Systemy mikroelektromechaniczne - Microelectromechanical systems

Propozycja przedłożona DARPA w 1986 roku po raz pierwszy wprowadzająca termin „systemy mikroelektromechaniczne”
Mikrowspornik MEMS rezonujący w skaningowym mikroskopie elektronowym

Systemy mikroelektromechaniczne ( MEMS ), pisane również jako systemy mikroelektromechaniczne (lub systemy mikroelektroniczne i mikroelektromechaniczne) oraz powiązana z nimi mikromechatronika i mikrosystemy stanowią technologię urządzeń mikroskopowych, szczególnie tych z ruchomymi częściami. Łączą się w nanoskali w systemy nanoelektromechaniczne (NEMS) i nanotechnologię . MEMS są również określane jako mikromaszyny w Japonii i technologia mikrosystemów ( MST ) w Europie.

MEMS składają się z komponentów o wielkości od 1 do 100 mikrometrów (tj. 0,001 do 0,1 mm), a urządzenia MEMS zazwyczaj mają rozmiary od 20 mikrometrów do milimetra (tj. 0,02 do 1,0 mm), chociaż komponenty są ułożone w szyki ( na przykład, urządzenia cyfrowe Micromirror ) może być większa niż 1000 mm 2 . Zwykle składają się z jednostki centralnej, która przetwarza dane ( chip układu scalonego, takiego jak mikroprocesor ) i kilku elementów, które oddziałują z otoczeniem (takich jak mikroczujniki ). Ze względu na duży stosunek pola powierzchni do objętości MEMS, siły wytwarzane przez elektromagnetyzm otoczenia (np. ładunki elektrostatyczne i momenty magnetyczne ) oraz dynamika płynów (np. napięcie powierzchniowe i lepkość ) są ważniejsze niż w przypadku urządzeń mechanicznych o większej skali. Technologia MEMS różni się od nanotechnologii molekularnej lub elektroniki molekularnej tym, że ta ostatnia musi również uwzględniać chemię powierzchni .

Potencjał bardzo małych maszyn został doceniony, zanim istniała technologia, która mogłaby je wytwarzać (patrz na przykład słynny wykład Richarda Feynmana z 1959 r. Na dole jest mnóstwo miejsca ). MEMS stały się praktyczne, gdy można je było wytwarzać przy użyciu zmodyfikowanych technologii wytwarzania elementów półprzewodnikowych , zwykle używanych do produkcji elektroniki . Obejmują one formowanie i platerowanie, trawienie na mokro ( KOH , TMAH ) i trawienie na sucho ( RIE i DRIE), obróbkę elektroerozyjną (EDM) oraz inne technologie umożliwiające produkcję małych urządzeń.

Historia

Technologia MEMS ma swoje korzenie w krzemowej rewolucji , która wywodzi się z dwóch ważnych wynalazków krzemowych półprzewodników z 1959 roku: monolitycznego układu scalonego (IC) autorstwa Roberta Noyce'a z Fairchild Semiconductor oraz MOSFET (efekt pola metal-tlenek-półprzewodnik). tranzystor lub tranzystor MOS) Mohameda M. Atalla i Dawona Kahnga z Bell Labs . Skalowanie MOSFET , miniaturyzacja tranzystorów MOSFET na układach scalonych, doprowadziła do miniaturyzacji elektroniki (zgodnie z prawem Moore'a i skalowaniem Dennarda ). Położyło to podwaliny pod miniaturyzację systemów mechanicznych, wraz z rozwojem technologii mikroobróbki opartej na technologii półprzewodników krzemowych, ponieważ inżynierowie zaczęli zdawać sobie sprawę, że chipy krzemowe i tranzystory MOSFET mogą wchodzić w interakcje i komunikować się z otoczeniem oraz przetwarzać takie rzeczy, jak substancje chemiczne , ruchy i światło . Jeden z pierwszych krzemowych czujników ciśnienia został poddany obróbce izotropowej przez firmę Honeywell w 1962 roku.

Wczesnym przykładem urządzenia MEMS jest tranzystor z bramką rezonansową, adaptacja tranzystora MOSFET, opracowana przez Harveya C. Nathansona w 1965 roku. Innym wczesnym przykładem jest rezonator, elektromechaniczny rezonator monolityczny opatentowany przez Raymonda J. Wilfingera w latach 1966-1971 W latach 70. do wczesnych 80. opracowano szereg mikroczujników MOSFET do pomiaru parametrów fizycznych, chemicznych, biologicznych i środowiskowych.

Rodzaje

Istnieją dwa podstawowe typy technologii przełączników MEMS: pojemnościowe i omowe . Pojemnościowy przełącznik MEMS jest opracowany przy użyciu ruchomej płytki lub elementu czujnikowego, który zmienia pojemność. Przełączniki omowe są sterowane za pomocą wsporników sterowanych elektrostatycznie. Przełączniki omowe MEMS mogą ulec awarii z powodu zmęczenia metalu siłownika MEMS (wspornika) i zużycia styków, ponieważ wsporniki mogą z czasem ulec deformacji.

Materiały do ​​produkcji MEMS

Wytwarzanie MEMS wyewoluowało z technologii procesowej w wytwarzaniu urządzeń półprzewodnikowych , tj. podstawowymi technikami są osadzanie warstw materiału, modelowanie za pomocą fotolitografii i wytrawianie w celu uzyskania wymaganych kształtów.

Krzem

Krzem to materiał używany do tworzenia większości układów scalonych stosowanych w elektronice użytkowej we współczesnym przemyśle. Na ekonomię skali , łatwą dostępność tanich materiałów o wysokiej jakości, a także możliwość włączenia elektronicznego funkcjonalności make atrakcyjną dla szerokiej gamy zastosowań MEMS krzem. Krzem ma również istotne zalety wynikające z właściwości materiału. W postaci monokryształu krzem jest prawie idealnym materiałem hooke'owskim , co oznacza, że ​​gdy jest zginany , praktycznie nie ma histerezy, a zatem prawie nie ma rozpraszania energii. Zapewnia to nie tylko wysoce powtarzalny ruch, ale także sprawia, że ​​krzem jest bardzo niezawodny, ponieważ ulega bardzo niewielkiemu zmęczeniu i może mieć żywotność w zakresie od miliardów do bilionów cykli bez pękania. Nanostruktury półprzewodnikowe oparte na krzemie zyskują coraz większe znaczenie w dziedzinie mikroelektroniki, aw szczególności MEMS. Nanodruty krzemowe , wytwarzane przez termiczne utlenianie krzemu, są przedmiotem dalszego zainteresowania w konwersji i przechowywaniu elektrochemicznym , w tym w bateriach z nanodrutami i systemach fotowoltaicznych .

Polimery

Mimo że przemysł elektroniczny zapewnia ekonomię skali dla przemysłu krzemowego, krzem krystaliczny jest nadal złożonym i stosunkowo drogim materiałem w produkcji. Z drugiej strony polimery mogą być produkowane w ogromnych ilościach, z dużą różnorodnością właściwości materiałowych. Urządzenia MEMS mogą być wykonane z polimerów w procesach takich jak formowanie wtryskowe , wytłaczanie lub stereolitografia i są szczególnie dobrze przystosowane do zastosowań mikroprzepływowych , takich jak jednorazowe wkłady do badania krwi.

Metale

Metale mogą być również wykorzystywane do tworzenia elementów MEMS. Podczas gdy metale nie mają niektórych zalet krzemu pod względem właściwości mechanicznych, metale stosowane w ramach swoich ograniczeń mogą wykazywać bardzo wysoki stopień niezawodności. Metale można osadzać w procesach galwanizacji, odparowywania i rozpylania. Powszechnie stosowane metale to złoto, nikiel, aluminium, miedź, chrom, tytan, wolfram, platyna i srebro.

Ceramika

Zdjęcia z mikroskopu elektronowego wiązki TiN w kształcie litery X nad płytą gruntową (różnica wysokości 2,5 µm). Dzięki zaciskowi pośrodku, gdy belka wygina się w dół, powstaje rosnąca siła resetowania. Rysunek po prawej pokazuje powiększenie klipu.

W azotki krzemu, glinu i tytanu oraz węglik krzemu i innych materiałów ceramicznych są coraz częściej stosowane w MEMS produkcji ze względu na korzystne kombinacje właściwości materiałowych. AlN krystalizuje w strukturze wurcytu, dzięki czemu wykazuje właściwości piroelektryczne i piezoelektryczne , umożliwiając np. czujnikom czułość na siły normalne i ścinające. Z drugiej strony TiN wykazuje wysoką przewodność elektryczną i duży moduł sprężystości , co umożliwia realizację elektrostatycznych schematów uruchamiania MEMS z ultracienkimi wiązkami. Ponadto wysoka odporność TiN na biokorozję kwalifikuje materiał do zastosowań w środowiskach biogenicznych. Rysunek przedstawia obraz z mikroskopu elektronowego biosensora MEMS z cienką 50 nm podatną na zginanie wiązką TiN nad płytą uziemiającą TiN. Oba mogą być napędzane jako przeciwległe elektrody kondensatora, ponieważ belka jest zamocowana w elektrycznie izolujących ściankach bocznych. Gdy płyn jest zawieszony we wnęce, jego lepkość może być wyprowadzona z wygięcia wiązki przez przyciąganie elektryczne do płyty uziemiającej i pomiaru prędkości zginania.

Podstawowe procesy MEMS

Procesy osadzania

Jedną z podstawowych cegiełek w przetwarzaniu MEMS jest możliwość osadzania cienkich warstw materiału o grubości od jednego mikrometra do około 100 mikrometrów. Proces NEMS jest taki sam, chociaż pomiar osadzania się filmu waha się od kilku nanometrów do jednego mikrometra. Istnieją dwa rodzaje procesów osadzania, jak następuje.

Osadzanie fizyczne

Fizyczne osadzanie z fazy gazowej („PVD”) składa się z procesu, w którym materiał jest usuwany z celu i osadzony na powierzchni. Techniki do tego celu obejmują proces rozpylania , w którym wiązka jonów uwalnia atomy z tarczy, umożliwiając im poruszanie się przez przestrzeń pośrednią i osadzanie się na pożądanym podłożu oraz odparowanie , w którym materiał jest odparowywany z tarczy za pomocą ciepło (odparowanie termiczne) lub wiązka elektronów (odparowanie wiązką elektronów) w układzie próżniowym.

Osadzanie chemiczne

Techniki osadzania chemicznego obejmują chemiczne osadzanie z fazy gazowej (CVD), w którym strumień gazu źródłowego reaguje na podłoże, aby wyhodować pożądany materiał. Można to dalej podzielić na kategorie w zależności od szczegółów techniki, na przykład LPCVD (niskociśnieniowe chemiczne osadzanie z fazy gazowej) i PECVD ( chemiczne osadzanie z fazy gazowej wspomagane plazmą ).

Warstewki tlenkowe można również hodować techniką utleniania termicznego , w której wafel (zazwyczaj krzemowy) jest wystawiany na działanie tlenu i/lub pary wodnej, w celu wytworzenia cienkiej warstwy powierzchniowej dwutlenku krzemu .

Wzornictwo

Wzornictwo w MEMS to przeniesienie wzoru na materiał.

Litografia

Litografia w kontekście MEMS to zazwyczaj przeniesienie wzoru na materiał światłoczuły przez selektywną ekspozycję na źródło promieniowania, takie jak światło. Materiał światłoczuły to materiał, którego właściwości fizyczne ulegają zmianie pod wpływem źródła promieniowania. Jeżeli materiał światłoczuły jest selektywnie eksponowany na promieniowanie (np. przez maskowanie części promieniowania), wzór promieniowania na materiale jest przenoszony na materiał eksponowany, ponieważ właściwości obszarów naświetlonych i nienaświetlonych różnią się.

Ten odsłonięty obszar można następnie usunąć lub poddać obróbce, zapewniając maskę dla leżącego pod spodem podłoża. Fotolitografia jest zwykle używana z osadzaniem metali lub innych cienkich warstw, wytrawianiem na mokro i na sucho. Czasami fotolitografia jest wykorzystywana do tworzenia struktury bez jakiegokolwiek wytrawiania. Jednym z przykładów jest obiektyw oparty na SU8, w którym generowane są kwadratowe bloki oparte na SU8. Następnie fotorezyst topi się, tworząc półkulę, która działa jak soczewka.

Litografia elektronowa

Litografia wiązek elektronów (często w skrócie litografia wiązek elektronów) to praktyka skanowania wiązki elektronów w sposób wzorzysty po powierzchni pokrytej filmem (zwanej maską ), („odsłanianie” maski) i selektywnego usuwania obu odsłonięte lub nieodsłonięte regiony maski („rozwijające się”). Celem, podobnie jak w przypadku fotolitografii , jest stworzenie w masce bardzo małych struktur, które można następnie przenieść na materiał podłoża, często przez wytrawianie. Został opracowany do produkcji układów scalonych , a także służy do tworzenia architektur nanotechnologicznych .

Podstawową zaletą litografii wiązek elektronów jest to, że jest to jeden ze sposobów na pokonanie granicy dyfrakcji światła i uzyskanie cech w zakresie nanometrów . Ta forma maskless litografii znalazła szerokie zastosowanie w fotomaski szklarstwa stosowane w fotolitografii , produkcji małoseryjnej elementów półprzewodnikowych oraz badań i rozwoju.

Kluczowym ograniczeniem litografii wiązek elektronów jest przepustowość, tj. bardzo długi czas potrzebny do naświetlenia całej płytki krzemowej lub podłoża szklanego. Długi czas ekspozycji naraża użytkownika na dryf wiązki lub niestabilność, które mogą wystąpić podczas ekspozycji. Ponadto czas realizacji poprawek lub przeprojektowania jest niepotrzebnie wydłużony, jeśli wzór nie jest zmieniany po raz drugi.

Litografia jonowa

Wiadomo, że litografia z wiązką skupionych jonów umożliwia pisanie bardzo cienkich linii (osiągnięto linię i odstęp poniżej 50 nm) bez efektu zbliżeniowego. Jednakże, ponieważ pole pisania w litografii jonowej jest dość małe, wzory o dużych powierzchniach muszą być tworzone przez zszycie małych pól.

Technologia toru jonowego

Technologia toru jonowego to narzędzie do głębokiego cięcia o rozdzielczości granicznej około 8 nm, stosowane do minerałów, szkieł i polimerów odpornych na promieniowanie. Jest w stanie generować dziury w cienkich warstwach bez żadnego procesu wywoływania. Głębokość strukturalna może być określona przez zakres jonów lub grubość materiału. Współczynniki do góry kształtu na kilku 10 4 może być osiągnięta. Technika umożliwia kształtowanie i teksturowanie materiałów pod określonym kątem nachylenia. Można wygenerować losowy wzór, jednojonowe struktury torów i celowany wzór składający się z pojedynczych pojedynczych torów.

Litografia rentgenowska

Litografia rentgenowska to proces stosowany w przemyśle elektronicznym do selektywnego usuwania części cienkiej warstwy. Wykorzystuje promienie rentgenowskie do przeniesienia wzoru geometrycznego z maski na światłoczułą fotomaskę chemiczną lub po prostu „odporną” na podłoże. Następnie seria zabiegów chemicznych powoduje grawerowanie wytworzonego wzoru w materiale pod fotomaską.

Wzór diamentowy

Prosty sposób na rzeźbienie lub tworzenie wzorów na powierzchni nanodiamentów bez ich uszkadzania może doprowadzić do powstania nowych urządzeń fotonicznych.

Wzór diamentowy to metoda formowania diamentowych MEMS. Osiąga się to poprzez litograficzne nałożenie warstw diamentowych na podłoże takie jak krzem. Wzory można tworzyć przez selektywne osadzanie przez maskę z dwutlenku krzemu lub przez osadzanie, po którym następuje mikroobróbka lub mielenie skupioną wiązką jonów .

Procesy trawienia

Istnieją dwie podstawowe kategorie procesów trawienia: trawienie na mokro i trawienie na sucho . W pierwszym przypadku materiał rozpuszcza się po zanurzeniu w roztworze chemicznym. W tym ostatnim materiał jest rozpylany lub rozpuszczany przy użyciu reaktywnych jonów lub wytrawiacza w fazie gazowej.

Trawienie na mokro

Wytrawianie chemiczne na mokro polega na selektywnym usuwaniu materiału poprzez zanurzenie podłoża w roztworze, który go rozpuszcza. Chemiczny charakter tego procesu trawienia zapewnia dobrą selektywność, co oznacza, że ​​szybkość trawienia materiału docelowego jest znacznie wyższa niż materiału maski przy starannym doborze.

Trawienie izotropowe

Trawienie przebiega z tą samą prędkością we wszystkich kierunkach. Długie i wąskie otwory w masce wytworzą w silikonie rowki w kształcie litery V. Powierzchnia tych rowków może być atomowo gładka, jeśli trawienie jest przeprowadzane prawidłowo, a wymiary i kąty są niezwykle dokładne.

Trawienie anizotropowe

Niektóre materiały monokrystaliczne, takie jak krzem, będą miały różne szybkości trawienia w zależności od orientacji krystalograficznej podłoża. Jest to znane jako trawienie anizotropowe, a jednym z najczęstszych przykładów jest trawienie krzemu w KOH (wodorotlenek potasu), gdzie płaszczyzny Si<111> trawią się około 100 razy wolniej niż inne płaszczyzny ( orientacje krystalograficzne ). W związku z tym trawienie prostokątnego otworu w waflu (100)-Si powoduje powstanie wgłębienia do trawienia w kształcie piramidy o ścianach 54,7°, zamiast otworu z zakrzywionymi ścianami bocznymi, jak w przypadku trawienia izotropowego.

Trawienie HF

Kwas fluorowodorowy jest powszechnie stosowany jako wodny środek trawiący dwutlenek krzemu ( SiO
2
, znany również jako BOX dla SOI), zwykle w 49% stężonej postaci, 5:1, 10:1 lub 20:1 BOE ( buforowany wytrawiacz tlenkowy ) lub BHF (buforowany HF). Po raz pierwszy zastosowano je w średniowieczu do wytrawiania szkła. Był używany w produkcji układów scalonych do modelowania tlenku bramki, dopóki etap procesu nie został zastąpiony przez RIE.

Kwas fluorowodorowy jest uważany za jeden z bardziej niebezpiecznych kwasów w pomieszczeniach czystych . W kontakcie ze skórą przenika bezpośrednio do kości. Dlatego szkody nie są odczuwalne, dopóki nie jest za późno.

Trawienie elektrochemiczne

Wytrawianie elektrochemiczne (ECE) do selektywnego usuwania krzemu z domieszką jest powszechną metodą automatyzacji i selektywnej kontroli trawienia. Wymagane jest aktywne złącze diodowe pn , a każdy rodzaj domieszki może być materiałem odpornym na trawienie („etch-stop”). Bor jest najczęstszą domieszką zatrzymującą trawienie. W połączeniu z mokrym trawieniem anizotropowym, jak opisano powyżej, ECE jest z powodzeniem stosowany do kontrolowania grubości krzemowej membrany w komercyjnych piezorezystancyjnych krzemowych czujnikach ciśnienia. Selektywnie domieszkowane regiony mogą być tworzone przez implantację, dyfuzję lub epitaksjalne osadzanie krzemu.

Suche trawienie

Wytrawianie parowe
Difluorek ksenonu

Difluorek ksenonu ( XeF
2
) jest suchym wytrawiaczem izotropowym w fazie pary dla krzemu, pierwotnie zastosowanym do MEMS w 1995 roku na Uniwersytecie Kalifornijskim w Los Angeles. Stosowany głównie do uwalniania struktur metalowych i dielektrycznych poprzez podcinanie krzemu, XeF
2
ma tę zaletę, że tarcie statyczne uwalniania -FREE przeciwieństwie mokro trawiących. Jego selektywność trawienia w stosunku do krzemu jest bardzo wysoka, co pozwala na pracę z fotomaską SiO,
2
, azotek krzemu i różne metale do maskowania. Jego reakcja na krzem jest „bezplazmowa”, jest czysto chemiczna i spontaniczna i często działa w trybie impulsowym. Dostępne są modele działania trawienia, a laboratoria uniwersyteckie i różne narzędzia komercyjne oferują rozwiązania wykorzystujące to podejście.

Wytrawianie plazmowe

Nowoczesne procesy VLSI unikają wytrawiania na mokro i zamiast tego wykorzystują wytrawianie plazmowe . Wytrawiacze plazmowe mogą działać w kilku trybach, dostosowując parametry plazmy. Zwykłe trawienie plazmowe działa od 0,1 do 5 Torr. (Ta jednostka ciśnienia, powszechnie stosowana w inżynierii próżni, wynosi około 133,3 paskali.) Plazma wytwarza energetyczne wolne rodniki, naładowane neutralnie, które reagują na powierzchni wafla. Ponieważ cząsteczki obojętne atakują wafel ze wszystkich stron, proces ten jest izotropowy.

Trawienie w plazmie może być izotropowe, tj. wykazujące szybkość podcięcia bocznego na ukształtowanej powierzchni w przybliżeniu taką samą jak szybkość trawienia w dół, lub może być anizotropowe, tj. wykazujące mniejszą szybkość podcięcia bocznego niż szybkość trawienia w dół. Taka anizotropia jest maksymalizowana w głębokim trawieniu reaktywnym jonów. Użycie terminu anizotropia do wytrawiania plazmowego nie powinno być mylone z użyciem tego samego terminu w odniesieniu do wytrawiania zależnego od orientacji.

Gaz źródłowy plazmy zawiera zwykle małe cząsteczki bogate w chlor lub fluor. Na przykład czterochlorek węgla ( CCl
4
) wytrawia krzem i glin, a trifluorometan wytrawia dwutlenek krzemu i azotek krzemu. Plazma zawierająca tlen jest używana do utleniania („popiołu”) fotomaski i ułatwiania jej usuwania.

Mielenie jonowe lub wytrawianie jonowe wykorzystuje niższe ciśnienia, często tak niskie jak 10-4 Torr (10 mPa). Bombarduje wafel energetycznymi jonami gazów szlachetnych, często Ar+, które wybijają atomy z podłoża poprzez przenoszenie pędu. Ponieważ wytrawianie odbywa się za pomocą jonów, które zbliżają się do płytki w przybliżeniu z jednego kierunku, proces ten jest wysoce anizotropowy. Z drugiej strony wykazuje słabą selektywność. Reaktywne trawienie jonowe (RIE) działa w warunkach pośrednich między napylaniem a trawieniem plazmowym (od 10–3 do 10–1 Torr). Głębokie trawienie jonami reaktywnymi (DRIE) modyfikuje technikę RIE w celu uzyskania głębokich, wąskich cech.

Rozpylanie
Reaktywne trawienie jonowe (RIE)

W trawieniu reaktywnym (RIE) substrat umieszcza się w reaktorze i wprowadza się kilka gazów. W mieszaninie gazów uderza plazma za pomocą źródła zasilania RF, które rozbija cząsteczki gazu na jony. Jony przyspieszają w kierunku powierzchni trawionego materiału i reagują z nią, tworząc inny materiał gazowy. Jest to znane jako chemiczna część reaktywnego trawienia jonowego. Istnieje również część fizyczna, która jest podobna do procesu osadzania napylanego. Jeśli jony mają wystarczająco wysoką energię, mogą wybijać atomy z materiału w celu wytrawienia bez reakcji chemicznej. Opracowanie procesów suchego trawienia, które równoważą trawienie chemiczne i fizyczne, jest bardzo złożonym zadaniem, ponieważ istnieje wiele parametrów, które należy dostosować. Zmieniając równowagę można wpływać na anizotropię trawienia, ponieważ część chemiczna jest izotropowa, a część fizyczna wysoce anizotropowa, kombinacja może tworzyć ściany boczne o kształtach od zaokrąglonych do pionowych.

Deep RIE (DRIE) to specjalna podklasa RIE, która zyskuje na popularności. W procesie tym osiąga się głębokość trawienia setek mikrometrów przy prawie pionowych ścianach bocznych. Podstawowa technologia oparta jest na tak zwanym „procesie Bosch”, nazwanym na cześć niemieckiej firmy Robert Bosch, która złożyła oryginalny patent, w którym dwa różne składy gazów zmieniają się w reaktorze. Obecnie istnieją dwie odmiany DRIE. Pierwsza odmiana składa się z trzech odrębnych kroków (oryginalny proces Bosch), podczas gdy druga odmiana składa się tylko z dwóch kroków.

W pierwszym wariancie cykl wytrawiania wygląda następująco:

(i) SF
6
wytrawianie izotropowe;
(ii) C
4
F
8
pasywacja;
(iii) SF
6
wytrawiacz anizotropowy do czyszczenia podłóg.

W drugim wariancie etapy (i) i (iii) są połączone.

Obie odmiany działają podobnie. C
4
F
8
tworzy polimer na powierzchni podłoża, a drugi skład gazowy ( SF
6
i O
2
) wytrawia podłoże. Polimer jest natychmiast rozpylany przez fizyczną część trawienia, ale tylko na powierzchniach poziomych, a nie na ścianach bocznych. Ponieważ polimer bardzo powoli rozpuszcza się w części chemicznej trawienia, gromadzi się na ściankach bocznych i chroni je przed trawieniem. W rezultacie można osiągnąć proporcje trawienia 50 do 1. Proces ten można z łatwością zastosować do całkowitego wytrawiania przez podłoże krzemowe, a szybkości wytrawiania są 3–6 razy wyższe niż w przypadku wytrawiania na mokro.

Przygotowanie matrycy

Po przygotowaniu dużej liczby urządzeń MEMS na płytce krzemowej poszczególne wykrojniki należy rozdzielić, co nazywa się przygotowaniem wykrojników w technologii półprzewodnikowej. W niektórych zastosowaniach separacja jest poprzedzona szlifowaniem od tyłu wafla w celu zmniejszenia grubości wafla. Kostka do wafli może być następnie wykonana albo przez piłowanie przy użyciu płynu chłodzącego, albo przez suchy proces laserowy zwany kostką typu stealth .

Technologie wytwarzania MEMS

Mikroobróbka luzem

Mikroobróbka masowa to najstarszy paradygmat MEMS na bazie krzemu. Do budowy konstrukcji mikromechanicznych wykorzystuje się całą grubość płytki krzemowej. Krzem jest obrabiany przy użyciu różnych procesów trawienia . Anodowe spajanie płytek szklanych lub dodatkowych wafli krzemowych służy do dodawania cech w trzecim wymiarze i hermetycznej hermetyzacji. Mikroobróbka masowa ma zasadnicze znaczenie dla stworzenia wysokowydajnych czujników ciśnienia i akcelerometrów, które zmieniły branżę czujników w latach 80. i 90. XX wieku.

Mikroobróbka powierzchni

Mikroobróbka powierzchni wykorzystuje warstwy osadzone na powierzchni podłoża jako materiały konstrukcyjne, a nie samo podłoże. Mikroobróbka powierzchni została stworzona pod koniec lat 80. XX wieku, aby uczynić mikroobróbkę krzemu bardziej kompatybilną z technologią płaskich układów scalonych, w celu połączenia MEMS i układów scalonych na tej samej płytce krzemowej. Pierwotna koncepcja mikroobróbki powierzchni opierała się na cienkich warstwach polikrystalicznego krzemu ukształtowanych jako ruchome struktury mechaniczne i uwolnionych przez trawienie protektorowe leżącej poniżej warstwy tlenku. Zastosowano międzypalcowe elektrody grzebieniowe do wytwarzania sił w płaszczyźnie i pojemnościowego wykrywania ruchu w płaszczyźnie. Ten paradygmat MEMS umożliwił produkcję tanich akcelerometrów, np. samochodowych systemów poduszek powietrznych i innych zastosowań, w których wystarczająca jest niska wydajność i/lub wysokie zakresy g. Firma Analog Devices jest pionierem w dziedzinie industrializacji mikroobróbki powierzchni i zrealizowała kointegrację MEMS i układów scalonych.

Utlenianie termiczne

Do kontrolowania wielkości komponentów w mikro i nanoskali często stosuje się tzw. procesy beztrawiące. Takie podejście do wytwarzania MEMS opiera się głównie na utlenianiu krzemu, jak opisano w modelu Deal-Grove . Procesy utleniania termicznego są wykorzystywane do wytwarzania różnorodnych struktur krzemowych z bardzo precyzyjną kontrolą wymiarów. Urządzenia, w tym optyczne grzebienie częstotliwości i krzemowe czujniki ciśnienia MEMS, zostały wyprodukowane dzięki zastosowaniu procesów utleniania termicznego w celu dostrojenia struktur krzemowych w jednym lub dwóch wymiarach. Utlenianie termiczne ma szczególne znaczenie przy wytwarzaniu nanoprzewodów krzemowych , które są szeroko stosowane w systemach MEMS jako komponenty zarówno mechaniczne, jak i elektryczne.

Mikroobróbka krzemu o wysokim współczynniku kształtu (HAR)

Mikroobróbka krzemu zarówno w masie jak i powierzchni jest wykorzystywana w przemysłowej produkcji czujników, dysz atramentowych i innych urządzeń. Ale w wielu przypadkach rozróżnienie między tymi dwoma zmalało. Nowa technologia trawienia, głębokie trawienie reaktywne , umożliwiła połączenie dobrej wydajności typowej dla mikroobróbki objętościowej ze strukturami grzebieniowymi i działaniem w płaszczyźnie typowym dla mikroobróbki powierzchniowej . Podczas gdy w mikroobróbki powierzchni często stosuje się grubość warstwy strukturalnej w zakresie 2 µm, w mikroobróbki krzemu HAR grubość może wynosić od 10 do 100 µm. Materiały powszechnie stosowane w mikroobróbki krzemu HAR to gruby polikrystaliczny krzem, znany jako epipolimer, oraz wafle wiązane krzemem na izolatorze (SOI), chociaż stworzono również procesy masowego wafla krzemowego (SCREAM). W celu ochrony struktur MEMS stosuje się spajanie drugiego wafla przez spajanie fryty szklanej, spajanie anodowe lub spajanie stopów. Układy scalone zazwyczaj nie są łączone z mikroobróbką krzemu HAR.

Układ układów mikroelektromechanicznych, czasami nazywany „ laboratorium na chipie

Aplikacje

Texas Instruments układ DMD projekcji kina
Pomiar właściwości mechanicznych złotego paska (szerokość ~1 µm) za pomocą MEMS w transmisyjnym mikroskopie elektronowym .

Niektóre typowe komercyjne zastosowania MEMS obejmują:

Struktura branżowa

Światowy rynek systemów mikro-elektromechanicznych, które obejmuje produkty takie jak systemy poduszek powietrznych samochodowe, systemy wyświetlania i wkładów atramentowych wyniosła 40 $ mld w 2006 roku według globalne MEMS / Microsystems rynków i możliwości, w raporcie analitycznym z SEMI i Yole Rozwoju i przewiduje się osiągnąć 72 miliardy dolarów do 2011 roku.

Firmy z silnymi programami MEMS występują w wielu rozmiarach. Większe firmy specjalizują się w produkcji niedrogich komponentów w dużych ilościach lub rozwiązań pakietowych dla rynków końcowych, takich jak samochody, biomedycyna i elektronika. Mniejsze firmy dostarczają wartość w innowacyjnych rozwiązaniach i absorbują koszt produkcji niestandardowej przy wysokich marżach sprzedaży. Zarówno duże, jak i małe firmy zazwyczaj inwestują w badania i rozwój w celu poznania nowej technologii MEMS.

Rynek materiałów i sprzętu używanego do produkcji urządzeń MEMS osiągnął w 2006 roku na całym świecie 1 miliard dolarów. Popyt na materiały jest napędzany przez substraty, które stanowią ponad 70 procent rynku, powłoki opakowań i coraz powszechniejsze stosowanie planaryzacji chemiczno-mechanicznej (CMP). Podczas gdy produkcja MEMS nadal jest zdominowana przez używany sprzęt półprzewodnikowy, istnieje migracja do linii 200 mm i wybierane są nowe narzędzia, w tym wytrawianie i spajanie dla niektórych zastosowań MEMS.

Zobacz też

Bibliografia

Dalsza lektura

Linki zewnętrzne