CapÃtulo 1 : MEMS
Los sistemas microelectromecánicos, a menudo conocidos como MEMS, son una tecnología que implica la creación de dispositivos microscópicos que contienen componentes electrónicos y mecánicos. Los MEMS se componen de componentes que varían en tamaño de 1 a 100 micrómetros (es decir, de 0,001 a 0,1 mm), y el tamaño de los dispositivos MEMS suele oscilar entre 20 micrómetros y un milímetro (es decir, de 0,02 a 1,0 mm). Sin embargo, el tamaño de los componentes que se apilan en matrices (por ejemplo, dispositivos de microespejos digitales) puede ser superior a 1000 mm2. En la mayoría de los casos, están formados por una unidad central que procesa datos (un chip de circuito integrado como un microprocesador), así como por múltiples componentes que interactúan con el entorno (como microsensores).
Las fuerzas producidas por el electromagnetismo ambiental (como las cargas electrostáticas y los momentos magnéticos) y la dinámica de fluidos (como la tensión superficial y la viscosidad) son cuestiones de diseño más esenciales para los MEMS que para los dispositivos mecánicos a mayor escala. Esto se debe a que los MEMS tienen una gran relación entre superficie y volumen. A diferencia de la nanotecnología molecular y la electrónica molecular, la tecnología MEMS se distingue por el hecho de que se requiere que las dos últimas tecnologías tengan en cuenta la química de superficies.
Había un aprecio por las posibilidades de las máquinas muy pequeñas incluso antes de que existiera la tecnología que podía fabricarlas (por ejemplo, el famoso discurso de Richard Feynman de 1959 titulado "Hay mucho espacio en el fondo"). Tan pronto como los MEMS pudieron fabricarse utilizando procedimientos de fabricación de dispositivos semiconductores modificados, que normalmente se utilizan en la producción de dispositivos electrónicos, se aplicaron en la práctica. En esta categoría se incluyen el moldeo y el enchapado, el grabado en húmedo (KOH, TMAH), el grabado en seco (RIE y DRIE), el mecanizado por descarga eléctrica (EDM) y otras tecnologías que son capaces de fabricar dispositivos diminutos.
La nanotecnología y los sistemas nanoelectromecánicos (NEMS) son el producto de su convergencia en el rango de la nanoescala.
Un ejemplo temprano de un dispositivo MEMS es el transistor de puerta resonante, que fue inventado por Robert A. Wickstrom para Harvey C. Nathanson en 1965. Este transistor era una adaptación del MOSFET. Otro ejemplo temprano es el resonador, que es un resonador monolítico electromecánico que Raymond J. Wilfinger patentó entre los años 1966 y 1971. Fue durante la década de 1970 y principios de la de 1980 que se desarrollaron una variedad de microsensores MOSFET con el propósito de monitorear varias características, incluidas las físicas, químicas, biológicas y ambientales.
1986 fue el año en que se utilizó por primera vez el término "MEMS". La S.C. Además de Jacobsen, J.E. A través de una propuesta que fue presentada a DARPA el 15 de julio de 1986 y llamada "Micro Electro-Mechanical Systems (MEMS)", Wood, quien era el Co-PI, fue el primero en sugerir el término "MEMS". El proyecto fue adjudicado a la Universidad de Utah. Durante una charla que fue invitada por S.C., se presentó a la audiencia el término "MEMS". "Micro Electro-Mechanical Systems (MEMS)" fue presentado por Jacobsen en el IEEE Micro Robots and Teleoperators Workshop, que tuvo lugar en Hyannis, Massachusetts, del 9 al 11 de noviembre de 1987. Según Wood, S.C. Jacobsen y K.W. En el IEEE Proceedings Micro Robots and Teleoperators Workshop, que tuvo lugar en Hyannis, Massachusetts, del 9 al 11 de noviembre de 1987, Grace presentó una ponencia con el título "SCOFSS: A Small Cantilevered Optical Fiber Servo System". Además de las estructuras MEMS, se han fabricado transistores CMOS desde su implementación.
Tanto la tecnología de interruptores capacitivos como la óhmica son las dos formas fundamentales de la tecnología de interruptores MEMS. Los cambios en la capacitancia se producen mediante la utilización de una placa móvil o un elemento sensor en el desarrollo de un interruptor MEMS capacitivo. Los voladizos controlados por fuerzas electrostáticas se utilizan para controlar interruptores óhmicos. La fatiga del metal del actuador MEMS (voladizo) y el desgaste de los contactos son dos factores que pueden hacer que los interruptores MEMS óhmicos fallen. Los voladizos pueden doblarse con el tiempo, lo que permite el desgaste por contacto.
La fabricación de MEMS surgió de la tecnología de proceso utilizada en la fabricación de dispositivos semiconductores. Los procesos fundamentales utilizados en la fabricación de MEMS incluyen la deposición de capas de material, el modelado por fotolitografía y el grabado para lograr las formas deseadas.
Cuando se trata del procesamiento de MEMS, uno de los elementos fundamentales de construcción es la capacidad de depositar películas delgadas de material con un espesor que puede oscilar entre un micrómetro y alrededor de cien micrómetros. A pesar de que la medición de la deposición de la película puede oscilar entre unos pocos nanómetros y un micrómetro, el proceso NEMS sigue siendo el mismo. A continuación, discutiremos los dos tipos distintos de procesos de deposición.
PVD, que significa "deposición física de vapor", es un método que consiste en eliminar un material de un objetivo y depositarlo en una superficie mediante el uso de un vapor. 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 el proceso de evaporación, en el 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. son ejemplos de técnicas que se pueden utilizar para lograr esto.
La deposición química de vapor (CVD) es una de las técnicas que entran en la categoría de deposición química. En este proceso, una corriente de gas fuente reacciona sobre el sustrato para construir el material que se necesita. LPCVD, que significa deposición química de vapor a baja presión, y PECVD, que significa deposición química de vapor mejorada con plasma, son dos ejemplos de las categorías en las que se puede subdividir según las características específicas de la técnica. También existe la posibilidad de cultivar películas de óxido mediante el proceso de oxidación térmica. Este método consiste en exponer la oblea, que normalmente está hecha de silicio, al oxígeno y/o al vapor para producir una fina capa de dióxido de silicio en la superficie.
El acto de transferir un patrón a una sustancia se conoce como patrón.
En el contexto de MEMS, la litografía a menudo se define como el proceso de transferir un patrón a un material fotosensible a través de la exposición selectiva del material a una fuente de radiación similar a la luz. Un ejemplo de una sustancia que sufre un cambio en sus propiedades físicas como resultado de la exposición a una fuente de radiación se dice que es fotográficamente sensible. Cuando un material fotosensible se expone selectivamente a la radiación (por ejemplo, enmascarando parte de la radiación), el patrón de la radiación sobre el material se transfiere al material que está expuesto. Esto se debe a que las características de las regiones que están expuestas y las que no están expuestas son diferentes.
Después de eso, la zona expuesta se puede eliminar o tratar, lo que eventualmente proporcionará una máscara para el sustrato que se encuentra debajo de ella. La fotolitografía se utiliza con frecuencia junto con el grabado en seco y húmedo, así como en la deposición de metal u otras películas delgadas. Cuando se trata de la creación de estructuras, la fotolitografía a veces se utiliza en lugar de cualquier forma de grabado posterior. La generación de bloques cuadrados basados en SU8 es un ejemplo de una lente basada en el algoritmo SU8. A continuación, se forma una semiesfera que funciona como lente fundiendo la fotorresistencia, que es el siguiente paso.
El proceso de escanear un haz de electrones de manera patrón a través de una superficie cubierta con una película (conocida como resistencia) se conoce como litografía de haz de electrones (a menudo abreviada como litografía de haz de electrones). Este proceso implica "exponer" la resistencia y luego eliminar selectivamente las regiones expuestas o no expuestas de la resistencia (lo que se conoce como "desarrollo"). De manera similar a la fotolitografía, el objetivo es generar estructuras extremadamente diminutas dentro de la resistencia, que luego pueden transferirse al material del sustrato, generalmente mediante el proceso de grabado. También se utiliza para el desarrollo de estructuras a nanoescala, además de desarrollarse con el propósito de fabricar circuitos integrados. El beneficio fundamental de la litografía por haz de electrones es que es uno de los métodos que se pueden utilizar para superar el límite de difracción de la luz y crear características que se encuentran en el rango de nanoescala. La fabricación de fotomáscaras para su uso en fotolitografía, la producción de bajo volumen de componentes semiconductores y la investigación y el desarrollo son áreas que han encontrado una aplicación generalizada para este tipo de metodología de litografía sin mascarilla. El rendimiento de la litografía por haz de electrones es la restricción más importante de esta técnica. Esto se refiere a la cantidad de tiempo extremadamente larga requerida para exponer una oblea de silicio completa o un sustrato de vidrio. Estar...
