Usinagem em massa de microescala para MEMS
A microusinagem em massa é um processo de fabricação subtrativo que cria MEMS Estruturas são obtidas por meio da gravação seletiva em um substrato, geralmente uma lâmina de silício. Utilizam-se técnicas de gravação úmida ou seca para esculpir o material. Agentes de gravação anisotrópicos, como o hidróxido de potássio (KOH), são comuns, pois gravam diferentes planos cristalinos do silício em taxas diferentes, permitindo a criação de sulcos em V e cavidades precisas.
A micromecanização em massa é um dos métodos mais antigos e consolidados para a criação de MEMS. Como um processo subtrativo, envolve a escultura das características do dispositivo diretamente a partir do volume de um substrato, geralmente uma pastilha de silício monocristalino. A técnica depende fortemente da corrosão, que pode ser amplamente categorizada como úmida (química) ou seca (baseada em plasma).
A corrosão úmida é a abordagem mais tradicional. Ela pode ser isotrópica, corroendo na mesma taxa em todas as direções, o que resulta em características arredondadas e com reentrâncias. Mais comumente para MEMS, utiliza-se a corrosão úmida anisotrópica. Este método explora o fato de que a taxa de corrosão no silício monocristalino depende da orientação cristalográfica. Agentes de corrosão como hidróxido de potássio (KOH), hidróxido de tetrametilamônio (TMAH) e pirocatecol de etilenodiamina (EDP) corroem os planos cristalinos (100) e (110) muito mais rapidamente do que os planos (111). Alinhando o padrão da máscara com os eixos cristalinos em um wafer orientado em (100), essa propriedade pode ser usada para criar estruturas precisamente definidas com paredes laterais angulares, como ranhuras em V para fibras ópticas ou cavidades piramidais. Os planos (111) atuam como batentes de corrosão naturais, permitindo um excelente controle sobre a geometria final. Os diafragmas para sensores de pressão são uma aplicação clássica, formados por corrosão na parte traseira de um wafer até que uma camada de parada de corrosão (como uma camada de boro fortemente dopada ou uma parada eletroquímica em uma junção pn) seja atingida.
A gravação a seco, particularmente a Gravação Iônica Reativa Profunda (DRIE), tornou-se uma técnica dominante de micromecanização em massa. A DRIE permite a criação de estruturas muito profundas e com alta relação de aspecto, com paredes laterais quase verticais, algo impossível com a gravação úmida. O método mais comum é o "processo Bosch", que alterna entre uma etapa de gravação (usando um plasma como o SF6) e uma etapa de passivação (usando um gás polimerizante como o C4F8). A camada de passivação protege as paredes laterais da gravação, forçando-as a prosseguir principalmente na direção vertical. Este ciclo é repetido centenas ou milhares de vezes para atingir profundidades de centenas de micrômetros. A DRIE é essencial para a fabricação de sensores inerciais modernos de alto desempenho, dispositivos microfluídicos e vias de silício (TSVs) para empilhamento de chips 3D.
UNESCO Nomenclature: 3313
Engenharia Industrial
Precursores
- Conhecimento da orientação cristalina em wafers de silício
- desenvolvimento de agentes de corrosão química para silício
- fotolitografia para definição de padrões
- materiais de mascaramento resistentes a agentes corrosivos (ex: nitreto de silício)
Aplicações
- diafragmas de sensores de pressão
- bicos de impressora jato de tinta
- canais microfluídicos
- cantilevers de microscópio de força atômica (AFM)
- ranhuras em V para alinhamento de fibra óptica
Ideias de Inovação Potencial
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Relacionado a: micromecanização em massa, MEMS, corrosão, silício, corrosão anisotrópica, KOH, DRIE, corrosão iônica reativa profunda, processo subtrativo, microfabricação.