina en un baño de acetona. Tras esto, se
realiza una limpieza del resultado final para eliminar restos de las
etapas anteriores.
Se describe un proceso para la fabricación,
mediante técnicas fotolitográficas, de un dispositivo
microelectrónico basado en redes de microelectrodos de disco y
anillo.
A partir de una oblea de silicio (1) fig. 6.1
pulida se hizo crecer una capa de óxido de alrededor de una micra de
espesor, una primera capa de material dieléctrico (4) tal y como se
observa en la fig. 6.2. Esta capa de óxido sirve para aislar
eléctricamente la oblea de silicio (1) del resto del dispositivo. A
continuación, se llevó a cabo la metalización de la oblea de silicio
(1) según muestra la fig. 6.3. En el caso que la presente invención
esta metalización se realizó depositando una tricapa de titanio
(20-50 nm), que actúa como promotor de adherencia
bajo una capa de níquel (20-50 nm) que actúa como
barrera difusional para evitar la mezcla del titanio con el oro que
se deposita sobre el níquel. La capa de oro tiene un espesor
comprendido, pero no limitado a, entre 50 y 200 nm.
El siguiente paso consiste en una etapa de
fotolitografía, tal y como se observa en fig. 6.4, que sirve para
definir la geometría del nivel metálico donde quedarán definidos los
discos (5) en el dispositivo final. Para ello, se depositó una capa
de fotoresina sobre la oblea de silicio (1) metalizada y se insoló a
través de una máscara con los motivos geométricos correspondientes,
así como los motivos de alineamiento necesarios para la correcta
definición de los siguientes niveles fotolitográficos.
Una vez expuesta, se reveló en un baño de
disolvente capaz de eliminar la resina no curada. El siguiente paso,
según se detalla en la fig. 6.5, consistió en grabar, eliminando el
metal de las zonas no protegidas por la fotoresina. Finalmente, se
eliminó toda la resina en una etapa de decapado, y se procedió a
limpiar de nuevo la el resultado obtenido mediante sucesivos lavados
con agua desionizada.
El siguiente paso, tal y como se observa en fig.
6.6, consistió en una etapa de pasivación con oxinitruro, generando
una segunda capa de material dieléctrico (7). Dado que es el espesor
de esta capa es el que controla la distancia efectiva entre el disco
y el anillo, su espesor se puede hacer variar entre un mínimo de 0.5
micras y un máximo de 2 micras, fabricándose con un espesor de óxido
de 1 micra. El óxido crece de forma isotrópica sobre toda la
superficie.
A continuación, se llevó a cabo una nueva
metalización, detallada en la fig. 6.7, del resultado obtenido del
proceso anterior, utilizando para ello la tri-capa
descrita anteriormente. En este nivel metálico superior (3) quedarán
definidos los electrodos anulares que rodearán a los discos (5).
Aunque en este caso el metal utilizado fue oro, es posible utilizar
cualquier otro metal susceptible de ser depositado por sputtering,
evaporación, electrodeposición, PVD o, en general, cualquier técnica
compatible con procesos de sala blanca.
La siguiente etapa consiste en la definición de
las zonas en las que se conservará el segundo metal, mediante una
etapa de fotolitografía según se detalla en la fig. 6.8. Para ello
se cubrió el resultado obtenido del proceso anterior con una fina
capa de fotoresina. A continuación, se insoló a través de una
máscara de cromo en la que se han definido dichos motivos. Tras la
exposición, se eliminó la resina no curada en un baño del disolvente
correspondiente.
Tras el revelado se procedió al grabado de las
zonas expuestas del metal de la capa superior ver fig. 6.9. Esto se
llevó a cabo en un baño húmedo. Tras este grabado, se eliminó la
resina de las zonas protegidas mediante inmersión en un baño de
acetona y se procedió al lavado del resultado obtenido en el proceso
anterior en agua desionizada.
La siguiente etapa consiste en una nueva
pasivación tal y como se observa en la fig. 6.10, una tercera capa
de material dieléctrico (8) aunque en esta ocasión conviene que la
capa depositada sea lo más fina posible sin menoscabo del
aislamiento eléctrico del nivel metálico inferior. Una vez pasivado,
el resultado del proceso anterior se someterá a una nueva serie de
etapas fotolitográficas tal y como se observa en la fig. 6.11
destinadas a la definición de los discos (5) y los anillos (6).
Tras cubrir el resultado anterior con una fina
capa de fotoresina, esta se insoló a través de una máscara que
contenía los motivos de los discos (5) y los puntos de contacto con
el nivel metálico inferior (2). Tras eliminar la resina no curada,
se procedió al ataque de la capa superior de oxinitruro, en una
etapa de grabado seco, tal y como se detalla en la fig. 6.12.
Seguidamente, se recoció la resina a 200 g
durante 30 minutos, y se procedió a un nuevo ataque seco para
eliminar el oxinitruro de la capa intermedia, abriendo así los
discos (5). Tras este grabado, se procedió a la eliminación de la
fotoresina en un baño de acetona. Tras esto, se realizó una limpieza
del resultado del proceso anterior para eliminar restos de las
etapas anteriores como muestra la fig. 6.13.
Definidos los discos (5) en el nivel metálico
inferior (2), quedan por definir los anillos (6) sobre el nivel
metálico superior (3).
Esto se hizo mediante una nueva etapa
fotolitográfica. Así, se depositó una nueva capa de fotoresina sobre
la superficie y se insoló a través de una nueva máscara que
incorpora los motivos de los anillos (6), así como de los puntos de
conexión. Tras el revelado, se llevó a cabo una etapa de ataque seco
para eliminar el oxinitruro de las zonas expuestas hasta la
superficie del nivel superior de metal.
Concluido el ataque, se eliminó la resina de las
zonas protegidas mediante un baño de acetona y se limpió nuevamente
el resultado final.
Claims (5)
1. Dispositivo microelectrónico basado en redes
de microelectrodos de disco (5) y anillo (6) caracterizado
porque comprende:
- una oblea de silicio (1),
- al menos una primera capa de material
dieléctrico (4) que se encuentra definido sobre la oblea de silicio
(1),
- un nivel metálico inferior (2) que se
encuentra definido en la primera capa de material dieléctrico
(4),
- al menos un disco (5) definido en el nivel
metálico inferior (2)
- al menos una segunda capa de material
dieléctrico (7) que se encuentra definido sobre el nivel metálico
inferior (2)
- un nivel metálico superior (3) que se
encuentra definido en la segunda capa de material dialéctrico
(7),
- al menos un anillo (6) definido en el nivel
metálico superior (3), y
- al menos una tercera capa de material
dieléctrico (8) que se encuentra definida sobre el nivel metálico
superior (3).
\vskip1.000000\baselineskip
2. Método de fabricación del dispositivo de
redes de microelectrodos de disco (5) y anillo (6) descrito en la
reivindicación 1 caracterizado porque comprende las
siguientes fases:
- \sqbullet
- deposición de una capa de material dieléctrico (4) sobre una oblea de silicio (1), de tal forma que material que la forma quede aislado con un espesor mínimo de 0.6 micrómetros,
- \sqbullet
- una primera metalización sobre la primera capa de material dieléctrico (4) mediante la deposición de un metal creando del nivel metálico inferior (2) donde se formarán los discos (5),
- \sqbullet
- primera fotolitografía para definir la geometría de los discos (5) del nivel metálico inferior (2),
- \sqbullet
- deposición de una segunda capa de material dieléctrico (7) con propiedades de aislamiento eléctrico sobre el nivel metálico inferior (2),
- \sqbullet
- una segunda metalización en la que se deposita el nivel metálico superior (3) que servirá para definir los anillos (6) y que a su vez actúa como máscara para definir posteriormente los discos (5) en el nivel metálico inferior (2),
- \sqbullet
- segunda fotolitografía para definir la geometría de las zonas en que se alojarán los anillos (6) del nivel metálico superior (3),
- \sqbullet
- deposición de una tercera capa de material dieléctrico (8) que será lo más delgada posible, para mantener aislado eléctricamente del medio al segundo metal, y
- \sqbullet
- definición de los discos (5) situados en nivel metálico inferior (2), definición de los anillos (6) en el nivel metálico superior (2) y definición de los contactos correspondientes.
\vskip1.000000\baselineskip
3. Método de fabricación del dispositivo de
redes de microelectrodos de disco (5) y anillo (6) según
reivindicación 2 caracterizado porque la primera
fotolitografía comprende:
- \sqbullet
- una exposición a través de una máscara con los motivos geométricos correspondientes, así como los motivos de alineamiento necesarios para la correcta definición de los siguientes niveles fotolitográficos,
- \sqbullet
- un revelado en un baño de disolvente,
- \sqbullet
- un grabado del metal consistente en un ataque redox en un baño de yodo/yoduro de las zonas no protegidas por la fotoresina, a fin de eliminar el metal de las zonas no protegidas,
- \sqbullet
- un decapado con acetona para eliminar toda la resina o mediante exposición a un plasma de oxígeno, y
- \sqbullet
- limpiado del resultado obtenido en el proceso anterior, mediante sucesivos lavados con agua desionizada.
\vskip1.000000\baselineskip
4. Método de fabricación del dispositivo de
redes de microelectrodos de disco (5) y anillo (6) según
reivindicación 2 caracterizado porque la segunda
fotolitografía comprende:
- \sqbullet
- un ataque húmedo del metal,
- \sqbullet
- un recocido de la resina, y
- \sqbullet
- un ataque de la capa de dieléctrico que separa ambos metales.
\vskip1.000000\baselineskip
5. Método de fabricación del dispositivo de
redes de microelectrodos de disco (5) y anillo (6) según
reivindicación 2 caracterizado porque la definición de los
discos (5) comprende:
- \sqbullet
- una exposición a través de una máscara de cromo o una transparencia en la que se han definido discos (5) cuyo diámetro coincide con el diámetro exterior de los anillos (6) situados en el nivel metálico inferior (2),
- \sqbullet
- un revelado en un baño de disolvente,
- \sqbullet
- un recocido de la resina,
- \sqbullet
- un grabado seco de la tercera capa de material dieléctrico (8) que no se detendrá hasta que el nivel metálico inferior (2) quede expuesto al ambiente,
- \sqbullet
- eliminación de la resina de las zonas protegidas del resultado obtenido en el proceso anterior en un baño de acetona, y
- \sqbullet
- limpieza del resultado final mediante sucesivos lavados con agua desionizada.
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| ES200803221A ES2363283B1 (es) | 2008-11-11 | 2008-11-11 | Dispositivo microelectronico basado en redes de microelectrodos de diseño y anillo, y metodo de fabricacion del mismo |
| PCT/ES2009/070477 WO2010055182A1 (es) | 2008-11-11 | 2009-10-29 | Dispositivo microelectrónico basado en redes de microelectrodos de disco y anillo, y método de fabricación del mismo |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| ES200803221A ES2363283B1 (es) | 2008-11-11 | 2008-11-11 | Dispositivo microelectronico basado en redes de microelectrodos de diseño y anillo, y metodo de fabricacion del mismo |
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|---|---|
| ES2363283A1 true ES2363283A1 (es) | 2011-07-28 |
| ES2363283B1 ES2363283B1 (es) | 2012-06-04 |
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Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| ES (1) | ES2363283B1 (es) |
| WO (1) | WO2010055182A1 (es) |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5389215A (en) * | 1992-11-05 | 1995-02-14 | Nippon Telegraph And Telephone Corporation | Electrochemical detection method and apparatus therefor |
| US20080128265A1 (en) * | 2006-11-30 | 2008-06-05 | Imperial Innovations Limited | Electrode Assembly and System |
-
2008
- 2008-11-11 ES ES200803221A patent/ES2363283B1/es not_active Expired - Fee Related
-
2009
- 2009-10-29 WO PCT/ES2009/070477 patent/WO2010055182A1/es active Application Filing
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5389215A (en) * | 1992-11-05 | 1995-02-14 | Nippon Telegraph And Telephone Corporation | Electrochemical detection method and apparatus therefor |
| US20080128265A1 (en) * | 2006-11-30 | 2008-06-05 | Imperial Innovations Limited | Electrode Assembly and System |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| ES2363283B1 (es) | 2012-06-04 |
| WO2010055182A1 (es) | 2010-05-20 |
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