Procesos de deposiciónEditar
Uno de los elementos básicos en el procesamiento de MEMS es la capacidad de depositar películas finas de material con un grosor que oscila entre un micrómetro y unos 100 micrómetros. El proceso de los NEMS es el mismo, aunque la medida de la deposición de la película oscila entre unos pocos nanómetros y un micrómetro. Existen dos tipos de procesos de deposición, como se indica a continuación.
Deposición físicaEditar
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 hacerlo incluyen el proceso de sputtering, en el que un haz de iones libera átomos de un objetivo, permitiendo que se muevan a través del espacio intermedio y se depositen en el sustrato deseado, y la evaporación, en la que un material se evapora de un objetivo utilizando calor (evaporación térmica) o un haz de electrones (evaporación de haz electrónico) en un sistema de vacío.
Deposición químicaEditar
Las técnicas de deposición química incluyen la deposición de vapores químicos (CVD), en la que una corriente de gas fuente reacciona sobre el sustrato para hacer crecer el material deseado. Esto puede dividirse en categorías dependiendo de los detalles de la técnica, por ejemplo LPCVD (deposición química de vapor a baja presión) y PECVD (deposición química de vapor mejorada por plasma).
Las películas de óxido también pueden crecer 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.
PatronesEditar
El patrón en MEMS es la transferencia de un patrón a un material.
LitografíaEditar
La litografía en el contexto de MEMS es típicamente 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 la radiación en el material se transfiere al material expuesto, ya que las propiedades de las regiones expuestas y no expuestas difieren.
Esta región expuesta puede entonces ser eliminada o tratada proporcionando una máscara para el sustrato subyacente. La fotolitografía se utiliza normalmente con la deposición de metales u otras películas finas, el grabado en húmedo y en seco. A veces, la fotolitografía se utiliza para crear una estructura sin ningún tipo de grabado posterior. Un ejemplo es la lente basada en SU8, en la que se generan bloques cuadrados basados en SU8. Luego se funde la fotorresistencia para formar una semiesfera que actúa como lente.
Litografía por haz de electronesEditar
La litografía de haz de electrones (a menudo abreviada como litografía de haz de electrones) es la práctica de escanear un haz de electrones de forma estampada a través de una superficie cubierta con una película (llamada la resistencia), («exponiendo» la resistencia) y de eliminar selectivamente las regiones expuestas o no expuestas de la resistencia («revelando»). El objetivo, al igual que en la fotolitografía, es crear estructuras muy pequeñas en la laca que puedan transferirse posteriormente al material del sustrato, a menudo mediante el grabado. Se desarrolló para la fabricación de circuitos integrados y también se utiliza para crear arquitecturas nanotecnológicas.
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 hacer características en el rango nanométrico. Esta forma de litografía sin máscara ha encontrado un amplio uso en la fabricación de fotomáscaras utilizadas en la fotolitografía, en la producción de bajo volumen de componentes semiconductores y en el desarrollo de la investigación &.
La limitación clave de la litografía de haz de electrones es el rendimiento, es decir, el tiempo muy largo que se necesita para exponer una oblea de silicio o un sustrato de vidrio completo. Un largo tiempo de exposición deja al usuario vulnerable a la deriva o inestabilidad del haz que puede producirse durante la exposición. Además, el tiempo de trabajo para la reelaboración o el rediseño se alarga innecesariamente si el patrón no se cambia la segunda vez.
Litografía por haz de ionesEditar
Se sabe que la litografía por haz de iones enfocados tiene la capacidad de escribir líneas extremadamente finas (se han logrado líneas y espacios de menos de 50 nm) sin efecto de proximidad. Sin embargo, debido a que el campo de escritura en la litografía de haz de iones es bastante pequeño, deben crearse patrones de gran superficie cosiendo los campos pequeños.
Tecnología de pista de ionesEditar
La tecnología de pista de iones es una herramienta de corte profundo con un límite de resolución de unos 8 nm aplicable a minerales, vidrios y polímeros resistentes a la radiación. Es capaz de generar agujeros en películas finas sin ningún proceso de desarrollo. La profundidad estructural puede definirse 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 textura a los materiales con un ángulo de inclinación definido. Se pueden generar patrones aleatorios, estructuras de pistas de un solo ion y patrones dirigidos que consisten en pistas individuales.
Litografía de rayos XEditar
La litografía de rayos X es un proceso utilizado en la industria electrónica para eliminar selectivamente partes de una película delgada. Utiliza rayos X para transferir un patrón geométrico desde una máscara a una fotoresistencia química sensible a la luz, o simplemente «resistencia», sobre el sustrato. A continuación, una serie de tratamientos químicos graba el patrón producido en el material que se encuentra debajo de la fotorresistencia.
Patterización de diamantesEditar
Una forma sencilla de tallar o crear patrones en la superficie de los nanodiamantes sin dañarlos podría dar lugar a unos nuevos dispositivos fotónicos.
La patterización de diamantes es un método para formar MEMS de diamante. Se consigue mediante la aplicación litográfica de películas de diamante sobre un sustrato como el silicio. Los patrones pueden formarse por deposición selectiva a través de una máscara de dióxido de silicio, o por deposición seguida de micromecanizado o fresado por haz de iones enfocado.
Procesos de grabadoEditar
Hay dos categorías básicas de procesos de grabado: grabado en húmedo y grabado en seco. En el primero, el material se disuelve al sumergirse en una solución química. En el segundo, el material se pulveriza o se disuelve utilizando iones reactivos o un grabador en fase de vapor.
Grabado en húmedoEditar
El grabado químico húmedo consiste en la eliminación selectiva de material mediante la inmersión de 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 velocidad de grabado del material objetivo es considerablemente mayor que la del material de la máscara si se selecciona con cuidado.
Agrabado isotrópicoEditar
El grabado progresa a la misma velocidad en todas las direcciones. Los agujeros largos y estrechos de una máscara producirán ranuras en forma de V en el silicio. La superficie de estas ranuras puede ser atómicamente lisa si el grabado se lleva a cabo correctamente, con dimensiones y ángulos extremadamente precisos.
Grabado anisotrópicoEditar
Algunos materiales monocristalinos, como el silicio, tendrán diferentes velocidades de grabado dependiendo de la orientación cristalográfica del sustrato. Esto se conoce como grabado anisotrópico y uno de los ejemplos más comunes es el grabado del silicio en KOH (hidróxido de potasio), donde los planos de Si <> se graban aproximadamente 100 veces más lentamente que otros planos (orientaciones cristalográficas). Por lo tanto, el grabado de un agujero rectangular en una oblea de (100)-Si da lugar a una fosa de grabado en forma de pirámide con paredes de 54,7°, en lugar de un agujero con paredes laterales curvadas como con el grabado isotrópico.
Agrabado con HF
El ácido fluorhídrico se utiliza habitualmente como grabador acuoso para el dióxido de silicio (SiO
2, también conocido como BOX para SOI), normalmente en forma concentrada al 49%, 5:1, 10:1 o 20:1 BOE (buffered oxide etchant) o BHF (Buffered HF). Se utilizaron por primera vez en la época medieval para el grabado del vidrio. Se utilizó en la fabricación de circuitos integrados para patentar el óxido de la puerta hasta que el paso del proceso fue sustituido por el RIE.
El ácido fluorhídrico se considera uno de los ácidos más peligrosos en la sala limpia. Penetra en la piel al entrar en contacto y se difunde directamente hasta el hueso. Por lo tanto, el daño no se percibe hasta que es demasiado tarde.
El grabado electroquímicoEditar
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 («etch-stop»). El boro es el dopante más común. En combinación con el grabado anisotrópico húmedo descrito anteriormente, la ECE se ha utilizado con éxito para controlar el grosor del diafragma de silicio en los sensores de presión de silicio piezoresistivos comerciales. Las regiones dopadas selectivamente pueden crearse por implantación, difusión o deposición epitaxial de silicio.
Agrabado en secoEditar
Agrabado por vaporEditar
Difluoruro de xenónEditar
El difluoruro de xenón (XeF
2) es un grabado isotrópico en fase de vapor seco para el silicio aplicado originalmente para MEMS en 1995 en la Universidad de California, Los Ángeles. El XeF
2 se utiliza principalmente para liberar estructuras metálicas y dieléctricas mediante el socavado del silicio, y tiene la ventaja de que, a diferencia de los grabadores húmedos, libera sin fricción. Su selectividad con el silicio es muy alta, lo que le permite trabajar con fotorresistencia, SiO
2, nitruro de silicio y varios metales para el enmascaramiento. Su reacción al silicio es «sin plasma», es puramente química y espontánea y suele funcionar en modo pulsado. Existen modelos de la acción de grabado, y los laboratorios universitarios y varias herramientas comerciales ofrecen soluciones que utilizan este enfoque.
Agrabado por plasmaEditar
Los procesos VLSI modernos evitan el grabado húmedo, y utilizan en su lugar el grabado por plasma. Los grabadores de plasma pueden operar en varios modos ajustando los parámetros del plasma. El grabado por plasma ordinario funciona entre 0,1 y 5 Torr. (Esta unidad de presión, comúnmente utilizada en la ingeniería del 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 por plasma puede ser isotrópico, es decir, mostrar una tasa de socavación lateral en una superficie con patrón aproximadamente igual a su tasa de grabado hacia abajo, o puede ser anisotrópico, es decir, mostrar una tasa de socavación lateral menor que su tasa de grabado hacia abajo. Esta anisotropía se maximiza en el grabado iónico reactivo profundo. El uso del término anisotropía para el grabado por plasma no debe confundirse con el uso del mismo término cuando se refiere al grabado dependiente de la orientación.
El gas fuente del plasma suele contener pequeñas moléculas ricas en cloro o flúor. Por ejemplo, el tetracloruro de carbono (CCl
4) graba el silicio y el aluminio, y el trifluorometano graba el dióxido de silicio y el nitruro de silicio. Se utiliza un plasma que contiene oxígeno para oxidar («cenizas») la fotorresistencia y facilitar su eliminación.
El fresado iónico, o grabado por pulverización, utiliza presiones más bajas, a menudo tan bajas como 10-4 Torr (10 mPa). Se bombardea la oblea con iones energéticos de gases nobles, a menudo Ar+, que eliminan los átomos del sustrato mediante la transferencia de impulso. Como el grabado se realiza mediante iones, que se acercan a la oblea aproximadamente desde una dirección, este proceso es muy anisotrópico. Por otra parte, tiende a mostrar una escasa selectividad. El grabado por iones reactivos (RIE) funciona en condiciones intermedias entre el grabado por sputter y el grabado por plasma (entre 10-3 y 10-1 Torr). El grabado profundo con iones reactivos (DRIE) modifica la técnica RIE para producir características profundas y estrechas.
SputteringEdit
Agrabado iónico reactivo (RIE)Editar
En el grabado iónico reactivo (RIE), el sustrato se coloca dentro de un reactor y se introducen varios gases. Con una fuente de energía de radiofrecuencia se crea un plasma en la mezcla de gases que rompe las moléculas de gas en iones. Los iones se 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 iónico reactivo. También hay una parte física, que es similar al proceso de deposición por pulverización. Si los iones tienen una energía lo suficientemente alta, pueden eliminar los átomos del material a grabar sin que se produzca una reacción química. Es una tarea muy compleja desarrollar procesos de grabado en seco que equilibren el grabado químico y el físico, ya que hay muchos parámetros que ajustar. Cambiando el equilibrio 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.
El RIE profundo (DRIE) es una subclase especial de RIE que está creciendo en popularidad. En este proceso se consiguen profundidades de grabado de cientos de micrómetros con paredes laterales casi verticales. La tecnología principal se basa en el llamado «proceso Bosch», llamado así por la empresa alemana Robert Bosch, que presentó la patente original, en el que se alternan dos composiciones de gas diferentes en el reactor. Actualmente existen dos variantes del DRIE. La primera variación consta de tres pasos distintos (el proceso original de Bosch), mientras que la segunda variación sólo consta de dos pasos.
En la primera variación, el ciclo de grabado es el siguiente:
(i) grabado isotrópico con SF
6;
(ii) pasivación con C
4F
8;
(iii) grabado anisotrópico con SF
6 para la limpieza del suelo.
En la 2ª variación, se combinan los pasos (i) y (iii).
Ambas variaciones funcionan de forma similar. El C
4F
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 es inmediatamente eliminado por la parte física del grabado, pero sólo en las superficies horizontales y no en las paredes laterales. Como 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 conseguir relaciones de aspecto de grabado de 50 a 1. El proceso puede utilizarse fácilmente para grabar completamente un sustrato de silicio, y las velocidades de grabado son de 3 a 6 veces superiores a las del grabado húmedo.
Preparación de matricesEditar
Después de preparar un gran número de dispositivos MEMS en una oblea de silicio, hay que separar las matrices individuales, lo que se denomina preparación de matrices en la tecnología de semiconductores. En algunas aplicaciones, la separación va precedida de un rectificado de la oblea para reducir su grosor. A continuación, el corte de la oblea puede realizarse mediante un corte con sierra utilizando un líquido refrigerante o mediante un proceso de láser seco denominado corte sigiloso.