Los MEMS ( sistemas microelectromecánicos ) son 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 dispuestos en matrices (por ejemplo, dispositivos de microespejos digitales ) pueden tener más de 1000 mm2 . [ 1] Por lo general, constan de 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 área superficial/volumen de los MEMS, las fuerzas producidas por el electromagnetismo ambiental (por ejemplo, cargas electrostáticas y momentos magnéticos ) y la dinámica de fluidos (por ejemplo, tensión superficial y viscosidad ) son consideraciones de diseño más importantes que con dispositivos mecánicos de mayor escala. La tecnología MEMS se distingue de la nanotecnología molecular o la electrónica molecular en que las dos últimas también deben considerar la química de la superficie .
El potencial de las máquinas muy pequeñas se apreció antes de que existiera la tecnología que pudiera fabricarlas (véase, por ejemplo, la famosa conferencia de 1959 de Richard Feynman There's Plenty of Room at the Bottom [Hay mucho espacio en el fondo ]). Los MEMS se volvieron prácticos una vez que pudieron fabricarse utilizando tecnologías de fabricación de dispositivos semiconductores modificados, normalmente utilizados para hacer electrónica . [3] Estas incluyen moldeo y enchapado, grabado húmedo ( KOH , TMAH ) y grabado seco ( RIE y DRIE), mecanizado por descarga eléctrica (EDM) y otras tecnologías capaces de fabricar dispositivos pequeños.
Se fusionan a escala nanométrica 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 Robert A. Wickstrom para 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 (investigador principal) y JE Wood (coinvestigador principal) introdujeron el término "MEMS" mediante una propuesta a DARPA (15 de julio de 1986), titulada "Sistemas microelectromecánicos (MEMS)", concedida a la Universidad de Utah. El término "MEMS" fue presentado en una charla invitada por SC Jacobsen, titulada "Micro Electro-Mechanical Systems (MEMS)", en el taller IEEE Micro Robots and Teleoperators Workshop, Hyannis, MA, del 9 al 11 de noviembre de 1987. El término "MEMS" fue publicado en un artículo presentado por JE Wood, SC Jacobsen y KW Grace, titulado "SCOFSS: A Small Cantilevered Optical Fiber Servo System", en las actas del IEEE Micro Robots and Teleoperators Workshop, Hyannis, MA, del 9 al 11 de noviembre de 1987. [8] Los transistores CMOS se han fabricado sobre estructuras MEMS. [9]
Existen dos tipos básicos de tecnología de interruptores MEMS: capacitivos y óhmicos . Un interruptor MEMS capacitivo se desarrolla utilizando una placa móvil o un elemento sensor, que cambia la capacitancia. [10] Los interruptores óhmicos se controlan mediante ménsulas controladas electrostáticamente. [11] Los interruptores MEMS óhmicos pueden fallar por fatiga del metal del actuador MEMS (ménsula) y desgaste de los contactos, ya que las ménsulas pueden deformarse con el tiempo. [12]
La fabricación de MEMS evolucionó a partir de la tecnología de procesos en la fabricación de dispositivos semiconductores , es decir, las técnicas básicas son la deposición de capas de material, la creación de patrones mediante fotolitografía y el grabado para producir las formas requeridas. [14]
Uno de los elementos básicos del procesamiento MEMS es la capacidad de depositar películas delgadas de material con un espesor que va desde un micrómetro hasta aproximadamente 100 micrómetros. El proceso NEMS es el mismo, aunque la medición de la deposición de la película varía desde unos pocos nanómetros hasta un micrómetro. Existen 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 realizar esto incluyen el proceso de pulverización catódica , en el que un haz de iones libera átomos de un objetivo, lo que les permite moverse a través del espacio intermedio y depositarse en el sustrato deseado, y la evaporación , en la que se evapora un material de un objetivo utilizando 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 en fase de vapor (CVD), en la que una corriente de gas de origen 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 en fase de vapor a baja presión) y PECVD ( deposición química en fase de vapor mejorada con plasma ). Las películas de óxido también se pueden hacer crecer mediante la técnica de oxidación térmica , en la que la oblea (normalmente de silicio) se expone al oxígeno y/o al vapor, para hacer crecer una fina capa superficial de dióxido de silicio .
El estampado es la transferencia de un patrón a un material.
La litografía en un contexto MEMS es típicamente la transferencia de un patrón a un material fotosensible mediante la 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 la radiación en el 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 para proporcionar una máscara para el sustrato subyacente. La fotolitografía se utiliza normalmente con la deposición de metal u otra película fina, grabado húmedo y seco. A veces, la fotolitografía se utiliza para crear una estructura sin ningún tipo de grabado posterior. Un ejemplo es la lente basada en SU8, donde se generan bloques cuadrados basados en SU8. Luego, la fotorresistencia se funde para formar una semiesfera que actúa como una 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 de manera estampada a través de una superficie cubierta con una película (llamada resistencia ), [16] ("exponer" la resistencia) y de eliminar selectivamente las regiones expuestas o no expuestas de la resistencia ("revelar"). El propósito, al igual que con la fotolitografía , es crear estructuras muy pequeñas en la resistencia que luego se puedan transferir al material del sustrato, a menudo mediante grabado. Fue desarrollado para la fabricación de circuitos integrados y también se utiliza para crear arquitecturas nanotecnológicas . 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 principal limitación de la litografía por haz de electrones es el rendimiento, es decir, el tiempo muy largo que se necesita para exponer una oblea de silicio o un sustrato de vidrio completo. Un tiempo de exposición prolongado deja al usuario vulnerable a la desviación o inestabilidad del haz que puede ocurrir durante la exposición. Además, el tiempo de respuesta para la reelaboración o el rediseño se alarga innecesariamente si el patrón no se cambia la segunda vez.
Se sabe que la litografía con haz de iones enfocado 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 con haz de iones es bastante pequeño, se deben crear patrones de área grande uniendo los campos pequeños.
La tecnología de pistas de iones 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 ya sea por rango de iones o por espesor del material. Se pueden alcanzar relaciones de aspecto de hasta varios 10 4. La técnica puede dar forma y textura a los materiales en un ángulo de inclinación definido. Se pueden generar patrones aleatorios, estructuras de pistas de iones individuales y un patrón dirigido que consiste en pistas individuales individuales.
La litografía por rayos X es un proceso que se utiliza en la industria electrónica para eliminar de forma selectiva partes de una película fina. Utiliza rayos X para transferir un patrón geométrico desde una máscara a una fotorresistencia química sensible a la luz, o simplemente "resistencia", sobre el sustrato. A continuación, una serie de tratamientos químicos graba el patrón producido en el material que se encuentra debajo de la fotorresistencia.
La formación de patrones de diamante es un método para formar MEMS de diamante. Se logra mediante la aplicación litográfica de películas de diamante a un sustrato como el silicio. Los patrones se pueden formar mediante deposición selectiva a través de una máscara de dióxido de silicio, o mediante deposición seguida de micromaquinado o fresado con haz de iones enfocado . [18]
Existen dos categorías básicas de procesos de grabado: grabado húmedo y grabado seco . En el primero, el material se disuelve cuando se lo sumerge en una solución química. En el segundo, el material se pulveriza o se disuelve utilizando iones reactivos o un agente de grabado en fase vapor. [19] [20]
El grabado químico húmedo consiste en la eliminación selectiva de material mediante la inmersión de un sustrato en una solución que lo disuelve. La naturaleza química de este proceso de grabado proporciona una buena selectividad, lo que significa que la velocidad de grabado del material de destino es considerablemente mayor que la del material de la máscara si se selecciona con cuidado. El grabado húmedo se puede realizar utilizando reactivos de grabado húmedos isotrópicos o reactivos de grabado húmedos anisotrópicos. Los reactivos de grabado húmedos isotrópicos graban en todas las direcciones del silicio cristalino a velocidades aproximadamente iguales. Los reactivos de grabado húmedos anisotrópicos graban preferiblemente a lo largo de ciertos planos cristalinos a velocidades más rápidas que otros planos, lo que permite implementar microestructuras 3D más complicadas. Los reactivos de grabado anisotrópicos húmedos se utilizan a menudo junto con topes de grabado de boro en los que la superficie del silicio está muy dopada con boro, lo que da como resultado una capa de material de silicio que es resistente a los reactivos de grabado húmedo. Esto se ha utilizado en la fabricación de sensores de presión MEWS, por ejemplo.
El grabado avanza a la misma velocidad en todas las direcciones. Los orificios largos y estrechos en una máscara producirán surcos en forma de V en el silicio. La superficie de estos surcos puede ser atómicamente lisa si el grabado se realiza correctamente, con dimensiones y 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 Si <111> se graban aproximadamente 100 veces más lento que otros planos ( orientaciones cristalográficas ). Por lo tanto, el grabado de un orificio rectangular en una oblea de (100)-Si da como resultado un hoyo de grabado en forma de pirámide con paredes de 54,7°, en lugar de un orificio con paredes laterales curvas como con el grabado isotrópico.
El ácido fluorhídrico se utiliza comúnmente como agente de grabado acuoso para el dióxido de silicio ( SiO
2, también conocido como BOX para SOI), generalmente en forma concentrada al 49 %, BOE ( grabador de óxido tamponado ) o BHF (HF tamponado) 5:1, 10:1 o 20:1. Se utilizaron por primera vez en la época medieval para el grabado de vidrio. Se utilizó en la fabricación de circuitos integrados para modelar el óxido de la compuerta hasta que el paso del proceso fue reemplazado por RIE. El ácido fluorhídrico se considera uno de los ácidos más peligrosos en la sala limpia .
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 ("antigrabado"). El boro es el dopante antigrabado más común. En combinación con el grabado anisotrópico húmedo como se describió anteriormente, el ECE se ha utilizado con éxito para controlar el espesor del diafragma de silicio en sensores de presión de silicio piezorresistivos comerciales. Las regiones dopadas selectivamente se pueden crear 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. [21] [22] Utilizado principalmente para liberar estructuras metálicas y dieléctricas socavando el silicio, XeF
2Tiene la ventaja de que no produce adherencias , a diferencia de los reactivos de grabado húmedos. Su selectividad de grabado al silicio es muy alta, lo que le permite trabajar con fotorresistentes, SiO
2, nitruro de silicio y varios metales para enmascarar. Su reacción al silicio es "sin plasma", es puramente química y espontánea y a menudo se opera en modo pulsado. Hay modelos de la acción de grabado disponibles, [23] y los laboratorios universitarios y varias herramientas comerciales ofrecen soluciones que utilizan este enfoque.
Los procesos VLSI modernos evitan el grabado húmedo y utilizan en su lugar el grabado por plasma . Los grabadores de plasma pueden funcionar en varios modos ajustando los parámetros del plasma. El grabado por plasma ordinario funciona entre 0,1 y 5 Torr. (Esta unidad de presión, comúnmente utilizada en la 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 por plasma puede ser isotrópico, es decir, exhibir una tasa de socavación lateral en una superficie estampada aproximadamente igual a su tasa de grabado descendente, o puede ser anisotrópico, es decir, exhibir una tasa de socavación lateral menor que su tasa de grabado descendente. Dicha anisotropía se maximiza en el grabado iónico reactivo profundo. El uso del término anisotropía para el grabado por 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 ( CCl4 ) 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 ("convertir en cenizas") la fotorresistencia y facilitar su eliminación.
El grabado iónico, 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 arrancan átomos del sustrato mediante la transferencia de momento. Debido a que el grabado se realiza mediante iones, que se aproximan a la oblea aproximadamente desde una dirección, este proceso es altamente anisotrópico. Por otro lado, tiende a mostrar una selectividad pobre. El grabado por iones reactivos (RIE) opera en condiciones intermedias entre el grabado por pulverización catódica y el grabado por plasma (entre 10 −3 y 10 −1 Torr). El grabado por iones reactivos profundos (DRIE) modifica la técnica RIE para producir características profundas y estrechas. [ cita requerida ]
En el grabado con iones reactivos (RIE), el sustrato se coloca dentro de un reactor y se introducen varios gases. Se aplica un plasma a la mezcla de gases utilizando una fuente de energía de RF, que rompe las moléculas de gas en iones. Los iones se 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 sacar átomos del material que se va a grabar sin una reacción química. Es una tarea muy compleja desarrollar procesos de grabado en 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 que van desde redondeadas hasta verticales.
El grabado iónico reactivo profundo (DRIE) es una subclase especial del RIE que está ganando popularidad. En este proceso, se logran profundidades de grabado de cientos de micrómetros con paredes laterales casi verticales. La tecnología principal se basa en el llamado "proceso Bosch", [24] llamado así por la empresa alemana Robert Bosch, que presentó la patente original, en el que se alternan dos composiciones de gas diferentes en el reactor. Actualmente, existen dos variantes del DRIE. La primera variante consta de tres pasos distintos (el proceso Bosch original), mientras que la segunda variante solo consta de dos pasos.
En la primera variante, el ciclo de grabado es el siguiente:
En la segunda variante se combinan los pasos (i) y (iii).
Ambas variantes 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 se pulveriza inmediatamente mediante la parte física del grabado, pero solo en las superficies horizontales y no en las paredes laterales. Dado que el polímero solo 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 un sustrato de silicio, y las velocidades de grabado son entre 3 y 6 veces superiores a 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 se denomina preparación de troqueles en tecnología de semiconductores. Para algunas aplicaciones, la separación se realiza antes del rectificado de la oblea para reducir su espesor. El corte de la oblea se puede realizar entonces mediante un serrado con un líquido refrigerante o mediante un proceso de láser seco denominado corte furtivo .
El micromaquinado en masa es el paradigma más antiguo de los MEMS basados en silicio. Se utiliza todo el espesor de una oblea de silicio para construir las estructuras micromecánicas. [20] El silicio se mecaniza mediante diversos procesos de grabado. El micromaquinado en masa ha sido esencial para permitir sensores de presión y acelerómetros de alto rendimiento que cambiaron la industria de los sensores en los años 1980 y 1990.
El micromaquinado de superficies utiliza capas depositadas sobre la superficie de un sustrato como materiales estructurales, en lugar de utilizar el sustrato en sí. [25] El micromaquinado de superficies se creó a finales de los años 1980 para hacer que el micromaquinado de silicio fuera más compatible con la tecnología de circuitos integrados planares, con el objetivo de combinar MEMS y circuitos integrados en la misma oblea de silicio. El concepto original de micromaquinado de superficies se basaba en capas delgadas de silicio policristalino diseñadas como estructuras mecánicas móviles y liberadas por grabado sacrificial de la capa de óxido subyacente. Se utilizaron electrodos de peine interdigitales para producir fuerzas en el plano y detectar el movimiento en el plano de forma capacitiva. Este paradigma MEMS ha permitido la fabricación de acelerómetros de bajo coste para, por ejemplo, sistemas de airbag de automóviles y otras aplicaciones en las que un bajo rendimiento o unos rangos g elevados son suficientes. Analog Devices ha sido pionera en la industrialización del micromaquinado de superficies y ha logrado la cointegración de MEMS y circuitos integrados.
La unión de obleas implica unir dos o más sustratos (que normalmente tienen el mismo diámetro) entre sí para formar una estructura compuesta. Existen varios tipos de procesos de unión de obleas que se utilizan en la fabricación de microsistemas, entre ellos: la unión de obleas directa o por fusión, en la que se unen dos o más obleas que normalmente están hechas de silicio o algún otro material semiconductor; la unión anódica, en la que una oblea de vidrio dopado con boro se une a una oblea semiconductora, normalmente de silicio; la unión por termocompresión, en la que se utiliza una capa intermedia de material de película fina para facilitar la unión de obleas; y la unión eutéctica, en la que se utiliza una capa de película fina 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 que se van a unir son lo suficientemente planas; las superficies de las obleas son lo suficientemente lisas; y las superficies de las obleas están lo suficientemente limpias. El criterio más estricto para la unión de obleas suele ser la unión de obleas por fusión directa, 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 tolerantes.
Tanto el micromecanizado de silicio en masa como el de superficie se utilizan en la producción industrial de sensores, boquillas de chorro 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 un buen rendimiento típico del micromecanizado en masa con estructuras de peine y funcionamiento en el plano típico del micromecanizado de superficie . Si bien es común en el micromecanizado de superficie 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 que se utilizan habitualmente en el micromecanizado de silicio HAR son silicio policristalino grueso, conocido como epi-poly, y obleas de silicio sobre aislante (SOI) unidas, aunque también se han creado procesos para obleas de silicio en masa (SCREAM). La unión de una segunda oblea mediante unión de frita de vidrio, unión anódica o unión de aleación se utiliza para proteger las estructuras MEMS. Los circuitos integrados normalmente no se combinan con el micromecanizado de silicio HAR.
Algunas aplicaciones comerciales comunes de MEMS incluyen:
El mercado global de sistemas microelectromecánicos, que incluye productos como sistemas de airbag para automóviles, sistemas de visualización y cartuchos de inyección de tinta, totalizó 40 mil 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 alcance los 72 mil millones de dólares en 2011. [39]
Las empresas con programas MEMS sólidos son de distintos tamaños. Las más grandes se especializan en la fabricación de componentes económicos en grandes cantidades o soluciones empaquetadas para mercados finales como el automotriz, el biomédico y el electrónico. Las empresas más pequeñas ofrecen valor en soluciones innovadoras y absorben los gastos de fabricación a medida con márgenes de venta elevados. 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 alcanzó 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 recubrimientos de embalaje y el uso creciente de la planarización mecánica química (CMP). Si bien la fabricación de MEMS sigue estando dominada por equipos semiconductores usados, existe una migración a líneas de 200 mm y a nuevas herramientas seleccionadas, que incluyen grabado y unión para ciertas aplicaciones MEMS.
