stringtranslate.com

МЭМС

Микроконсоль MEMS, резонирующая внутри сканирующего электронного микроскопа
Предложение, представленное в DARPA в 1986 году, впервые ввело термин «микроэлектромеханические системы».

MEMS ( микроэлектромеханические системы ) — это технология микроскопических устройств, включающая как электронные, так и движущиеся части. MEMS состоят из компонентов размером от 1 до 100 микрометров (т. е. от 0,001 до 0,1 мм), а MEMS-устройства обычно имеют размер от 20 микрометров до миллиметра (т. е. от 0,02 до 1,0 мм), хотя компоненты, расположенные в массивах (например, цифровые микрозеркальные устройства ), могут быть больше 1000 мм 2 . [1] Обычно они состоят из центрального блока, который обрабатывает данные ( интегральная микросхема , такая как микропроцессор ), и нескольких компонентов, которые взаимодействуют с окружающей средой (например, микродатчики ). [2]

Из-за большого отношения площади поверхности к объему MEMS, силы, создаваемые окружающим электромагнетизмом (например, электростатическими зарядами и магнитными моментами ), и гидродинамикой (например, поверхностным натяжением и вязкостью ) являются более важными факторами проектирования, чем в случае с более крупномасштабными механическими устройствами. Технология MEMS отличается от молекулярной нанотехнологии или молекулярной электроники тем, что последние две также должны учитывать химию поверхности .

Потенциал очень маленьких машин был оценен до того, как появилась технология, которая могла бы их производить (см., например, знаменитую лекцию Ричарда Фейнмана 1959 года «Там внизу много места »). МЭМС стали практичными, как только их можно было изготавливать с использованием модифицированных технологий изготовления полупроводниковых приборов , обычно используемых для производства электроники . [3] К ним относятся формование и гальванопокрытие, влажное травление ( KOH , TMAH ) и сухое травление ( RIE и DRIE), электроэрозионная обработка (EDM) и другие технологии, способные производить небольшие устройства.

На наноуровне они объединяются в наноэлектромеханические системы (НЭМС) и нанотехнологии .

История

Ранним примером устройства MEMS является транзистор с резонансным затвором, адаптация MOSFET , разработанная Харви С. Натансоном в 1965 году. [4] Другим ранним примером является резонатор, электромеханический монолитный резонатор, запатентованный Рэймондом Дж. Вильфингером между 1966 и 1971 годами . [5] [6] В период с 1970-х по начало 1980-х годов был разработан ряд микродатчиков MOSFET для измерения физических, химических, биологических и экологических параметров. [7]

Термин «МЭМС» был введен в 1986 году. С. К. Якобсен (первый научный сотрудник) и Дж. Э. Вуд (со-первый научный сотрудник) ввели термин «МЭМС» в виде заявки в DARPA (15 июля 1986 года) под названием «Микроэлектромеханические системы (МЭМС)», предоставленной Университету штата Юта. Термин «MEMS» был представлен в приглашенном докладе SC Jacobsen под названием «Микроэлектромеханические системы (MEMS)» на семинаре IEEE Micro Robots and Teleoperators Workshop, Hyannis, MA 9–11 ноября 1987 г. Термин «MEMS» был опубликован в представленной статье JE Wood, SC Jacobsen и KW Grace под названием «SCOFSS: небольшая консольная оптоволоконная сервосистема» в IEEE Proceedings Micro Robots and Teleoperators Workshop, Hyannis, MA 9–11 ноября 1987 г. [8] КМОП-транзисторы были изготовлены поверх структур MEMS. [9]

Типы

Существует два основных типа технологии MEMS-переключателей: емкостные и омические . Емкостный MEMS-переключатель разработан с использованием подвижной пластины или чувствительного элемента, который изменяет емкость. [10] Омические переключатели управляются электростатически управляемыми кантилеверами. [11] Омические MEMS-переключатели могут выйти из строя из-за усталости металла MEMS-привода ( кантилевера) и износа контактов, поскольку кантилеверы могут деформироваться со временем. [12]

Материалы

Снимки с электронного микроскопа X-образной балки TiN над пластиной заземления (разница высот 2,5 мкм). Благодаря зажиму в середине, при изгибе балки вниз возникает увеличивающаяся сила сброса. На правом рисунке показано увеличение зажима. [13]

Изготовление МЭМС развилось из технологического процесса изготовления полупроводниковых приборов , т.е. основными методами являются осаждение слоев материала, формирование рисунка с помощью фотолитографии и травление для получения требуемых форм. [14]

Кремний
Кремний — это материал, используемый для создания большинства интегральных схем, используемых в потребительской электронике в современной промышленности. Экономия масштаба , доступность недорогих высококачественных материалов и возможность внедрения электронных функций делают кремний привлекательным для широкого спектра приложений MEMS. Кремний также имеет значительные преимущества, обусловленные его материальными свойствами. В форме монокристалла кремний является почти идеальным материалом Хука , что означает, что при его изгибе практически отсутствует гистерезис и, следовательно, почти отсутствует рассеивание энергии. Помимо обеспечения высокоповторяемого движения, это также делает кремний очень надежным, поскольку он испытывает очень малую усталость и может иметь срок службы в диапазоне от миллиардов до триллионов циклов без поломки. Полупроводниковые наноструктуры на основе кремния приобретают все большее значение в области микроэлектроники и MEMS в частности. Кремниевые нанопровода , изготовленные путем термического окисления кремния, представляют дополнительный интерес для электрохимического преобразования и хранения, включая нанопроволочные батареи и фотоэлектрические системы.
Полимеры
Несмотря на то, что электронная промышленность обеспечивает экономию масштаба для кремниевой промышленности, кристаллический кремний по-прежнему является сложным и относительно дорогим материалом для производства. Полимеры, с другой стороны, могут производиться в огромных объемах с большим разнообразием характеристик материала. Устройства MEMS могут быть изготовлены из полимеров с помощью таких процессов, как литье под давлением , тиснение или стереолитография , и особенно хорошо подходят для микрофлюидных приложений, таких как одноразовые картриджи для анализа крови.
Металлы
Металлы также могут использоваться для создания элементов MEMS. Хотя металлы не обладают некоторыми преимуществами, которые демонстрирует кремний с точки зрения механических свойств, при использовании в рамках своих ограничений металлы могут демонстрировать очень высокую степень надежности. Металлы могут быть нанесены гальваническим способом, испарением и распылением. Обычно используемые металлы включают золото, никель, алюминий, медь, хром, титан, вольфрам, платину и серебро.
Керамика
Нитриды кремния, алюминия и титана, а также карбид кремния и другие виды керамики все чаще применяются в производстве MEMS благодаря выгодным сочетаниям свойств материалов. AlN кристаллизуется в структуре вюрцита и , таким образом, проявляет пироэлектрические и пьезоэлектрические свойства, что позволяет использовать датчики, например, с чувствительностью к нормальным и сдвиговым силам. [15] TiN , с другой стороны, проявляет высокую электропроводность и большой модуль упругости , что позволяет реализовать электростатические схемы приведения в действие MEMS с помощью сверхтонких балок. Более того, высокая устойчивость TiN к биокоррозии позволяет использовать этот материал в биогенных средах. На рисунке показана электронно-микроскопическая фотография биосенсора MEMS с тонкой гибкой балкой TiN толщиной 50 нм над заземляющей пластиной TiN. Оба могут управляться как противоположные электроды конденсатора, поскольку балка закреплена в электрически изолирующих боковых стенках. Когда жидкость находится в полости, ее вязкость можно определить путем изгиба балки за счет электрического притяжения к заземляющей пластине и измерения скорости изгиба. [13]

Основные процессы

Процессы осаждения

Одним из основных строительных блоков в обработке MEMS является возможность осаждения тонких пленок материала толщиной от одного микрометра до примерно 100 микрометров. Процесс NEMS тот же самый, хотя измерение осаждения пленки варьируется от нескольких нанометров до одного микрометра. Существует два типа процессов осаждения, как указано ниже.

Физическое осаждение

Физическое осаждение из паровой фазы («PVD») представляет собой процесс, в котором материал удаляется с мишени и осаждается на поверхность. Методы, позволяющие это сделать, включают процесс распыления , в котором ионный луч освобождает атомы из мишени, позволяя им перемещаться через промежуточное пространство и осаждаться на желаемой подложке, и испарение , в котором материал испаряется с мишени с использованием либо тепла (термическое испарение), либо электронного пучка (электронно-лучевое испарение) в вакуумной системе.

Химическое осаждение

Методы химического осаждения включают химическое осаждение из паровой фазы (CVD), при котором поток исходного газа реагирует на подложке, чтобы вырастить желаемый материал. Это может быть далее разделено на категории в зависимости от деталей техники, например, LPCVD (химическое осаждение из паровой фазы низкого давления) и PECVD ( химическое осаждение из паровой фазы с плазменным усилением ). Оксидные пленки также могут быть выращены методом термического окисления , при котором (обычно кремниевая) пластина подвергается воздействию кислорода и/или пара, чтобы вырастить тонкий поверхностный слой диоксида кремния .

Узоры

Паттернирование — это перенос рисунка на материал.

Литография

Литография в контексте MEMS обычно представляет собой перенос рисунка на светочувствительный материал путем выборочного воздействия источника излучения, например света. Светочувствительный материал — это материал, который испытывает изменение своих физических свойств при воздействии источника излучения. Если светочувствительный материал выборочно подвергается воздействию излучения (например, путем маскирования части излучения), рисунок излучения на материале переносится на экспонированный материал, поскольку свойства экспонированных и неэкспонированных областей различаются.

Эту открытую область затем можно удалить или обработать, обеспечив маску для нижележащей подложки. Фотолитография обычно используется с металлическим или другим осаждением тонкой пленки, мокрым и сухим травлением. Иногда фотолитография используется для создания структуры без какого-либо пост-травления. Одним из примеров является линза на основе SU8, где генерируются квадратные блоки на основе SU8. Затем фоторезист расплавляется, образуя полусферу, которая действует как линза.

Электронно-лучевая литография (часто сокращенно электронно-лучевая литография) — это практика сканирования пучка электронов в узорчатой ​​форме по поверхности, покрытой пленкой (называемой резистом ) , [16] («экспонирование» резиста) и выборочного удаления либо экспонированных, либо неэкспонированных областей резиста («проявление»). Цель, как и в случае с фотолитографией , состоит в том, чтобы создать очень маленькие структуры в резисте, которые впоследствии могут быть перенесены на материал подложки, часто путем травления. Она была разработана для производства интегральных схем , а также используется для создания нанотехнологических архитектур. Основное преимущество электронно-лучевой литографии заключается в том, что это один из способов преодолеть дифракционный предел света и создать элементы в нанометровом диапазоне. Эта форма безмасочной литографии нашла широкое применение в изготовлении фотошаблонов , используемых в фотолитографии , мелкосерийном производстве полупроводниковых компонентов, а также в исследованиях и разработках. Основным ограничением электронно-лучевой литографии является пропускная способность, т. е. очень длительное время, необходимое для экспонирования всей кремниевой пластины или стеклянной подложки. Длительное время экспонирования делает пользователя уязвимым к дрейфу луча или нестабильности, которые могут возникнуть во время экспонирования. Кроме того, время оборота для повторной обработки или перепроектирования увеличивается без необходимости, если шаблон не меняется во второй раз.

Известно, что литография с фокусированным ионным пучком способна записывать чрезвычайно тонкие линии (достигается линия и пробел менее 50 нм) без эффекта близости. [17] Однако, поскольку поле записи в ионно-лучевой литографии довольно мало, необходимо создавать рисунки большой площади путем сшивания небольших полей.

Технология ионных треков — это инструмент для глубокой резки с пределом разрешения около 8 нм, применимый к радиационно-стойким минералам, стеклам и полимерам. Он способен создавать отверстия в тонких пленках без какого-либо процесса проявления. Глубина структуры может быть определена либо по ионному диапазону, либо по толщине материала. Могут быть достигнуты соотношения сторон до нескольких 10 4 . Эта технология позволяет формировать и текстурировать материалы под определенным углом наклона. Могут быть созданы случайный рисунок, структуры с одиночными ионными треками и направленный рисунок, состоящий из отдельных одиночных треков.

Рентгеновская литография — это процесс, используемый в электронной промышленности для выборочного удаления частей тонкой пленки. Он использует рентгеновские лучи для переноса геометрического рисунка с маски на светочувствительный химический фоторезист, или просто «резист», на подложке. Затем серия химических обработок гравирует полученный рисунок на материале под фоторезистом.

Алмазное моделирование — это метод формирования алмазных МЭМС. Это достигается путем литографического нанесения алмазных пленок на подложку, например, кремний. Модели могут быть сформированы путем селективного осаждения через маску из диоксида кремния или осаждением с последующей микрообработкой или фрезерованием сфокусированным ионным пучком . [18]

Процессы травления

Существует две основные категории процессов травления: влажное травление и сухое травление . В первом случае материал растворяется при погружении в химический раствор. Во втором случае материал распыляется или растворяется с использованием реактивных ионов или травителя в паровой фазе. [19] [20]

Мокрое травление

Мокрое химическое травление заключается в избирательном удалении материала путем погружения подложки в раствор, который ее растворяет. Химическая природа этого процесса травления обеспечивает хорошую селективность, что означает, что скорость травления целевого материала значительно выше, чем у материала маски, если ее тщательно выбрать. Мокрое травление можно выполнять с использованием как изотропных, так и анизотропных влажных травителей. Изотропные влажные травители травят во всех направлениях кристаллического кремния примерно с одинаковой скоростью. Анизотропные влажные травители предпочтительно травят вдоль определенных кристаллических плоскостей с большей скоростью, чем другие плоскости, тем самым позволяя реализовывать более сложные трехмерные микроструктуры. Мокрое анизотропные травители часто используются в сочетании с борными ограничителями травления, при этом поверхность кремния сильно легирована бором, что приводит к образованию слоя кремниевого материала, устойчивого к влажным травителям. Например, это использовалось при производстве датчиков давления MEWS.

Травление происходит с одинаковой скоростью во всех направлениях. Длинные и узкие отверстия в маске дадут V-образные канавки в кремнии. Поверхность этих канавок может быть атомарно гладкой, если травление проведено правильно, а размеры и углы будут чрезвычайно точными.

Некоторые монокристаллические материалы, такие как кремний, будут иметь разные скорости травления в зависимости от кристаллографической ориентации подложки. Это известно как анизотропное травление, и одним из наиболее распространенных примеров является травление кремния в KOH (гидроксид калия), где плоскости Si <111> травятся примерно в 100 раз медленнее, чем другие плоскости ( кристаллографические ориентации ). Поэтому травление прямоугольного отверстия в пластине (100)-Si приводит к образованию пирамидальной ямки травления со стенками 54,7°, а не отверстия с изогнутыми боковыми стенками, как при изотропном травлении.

Плавиковая кислота обычно используется в качестве водного травителя для диоксида кремния ( SiO
2, также известный как BOX для SOI), обычно в 49% концентрированной форме, 5:1, 10:1 или 20:1 BOE ( буферизованный оксидный травитель ) или BHF (буферизованная HF). Впервые они были использованы в средние века для травления стекла. Он использовался в производстве ИС для формирования рисунка оксида затвора, пока этот этап процесса не был заменен на RIE. Плавиковая кислота считается одной из самых опасных кислот в чистых помещениях .

Электрохимическое травление (ECE) для селективного удаления легирующих примесей из кремния является распространенным методом автоматизации и селективного управления травлением. Требуется активный p–n- диодный переход, и любой тип легирующей примеси может быть устойчивым к травлению («etch-stop») материалом. Бор является наиболее распространенным легирующим примесью, останавливающим травление. В сочетании с влажным анизотропным травлением, как описано выше, ECE успешно используется для управления толщиной кремниевой диафрагмы в коммерческих пьезорезистивных кремниевых датчиках давления. Селективно легированные области могут быть созданы либо путем имплантации, диффузии, либо эпитаксиальным осаждением кремния.

Сухое травление

Дифторид ксенона ( XeF
2) представляет собой сухое паровое изотропное травление кремния, первоначально примененное для МЭМС в 1995 году в Калифорнийском университете в Лос-Анджелесе. [21] [22] В основном используется для высвобождения металлических и диэлектрических структур путем подрезания кремния, XeF
2имеет преимущество в виде безлипкого отделения в отличие от влажных травителей. Его селективность травления к кремнию очень высока, что позволяет работать с фоторезистом, SiO
2, нитрид кремния и различные металлы для маскировки. Его реакция на кремний является «безплазменной», чисто химической и спонтанной и часто работает в импульсном режиме. Модели травления доступны [23] , а университетские лаборатории и различные коммерческие инструменты предлагают решения, использующие этот подход.

Современные процессы VLSI избегают влажного травления и вместо этого используют плазменное травление . Плазменные травители могут работать в нескольких режимах, регулируя параметры плазмы. Обычное плазменное травление работает в диапазоне от 0,1 до 5 Торр. (Эта единица давления, обычно используемая в вакуумной технике, равна приблизительно 133,3 паскаля.) Плазма производит энергичные свободные радикалы, нейтрально заряженные, которые реагируют на поверхности пластины. Поскольку нейтральные частицы атакуют пластину со всех углов, этот процесс является изотропным. Плазменное травление может быть изотропным, т. е. демонстрирующим скорость бокового подрезания на узорчатой ​​поверхности примерно такую ​​же, как и скорость его нисходящего травления, или может быть анизотропным, т. е. демонстрирующим меньшую скорость бокового подрезания, чем скорость его нисходящего травления. Такая анизотропия максимизируется при глубоком реактивном ионном травлении. Использование термина «анизотропия» для плазменного травления не следует путать с использованием того же термина применительно к травлению, зависящему от ориентации. Исходный газ для плазмы обычно содержит небольшие молекулы, богатые хлором или фтором. Например, четыреххлористый углерод ( CCl 4 ) травит кремний и алюминий, а трифторметан травит диоксид кремния и нитрид кремния. Плазма, содержащая кислород, используется для окисления («золы») фоторезиста и облегчения его удаления.

Ионное травление, или травление распылением , использует более низкие давления, часто всего лишь 10−4 Торр  (10 мПа). Он бомбардирует пластину энергичными ионами благородных газов, часто Ar+, которые выбивают атомы из подложки, передавая импульс. Поскольку травление выполняется ионами, которые приближаются к пластине примерно с одного направления, этот процесс является высокоанизотропным. С другой стороны, он имеет тенденцию демонстрировать плохую селективность. Реактивное ионное травление (RIE) работает в условиях, промежуточных между распылением и плазменным травлением (между 10−3 и 10−1 Торр  ). Глубокое реактивное ионное травление (DRIE) модифицирует технику RIE для получения глубоких, узких элементов. [ необходима цитата ]

При реактивно-ионном травлении (RIE) подложка помещается внутрь реактора, и вводится несколько газов. Плазма зажигается в газовой смеси с помощью источника радиочастотной энергии, который разбивает молекулы газа на ионы. Ионы ускоряются по направлению к поверхности материала, подвергаемого травлению, и реагируют с ней, образуя другой газообразный материал. Это известно как химическая часть реактивного ионного травления. Существует также физическая часть, которая похожа на процесс распыления. Если ионы имеют достаточно высокую энергию, они могут выбивать атомы из материала, подлежащего травлению, без химической реакции. Разработка процессов сухого травления, которые уравновешивают химическое и физическое травление, является очень сложной задачей, поскольку необходимо регулировать множество параметров. Изменяя баланс, можно влиять на анизотропию травления, поскольку химическая часть изотропна, а физическая часть высокоанизотропна, комбинация может образовывать боковые стенки, которые имеют формы от округлых до вертикальных.

Глубокое реактивное ионное травление (DRIE) — это особый подкласс RIE, популярность которого растет. В этом процессе достигаются глубины травления в сотни микрометров с почти вертикальными боковыми стенками. Основная технология основана на так называемом «процессе Bosch» [24] , названном в честь немецкой компании Robert Bosch, которая подала оригинальный патент, где в реакторе чередуются два разных газовых состава. В настоящее время существует две вариации DRIE. Первая вариация состоит из трех отдельных этапов (исходный процесс Bosch), тогда как вторая вариация состоит только из двух этапов.

В первом варианте цикл травления выглядит следующим образом:

(я) СФ
6изотропное травление;
(ii) С
4Ф
8пассивация;
(iii) СФ
6анизотропное травление для чистки полов.

Во 2-м варианте шаги (i) и (iii) объединены.

Оба варианта работают одинаково. C
4Ф
8создает полимер на поверхности подложки, а второй газовый состав ( SF
6и О
2) травит подложку. Полимер немедленно распыляется физической частью травления, но только на горизонтальных поверхностях, а не на боковых стенках. Поскольку полимер растворяется очень медленно в химической части травления, он накапливается на боковых стенках и защищает их от травления. В результате можно достичь соотношения сторон травления 50 к 1. Процесс можно легко использовать для полного травления кремниевой подложки, а скорости травления в 3–6 раз выше, чем при влажном травлении.

После подготовки большого количества устройств MEMS на кремниевой пластине необходимо разделить отдельные кристаллы , что в полупроводниковой технологии называется подготовкой кристаллов . Для некоторых приложений разделению предшествует шлифовка пластины с целью уменьшения ее толщины. Затем нарезка пластин может выполняться либо путем распиливания с использованием охлаждающей жидкости, либо методом сухого лазера, называемым скрытой нарезкой кристаллов .

Технологии производства

Объемная микрообработка является старейшей парадигмой МЭМС на основе кремния. Вся толщина кремниевой пластины используется для создания микромеханических структур. [20] Кремний обрабатывается с использованием различных процессов травления. Объемная микрообработка сыграла важную роль в создании высокопроизводительных датчиков давления и акселерометров , которые изменили индустрию датчиков в 1980-х и 1990-х годах.

Поверхностная микрообработка использует слои, нанесенные на поверхность подложки в качестве структурных материалов, а не саму подложку. [25] Поверхностная микрообработка была создана в конце 1980-х годов, чтобы сделать микрообработку кремния более совместимой с технологией планарных интегральных схем, с целью объединения MEMS и интегральных схем на одной кремниевой пластине. Первоначальная концепция поверхностной микрообработки была основана на тонких поликристаллических слоях кремния, сформированных в виде подвижных механических структур и освобожденных путем жертвенного травления нижележащего оксидного слоя. Встречно-штыревые гребенчатые электроды использовались для создания сил в плоскости и для емкостного обнаружения движения в плоскости. Эта парадигма MEMS позволила производить недорогие акселерометры , например, для автомобильных систем подушек безопасности и других приложений, где достаточны низкая производительность и/или высокие диапазоны g. Analog Devices была пионером в индустриализации поверхностной микрообработки и реализовала коинтеграцию MEMS и интегральных схем.

Склеивание пластин включает соединение двух или более подложек (обычно одинакового диаметра) друг с другом для формирования композитной структуры. Существует несколько типов процессов склеивания пластин, которые используются в производстве микросистем, включая: прямое или сплавное склеивание пластин, при котором две или более пластины, обычно изготовленные из кремния или другого полупроводникового материала, склеиваются вместе; анодное склеивание, при котором легированная бором стеклянная пластина склеивается с полупроводниковой пластиной, обычно кремниевой; термокомпрессионное склеивание, при котором промежуточный тонкопленочный слой материала используется для облегчения склеивания пластин; и эвтектическое склеивание, при котором тонкопленочный слой золота используется для склеивания двух кремниевых пластин. Каждый из этих методов имеет определенное применение в зависимости от обстоятельств. Большинство процессов склеивания пластин основаны на трех основных критериях успешного склеивания: склеиваемые пластины достаточно плоские; поверхности пластин достаточно гладкие; и поверхности пластин достаточно чистые. Самым строгим критерием для соединения пластин обычно является прямое соединение пластин методом сплавления, поскольку даже одна или несколько мелких частиц могут сделать соединение неудачным. Для сравнения, методы соединения пластин, использующие промежуточные слои, часто гораздо более щадящие.

Как объемная, так и поверхностная кремниевая микрообработка используются в промышленном производстве датчиков, струйных сопел и других устройств. Но во многих случаях различие между ними уменьшилось. Новая технология травления, глубокое реактивно-ионное травление , сделала возможным объединение хорошей производительности, типичной для объемной микрообработки, с гребенчатыми структурами и работой в плоскости, типичной для поверхностной микрообработки . В то время как при поверхностной микрообработке обычно толщина структурного слоя составляет 2 мкм, при кремниевой микрообработке HAR толщина может составлять от 10 до 100 мкм. Материалами, обычно используемыми при кремниевой микрообработке HAR, являются толстый поликристаллический кремний, известный как эпи-поли, и пластины кремния на изоляторе (SOI), хотя были созданы также процессы для объемных кремниевых пластин (SCREAM). Для защиты структур MEMS используется соединение второй пластины с помощью стеклянной фритты, анодной связи или сплавной связи. Интегральные схемы обычно не сочетаются с кремниевой микрообработкой HAR.

Приложения

Чип DMD от Texas Instruments для кинопроекции
Измерение механических свойств золотой полосы (шириной ~1 мкм) с использованием МЭМС внутри просвечивающего электронного микроскопа [26]

Некоторые распространенные коммерческие применения МЭМС включают в себя:

Структура отрасли

Согласно отчету Global MEMS/Microsystems Markets and Opportunities, исследовательскому отчету SEMI и Yole Development , мировой рынок микроэлектромеханических систем, включающий такие продукты, как автомобильные подушки безопасности, системы отображения и картриджи для струйной печати, в 2006 году составил 40 миллиардов долларов США, а к 2011 году, по прогнозам, достигнет 72 миллиардов долларов США. [39]

Компании с сильными программами MEMS бывают разных размеров. Более крупные фирмы специализируются на производстве недорогих компонентов в больших объемах или готовых решений для таких конечных рынков, как автомобили, биомедицина и электроника. Более мелкие фирмы обеспечивают ценность в виде инновационных решений и поглощают расходы на индивидуальное изготовление с высокой маржой продаж. Как крупные, так и мелкие компании обычно инвестируют в НИОКР для изучения новой технологии MEMS.

Рынок материалов и оборудования, используемых для производства устройств MEMS, превысил 1 млрд долларов США в мире в 2006 году. Спрос на материалы обусловлен субстратами, составляющими более 70 процентов рынка, упаковочными покрытиями и растущим использованием химико-механической планаризации (CMP). В то время как производство MEMS по-прежнему доминирует на бывшем в употреблении полупроводниковом оборудовании, происходит миграция на линии 200 мм и выбор новых инструментов, включая травление и связывание для определенных приложений MEMS.

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Габриэль К., Джарвис Дж., Триммер В. (1988). Малые машины, большие возможности: отчет о новой области микродинамики: отчет семинара по исследованию микроэлектромеханических систем. Национальный научный фонд (спонсор). AT&T Bell Laboratories.
  2. ^ Waldner JB (2008). Нанокомпьютеры и роевой интеллект . Лондон: ISTE John Wiley & Sons . стр. 205. ISBN  9781848210097.
  3. ^ Angell JB, Terry SC, Barth PW (1983). «Кремниевые микромеханические устройства». Sci. Am. 248 (4): 44–55. Bibcode : 1983SciAm.248d..44A. doi : 10.1038/scientificamerican0483-44.
  4. ^ Nathanson HC, Wickstrom RA (1965). «Резонансный затвор кремниевого поверхностного транзистора с высокой добротностью полосы пропускания». Appl. Phys. Lett. 7 (4): 84–86. Bibcode : 1965ApPhL...7...84N. doi : 10.1063/1.1754323.
  5. ^ Патент США 3614677A, Wilfinger RJ, "Электромеханический монолитный резонатор", выдан в октябре 1971 г., передан International Business Machines Corp. 
  6. ^ Wilfinger RJ, Bardell PH, Chhabra DS (1968). «Резонатор: частотно-селективное устройство, использующее механический резонанс кремниевой подложки». IBM J. Res. Dev. 12 (1): 113–8. doi :10.1147/rd.121.0113.
  7. ^ Бергвельд, Пит (октябрь 1985 г.). «Влияние датчиков на основе МОП-транзисторов» (PDF) . Датчики и приводы . 8 (2): 109–127. Bibcode :1985SeAc....8..109B. doi :10.1016/0250-6874(85)87009-8. ISSN  0250-6874. Архивировано из оригинала (PDF) 2021-04-26 . Получено 2019-10-16 .
  8. ^ Каталог IEEE № 87TH0204-8, Библиотека Конгресса № 87-82657. Перепечатано в «Микромеханика и МЭМС: классические и основополагающие статьи до 1990 года» (ред. У. С. Триммер, ISBN 0-7803-1085-3 ), стр. 231–236. 
  9. ^ "MEMS-транзистор, интегрированный в КМОП". 6 декабря 2011 г.
  10. ^ Beliveau, A.; Spencer, GT; Thomas, KA; Roberson, SL (1999-12-01). «Оценка емкостных акселерометров MEMS». IEEE Design & Test of Computers . 16 (4): 48–56. doi :10.1109/54.808209.
  11. ^ Iannacci, Jacopo (2017-11-01). Введение в MEMS и RF-MEMS: от первых дней микросистем до современных пассивных RF-MEMS. doi :10.1088/978-0-7503-1545-6ch1. ISBN 978-0-7503-1545-6. Получено 2019-08-06 .
  12. ^ "Технология MEMS трансформирует матрицы коммутаторов высокой плотности". evaluationengineering.com . 2019-06-24 . Получено 2019-08-06 .
  13. ^ ab M. Birkholz; K.-E. Ehwald; T. Basmer; et al. (2013). «Определение концентрации глюкозы на частотах ГГц с помощью полностью встроенной биомикроэлектромеханической системы (BioMEMS)». J. Appl. Phys . 113 (24): 244904–244904–8. Bibcode :2013JAP...113x4904B. doi :10.1063/1.4811351. PMC 3977869 . PMID  25332510. 
  14. ^ Ghodssi R, Lin P (2011). Справочник по материалам и процессам MEMS . Springer. ISBN 978-0-387-47316-1.
  15. ^ Полстер Т., Хоффманн М. (2009). «3D-пьезоэлектрические тактильные датчики на основе нитрида алюминия». Procedia Chemistry . 1 (1): 144–7. doi : 10.1016/j.proche.2009.07.036 .
  16. ^ McCord MA, Rooks MJ (1997). "Электронно-лучевая литография". В Choudhury PR (ред.). Справочник по микролитографии, микрообработке и микропроизводству. Том 1: Микролитография . Том 1. Лондон: SPIE . doi :10.1117/3.2265070.ch2. ISBN 978-0-8194-9786-4. Архивировано из оригинала 2019-08-19 . Получено 2011-01-28 .
  17. ^ Ши, Сяоцин; Боден, Стюарт А. (2016). "17. Сканирующая гелиевая ионно-лучевая литография". В Робинсон, Алекс; Лоусон, Ричард (ред.). Frontiers of Nanoscience . Том 11. Elsevier. стр. 563–594. doi :10.1016/B978-0-08-100354-1.00017-X. ISBN 978-0-08-100354-1.
  18. ^ Маду МДж (2011). От МЭМС к био-МЭМС и био-НЭМС: производственные технологии и приложения . Основы микропроизводства и нанотехнологий. Том 3. CRC Press. стр. 252. ISBN 978-1-4398-9524-5.
  19. ^ Williams KR, Muller RS ​​(1996). "Скорости травления для микрообработки" (PDF) . Journal of Microelectromechanical Systems . 5 (4): 256–269. CiteSeerX 10.1.1.120.3130 . doi :10.1109/84.546406. Архивировано из оригинала (PDF) 2017-08-09 . Получено 2017-10-26 . 
  20. ^ ab Kovacs GT, Maluf NI, Petersen KE (1998). "Bulk micromachining of silicon" (PDF) . Proc. IEEE . 86 (8): 1536–51. doi :10.1109/5.704259. Архивировано из оригинала (PDF) 27 октября 2017 г.
  21. ^ Chang FI, Yeh R, Lin G и др. (1995). «Газофазная кремниевая микрообработка с дифторидом ксенона». В Bailey W, Motamedi ME, Luo FC (ред.). Microelectronic Structures and Microelectromechanical Devices for Optical Processing and Multimedia Applications . Vol. 2641. Austin, TX: SPIE . p. 117. doi :10.1117/12.220933. S2CID  39522253.
  22. ^ Чанг, Флой Ай-Джунг (1995). Травление кремния дифторидом ксенона для МЭМС (МС). Лос-Анджелес: Калифорнийский университет. OCLC  34531873.
  23. ^ Brazzle JD, Dokmeci MR, Mastrangelo CH (2004). "Моделирование и характеристика травления жертвенного поликремния с использованием паровой фазы дифторида ксенона". 17-я Международная конференция IEEE по микроэлектромеханическим системам. Maastricht MEMS 2004 Technical Digest . IEEE . стр. 737–740. doi :10.1109/MEMS.2004.1290690. ISBN 978-0-7803-8265-7. S2CID  40417914.
  24. ^ Laermer F, Urban A (2005). "Milestones in deep reactive ion etching". 13-я Международная конференция по твердотельным датчикам, приводам и микросистемам, 2005. Сборник технических статей. TRANSDUCERS '05 . Том 2. IEEE . С. 1118–21. doi :10.1109/SENSOR.2005.1497272. ISBN 978-0-7803-8994-6. S2CID  28068644.
  25. ^ Бустилло Дж. М., Хоу РТ, Мюллер РС (1998). «Микрообработка поверхности для микроэлектромеханических систем» (PDF) . Proc. IEEE . 86 (8): 1552–74. CiteSeerX 10.1.1.120.4059 . doi :10.1109/5.704260. 
  26. ^ Hosseinian E, Pierron ON (2013). "Количественное испытание усталости при растяжении in situ в просвечивающем электронном микроскопе нанокристаллических металлических сверхтонких пленках". Nanoscale . 5 (24): 12532–41. Bibcode : 2013Nanos...512532H. doi : 10.1039/C3NR04035F. PMID  24173603. S2CID  17970529.
  27. ^ Acar C, Shkel AM (2008). Вибрационные гироскопы MEMS: структурные подходы к повышению надежности. Springer . стр. 111. ISBN 978-0-387-09536-3.
  28. ^ Джонсон RC (2007). «MEMS — это больше, чем iPhone». EE Times . Получено 14 июня 2019 г.
  29. ^ Кларк П. (2016). «Появляется рынок интеллектуальных микрофонов MEMS». EE News Analog . Получено 14 июня 2019 г.
  30. ^ "DS3231m RTC" (PDF) . DS3231m RTC Datasheet . Maxim Inc. 2015 . Получено 26 марта 2019 .
  31. ^ «Внедрение лазерного сканирования-MEMS-проекции в автомобильные проекционные дисплеи» (PDF) . Renesas Electronics Corporation.
  32. ^ "Maradin - Projecting the Future". Maradin Ltd. Получено 29.06.2024 .
  33. ^ "MEMS-реле преодолевают ограничения мощности". 22 октября 2019 г.
  34. ^ Ван, Ли-Фэн; Хуан, Цин-Ань; Хан, Лэй (2018). "РЧ МЭМС-переключатель". Микроэлектромеханические системы . Микро/нанотехнологии. стр. 1039–76. doi :10.1007/978-981-10-5945-2_34. ISBN 978-981-10-5944-5.
  35. ^ Луизос LA, Атанасопулос PG, Варти K (2012). «Микроэлектромеханические системы и нанотехнологии. Платформа для следующей технологической эры стентов». Vasc. Endovasc. Surg. 46 (8): 605–9. doi :10.1177/1538574412462637. PMID  23047818. S2CID  27563384.
  36. ^ Хаджати А, Ким СГ (2011). "Сверхширокополосный пьезоэлектрический сбор энергии". Appl. Phys. Lett. 99 (8): 083105. Bibcode :2011ApPhL..99h3105H. doi :10.1063/1.3629551. hdl : 1721.1/75264 . S2CID  85547220.
  37. ^ Хаджати А (2012). "Трехмерная микроэлектромеханическая система пьезоэлектрического ультразвукового преобразователя". Appl. Phys. Lett. 101 (25): 253101. Bibcode :2012ApPhL.101y3101H. doi :10.1063/1.4772469. S2CID  46718269.
  38. ^ Хаджати А (2013). «Монолитные ультразвуковые интегральные схемы на основе микромашинных полуэллипсоидальных пьезоэлектрических куполов». Appl. Phys. Lett. 103 (20): 202906. Bibcode : 2013ApPhL.103t2906H. doi : 10.1063/1.4831988.
  39. ^ "Прогнозируется, что к 2011 году мировой рынок систем MEMS достигнет 72 миллиардов долларов". AZoNano . 2007 . Получено 5 октября 2015 .

Дальнейшее чтение

Внешние ссылки

На Викискладе есть медиафайлы по теме МЭМС .