Microfabricação em Superfície I 5

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Microfabricação em Superfície I
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Microfabricação em Superfície I
Na microfabricação em superfície as estruturas auto-sustentadas são
obtidas através da deposição de camadas sucessivas e alternadas de
materiais “estruturais” (do qual é feita a microestrutura) e “sacrificiais” (que
devem ser removidos para liberar as regiões auto sustentadas).
Os materiais estruturais e sacrificiais devem ser corroídos seletivamente
entre si, seguindo padrões espaciais definidos por processos de
fotolitografia, para dar origem às regiões de âncora (fixas no substrato) e
as auto-sustentadas (com liberdade para se mover).
Por tanto os materiais devem :
•  Permitir boa seletividade nos processos de corrosão
•  Apresentar baixos níveis de estress interno e grande estabilidade mecânica
(para originar estruturas planas).
•  Apresentar crescimento “conforme”, o que também é uma exigência sobre
as técnicas de obtenção dos filmes utilizados.
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Conceito básico da Microfabricação em Superfície :
SiO2
Si-Poli
SiO2
Si-Poli
O início
Microfabricação em Superfície
Os primeiros trabalhos com microfabricação de superfície datam da década
de 60, e foram realizados no Westinghouse Research Laboratory por H.C.
Nathanson et. al., que desenvolveu um transistor de gate resonante :
Note que :
Gate : eletrodo auto sustentado
Dielétrico : ar !
Dimensões :
10 um entre Gate e a base
•  “A resonant-gate silicon surface transistor with high-Q bandpass properties”, H. C. Nathanson and R. A.
Wickstrom, Appl.. Phys. Lett., vol. 7, p. 84, 1965.
•  “The resonant gate transistor”, H.C. Nathanson, W.E. Newell, R.A. Wickstrom, and J. R. Davis, Jr., IEEE
Trans. Electron Devices, vol. ED-14, p. 117, 1967.
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Microfabricação em Superfície
A partir da década de 80, com a introdução do Si-poli (obtido por LPCVD) que a
microfabricação em superfície começou a ser amplamente estudada. Nessa época o
desafio foi identificar e estabelecer parâmetros de deposição bem como processos
de recozimento para obter materiais com propriedades mecânicas apropriadas
para uso em MEMS.
Na atualidade, embora diversas combinações de materiais sejam possíveis, os
materiais estruturais e de sacrifício mais utilizados são Si-poli (obtido por LPCVD)
e o SiO2 (obtido oxidação térmica ou deposição CVD) : Microfabricação em Si-Poli
A complexidade dos microsistemas fabricados por processos em superfície está
diretamente relacionada ao número de camadas de materiais estruturais e sacrificiais
utilizados :
2 níveis : :
3 níveis : :
4 níveis : :
5 níveis : :
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Micromáquinas, SANDIA Lab.
2 níveis : Atuadores
eletrostáticos tipo
“Comb drive”
4 níveis permitem fazer girar as engrenagens
através de hastes com movimento linear
Estado da Arte :
Aplicações dos MEMS
3 níveis :
Engrenagens
que giram em
torno de um
eixo central
5 níveis ou mais : Sistemas com rotação, deslocamento e
posicionamento fora do plano dos substratos
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http://mems.sandia.gov,
http://www.memx.com, http://www.sfu.ca/immr
Processos de 2 nível
4.2 Exemplos
Microfabricação em Superfície
Os processos mais simples são os de 2 níveis, que permitem fabricar
estruturas básicas mas de grande interesse. Um exemplo clássico são
os atuadores eletrostáticos de tipo “comb drive” :
Índice
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Processos de 3 níveis
4.1 Exemplos
Microfabricação em Superfície
A fabricação de discos, rotores e engrenagens que possam girar em
torno de um eixo central exigem processos com 3 níveis :
Índice
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Exercício
Processos de
Microfabricação
Utilize o programa simMEMS para projetar :
1.  Um atuador eletrostático de tipo “comb drive” utilizando um processo
de 2 níveis.
2.  Uma engrenagens que possa girar em torno de um eixo central
utilizando um processo de 3 níveis.
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Exemplo : micromotor
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Processos de 4 níveis
4.1 Exemplos
Microfabricação em Superfície
Para transmitir o movimento giratório de rotores e engrenagens a
hastes com deslocamento linear são necessários 4 níveis :
Índice
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Processos de 5 níveis
4.1 Exemplos
Microfabricação em Superfície
Estruturas mais complexas, com sistemas móveis mais sofisticados e
acoplados mecanicamente para promover rotação, deslocamento e
inclusive posicionar estruturas fora do plano dos substratos, exigem 5
níveis ou mais de processamento :
Índice
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Remoção da camada
sacrificial
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Resultado experimental
Cantilevers e Pontes auto-sustentadas de SiC com
camada sacrificial de SiOxNy
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Resultado experimental
Remoção da camada sacrificial
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Aspectos importantes da Microfabricação em Superfície
Existem alguns aspectos essenciais no desenvolvimento de micro sistemas
fabricados por micro usinagem de superfície e que têm recebido especial atenção :
•  Planarização
polimento químico/mecânico
•  Monitoramento e controle das propriedades dos filmes
•  Entendimento e controle dos fenômenos de superfície e do seu papel na
operação e desempenho dos dispositivos :
•  Novos Materiais
Quando a relação
superfície / volume
aumenta
fenômenos de
superfície se tornam
importantes
“stiction”
Leituras recomendadas :
•  J. J. Sniegowski and M. P. de Boer, Annu. Rev. Mater. Sci. 30 (2000) 299–333
•  J.M. Bustillo, R.T. Howe, R.S. Muller , Proc. IEEE. 86(8) (1998) 1552
•  H. Baltes, Sensors Mater. 9(6) (1997) 331
•  R.T Howe, B.E. Boser, A.P. Pisano, Sensors Actuators A 56 (1996) 167
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Resultado experimental
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Crescimento conforme e rugosidade superficial
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Processos de Planarização
4.1 Exemplos
Microfabricação em Superfície
Chemial Mehanicl Planarization (CMP) [1,2] :
A fabricação de sistemas envolvendo vários níveis exigem Chemial
Mehanicl Planarization (CMP) :
Índice
[1]. R.D. Nasby, J.J. Sniegowski, J.H. Smith, S. Montague, C.C. Barron, et al., Solid-State Sensor and
ActuatorWorkshop, Hilton Head ’96, Hilton Head Island, SC, (1996) pp. 48–53
[2]. A. Yasseen, S. Smith, M. Mehregany, F. Merat, IEEE Micro Electro Mechanical Systems Workshop,
27
(1995) pp. 175–80
Processos de Planarização
4.1 Exemplos
Microfabricação em Superfície
O processo CMP é importante para :
•  Polimento de superfícies
•  Eliminar a interferência mecânica que existe entre filmes
estruturais com acentuado desnível topográfico
•  Eliminar os problemas que surgem nos processos
fotolitograficos quando se trabalha superfícies não planas e
com diversos níveis
•  Ampliar as possibilidades de integração entre circuitos
microeletrônicos e microsistemas produzidos por
microfabricação em superfície.
Índice
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Microestruturas Mecânicas Passivas
Dobradiças
Introduction
 
 
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Voltar
Trabalho
2 níveis :
Atuadores
eletrostáticos tipo
“Comb drive”
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Exemplo : micromotor
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Trabalho 9
(1)
??? ....
(2)
???? ...
(3)
???
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Processo básico de Microfabricação em Superfície :
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Estrutura básica fabricada em Superfície :
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