MEMS ( sistemas microelectromecánicos ) es la tecnología de dispositivos microscópicos que incorporan partes tanto electrónicas como móviles. Los MEMS están formados por componentes de entre 1 y 100 micrómetros de tamaño (es decir, de 0,001 a 0,1 mm), y los dispositivos MEMS generalmente varían en tamaño de 20 micrómetros a un milímetro (es decir, de 0,02 a 1,0 mm), aunque los componentes están dispuestos en matrices ( ej., dispositivos de microespejos digitales ) pueden tener más de 1000 mm 2 . [1] Suelen consistir en una unidad central que procesa datos (un chip de circuito integrado como un microprocesador ) y varios componentes que interactúan con el entorno (como microsensores ). [2]
Debido a la gran relación entre área de superficie y volumen de los MEMS, las fuerzas producidas por el electromagnetismo ambiental (p. ej., cargas electrostáticas y momentos magnéticos ) y la dinámica de fluidos (p. ej., tensión superficial y viscosidad ) son consideraciones de diseño más importantes que con dispositivos mecánicos a mayor escala. La tecnología MEMS se distingue de la nanotecnología molecular o la electrónica molecular en que estas dos últimas también deben considerar la química de superficies .
El potencial de las máquinas muy pequeñas se apreciaba antes de que existiera la tecnología que podía fabricarlas (véase, por ejemplo, la famosa conferencia de Richard Feynman de 1959 Hay mucho espacio en la parte inferior ). Los MEMS se volvieron prácticos una vez que pudieron fabricarse utilizando tecnologías de fabricación de dispositivos semiconductores modificados , normalmente utilizados para fabricar productos electrónicos . [3] Estos incluyen moldeado y enchapado, grabado húmedo ( KOH , TMAH ) y grabado seco ( RIE y DRIE), mecanizado por descarga eléctrica (EDM) y otras tecnologías capaces de fabricar pequeños dispositivos.
A escala nanométrica se fusionan en sistemas nanoelectromecánicos (NEMS) y nanotecnología .
Un ejemplo temprano de un dispositivo MEMS es el transistor de puerta resonante, una adaptación del MOSFET , desarrollado por Harvey C. Nathanson en 1965. [4] Otro ejemplo temprano es el resonistor, un resonador monolítico electromecánico patentado por Raymond J. Wilfinger entre 1966 y 1971. [5] [6] Durante la década de 1970 y principios de la de 1980, se desarrollaron varios microsensores MOSFET para medir parámetros físicos, químicos, biológicos y ambientales. [7]
El término "MEMS" se introdujo en 1986. SC Jacobsen (PI) y JE Wood (Co-PI) introdujeron el término "MEMS" a través de una propuesta a DARPA (15 de julio de 1986), titulada "Sistemas microelectromecánicos ( MEMS)”, otorgado a la Universidad de Utah. El término "MEMS" fue presentado mediante una charla invitada por SC Jacobsen, titulada "Micro Electro-Mechanical Systems (MEMS)", en el IEEE Micro Robots and Teleoperators Workshop, Hyannis, MA, del 9 al 11 de noviembre de 1987. El término "MEMS" se publicó a través de un artículo presentado por JE Wood, SC Jacobsen y KW Grace, titulado "SCOFSS: A Small Cantilevered Optical Fiber Servo System", en el IEEE Proceedings Micro Robots and Teleoperators Workshop, Hyannis, MA, noviembre. 9–11, 1987. [8] Los transistores CMOS se han fabricado sobre estructuras MEMS. [9]
Hay dos tipos básicos de tecnología de conmutación MEMS: capacitiva y óhmica . Un interruptor MEMS capacitivo se desarrolla utilizando una placa móvil o elemento sensor, que cambia la capacitancia. [10] Los interruptores óhmicos están controlados por voladizos controlados electrostáticamente. [11] Los interruptores óhmicos MEMS pueden fallar debido a la fatiga del metal del actuador MEMS (voladizo) y al desgaste de los contactos, ya que los voladizos pueden deformarse con el tiempo. [12]
La fabricación de MEMS evolucionó a partir de la tecnología de proceso de fabricación de dispositivos semiconductores , es decir, las técnicas básicas son la deposición de capas de material, el modelado mediante fotolitografía y el grabado para producir las formas requeridas. [14]
Uno de los componentes básicos del procesamiento MEMS es la capacidad de depositar películas delgadas de material con un espesor que oscila entre un micrómetro y aproximadamente 100 micrómetros. El proceso NEMS es el mismo, aunque la medición de la deposición de la película oscila entre unos pocos nanómetros y un micrómetro. Hay dos tipos de procesos de deposición, como se indica a continuación.
La deposición física de vapor ("PVD") consiste en un proceso en el que se retira un material de un objetivo y se deposita sobre una superficie. Las técnicas para hacer esto incluyen el proceso de pulverización catódica , en el que un haz de iones libera átomos de un objetivo, permitiéndoles moverse a través del espacio intermedio y depositarse en el sustrato deseado, y evaporación , en el que un material se evapora de un objetivo utilizando ya sea calor (evaporación térmica) o un haz de electrones (evaporación por haz de electrones) en un sistema de vacío.
Las técnicas de deposición química incluyen la deposición química de vapor (CVD), en la que una corriente de gas fuente reacciona sobre el sustrato para hacer crecer el material deseado. Esto se puede dividir en categorías según los detalles de la técnica, por ejemplo, LPCVD (deposición química de vapor a baja presión) y PECVD ( deposición química de vapor mejorada con plasma ). Las películas de óxido también se pueden cultivar mediante la técnica de oxidación térmica , en la que la oblea (típicamente de silicio) se expone a oxígeno y/o vapor, para hacer crecer una fina capa superficial de dióxido de silicio .
El modelado en MEMS es la transferencia de un patrón a un material.
La litografía en un contexto MEMS suele ser la transferencia de un patrón a un material fotosensible mediante exposición selectiva a una fuente de radiación como la luz. Un material fotosensible es un material que experimenta un cambio en sus propiedades físicas cuando se expone a una fuente de radiación. Si un material fotosensible se expone selectivamente a la radiación (por ejemplo, enmascarando parte de la radiación), el patrón de radiación del material se transfiere al material expuesto, ya que las propiedades de las regiones expuestas y no expuestas difieren.
Esta región expuesta puede luego eliminarse o tratarse proporcionando una máscara para el sustrato subyacente. La fotolitografía se utiliza normalmente con la deposición de metales u otras películas delgadas, y el grabado húmedo y seco. A veces, la fotolitografía se utiliza para crear estructuras sin ningún tipo de postgrabado. Un ejemplo es la lente basada en SU8 donde se generan bloques cuadrados basados en SU8. Luego, el fotoprotector se funde para formar una semiesfera que actúa como lente.
La litografía por haz de electrones (a menudo abreviada como litografía por haz de electrones) es la práctica de escanear un haz de electrones siguiendo un patrón a través de una superficie cubierta con una película (llamada resistencia ), [16] ("exponer" la resistencia) y de eliminar selectivamente regiones expuestas o no expuestas de la resistencia ("en desarrollo"). El propósito, al igual que con la fotolitografía , es crear estructuras muy pequeñas en la resistencia que posteriormente puedan transferirse al material del sustrato, a menudo mediante grabado. Fue desarrollado para fabricar circuitos integrados y también se utiliza para crear arquitecturas de nanotecnología . La principal ventaja de la litografía por haz de electrones es que es una de las formas de superar el límite de difracción de la luz y crear características en el rango nanométrico . Esta forma de litografía sin máscara ha encontrado un amplio uso en la fabricación de fotomáscaras utilizadas en fotolitografía , producción de bajo volumen de componentes semiconductores e investigación y desarrollo. La limitación clave de la litografía por haz de electrones es el rendimiento, es decir, el mucho tiempo que lleva exponer una oblea de silicio o un sustrato de vidrio completo. Un tiempo de exposición prolongado deja al usuario vulnerable a la deriva del haz o la inestabilidad que puede ocurrir durante la exposición. Además, el tiempo de respuesta para volver a trabajar o rediseñar se prolonga innecesariamente si el patrón no se cambia la segunda vez.
Se sabe que la litografía con haz de iones enfocados tiene la capacidad de escribir líneas extremadamente finas (se han logrado líneas y espacios de menos de 50 nm) sin efecto de proximidad. [17] Sin embargo, debido a que el campo de escritura en la litografía por haz de iones es bastante pequeño, se deben crear patrones de áreas grandes uniendo los campos pequeños.
La tecnología Ion Track es una herramienta de corte profundo con un límite de resolución de alrededor de 8 nm aplicable a minerales, vidrios y polímeros resistentes a la radiación. Es capaz de generar agujeros en películas delgadas sin ningún proceso de revelado. La profundidad estructural se puede definir por el rango de iones o por el espesor del material. Se pueden alcanzar relaciones de aspecto de hasta varios 10 4 . La técnica puede dar forma y texturizar materiales con un ángulo de inclinación definido. Se pueden generar patrones aleatorios, estructuras de pistas de un solo ión y un patrón dirigido que consta de pistas individuales.
La litografía de rayos X es un proceso utilizado en la industria electrónica para eliminar selectivamente partes de una película delgada. Utiliza rayos X para transferir un patrón geométrico de una máscara a un fotorresistente químico sensible a la luz, o simplemente "resistir", sobre el sustrato. Luego, una serie de tratamientos químicos graban el patrón producido en el material debajo del fotoprotector.
Una forma sencilla de tallar o crear patrones en la superficie de nanodiamantes sin dañarlos podría dar lugar a una nueva generación de dispositivos fotónicos. [18] El modelado de diamantes es un método para formar MEMS de diamantes. Se logra mediante la aplicación litográfica de películas de diamante a un sustrato como el silicio. Los patrones pueden formarse mediante deposición selectiva a través de una máscara de dióxido de silicio, o mediante deposición seguida de micromecanizado o fresado con haz de iones enfocado . [19]
Hay dos categorías básicas de procesos de grabado: grabado húmedo y grabado seco . En el primero, el material se disuelve al sumergirlo en una solución química. En este último, el material se pulveriza o se disuelve utilizando iones reactivos o un agente decapante en fase de vapor. [20] [21]
El grabado químico húmedo consiste en la eliminación selectiva de material sumergiendo un sustrato en una solución que lo disuelva. La naturaleza química de este proceso de grabado proporciona una buena selectividad, lo que significa que la tasa de grabado del material objetivo es considerablemente mayor que la del material de máscara si se selecciona cuidadosamente. El grabado en húmedo se puede realizar utilizando grabadores húmedos isotrópicos o grabadores húmedos anisotrópicos. El grabador húmedo isotrópico graba en todas las direcciones del silicio cristalino a velocidades aproximadamente iguales. Los grabadores húmedos anisotrópicos graban preferiblemente a lo largo de ciertos planos cristalinos a velocidades más rápidas que otros planos, lo que permite implementar microestructuras tridimensionales más complicadas. Los grabadores anisotrópicos húmedos se utilizan a menudo junto con topes de grabado de boro en los que la superficie del silicio está fuertemente dopada con boro, lo que da como resultado una capa de material de silicio que es resistente a los grabadores húmedos. Esto se ha utilizado, por ejemplo, en la fabricación de sensores de presión MEWS.
El grabado avanza a la misma velocidad en todas direcciones. Los agujeros largos y estrechos en una máscara producirán ranuras en forma de V en el silicio. La superficie de estas ranuras puede ser atómicamente lisa si el grabado se realiza correctamente, siendo las dimensiones y los ángulos extremadamente precisos.
Algunos materiales monocristalinos, como el silicio, tendrán diferentes velocidades de grabado dependiendo de la orientación cristalográfica del sustrato. Esto se conoce como grabado anisotrópico y uno de los ejemplos más comunes es el grabado de silicio en KOH (hidróxido de potasio), donde los planos de Si <111> se graban aproximadamente 100 veces más lento que otros planos ( orientaciones cristalográficas ). Por lo tanto, grabar un agujero rectangular en una oblea de (100)-Si da como resultado un pozo de grabado en forma de pirámide con paredes de 54,7°, en lugar de un agujero con paredes laterales curvas como ocurre con el grabado isotrópico.
El ácido fluorhídrico se usa comúnmente como grabador acuoso para dióxido de silicio ( SiO
2, también conocido como BOX para SOI), generalmente en forma concentrada al 49%, 5:1, 10:1 o 20:1 BOE ( decapante de óxido tamponado ) o BHF (HF tamponado). Se utilizaron por primera vez en la época medieval para grabar vidrio. Se utilizó en la fabricación de circuitos integrados para modelar el óxido de la puerta hasta que el paso del proceso fue reemplazado por RIE. El ácido fluorhídrico se considera uno de los ácidos más peligrosos en las salas blancas . Penetra en la piel al contacto y se difunde directamente hasta el hueso. Por lo tanto, el daño no se siente hasta que ya es demasiado tarde.
El grabado electroquímico (ECE) para la eliminación selectiva de dopantes de silicio es un método común para automatizar y controlar selectivamente el grabado. Se requiere una unión de diodo p-n activa , y cualquier tipo de dopante puede ser el material resistente al grabado ("detener el grabado"). El boro es el dopante más común para detener el grabado. En combinación con el grabado anisotrópico húmedo como se describió anteriormente, ECE se ha utilizado con éxito para controlar el espesor del diafragma de silicio en sensores de presión de silicio piezoresistivos comerciales. Se pueden crear regiones dopadas selectivamente mediante implantación, difusión o deposición epitaxial de silicio.
Difluoruro de xenón ( XeF
2) es un grabado isotrópico en fase de vapor seco para silicio aplicado originalmente para MEMS en 1995 en la Universidad de California, Los Ángeles. [22] [23] Utilizado principalmente para liberar estructuras metálicas y dieléctricas socavando el silicio, XeF
2tiene la ventaja de una liberación sin fricción a diferencia de los grabadores húmedos. Su selectividad de grabado al silicio es muy alta, lo que le permite trabajar con fotorresistente, SiO.
2, nitruro de silicio y diversos metales para enmascarar. Su reacción al silicio es "sin plasma", puramente química y espontánea y, a menudo, funciona en modo pulsado. Se encuentran disponibles modelos de la acción de grabado [24] y los laboratorios universitarios y varias herramientas comerciales ofrecen soluciones que utilizan este enfoque.
Los procesos VLSI modernos evitan el grabado húmedo y utilizan el grabado con plasma en su lugar. Los grabadores de plasma pueden funcionar en varios modos ajustando los parámetros del plasma. El grabado con plasma ordinario funciona entre 0,1 y 5 Torr. (Esta unidad de presión, comúnmente utilizada en ingeniería de vacío, equivale aproximadamente a 133,3 pascales). El plasma produce radicales libres energéticos, con carga neutra, que reaccionan en la superficie de la oblea. Dado que las partículas neutras atacan la oblea desde todos los ángulos, este proceso es isotrópico. El grabado con plasma puede ser isotrópico, es decir, exhibir una tasa de corte lateral sobre una superficie estampada aproximadamente igual a su tasa de grabado hacia abajo, o puede ser anisotrópico, es decir, exhibir una tasa de corte lateral menor que su tasa de grabado hacia abajo. Esta anisotropía se maximiza en el grabado profundo de iones reactivos. El uso del término anisotropía para el grabado con plasma no debe confundirse con el uso del mismo término cuando se hace referencia al grabado dependiente de la orientación. El gas fuente del plasma suele contener pequeñas moléculas ricas en cloro o flúor. Por ejemplo, el tetracloruro de carbono ( CCl 4 ) ataca el silicio y el aluminio, y el trifluorometano ataca el dióxido de silicio y el nitruro de silicio. Se utiliza un plasma que contiene oxígeno para oxidar ("ceniza") el fotorresistente y facilitar su eliminación.
La molienda de iones, o grabado por pulverización catódica , utiliza presiones más bajas, a menudo tan bajas como 10 −4 Torr (10 mPa). Bombardea la oblea con iones energéticos de gases nobles, a menudo Ar+, que expulsan átomos del sustrato transfiriendo impulso. Debido a que el grabado se realiza mediante iones que se acercan a la oblea aproximadamente desde una dirección, este proceso es altamente anisotrópico. Por otra parte, tiende a mostrar una selectividad deficiente. El grabado con iones reactivos (RIE) funciona en condiciones intermedias entre el grabado por pulverización catódica y el plasma (entre 10 −3 y 10 −1 Torr). El grabado profundo de iones reactivos (DRIE) modifica la técnica RIE para producir características profundas y estrechas. [ cita necesaria ]
En el grabado con iones reactivos (RIE), el sustrato se coloca dentro de un reactor y se introducen varios gases. Se genera plasma en la mezcla de gases mediante una fuente de energía de RF, que descompone las moléculas de gas en iones. Los iones aceleran hacia la superficie del material que se está grabando y reaccionan con ella, formando otro material gaseoso. Esto se conoce como la parte química del grabado con iones reactivos. También hay una parte física, que es similar al proceso de deposición por pulverización catódica. Si los iones tienen suficiente energía, pueden eliminar átomos del material que se va a grabar sin una reacción química. Es una tarea muy compleja desarrollar procesos de grabado seco que equilibren el grabado químico y físico, ya que hay muchos parámetros que ajustar. Al cambiar el equilibrio es posible influir en la anisotropía del grabado, ya que la parte química es isotrópica y la parte física altamente anisotrópica, la combinación puede formar paredes laterales que tienen formas desde redondeadas hasta verticales.
El grabado profundo de iones reactivos (DRIE) es una subclase especial de RIE que está ganando popularidad. En este proceso se consiguen profundidades de grabado de cientos de micrómetros con paredes laterales casi verticales. La tecnología principal se basa en el llamado "proceso Bosch", [25] que lleva el nombre de la empresa alemana Robert Bosch, que presentó la patente original, en el que en el reactor se alternan dos composiciones de gas diferentes. Actualmente, existen dos variaciones del DRIE. La primera variación consta de tres pasos distintos (el proceso original de Bosch), mientras que la segunda variación sólo consta de dos pasos.
En la primera variación, el ciclo de grabado es el siguiente:
En la segunda variación, se combinan los pasos (i) y (iii).
Ambas variaciones funcionan de manera similar. La C
4F
8crea un polímero en la superficie del sustrato, y la segunda composición de gas ( SF
6y O
2) graba el sustrato. El polímero es inmediatamente eliminado por la parte física del grabado, pero sólo en las superficies horizontales y no en las paredes laterales. Dado que el polímero se disuelve muy lentamente en la parte química del grabado, se acumula en las paredes laterales y las protege del grabado. Como resultado, se pueden lograr relaciones de aspecto de grabado de 50 a 1. El proceso se puede utilizar fácilmente para grabar completamente a través de un sustrato de silicio, y las velocidades de grabado son de 3 a 6 veces mayores que las del grabado húmedo.
Después de preparar una gran cantidad de dispositivos MEMS en una oblea de silicio , es necesario separar los troqueles individuales , lo que en la tecnología de semiconductores se denomina preparación de troqueles . Para algunas aplicaciones, la separación va precedida de un rectificado posterior de la oblea para reducir el espesor de la oblea. Luego, el corte en cubitos de las obleas se puede realizar aserrándolos usando un líquido refrigerante o mediante un proceso de láser seco llamado corte en cubitos sigiloso .
El micromecanizado masivo es el paradigma más antiguo de MEMS basado en silicio. Todo el espesor de una oblea de silicio se utiliza para construir estructuras micromecánicas. [21] El silicio se mecaniza mediante diversos procesos de grabado. El micromecanizado a granel ha sido esencial para permitir sensores de presión y acelerómetros de alto rendimiento que cambiaron la industria de los sensores en las décadas de 1980 y 1990.
El micromecanizado de superficies utiliza capas depositadas sobre la superficie de un sustrato como materiales estructurales, en lugar de utilizar el sustrato en sí. [26] El micromecanizado de superficies se creó a finales de la década de 1980 para hacer que el micromecanizado de silicio fuera más compatible con la tecnología de circuitos integrados planos, con el objetivo de combinar MEMS y circuitos integrados en la misma oblea de silicio. El concepto original de micromecanizado de superficies se basaba en finas capas de silicio policristalino modeladas como estructuras mecánicas móviles y liberadas mediante grabado sacrificial de la capa de óxido subyacente. Se utilizaron electrodos de peine interdigitales para producir fuerzas en el plano y detectar capacitivamente el movimiento en el plano. Este paradigma MEMS ha permitido la fabricación de acelerómetros de bajo coste para, por ejemplo, sistemas de bolsas de aire para automóviles y otras aplicaciones en las que son suficientes un rendimiento bajo y/o rangos g elevados. Analog Devices ha sido pionero en la industrialización del micromecanizado de superficies y ha logrado la cointegración de MEMS y circuitos integrados.
La unión de obleas implica unir dos o más sustratos (normalmente con el mismo diámetro) entre sí para formar una estructura compuesta. Hay varios tipos de procesos de unión de obleas que se utilizan en la fabricación de microsistemas, entre ellos: unión de obleas directa o por fusión, en la que se unen dos o más obleas que generalmente están hechas de silicio o algún otro material semiconductor; enlace anódico en el que una oblea de vidrio dopada con boro se une a una oblea semiconductora, normalmente silicio; unión por termocompresión, en la que se utiliza una capa intermedia de material de película delgada para facilitar la unión de oblea; y unión eutéctica, en la que se utiliza una fina capa de oro para unir dos obleas de silicio. Cada uno de estos métodos tiene usos específicos según las circunstancias. La mayoría de los procesos de unión de obleas se basan en tres criterios básicos para una unión exitosa: las obleas a unir son suficientemente planas; las superficies de las obleas son suficientemente lisas; y las superficies de las obleas estén suficientemente limpias. El criterio más estricto para la unión de obleas suele ser la unión directa de obleas por fusión, ya que incluso una o más partículas pequeñas pueden hacer que la unión no sea exitosa. En comparación, los métodos de unión de obleas que utilizan capas intermedias suelen ser mucho más indulgentes.
Tanto el micromecanizado de silicio en masa como en superficie se utilizan en la producción industrial de sensores, boquillas de inyección de tinta y otros dispositivos. Pero en muchos casos la distinción entre estos dos ha disminuido. Una nueva tecnología de grabado, el grabado profundo de iones reactivos , ha hecho posible combinar el buen rendimiento típico del micromecanizado en masa con estructuras de peine y operación en plano típica del micromecanizado de superficies . Si bien es común en el micromecanizado de superficies tener un espesor de capa estructural en el rango de 2 μm, en el micromecanizado de silicio HAR el espesor puede ser de 10 a 100 μm. Los materiales comúnmente utilizados en el micromecanizado de silicio HAR son silicio policristalino grueso, conocido como epi-poli, y obleas de silicio sobre aislante (SOI), aunque también se han creado procesos para obleas de silicio a granel (SCREAM). Para proteger las estructuras MEMS se utiliza la unión de una segunda oblea mediante unión de frita de vidrio, unión anódica o unión de aleación. Los circuitos integrados normalmente no se combinan con el micromecanizado de silicio HAR.
Algunas aplicaciones comerciales comunes de MEMS incluyen:
El mercado mundial de sistemas microelectromecánicos, que incluye productos como sistemas de bolsas de aire para automóviles, sistemas de visualización y cartuchos de inyección de tinta, ascendió a 40.000 millones de dólares en 2006, según Global MEMS/Microsystems Markets and Opportunities, un informe de investigación de SEMI y Yole Development, y se prevé que aumente alcanzar los 72 mil millones de dólares en 2011. [38]
Las empresas con sólidos programas MEMS son de muchos tamaños. Las empresas más grandes se especializan en la fabricación de componentes económicos de gran volumen o soluciones empaquetadas para mercados finales como el automóvil, el sector biomédico y el electrónico. Las empresas más pequeñas aportan valor en soluciones innovadoras y absorben el gasto de la fabricación personalizada con altos márgenes de ventas. Tanto las empresas grandes como las pequeñas suelen invertir en I+D para explorar nuevas tecnologías MEMS.
El mercado de materiales y equipos utilizados para fabricar dispositivos MEMS superó los mil millones de dólares en todo el mundo en 2006. La demanda de materiales está impulsada por los sustratos, que representan más del 70 por ciento del mercado, los revestimientos de embalaje y el creciente uso de la planarización mecánica química (CMP). Si bien la fabricación de MEMS sigue estando dominada por equipos semiconductores usados, hay una migración a líneas de 200 mm y nuevas herramientas seleccionadas, incluido el grabado y la unión para determinadas aplicaciones MEMS.
