Sistemas micro electromecánicos

Propuesta presentada a DARPA en 1986 introduciendo el término "sistemas microelectromecánicos"

Microcántilador MEMS resonando dentro de un microscopio electrónico de escaneo

Sistemas microelectromecánicos (MEMS), también escritos como sistemas microelectromecánicos (o sistemas microelectrónicos y microelectromecánicos) y los < La b>micromecatrónica y los microsistemas constituyen la tecnología de los dispositivos microscópicos, en particular aquellos con partes móviles. Se fusionan a nanoescala en sistemas nanoelectromecánicos (NEMS) y nanotecnología. Los MEMS también se denominan micromáquinas en Japón y tecnología de microsistemas (MST) en Europa.

Los MEMS están formados por componentes de entre 1 y 100 micrómetros de tamaño (es decir, de 0,001 a 0,1 mm), y los dispositivos MEMS generalmente varían en tamaño de 20 micrómetros a un milímetro (es decir, de 0,02 a 1,0 mm), aunque los componentes están dispuestos en matrices (por ejemplo, dispositivos de microespejos digitales) puede ser más de 1000 mm². Suelen constar de una unidad central que procesa datos (un chip de circuito integrado como un microprocesador) y varios componentes que interactúan con el entorno (como microsensores). Debido a la gran relación entre el área superficial y el volumen de los MEMS, las fuerzas producidas por el electromagnetismo ambiental (p. ej., cargas electrostáticas y momentos magnéticos) y la dinámica de fluidos (p. ej., tensión superficial y viscosidad) son consideraciones de diseño más importantes que con dispositivos mecánicos a mayor escala. La tecnología MEMS se distingue de la nanotecnología molecular o la electrónica molecular en que las dos últimas también deben considerar la química de superficie.

El potencial de las máquinas muy pequeñas se apreció antes de que existiera la tecnología que pudiera fabricarlas (véase, por ejemplo, la famosa conferencia de Richard Feynman de 1959 There's Plenty of Room at the Bottom). Los MEMS se volvieron prácticos una vez que pudieron fabricarse utilizando tecnologías de fabricación de dispositivos semiconductores modificados, normalmente utilizados para fabricar productos electrónicos. Estos incluyen moldeo y enchapado, grabado en húmedo (KOH, TMAH) y grabado en seco (RIE y DRIE), mecanizado por descarga eléctrica (EDM) y otras tecnologías capaces de fabricar dispositivos pequeños.

Historia

Un ejemplo temprano de un dispositivo MEMS es el transistor de puerta resonante, una adaptación del MOSFET, desarrollado por Harvey C. Nathanson en 1965. Otro ejemplo temprano es el resonistor, un resonador monolítico electromecánico patentado por Raymond J. Wilfinger entre 1966 y 1971. Durante la década de 1970 y principios de la de 1980, se desarrollaron varios microsensores MOSFET para medir parámetros físicos, químicos, biológicos y ambientales. El término "MEMS" fue introducido en 1986.

Tipos

Hay dos tipos básicos de tecnología de conmutación MEMS: capacitiva y óhmica. Se desarrolla un interruptor MEMS capacitivo utilizando una placa móvil o un elemento sensor, que cambia la capacitancia. Los interruptores óhmicos están controlados por voladizos controlados electrostáticamente. Los interruptores MEMS óhmicos pueden fallar debido a la fatiga del metal del actuador MEMS (voladizo) y el desgaste de los contactos, ya que los voladizos pueden deformarse con el tiempo.

Materiales para la fabricación de MEMS

La fabricación de MEMS evolucionó a partir de la tecnología de proceso en la fabricación de dispositivos semiconductores, es decir, las técnicas básicas son la deposición de capas de material, el modelado mediante fotolitografía y el grabado para producir las formas requeridas.

Silicona

El silicio es el material utilizado para crear la mayoría de los circuitos integrados que se utilizan en la electrónica de consumo en la industria moderna. Las economías de escala, la disponibilidad inmediata de materiales económicos de alta calidad y la capacidad de incorporar funcionalidad electrónica hacen que el silicio sea atractivo para una amplia variedad de aplicaciones MEMS. El silicio también tiene ventajas significativas engendradas a través de sus propiedades materiales. En forma monocristalina, el silicio es un material de Hooke casi perfecto, lo que significa que cuando se flexiona prácticamente no hay histéresis y, por lo tanto, casi no hay disipación de energía. Además de generar un movimiento altamente repetible, esto también hace que el silicio sea muy confiable, ya que sufre muy poca fatiga y puede tener una vida útil en el rango de miles de millones a billones de ciclos sin romperse. Las nanoestructuras de semiconductores basadas en silicio están ganando cada vez más importancia en el campo de la microelectrónica y MEMS en particular. Los nanocables de silicio, fabricados a través de la oxidación térmica del silicio, son de mayor interés en la conversión y el almacenamiento electroquímicos, incluidas las baterías de nanocables y los sistemas fotovoltaicos.

Polímeros

Aunque la industria electrónica proporciona una economía de escala para la industria del silicio, el silicio cristalino sigue siendo un material complejo y relativamente costoso de producir. Los polímeros, por otro lado, se pueden producir en grandes volúmenes, con una gran variedad de características materiales. Los dispositivos MEMS se pueden fabricar a partir de polímeros mediante procesos como el moldeo por inyección, el grabado en relieve o la estereolitografía y son especialmente adecuados para aplicaciones de microfluidos, como los cartuchos de análisis de sangre desechables.

Metales

Los metales también se pueden usar para crear elementos MEMS. Si bien los metales no tienen algunas de las ventajas que presenta el silicio en términos de propiedades mecánicas, cuando se usan dentro de sus limitaciones, los metales pueden exhibir grados muy altos de confiabilidad. Los metales se pueden depositar mediante procesos de galvanoplastia, evaporación y pulverización catódica. Los metales comúnmente utilizados incluyen oro, níquel, aluminio, cobre, cromo, titanio, tungsteno, platino y plata.

Cerámica

Imágenes de microscopio electrónico del rayo TiN en forma de X sobre la placa del suelo (diferencia de altura 2,5 μm). Debido al clip en el centro, una fuerza de reajuste creciente se desarrolla cuando el haz se dobla hacia abajo. La figura correcta muestra una ampliación del clip.

Los nitruros de silicio, aluminio y titanio, así como el carburo de silicio y otras cerámicas, se aplican cada vez más en la fabricación de MEMS debido a las combinaciones ventajosas de las propiedades de los materiales. AlN cristaliza en la estructura de wurtzita y, por lo tanto, muestra propiedades piroeléctricas y piezoeléctricas que permiten a los sensores, por ejemplo, ser sensibles a las fuerzas normales y de corte. TiN, por otro lado, exhibe una alta conductividad eléctrica y un gran módulo elástico, lo que hace posible implementar esquemas de actuación de MEMS electrostáticos con haces ultrafinos. Además, la alta resistencia de TiN contra la biocorrosión califica el material para aplicaciones en ambientes biogénicos. La figura muestra una imagen de microscopía electrónica de un biosensor MEMS con un haz de TiN flexible delgado de 50 nm sobre una placa de tierra de TiN. Ambos pueden ser accionados como electrodos opuestos de un condensador, ya que el haz está fijado en paredes laterales eléctricamente aislantes. Cuando un fluido está suspendido en la cavidad, su viscosidad puede derivarse de la flexión del haz por atracción eléctrica a la placa de tierra y la medición de la velocidad de flexión.

Procesos básicos de MEMS

Procesos de depósito

Uno de los componentes básicos del procesamiento MEMS es la capacidad de depositar películas delgadas de material con un grosor que oscila entre un micrómetro y unos 100 micrómetros. El proceso NEMS es el mismo, aunque la medición de la deposición de la película varía desde unos pocos nanómetros hasta un micrómetro. Hay dos tipos de procesos de deposición, como sigue.

Deposición física

La deposición física de vapor ("PVD") consiste en un proceso en el que se extrae un material de un objetivo y se deposita sobre una superficie. Las técnicas para hacer esto incluyen el proceso de pulverización catódica, en el que un haz de iones libera átomos de un objetivo, lo que les permite moverse a través del espacio intermedio y depositarse en el sustrato deseado, y la evaporación, en la que se evapora un material de un objetivo utilizando calor (evaporación térmica) o un haz de electrones (evaporación por haz de electrones) en un sistema de vacío.

Deposición química

Las técnicas de deposición química incluyen la deposición de vapor químico (CVD), en la que una corriente de gas de origen reacciona sobre el sustrato para hacer crecer el material deseado. Esto se puede dividir en categorías según los detalles de la técnica, por ejemplo, LPCVD (deposición química de vapor a baja presión) y PECVD (deposición química de vapor mejorada con plasma).

Las películas de óxido también se pueden cultivar mediante la técnica de oxidación térmica, en la que la oblea (normalmente de silicio) se expone al oxígeno y/o al vapor, para hacer crecer una fina capa superficial de dióxido de silicio.

Patrón

La creación de patrones en MEMS es la transferencia de un patrón a un material.

Litografía

La litografía en el contexto de MEMS suele ser la transferencia de un patrón a un material fotosensible mediante la exposición selectiva a una fuente de radiación como la luz. Un material fotosensible es un material que experimenta un cambio en sus propiedades físicas cuando se expone a una fuente de radiación. Si un material fotosensible se expone selectivamente a la radiación (por ejemplo, enmascarando parte de la radiación), el patrón de radiación del material se transfiere al material expuesto, ya que las propiedades de las regiones expuestas y no expuestas difieren.

Esta región expuesta luego se puede quitar o tratar proporcionando una máscara para el sustrato subyacente. La fotolitografía se usa típicamente con metal u otra deposición de película delgada, grabado húmedo y seco. A veces, la fotolitografía se utiliza para crear estructuras sin ningún tipo de grabado posterior. Un ejemplo es la lente basada en SU8 donde se generan bloques cuadrados basados en SU8. Luego, la fotoprotección se funde para formar una semiesfera que actúa como una lente.

Litografía por haz de electrones

La litografía por haz de electrones (a menudo abreviada como litografía por haz de electrones) es la práctica de escanear un haz de electrones siguiendo un patrón a través de una superficie cubierta con una película (llamada resistencia), ("exponer" la resistencia) y de eliminar selectivamente las regiones expuestas o no expuestas de la resistencia ("revelado"). El propósito, al igual que con la fotolitografía, es crear estructuras muy pequeñas en el protector que luego se pueden transferir al material del sustrato, a menudo mediante grabado. Fue desarrollado para fabricar circuitos integrados y también se utiliza para crear arquitecturas de nanotecnología.

La principal ventaja de la litografía por haz de electrones es que es una de las formas de superar el límite de difracción de la luz y crear características en el rango de nanómetros. Esta forma de litografía sin máscara ha encontrado un amplio uso en la fabricación de fotomáscaras utilizadas en fotolitografía, producción de bajo volumen de componentes semiconductores e investigación & desarrollo.

La principal limitación de la litografía por haz de electrones es el rendimiento, es decir, el largo tiempo que lleva exponer una oblea de silicio o un sustrato de vidrio completo. Un tiempo de exposición prolongado deja al usuario vulnerable a la deriva o inestabilidad del haz que puede ocurrir durante la exposición. Además, el tiempo de respuesta para volver a trabajar o rediseñar se alarga innecesariamente si el patrón no se cambia la segunda vez.

Litografía por haz de iones

Se sabe que la litografía de haz de iones enfocados tiene la capacidad de escribir líneas extremadamente finas (se ha logrado menos de 50 nm de línea y espacio) sin efecto de proximidad. Sin embargo, debido a que el campo de escritura en la litografía por haz de iones es bastante pequeño, se deben crear patrones de área grande uniendo los campos pequeños.

Tecnología de seguimiento de iones

La tecnología de seguimiento de iones es una herramienta de corte profundo con un límite de resolución de alrededor de 8 nm aplicable a minerales, vidrios y polímeros resistentes a la radiación. Es capaz de generar agujeros en películas delgadas sin ningún proceso de revelado. La profundidad estructural se puede definir por el rango de iones o por el grosor del material. Se pueden alcanzar relaciones de aspecto de hasta varios 10⁴. La técnica puede dar forma y texturizar materiales en un ángulo de inclinación definido. Se pueden generar patrones aleatorios, estructuras de pistas de un solo ion y un patrón dirigido que consta de pistas individuales individuales.

Litografía de rayos X

La litografía de rayos X es un proceso utilizado en la industria electrónica para eliminar de forma selectiva partes de una película delgada. Utiliza rayos X para transferir un patrón geométrico de una máscara a un fotorresistente químico sensible a la luz, o simplemente "resistir", en el sustrato. Luego, una serie de tratamientos químicos graba el patrón producido en el material debajo de la fotoprotección.

Estampado de diamantes

Una forma sencilla de tallar o crear patrones en la superficie de los nanodiamantes sin dañarlos podría dar lugar a una nueva generación de dispositivos fotónicos.

El patrón de diamantes es un método para formar MEMS de diamantes. Se logra mediante la aplicación litográfica de películas de diamante a un sustrato como el silicio. Los patrones se pueden formar por deposición selectiva a través de una máscara de dióxido de silicio, o por deposición seguida de micromaquinado o fresado de haz de iones enfocado.

Procesos de grabado

Hay dos categorías básicas de procesos de grabado: grabado en húmedo y grabado en seco. En el primero, el material se disuelve cuando se sumerge en una solución química. En este último, el material se pulveriza o disuelve utilizando iones reactivos o un grabador en fase de vapor.

Grabado húmedo

El grabado químico húmedo consiste en la eliminación selectiva de material sumergiendo un sustrato en una solución que lo disuelve. La naturaleza química de este proceso de grabado proporciona una buena selectividad, lo que significa que la tasa de grabado del material objetivo es considerablemente más alta que la del material de la máscara si se selecciona con cuidado. El grabado húmedo se puede realizar utilizando grabadores húmedos isotrópicos o grabadores húmedos anisotrópicos. El grabador húmedo isotrópico graba en todas las direcciones del silicio cristalino a tasas aproximadamente iguales. Los grabadores húmedos anisotrópicos preferiblemente graban a lo largo de ciertos planos de cristal a velocidades más rápidas que en otros planos, lo que permite implementar microestructuras tridimensionales más complicadas.

Los grabadores anisotrópicos húmedos a menudo se usan junto con los topes de grabado de boro, en los que la superficie del silicio está fuertemente dopada con boro, lo que da como resultado una capa de material de silicio que es resistente a los grabadores húmedos. Esto se ha utilizado en la fabricación de sensores de presión MEWS, por ejemplo.

Grabado isotrópico

El grabado avanza a la misma velocidad en todas las direcciones. Los agujeros largos y angostos en una máscara producirán surcos en forma de V en el silicio. La superficie de estos surcos puede ser atómicamente lisa si el grabado se realiza correctamente, con dimensiones y ángulos extremadamente precisos.

Grabado anisotrópico

Algunos materiales monocristalinos, como el silicio, tendrán diferentes tasas de grabado según la orientación cristalográfica del sustrato. Esto se conoce como grabado anisotrópico y uno de los ejemplos más comunes es el grabado de silicio en KOH (hidróxido de potasio), donde Si <111> los planos graban aproximadamente 100 veces más lento que otros planos (orientaciones cristalográficas). Por lo tanto, grabar un orificio rectangular en una oblea de (100)-Si da como resultado un hoyo de grabado en forma de pirámide con paredes de 54,7°, en lugar de un orificio con paredes laterales curvas como en el grabado isotrópico.

Grabado de alta frecuencia

El ácido fluorhídrico se usa comúnmente como grabador acuoso para el dióxido de silicio (SiO
₂, también conocido como BOX para SOI), generalmente en forma concentrada al 49%, 5:1, 10:1 o 20:1 BOE (grabador de óxido tamponado) o BHF (HF tamponado). Se utilizaron por primera vez en la época medieval para el grabado de vidrio. Se usó en la fabricación de circuitos integrados para modelar el óxido de puerta hasta que el paso del proceso fue reemplazado por RIE.

El ácido fluorhídrico se considera uno de los ácidos más peligrosos en la sala limpia. Penetra en la piel al contacto y se difunde directamente al hueso. Por lo tanto, el daño no se siente hasta que es demasiado tarde.

Grabado electroquímico

El grabado electroquímico (ECE) para la eliminación selectiva de dopantes del silicio es un método común para automatizar y controlar selectivamente el grabado. Se requiere una unión de diodo p-n activa, y cualquier tipo de dopante puede ser el material resistente al grabado ("detención de grabado"). El boro es el dopante de parada de grabado más común. En combinación con el grabado anisotrópico húmedo como se describió anteriormente, ECE se ha utilizado con éxito para controlar el grosor del diafragma de silicio en sensores de presión de silicio piezorresistivos comerciales. Las regiones dopadas selectivamente se pueden crear mediante implantación, difusión o deposición epitaxial de silicio.

Grabado en seco

Grabado con vapor

Difluoruro de xenón

Difluoruro de xenón (XeF
₂) es un grabado isotrópico en fase de vapor seco para silicio aplicado originalmente para MEMS en 1995 en la Universidad de California, Los Ángeles. Se utiliza principalmente para liberar estructuras metálicas y dieléctricas al socavar el silicio, XeF
₂ tiene la ventaja de una liberación sin fricción a diferencia de los grabadores húmedos. Su selectividad de grabado al silicio es muy alta, lo que le permite trabajar con fotoprotector, SiO
₂, nitruro de silicio y varios metales para enmascaramiento Su reacción al silicio es "sin plasma", es puramente química y espontánea y, a menudo, funciona en modo pulsado. Los modelos de la acción de grabado están disponibles, y los laboratorios universitarios y varias herramientas comerciales ofrecen soluciones utilizando este enfoque.

Grabado con plasma

Los procesos VLSI modernos evitan el grabado en húmedo y, en su lugar, utilizan el grabado con plasma. Los grabadores de plasma pueden operar en varios modos ajustando los parámetros del plasma. El grabado con plasma ordinario opera entre 0,1 y 5 Torr. (Esta unidad de presión, comúnmente utilizada en ingeniería de vacío, equivale aproximadamente a 133,3 pascales). El plasma produce radicales libres energéticos, con carga neutra, que reaccionan en la superficie de la oblea. Dado que las partículas neutras atacan la oblea desde todos los ángulos, este proceso es isotrópico.

El grabado con plasma puede ser isotrópico, es decir, exhibir una tasa de socavado lateral en una superficie modelada aproximadamente igual a su tasa de grabado hacia abajo, o puede ser anisotrópica, es decir, exhibir una tasa de socavado lateral más pequeña que su tasa de grabado hacia abajo. Esta anisotropía se maximiza en el grabado profundo con iones reactivos. El uso del término anisotropía para el grabado con plasma no debe confundirse con el uso del mismo término cuando se hace referencia al grabado dependiente de la orientación.

La fuente de gas del plasma suele contener pequeñas moléculas ricas en cloro o flúor. Por ejemplo, el tetracloruro de carbono (CCl₄) graba el silicio y el aluminio, y el trifluorometano graba el dióxido de silicio y el silicio. nitruro. Se utiliza un plasma que contiene oxígeno para oxidar ("ceniza") la fotoprotección y facilitar su eliminación.

La molienda de iones, o grabado por pulverización catódica, utiliza presiones más bajas, a menudo tan bajas como 10−4 Torr (10 mPa). Bombardea la oblea con iones energéticos de gases nobles, a menudo Ar+, que expulsan átomos del sustrato transfiriendo impulso. Debido a que el grabado se realiza mediante iones que se acercan a la oblea aproximadamente desde una dirección, este proceso es altamente anisotrópico. Por otro lado, tiende a mostrar poca selectividad. El grabado con iones reactivos (RIE) funciona en condiciones intermedias entre el grabado por pulverización catódica y el grabado con plasma (entre 10–3 y 10–1 Torr). El grabado profundo con iones reactivos (DRIE) modifica la técnica RIE para producir características estrechas y profundas.

Chisporroteo

Grabado con iones reactivos (RIE)

En el grabado con iones reactivos (RIE), el sustrato se coloca dentro de un reactor y se introducen varios gases. Se golpea un plasma en la mezcla de gas utilizando una fuente de energía de RF, que rompe las moléculas de gas en iones. Los iones aceleran hacia la superficie del material que se está grabando y reaccionan con ella, formando otro material gaseoso. Esto se conoce como la parte química del grabado con iones reactivos. También hay una parte física, que es similar al proceso de deposición por pulverización catódica. Si los iones tienen una energía lo suficientemente alta, pueden eliminar átomos del material para grabarlos sin una reacción química. Es una tarea muy compleja desarrollar procesos de grabado en seco que equilibren el grabado químico y físico, ya que hay muchos parámetros que ajustar. Cambiando el balance es posible influir en la anisotropía del grabado, ya que la parte química es isotrópica y la parte física altamente anisotrópica la combinación puede formar paredes laterales que tienen formas desde redondeadas hasta verticales.

Deep RIE (DRIE) es una subclase especial de RIE que está creciendo en popularidad. En este proceso, se logran profundidades de grabado de cientos de micrómetros con paredes laterales casi verticales. La tecnología principal se basa en el llamado 'proceso Bosch', que lleva el nombre de la empresa alemana Robert Bosch, que presentó la patente original, donde se alternan dos composiciones de gas diferentes en el reactor. Actualmente, hay dos variaciones del DRIE. La primera variación consta de tres pasos distintos (el proceso original de Bosch), mientras que la segunda variación solo consta de dos pasos.

En la primera variación, el ciclo de grabado es el siguiente:

(i) SF
₆ grabado isotrópico;
(ii) C
₄F
₈ pasivación;
(iii) SF
₆ grabado anisotrópico para la limpieza de suelos.

En la segunda variación, se combinan los pasos (i) y (iii).

Ambas variaciones funcionan de manera similar. El C
₄F< br/>₈ crea un polímero en la superficie del sustrato, y la segunda composición de gas (SF
₆ y O
₂) graba el sustrato. El polímero se pulveriza inmediatamente por la parte física del grabado, pero solo en las superficies horizontales y no en las paredes laterales. Dado que el polímero se disuelve muy lentamente en la parte química del grabado, se acumula en las paredes laterales y las protege del grabado. Como resultado, se pueden lograr relaciones de aspecto de grabado de 50 a 1. El proceso se puede usar fácilmente para grabar completamente un sustrato de silicio, y las tasas de grabado son de 3 a 6 veces más altas que el grabado en húmedo.

Preparación de troqueles

Después de preparar una gran cantidad de dispositivos MEMS en una oblea de silicio, se deben separar los troqueles individuales, lo que se denomina preparación de troqueles en la tecnología de semiconductores. Para algunas aplicaciones, la separación está precedida por un rectificado posterior de la oblea para reducir el grosor de la oblea. Luego, el corte en cubitos de obleas se puede realizar mediante aserrado con un líquido refrigerante o un proceso de láser seco llamado corte en cubitos sigiloso.

Tecnologías de fabricación MEMS

Micromecanizado a granel

El micromecanizado a granel es el paradigma más antiguo de MEMS basados en silicio. Todo el espesor de una oblea de silicio se utiliza para construir las estructuras micromecánicas. El silicio se mecaniza mediante varios procesos de grabado. El micromaquinado a granel ha sido esencial para permitir sensores de presión y acelerómetros de alto rendimiento que cambiaron la industria de sensores en los años 80 y 90.

Micromecanizado de superficies

El micromecanizado de superficies utiliza capas depositadas en la superficie de un sustrato como materiales estructurales, en lugar de usar el sustrato en sí. El micromecanizado de superficies se creó a fines de la década de 1980 para hacer que el micromecanizado de silicio fuera más compatible con la tecnología de circuitos integrados planos, con el objetivo de combinar MEMS y circuitos integrados en la misma oblea de silicio. El concepto original de micromecanizado de superficies se basaba en capas delgadas de silicio policristalino modeladas como estructuras mecánicas móviles y liberadas mediante el grabado sacrificatorio de la capa de óxido subyacente. Se utilizaron electrodos de peine interdigitales para producir fuerzas en el plano y para detectar el movimiento en el plano de forma capacitiva. Este paradigma MEMS ha permitido la fabricación de acelerómetros de bajo costo para, p. sistemas de bolsas de aire automotrices y otras aplicaciones donde el bajo rendimiento y/o altos rangos g son suficientes. Analog Devices ha sido pionera en la industrialización del micromecanizado de superficies y se ha dado cuenta de la cointegración de MEMS y circuitos integrados.

Unión de obleas

La unión de obleas consiste en unir dos o más sustratos (que normalmente tienen el mismo diámetro) entre sí para formar una estructura compuesta. Hay varios tipos de procesos de unión de obleas que se utilizan en la fabricación de microsistemas, que incluyen: unión de obleas directa o por fusión, en la que se unen dos o más obleas que generalmente están hechas de silicio o algún otro material semiconductor; unión anódica en la que una oblea de vidrio dopada con boro se une a una oblea semiconductora, normalmente de silicio; unión por termocompresión, en la que se utiliza una capa intermedia de material de película fina para facilitar la unión de las obleas; y unión eutéctica, en la que se usa una capa de oro de película delgada para unir dos obleas de silicio. Cada uno de estos métodos tiene usos específicos dependiendo de las circunstancias. La mayoría de los procesos de unión de obleas se basan en tres criterios básicos para una unión satisfactoria: las obleas que se van a unir son lo suficientemente planas; las superficies de las obleas son suficientemente lisas; y las superficies de la oblea están suficientemente limpias. El criterio más estricto para la unión de obleas suele ser la unión de obleas por fusión directa, ya que incluso una o más partículas pequeñas pueden hacer que la unión no tenga éxito. En comparación, los métodos de unión de obleas que utilizan capas intermedias suelen ser mucho más indulgentes.

Micromecanizado de silicio de alta relación de aspecto (HAR)

El micromecanizado de silicio tanto a granel como superficial se utiliza en la producción industrial de sensores, boquillas de chorro de tinta y otros dispositivos. Pero en muchos casos la distinción entre estos dos ha disminuido. Una nueva tecnología de grabado, el grabado profundo con iones reactivos, ha hecho posible combinar el buen rendimiento típico del micromaquinado a granel con estructuras de peine y la operación en el plano típica del micromaquinado de superficies. Mientras que en el micromecanizado de superficies es común tener un espesor de capa estructural en el rango de 2 µm, en el micromecanizado de silicio HAR el grosor puede ser de 10 a 100 µm. Los materiales comúnmente utilizados en el micromecanizado de silicio HAR son silicio policristalino grueso, conocido como epi-poli, y obleas de silicio sobre aislante (SOI), aunque también se han creado procesos para obleas de silicio a granel (SCREAM). La unión de una segunda oblea mediante unión de frita de vidrio, unión anódica o unión de aleación se usa para proteger las estructuras MEMS. Los circuitos integrados normalmente no se combinan con el micromecanizado de silicio HAR.

Aplicaciones

Un chip DMD de Instrumentos de Texas para proyección cinematográfica

Algunas aplicaciones comerciales comunes de MEMS incluyen:

• Impresoras de inyección de tinta, que utilizan piezoeléctricas o eyección de burbuja térmica para depositar tinta en papel.
• Accelerometers in modern cars for a large number of purposes including airbag deployment and electronic stability control.
• Unidades de medición inerciales (IMU):
  • Acelerómetros MEMS
  • Giroscopios MEMS en helicópteros, aviones y multirrectores controlados a distancia, o autónomos (también conocidos como drones), utilizados para detectar y equilibrar automáticamente las características voladoras del rollo, el lanzamiento y el yaw.
  • El sensor de campo magnético de MEMS (magnetómetro) también puede incorporarse en dichos dispositivos para proporcionar dirección.
  • Sistemas de navegación inercial MEMS (INSs) de automóviles modernos, aviones, submarinos y otros vehículos para detectar yaw, pitch y roll; por ejemplo, el piloto automático de un avión.
• Accelerometers in consumer electronics devices such as game controladors (Nintendo Wii), personal media players / cell phones (virtually all smartphones, various HTC PDA models) and a number of digital cameras (various Canon Digital IXUS models). También se utiliza en PCs para aparcar la cabeza del disco duro cuando se detecta caída libre, para prevenir daños y pérdida de datos.
• Barómetros MEMS
• Micrófonos MEMS en dispositivos portátiles, por ejemplo, teléfonos móviles, auriculares y portátiles. El mercado de micrófonos inteligentes incluye teléfonos inteligentes, dispositivos portátiles, aplicaciones inteligentes para el hogar y automotriz.
• Resonadores compensados por temperatura de precisión en relojes en tiempo real.
• Sensores de presión de silicona, por ejemplo, sensores de presión de neumáticos y sensores de presión arterial desechables
• Pantallas, por ejemplo, el chip digital micromirrortor (DMD) en un proyector basado en la tecnología DLP, que tiene una superficie con varios cientos de miles de micro espejos o micro-escanning-escáneres individuales también llamado microscanners
• Tecnología de conmutación óptica, que se utiliza para cambiar tecnología y alineación para las comunicaciones de datos
• Aplicaciones de Bio-MEMS en tecnologías relacionadas con la salud y la salud incluyendo laboratorio-a-chip, biosensores, químicos, así como componentes integrados de dispositivos médicos, por ejemplo stents.
• Aplicaciones de modulador interferométrico (IMOD) en electrónica de consumo (principalmente pantallas para dispositivos móviles), utilizadas para crear modulación interferométrica − tecnología de visualización reflexiva como se encuentra en las pantallas de mirasol
• Aceleración fluida, como para micro-cooling
• La extracción de energía a microescala incluyendo micro cosechadoras piezoeléctricas, electrostáticas y electromagnéticas.
• Transductores de ultrasonido micromaquinado.
• Altavoces basados en MEMS centrados en aplicaciones como auriculares y audífonos
• osciladores MEMS
• Microscopios de sonda basados en MEMS, incluyendo microscopios de fuerza atómica

Estructura de la industria

El mercado mundial de sistemas microelectromecánicos, que incluye productos como sistemas de bolsas de aire para automóviles, sistemas de visualización y cartuchos de inyección de tinta, ascendió a $40 mil millones en 2006 según Global MEMS/Microsystems Markets and Opportunities, un informe de investigación de SEMI y Yole Development and se pronostica que alcanzará los $72 mil millones para el 2011.

Las empresas con sólidos programas MEMS vienen en muchos tamaños. Las empresas más grandes se especializan en la fabricación de componentes económicos de alto volumen o soluciones empaquetadas para mercados finales como automóviles, biomédica y electrónica. Las empresas más pequeñas brindan valor en soluciones innovadoras y absorben los gastos de fabricación a la medida con altos márgenes de ventas. Tanto las empresas grandes como las pequeñas suelen invertir en I+D para explorar nuevas tecnologías MEMS.

El mercado de materiales y equipos utilizados para fabricar dispositivos MEMS superó los mil millones de dólares en todo el mundo en 2006. La demanda de materiales está impulsada por los sustratos, que representan más del 70 por ciento del mercado, los recubrimientos de empaque y el uso creciente de planarización mecánica química (CMP). Si bien la fabricación de MEMS continúa dominada por equipos de semiconductores usados, hay una migración a líneas de 200 mm y herramientas nuevas seleccionadas, incluido el grabado y la unión para ciertas aplicaciones de MEMS.