INTEGRAZIONE DI UN CIRCUITO MICROFLUIDICO SUL RETRO DI UN MICROCHIP IN SILICIO - RICCARDO CALLEGARI - CERN Indico
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INTEGRAZIONE DI UN CIRCUITO MICROFLUIDICO
SUL RETRO DI UN MICROCHIP IN SILICIO
RICCARDO CALLEGARI
31/10/2018
Il CERN
Acceleratore di particelle lungo 27 km che fa collidere
particelle tra di loro oppure contro target fissi.
In corrispondenza dei punti di collisione vengono installati i
rivelatori di particelle.
Un rivelatore di particelle traccia la traiettoria delle particelle
risultanti dalle collisioni e ne misura quantita’ come energia e
quantita’ di moto.
Una tipologia di rivelatore sono i rivelatori in silicio di tipo pixel
(forte analogia con il sensore delle macchine fotografiche)
2
Cosa fa il gruppo Detector Technologies?
• Progetta e costruisce rivelatori di particelle
• Si occupa di servizi ausiliari fondamentali come il raffreddamento
Piastre microfluidiche in silicio per il raffreddamento dei rivelatori in silicio:
150 µm
• Stesso coefficiente di dilatazione termica tra rivelatore e sistema di
raffreddamento;
• Possibilita’ di minimizzare gli spessori;
200 x 70 µm
• Raffreddamento distribuito e possibilita’ di localizzarlo nelle zone di
maggior dissipazione
Assottigliamento
Un wafer viene scavato e l’altro fa da tappo Wafer bonding a 1050 °C IBM 2 mm
Wafer di silicio CERN < 0.5 mm
monocristallino
Oggi
Sensore
Adesivo
Piastra µfluidica
Metallizzazione
Connettore saldato (kovar)
2010: inizio R&D
2014: primo rivelatore con questo sistema (NA62)
2021: upgrade in uno dei maggiori esperimenti (LHCb)
In futuro...
Wafer bonding a bassa temperatura Microcanali integrati nel CMOS
Sensore come «tappo» Adesivo (?)
Connettore
stampato 3D
4
Obbiettivi
• Sviluppare un processo per integrare un circuito microfluidico all’interno di un chip in silicio gia’ esistente
• Sviluppare un sistema di connessione per interfacciare i microcanali con l’impianto esterno
Specifiche e requisiti
• Post-process (quindi un valore aggiunto al dispotivo di partenza) a livello chip
• Compatibile con elettronica CMOS (limite su temperature
Conceptual design
Trincee (10 x 3 µm, profondita’ 30 µm)
Direzione del flusso
5 diversi µcanali
Unico microcanale Sezione longitudinale
(Ø 35 µm, lunghezza ≈ cm)
• Si evitano differenze nei rapporti di aspetto tra µcanali e fori
• Si evitano singole trincee strette 3 µm e lunghe cm
• Mantiene i vantaggi del principio dei canali sepolti aumentando il margine di errore disponibile
M. Boscardin et al., 2013, “Silicon buried channels for pixel detector cooling”, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, Section A
6 Lipp C., 2017, “Approaches for the fabrication of silicon buried channels for the thermal management of monolithic pixel detectors”, Master thesis, EPFL
Fabbricazione dei µcanali: trasferimento del pattern
Sezione trasversale Tutti gli step descritti sono effettuati sul retro del chip:
1. La superficie viene ossidata. Lo strato d’ossido avra’ una funzione
protettiva che sara’ spiegata fra 2 slides
Ossidazione del backside
2. Un polimero fotosensibile viene depositato sulla superficie (cambia
processo simile allo sviluppo fotografico
la propria solubilita’ a diversi agenti se irradiato con raggi UV o laser
a determinata lunghezza d’onda)
Fotolitografia:
3. Un laser disegna il pattern delle trincee sul polimero fotosensibile
4. Un solvente discioglie il polimero nelle zone irradiate, lasciando
determinate aree senza protezione
Circuito integrato SiO2 Polimero fotosensibile
7 Zona di sicurezza Silicio Polimero fotosensibile esposto
Fabbricazione dei µcanali: etching delle trincee
SF6+/C4F8+ alternati
5. Le trincee, non piu’ protette dal polimero, vengono
30 µm bombardate da ioni che asportano il silicio. Si
ottiene uno scavo verticale.
35 12
Substrato con carica opposta
Aspect ratio [Depth/CD]
30 10
Circuito integrato SiO2 Polimero fotosensibile 25
8
Depth [µm]
20
Zona di sicurezza Silicio 15
6
4
10
5 2
0 0
0 100 200 300 400 500 600
Time [s]
Arrivati ad una certa profondita’ gli ioni non riescono piu’ a raggiungere il
fondo limite della tecnologia
Dimensione di una singola trincea = 10 x 3 µm! Come si misura la profondita’?
8
Fabbricazione dei µcanali: passivazione delle pareti
6. Una pulizia al plasma rimuove il polimero fotosensibile,
non piu’ utile
7. Uno strato di parylene, un altro polimero di passivazione,
Pulizia al plasma viene depositato uniformemente tramite CVD
8. Tale parylene viene rimosso dalle superfici orizzontali con
lo stesso processo anisotropico descritto in precedenza
Ioni
Passivazione con parylene Parylene
SiO2 SiO2 SiO2 SiO2
Parylene
protetto
Rimozione del parylene dal fondo dal SiO2
Substrato Substrato
Parylene
Zona di sicurezza
SiO2 L’ossido protegge il parylene depositato sulla
Circuito integrato smerlatura tipica dell’etching anisotropico dalla
9 Silicio direzionalita’ degli ioni
Fabbricazione dei µcanali: etching dei canali
XeF2
Ø 35 µm
Parylene
Zona di sicurezza
SiO2
Circuito integrato
Silicio
9. Il difloruro di xeno scava il silicio in modo isotropico ma non ha
effetti su parylene e SiO2. Quindi il silicio viene scavato solamente
dal fondo di ogni trincea
10Fabbricazione dei µcanali: chiusura delle trincee
Pulizia al plasma
3 µm
Parylene
Zona di sicurezza
SiO2
Circuito integrato
Silicio
10. Un’ulteriore pulizia al plasma rimuove ogni traccia della precedente deposizione di parylene.
11. Una nuova deposizione dello stesso materiale, questa volta piu’ spessa, va a sigillare ogni singola trincea. Il parylene si
depositera’ anche sulle pareti dei microcanali, ma essendo questi di dimensione maggiore (Ø 35 µm) rispetto all’apertura
11 minore delle trincee (3 µm), non risulteranno occlusiCome interfacciare i microcanali con il “mondo esterno”?
Capillari di iniezione ed
estrazione del fluido
(Øext 1.6 mm)
Connettore stampato 3D
Sedi per l’adesivo di
supporto strutturale
O-rings (1.15 mm x 1 mm) ai capillari
Nastro biadesivo Evitano infiltrazioni
dell’adesivo ancora
Chip in silicio con fori di in fase liquida
iniezione fluido (Ø 500 µm)
6 mm
Evitano che il fluido possa
entrare in contatto con il
nastro adesivo
9.6 mm
12Caratterizzazione del connettore
Test effettuati:
Circolazione di fluido
Rilevamento perdite di elio: ≈10-8 mbar ∙ l / s
Test in pressione: 15 bar (distacco dei tubi):
H2O
Trasduttore di
Pompa idraulica Connettore
pressione
Connettore assemblato con
adattatori Swagelok
PC
13Conclusioni e outlook
E’ stato sviluppato un processo per
integrare microcanali all’interno di un
chip estremamente sottile
E’ stato sviluppato un connettore per
interfacciare tali microcanali
E’ stata dimostrata circolazione!
• Effettuare un test di rilevamento perdite d’elio
sul dispositivo assemblato
• Effettuare il wire bonding del chip sulla PCB e
dimostrarne il funzionamento
• Effettuare studio termo-fluidico per valutare la
quantita’ di calore che puo’ essere asportata,
con conseguente ottimizzazione del circuito
microfluidico
14Grazie per l’attenzione! 15
Backup slides 16
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