CapÃtulo 1 : MEMS

Os sistemas micro-eletromecânicos, muitas vezes conhecidos como MEMS, são uma tecnologia que envolve a criação de dispositivos microscópicos que contêm componentes eletrônicos e mecânicos. Os MEMS são compostos por componentes que variam em tamanho de 1 a 100 micrômetros (ou seja, 0,001 a 0,1 mm), e o tamanho dos dispositivos MEMS normalmente varia de 20 micrômetros a um milímetro (ou seja, 0,02 a 1,0 mm). No entanto, o tamanho dos componentes empilhados em matrizes (por exemplo, dispositivos de microespelho digital) pode ser maior que 1000 mm2. Na maioria dos casos, eles são compostos por uma unidade central que processa dados (um chip de circuito integrado, como um microprocessador), bem como vários componentes que interagem com o ambiente (como microsensores).

As forças que são produzidas pelo eletromagnetismo ambiente (como cargas eletrostáticas e momentos magnéticos) e dinâmica de fluidos (como tensão superficial e viscosidade) são questões de projeto mais essenciais para MEMS do que para dispositivos mecânicos de maior escala. Isso ocorre porque os MEMS têm uma grande relação superfície/volume. Ao contrário da nanotecnologia molecular e da electrónica molecular, a tecnologia MEMS distingue-se pelo facto de as duas últimas tecnologias serem necessárias para ter em consideração a química das superfícies.

Havia um apreço pelas possibilidades de máquinas muito pequenas antes mesmo de existir a tecnologia que poderia fabricá-las (por exemplo, o famoso discurso de Richard Feynman de 1959 intitulado "There's Plenty of Room at the Bottom"). Assim que o MEMS pôde ser fabricado usando procedimentos de fabricação de dispositivos semicondutores modificados, que são normalmente utilizados na produção de dispositivos eletrônicos, eles foram praticamente aplicáveis. Moldagem e chapeamento, gravura a úmido (KOH, TMAH), gravura a seco (RIE e DRIE), usinagem de descargas elétricas (EDM) e outras tecnologias capazes de fabricar dispositivos minúsculos estão incluídas nesta categoria.

A nanotecnologia e os sistemas nanoeletromecânicos (NEMS) são os produtos da sua convergência à escala nanométrica.

Um dos primeiros exemplos de um dispositivo MEMS é o transistor de porta ressonante, que foi inventado por Robert A. Wickstrom para Harvey C. Nathanson em 1965. Este transistor foi uma adaptação do MOSFET. Um outro exemplo antigo é o ressonistor, que é um ressonador monolítico eletromecânico que Raymond J. Wilfinger patenteou entre os anos de 1966 e 1971. Foi durante a década de 1970 e início da década de 1980 que uma variedade de microssensores MOSFET foram desenvolvidos com a finalidade de monitorar várias características, incluindo aquelas que são físicas, químicas, biológicas e ambientais.

1986 foi o ano em que o termo "MEMS" foi usado pela primeira vez. O S.C. Além de Jacobsen, J.E. Através de uma proposta que foi submetida à DARPA em 15 de julho de 1986 e denominada "Micro Electro-Mechanical Systems (MEMS)", Wood, que era o Co-PI, foi quem primeiro sugeriu o termo "MEMS". O projeto foi adjudicado à Universidade de Utah. Durante uma palestra que foi convidada por S.C., o termo "MEMS" foi apresentado ao público. "Micro Electro-Mechanical Systems (MEMS)" foi apresentado por Jacobsen no IEEE Micro Robots and Teleoperators Workshop, que decorreu em Hyannis, Massachusetts, de 9 a 11 de novembro de 1987.Um manuscrito submetido por J.E. foi a fonte da publicação do termo "MEMS". De acordo com Wood, S.C. Jacobsen e K.W. No IEEE Proceedings Micro Robots and Teleoperators Workshop, que teve lugar em Hyannis, Massachusetts, de 9 a 11 de novembro de 1987, Grace apresentou um artigo com o título "SCOFSS: A Small Cantilevered Optical Fiber Servo System". Além das estruturas MEMS, os transístores CMOS foram fabricados desde a sua implementação.

As tecnologias de interruptor capacitivo e ôhmico são as duas formas fundamentais da tecnologia de interruptor MEMS. As mudanças na capacitância são provocadas pela utilização de uma placa móvel ou elemento de deteção no desenvolvimento de um interruptor MEMS capacitivo. Cantilevers que são controlados por forças eletrostáticas são usados para controlar interruptores ôhmicos. A fadiga do metal do atuador MEMS (cantilever) e o desgaste de contato são dois fatores que podem causar falhas nos interruptores MEMS ôhmicos . Os cantilevers podem dobrar-se ao longo do tempo, o que permite o desgaste por contacto.

A fabricação de MEMS surgiu a partir da tecnologia de processo usada na fabricação de dispositivos semicondutores. Os processos fundamentais utilizados na fabricação de MEMS incluem a deposição de camadas de material, padronização por fotolitografia e gravura para alcançar as formas desejadas.

Quando se trata de processamento MEMS, um dos elementos de construção fundamentais é a capacidade de depositar filmes finos de material com uma espessura que pode variar de um micrômetro a cerca de cem micromètres. Apesar do fato de que a medição da deposição de filme pode variar de alguns nanômetros a um micrômetro, o processo NEMS permanece o mesmo. A seguir, discutiremos os dois tipos distintos de processos de deposição.

PVD, que significa "deposição física de vapor", é um método que envolve remover um material de um alvo e depositá-lo em uma superfície pelo uso de um vapor. O processo de pulverização, em que um feixe de iões liberta átomos de um alvo, permitindo-lhes mover-se através do espaço interveniente e depositar-se no substrato desejado, e o processo de evaporação, em que um material é evaporado de um alvo usando calor (evaporação térmica) ou um feixe de eletrões (evaporação por feixe e) num sistema de vácuo, são exemplos de técnicas que podem ser utilizadas para conseguir isso.

A deposição química de vapor (DCV) é uma das técnicas que se enquadram na categoria de deposição química. Neste processo, um fluxo de gás fonte reage sobre o substrato para construir o material necessário. LPCVD, que significa deposição de vapor químico de baixa pressão, e PECVD, que significa deposição de vapor químico com plasma aprimorado, são dois exemplos das categorias que podem ser subdivididas dependendo das especificidades da técnica. Há também a possibilidade de cultivar filmes de óxido pelo processo de oxidação térmica. Este método consiste em expor a bolacha, normalmente feita de silício, ao oxigénio e/ou ao vapor, a fim de produzir uma camada fina de dióxido de silício na superfície.

O ato de transferir um padrão para uma substância é referido como padronização.

No contexto do MEMS, a litografia é frequentemente definida como o processo de transferência de um padrão para um material fotossensível através da exposição seletiva do material a uma fonte de radiação semelhante à luz. Um exemplo de uma substância que sofre uma alteração nas suas propriedades físicas como resultado da exposição a uma fonte de radiação é considerado fotograficamente sensível. Quando um material fotossensível é seletivamente exposto à radiação (por exemplo, mascarando parte da radiação), o padrão da radiação sobre o material é transferido para o material exposto. Isso porque as características das regiões expostas e das que não estão expostas são diferentes.

Depois disso, a zona exposta pode ser removida ou tratada, o que acabará por fornecer uma máscara para o substrato que se encontra por baixo dela. A fotolitografia é frequentemente utilizada em conjunto com gravuras úmidas e secas, bem como a deposição de metal ou outros filmes finos. Quando se trata da criação de estruturas, a fotolitografia às vezes é utilizada no lugar de qualquer forma de pós-gravura. A geração de blocos quadrados baseados em SU8 é um exemplo de uma lente que é baseada no algoritmo SU8. Uma semi-esfera que funciona como uma lente é então formada pela fusão do fotoresistente, que é o próximo passo.

O processo de varredura de um feixe de elétrons de forma padronizada através de uma superfície que é coberta com um filme (referido como a resistência) é conhecido como litografia por feixe de elétrons (muitas vezes abreviada como litografia de feixe e). Este processo envolve "expor" a resistência e, em seguida, remover seletivamente as regiões expostas ou não expostas da resistência (referido como "em desenvolvimento"). De forma semelhante à da fotolitografia, o objetivo é gerar estruturas extremamente minúsculas dentro da resistência, que podem então ser transferidas para o material do substrato, tipicamente pelo processo de gravura. Também é utilizado para o desenvolvimento de estruturas em nanoescala, além de ser desenvolvido com a finalidade de fabricar circuitos integrados. O benefício fundamental da litografia por feixe de elétrons é que ela é um dos métodos que podem ser usados para ultrapassar o limite de difração da luz e criar características que estão na faixa de nanoescala. A fabricação de fotomáscaras para uso em fotolitografia, a produção de baixo volume de componentes semicondutores e a pesquisa e desenvolvimento são áreas que encontraram ampla aplicação para este tipo de metodologia de litografia sem máscara. O rendimento da litografia por feixe de elétrons é a restrição mais significativa desta técnica. Isto refere-se ao tempo extremamente longo necessário para expor um wafer de silício inteiro ou substrato de vidro. Estar exposto por um período prolongado de tempo deixa o usuário suscetível ao desvio ou instabilidade do feixe, que podem ocorrer durante a exposição. Além disso, se o padrão não for alterado na segunda vez, o tempo de resposta para retrabalhar ou redesenhar é consideravelmente mais...