5 Microfabricação em Superfície I 1
5 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. 2
Conceito básico da Microfabricação em Superfície : SiO 2 SiO 2 Si-Poli 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. 4
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 SiO 2 (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 : : 5
Micromáquinas, SANDIA Lab. Estado da Arte : Aplicações dos MEMS 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 6 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 7
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 8
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. 9
Exemplo : micromotor 10
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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 15
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 16
Remoção da camada sacrificial 17
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Resultado experimental Cantilevers e Pontes auto-sustentadas de SiC com camada sacrificial de SiO x N y 20
Resultado experimental Remoção da camada sacrificial 21
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 22
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Resultado experimental 25
Crescimento conforme e rugosidade superficial 26
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, (1995) pp. 175 80 27
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 28
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Microestruturas Mecânicas Passivas Introduction Dobradiças 30 Voltar
Trabalho 2 níveis : Atuadores eletrostáticos tipo Comb drive 31
Exemplo : micromotor 32
Trabalho 9 (1)???... (2)????... (3)??? 33
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Processo básico de Microfabricação em Superfície : 37
Estrutura básica fabricada em Superfície : 38