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MEMS

Microcantilever MEMS resonando dentro de un microscopio electrónico de barrido Propuesta presentada a DARPA en 1986 que introdujo por primera vez el término "sistemas microelect...

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Microcantilever MEMS resonando dentro de un microscopio electrónico de barrido
Propuesta presentada a DARPA en 1986 que introdujo por primera vez el término "sistemas microelectromecánicos".

Los MEMS ( sistemas microelectromecánicos ) son la tecnología de dispositivos microscópicos que incorporan partes electrónicas y móviles. Los MEMS están compuestos por componentes de entre 1 y 100 micrómetros (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 micromirrores digitales ) pueden superar los 1000 mm²  . [ 1 ] Suelen constar 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 superficie-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 en los dispositivos mecánicos de mayor escala. La tecnología MEMS se distingue de la nanotecnología molecular o la electrónica molecular en que estas últimas también deben considerar la química de la superficie .

El potencial de las máquinas muy pequeñas se reconoció antes de que existiera la tecnología para fabricarlas (véase, por ejemplo, la famosa conferencia de Richard Feynman de 1959, " Hay mucho espacio en el fondo "). Los MEMS se volvieron prácticos una vez que se pudieron fabricar utilizando tecnologías de fabricación de dispositivos semiconductores modificadas , normalmente utilizadas para fabricar electrónica . [ 3 ] Estas incluyen moldeo y chapado, grabado húmedo ( KOH , TMAH ) y grabado seco ( RIE y DRIE), mecanizado por descarga eléctrica (EDM) y otras tecnologías capaces de fabricar dispositivos pequeños.

A nanoescala, se fusionan en sistemas nanoelectromecánicos (NEMS) y nanotecnología .

Historia

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 resonador, un resonador monolítico electromecánico patentado por Raymond J. Wilfinger entre 1966 y 1971. [ 5 ] [ 6 ] Durante la década de 1970 hasta principios de la década 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)", que fue concedida a la Universidad de Utah. El término "MEMS" fue presentado a través de una charla invitada de SC Jacobsen, titulada "Sistemas Microelectromecánicos (MEMS)", en el Taller de Microrobots y Teleoperadores del IEEE, Hyannis, MA, del 9 al 11 de noviembre de 1987. El término "MEMS" fue publicado a través de un artículo presentado por JE Wood, SC Jacobsen y KW Grace, titulado "SCOFSS: Un pequeño sistema de servocontrol de fibra óptica en voladizo", en las Actas del Taller de Microrobots y Teleoperadores del IEEE, Hyannis, MA, del 9 al 11 de noviembre de 1987. [ 8 ] Se han fabricado transistores CMOS sobre estructuras MEMS. [ 9 ]

Tipos

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 voladizos controlados electrostáticamente. [ 11 ] Los interruptores MEMS óhmicos 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 ]

Materiales

Imágenes de microscopio electrónico de una viga de TiN en forma de X sobre una placa de tierra (diferencia de altura de 2,5  μm). Debido a la pinza en el centro, se desarrolla una fuerza de reinicio creciente cuando la viga se dobla hacia abajo. La figura de la derecha muestra una ampliación de la pinza. [ 13 ]

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, el modelado por fotolitografía y el grabado para producir las formas requeridas. [ 14 ]

Silicio
El silicio es el material utilizado para crear la mayoría de los circuitos integrados empleados en la electrónica de consumo de la industria moderna. Las economías de escala , la fácil disponibilidad de materiales económicos y de alta calidad, y la capacidad de incorporar funcionalidad electrónica hacen que el silicio sea atractivo para una amplia variedad de aplicaciones MEMS. El silicio también presenta ventajas significativas derivadas de sus propiedades materiales. En forma de monocristal, el silicio es un material hookeano casi perfecto , lo que significa que al flexionarse prácticamente no hay histéresis y, por lo tanto, casi no hay disipación de energía. Además de permitir un movimiento altamente repetible, esto también hace que el silicio sea muy fiable, ya que sufre muy poca fatiga y puede tener una vida útil de entre miles de millones y billones de ciclos sin romperse. Las nanoestructuras semiconductoras basadas en silicio están adquiriendo cada vez mayor importancia en el campo de la microelectrónica y, en particular, en los MEMS. Los nanocables de silicio , fabricados mediante la oxidación térmica del silicio, son de gran interés para la conversión y el almacenamiento electroquímico , incluyendo baterías de nanocables y sistemas fotovoltaicos .
Polímeros
Aunque la industria electrónica ofrece economías de escala a la industria del silicio, el silicio cristalino sigue siendo un material complejo y relativamente caro de producir. Los polímeros, en cambio, pueden producirse en grandes volúmenes y presentan una gran variedad de características. Los dispositivos MEMS pueden fabricarse con polímeros mediante procesos como el moldeo por inyección , el grabado o la estereolitografía , y son especialmente adecuados para aplicaciones microfluídicas , como los cartuchos desechables para análisis de sangre.
Rieles
Los metales también pueden utilizarse para crear elementos MEMS. Si bien los metales no presentan algunas de las ventajas del silicio en cuanto a propiedades mecánicas, dentro de sus limitaciones, pueden ofrecer una fiabilidad muy alta. Los metales pueden depositarse mediante procesos de galvanoplastia, evaporación y pulverización catódica. Entre los metales más utilizados se encuentran el oro, el níquel, el aluminio, el cobre, el cromo, el titanio, el tungsteno, el platino y la plata.
Cerámica
Los nitruros de silicio, aluminio y titanio, así como el carburo de silicio y otras cerámicas, se utilizan cada vez más en la fabricación de MEMS debido a las ventajosas combinaciones de propiedades de los materiales. El AlN cristaliza en la estructura de wurtzita y, por lo tanto, muestra propiedades piroeléctricas y piezoeléctricas que permiten sensores, por ejemplo, con sensibilidad a fuerzas normales y de corte. [ 15 ] El TiN , por otro lado, exhibe una alta conductividad eléctrica y un gran módulo elástico , lo que permite implementar esquemas de actuación electrostática MEMS con vigas ultrafinas. Además, la alta resistencia del TiN a la biocorrosión califica al material para aplicaciones en entornos biogénicos. La figura muestra una imagen de microscopía electrónica de un biosensor MEMS con una viga de TiN flexible de 50  nm de espesor sobre una placa de tierra de TiN. Ambos pueden ser accionados como electrodos opuestos de un condensador, ya que la viga está fijada en paredes laterales eléctricamente aislantes. Cuando un fluido se encuentra suspendido en la cavidad, su viscosidad puede derivarse de la flexión de la viga por atracción eléctrica hacia la placa de tierra y de la medición de la velocidad de flexión. [ 13 ]

Procesos básicos

Procesos de deposición

Uno de los componentes básicos en el procesamiento MEMS es la capacidad de depositar películas delgadas de material con un espesor que varía desde un micrómetro hasta aproximadamente 100 micrómetros. El proceso NEMS es similar, aunque la medición de la deposición de la película oscila entre unos pocos nanómetros y un micrómetro. Existen dos tipos de procesos de deposición, como se describe a continuación.

Deposición física

La deposición física de vapor ("PVD") consiste en un proceso en el que se elimina un material de un objetivo y se deposita sobre una superficie. Las técnicas para lograrlo 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 sobre el sustrato deseado, y la evaporación , en la que un material se evapora de un objetivo utilizando calor (evaporación térmica) o un haz de electrones (evaporación por haz de electrones) en un sistema de vacío.

Deposición química

Las técnicas de deposición química incluyen la deposición química en fase vapor (CVD), en la que un flujo de gas precursor reacciona sobre el sustrato para generar el material deseado. Esta técnica se puede subdividir en categorías según sus características, por ejemplo, LPCVD (deposición química en fase vapor a baja presión) y PECVD ( deposición química en fase vapor asistida por plasma ). Las películas de óxido también se pueden obtener mediante la técnica de oxidación térmica , en la que la oblea (generalmente de silicio) se expone a oxígeno y/o vapor de agua para generar una fina capa superficial de dióxido de silicio .

Patrones

El estampado consiste en transferir un patrón a un material.

Litografía

En el contexto de los MEMS, la litografía consiste típicamente en 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 aquel cuyas propiedades físicas cambian al ser expuesto a una fuente de radiación. Si un material fotosensible se expone selectivamente a la radiación (por ejemplo, bloqueando parte de ella), el patrón de la radiación se transfiere a la zona expuesta, ya que las propiedades de las regiones expuestas y no expuestas difieren.

Esta región expuesta puede eliminarse o tratarse para crear una máscara sobre el sustrato subyacente. La fotolitografía se suele utilizar con la deposición de metal u otras películas delgadas, y con grabado húmedo y seco. En ocasiones, se emplea para crear estructuras sin ningún tipo de grabado posterior. Un ejemplo son las lentes basadas en SU8, donde se generan bloques cuadrados de SU8. Posteriormente, la fotorresina se funde para formar una semiesfera que actúa como lente.

La litografía por haz de electrones (a menudo abreviada como litografía e-beam) es la práctica de escanear un haz de electrones de forma estructurada sobre una superficie cubierta con una película (llamada fotorresina ), [ 16 ] ("exponiendo la fotorresina") y de eliminar selectivamente las regiones expuestas o no expuestas de la fotorresina ("revelando"). El propósito, al igual que en la fotolitografía , es crear estructuras muy pequeñas en la fotorresina que posteriormente se pueden transferir al material del sustrato, a menudo mediante grabado. Se desarrolló 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 se ha utilizado ampliamente en la fabricación de fotomáscaras empleadas en fotolitografía , la producción de bajo volumen de componentes semiconductores y la investigación y el desarrollo. La principal limitación de la litografía por haz de electrones es el rendimiento, es decir, el tiempo extremadamente largo que se requiere para exponer una oblea de silicio o un sustrato de vidrio completo. Un tiempo de exposición prolongado deja al usuario vulnerable a la deriva o inestabilidad del haz, que puede ocurrir durante el proceso. Además, el tiempo de procesamiento para el retrabajo o el rediseño se alarga innecesariamente si el patrón no se modifica en la segunda ocasión.

Se sabe que la litografía de haz de iones focalizado 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 de haz de iones es bastante pequeño, los patrones de área grande deben crearse uniendo los campos pequeños.

La tecnología de trazas iónicas es una herramienta de corte profundo con un límite de resolución de aproximadamente 8  nm, aplicable a minerales, vidrios y polímeros resistentes a la radiación. Permite generar orificios en películas delgadas sin necesidad de un proceso de revelado. La profundidad estructural se puede definir mediante el alcance de los iones o el espesor del material. Se pueden alcanzar relaciones de aspecto de hasta varias 10⁴ . La técnica permite dar forma y textura a los materiales con un ángulo de inclinación definido. Se pueden generar patrones aleatorios, estructuras de trazas iónicas individuales y patrones específicos compuestos por trazas 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 desde una máscara a una fotorresina química fotosensible, o simplemente "resistencia", sobre el sustrato. Posteriormente, una serie de tratamientos químicos graban el patrón resultante en el material subyacente a la fotorresina.

El patrón de diamante es un método para formar MEMS de diamante. Se logra mediante la aplicación litográfica de películas de diamante sobre 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 micromecanizado o fresado con haz de iones focalizado . [ 18 ]

Procesos de grabado

Existen 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 el segundo, el material se pulveriza o disuelve mediante iones reactivos o un agente de grabado en fase gaseosa. [ 19 ] [ 20 ]

Grabado húmedo

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 objetivo es considerablemente mayor que la del material de la máscara si se selecciona cuidadosamente. El grabado húmedo puede realizarse utilizando grabadores húmedos isotrópicos o anisotrópicos. Los grabadores húmedos isotrópicos graban en todas las direcciones del silicio cristalino a velocidades aproximadamente iguales. Los grabadores húmedos anisotrópicos graban preferentemente a lo largo de ciertos planos cristalinos a velocidades más rápidas que otros planos, lo que permite implementar microestructuras 3D más complejas. Los grabadores húmedos anisotrópicos se utilizan a menudo junto con paradas de grabado de boro, en las que la superficie del silicio se dopa fuertemente con boro, lo que da como resultado una capa de material de silicio 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 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, presentan diferentes velocidades de grabado según la orientación cristalográfica del sustrato. Este fenómeno 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 lentamente que otros planos ( orientaciones cristalográficas ). Por lo tanto, al grabar un orificio rectangular en una oblea de Si (100), se obtiene una cavidad de grabado con forma de pirámide y paredes de 54,7°, en lugar de un orificio con paredes laterales curvas, como ocurre con el grabado isotrópico.

El ácido fluorhídrico se usa comúnmente como grabador acuoso para el dióxido de silicio ( SiO₂).2 , también conocido como BOX para SOI), generalmente en forma concentrada al 49%, 5:1, 10:1 o 20:1 BOE (grabador de óxido tamponado) o BHF (HF tamponado). Se utilizaron por primera vez en la Edad Media para el grabado de vidrio. Se utilizó en la fabricación de circuitos integrados para el modelado del óxido de puerta hasta que el paso del proceso fue reemplazado por RIE. El ácido fluorhídrico se considera uno de los ácidos más peligrosos en lasala limpia.

El grabado electroquímico (ECE) para la eliminación selectiva de dopantes en silicio es un método común para automatizar y controlar selectivamente el grabado. Se requiere una unión de diodo p-n activa , y cualquiera de los dos tipos de dopantes puede actuar como material resistente al grabado ("detención del grabado"). El boro es el dopante de detención del grabado más común. En combinación con el grabado húmedo anisotrópico descrito anteriormente, el ECE se ha utilizado con éxito para controlar el espesor del diafragma de silicio en sensores de presión piezorresistivos de silicio comerciales. Las regiones dopadas selectivamente pueden crearse mediante implantación, difusión o deposición epitaxial de silicio.

Grabado en seco

Difluoruro de xenón ( XeF2 ) 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 ] Se utiliza principalmente para liberar estructuras metálicas y dieléctricas mediante el socavado del silicio,XeFEl compuesto 2 tiene la ventaja de unaadherencia, a diferencia de los grabadores húmedos. Su selectividad de grabado para el silicio es muy alta, lo que permite trabajar con fotorresistencias,SiO2 , nitruro de silicio y diversos metales para el enmascaramiento. Su reacción con el silicio es "sin plasma", puramente química y espontánea, y a menudo se realiza en modo pulsado. Existen modelos de la acción de grabado [ 23 ] , y laboratorios universitarios y diversas herramientas comerciales ofrecen soluciones que utilizan este método.

Los procesos VLSI modernos evitan el grabado húmedo y utilizan en su lugar el grabado por plasma . Los grabadores de plasma pueden operar en varios modos ajustando los parámetros del plasma. El grabado por plasma convencional opera 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 por plasma puede ser isotrópico, es decir, presentar una tasa de socavación lateral en una superficie con patrón aproximadamente igual a su tasa de grabado descendente, o puede ser anisotrópico, es decir, presentar 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 al referirse al grabado dependiente de la orientación. El gas fuente del plasma suele contener moléculas pequeñas ricas en cloro o flúor. Por ejemplo, el tetracloruro de carbono ( CCl₄ ) graba el silicio y el aluminio, y el trifluorometano graba el dióxido de silicio y el nitruro de silicio. Un plasma que contiene oxígeno se utiliza para oxidar la fotorresina ("ceniza") y facilitar su eliminación.

El fresado 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 desprenden 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 deficiente. El grabado iónico reactivo (RIE) opera bajo condiciones intermedias entre el grabado por pulverización catódica y el grabado por plasma (entre 10⁻³ y 10⁻¹ Torr  ). El grabado iónico reactivo profundo (DRIE) modifica la técnica RIE para producir características profundas y estrechas.

En el grabado iónico reactivo (RIE), el sustrato se coloca dentro de un reactor y se introducen varios gases. Se genera un plasma en la mezcla de gases mediante una fuente de potencia de radiofrecuencia (RF), que disocia las moléculas de gas en iones. Estos iones se aceleran hacia la superficie del material que se está grabando y reaccionan con ella, formando otro material gaseoso. Este proceso se conoce como la parte química del grabado iónico reactivo. También existe una parte física, similar al proceso de deposición por pulverización catódica. Si los iones tienen suficiente energía, pueden arrancar átomos del material que se va a grabar sin que se produzca una reacción química. Desarrollar procesos de grabado en seco que equilibren el grabado químico y el físico es una tarea muy compleja, ya que hay muchos parámetros que ajustar. Al modificar este equilibrio, es posible influir en la anisotropía del grabado; dado que la parte química es isotrópica y la parte física altamente anisotrópica, la combinación puede formar paredes laterales con 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 alcanzan profundidades de grabado de cientos de micrómetros con paredes laterales casi verticales. La tecnología principal se basa en el llamado "proceso Bosch" [ 24 ] , que recibe su nombre de 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 consta de solo dos pasos.

En la primera variante, el ciclo de grabado es el siguiente:

(i) SF6 grabado isotrópico;
(ii) C4 F8 pasivación;
(iii) SF6 grabados anisotrópicos para la limpieza de suelos.

En la segunda variación, se combinan los pasos (i) y (iii).

Ambas variantes funcionan de forma similar. La C4 F8 crea un polímero en la superficie del sustrato, y la segunda composición de gas (SF6)6 yO2 ) Se graba el sustrato. El polímero se elimina inmediatamente mediante la parte física del grabado, pero solo en las superficies horizontales y no en las paredes laterales. Dado que el polímero se disuelve muy lentamente durante 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 de 3 a 6 veces mayores que las del grabado húmedo.

Tras preparar un gran número de dispositivos MEMS sobre una oblea de silicio , es necesario separar los chips individuales , proceso conocido como preparación de chips en la tecnología de semiconductores. Para algunas aplicaciones, la separación se realiza antes del rectificado posterior de la oblea para reducir su grosor. El corte de la oblea puede llevarse a cabo mediante aserrado con líquido refrigerante o mediante un proceso láser en seco denominado corte sigiloso .

Tecnologías de fabricación

El micromecanizado volumétrico es el paradigma más antiguo de los MEMS basados ​​en silicio. Se utiliza todo el espesor de una oblea de silicio para construir las microestructuras mecánicas. [ 20 ] El silicio se mecaniza mediante diversos procesos de grabado . El micromecanizado volumétrico ha sido fundamental para el desarrollo de sensores de presión y acelerómetros de alto rendimiento que revolucionaron la industria de los sensores en las décadas de 1980 y 1990.

El micromecanizado de superficie utiliza capas depositadas sobre la superficie de un sustrato como materiales estructurales, en lugar de utilizar el sustrato mismo. [ 25 ] El micromecanizado de superficie 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 planares, con el objetivo de combinar MEMS y circuitos integrados en la misma oblea de silicio. El concepto original de micromecanizado de superficie se basaba en capas delgadas 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 para detectar el movimiento en el plano de forma capacitiva. Este paradigma MEMS ha permitido la fabricación de acelerómetros de bajo costo para, por ejemplo, sistemas de bolsas de aire para automóviles y otras aplicaciones donde un rendimiento bajo y/o rangos de g altos son suficientes. Analog Devices ha sido pionera en la industrialización del micromecanizado de superficie y ha logrado la cointegración de MEMS y circuitos integrados.

La unión de obleas consiste en unir dos o más sustratos (generalmente del mismo diámetro) 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 directa o por fusión, en la que se unen dos o más obleas, generalmente de silicio u otro material semiconductor; la unión anódica, en la que una oblea de vidrio dopado con boro se une a una oblea semiconductora, generalmente de silicio; la unión por termocompresión, en la que se utiliza una capa intermedia de material de película delgada para facilitar la unión de las obleas; y la unión eutéctica, en la que se utiliza una capa de película delgada 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 están suficientemente limpias. El criterio más estricto para la unión de obleas suele ser la unión por fusión directa, ya que incluso una o más partículas pequeñas pueden provocar que la unión falle. En comparación, los métodos de unión de obleas que utilizan capas intermedias suelen ser mucho más tolerantes. [ 26 ]

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. Sin embargo, en muchos casos, la distinción entre ambos se ha difuminado. Una nueva tecnología de grabado, el grabado iónico reactivo profundo , ha permitido combinar el buen rendimiento típico del micromecanizado en masa con las estructuras de peine y el funcionamiento en el plano característicos del micromecanizado de superficie . Mientras que en el micromecanizado de superficie es común tener un espesor de capa estructural en el rango de 2  μm, en el micromecanizado de silicio HAR el espesor puede variar 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) unidas, aunque también se han creado procesos para obleas de silicio en masa (SCREAM). La unión de una segunda oblea mediante unión con frita de vidrio, unión anódica o unión con aleación se utiliza para proteger las estructuras MEMS. Los circuitos integrados no suelen combinarse con el micromecanizado de silicio HAR.

Aplicaciones

Un chip DMD de Texas Instruments para proyección cinematográfica
Medición de las propiedades mecánicas de una tira de oro (ancho ~1  μm) utilizando MEMS dentro de un microscopio electrónico de transmisión [ 27 ]

Algunas aplicaciones comerciales comunes de los MEMS incluyen:

Estructura de la industria

El mercado global de sistemas microelectromecánicos, que incluye productos como sistemas de airbags para automóviles, sistemas de visualización y cartuchos de tinta, alcanzó los 40.000 millones de dólares en 2006, según el informe de investigación Global MEMS/Microsystems Markets and Opportunities de SEMI y Yole Development, y se prevé que llegue a los 72.000 millones de dólares en 2011. [ 40 ]

Las empresas con sólidos programas de MEMS son de diversos tamaños. Las empresas más grandes se especializan en la fabricación de componentes económicos de alto volumen o soluciones empaquetadas para mercados finales como el automotriz, el biomédico y el electrónico. Las empresas más pequeñas aportan valor a través de soluciones innovadoras y asumen el costo de la fabricación a medida con altos márgenes de venta. Tanto las grandes como las pequeñas empresas suelen invertir en I+D para explorar nuevas tecnologías MEMS.

El mercado mundial de materiales y equipos para la fabricación de dispositivos MEMS superó los 1.000 millones de dólares en 2006. La demanda de materiales está impulsada por los sustratos, que representan más del 70 % del mercado, los recubrimientos de embalaje y el uso cada vez mayor de la planarización químico-mecánica (CMP). Si bien la fabricación de MEMS sigue estando dominada por equipos de semiconductores usados, se observa una migración hacia líneas de 200 mm y nuevas herramientas específicas, como las de grabado y unión, para determinadas aplicaciones MEMS.

Véase también

Referencias

  1. ↑ Gabriel K, Jarvis J, Trimmer W (1988). Máquinas pequeñas, grandes oportunidades: un informe sobre el campo emergente de la microdinámica: informe del taller sobre investigación de sistemas microelectromecánicos . Fundación Nacional de Ciencias (patrocinador). Laboratorios Bell de AT&T.
  2. ↑ Waldner JB (2008). Nanocomputadoras e inteligencia de enjambre . Londres: ISTE John Wiley & Sons . pag. 205.ISBN​  9781848210097.
  3. ↑ Angell JB, Terry SC, Barth PW (1983). "Dispositivos micromecánicos de silicio". Sci. Am. 248 (4): 44– 55. Bibcode : 1983SciAm.248d..44A . doi : 10.1038/scientificamerican0483-44 .
  4. ↑ Nathanson HC, Wickstrom RA (1965). "Un transistor de superficie de silicio con puerta resonante y propiedades de paso de banda de alto factor Q". Appl. Phys. Lett. 7 (4): 84– 86. Bibcode : 1965ApPhL...7...84N . doi : 10.1063/1.1754323 .
  5. ↑ Patente estadounidense 3614677A , Wilfinger RJ, "Resonador monolítico electromecánico", emitida en octubre de 1971, asignada a International Business Machines Corp. 
  6. ↑ Wilfinger RJ, Bardell PH, Chhabra DS (1968). "El resonador: un dispositivo selectivo de frecuencia que utiliza la resonancia mecánica de un sustrato de silicio". IBM J. Res. Dev. 12 (1): 113– 8. doi : 10.1147/rd.121.0113 .
  7. ↑ Bergveld, Piet (octubre de 1985). "El impacto de los sensores basados ​​en MOSFET" (PDF) . Sensores y Actuadores . 8 (2): 109– 127. Bibcode : 1985SeAc....8..109B . doi : 10.1016/0250-6874(85)87009-8 . ISSN 0250-6874 . Archivado del original (PDF) el 26 de abril de 2021. Consultado el 16 de octubre de 2019 . 
  8. ↑ Catálogo IEEE n.° 87TH0204-8, Biblioteca del Congreso n.° 87-82657. Reimpreso en "Micromechanics and MEMS: Classic and Seminal Papers to 1990" (ed. Wm. S. Trimmer, ISBN 0-7803-1085-3), págs. 231–236.
  9. ↑ "Transistor MEMS integrado en CMOS" . 6 de diciembre de 2011.
  10. ↑ Beliveau, A.; Spencer, GT; Thomas, KA; Roberson, SL (1999-12-01). "Evaluación de acelerómetros capacitivos MEMS". IEEE Design & Test of Computers . 16 (4): 48– 56. Bibcode : 1999IDTC...16...48B . doi : 10.1109/54.808209 .
  11. ↑ Iannacci, Jacopo (1 de noviembre de 2017). Introducción a los MEMS y RF-MEMS: Desde los inicios de los microsistemas hasta los componentes pasivos RF-MEMS modernos . doi : 10.1088/978-0-7503-1545-6ch1 . ISBN 978-0-7503-1545-6. Consultado el 6 de agosto de 2019 .
  12. ↑ "La tecnología MEMS está transformando las matrices de conmutación de alta densidad" . evaluationengineering.com . 24 de junio de 2019. Consultado el 6 de agosto de 2019 .
  13. 1 2 M. Birkholz; K.-E. Ehwald; T. Basmer; et al. (2013). "Detección de concentraciones de glucosa en frecuencias de GHz con un sistema biomicroelectromecánico (BioMEMS) totalmente integrado" . J. Appl. Phys . 113 (24): 244904–244904–8. Bibcode : 2013JAP...113x4904B . doi : 10.1063/1.4811351 . PMC 3977869. PMID 25332510 .   
  14. ↑ Ghodssi R, Lin P (2011). Manual de materiales y procesos MEMS . Springer. ISBN 978-0-387-47316-1.
  15. ↑ Polster T, Hoffmann M (2009). "Sensores táctiles piezoeléctricos 3D basados ​​en nitruro de aluminio" . Procedia Chemistry . 1 (1): 144– 7. doi : 10.1016/j.proche.2009.07.036 .
  16. ↑ McCord MA, Rooks MJ (1997). "Litografía por haz de electrones" . En Choudhury PR (ed.). Manual de microlitografía, micromecanizado y microfabricación. Volumen 1: Microlitografía . Vol. 1. Londres: SPIE . doi : 10.1117/3.2265070.ch2 . ISBN  978-0-8194-9786-4Archivado del original el 19 de agosto de 2019. Consultado el 28 de enero de 2011 .
  17. ↑ Shi, Xiaoqing; Boden, Stuart A. (2016). "17. Litografía por haz de iones de helio con escaneo". En Robinson, Alex; Lawson, Richard (eds.). Fronteras de la nanociencia . Vol. 11. Elsevier. pp. 563–594 . doi : 10.1016/B978-0-08-100354-1.00017-X . ISBN   978-0-08-100354-1.
  18. ↑ Madou MJ (2011). De MEMS a Bio-MEMS y Bio-NEMS: Técnicas de fabricación y aplicaciones . Fundamentos de microfabricación y nanotecnología. Vol. 3. CRC Press. p. 252. ISBN   978-1-4398-9524-5.
  19. ↑ Williams KR, Muller RS ​​(1996). "Tasas de grabado para el procesamiento de micromecanizado" (PDF) . Journal of Microelectromechanical Systems . 5 (4): 256– 269. Bibcode : 1996JMemS...5..256W . CiteSeerX 10.1.1.120.3130 . doi : 10.1109/84.546406 . Archivado del original (PDF) el 9 de agosto de 2017. Consultado el 26 de octubre de 2017 . 
  20. ^ Kovacs GT, Maluf NI, Petersen KE (1998). «Micromecanizado masivo de silicio» (PDF) . Proc. IEEE . 86 (8): 1536– 51. Bibcode : 1998IEEEP..86.1536K . doi : 10.1109/5.704259 . Archivado desde el original (PDF) el 27 de octubre de 2017.
  21. ↑ Chang FI, Yeh R, Lin G, et al. (1995). "Micromecanizado de silicio en fase gaseosa con difluoruro de xenón". En Bailey W, Motamedi ME, Luo FC (eds.). Estructuras microelectrónicas y dispositivos microelectromecánicos para procesamiento óptico y aplicaciones multimedia . Vol. 2641. Austin, TX: SPIE . pág. 117. doi : 10.1117/12.220933 . S2CID 39522253 .    
  22. ↑ Chang, Floy I-Jung (1995). Grabado de silicio con difluoruro de xenón para MEMS (MS). Los Ángeles: Universidad de California. OCLC 34531873 . 
  23. ↑ Brazzle JD, Dokmeci MR, Mastrangelo CH (2004). "Modelado y caracterización del grabado de polisilicio de sacrificio mediante difluoruro de xenón en fase vapor". 17.ª Conferencia Internacional IEEE sobre Sistemas Microelectromecánicos. Resumen técnico de MEMS 2004 de Maastricht . IEEE . págs. 737–740 . doi : 10.1109/MEMS.2004.1290690 . ISBN  978-0-7803-8265-7. S2CID 40417914 . 
  24. ↑ Laermer F, Urban A (2005). "Hitos en el grabado iónico reactivo profundo". XIII Conferencia Internacional sobre Sensores, Actuadores y Microsistemas de Estado Sólido, 2005. Resumen de ponencias técnicas. TRANSDUCERS '05 . Vol. 2. IEEE . págs. 1118–21 . doi : 10.1109/SENSOR.2005.1497272 . ISBN   978-0-7803-8994-6. S2CID 28068644 . 
  25. ↑ Bustillo JM, Howe RT, Muller RS ​​(1998). "Micromecanizado de superficies para sistemas microelectromecánicos" (PDF) . Proc. IEEE . 86 (8): 1552–74 . Bibcode : 1998IEEEP..86.1552B . CiteSeerX 10.1.1.120.4059 . doi : 10.1109/5.704260 . 
  26. ↑ Pelzer, R.; Kirchberger, H.; Kettner, P. (2005). Técnicas de unión de oblea a oblea: del encapsulado de MEMS a las aplicaciones de integración de circuitos integrados . IEEE. págs. 1–6 . doi : 10.1109/ICEPT.2005.1564704 . ISBN  978-0-7803-9449-0.
  27. ↑ Hosseinian E, Pierron ON (2013). "Ensayo cuantitativo in situ de fatiga por tracción mediante TEM en películas ultrafinas metálicas nanocristalinas". Nanoscale . 5 (24): 12532– 41. Bibcode : 2013Nanos...512532H . doi : 10.1039/C3NR04035F . PMID 24173603 . S2CID 17970529 .  
  28. ↑ Acar C, Shkel AM (2008). Giroscopios vibratorios MEMS: Enfoques estructurales para mejorar la robustez . Springer . pág. 111. ISBN  978-0-387-09536-3.
  29. ↑ Johnson RC (2007). "Hay más en MEMS de lo que se ve en el iPhone" . EE Times . Consultado el 14 de junio de 2019 .
  30. ↑ Clarke P (2016). "Surge el mercado de micrófonos MEMS inteligentes" . EE News Analog . Recuperado el 14 de junio de 2019 .
  31. ↑ "DS3231m RTC" (PDF) . Hoja de datos del DS3231m RTC . Maxim Inc. 2015. Consultado el 26 de marzo de 2019 .
  32. ↑ "Implementación de la proyección MEMS escaneada por láser en pantallas de visualización frontal para automóviles" (PDF) . Renesas Electronics Corporation.
  33. ↑ "Maradin - Proyectando el futuro" . Maradin Ltd. Consultado el 29 de junio de 2024 .
  34. ↑ "Los relés MEMS superan los límites de potencia" . 22 de octubre de 2019.
  35. ↑ Wang, Li-Feng; Huang, Qing-An; Han, Lei (2018). "Interruptor RF MEMS" . Sistemas microelectromecánicos . Micro/Nanotecnologías. págs. 1039–76 . doi : 10.1007/978-981-10-5945-2_34 . ISBN  978-981-10-5944-5.
  36. ↑ Louizos LA, Athanasopoulos PG, Varty K (2012). "Sistemas microelectromecánicos y nanotecnología. Una plataforma para la próxima era tecnológica de los stents". Vasc. Endovasc. Surg. 46 (8): 605– 9. doi : 10.1177/1538574412462637 . PMID 23047818 . S2CID 27563384 .  
  37. ↑ Hajati A, Kim SG (2011). "Recolección de energía piezoeléctrica de ancho de banda ultra amplio". Appl. Phys. Lett. 99 (8) 083105. Bibcode : 2011ApPhL..99h3105H . doi : 10.1063/1.3629551 . hdl : 1721.1/75264 . S2CID 85547220 . 
  38. ↑ Hajati A (2012). "Sistema microelectromecánico tridimensional transductor de ultrasonido piezoeléctrico". Appl. Phys. Lett. 101 (25) 253101. Bibcode : 2012ApPhL.101y3101H . doi : 10.1063/1.4772469 . S2CID 46718269 . 
  39. ↑ Hajati A (2013). "Circuitos integrados ultrasónicos monolíticos basados ​​en cúpulas piezoeléctricas semielipsoidales micromecanizadas". Appl. Phys. Lett. 103 (20) 202906. Bibcode : 2013ApPhL.103t2906H . doi : 10.1063/1.4831988 .
  40. ↑ "Se prevé que el mercado mundial de sistemas MEMS alcance los 72 mil millones de dólares en 2011" . AZoNano . 2007. Consultado el 5 de octubre de 2015 .

Lecturas adicionales

  • Microsystem Technologies , publicado por Springer Publishing , página principal de la revista
  • Geschke, O.; Klank, H.; Telleman, P., eds. (2004). Ingeniería de microsistemas de dispositivos de laboratorio en un chip . Wiley. ISBN 3-527-30733-8.
  • Chollet, F.; Liu, HB. (10 de agosto de 2018). Una introducción (no tan) breve a los MEMS . ISBN 978-2-9542015-0-45.4.
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