07_ Intervencion Dr_ Jose Luis Ocaña

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Principales Desarrollos y Desafíos Metrológicos en el Ámbito de la Micro/Nano‐Fabricación.

Algunas Aplicaciones en el Centro Láser de la UPM.

José Luis Ocaña

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Principales Desarrollos y Desafíos Metrológicos en el Ámbito de la Micro/Nano‐Fabricación.

Algunas Aplicaciones en el Centro Láser de la UPM.

Principales aspectos abordados:

• Las tecnologías de fabricación en el desarrollo de micro-sistemas• Convergencia entre las diversas tecnologías de micro/nano-fabricación• Ejemplos de interrelación entre los distintos tipos de procesos y escalas en procesos de

Micro/Nano-Fabricación• Aspectos generales de la Nano-Metrología en el ámbito dimensional• Dimensiones y precisiones características en procesos de micro/nano-fabricación• Resolución y precisión de las principales técnicas de medida utilizados en Micro/Nano-

Metrología y sus instrumentos de calibración• Principales desafíos para el desarrollo metrológico dimensional aplicado a procesos de

Nano-Fabricación• Principales tendencias para la mejora de la precisión en Nano-metrología• La estrategia Europea para la Micro/Nano-Metrología en el dominio dimensional• Principales desafíos nano-metrológicos en otras áreas• La Nano-Metrología desde una perspectiva industrial• El Láser como tecnología avanzada de micro/nano-fabricación• Ejemplos de aplicaciones de Microfabricación con Láser en el Centro Láser de la UPM• Ejemplos de desarrollos llevados a cabo en el CLUPM en técnicas de caracterización

metrológica a escala micro/nanométrica

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Las Tecnologías de Fabricaciónen el desarrollo de Microsistemas

Técnica Materiales típicos Mínima dimensión lateral (μm)

Máxima relación de aspecto

Versatilidad comparada

HARM (High aspect ratio micro-replication)

PlásticosMetales

1 15 *****

LIGA (Litografía de rayos X, Electroconformado y moldeo)

PlásticosMetales

1 15 ****

Litografía ultravioleta PlásticosMetales

2 5 ****

Marcado químico Silicio, Cerámicas, Metales, Plásticos

1 40 ***

Micromecanizado por Láser Metales, Cerámicas, Polímeros

1 (Excímero)20 (Nd:YAG)

50 ***

EDM (Micromecanizado por electroerosión)

Materiales conductores

40 3~100(según tamaño

electrodo, material)

*

Micromecanizado por diamante

MetalesPlásticos

20 5 *

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Convergencia entre diversas tecnologías de Micro/Nano-Fabricación

Tomada de Whatmore, R.W., Ingenia, 9, 28-34 (2001)

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Evolución de la convergencia Macro-Micro-Nano entre las distintas disciplinas científico-tecnológicas

Tomada de “Introductory Guide to Nanometrology”, P.E. Hansen, G. Roebben, Eds.. European Commission (2010)

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Evolución de la convergencia entre Mecánica, Química y Biología hasta el dominio nanotecnológico

Tomada de H.N. Hansen et al.: Annals of the CIRP, 55/2, 721-743 (2006)

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Ejemplo de interrelación entre los distintos tipos de procesos y escalas en Micro/Nano-Fabricación

Tomada de “Instrumentation and Metrology for Nanotechnology”, NIST (2004)

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Ejemplo de interrelación entre los distintos tipos de procesos y escalas en Micro/Nano-Fabricación

Tomada de Whatmore, R.W., Ingenia, 9, 28-34 (2001)

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Principales subdisciplinas en Micro/Nano-Metrología(Según H. Bosse et al.: “Nanometrology Foresight Review”. CO-NANOMET 2009)

• Metrología Dimensional• Metrología Mecánica• Metrología de materiales nano-estructurados• Metrología Eléctrica• Metrología Química• Metrologia Biológica

+ Posibles interacciones (muy previsibles a nivel nanoscópico)

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Recordando la Escala Dimensional

Tomada de AIST Today International Edition (2010)

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Principales tipos de medidas dimensionales en Nano-Metrología


• Distancia. (Ejemplo: Distancia entre dos líneas de una red o dos planos de una nanostructura.)

• Anchura. (Ejemplo: Anchura de un micro-canal.)

• Altura/Profundidad. (Ejemplo: Profundidad de un micro-canal.)

• Geometría/Forma. (Ejemplo: Planitud de una oblea.)

• Textura/Rugosidad.Geometría de estructuras superficiales cuyas dimensiones son pequeñas en relación con eltamaño global del objeto. Desafío específico para metrología de objetos nanométricos al ser losdetalles superficiales dominantes en relación al volumen del objeto.

• Espesor de capas.

• Relación de aspecto (AR).

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Interrelación entre elementos característicos de diversos dominios micro/nano-tecnológicos

Tomada de D.J. Whitehouse: “Handbook of Surface and Nanometrology”. IOP (2003).

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Dimensiones y relaciones de aspecto típicas en distintas tecnologías de micro/nano-fabricación


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Límites de precisión característicos de diversas tecnologías de micro/nano fabricación


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Evolución comparativa de las precisiones de fabricación y de medida en el ámbito de la microfabricación

Tomada de A. Weckenmann et al.: “Manufacturing Metrology-State of the Art and Prospectives”, 9th ISMQC (2007)

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Principales técnicas de medida utilizados en Micro/Nano-Metrología

• Interferometría óptica (OI)• Interferometría de R-X (RXI)• Interferometría coherente de barrido (CSM)• Microscopía confocal (CM)• Elipsometría espectroscópica (SE)• Difractometría• Microscopía electrónica de barrido/transmisión (SEM / TEM / TSEM)• Microscopía de barrido por sonda (SPMs)

• Fuerza atómica (AFM)• Barrido de fuerza (SFM)• Fuerza de fricción (FFM)• Fuerza magnética (MFM)• Fuerza de sonda Kelvin (KPFM)• Acústico de campo cercano (SNAM)• Acústico de efecto túnel (TAM)

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Límites de resolución característicos de diferentes instrumentos de medida en el rango micro/nano-métrico

Tomada de D.J. Whitehouse: “Handbook of Surface and Nanometrology”. IOP (2003).

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Incertidumbres características de distintos instrumentos actuales de medida

Tomada de E. Savio et al.: CIRP Annals, 56/2, 810-835 (2007)

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Dominios de funcionamiento de diversos instrumentos de calibración en el rango micro/nano-métrico


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Cobertura presente por Normas ISO de dimensiones características en medidad de rugosidad

Lateral dimension

Tomada de H. Bosse et al.: “Nanometrology Foresight Review”, Co-Nanomet (2009)

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Principales desafíos para el desarrollo metrológico dimensional aplicado a procesos de Nano-Fabricación(Según H. Bosse et al.: “Nanometrology Foresight Review”, Co-Nanomet (2009))

• Necesidad de aumento de campo de barrido lateral para SPMs (10 um->10 mm).• Consiguiente necesidad de aumento de velocidad de barrido (sistema inteligente de

exploración-Exploración multisensorial).• Aumento de resolución de SPMs (simples o multisensorizados) mediante mejora del

conocimiento de la interacción sonda-superficie (fundamental para la detección y caracterización de imperfecciones).

• Necesidad de extensión de medidas superficiales en rango de medida de SPMs a medidas 3D (Manejo de elevadas relaciones de aspecto).

• Aumento de la intercomparabilidad de mediciones (sobre todo con haces de electrones e iones) entre laboratorios primarios.

• Desarrollo de técnicas de limpieza consistente de muestras e instrumentación de medida para minimización de efecto de impurezas.

• Desarrollo de metodologías específicas de estimación de incertidumbres• Desarrollo de capacidad de especificación realista de tolerancias de fabricación en el

dominio nanométrico.• Desarrollo de capacidad de medida “en proceso” para control “on line” de operaciones de

micro/nano-fabricación.• Desarrollo de la necesaria infraestructura de trazabilidad en técnicas emergentes, sobre

todo basadas en dispersión de luz.

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Principales desafíos para el desarrollo metrológico dimensional aplicado a procesos de Nano-Fabricación

(Según Guía “Instrumentation and Metrology for Nanotechnology”, NIST (2004))

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Principales tendencias para la mejora de la precisión en Nano-metrología

Tomada de K. Takamasu: J. Metrol. Soc. India, 26, 3-14 (2011)

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Principales tendencias para la mejora de la precisión en Nano-metrología. El ejemplo del SFM asistido por luz


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Principales tendencias para la mejora de la precisión en Nano-metrología

Tomada de A. Weckenmann et al.: “Manufacturing Metrology-State of the Art and Prospectives”, 9th ISMQC (2007)

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Principales tendencias para la mejora de la precisión en Nano-metrología. El ejemplo del SFM calibrado


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Estrategia Europea para la Micro/Nano-Metrología en el dominio dimensional

Tomada de Proc. of Workshop on Critical dimensions and scanning probe techniques & Thin Films ”,H.U. Danzebrink, L. Koenders, Eds.. European Commission (2010)

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Desarrollos nano-metrológicos en el ámbito de determinación de propiedades mecánicas de materiales

Tomada de K.R. Leach: “European Strategy for Nanometrology”. Co-Nanomet (2010)

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Desarrollos nano-metrológicos en el ámbito de determinación de propiedades mecánicas de materiales

Tomada de K.R. Leach: “European Strategy for Nanometrology”. Co-Nanomet (2010)

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Desafíos en otras áreas para el desarrollo metrológico aplicado a procesos de Nano-Fabricación

(Según Guía “Instrumentation and Metrology for Nanotechnology”, NIST (2004) )

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La Micro/Nano-Metrología desde una perspectiva industrial

Tomada de P.H. Osanna en Problems of Engineering Cybernetics and Robotics, 59, 60-72 (2008)

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El Láser como tecnología avanzada de micro/nano-fabricación

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La Tecnología Láser en procesosde Microfabricación

“Puede que los láseres sean solamente una entre varias tecnologías demicrofabricación, pero cubren un importante segmento en el apartado deherramientas para estas técnicas. La tecnología continuará evolucionando amedida que nuevos materiales vayan ganando importancia y se desarrollennuevos procesos. Es difícil sustraerse a la conclusión de que nuestro futuroestará cada vez más ligado a los microsistemas....y que las herramientasbasadas en el láser ayudarán a construirlos”

C. Paul Christensen

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La Microfabricación con Láser: Tecnología clave para el desarrollo de Microsistemas

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Aplicaciones de Microfabricación con Láseren el Centro Láser de la UPM

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Sistema de Microfabricación (1/3) :El sistema ML-100

Procesado dual Láser Excímero/DPSSSistema Multieje (6)Volumen de trabajo: 120*100*50 mmPrecisión XY: 1 μmPrecisión global de posicionamiento: 40 μmVisión directa a través de CCD (x 500)

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Ejemplos de generación de microestructuras 2D/3D (1/3):

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Desarrollos llevados a cabo en el CLUPM en técnicas de caracterización metrológica a escala micro/nanométrica

Tomada de M. Holgado et al.: “Simultaneous Reflectivity, Ellipsometry and Spectrometry Measurements in SubmicronStructures for Liquid Sensing”. Sensor Letters, 6, 1-6 (2008)

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Desarrollos llevados a cabo en el CLUPM en técnicas de caracterización metrológica a escala micro/nanométrica

Tomada de M. Holgado et al.: “Simultaneous Reflectivity, Ellipsometry and Spectrometry Measurements in SubmicronStructures for Liquid Sensing”. Sensor Letters, 6, 1-6 (2008)

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