Микроэлектромеханические системы (МЭМС или MEMS) стали основной технологией во многих отраслях, и размер данного рынка продолжает расти. МЭМС представляют собой небольшие устройства, в которых используются как механические, так и электронные части. Эти устройства существуют уже несколько десятилетий и с тех пор превратились в многомиллиардную индустрию. Одной из определяющих особенностей МЭМС является то, что это не отдельное устройство или продукт, скорее, концепция МЭМС представляет собой набор технологий изготовления и процессов проектирования, которые позволяют создавать различные миниатюрные системы. Еще одной ключевой особенностью МЭМС является то, что они не являются готовым продуктом, а разрабатываются и настраиваются для их предполагаемого применения. Здесь мы посмотрим, как с помощью разных процессов создаются различные МЭМС.
МЭМС – это комбинация электронных и механических компонентов, которые работают вместе, создавая небольшое интегрированное устройство с определенной функцией. МЭМС бывают разных форм и размеров и могут включать в себя множество различных материалов и компонентов. Чтобы эти системы можно было классифицировать как «микро»-системы, отдельные компоненты МЭМС должны иметь микронный размер. Однако в зависимости от того, сколько компонентов собрано вместе для создания функционального устройства, размеры полного МЭМС-устройства могут варьироваться от нескольких микрометров до устройств размером в миллиметр.
Хотя существует множество конкретных устройств, использующих МЭМС, все МЭМС-устройства содержат некоторую комбинацию механических микроструктур, микросенсоров, микроактюаторов и микроэлектроники, все из которых интегрированы в кремниевые чипы. Внутри этих общих областей компонентов МЭМС-устройство состоит из множества конкретных компонентов, включая рычаги, шестерни, поршни и двигатели, которые придают ему всеобъемлющие свойства. Эти отдельные компоненты изготавливаются из множества различных типов материалов, в зависимости от предполагаемой функции, и обычно включают в себя следующие компоненты:
- Кремний
- Материалы на основе кремния, такие как оксид кремния, нитрид кремния и карбид кремния
- Тонкие металлические пленки
- Полимеры
- Стекло
- Подложки из плавленого кварца
- Алмаз
- Арсенид галлия
- Прочие полупроводниковые соединения групп III-V и сплавы с памятью форм
Комбинация компонентов, возможная с помощью МЭМС, означает, что созданные устройства могут воспринимать, контролировать и активировать на микроуровне, но проявлять эксплуатационные эффекты на макроуровне. Имейте в виду, что макровыход представляет собой сумму отдельных микрокомпонентов, работающих вместе для выполнения определенных функций. Поскольку устройство МЭМС состоит из очень большого количества различных компонентов, область применения МЭМС обширна, но обычно включает в себя различные типы датчиков, исполнительных механизмов и преобразователей в различных технических и научных отраслях.
Благодаря широкому спектру потенциальных материалов и огромному количеству компонентов, которые могут быть интегрированы в устройство МЭМС, существует множество методов изготовления, возможных для создания этих устройств. Вообще говоря, электронные компоненты создаются с использованием методов пакетной обработки интегральных схем, а механические детали изготавливаются с использованием методов микрообработки. Тем не менее, благодаря достижениям в области технологического оборудования и высокоточным методам микрообработки теперь доступен целый ряд передовых технологий изготовления, включая как литографические, так и нелитографические методы.
Методы микрообработки, используемые для создания МЭМС, аналогичны традиционным методам обработки, поскольку они определяют конкретные характеристики материала. Однако между ними есть некоторые различия: микрообработка позволяет одновременно изготавливать тысячи идентичных элементов на одной и той же пластине, а также обрабатывать множество пластин одновременно. Другое главное отличие заключается в том, что методы микрообработки могут создавать в материалах гораздо меньшие элементы, чем традиционные методы обработки – как минимум на порядок меньше.
Что касается обычных и более простых инструментов микрообработки, существует несколько используемых методов. Например, методы эпитаксии, распыления, испарения, химического осаждения из паровой фазы и центрифугирования используются для нанесения тонких слоев полупроводников, металлов, изоляторов и полимеров. С другой стороны, методы литографии используются для печати слоев светочувствительного полимера поверх компонентов МЭМС, чтобы их можно было вытравливать на микроуровне для создания определенных узоров и особенностей. Что касается самого процесса травления, то при производстве МЭМС-устройств используются как мокрые, так и сухие методы травления. Сухое травление более популярно среди электрохимического травления, при этом плазменное травление, глубокое реактивное ионное травление и изотропное влажное травление также используются для выборочного удаления материала.
Есть также ряд передовых методов обработки, которые не требуют методов литографии для создания определенных функций, узоров и геометрии в различных материалах и компонентах МЭМС. Одним из таких методов является сверхточная механическая обработка, которая позволяет измельчать кремний и другие металлы в определенные формы с характеристиками менее одного микрона. Это важный нелитографический метод, поскольку с его помощью можно создавать такие формы, как ретроградные поднутрения с плоскими боковыми стенками, которые невозможны при использовании методов литографии.
Еще одним передовым методом обработки является лазерная обработка, которую можно использовать для создания кремниевых чипов, а также для абляции материала с металлов, керамики и пластика и/или создания в них отверстий. С другой стороны, методы ультразвуковой обработки требуют твердых и хрупких материалов, таких как стекло, керамика и алмаз, при этом используются ультразвуковые волны, тогда как электроэрозионная обработка использует электрические разряды для эрозии небольших кусочков материала, но только для проводящих материалов. Помимо этих методов, существуют и другие менее используемые передовые методы механической обработки и удаления материала, которые создают мелкие детали и узоры, включая микроконтактную печать, литографию наноимпринтов и горячее тиснение.
Помимо методов механической обработки, существует множество других передовых методов изготовления, используемых в конкретных сценариях. Например, методы анодного соединения используются для соединения кремниевых пластин со стеклянными подложками, а прямое соединение кремнием используется для соединения двух кремниевых материалов. Методы золь-гель осаждения используются для покрытия компонентов МЭМС оптическими абсорбционными или преломляющими просветляющими покрытиями. Кроме того, методы гальваники используются для создания тонких металлических слоев, в том числе из золота, меди, никеля и никель-железа.
МЭМС – это признанный набор микромасштабных устройств, которые используются уже много лет. Естественно, как и в случае с любой признанной технологией, для создания устройств MEMS используется ряд производственных процессов. Объем производства и изготовления МЭМС шире, чем у многих других небольших устройств, поскольку существует очень много различных материалов и компонентов, которые используются для их создания и придания им функциональности. Именно эта комбинация различных методов изготовления позволила использовать МЭМС в ряде приложений. По мере того, как методы изготовления становятся более совершенными, а их разрешение становится уже, в устройствах МЭМС создаются все меньшие и меньшие элементы, а также меньшие компоненты.
© digitrode.ru