sistemas microeletromecânicos - Microelectromechanical systems


Da Wikipédia, a enciclopédia livre
Proposta apresentada a DARPA "sistemas microeletromecânicos", em 1986, primeiro introduzindo o termo
MEMS microcantilever ressonante dentro de um microscópio electrónico de varrimento

Sistemas Microeletromecânicos ( MEMS , também escritas como micro-electro-mecânica , microelectromechanical ou sistemas microelectromechanical micro-electrónica e e os relacionados micromechatronics ) é a tecnologia de dispositivos microscópicos, particularmente aqueles com peças em movimento. Funde em nano-escala em sistemas nanoelectromechanical (NEMS) e nanotecnologia . MEMS também são referidos como micromachines no Japão, ou tecnologia de micro sistemas ( MST ) na Europa.

MEMS são constituídos por componentes entre 1 e 100 micrómetros em tamanho (isto é, 0,001 a 0,1 mm), e dispositivos MEMS geralmente variam em tamanho de 20 micrómetros a um milímetro (ou seja, 0,02 a 1,0 mm), embora os componentes dispostos em matrizes ( por exemplo, micro-espelho digital de dispositivos ) pode ser superior a 1000 mm 2 . Eles consistem geralmente em uma unidade central que processa dados (o microprocessador) e vários componentes que interagem com o ambiente, tais como microssensores. Devido à grande área de superfície para razão de volume de MEMS, as forças produzidas pelo ambiente electromagnetismo (por exemplo, as cargas electrostáticas e momentos magnéticos ), e a dinâmica de fluidos (por exemplo, tensão superficial e viscosidade ) são considerações de desenho mais importantes do que com os dispositivos mecânicos de escala maior. A tecnologia MEMS se distingue da nanotecnologia molecular ou electrónica molecular em que o último deve também considerar a química de superfície .

O potencial de pequenas máquinas foi apreciado antes que a tecnologia existia que poderia torná-los (ver, por exemplo, Richard Feynman famosa 1,959 palestra 's Há muito espaço na parte inferior ). MEMS tornou-se prático, uma vez que poderiam ser fabricados usando modificados dispositivo semicondutor de fabricação tecnologias, normalmente utilizados para fazer produtos eletrônicos . Estes incluem moldagem e revestimento, ataque químico molhado ( KOH , TMAH ) e erosão seca ( RIE e DRIE), da máquina de descarga eletro (EDM), e outras tecnologias capazes de fabrico de dispositivos pequenos. Um primeiro exemplo de um dispositivo MEMS é o resonistor, um ressonador monolítico electromecânico patenteado por Raymond J. Wilfinger, e o transistor portão ressonante desenvolvida por Harvey C. Nathanson .

Materiais para fabricação de MEMS

A fabricação de MEMS evoluíram a partir da tecnologia de processo na fabricação de semicondutores dispositivo , ou seja, as técnicas básicas são deposição de camadas de material, modelação por fotolitografia e ataque químico para produzir as formas necessárias.

Silício

Silicon é o material usado para criar mais circuitos integrados utilizados em produtos eletrônicos de consumo na indústria moderna. As economias de escala , pronta disponibilidade de materiais de alta qualidade de baixo custo, e a capacidade de incorporar a funcionalidade electrónica fazem silício atraente para uma ampla variedade de aplicações MEMS. Silício também tem vantagens significativas conseguidas através da suas propriedades materiais. Na forma de cristal único, o silício é uma quase perfeita Hookean material, o que significa que quando é flexionado não há praticamente nenhuma histerese e, portanto, quase sem dissipação de energia. Bem como fazer para o movimento altamente repetível, isso também faz com que o silício muito confiável, uma vez que sofre muito pouca fadiga e pode ter vidas de serviços na faixa de bilhões de trilhões de ciclos sem quebrar.

Polymers

Mesmo que a indústria eletrônica proporciona uma economia de escala para a indústria de silício, silício cristalino é ainda um material complexo e relativamente caro para produzir. Polymers, por outro lado pode ser produzido em grandes volumes, com uma grande variedade de características do material. Dispositivos MEMS podem ser feitas a partir de polímeros por processos, tais como moldagem por injecção , de gravação em relevo ou estereolitografia e são especialmente bem apropriados para microfluidos aplicações, tais como cartuchos de teste de sangue descarteis.

metais

Os metais também podem ser usados para criar elementos de MEMS. Embora os metais não tem algumas das vantagens indicadas por silício em termos de propriedades mecânicas, quando utilizado dentro dos seus limites, os metais podem apresentar muito elevados graus de fiabilidade. Os metais podem ser depositado por galvanoplastia, evaporação, e os processos de pulverização catódica. Metais comumente utilizados incluem ouro , níquel , alumínio , cobre , crómio , titânio , tungsténio , platina e prata .

Cerâmica

Os nitretos de silício, alumínio e titânio, bem como de carboneto de silício e outras cerâmicas são cada vez mais aplicado em MEMS fabricação devido a combinações vantajosas de propriedades do material. AlN cristaliza na estrutura de wurtzite e, assim, mostra piroeléctricos e piezoeléctricos propriedades que permitam sensores, por exemplo, com sensibilidade às forças normais e de corte. TiN , por outro lado, exibe uma alta condutividade eléctrica e grande módulo de elasticidade , tornando-se possível implementar MEMS electrostáticas regimes de accionamento com membranas ultrafinas. Além disso, a elevada resistência de TiN contra biocorrosão qualifica o material para aplicações em ambientes biogénicas e em biossensores .

MEMS processos básicos

processos de deposição

Um dos blocos de construção básicos no processamento MEMS é a capacidade para depositar películas finas de material com uma espessura em qualquer lugar entre um micrómetro, para cerca de 100 micrómetros. O processo NEMS é o mesmo, embora a medição da deposição de película varia desde alguns nanómetros até um micrómetro. Existem dois tipos de processos de deposição, como se segue.

deposição física

Deposição física de vapor ( "PVD") é composto por um processo em que um material é removido de um alvo, e depositada sobre uma superfície. As técnicas para fazer isto incluem o processo de pulverização catódica , em que um feixe de iões liberta átomos a partir de um alvo, o que lhes permite passar através do espaço intermédio e depósito sobre o substrato desejado, e evaporação , em que um material é evaporado a partir de um alvo usando calor (evaporação térmica) ou um feixe de electrões (e-beam evaporação) num sistema de vácuo.

deposição química

Técnicas de deposição química incluem deposição química a vapor ( "CVD"), no qual uma corrente de gás fonte reage sobre o substrato para o crescimento do material desejado. Este pode ainda ser divididos em categorias, dependendo dos detalhes da técnica, por exemplo, LPCVD (deposição de vapor químico de baixa pressão) e PECVD ( Plasma-enhanced chemical vapor deposition ).

Filmes de óxido também podem ser cultivadas por meio da técnica de oxidação térmica , em que o (tipicamente silício) bolacha é exposto ao oxigénio e / ou vapor, para crescer uma fina camada superficial de dióxido de silício .

padronização

Padronização em MEMS é a transferência de um padrão num material.

Litografia

Litografia em contexto MEMS é tipicamente a transferência de um padrão num material fotossensível por exposição selectiva a uma fonte de radiação tal como luz. Um material fotossensível é um material que experimenta uma modificação das suas propriedades físicas, quando expostos a uma fonte de radiação. Se um material fotossensível é exposta à radiação selectivamente (por exemplo, mascarando uma parte da radiação) do padrão de radiação sobre o material é transferido para o material exposto, como as propriedades das regiões expostos e não expostos difere.

Esta região exposta pode então ser removida ou tratada fornecendo uma máscara para o substrato subjacente. Fotolitografia é tipicamente usado com metal ou com outras deposição de filmes finos, molhado e erosão seca. Às vezes, fotolitografia é usada para criar a estrutura sem qualquer tipo de condicionamento post. Um exemplo é SU8 lente base onde os blocos quadrados SU8 base são gerados. Em seguida, o revestimento fotoprotector é derretida para formar um semi-esfera, que actua como uma lente.

Litografia por feixe de elétrons

Litografia por feixe de elétrons (muitas vezes abreviado como a litografia por feixe electrónico) é a prática da digitalização de um feixe de electrões de uma forma padronizada através de uma superfície coberta com uma película (chamado a resistir a ), ( "expor" a resistir) e de remover selectivamente quer exposto ou regiões não expostas da resistir ( "desenvolvimento"). A propósito, quanto com a fotolitografia , é criar estruturas muito pequenas no resistem que pode, subsequentemente, ser transferido para o material de substrato, muitas vezes por ataque químico. Ele foi desenvolvido para a fabricação de circuitos integrados , e também é usado para a criação de nanotecnologia arquiteturas.

A principal vantagem da litografia por feixe de elétrons é que ele é uma das maneiras de bater o limite de difração de luz e fazem características na nanômetros intervalo. Esta forma de litografia sem máscara tem encontrado ampla utilização em photomask -Tornando usado em fotolitografia , produção de baixo volume de componentes semicondutores, e pesquisa e desenvolvimento.

A limitação chave da litografia por feixe de electrões é de transferência, ou seja, o tempo muito longo que leva para expor toda uma bolacha de silício ou vidro substrato. Um tempo de exposição longo deixa o utilizador vulnerável a deriva feixe ou instabilidade que pode ocorrer durante a exposição. Além disso, o tempo de turn-around para retrabalho ou re-design é alongada desnecessariamente se o padrão não está sendo alterado pela segunda vez.

Litografia por feixe de iões

Sabe-se que focused- litografia por feixe de iões tem a capacidade de escrever linhas extremamente finas (inferior a 50 nm e linha espaço foi alcançado), sem efeito de proximidade. No entanto, porque o campo da escrita em litografia por feixe de iões é bastante pequeno, padrões grandes da área deve ser criado costurando junto dos pequenos campos.

tecnologia trilha Ion

Tecnologia faixa de iões é uma ferramenta de corte de profundidade com um limite de resolução de cerca de 8 nm aplicável à radiação minerais resistentes, vidros e polímeros. Ele é capaz de gerar furos em filmes finos, sem qualquer processo de desenvolvimento. Profundidade estrutural pode ser definido quer pela gama de iões ou pela espessura do material. Proporções até vários 10 4 pode ser alcançado. A técnica pode moldar materiais e de textura a um ângulo de inclinação definido. Padrão aleatório, as estruturas de via-iões simples e padrão destinada que consiste em faixas individuais individuais podem ser gerados.

litografia de raio-X

Litografia de raios-X é um processo usado na indústria electrónica para remover selectivamente as partes de uma fina película. Ele usa raios-X para transferir um padrão geométrico de uma máscara para uma fotorresistência química sensível à luz, ou simplesmente "resistir", sobre o substrato. Uma série de tratamentos químicos, em seguida grava o padrão produzido no interior do material por baixo do material fotosensitivo.

diamante padronização

Uma maneira simples para esculpir ou criar padrões na superfície de nanodiamonds sem danificá-los poderia levar a uma nova dispositivos fotônicos.

Diamante padronização é um método de formação de MEMS de diamante. É conseguida pela aplicação litográfica de filmes de diamante a um substrato tal como silício. Os padrões podem ser formados por deposição selectiva através de uma máscara de dióxido de silício, ou por deposição seguido de micromaquinagem ou focado ião moagem feixe .

processos de corrosão

Existem duas categorias básicas de gravação processos: corrosão úmida e erosão seca . No primeiro caso, o material é dissolvido quando imerso numa solução química. Neste último caso, o material é dissolvido ou atomizados usando iões reactivos ou um produto corrosivo de fase de vapor.

gravura Wet

ataque químico húmido consiste na remoção selectiva do material por imersão de um substrato a uma solução que dissolve. A natureza química deste processo de corrosão proporciona uma boa selectividade, o que significa que a velocidade de gravação do material do alvo é consideravelmente mais elevado do que o material da máscara se cuidadosamente seleccionado.

gravura isotrópica

Gravura progride na mesma velocidade em todas as direções. furos longos e estreitos em uma máscara irá produzir ranhuras em forma de V, no silício. A superfície destas ranhuras pode ser atomicamente lisa se a corrosão for efectuada correctamente, com dimensões e ângulos de ser extremamente preciso.

corrosão anisotrópica

Alguns materiais de cristal simples, tais como o silício, terá taxas de gravao diferentes, dependendo da orientação cristalográfica do substrato. Isto é conhecido como gravação anisotrópica e um dos exemplos mais comuns é a corrosão de silício em KOH (hidróxido de potássio), em que Si <111> aviões etch aproximadamente 100 vezes mais lenta do que os outros planos ( orientações cristalográficas ). Portanto, gravar um furo rectangular de uma (100) -Si bolacha resulta em uma forma de pirâmide poço etch com 54,7 ° paredes, em vez de um furo com paredes laterais curvos como decapagem com isotrópico.

gravura HF

O ácido fluorídrico é comumente utilizado como um produto corrosivo aquoso para o dióxido de silício ( SiO
2
, também conhecida como a caixa de SOI), geralmente em forma concentrada de 49%, 5: 1, 10: 1 ou 20: 1 BOE (tamponada etchant óxido) ou BHF (HF tamponada). Eles foram usados pela primeira vez em tempos medievais para gravação de vidro. Foi usado na fabricação de IC para padronizar o óxido de porta até que o passo do processo foi substituída por RIE.

O ácido fluorídrico é considerado um dos ácidos mais perigosas na sala limpa . Ele penetra na pele ao contato e difunde-se direto para o osso. Portanto, o dano não é sentida até que seja tarde demais.

decapagem eletroquímica

Gravura electroquímica (ECE) para a remoção do contaminante-selectiva de silício é um método comum para automatizar e para controlar selectivamente decapagem. Um pn activo diodo de junção é necessário, e qualquer tipo de contaminante pode ser o ( "etch-stop") de material etch-resistente. O boro é o mais comum dopante etch-stop. Em combinação com a gravação anisotrópica húmido como descrito acima, ECE foi usado com sucesso para controlar a espessura do diafragma de silício em sensores de pressão comerciais silício piezoresistivos. Selectivamente regiões dopadas pode ser criado quer por implante, difusão ou deposição epitaxial do silício.

erosão seca

gravura vapor
Xenon difluoride

Xenon difluoride ( XEF
2
) é um etch isotropic fase de vapor seco para o silício originalmente aplicado para MEMS em 1995 na Universidade da Califórnia, Los Angeles. Principalmente utilizado para libertar estruturas metálicas dieléctricas e cortando por baixo de silício,Xef
2
tem a vantagem de umastictionlibertação -livre ao contrário condicionadores molhado. Sua etch seletividade ao silicone é muito elevada, permitindo-lhe trabalhar com fotorresiste,SiO
2
, nitreto de silício, e vários metais para mascaramento. A sua reacção para silício é "plasmaless", é puramente química e espontâneo e é muitas vezes operado de modo pulsado. Modelos da acção gravura estão disponíveis, e laboratórios de universidades e várias ferramentas comerciais oferecem soluções usando esta abordagem.

corrosão por plasma

VLSI processos modernos evitar erosão a húmido, e utilizar gravação por plasma , em vez. Etchers plasma pode operar em vários modos, ajustando os parâmetros do plasma. Comum gravação por plasma opera entre 0,1 e 5 Torr. (Esta unidade de pressão, vulgarmente utilizados em engenharia de vácuo, igual a cerca de 133,3 Pa.) O plasma produz radicais livres energéticos, carga neutra, que reagem à superfície da bolacha. Desde partículas neutras atacar o wafer de todos os ângulos, este processo é isotrópico.

gravação com plasma pode ser isotrópico, isto é, exibindo uma taxa de rebaixo lateral sobre uma superfície padronizada aproximadamente a mesma que a sua taxa de corrosão para baixo, ou pode ser anisotrópica, isto é, exibindo uma taxa de rebaixo lateral, menor do que a sua taxa de corrosão para baixo. Tal anisotropia é maximizada em profunda gravao iica reactiva. O uso do termo anisotropia por gravação com plasma não deve ser confundida com a utilização do mesmo termo quando se refere a decapagem dependente da orientação.

A fonte de gás para o plasma normalmente contém pequenas moléculas ricas em cloro ou flúor. Por exemplo, tetracloreto de carbono (CCI4) etches de silício e alumínio, e trifluorometano etches dióxido de silício e nitreto de silício. A contendo oxigénio de plasma é utilizado para oxidar ( "cinza") fotorresistente e facilitar a sua remoção.

Ion moagem, ou por pulverização catódica gravar, utiliza pressões mais baixas, muitas vezes tão baixas como 10-4 Torr (10 MPa). É bombardeia a bolacha com iões energéticos de gases nobres, muitas vezes de Ar +, que batem átomos do substrato através da transferência de impulso. Porque o condicionamento é realizado por iões, que abordam a bolacha aproximadamente a partir de uma direcção, este processo é altamente anisotrópico. Por outro lado, ela tende a exibir fraca selectividade. Reactivo de iões de decapagem (RIE) opera sob condições intermédias entre borrifamento e gravação por plasma (entre 10-3 e 10-1 Torr). Profunda decapagem reactivo de iões (DRIE) modifica a técnica RIE para produzir profundos características, estreitas.

sputtering
Gravação iónica reactiva (RIE)

Em decapagem reactiva-ião (RIE), o substrato é colocado dentro de um reactor, e vários gases são introduzidos. Um plasma é atingido na mistura de gás usando uma fonte de energia de RF, a qual quebra as moléculas de gás em iões. Os iões acelerar em direcção, e reagir com, a superfície do material a ser gravado, formando outro material gasoso. Isto é conhecido como a parte química de ataque por iões reactivos. Há também uma parte física, o que é semelhante ao processo de deposição de pulverização catódica. Se os iões têm de energia suficientemente elevada, que pode bater átomos de fora do material a ser gravada, sem uma reacção química. É uma tarefa muito complexa para desenvolver processos etch secos que o equilíbrio químico e condicionamento físico, uma vez que existem muitos parâmetros para ajustar. Ao alterar o equilíbrio que é possível influenciar a anisotropia do processo de ataque, uma vez que a parte química é isotrópica e a parte física altamente anisotrópica a combinação pode formar paredes laterais que têm formas de arredondado para a vertical.

RIE profunda (DRIE) é uma subclasse especial de RIE que está crescendo em popularidade. Neste processo, gravar profundidades de centenas de micrômetros são alcançados com paredes laterais quase verticais. A principal tecnologia é baseada no chamado "processo Bosch", em homenagem a empresa alemã Robert Bosch, que registrou a patente original, onde duas composições de gases diferentes alternativo no reator. Atualmente, existem duas variações da DRIE. A primeira variante consiste em três passos distintos (o processo Bosch original), enquanto a segunda variante consiste apenas em dois passos.

Na primeira variante, o ciclo etch é como se segue:

(i) SF
6
etch isotrópico;
(ii)C
4
F
8
passivação;
(iii)SF
6
etch anisoptropic para a limpeza do chão.

Na segunda variação, os passos (i) e (iii) são combinadas.

Ambas as variações funcionam de forma semelhante. o C
4
F
8
cria um polímero sobre a superfície do substrato, e a segunda composição de gás (SF
6
eó
2
) grava o substrato. O polímero é imediatamente sputtered distância pela parte física do processo de ataque, mas apenas sobre as superfícies horizontais e não nas paredes laterais. Uma vez que o polímero se dissolve muito lentamente única na parte química da decapagem, ele acumula-se sobre as paredes laterais e protege-las da corrosão. Como resultado, etching proporções de 50 para 1 de aspecto pode ser conseguido. O processo pode ser facilmente utilizado para gravar completamente por meio de um substrato de silício, e taxas de corrosão são 3-6 vezes mais elevados do que decapagem húmida.

preparação Die

Depois de preparar um grande número de dispositivos MEMS numa bolacha de silício , individuais fieiras tem que ser separado, o que é chamado de preparação fieira na tecnologia de semicondutores. Para algumas aplicações, a separação é precedida por backgrinding bolacha a fim de reduzir a espessura da bolacha. Bolacha de segmentao pode então ser realizada quer por serragem utilizando um líquido de arrefecimento ou de um processo a laser seco chamado segmentao discrição .

tecnologias de fabricação de MEMS

micromachining massa

Micromachining massa é o paradigma mais antigo de MEMS com base de silício. Toda a espessura de uma bolacha de silício é usado para construir as estruturas micro-mecânicos. O silício é maquinado usando vários processos de corrosão . Anódica de ligação de placas de vidro ou placas de silício adicional é utilizado para adicionar características na terceira dimensão e para a encapsulação hermética. Micromachining massa tem sido essencial para permitir alto desempenho sensores de pressão e acelerômetros que mudaram a indústria do sensor na década de 1980 e 90.

micromachining superfície

Micromaquinagem superfície utiliza camadas depositadas sobre a superfície de um substrato como os materiais estruturais, em vez de utilizar o próprio substrato. Micromachining superfície foi criado no final de 1980 para tornar micromachining de silício mais compatível com a tecnologia de circuito planar integrada, com o objetivo de combinar MEMS e circuitos integrados na mesma pastilha de silício. O conceito de micromaquinagem superfície original baseou-se em camadas finas de silício policristalino modelado como estruturas mecânicas móveis e libertados por ataque sacrificial da camada de óxido subjacente. Eléctrodos interdigitais pente foram usadas para produzir forças no plano e para detectar no plano de movimento capacitivamente. Este paradigma MEMS permitiu o fabrico de baixo custo acelerómetros para automóvel, por exemplo sistemas de sacos de ar e outras aplicações, onde o baixo desempenho e / ou elevados de g-gamas são suficientes. Analog Devices foi pioneira na industrialização da micromachining superfície e realizou a co-integração de MEMS e circuitos integrados.

elevada razão de aspecto (HAR) micromaquinagem de silio

Ambos grandes quantidades e micromaquinagem de silio superfície são usados na produção industrial de sensores, bicos de jacto de tinta, e outros dispositivos. Mas em muitos casos, a distinção entre estes dois diminuiu. Uma nova tecnologia de decapagem, de profundidade de gravação reactiva-ião , tornou possível combinar o bom desempenho típico de micromaquinagem grandes quantidades com estruturas de pente e no plano de operação típica de micromaquinagem superfície . Embora seja comum em micromaquinagem superfície ter espessura da camada estrutural na gama de 2? M, em HAR silício Micromachining a espessura pode ser de 10 a 100? M. Os materiais vulgarmente utilizados na micromaquinagem de silio HAR são silício policristalino de espessura, conhecido como poli-epi, e (SOI) bolachas de silício ligados sobre isolante embora os processos para bolacha de silício em massa, também foram criados (grito). Ligação de uma segunda bolacha por ligação de frita de vidro, ligação anódica ou ligação a liga utilizada para proteger as estruturas MEMS. Os circuitos integrados, tipicamente não são combinados com micromaquinagem de silio HAR.

Chip de sistemas microeletromecânicos, às vezes chamado de " laboratório em um chip "

aplicações

A Texas Instruments chip de DMD para projecção de cinema
Medir as propriedades mecânicas de uma faixa de ouro (largura ~ 1 mm) usando MEMS dentro de um microscópio electrónico de transmissão .

Algumas aplicações comerciais comuns de MEMS incluem:

estrutura da indústria

O mercado global para sistemas micro-eletromecânicos, que inclui produtos como sistemas automóvel airbag, sistemas de visualização e cartuchos jato de tinta totalizaram US $ 40 bilhões em 2006 de acordo com o Global de MEMS / Microsystems mercados e oportunidades, um relatório de pesquisa de SEMI e Yole Developpement e está previsto para chegar a US $ 72 bilhões até 2011.

Empresas com programas MEMS fortes vêm em muitos tamanhos. Empresas de maior dimensão especializados na fabricação de componentes de alto volume de baixo custo ou soluções embaladas para mercados finais, tais como automóveis, biomédicas, e electrónica. Empresas menores fornecer o valor em soluções inovadoras e absorver a despesa de fabricação personalizada com altas margens de vendas. Ambas as grandes e pequenas empresas tipicamente investir em P & D para explorar a nova tecnologia MEMS.

O mercado de materiais e equipamentos utilizados na fabricação de dispositivos de MEMS chegou a US $ 1 bilhão no mundo em 2006. demanda Materials é impulsionado por substratos, tornando-se mais de 70 por cento do mercado, revestimentos para embalagens e uso crescente de planarization mecânico-químico (CMP). Enquanto MEMS de fabrico continua a ser dominada por um equipamento de semicondutores usados, existe uma migração de linhas de 200 mm e seleccionar novas ferramentas, incluindo a corrosão e de ligação para determinadas aplicações MEMS.

Veja também

Referências

links externos

A (não tão) breve introdução ao MEMS : um livro grátis on-line aberta em MEMS