Sistemas microelectromecánicos

Fotografías obtenidas mediante un microscopio electrónico de una viga en forma de X de TiN sobre una placa base (diferencia de altura 2.5 µm). A causa del clip existente en el medio una fuerza de reposición en aumento se desarrolla, cuando la viga es flexionada hacia abajo. La figura de la derecha muestra una aproximación del clip.[4]

El silicio es el material utilizado para crear la mayoría de los circuitos integrados utilizados en la electrónica de consumo en el mundo moderno. Las economías de escala, facilidad de obtención y el bajo costo de los materiales de alta calidad y la capacidad para incorporar la funcionalidad electrónica hacen al silicio atractivo para una amplia variedad de aplicaciones de SMEM. El silicio también tiene ventajas significativas producto de sus propiedades físicas. En la forma mono cristalina, el silicio es un material hookeano (cumple la ley de Hooke) casi perfecto, lo que significa que cuando está en flexión prácticamente no hay histéresis y, por lo tanto, casi no hay disipación de energía. Además el uso de silicio permite realizar movimientos altamente repetibles, esto hace también que el silicio sea muy fiable, ya que sufre muy pequeña fatiga y puede tener una duración de vida de servicio en el rango de billones o trillones de ciclos sin romper. Las técnicas básicas para la producción de todos los dispositivos SMEM basados en silicio son la deposición de capas de material, produciendo un patrón en estas capas por fotolitografía y luego grabando para producir las formas necesarias.

A pesar de que la industria de la electrónica proporciona una economía de escala para la industria del silicio, el silicio cristalino es todavía un material complejo y relativamente costoso de producir. Los polímeros por el contrario se pueden producir en grandes volúmenes, con una gran variedad de características materiales. Los dispositivos SMEM pueden hacerse de polímeros, mediante procesos de moldeo por inyección, estampado o estéreo litografía, estos dispositivos SMEM son especialmente adecuados para aplicaciones micro fluídicas tales como los cartuchos desechables para análisis de sangre.

Los metales también se pueden usar para crear elementos SMEM. Aunque los metales no tienen algunas de las ventajas mostradas por el silicio en términos de propiedades mecánicas, cuando se utilizan dentro de sus limitaciones, los metales pueden presentar grados muy altos de fiabilidad.

Los metales pueden ser depositados mediante galvanoplastia, evaporación, y mediante procesos de pulverización. Los metales comúnmente utilizados incluyen al oro, níquel, aluminio, cromo, titanio, tungsteno, plata y platino.

Uno de los procesos básicos en la producción de SMEM es el depósito de películas delgadas de materiales. Estas películas delgadas puede tener un espesor de entre unos pocos nanómetros a unos 100 micrómetros. Los procesos de deposición física mediante vapor de uso común son: electroenchapado, pulverización catódica, y la deposición química de vapor.

Litografía en el contexto SMEM es, por lo general la transferencia de un patrón a un material fotosensible por exposición selectiva a una fuente de radiación, como la luz. Un material fotosensible es un material que experimenta un cambio en sus propiedades físicas cuando es expuesto a una fuente de radiación. Al exponer selectivamente un material fotosensible a la radiación (por ejemplo, mediante el enmascaramiento de ciertas partes para evitar sean alcanzadas por la radiación) la radiación solo incide sobre el material expuesto, resultando en que las propiedades de las regiones expuestas y no expuestas serán diferentes.

La región expuesta puede luego ser eliminada o tratada proveyendo una máscara para el sustrato subyacente. La fotolitografía es generalmente usada con metal u otra deposición de película delgada, en procesos de grabado secos o mojados.

Hay dos tipos básicos de proceso de grabado: grabado húmedo y seco. En el primer caso, el material se disuelve cuando se sumerge en una solución química. En el segundo caso, el material se pulveriza o disuelve utilizando vapor de iones reactivos o un grabado de fase vapor.

El grabado por mojado químico consiste en una eliminación selectiva de material mediante la inmersión de un sustrato dentro de una solución que lo pueda disolver. La naturaleza química de este proceso proporciona una buena selectividad, lo cual significa que la velocidad de grabado del material expuesto es considerablemente más alta que la del material de la máscara si se selecciona cuidadosamente.

Algunos materiales mono cristalinos, como el silicio, tiene diferentes velocidades de grabado dependiendo en la orientación cristalográfica del sustrato. Esto se conoce como grabado anisotrópico y es uno de los procesos más comunes en el grabado del silicio en KOH (hidróxido de potasio), donde los planos<111> del Silicio se graban aproximadamente 100 veces más lento que otros planos (orientaciones cristalográficas). Por lo tanto, grabando un agujero rectangular en un (100)- una oblea de silicio resulta en un grabado de ranuras en forma de pirámide con paredes en ángulo de 54.7°, en lugar de un agujero con paredes curvas como podría ser el caso del grabado isotrópico, donde los procesos de grabado progresan a la misma velocidad en todas las direcciones. Agujeros largos y estrechos en una máscara producirán surcos en el silicio. La superficie de estas ranuras puede ser automáticamente suavizadas si el grabado se lleva a cabo correctamente, con las dimensiones y los ángulos siendo extremadamente precisos.

El grabado Electroquímico (CEPE) para una eliminación selectiva del dopante del silicio es un método común para automatizar y controlar selectivamente el grabado. Se requiere un diodo de juntura p-n activo, y cualquier tipo de dopante puede actuar como material resistente al grabado. El Boro es el dopante más común de detención del grabado. En combinación con el grabado húmedo anisotrópico descrito anteriormente, el ECE se utiliza para el control del espesor del diafragma de silicio en sensores de presión piezo-resistivos de silicio. Las regiones selectivamente dopadas pueden ser creadas tanto por implantación, difusión, o deposición epitaxial de silicio.

En el grabado por iones reactivos (RIE), el sustrato se coloca dentro de un reactor en el que se introducen varios gases. El plasma es pulsado en la mezcla de gases utilizando una fuente de energía de radio frecuencia, rompiendo las moléculas del gas en iones. Los iones son acelerados y reaccionan con la superficie del material siendo grabado, formando otro material gaseoso. Esto se conoce como la parte química del grabado por iones reactivos. También hay una parte física que es de naturaleza similar al proceso de deposición por pulverización. Si los iones poseen energía suficientemente alta, pueden impactar a los átomos fuera del material a ser grabado sin una reacción química. Es una tarea muy compleja desarrollar procesos de grabado en seco que equilibren grabado químico y físico, ya que hay muchos parámetros a ajustar. Al cambiar el equilibrio es posible influir en la anisotropía del grabado, ya que la parte química es isotrópica y la parte física altamente anisotrópica, la combinación puede formar paredes laterales, que tienen formas desde redondeadas a verticales.

Una subclase de RIE, es la RIE profunda (DRIE). En este proceso, las profundidades de grabado de cientos de micrómetros pueden ser alcanzados con paredes casi verticales. La principal tecnología se basa en el llamado "proceso de Bosch", en referencia a la empresa alemana Robert Bosch, que presentó la patente original, donde dos composiciones de gases diferentes se alternan en el reactor. Actualmente hay dos variantes de la DRIE. La primera consiste en tres pasos (el proceso de Bosch, tal como se utiliza en la herramienta UNAXIS), mientras que la segunda variante consiste en dos pasos (ASE utilizado en la herramienta de STB). En la primera variante el ciclo de grabado es el siguiente:

(i) SF₆ grabado isotrópico;

(ii) C₄F₈ pasivación;

(iii) SF₆ grabado anisoptrópico para limpieza de suelo.

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

Ambas variantes funcionan de manera similar. En la primera variante el C₄F₈ crea un polímero sobre la superficie del sustrato, y en la segunda, la composición del gas (SF₆ y O₂) graba el sustrato. El polímero es inmediatamente pulverizado lejos por la parte física del grabado, pero solo en las superficies horizontales y no en las paredes laterales. Desde el polímero sólo se disuelve muy lentamente en la parte de la química de grabado, se acumula en las paredes laterales y los protege de grabado. Como resultado de ello, el grabado permite alcanzar relaciones de aspecto de 50 a 1. El proceso puede ser utilizado fácilmente para grabar completamente a través de un sustrato de silicio, y las velocidades de grabado son 3-4 veces más altas que el grabado mojado.

El difluoruro de xenón (XeF₂) es un grabador por fase de vapor seco isotrópica para silicio originalmente aplicado en SMEM en 1995 en la Universidad de California. Originalmente usado para la liberación de estructuras metálicas y dieléctricas por medio del cortado del silicio, el XeF₂ tiene la ventaja de no tener adherencia por viscosidad a diferencia del grabado mojado. Su selectividad de grabado es muy alta, lo que permite trabajar con fotoresistencia, SiO₂, nitruro de silicio, y diversos metales para enmascarar. Su reacción al silicio es "libre de plasma", es puramente químico y espontáneo y a menudo es operado en modo pulsado. Existen diversos modelos de la acción del grabado, y diversas herramientas comerciales ofrecen soluciones utilizando este enfoque.

Los SMEMs producidos mediante micromaquinado volumétrico son el paradigma más antiguo de SMEMs basados en silicio. Todo el grosor de una oblea de silicio se utiliza para la construcción de las micro-estructuras mecánicas. El silicio es mecanizado utilizando diversos procesos de grabado. La unión anódica de placas de vidrio u obleas de silicio adicionales se utilizan para añadir características tridimensionales y para encapsulación hermética. El micromaquinado volumétrico ha sido esencial para producir los sensores de presión de alto rendimiento y acelerómetros que cambiaron la industria de los sensores en las década de 1980 y 1990.

Los SMEMs producidos mediante micromaquinado superficial son producidos mediante deposición de capas sobre la superficie de un sustrato que es el material estructural, en lugar de utilizar el sustrato mismo. El micromaquinado superficial fue inventado a fines de la década de 1980 para hacer al micromáquinado de silicio más compatible con la tecnología de circuito integrado plano, con el objetivo de poder combinar SMEMs y circuitos integrados en la misma oblea de silicio. El concepto original del micromaquinado superficial se basa en delgadas capas de silicio policristalino modelado como estructuras mecánicas móviles y exposición mediante grabado de sacrificio de las subcapas de óxido. Electrodos en peine interdigital son utilizados para producir fuerzas en el plano y detectar movimientos en el plano mediante efectos capacitivos. Este paradigma SMEM ha permitido la manufactura de acelerómetros de bajo costo, por ejemplo para sistemas airbag para automóviles y otras aplicaciones donde bajos rendimientos y/o altos rangos de aceleraciones son suficientes. Mecanismos Analógicos han sido pioneros en la industrialización del micromaquinado superficial y han permitido realizar la co-integración de los SMEMs y los circuitos integrados.

Los micromaquinados volumétrico y superficial son usados a principios del siglo XXI en la producción industrial de los sensores, las boquillas de impresoras de chorro de tinta y otros dispositivos. Pero, en muchos casos, la distinción entre estos dos procesos ha disminuido. La nueva tecnología de grabado, el grabado profundo por iones reactivos ha hecho posible combinar el buen desempeño típico del micromaquinado volumétrico con estructuras en peine y operaciones en plano típicas del micromaquinado superficial. Si bien es común en el micromaquinado superficial tenga espesores de capa estructurales en el rango de 2 μm, en el micromaquinado HAR el espesor es de 10 a 100 μm. Los materiales comúnmente utilizados en el micromaquinado HAR son silicio policristalino denso, conocido como epi-poly, y obleas pegadas de silicio-sobre-aislante (SOI), si bien se han inventado procesos para obleas de silicio volumétricas (SCREAM). Pegando una segunda oblea mediante fritura de vidrio, la unión anódica o unión de aleación se utiliza para proteger las estructuras SMEM. Los circuitos integrados normalmente no se combinan con el micromaquinado HAR. El consenso de la industria a principios del siglo XXI es que la flexibilidad y la reducción en complejidad resultantes de tener las dos funciones separadas parece pesar más que la pequeña penalidad en el envasado.