Capitolo 1 : MEMS
I sistemi micro-elettromeccanici, spesso noti come MEMS, sono una tecnologia che prevede la creazione di dispositivi microscopici che contengono componenti sia elettronici che meccanici. I MEMS sono composti da componenti di dimensioni comprese tra 1 e 100 micrometri (da 0,001 a 0,1 mm) e le dimensioni dei dispositivi MEMS variano in genere da 20 micrometri a un millimetro (da 0,02 a 1,0 mm). Tuttavia, la dimensione dei componenti impilati in array (ad esempio, dispositivi digitali a microspecchi) può essere maggiore di 1000 mm2. Nella maggior parte dei casi, sono costituiti da un'unità centrale che elabora i dati (un chip a circuito integrato come un microprocessore), nonché da più componenti che interagiscono con l'ambiente (come i microsensori).
Le forze prodotte dall'elettromagnetismo ambientale (come le cariche elettrostatiche e i momenti magnetici) e dalla fluidodinamica (come la tensione superficiale e la viscosità) sono problemi di progettazione più essenziali per i MEMS rispetto ai dispositivi meccanici su larga scala. Questo perché i MEMS hanno un ampio rapporto tra area superficiale e volume. A differenza della nanotecnologia molecolare e dell'elettronica molecolare, la tecnologia MEMS si distingue per il fatto che le ultime due tecnologie devono prendere in considerazione la chimica delle superfici.
C'era un apprezzamento per le possibilità di macchine molto piccole anche prima che esistesse la tecnologia che poteva produrle (ad esempio, il famoso discorso di Richard Feynman del 1959 intitolato "C'è molto spazio in fondo"). Non appena i MEMS sono stati in grado di essere prodotti utilizzando procedure di fabbricazione di dispositivi a semiconduttore modificati, tipicamente utilizzate nella produzione di dispositivi elettronici, sono stati praticamente applicabili. Stampaggio e placcatura, incisione a umido (KOH, TMAH), incisione a secco (RIE e DRIE), elettroerosione (EDM) e altre tecnologie in grado di realizzare piccoli dispositivi sono inclusi in questa categoria.
La nanotecnologia e i sistemi nanoelettromeccanici (NEMS) sono i prodotti della loro convergenza su scala nanometrica.
Un primo esempio di dispositivo MEMS è il transistor a gate risonante, inventato da Robert A. Wickstrom per Harvey C. Nathanson nel 1965. Questo transistor era un adattamento del MOSFET. Un altro primo esempio è il resonistore, che è un risonatore monolitico elettromeccanico che Raymond J. Wilfinger brevettò tra il 1966 e il 1971. Fu durante gli anni '70 e l'inizio degli anni '80 che fu sviluppata una varietà di microsensori MOSFET allo scopo di monitorare varie caratteristiche, comprese quelle fisiche, chimiche, biologiche e ambientali.
Il 1986 è stato l'anno in cui il termine "MEMS" è stato utilizzato per la prima volta. Il S.C. Oltre a Jacobsen, J.E. Attraverso una proposta che fu presentata alla DARPA il 15 luglio 1986 e chiamata "Micro Electro-Mechanical Systems (MEMS)", Wood, che era il Co-PI, fu colui che per primo suggerì il termine "MEMS". Il progetto è stato assegnato all'Università dello Utah. Durante una conferenza invitata da S.C., il termine "MEMS" è stato introdotto al pubblico. "Micro Electro-Mechanical Systems (MEMS)" è stato presentato da Jacobsen al workshop IEEE Micro Robots and Teleoperators, che si è svolto a Hyannis, Massachusetts, dal 9 all'11 novembre 1987. Un manoscritto che è stato presentato da J.E. è stato la fonte della pubblicazione del termine "MEMS". Secondo Wood, S.C. Jacobsen e K.W. Nel Workshop IEEE Proceedings Micro Robots and Teleoperators, che si è svolto a Hyannis, Massachusetts, dal 9 all'11 novembre 1987, Grace ha presentato un documento dal titolo "SCOFSS: A Small Cantilevered Optical Fiber Servo System". Oltre alle strutture MEMS, i transistor CMOS sono stati fabbricati sin dalla loro implementazione.
Sia la tecnologia degli interruttori capacitivi che quella ohmica sono le due forme fondamentali della tecnologia degli interruttori MEMS. Le variazioni di capacità sono determinate dall'utilizzo di una piastra mobile o di un elemento di rilevamento nello sviluppo di un interruttore MEMS capacitivo. I cantilever controllati da forze elettrostatiche vengono utilizzati per controllare gli interruttori ohmici. L'affaticamento del metallo dell'attuatore MEMS (cantilever) e l'usura dei contatti sono due fattori che possono causare il guasto degli interruttori MEMS ohmici. I cantilever possono piegarsi nel tempo, il che consente l'usura dei contatti.
La fabbricazione di MEMS è nata dalla tecnologia di processo utilizzata nella fabbricazione di dispositivi a semiconduttore. I processi fondamentali utilizzati nella fabbricazione di MEMS includono la deposizione di strati di materiale, la modellazione mediante fotolitografia e l'incisione per ottenere le forme desiderate.
Quando si tratta di elaborazione MEMS, uno degli elementi fondamentali è la capacità di depositare film sottili di materiale con uno spessore che può variare da un micrometro a circa cento micrometri. Nonostante il fatto che la misurazione della deposizione di film possa variare da pochi nanometri a un micrometro, il processo NEMS rimane lo stesso. Di seguito, discuteremo i due tipi distinti di processi di deposizione.
Il PVD, acronimo di "physical vapor deposition", è un metodo che prevede la rimozione di un materiale da un bersaglio e il suo deposito su una superficie mediante l'uso di un vapore. Il processo di sputtering, in cui un fascio di ioni rilascia atomi da un bersaglio, consentendo loro di muoversi attraverso lo spazio intermedio e depositarsi sul substrato desiderato, e il processo di evaporazione, in cui un materiale viene evaporato da un bersaglio utilizzando calore (evaporazione termica) o un fascio di elettroni (evaporazione a fascio elettronico) in un sistema a vuoto, sono entrambi esempi di tecniche che possono essere utilizzate per raggiungere questo obiettivo.
La deposizione chimica da vapore (CVD) è una delle tecniche che rientrano nella categoria della deposizione chimica. In questo processo, un flusso di gas sorgente reagisce sul substrato per costruire il materiale necessario. LPCVD, acronimo di low-pressure chemical vapor deposition, e PECVD, acronimo di plasma-enhanced chemical vapor deposition, sono due esempi delle categorie che possono essere ulteriormente suddivise a seconda delle specifiche della tecnica. C'è anche la possibilità di far crescere film di ossido mediante il processo di ossidazione termica. Questo metodo prevede l'esposizione del wafer, che normalmente è fatto di silicio, all'ossigeno e/o al vapore per produrre un sottile strato di biossido di silicio sulla superficie.
L'atto di trasferire un modello su una sostanza è indicato come patterning.
Nel contesto dei MEMS, la litografia è spesso definita come il processo di trasferimento di un modello in un materiale fotosensibile attraverso l'esposizione selettiva del materiale a una sorgente di radiazioni simile alla luce. Un esempio di una sostanza che subisce un cambiamento nelle sue proprietà fisiche a seguito dell'esposizione a una sorgente di radiazioni è detto fotograficamente sensibile. Quando un materiale fotosensibile viene esposto selettivamente alle radiazioni (ad esempio, mascherando una parte delle radiazioni), il modello di radiazione sul materiale viene trasferito al materiale esposto. Ciò è dovuto al fatto che le caratteristiche delle regioni esposte e di quelle non esposte sono diverse.
Successivamente, la zona esposta può essere rimossa o trattata, il che alla fine fornirà una maschera per il substrato che si trova sotto di essa. La fotolitografia è spesso utilizzata in combinazione con l'incisione a umido e a secco, nonché la deposizione di metallo o altri film sottili. Quando si tratta di creare strutture, la fotolitografia viene talvolta utilizzata al posto di qualsiasi forma di post-incisione. La generazione di blocchi quadrati basati su SU8 è un esempio di obiettivo basato sull'algoritmo SU8. Una semisfera che funge da lente viene quindi formata fondendo il fotoresist, che è il passo successivo.
Il processo di scansione di un fascio di elettroni in modo modellato su una superficie ricoperta da una pellicola (denominata resist) è noto come litografia a fascio di elettroni (spesso abbreviata in litografia a fascio elettronico). Questo processo comporta l'"esposizione" del resist e quindi la rimozione selettiva delle regioni esposte o non esposte del resist (indicato come "in via di sviluppo"). In modo simile a quello della fotolitografia, l'obiettivo è quello di generare strutture estremamente minute all'interno del resist, che possono poi essere trasferite al materiale del substrato, tipicamente mediante il processo di incisione. Viene anche utilizzato per lo sviluppo di strutture su scala nanometrica, oltre ad essere sviluppato allo scopo di fabbricare circuiti integrati. Il vantaggio fondamentale della litografia a fascio di elettroni è che è uno dei metodi che possono essere utilizzati per superare il limite di diffrazione della luce e creare caratteristiche che si trovano nell'intervallo della nanoscala. La produzione di fotomaschere per l'uso in fotolitografia, la produzione a basso volume di componenti semiconduttori e la ricerca e sviluppo sono tutte aree che hanno trovato un'applicazione diffusa per questo tipo di metodologia litografica senza maschera. La produttività della litografia a fascio di elettroni è il vincolo più significativo di questa tecnica. Questo si riferisce alla quantità estremamente lunga di tempo necessaria per esporre un intero wafer di silicio o substrato di vetro. L'esposizione per un periodo di tempo prolungato rende l'utente suscettibile alla deriva o all'instabilità del raggio, che possono verificarsi durante l'esposizione. Inoltre, se il modello non viene...
