Układy mikroelektromechaniczne

„MEMS” przekierowuje tutaj. W przypadku innych zastosowań zobacz MEMS (ujednoznacznienie) .
Propozycja złożona do DARPA w 1986 r. Po raz pierwszy wprowadzająca termin „systemy mikroelektromechaniczne”
Mikrowspornik MEMS rezonujący wewnątrz skaningowego mikroskopu elektronowego

Układy mikroelektromechaniczne ( MEMS ), pisane również jako układy mikroelektromechaniczne (lub układy mikroelektroniczne i mikroelektromechaniczne) oraz związana z nimi mikromechatronika i mikrosystemy stanowią technologię urządzeń mikroskopowych, zwłaszcza 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 elementów o wielkości od 1 do 100 mikrometrów (tj. od 0,001 do 0,1 mm), a urządzenia MEMS zazwyczaj mają rozmiary od 20 mikrometrów do milimetra (tj. od 0,02 do 1,0 mm), chociaż komponenty są ułożone w matryce ( np. cyfrowe urządzenia mikrozwierciadlane ) mogą mieć powierzchnię większą niż 1000 mm2 . Zwykle składają się z jednostki centralnej przetwarzającej dane ( układu scalonego , takiego jak mikroprocesor ) oraz kilku elementów wchodzących w interakcję z otoczeniem (takich jak mikroczujniki ). Ze względu na duży stosunek powierzchni do objętości MEMS, siły wytwarzane przez otoczenie elektromagnetyzm (np. ładunki elektrostatyczne i momenty magnetyczne ) oraz dynamika płynów (np. napięcie powierzchniowe i lepkość ) są ważniejszymi czynnikami projektowymi niż w przypadku urządzeń mechanicznych o większej skali. Technologia MEMS różni się od nanotechnologii molekularnej lub elektroniki molekularnej tym, że te dwie ostatnie muszą również uwzględniać chemię powierzchni .

Potencjał bardzo małych maszyn został doceniony, zanim pojawiła się technologia, która mogła je wytworzyć (patrz na przykład słynny wykład Richarda Feynmana z 1959 r. Na dnie jest dużo miejsca ). MEMS stały się praktyczne, gdy można je było wytwarzać przy użyciu zmodyfikowanych wytwarzania urządzeń półprzewodnikowych , zwykle używanych do produkcji elektroniki . Obejmują one formowanie i platerowanie, trawienie na mokro ( KOH , TMAH ) i trawienie na sucho ( RIE i DRIE), obróbka elektroerozyjna (EDM) i inne technologie umożliwiające wytwarzanie małych urządzeń.

Historia

Wczesnym przykładem urządzenia MEMS jest tranzystor z bramką rezonansową, adaptacja tranzystora MOSFET, opracowana przez Harveya C. Nathansona w 1965 r. Innym wczesnym przykładem jest rezonistor, elektromechaniczny rezonator monolityczny opatentowany przez Raymonda J. Wilfingera w latach 1966-1971 Od lat 70. do wczesnych 80. opracowano szereg mikroczujników MOSFET do pomiaru parametrów fizycznych, chemicznych, biologicznych i środowiskowych. Termin „MEMS” został wprowadzony w 1986 r.

typy

Istnieją dwa podstawowe rodzaje technologii przełączników MEMS: pojemnościowe i rezystancyjne . Pojemnościowy przełącznik MEMS został opracowany przy użyciu ruchomej płytki lub elementu czujnikowego, który zmienia pojemność. Przełączniki omowe są sterowane przez wsporniki sterowane elektrostatycznie. Rezystancyjne przełączniki MEMS mogą ulec awarii w wyniku zmęczenia metalu siłownika MEMS ( wspornika) i zużycia styków, ponieważ wsporniki mogą z czasem odkształcać się.

Materiały do ​​produkcji MEMS

Wytwarzanie MEMS wyewoluowało z technologii procesowej stosowanej w wytwarzaniu urządzeń półprzewodnikowych , tj. podstawowe techniki to nakładanie warstw materiału, modelowanie za pomocą fotolitografii i trawienie w celu uzyskania wymaganych kształtów.

Krzem

Krzem jest materiałem używanym do tworzenia większości układów scalonych stosowanych w elektronice użytkowej we współczesnym przemyśle. Korzyści skali , łatwa dostępność niedrogich materiałów wysokiej jakości oraz możliwość włączenia funkcji elektronicznych sprawiają, że krzem jest atrakcyjny dla szerokiej gamy zastosowań MEMS. Krzem ma również istotne zalety wynikające z jego właściwości materiałowych. W postaci pojedynczego kryształu krzem jest prawie idealnym Hooke'a , co oznacza, że ​​po zgięciu praktycznie nie występuje histereza a zatem prawie bez rozpraszania energii. Oprócz zapewniania wysoce powtarzalnego ruchu, sprawia to również, że krzem jest bardzo niezawodny, ponieważ bardzo mało się męczy i może mieć żywotność w zakresie od miliardów do bilionów cykli bez zerwania. Nanostruktury półprzewodnikowe na bazie krzemu zyskują coraz większe znaczenie w dziedzinie mikroelektroniki, aw szczególności MEMS. Nanoprzewody krzemowe , wytwarzane w wyniku termicznego utleniania krzemu, są przedmiotem dalszego zainteresowania w elektrochemii przetwarzanie i przechowywanie, w tym baterie nanoprzewodowe i systemy fotowoltaiczne .

polimery

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

Metale

Metale można również wykorzystać do tworzenia elementów MEMS. Chociaż 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 napylania katodowego. 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 uziemiającą (różnica wysokości 2,5 µm). Dzięki zaciskowi pośrodku, gdy belka pochyla się w dół, powstaje rosnąca siła resetowania. Prawy rysunek przedstawia powiększenie klipu.

Azotki krzemu, aluminium i tytanu, a także węglik krzemu i inne materiały ceramiczne są coraz częściej stosowane w produkcji MEMS ze względu na korzystne kombinacje właściwości materiałów. AlN krystalizuje w strukturze wurcytu , a tym samym wykazuje właściwości piroelektryczne i piezoelektryczne , umożliwiając czujnikom np. czułość na siły normalne i ścinające. Z drugiej strony TiN wykazuje wysoką przewodność elektryczną i dużą moduł sprężystości , umożliwiający realizację elektrostatycznych schematów uruchamiania MEMS za pomocą ultracienkich wiązek. Ponadto wysoka odporność TiN na biokorozję kwalifikuje materiał do zastosowań w środowiskach biogenicznych. Rysunek przedstawia obraz z mikroskopu elektronowego biosensora MEMS z cienką, zginaną wiązką TiN o grubości 50 nm nad płytką uziemiającą TiN. Obie mogą być napędzane jako przeciwległe elektrody kondensatora, ponieważ wiązka jest zamocowana w izolujących elektrycznie ściankach bocznych. Gdy płyn jest zawieszony we wnęce, jego lepkość można określić na podstawie zginania wiązki przez przyciąganie elektryczne do płyty uziemiającej i pomiaru prędkości zginania.

Podstawowe procesy MEMS

Procesy osadzania

Jednym z podstawowych elementów składowych 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 folii 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 osadzany na powierzchni. Techniki do tego celu obejmują proces napylania , w którym wiązka jonów uwalnia atomy z celu, umożliwiając im poruszanie się przez przestrzeń pośrednią i osadzanie na pożądanym podłożu, oraz odparowywanie , w którym materiał jest odparowywany z celu za pomocą albo ciepło (odparowanie termiczne) lub wiązka elektronów (odparowanie e-beam) w systemie próżniowym.

Osadzanie chemiczne

Techniki chemicznego osadzania obejmują chemiczne osadzanie z fazy gazowej (CVD), w którym strumień gazu źródłowego reaguje na podłoże w celu wyhodowania pożądanego materiału. 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 ).

Warstwy tlenków można również hodować techniką utleniania termicznego , w której płytka (zwykle krzemowa) jest wystawiana na działanie tlenu i/lub pary wodnej w celu wytworzenia cienkiej powierzchniowej warstwy dwutlenku krzemu .

Wzornictwo

Wzornictwo w MEMS to przeniesienie wzoru na materiał.

Litografia

Litografia w kontekście MEMS polega zazwyczaj na przeniesieniu wzoru na materiał światłoczuły poprzez selektywną ekspozycję na źródło promieniowania, takie jak światło. Materiał światłoczuły to materiał, który zmienia swoje właściwości fizyczne pod wpływem promieniowania. Jeśli materiał światłoczuły jest wybiórczo wystawiony na działanie promieniowania (np. poprzez maskowanie części promieniowania), wzór promieniowania na materiale jest przenoszony na naświetlany materiał, ponieważ właściwości naświetlonych i nienaświetlonych obszarów różnią się.

Ten odsłonięty obszar można następnie usunąć lub poddać obróbce, tworząc maskę dla podłoża. Fotolitografia jest zwykle stosowana z osadzaniem metalu lub innej cienkiej warstwy, trawieniem na mokro i na sucho. Czasami fotolitografia jest używana do tworzenia struktury bez jakiegokolwiek dodatkowego wytrawiania. Jednym z przykładów jest soczewka oparta na SU8, w której generowane są kwadratowe bloki oparte na SU8. Następnie fotorezyst topi się, tworząc półkulę, która działa jak soczewka.

Litografia wiązką elektronów

Główny artykuł: Litografia wiązką elektronów

Litografia z wiązką elektronów (często w skrócie litografia z wiązką elektronów) to praktyka polegająca na skanowaniu wiązki elektronów we wzorzysty sposób na powierzchni pokrytej folią (zwaną maską ) („odsłanianie” maski) i selektywne usuwanie albo odsłonięte lub nieodsłonięte obszary maski („rozwijające się”). Celem, podobnie jak w przypadku fotolitografii , jest stworzenie bardzo małych struktur w masce, 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 wiązką elektronów jest to, że jest to jeden ze sposobów na pokonanie granicy dyfrakcji światła i tworzenie cech w zakresie nanometrów . Ta forma litografii bezmaskowej znalazła szerokie zastosowanie w tworzeniu fotomasek stosowanych w fotolitografii , niskoseryjnej produkcji elementów półprzewodnikowych oraz badaniach i rozwoju.

Kluczowym ograniczeniem litografii z wiązką 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 oczekiwania na przeróbkę lub przeprojektowanie jest niepotrzebnie wydłużany, jeśli wzór nie jest zmieniany po raz drugi.

litografia jonowa

Wiadomo, że litografia zogniskowaną wiązką jonów umożliwia pisanie bardzo cienkich linii (osiągnięto mniej niż 50 nm linii i odstępu) bez efektu bliskości. Ponieważ jednak pole zapisu w litografii wiązką jonów jest dość małe, wzory o dużej powierzchni muszą być tworzone przez zszywanie małych pól.

Technologia ścieżki jonowej

Technologia toru jonowego to narzędzie do głębokiego skrawania o granicy rozdzielczości około 8 nm, stosowane do minerałów, szkieł i polimerów odpornych na promieniowanie. Jest w stanie generować dziury w cienkich filmach bez żadnego procesu wywoływania. Głębokość strukturalną można określić na podstawie zakresu jonów lub grubości materiału. Można osiągnąć proporcje do kilku 10 4 . Technika ta umożliwia kształtowanie i teksturowanie materiałów pod określonym kątem nachylenia. Można wygenerować losowy wzór, pojedyncze struktury ścieżek jonowych i ukierunkowany wzór składający się z pojedynczych pojedynczych ścieżek.

Litografia rentgenowska

Litografia rentgenowska to proces stosowany w przemyśle elektronicznym do selektywnego usuwania fragmentów cienkiej warstwy. Wykorzystuje promieniowanie rentgenowskie do przeniesienia geometrycznego wzoru z maski na światłoczuły chemiczny fotorezyst lub po prostu „rezyst” na podłożu. Seria zabiegów chemicznych następnie graweruje wytworzony wzór w materiale pod fotorezystem.

Wzór diamentu

Prosty sposób rzeźbienia lub tworzenia wzorów na powierzchni nanodiamentów bez ich uszkadzania może doprowadzić do powstania nowej generacji urządzeń fotonicznych.

Diamentowe wzornictwo to metoda formowania diamentowych MEMS. Osiąga się to przez litograficzne nakładanie 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 frezowanie skupioną wiązką jonów .

Procesy trawienia

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

Trawienie na mokro

Główny artykuł: Trawienie (mikrofabrykacja)

Trawienie chemiczne na mokro polega na selektywnym usuwaniu materiału poprzez zanurzenie podłoża w roztworze, który go rozpuszcza. Chemiczny charakter tego procesu wytrawiania zapewnia dobrą selektywność, co oznacza, że ​​przy starannym doborze szybkość wytrawiania materiału docelowego jest znacznie wyższa niż materiału maski. Trawienie na mokro można przeprowadzić przy użyciu izotropowych środków do trawienia na mokro lub anizotropowych środków do trawienia na mokro. Izotropowe wytrawianie na mokro wytrawia krzem krystaliczny we wszystkich kierunkach z mniej więcej równymi szybkościami. Anizotropowe środki trawiące na mokro korzystnie trawią wzdłuż pewnych płaszczyzn krystalicznych z większą szybkością niż inne płaszczyzny, umożliwiając w ten sposób wdrożenie bardziej skomplikowanych mikrostruktur 3D.

Mokre środki trawiące anizotropowe są często stosowane w połączeniu z borowymi środkami trawiącymi, w których powierzchnia krzemu jest silnie domieszkowana borem, co skutkuje warstwą materiału krzemowego odporną na mokre środki trawiące. Zostało to wykorzystane na przykład w produkcji czujników ciśnienia MEWS.

Trawienie izotropowe

Trawienie przebiega z tą samą prędkością we wszystkich kierunkach. Długie i wąskie otwory w masce utworzą rowki w kształcie litery V w silikonie. Powierzchnia tych rowków może być atomowo gładka, jeśli wytrawianie 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 wytrawianie anizotropowe, a jednym z najczęstszych przykładów jest wytrawianie krzemu w KOH (wodorotlenku potasu), gdzie płaszczyzny Si <111> trawią około 100 razy wolniej niż inne płaszczyzny (orientacje krystalograficzne ) . Dlatego wytrawianie prostokątnego otworu w płytce (100)-Si skutkuje wytrawianiem w kształcie piramidy ze ścianami 54,7 °, zamiast otworu z zakrzywionymi ścianami bocznymi, jak w przypadku trawienia izotropowego.

Trawienie HF

Kwas fluorowodorowy jest powszechnie stosowany jako wodny środek wytrawiający dla dwutlenku krzemu ( SiO
2 , znany również jako BOX dla SOI), zwykle w 49% stężonej postaci, 5:1, 10:1 lub 20:1 BOE (buforowany środek wytrawiający tlenkowy ) lub BHF (buforowana HF). Po raz pierwszy zastosowano je w średniowieczu do wytrawiania szkła. Był używany do wytwarzania 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 . Po kontakcie przenika przez skórę i dyfunduje prosto do kości. Dlatego uszkodzenie nie jest odczuwalne, dopóki nie jest za późno.

Trawienie elektrochemiczne

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

Trawienie na sucho

Główny artykuł: Wytrawianie na sucho
Wytrawianie parowe
Difluorek ksenonu

Difluorek ksenonu ( XeF
2 ) to izotropowe wytrawianie krzemu w suchej fazie gazowej, pierwotnie zastosowane w MEMS w 1995 r. na Uniwersytecie Kalifornijskim w Los Angeles. Stosowany głównie do uwalniania struktur metalowych i dielektrycznych poprzez podcinanie krzemu, XeF
2 ma tę zaletę, że w przeciwieństwie do mokrych środków wytrawiających uwalnianie jest wolne od tarcia. Jego selektywność trawienia względem krzemu jest bardzo wysoka, co pozwala na pracę z
fotorezystem SiO2 , azotek krzemu i różne metale do maskowania. Jego reakcja na krzem jest „bezplazmowa”, jest czysto chemiczna i spontaniczna i często działa w trybie pulsacyjnym. Dostępne są modele działania wytrawiania, a laboratoria uniwersyteckie i różne narzędzia komercyjne oferują rozwiązania wykorzystujące to podejście.

Wytrawianie plazmowe

W nowoczesnych procesach VLSI unika się trawienia na mokro i zamiast tego stosuje się trawienie plazmowe . Wytrawiacze plazmowe mogą pracować w kilku trybach poprzez regulację parametrów plazmy. Zwykłe trawienie plazmowe działa w zakresie od 0,1 do 5 Torr. (Ta jednostka ciśnienia, powszechnie stosowana w inżynierii próżniowej, wynosi około 133,3 paskala.) Plazma wytwarza energetyczne wolne rodniki o ładunku neutralnym, które reagują na powierzchni płytki. Ponieważ neutralne cząstki atakują płytkę ze wszystkich stron, proces ten jest izotropowy.

Wytrawianie plazmowe może być izotropowe, tj. wykazujące szybkość podcinania bocznego na wzorzystej powierzchni w przybliżeniu taką samą jak szybkość wytrawiania w dół, lub może być anizotropowe, tj. wykazujące mniejszą szybkość podcinania bocznego niż szybkość wytrawiania w dół. Taka anizotropia jest maksymalizowana w głębokim reaktywnym trawieniu jonowym. Używania terminu anizotropia do trawienia plazmowego nie należy mylić z użyciem tego samego terminu w odniesieniu do trawienia zależnego od orientacji.

Gaz źródłowy plazmy zwykle zawiera małe cząsteczki bogate w chlor lub fluor. Na przykład tetrachlorek węgla ( CCl 4 ) trawi krzem i glin, a trifluorometan trawi dwutlenek krzemu i azotek krzemu. Plazma zawierająca tlen służy do utleniania („popiołu”) fotomaski i ułatwienia jej usunięcia.

Frezowanie jonowe lub napylanie katodowe wykorzystuje niższe ciśnienia, często tak niskie, jak 10-4 Torr (10 mPa). Bombarduje płytkę energetycznymi jonami gazów szlachetnych, często Ar+, które wybijają atomy z podłoża, przenosząc pęd. Ponieważ trawienie jest wykonywane przez jony, które zbliżają się do płytki w przybliżeniu z jednego kierunku, proces ten jest wysoce anizotropowy. Z drugiej strony ma tendencję do wykazywania słabej selektywności. Wytrawianie jonami reaktywnymi (RIE) działa w warunkach pośrednich między napylaniem katodowym a trawieniem plazmowym (od 10 –3 do 10 –1 Tor). Głębokie trawienie jonami reaktywnymi (DRIE) modyfikuje technikę RIE w celu uzyskania głębokich, wąskich cech. [ potrzebne źródło ]

Rozpylanie
Główny artykuł: Rozpylanie
Reaktywne trawienie jonowe (RIE)
Główny artykuł: Trawienie jonami reaktywnymi

W wytrawianiu jonami reaktywnymi (RIE) podłoże umieszcza się w reaktorze i wprowadza się kilka gazów. Plazma jest uderzana w mieszaninę gazów za pomocą źródła zasilania RF, które rozbija cząsteczki gazu na jony. Jony przyspieszają w kierunku i reagują z powierzchnią wytrawianego materiału, tworząc kolejny materiał gazowy. Jest to znane jako chemiczna część reaktywnego trawienia jonowego. Istnieje również część fizyczna, która jest podobna do procesu osadzania przez napylanie. Jeśli jony mają wystarczająco wysoką energię, mogą wybijać atomy z wytrawianego materiału bez reakcji chemicznej. Opracowanie procesów suchego wytrawiania, które równoważą wytrawianie chemiczne i fizyczne, jest bardzo złożonym zadaniem, ponieważ istnieje wiele parametrów do dostosowania. Zmieniając równowagę, można wpływać na anizotropię wytrawiania, ponieważ część chemiczna jest izotropowa, a część fizyczna silnie anizotropowa, więc połączenie może tworzyć ścianki boczne o kształtach od zaokrąglonych do pionowych.

Główny artykuł: Głębokie reaktywne trawienie jonowe

Deep RIE (DRIE) to specjalna podklasa RIE, która zyskuje na popularności. W procesie tym uzyskuje się głębokość wytrawiania rzędu setek mikrometrów przy prawie pionowych ściankach bocznych. Podstawowa technologia opiera się na tak zwanym „procesie Boscha”, nazwanym na cześć niemieckiej firmy Robert Bosch, która złożyła oryginalny patent, w którym w reaktorze naprzemiennie występują dwa różne składy gazów. Obecnie istnieją dwie odmiany DRIE. Pierwsza odmiana składa się z trzech odrębnych etapów (oryginalny proces Bosch), podczas gdy druga odmiana składa się tylko z dwóch etapów.

W pierwszym wariancie cykl wytrawiania wygląda następująco:



(i) wytrawianie izotropowe SF
6 ; ( ii
) pasywacja C4F8
; (iii) Trawienie anizotropowe SF
6 do czyszczenia podłóg.

W drugiej odmianie etapy (i) i (iii) są połączone.

Obie odmiany działają podobnie. C 6
4 F
8 SF
tworzy polimer na powierzchni podłoża, a druga kompozycja gazowa ( i O
2 ) trawi podłoże. Polimer jest natychmiast rozpylany przez fizyczną część wytrawiania, ale tylko na powierzchniach poziomych, a nie na ścianach bocznych. Ponieważ polimer rozpuszcza się bardzo wolno w chemicznej części wytrawiania, gromadzi się na ściankach bocznych i chroni je przed wytrawianiem. W rezultacie można osiągnąć proporcje wytrawiania 50 do 1. Proces ten można z łatwością zastosować do całkowitego wytrawienia przez podłoże krzemowe, a szybkość wytrawiania jest 3–6 razy większa niż w przypadku wytrawiania na mokro.

Przygotowanie matrycy

Po przygotowaniu dużej ilości układów MEMS na płytce krzemowej poszczególne matryce muszą zostać odseparowane, co w technice półprzewodnikowej nazywa się przygotowaniem matrycy . W przypadku niektórych zastosowań separacja jest poprzedzona szlifowaniem wstecznym wafla w celu zmniejszenia grubości wafla. Krojenie wafli można następnie wykonać albo przez piłowanie z użyciem płynu chłodzącego, albo w procesie suchego lasera zwanym krojeniem w kostkę .

Technologie produkcji MEMS

Mikroobróbka masowa

Główny artykuł: Mikroobróbka masowa

Mikroobróbka masowa jest najstarszym paradygmatem MEMS na bazie krzemu. Do budowy struktur mikromechanicznych wykorzystywana jest cała grubość płytki krzemowej. Krzem jest obrabiany przy użyciu różnych procesów wytrawiania . Masowa mikroobróbka była niezbędna do stworzenia wysokowydajnych czujników ciśnienia i przyspieszeniomierzy , które zmieniły branżę czujników w latach 80. i 90. XX wieku.

Mikroobróbka powierzchni

Główny artykuł: 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 silikonowej. Oryginalna koncepcja mikroobróbki powierzchni opierała się na cienkich warstwach krzemu polikrystalicznego ukształtowanych jako ruchome struktury mechaniczne i uwalnianych przez wytrawianie leżącej pod spodem warstwy tlenku. Elektrody grzebieniowe międzypalcowe wykorzystano do wytworzenia sił w płaszczyźnie i do pojemnościowego wykrywania ruchu w płaszczyźnie. Ten paradygmat MEMS umożliwił produkcję tanich przyspieszeniomierzy do np. samochodowych systemów poduszek powietrznych i innych zastosowań, w których wystarczają niskie osiągi i/lub wysokie zakresy g. Urządzenia analogowe był pionierem uprzemysłowienia mikroobróbki powierzchni i zrealizował kointegrację MEMS i układów scalonych.


Klejenie wafli

Łączenie płytek polega na łączeniu ze sobą dwóch lub więcej podłoży (zwykle o tej samej średnicy) w celu utworzenia struktury kompozytowej. Istnieje kilka rodzajów procesów łączenia płytek, które są stosowane w produkcji mikroukładów, w tym: bezpośrednie lub stapiane łączenie płytek, w którym połączone są ze sobą dwie lub więcej płytek, które są zwykle wykonane z krzemu lub innego materiału półprzewodnikowego; wiązanie anodowe, w którym płytka szklana domieszkowana borem jest łączona z płytką półprzewodnikową, zwykle krzemową; łączenie termokompresyjne, w którym pośrednicząca warstwa cienkowarstwowego materiału jest stosowana w celu ułatwienia łączenia płytek; oraz wiązanie eutektyczne, w którym cienkowarstwowa warstwa złota jest stosowana do łączenia dwóch płytek krzemowych. Każda z tych metod ma określone zastosowania w zależności od okoliczności. Większość procesów łączenia płytek opiera się na trzech podstawowych kryteriach skutecznego łączenia: płytki, które mają być połączone, są wystarczająco płaskie; powierzchnie płytek są wystarczająco gładkie; a powierzchnie płytek są wystarczająco czyste. Najbardziej rygorystycznymi kryteriami łączenia płytek jest zwykle bezpośrednie łączenie płytek, ponieważ nawet jedna lub więcej małych cząstek może uniemożliwić wiązanie. Dla porównania, metody łączenia płytek wykorzystujące warstwy pośrednie są często dużo bardziej wyrozumiałe.

Mikroobróbka krzemu o wysokim współczynniku kształtu (HAR).

Zarówno masowa, jak i powierzchniowa mikroobróbka krzemu jest wykorzystywana w przemysłowej produkcji czujników, dysz atramentowych i innych urządzeń. Ale w wielu przypadkach różnica między tymi dwoma zmniejszyła się. Nowa technologia wytrawiania, głębokie wytrawianie jonami reaktywnymi , umożliwiła połączenie dobrej wydajności typowej dla mikroobróbki masowej ze strukturami grzebieniowymi i operacjami w płaszczyźnie typowymi dla mikroobróbki powierzchni . Podczas gdy w mikroobróbce powierzchni często grubość warstwy strukturalnej mieści się w zakresie 2 µm, w mikroobróbce krzemu HAR grubość może wynosić od 10 do 100 µm. Materiały powszechnie stosowane w mikroobróbce krzemu HAR to gruby krzem polikrystaliczny, znany jako epi-poli, oraz wafle połączone krzemem na izolatorze (SOI), chociaż stworzono również procesy dla masowych płytek krzemowych (SCREAM). Do ochrony struktur MEMS stosuje się łączenie drugiej płytki za pomocą fryty szklanej, wiązania anodowego lub wiązania stopu. Układów scalonych zwykle nie łączy się z mikroobróbką krzemu HAR.


Aplikacje

Chip firmy Texas Instruments DMD do projekcji kinowych
Pomiar właściwości mechanicznych złotego paska (szerokość ~1 µm) za pomocą MEMS wewnątrz transmisyjnego mikroskopu elektronowego .

Niektóre typowe komercyjne zastosowania MEMS obejmują:

Struktura przemysłu

SEMI i Yole Development, światowy rynek systemów mikroelektromechanicznych, który obejmuje produkty takie jak samochodowe poduszki powietrzne, systemy wyświetlania i wkłady do drukarek atramentowych, wyniósł w 2006 roku 40 miliardów dolarów. do 72 miliardów dolarów do 2011 roku.

Firmy z silnymi programami MEMS mają wiele rozmiarów. Większe firmy specjalizują się w produkcji niedrogich komponentów w dużych ilościach lub gotowych rozwiązań dla rynków końcowych, takich jak motoryzacja, biomedycyna i elektronika. Mniejsze firmy zapewniają wartość w innowacyjnych rozwiązaniach i pochłaniają koszty produkcji na zamówienie przy wysokich marżach sprzedaży. Zarówno duże, jak i małe firmy zazwyczaj inwestują w badania i rozwój w celu zbadania nowej technologii MEMS.

Rynek materiałów i sprzętu używanego do produkcji urządzeń MEMS osiągnął w 2006 r. wartość 1 miliarda dolarów na całym świecie. Popyt na materiały jest napędzany przez podłoża, które stanowią ponad 70 procent rynku, powłoki opakowań i coraz częstsze stosowanie chemiczno-mechanicznej planaryzacji (CMP). Podczas gdy produkcja MEMS jest nadal zdominowana przez używany sprzęt półprzewodnikowy, następuje migracja do linii 200 mm i wybieranie nowych narzędzi, w tym wytrawiania i łączenia dla niektórych zastosowań MEMS.

Zobacz też

Dalsza lektura

Linki zewnętrzne

Pobrano z „ https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Microelectromechanical_systems&oldid=1139870714 ”