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Microfabricação em Superfície I 5

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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.

Microfabricação em Superfície I

Conceito básico da Microfabricação em Superfície :

SiO2

Si-Poli Si-Poli SiO2

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O início

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 :

Microfabricação em Superfície

•  “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.

Note que : Gate : eletrodo auto sustentado Dielétrico : ar ! Dimensões : 10 um entre Gate e a base

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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 : :

Microfabricação em Superfície

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2 níveis : Atuadores eletrostáticos tipo “Comb drive”

3 níveis : Engrenagens que giram em torno de um eixo central

4 níveis permitem fazer girar as engrenagens através de hastes com movimento linear

5 níveis ou mais : Sistemas com rotação, deslocamento e posicionamento fora do plano dos substratos

Micromáquinas, SANDIA Lab.

http://mems.sandia.gov, http://www.memx.com, http://www.sfu.ca/immr

Estado da Arte : Aplicações dos MEMS

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Processos de 2 nível

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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” :

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Processos de 3 níveis

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A fabricação de discos, rotores e engrenagens que possam girar em torno de um eixo central exigem processos com 3 níveis :

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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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Para transmitir o movimento giratório de rotores e engrenagens a hastes com deslocamento linear são necessários 4 níveis :

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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 :

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Remoção da camada sacrificial

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Cantilevers e Pontes auto-sustentadas de SiC com camada sacrificial de SiOxNy

Resultado experimental

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Remoção da camada sacrificial


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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

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

fenômenos de superfície se tornam

importantes

Quando a relação superfície / volume

aumenta “stiction”

Aspectos importantes da Microfabricação em Superfície

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Crescimento conforme e rugosidade superficial

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Processos de Planarização

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Chemial Mehanicl Planarization (CMP) [1,2] :

A fabricação de sistemas envolvendo vários níveis exigem Chemial Mehanicl Planarization (CMP) :

[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, (1995) pp. 175–80

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Processos de Planarização

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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.

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Introduction

Dobradiças    

Microestruturas Mecânicas Passivas

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2 níveis : Atuadores eletrostáticos tipo “Comb drive”

Trabalho

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Exemplo : micromotor

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(1) ??? ....

(2) ???? ...

(3) ???

Trabalho 9

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Processo básico de Microfabricação em Superfície :

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Estrutura básica fabricada em Superfície :

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