Sistemes microelectromecànics

Un àcar al costat d'un grup d'engranages produïts utilisant SMEM. Cortesia dels Laboratoris Nacionals Sandia (Sandia National Laboratories), tecnologies SUMMiTTM, www.mems.sandia.gov

El terme sistemes microelectromecánicos o SMEM —de l'anglés microelectromechanical systems (MEMS)— es referix a la tecnologia electromecànica de dispositius microscòpics, sobretot els que té parts mòvils. El concepte fusiona a una nanoescala els sistemes nanoelectromecánicos (SNEM) i la nanotecnología. Els SMEM són també denominats micromáquinas en Japó o tecnologia de microsistemas (MST) en Europa.

Els SMEM són independents i distints de l'hipotètica visió de la nanotecnología molecular o Electrònica Molecular. Els SMEM en general varien en tamany des d'un micrómetro (una millonèsima part d'un metro) a un milímetro (milèsima part d'un metro). En este nivell d'escala de tamany, les construccions de la física clàssica no són sempre certes. Per la gran superfície en relació en el volum dels SMEM, els efectes de superfície com a electrostàtica i viscosidad dominen els efectes de volum tals com l'inèrcia o la massa tèrmica. L'anàlisis d'elements finitos és una part important del disseny dels SMEM. La tecnologia de sensors ha fet progressos significatius pels SMEM. La complexitat i el rendiment alvançat dels sensors SMEM ha anat evolucionant en les diferents generacions de sensors SMEM.

El potencial de les màquines molt chicotetes va ser apreciat molt abans de que existira la tecnologia que poguera construir-les - vore, per eixemple, la famosa charrada de 1959 de Richard Feynman "Hi ha molt espai en lo menut". Els SMEM es varen convertir en pràctics una volta que pogueren ser fabricats adaptant i modificant tecnologies de fabricació de semiconductors, normalment utilisades en electrònica. Entre les tècniques creades es conten nous conceptes de molege i galvanoplàstia, gravat humit (KOH, TMAH) i gravat en sec (RIE i DRIE), el mecanisat per electro descàrrega (EDM), i atres tecnologies necessàries per a fabricar dispositius molt menuts.

Existixen empreses grans i chicotetes en importants programes SMEM. Les empreses més grans s'especialisen en la fabricació seriada de grans cantitats de components de baix cost o paquets de solucions per als mercats tals com el automotriz, biomedicina, i electrònica. L'èxit de les chicotetes empreses és oferir valor en solucions innovadores i absorbir el cost de fabricació en alts màrgens de vendes. Tant les empreses grans com les chicotetes realisen treballs d'investigació i desenroll per a explorar i alvançar en la tecnologia SMEM.

Un dels majors problemes que enfronten els SMEM autònoms és l'absència de microfuentes d'energia en alta densitat de corrent, potència i capacitat elèctrica.

Descripció dels sistemes microelectromecánicos

Els alvanços en el camp dels semiconductors estan donant lloc a circuits integrats en característiques tridimensionals i inclús en peces mòvils. Estos dispositius, cridats Sistemes Microelectromecánicos (SMEM), poden resoldre molts problemes que un microprocessador en el seu software no poden. La tecnologia SMEM pot aplicar-se utilisant numerosos materials diferents i tècniques de fabricació; l'elecció dependrà del tipo de dispositiu que s'està creant i el sector comercial en el que té que operar.

Silici

Erro al crear miniatura:

Fotografies obtingudes per mig d'un microscopi electrònic d'un voltó en forma de X de TiN sobre una placa base (diferència d'altura 2.5 µm). A causa del clip existent en el mig una força de reposició en aument es desenrolla, quan el voltó és flexionada cap a avall. La figura de la dreta mostra una aproximació del clip.

El silici és el material utilisat per a crear la majoria dels circuits integrats utilisats en l'electrònica de consum en el món modern. Les economies d'escala, facilitat d'obtenció i el baix cost dels materials d'alta calitat i la capacitat per a incorporar la funcionalitat electrònica fan al silici atractiu per a una àmplia varietat d'aplicacions de SMEM. El silici també té ventages significatives producte de les seues propietats físiques. En la forma mona cristalina, el silici és un material hookeano (complix la llei de Hooke) casi perfecte, lo que significa que quan està en flexión pràcticament no hi ha histéresis i, per lo tant, casi no hi ha malbarat d'energia. Ademés l'us de silici permet realisar moviments altament repetibles, açò fa també que el silici siga molt fiable, ya que sofrix molt chicoteta fatiga i pot tindre una duració de vida de servici en el ranc de billons o trillons de cicles sense trencar. Les tècniques bàsiques per a la producció de tots els dispositius SMEM basats en silici són la deposición de capes de material, produint un patró en estes capes per fotolitografía i després gravant per a produir les formes necessàries.

Polímero

A pesar de que l'indústria de l'electrònica proporciona una economia d'escala per a l'indústria del silici, el silici cristalí és encara un material complex i relativament costós de produir. Els polímers pel contrari es poden produir en grans volums, en una gran varietat de característiques materials. Els dispositius SMEM poden fer-se de polímer, per mig de processos de molege per injecció, estampat o estéreo litografia, estos dispositius SMEM són especialment adequats per a aplicacions microfluídicas tals com els cartuchos desechables per a anàlisis de sanc.

Metals

Els metals també es poden usar per a crear elements SMEM. Encara que els metals no tenen algunes de les ventages mostrades pel silici en térmens de propietats mecàniques, quan s'utilisen dins de les seues llimitacions, els metals poden presentar graus molt alts de fiabilitat.

Els metals poden ser depositats per mig de galvanoplàstia, evaporament, i per mig de processos de pulverisació. Els metals comunament utilisats inclouen al or, níquel, alumini, crom, titani, tungsteno, argent i platí.

Processos per a producció de sistemes microelectromecánicos

Processos de deposición

Un dels processos bàsics en la producció de SMEM és el depòsit de películes primes de materials. Estes películes primes pot tindre una gruixa d'entre uns pocs nanómetros a uns 100 micrómetros. Els processos de deposición física per mig de vapor d'us comú són: electroenchapado, pulverisació catódica, i la deposición química de vapor.

Fotolitografía

Artícul principal → Fotolitografía.

Litografia en el context SMEM és, per lo general la transferència d'un patró a un material fotosensible per exposició selectiva a una font de radiació, com la llum. Un material fotosensible és un material que experimenta un canvi en les seues propietats físiques quan és expost a una font de radiació. En expondre selectivament un material fotosensible a la radiació (per eixemple, per mig de l'emmaixquerament de certes parts per a evitar siguen alcançades per la radiació) la radiació solament incidix sobre el material expost, resultant que les propietats de les regions expostes i no expostes seran diferents.

La regió exposta pugues després ser eliminada o tractada proveint una caraça per al substrat subjacent. La fotolitografía és generalment usada en metal o una atra deposición de película prima, en processos de gravat secs o mullats.

Processos de gravat

Hi ha dos tipos bàsics de procés de gravat: gravat humit i sec. En el primer cas, el material es dissol quan se sumergix en una solució química. En el segon cas, el material es polvorisa o dissol utilisant vapor de ions reactius o un gravat de fase vapor.

Gravat humit

El gravat per mullat químic consistix en una eliminació selectiva de material per mig de l'immersió d'un substrat dins d'una solució que ho puga dissoldre. La naturalea química d'este procés proporciona una bona selectivitat, lo que significa que la velocitat de gravat del material expost és considerablement més alta que la del material de la caraça si se selecciona cuidadosadament.

Alguns materials mona cristalins, com el silici, té diferents velocitats de gravat depenent en l'orientació cristalográfica del substrat. Açò es coneix com gravat anisotrópico i és un dels processos més comuns en el gravat del silici en KOH (hidròxit de potassi), a on els plans<111> del Silici es graven aproximadament 100 voltes més llent que atres plans (orientacions cristalográficas). Per lo tant, gravant un forat rectangular en un (100)- una oblea de silici resulta en un gravat de recalats en forma de piràmide en parets en àngul de 54.7°, en lloc d'un forat en parets curves com podria ser el cas del gravat isotrópico, a on els processos de gravat progressen a la mateixa velocitat en totes les direccions. Forats llarcs i estrets en una caraça produiran regates en el silici. La superfície d'estos recalats pot ser automàticament suavisades si el gravat es porta a terme correctament, en les dimensions i els ànguls sent extremadament precisos.

El gravat Electroquímic (CEPE) per a una eliminació selectiva del dopante del silici és un método comú per a automatisar i controlar selectivament el gravat. Es requerix un diodo de juntura p-n actiu, i qualsevol tipo de dopante pot actuar com a material resistent al gravat. El Bor és el dopante més comú de detenció del gravat. En combinació en el gravat humit anisotrópico descrit anteriorment, el ECE s'utilisa per al control de la gruixa del diafragma de silici en sensors de pressió piezo-resistivos de silici. Les regions selectivament dopades poden ser creades tant per implantació, difusió, o deposición epitaxial de silici.

Gravat per ions reactius (RIE)

Artícul principal → Gravat per ions reactius.

En el gravat per ions reactius (RIE), el substrat es coloca dins d'un reactor en el que s'introduïxen varis gasos. El plasma és pulsat en la mescla de gasos utilisant una font d'energia de radiofrecuencia, trencant les molècules del gas en ions. Els ions són accelerats i reaccionen en la superfície del material sent gravat, formant un atre material gaseós. Açò es coneix com la part química del gravat per ions reactius. També hi ha una part física que és de naturalea similar al procés de deposición per pulverisació. Si els ions posseïxen energia suficientment alta, poden impactar als àtoms fora del material a ser gravat sense una reacció química. És una tasca molt complexa desenrollar processos de gravat en sec que equilibren gravat químic i físic, ya que hi ha molts paràmetros a ajustar. En canviar l'equilibri és possible influir en l'anisotropía del gravat, ya que la part química és isotrópica i la part física altament anisotrópica, la combinació pot formar parets laterals, que tenen formes des de redonejades a verticals.

Gravat profunt de ions reactius (DRIE)

Artícul principal → Gravat profunt de ions reactius.

Una subclasse de RIE, és la RIE profunda (DRIE). En este procés, les profunditats de gravat de centenars de micrómetros poden ser alcançats en parets casi verticals. La principal tecnologia es basa en el cridat "procés de Bosch", en referència a l'empresa alemana Robert Bosch, que va presentar la palesa original, a on dos composicions de gasos diferents s'alternen en el reactor. Actualment hi ha dos variants de la DRIE. La primera consistix en tres passos (el procés de Bosch, tal com s'utilisa en la ferramenta UNAXIS), mentres que la segona variant consistix en dos passos (ASE utilisat en la ferramenta de STB). En la primera variant el cicle de gravat és el següent:

(i) SF₆ gravat isotrópico;

(ii) C₄F₈ pasivación;

(iii) SF₆ gravat anisotrópico per a neteja de sol.

En la segona variant, els passos (i) i (iii) es combinen.

Abdós variants funcionen de manera similar. En la primera variant el C₄F₈ crea un polímer sobre la superfície del substrat, i en la segona, la composició del gas (SF₆ i O₂) grava el substrat. el polímer és immediatament polvorisat llunt per la part física del gravat, pero solament en les superfícies horisontals i no en les parets laterals. Des de el polímer només es dissol molt llentament en la part de la química de gravat, s'acumula en les parets laterals i els protegix de gravat. Com a resultat d'això, el gravat permet alcançar relacions d'aspecte de 50 a 1. El procés pot ser utilisat fàcilment per a gravar completament a través d'un substrat de silici, i les velocitats de gravat són 3-4 voltes més altes que el gravat mullat.

Gravat per difluoruro de xenón

El difluoruro de xenón (XeF₂) és un gravador per fase de vapor sec isotrópica per a silici originalment aplicat en SMEM en 1995 en l'Universitat de Califòrnia. Originalment usat per a la lliberació d'estructures metàliques i dielèctriques per mig del tallat del silici, el XeF₂ té la ventaja de no tindre adherencia per viscosidad a diferència del gravat mullat. La seua selectivitat de gravat és molt alta, lo que permet treballar en fotorresistencia, SiO₂, nitrur de silici, i diversos metals per a emmaixquerar. La seua reacció al silici és "lliure de plasma", és purament químic i espontàneu i a sovint és operat en modo pulsat. Existixen diversos models de l'acció del gravat, i diverses ferramentes comercials oferixen solucions utilisant este enfocament.