В микроэлектронике существует весьма интересный раздел, который рассматривает так называемые микросистемные элементы, в качестве которых выступают разнообразные микроустройства, объединённые с системами приёма/передачи/обработки информации.
В этой статье мы рассмотрим методы создания подобных элементов, а также кратко рассмотрим их виды.
Говоря о МЭМС (МикроЭлектроМеханические Системы) элементах, следует отметить их основное отличие от интегральных микросхем — они имеют ярко выраженную трёхмерную структуру.
Тем не менее, для их изготовления применяется весь арсенал тех же самых подходов, который широко распространён и в микроэлектронике: литография, травление, окисление и т. д.
Среди основных технологий создания подобных микросистемных элементов можно назвать технологии обработки с передней стороны, с задней стороны, их комбинации, а также ряд других (LIGA, MUMPS, SUMMiT).
Оправдывая своё название, технология травления с передней стороны заключается в избирательном травлении с лицевой стороны подложки, при этом могут использоваться маскирующие слои.
При травлении с задней стороны подложки на переднюю сторону наносится так называемый стоп-слой, а на заднюю часть подложки — маска, после чего осуществляется травление до стоп-слоя. Получается, что этот слой выступает автоматическим ограничителем глубины травления, и это позволяет использовать его для создания тонких элементов.
Как альтернативу рассмотренному способу применяют способ управляющих отверстий, которые делаются с передней стороны подложки, после чего маскируется задняя часть подложки. Травление идёт с задней части до тех пор пока отверстия, сделанные с передней стороны на нужную глубину, не станут видимыми:
В отличие от первого, второй способ позволяет создавать более толстые элементы.
Что касается способов травления при изготовлении микроструктур, то для этих целей применяется изотропное и анизотропное травление.
Изотропное травление представляет собой такой способ, при котором образуется форма в виде канавки с округлым переходом со стенок на плоскость (грубо говоря, U-образной формы), что означает, что скорость травления одинакова во всех направлениях. В противовес ему, анизотропное отравление позволяет получать канавки с чётким переходом со стенок на плоскость:
При этом в качестве особенности изотропного травления можно назвать тот факт, что ориентация кристаллов в кристаллической решётке не влияет на получающийся профиль травления.
В отличие от изотропного, при анизотропном травлении имеет значение ориентация кристаллов, так как плотность кристаллической решётки является разной в зависимости от плоскости. Скажем, вертикальные плоскости содержат иное количество атомов, чем диагональные. В общем случае можно сказать, что травление осуществляется быстрее в тех направлениях, где меньше атомов.
Кроме того, на скорость травления влияет и ряд иных факторов: температура травителя, его тип, скорость удаления продуктов травления и т. д.
Для травления при изотропном способе используют травители на основе плавиковой и азотной кислоты. При этом скорость травления одинакова во всех направлениях, вне зависимости от расположения атомов кремния.
Для анизотропного травления могут использовать другие травители, например, гидроксид калия (KOH), при этом уже имеет значение расположение атомов в кристаллической решётке, что с учётом точного контроля времени травления позволяет добиваться чётких углов.
С практической точки зрения можно сказать, что помимо U-образного профиля при изотропной обработке и чётких углов при анизотропной, первый способ даёт форму, состоящую как бы из ступенек, так как идёт удаление атомных слоёв одного за другим. Таким способом получить гладкую зеркальную поверхность невозможно, поэтому для этих целей поверхность дополнительно обрабатывается полирующим раствором изотропного типа, который состоит из смеси трёх кислот: азотной, плавиковой, уксусной. При этом сглаживается микрошероховатость поверхности и увеличивается её прочность приблизительно в 3-4 раза.
Говоря об этапах использования, можно в общем случае сказать, что изотропное травление сложнее контролировать, но оно существенно быстрее, поэтому его используют на начальных этапах, чтобы получать грубые формы с округлыми краями (зато это быстро). В дальнейшем они дорабатываются с использованием анизотропного способа, и их форма доводится до нужной, хотя этот способ и медленнее, но гораздо лучше контролируется.
Перечисленные выше способы относятся к технологиям объёмной обработки, и их сильной стороной является возможность применения на финальном этапе изготовления конструкций.
Если требуется создавать объёмные микроструктуры гораздо большей миниатюризации, чем при стандартном подходе (50-100:1, против 6:1), применяется так называемая LIGA-технология (которая представляет собой аббревиатуру от немецких слов «литография, гальваноосаждение, микроформование»).
Суть её заключается в том, что на тонкую пластину, прозрачную для рентгеновского излучения, наносится изображение из тонкого слоя золота, выступающее в качестве негатива. Как при изготовлении фотографий (олды помнят) в прежнее время, когда они делались с использованием химического способа (проявитель, закрепитель). То есть слой золота, там, где он есть, не пропускает рентгеновское излучение.
Далее на подложку, которую планируется облучать, наносится относительно толстый слой фоторезиста (100-1000 мкм).
На следующем шаге эта подложка облучается рентгеновским излучением, где в качестве источника излучения выступает синхротрон, что даёт весьма низкую расходимость пучка (0,006 градуса), благодаря чему можно создавать практически вертикальные стенки без паразитной боковой засветки там, где это не нужно.
В дальнейшем фоторезист проявляется, и на появившуюся на подложке трёхмерную структуру гальваническим способом наносится слой металла, который на следующем этапе снимается с подложки и может быть использован как сам по себе, в качестве готовой детали, так и в качестве штампующей матрицы для серийного производства деталей из термо- или химически-формуемого пластика. То есть кроме возможности создания вертикальных стенок, эта технология даёт возможность использовать в создании микроструктур материалы от металлов до керамики и пластика.
В качестве минусов можно назвать потребность в узкоспециализированном источнике излучения, а также в ручной миниатюрной сборке, что автоматически лишает возможности быстрой серийной штамповки. Кроме того, вопрос применения точной миниатюрной гальванопластики сам по себе не является особо простым.
Вкратце последовательность шагов производства согласно этой технологии показана на анимации ниже:
В случае же потребности создания сверхтонких элементов используется технология поверхностной обработки, которая заключается в последовательном нанесении тонких слоёв на подложку с последующим вытравливанием части поверхностных слоёв, согласно маске. Это даёт возможность создавать очень тонкие элементы сенсорных и актюаторных конструкций. Благодаря своей простоте технология применима для массового производства.
Ещё одной достаточно известной и старой технологией производства является так называемая MUMPs-технология (Multi User MEMS Process), представляющая собой также способ микрообработки, впервые применённый для этих целей в декабре 1992 года.
Последовательность технологических шагов при этой технологии показана на картинке ниже:
С помощью данной технологии изготавливается большинство плоских элементов микросистемной техники, процессы отлажены и дают хороший результат. Кроме того, благодаря фотолитографии создание таких конструкций может быть совмещено с параллельным формированием элементов электронных интегральных схем для получения на выходе готового электронно-механического устройства, снабжённого средствами приёма, обработки и передачи информации. Минусом же такой технологии является невозможность создания элементов МЭМС из чего-либо, кроме поликристаллического кремния.
Рассмотренные выше технологии не являются единственно возможными, так как существует ещё и ряд других (например, SIGA, SUMMiT) со своими плюсами и минусами.
Это что касается технологий производства микромеханических систем, а что же всё-таки можно произвести с помощью подобных технологий?
▍ Микронасосы
Подобные устройства можно подразделить на два типа в зависимости от принципа действия: механического и немеханического.
Под немеханическими насосами понимаются устройства, которые не содержат каких-либо движущихся частей и их принцип действия базируется на основе различных физических эффектов.
Среди наиболее часто использующихся эффектов для создания насосов применяется электрогидродинамический. Насосы, эксплуатирующие его, выглядят в общем случае следующим образом:
Как можно видеть по картинке, насос представляет собой две сетчатые токопроводящие структуры, разделённые диэлектриком. Подобного типа насосы используются для перекачки так называемых полярных жидкостей, которые представляют собой смесь из ионов и диполей (различные масла, ацетон, фреон, этиловый и метиловый спирт). Перекачка воды с помощью таких насосов невозможна, так как при подаче напряжения на электроды начинается её электролиз.
Если на эти два электрода подать напряжение, то в результате возникших электрических полей начнётся ускорение жидкости между этими двумя сетчатыми слоями, причём направление движения жидкости зависит от полярности приложения напряжения (насос запитывается постоянным током).
Механические типы насосов также подразделяются на два типа: с активными клапанами и с пассивными.
Насосы с активными клапанами — это устройства, в которых при подаче напряжения происходит деформация гибкой мембраны, представляющей собой клапан и поршень одновременно:
Подобные гибкие мембраны располагаются массивами, срабатывающими друг за другом, поочерёдно. Таким образом, это очень сильно похоже на перистальтический принцип действия.
Очевидным плюсом подобной конструкции является возможность перекачки жидкости в обоих направлениях — для этого всего лишь нужно изменить последовательность включения мембран (слева-направо или справа-налево).
Вторым типом микромеханических насосов являются насосы с пассивными клапанами. Если попытаться обобщить принцип их действия, то он базируется на том, что сами клапаны не имеют привода, а отклоняются под воздействием какой-либо силы, оказывающей воздействие на весь объём рабочей камеры микронасоса: электростатики, изменения формы пьезоэлектрика, магнитного воздействия, увеличения температуры в рабочей камере. То есть после начала отклоняющего воздействия жидкость из рабочей камеры устремляется наружу, отклоняя выходной клапан и закрывая входной и наоборот.
Плюсом микронасосов с последним видом клапанов является возможность перекачки с их помощью достаточно существенного объёма жидкостей. Кстати говоря, насколько мне известно, нечто подобное, похожее на последний тип, используется в струйных принтерах в конструкции печатающей головки: в одном из типов конструкции головки происходит изменение формы пьезоэлектрика и из сопла вылетает капелька чернил. В другой же конструкции, термического принципа действия, происходит моментальное испарение, вследствие чего повышение давления также выбрасывает капельку чернил. В обоих случаях используются массивы сопел для обеспечения приемлемой производительности в целом.
▍ Микрозеркала
Технологии создания микромеханических систем нашли своё применение и в такой важной области, как создание миниатюрных зеркал, использующихся для создания лазерных сканеров, видеопроекторов.
Принцип действия основан на том, что система приводов запитывается постоянным током, при этом само зеркало заземляется, а под ним располагается несколько контактов, попеременно подавая напряжение на которые добиваются отклонения зеркала в ту или иную сторону.
Возврат зеркала в состояние покоя производится с помощью естественной упругости его подвесов, которые в момент подачи питания изгибаются и «напрягаются», а после его снятия «расслабляются», возвращаясь в изначальную форму, если можно так сказать.
И в общем случае вид микрозеркальной системы с интегрированными приводами показан на видео ниже. Хорошо видны контакты (золотистые пластины), расположенные под зеркалом с двух сторон:
Система приводов зеркала может быть выполнена как в качестве одноосной, так и в качестве двуосной:
Система зеркало-подвес может быть выполнена из различных металлов (известны зеркала, выполненные из золота или алюминия с гибкой подвеской, изготовленной из кремния).
▍ Микродвигатели
Весьма любопытным является использование МЭМС-технологий для создания микродвигателей.
Такие двигатели выполняются плоскими, достаточно малого размера (например, имеющими диаметр ротора в 100 мкм), при этом ротор и статор выполняются из токопроводящих материалов.
Принцип действия зачастую используется электростатический, а малое расстояние между ротором и статором (типичный зазор 1-2 мкм), обуславливает достаточно высокую эффективность электростатического взаимодействия.
Известны приводы, имеющие напряжение питания в 100 В и скорость оборотов 50 000 об/мин с выходной мощностью до 10 Вт.
При этом сильной стороной подобных двигателей является отсутствие непосредственного контакта между статором и ротором (в бесконтактном варианте), что обеспечивает должную долговечность, однако в случае использования подобных двигателей в качестве шаговых, для обеспечения нужной точности перемещения ротора требуется и сверхточное изготовление с допуском не более 0.1 мкм, что существенно удорожает и усложняет технологию производства (точность перемещения ротора достигается за счёт миниатюризации зубцов ротора и статора, изготовление которых при малых размерах и большом их количестве с нужными допусками представляет собой существенную проблему).
Подобного типа двигатели могут быть выполнены как в виде вращательных, так и возвратно-поступательных:
Кроме бесконтактных двигателей, существуют и контактные двигатели различных конструкций, например, пьезоэлектрические, где механические изгибы статора, вследствие поданного питающего напряжения, приводят к вращению ротора: ротор расположен выше статора и с него свисают небольшие отростки. При подаче питания на статор он осуществляет некоторое движение вверх и упирается в отростки ротора, изгибая их, что приводит, в силу их упругости, к смещению ротора на некоторое расстояние вокруг своей оси. После убирания питающего напряжения ротор остаётся смещённым, и цикл многократно повторяется, при этом ротор осуществляет круговое движение.
▍ Лаборатории на кристалле
Весьма перспективное устройство представляют собой так называемые лаборатории на кристалле, которые выполнены в виде сверхминиатюрных систем с типичными размерами от нескольких микрометров до нескольких миллиметров, имеющие объёмную структуру и содержащие в своём составе хранилища жидких и газообразных реагентов, трубопроводы, микроклапаны, микронасосы, средства анализа и сопутствующие электронные компоненты, обеспечивающие работу этой системы. Устройство каждой подобной миниатюрной лаборатории обуславливается целью её применения.
Очевидными плюсами подобных устройств являются высокая скорость осуществления анализа и дешевизна (позволяющая изготавливать одноразовые лаборатории).
В качестве технологии для изготовления подобных лабораторий используют в основном LIGA-технологию, а также объёмную микрообработку кремния.
С помощью таких лабораторий, например, выполняют:
- анализ ДНК, используя полимеразную цепную реакцию (ПЦР), суть которой заключается в нагреве и охлаждении раствора, в котором содержится анализируемая ДНК;
- иммуноферментный анализ, с целью обнаружения токсинов, например, рицина;
- диагностика заболеваний (СПИД, и т. д.);
- анализ родства;
- поиск генно-модифицированных организмов;
- ранняя диагностика онкологии;
- и многое другое.
Достаточно подробная лекция на эту тему представлена ниже:
Интересным подвидом лаборатории на кристалле являются газовые и жидкостные хроматографы.
К примеру, назначение газового хроматографа заключается в определении примесей в составе изучаемой газовой пробы. Принцип действия газового хроматографа построен на том, что порцию газа пропускают через специальный трубопровод, при движении через который из-за взаимодействия со стенками трубопровода различные компоненты газа приходят к концу трубопровода с разной скоростью (в силу разной степени подвижности этих компонентов), что и позволяет их идентифицировать по отдельности.
Размер типичного хроматографа составляет порядка 4 мм². Его трубопровод может быть выполнен в виде спиральной канавки в кремнии (изготовленной с помощью изотропного травления кремния), например, имеющей ширину в 200 мкм, глубину в 40 мкм и длину порядка полутора метров. После травления пластину кремния с готовой канавкой соединяют со стеклянной пластиной (герметично закрывающей трубопровод сверху), и система превращается готовый трубопровод.
Завершая рассказ, следует отметить, что применение МЭМС-технологий даёт новые возможности и не ограничивается только рассмотренными выше устройствами, так как с помощью указанной технологии могут быть изготовлены и различные гироскопы/акселерометры, а также иные датчики, а ввиду применения того же инструментария технологий, что и при производстве интегральных микросхем, возможно создание весьма миниатюрных устройств с высокой степенью интеграции компонентов, что как удешевляет финальные изделия, так и даёт возможность высокой производительности изделий (там, где она требуется), для чего зачастую используются массивы микроустройств. Однако в одном из рассмотренных выше случаев применение таких массивов является затруднительным, а именно, при создании микродвигателей, где суммирование выходной мощности от массива таких двигателей представляет собой определённую проблему. Объёмы статьи не позволяют рассмотреть ещё и сенсорные элементы, создаваемые рассмотренными способами, однако отметить этот момент стоит, как возможность.
Выиграй телескоп и другие призы в космическом квизе от RUVDS. Поехали? 🚀
