Microlavorazione superficiale per MEMS
1980
- Richard S. Muller
- Roger T. Howe
La microlavorazione superficiale costruisce MEMS dispositivi mediante la deposizione e la modellazione di film sottili su un substrato. Il processo prevede una sequenza di fasi: deposizione di uno strato sacrificale (come il biossido di silicio), modellazione dello stesso, deposizione di uno strato strutturale (come il polisilicio) e, infine, rimozione dello strato sacrificale per liberare la struttura meccanica. Questo processo consente la creazione di microstrutture complesse e autoportanti direttamente sulla superficie del wafer.
Surface micromachining is a cornerstone of MEMS fabrication, enabling the creation of intricate mechanical systems on top of a substrate, typically a silicon wafer. The process is additive, building structures layer by layer, which contrasts with the subtractive nature of bulk micromachining. A typical process flow begins with the deposition of an isolation layer, like silicon nitride, on the substrate. Following this, a sacrificial layer, often a type of silicon dioxide called phosphosilicate glass (PSG), is deposited using Low-Pressure Chemical Vapor Deposition (LPCVD). This layer is then patterned using photolithography and etching, defining the areas where the final structure will be anchored to the substrate and the gaps beneath moving parts.
Successivamente, lo strato strutturale, più comunemente silicio policristallino (polisilicio), viene depositato sopra lo strato sacrificale modellato. Questo strato di polisilicio viene poi a sua volta modellato per definire la geometria dei componenti meccanici desiderati, come travi, ingranaggi o membrane. Questa sequenza di deposizione e modellazione degli strati sacrificali e strutturali può essere ripetuta più volte per creare strutture multilivello altamente complesse. Il passaggio finale e critico è il processo di "rilascio". Il wafer viene immerso in un agente di attacco chimico, tipicamente acido fluoridrico (HF), che rimuove selettivamente gli strati sacrificali di PSG senza attaccare gli strati strutturali di polisilicio o lo strato isolante di nitruro di silicio. Ciò lascia le strutture di polisilicio libere di muoversi, sospese sopra il substrato tramite i loro ancoraggi designati.
Un vantaggio fondamentale di questa tecnica è la sua intrinseca compatibilità con i processi standard di produzione di circuiti integrati CMOS. Ciò consente l'integrazione monolitica di dispositivi MEMS con la relativa elettronica di controllo ed elaborazione del segnale sullo stesso chip, portando a sistemi più piccoli, più economici e con prestazioni superiori. Tuttavia, la microlavorazione superficiale non è esente da problematiche. La principale modalità di guasto durante il distacco è l'adesione, per cui le strutture rilasciate, una volta bagnate, vengono tirate verso il substrato dalle forze capillari durante l'asciugatura e rimangono permanentemente attaccate a causa di forze intermolecolari come l'attrazione di van der Waals. Sono state sviluppate diverse strategie antiadesione, come l'asciugatura con CO2 supercritica o rivestimenti superficiali speciali, per mitigare questo problema critico.
UNESCO Nomenclature: 3313
- Ingegneria industriale
Precursori
- photolithography techniques from the semiconductor industry
- deposizione chimica da vapore (CVD) per la crescita di film sottili
- wet and dry etching processes
- integrated circuit (IC) fabrication technology
Applicazioni
- digital micromirror devices (DMDs) in projectors
- inertial sensors (accelerometers and gyroscopes) in smartphones
- sensori di pressione
- inkjet printer heads
- RF MEMS switches
Idee e potenziali innovazioni
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Correlato a: microlavorazione di superficie, MEMS, fabbricazione, film sottile, polisilicio, strato sacrificale, incisione, microfabbricazione, litografia, adesione.
