Chapitre 1 : MEMS
Les systèmes microélectromécaniques, souvent connus sous le nom de MEMS, sont une technologie qui implique la création de dispositifs microscopiques contenant à la fois des composants électroniques et mécaniques. Les MEMS sont composés de composants dont la taille varie de 1 à 100 micromètres (c'est-à-dire 0,001 à 0,1 mm), et la taille des dispositifs MEMS varie généralement de 20 micromètres à un millimètre (c'est-à-dire de 0,02 à 1,0 mm). Cependant, la taille des composants empilés dans des matrices (par exemple, les dispositifs à micromiroirs numériques) peut être supérieure à 1000 mm2. Dans la plupart des cas, ils sont constitués d'une unité centrale qui traite les données (une puce de circuit intégré telle qu'un microprocesseur), ainsi que de plusieurs composants qui interagissent avec l'environnement (tels que des microcapteurs).
Les forces produites par l'électromagnétisme ambiant (telles que les charges électrostatiques et les moments magnétiques) et la dynamique des fluides (telles que la tension superficielle et la viscosité) sont des problèmes de conception plus essentiels pour les MEMS que pour les dispositifs mécaniques à plus grande échelle. En effet, les MEMS ont un grand rapport surface/volume. Contrairement à la nanotechnologie moléculaire et à l'électronique moléculaire, la technologie MEMS se distingue par le fait que ces deux dernières technologies doivent prendre en compte la chimie de surface.
On appréciait les possibilités des très petites machines avant même que la technologie qui pouvait les fabriquer n'existe (par exemple, le célèbre discours de Richard Feynman de 1959 intitulé « Il y a beaucoup de place au fond »). Dès que les MEMS ont pu être fabriqués à l'aide de procédures de fabrication de dispositifs semi-conducteurs modifiés, qui sont généralement utilisées dans la production de dispositifs électroniques, ils étaient pratiquement applicables. Le moulage et le placage, la gravure humide (KOH, TMAH), la gravure à sec (RIE et DRIE), l'usinage par électroérosion (EDM) et d'autres technologies capables de fabriquer de minuscules appareils sont inclus dans cette catégorie.
Les nanotechnologies et les systèmes nanoélectromécaniques (NEMS) sont les produits de leur convergence à l'échelle nanométrique.
Un des premiers exemples de dispositifs MEMS est le transistor à grille résonante, qui a été inventé par Robert A. Wickstrom pour Harvey C. Nathanson en 1965. Ce transistor était une adaptation du MOSFET. Un autre exemple précoce est le résonisteur, qui est un résonateur monolithique électromécanique que Raymond J. Wilfinger a breveté entre les années 1966 et 1971. C'est au cours des années 1970 et au début des années 1980 qu'une variété de microcapteurs MOSFET ont été développés dans le but de surveiller diverses caractéristiques, y compris celles qui sont physiques, chimiques, biologiques et environnementales.
1986 est l'année où le terme « MEMS » a été utilisé pour la première fois. La S.C. En plus de Jacobsen, J.E. Par le biais d'une proposition soumise à la DARPA le 15 juillet 1986 et nommée « Micro Electro-Mechanical Systems (MEMS) », Wood, qui était le co-PI, a été le premier à suggérer le terme « MEMS ». Le projet a été attribué à l'Université de l'Utah. Au cours d'une conférence à l'invitation de S.C., le terme « MEMS » a été présenté au public. « Micro Electro-Mechanical Systems (MEMS) » a été présenté par Jacobsen lors de l'atelier IEEE Micro Robots and Teleoperators, qui s'est tenu à Hyannis, Massachusetts, les 9 et 11 novembre 1987.Un manuscrit soumis par J.E. a été à l'origine de la publication du terme « MEMS ». Selon Wood, S.C. Jacobsen et K.W. Lors de l'atelier IEEE Proceedings Micro Robots and Teleoperators, qui s'est tenu à Hyannis, Massachusetts, du 9 au 11 novembre 1987, Grace a présenté un article intitulé « SCOFSS : A Small Cantilevered Optical Fiber Servo System ». En plus des structures MEMS, des transistors CMOS ont été fabriqués depuis leur mise en ouvre.
Les technologies de commutation capacitive et ohmique sont les deux formes fondamentales de la technologie de commutation MEMS. Les changements de capacité sont provoqués par l'utilisation d'une plaque mobile ou d'un élément de détection dans le développement d'un commutateur MEMS capacitif. Des cantilevers contrôlés par des forces électrostatiques sont utilisés pour contrôler les commutateurs ohmiques. La fatigue métallique de l'actionneur MEMS (cantilever) et l'usure des contacts sont deux facteurs qui peuvent entraîner la défaillance des commutateurs MEMS ohmiques. Les porte-à-faux peuvent se plier avec le temps, ce qui permet une usure par contact.
La fabrication de MEMS a émergé de la technologie de processus utilisée dans la fabrication de dispositifs à semi-conducteurs. Les processus fondamentaux utilisés dans la fabrication de MEMS comprennent le dépôt de couches de matériau, le modelage par photolithographie et la gravure afin d'obtenir les formes souhaitées.
En ce qui concerne le traitement des MEMS, l'un des éléments fondamentaux est la capacité de déposer des films minces de matériau d'une épaisseur pouvant aller d'un micromètre à une centaine de micromètres. Malgré le fait que la mesure du dépôt de film puisse aller de quelques nanomètres à un micromètre, le processus NEMS reste le même. Dans ce qui suit, nous aborderons les deux types distincts de processus de dépôt.
Le PVD, qui signifie « dépôt physique en phase vapeur », est une méthode qui consiste à retirer un matériau d'une cible et à le déposer sur une surface à l'aide d'une vapeur. Le processus de pulvérisation cathodique, dans lequel un faisceau d'ions libère des atomes d'une cible, leur permettant de se déplacer dans l'espace intermédiaire et de se déposer sur le substrat souhaité, et le processus d'évaporation, dans lequel un matériau est évaporé d'une cible en utilisant soit de la chaleur (évaporation thermique), soit un faisceau d'électrons (évaporation par faisceau d'électrons) dans un système de vide, sont deux exemples de techniques qui peuvent être utilisées pour y parvenir.
Le dépôt chimique en phase vapeur (CVD) est l'une des techniques qui entrent dans la catégorie des dépôts chimiques. Dans ce processus, un flux de gaz source réagit sur le substrat afin de construire le matériau nécessaire. LPCVD, qui signifie dépôt chimique en phase vapeur à basse pression, et PECVD, qui signifie dépôt chimique en phase vapeur amélioré par plasma, sont deux exemples de catégories qui peuvent être subdivisées en fonction des spécificités de la technique. Il est également possible de faire croître des films d'oxyde par le processus d'oxydation thermique. Cette méthode consiste à exposer la plaquette, qui est normalement en silicium, à l'oxygène et/ou à la vapeur afin de produire une fine couche de dioxyde de silicium sur la surface.
L'acte de transférer un motif sur une substance est appelé patterning.
Dans le contexte des MEMS, la lithographie est souvent définie comme le processus de transfert d'un motif dans un matériau photosensible par l'exposition sélective du matériau à une source de rayonnement similaire à la lumière. Un exemple d'une substance dont les propriétés physiques changent à la suite d'une exposition à une source de rayonnement est dit sensible sur le plan photographique. Lorsqu'un matériau photosensible est exposé de manière sélective à un rayonnement (par exemple, en masquant une partie du rayonnement), le modèle du rayonnement sur le matériau est transféré au matériau exposé. En effet, les caractéristiques des régions exposées et de celles qui ne le sont pas sont différentes.
Après cela, la zone exposée peut être retirée ou traitée, ce qui finira par fournir un masque pour le substrat qui se trouve en dessous. La photolithographie est fréquemment utilisée en conjonction avec la gravure humide et sèche, ainsi que le dépôt de métal ou d'autres films minces. Lorsqu'il s'agit de créer des structures, la photolithographie est parfois utilisée à la place de toute forme de post-gravure. La génération de blocs carrés basés sur SU8 est un exemple d'objectif basé sur l'algorithme SU8. Une demi-sphère qui fonctionne comme une lentille est ensuite formée en faisant fondre la résine photosensible, ce qui est l'étape suivante.
Le processus de balayage d'un faisceau d'électrons de manière structurée sur une surface recouverte d'un film (appelé réserve) est connu sous le nom de lithographie par faisceau d'électrons (souvent abrégée en lithographie par faisceau d'électrons). Ce processus consiste à « exposer » la réserve, puis à éliminer sélectivement les régions exposées ou non exposées de la résine (appelées « développement »). D'une manière similaire à celle de la photolithographie, l'objectif est de générer des structures extrêmement minuscules à l'intérieur de la réserve, qui peuvent ensuite être transférées sur le matériau du substrat, généralement par le processus de gravure. Il est également utilisé pour le développement de structures à l'échelle nanométrique, en plus d'être développé dans le but de fabriquer des circuits intégrés. L'avantage fondamental de la lithographie par faisceau d'électrons est qu'elle est l'une des méthodes qui peuvent être utilisées pour dépasser la limite de diffraction de la lumière et créer des caractéristiques de l'ordre du nanomètre. La fabrication de photomasques pour la photolithographie, la production à faible volume de composants semi-conducteurs et...
