MEMS
Datz Dániel Anyagtudomány MSc 2015.05.08.
1. Bevezetés Az ember, több százezer éves történelme során használati eszközök rengetegét készítette. Aerodinamikailag megfelelő lándzsák és nyilak már a Homo Sapiens megjelenésének idejéből is találhatók. Az ember történelme során nem elégedett meg azzal, hogy a saját mérettartományában alkosson; az egyiptomi piramisok kb. 150 m magasak, míg a 13. századi órakészítők már sikeresen próbálkoztak az óra alkatrészeinek miniatürizálásával.
1.
Ábra. Az emberiség mindig törekedett eszközeinek kicsinyítésére.
A mai napig ez a tendencia tovább folytatódik. A felhőkarcolók átlépik az 1000 m-t, míg a tranzisztorok már néhány nm-es tartományban működőképesek, az utóbbi néhány évtizedben pedig megjelentek a miniatürizált mechanikai alkotóelemek, illetve gépek. Elektrosztatikus, mágneses, elektromágneses, pneumatikus és termális aktuátorok, motorok, csapok, fogaskerekek, diafragmák készültek el néhány mikrométeres jellemző hosszal. Ezeket az eszközöket sikerrel használták nyomás-, hő-, sebesség-, gyorsulás és kémiai szenzorokként, lab-on-a-chip, robotok és mikro hőgépek alkatrészeiként, illetve mikro pumpaként. Az egyik legkorábbi példa MEMS rendszerre az egyszerű ellenállás.
2.
Ábra. A MEMS eszközök felhasználási területeinek egy része
A MEMS (MicroElectroMechanical Systems), vagy MST (Micro Systems Technology) kifejezést olyan eszközökre használják, amelyek karakterisztikus hossza kisebb, mint egy mm, de nagyságrendileg nem kisebb, mint egy mikrométer. Az egy mikrométernél lényegesen kisebb nanoméretű eszközöket már NEMS-nek nevezik. A MEMS és NEMS eszközök akkor váltak igazán praktikussá, amikor lehetővé vált az előállításuk az integrált áramkörökéhez hasonló módszerekkel, ám a felhasználásuk nagyfokú változatossága miatt a felhasznált technológia eltérhet ettől. Gyakori technikák a szilícium felületi maratása (nedves maratás KOH-val, szárazmaratás), EDM technológiák, különböző leválasztási módszerek (pl. kémiai gőzfázisú leválasztás (CVD), atomi rétegleválasztás (ALD)) és litográfia. Felhasználásuk rendkívül széleskörű; gépkocsikban a légzsák irányítását végző gyorsulásmérők, a nagy sűrűségű optikai kijelzők mikrotükör tömbjei, pásztázó elektronmikroszkóp hegye, katéter hegyek nyomásmérői, vér analizátorok, miniatűr giroszkópok csak néhány példa a MEMS-ek kereskedelmi felhasználására. Régóta nagy az igény az ún. lab-on-a-chip rendszerre, amely olyan szinten automatizálhatja a kémiát és a biológiát, ahogy az integrált áramkörök nagymennyiségű számítások elvégzését. Néhány évtizedes kutatásuk ellenére már most több milliárd dolláros iparág épül ezeknek a rendszereknek a gyártására és kutatásukat is hasonló nagyságrendű összeggel támogatják. Ennek megfelelően a MEMS és NEMS irodalma is robbanásszerűen növekedett, már több tucat kötet jelent meg, amelyek a témát nagy részletességgel tárgyalják, illetve több tudományos folyóirat foglalkozik kizárólag MEMS és NEMS témával.
2. Mechanikai rendszerek skálázhatósága Amikor nagyságrendi változtatásokat eszközölünk egy rendszer méretében, fontos figyelembe venni, hogy a rendszer működése szempontjából fontos kölcsönhatások méretektől való nagyságrendi függését, hiszen más és más paraméterek máshogy skálázódhatnak. Ha a tervezés közben ”rajzolt” és a valós rendszer méretei közötti lineáris skálatényező S (azaz S-ed részére csökkenek a távolságok), akkor a felület S2-el, a térfogat S3-el csökken. Ehhez képest a felületi feszültség S-el, a az elektrosztatikus S2-el, bizonyos mágneses erők S3-el skálázódnak. MEMS-ek készítésénél nagyon fontos tudni, hogy milyen erők fognak fellépni a működés során, illetve hogy ezek hogyan skálázódnak a mérettel; ennek ellenére nem ad pontos megoldást a tervezés során felmerülő kérdésekre, csak útmutatásként használható. Könnyen nyomon követhetjük, hogy a rendszer működése során fellépő erők hogyan skálázódnak, a következő formalizmussal: Rendezzük a különbözőféleképpen skálázódó erőket egy vektorba: 𝑆 𝐹 = [𝑆 2 ] 𝑆3 Ekkor például a munka kifejezhető egy képlettel az összes erőt tekintve: 𝑆 𝑆 𝑆2 2 𝑊 = 𝐹 ∙ 𝐷 = [ 𝑆 ] [𝑆 ] = [𝑆 3 ] 𝑆3 𝑆 𝑆4 -3 Hasonlóan kifejezhető pl. a gyorsulás (m ~ S , mert a térfogattal arányos): 𝑎 =𝐹∙𝑚
−1
𝑆 𝑆 −3 𝑆 −2 2 = [𝑆 ] [𝑆 −3 ] = [𝑆 −1 ] 𝑆 3 𝑆 −3 𝑆0
Ez azt jelenti, hogy olyan erők hatására, amelyek a mérettől lineárisan függnek, a rendszer gyorsulása óriási mértékben növekszik. Ez lehetőséget ad érzékeny gyorsulásmérők készítésére a méret csökkentésével. Ugyanakkor látható az is, hogy a nagy fajlagos felület miatt a felületi folyamatok (nedvesedés, ill. elektrosztatika) sokkal nagyobb szerepet kapnak. Fontos megemlíteni, hogy a méret csökkentése ellenére a MEMS és NEMS rendszerek különböznek a molekuláris gépektől, illetve a molekuláris elektronikától. Ennek ellenére ezeken a mérettartományokon a klasszikus fizika szabályai nem mindig hasznosak. A működésük leírására szimulációs programok állnak rendelkezésre.
3. Technikák A MEMS rendszerek gyártása leginkább a félvezető iparra épül, így ezeknek a rendszereknek a gyártása is erősen támaszkodik a félvezető-technikában használt módszerekhez. Ennek megfelelően az alap kiindulási anyag a szilícium, a felhasznált technikák az anyagrétegek leválasztása, fotolitográfia és maratás. Alapanyagok: A szilícium, mint kiindulási vegyület előnye, hogy már régóta kiépült, fejlett ipara van, ezért könnyen és olcsón beszerezhetőek a magas minőségű alapanyagok, a megépített rendszerek könnyen és még ugyanazon a szilícium felületen összeköthetők elektromos számítási eszközökkel. Ezért a szilícium alapú eszközök általában egy központi mikroprocesszorhoz kötött többféle komponensből állnak, amelyek képesek kölcsönhatásba lépni a környezetükkel (pl. mikroszenzorok). A szilícium előnye továbbá, hogy egykristályos állapotban majdnem tökéletesen rugalmasan deformálódik a MEMSek méretskáláján, azaz gyakorlatilag nincs hődisszipáció, ha ismételten meg van hajlítva. Mivel gyakorlatilag nincs anyagfáradás, a szilíciumalapú giroszkópok, vagy gyorsulásmérők rendkívül nagy élettartammal rendelkeznek. Alapanyagként használatosak más anyagok is. A polimerek egyszerűbb, olcsóbb, nagyobb mennyiségben előállítható vegyületek, mint a szilícium egykristály, emellett sok féle különböző anyagi tulajdonsággal rendelkezhetnek. Leginkább mikrofluidikai alkalmazásokban használatosak, mint pl. eldobható vér tesztek. A különböző fémek nem rendelkeznek a szilícium jó mechanikai tulajdonságaival, de figyelembe véve ezeket a limitációkat, jó eredmények érhetők el velük (pl. mikroprocesszorok aranyvezetékei). Kerámiák egyre szélesebb körben felhasználtak. A szilícium, alumínium és titán nitridjei, illetve a szilícium karbid és más kerámiák kiváló anyagi tulajdonságaik miatt kedvelt anyagok MEMS-ekben, leginkább, mint dielektrikumok, szigetelők. Az alumínium nitrid (AlN) egyszerre piroelektromos és piezzoelektromos (wurtzite kristályban kristályosodik), ezért érzékeny normális és nyíró feszültségek is kimutathatók vele. A TiN jó elektromos vezető és nagy rugalmas modulusa van, ami lehetővé teszi a MEMS-es elektrosztatikus irányítást ultravékony membránokkal. Emellett, mivel ellenáll a biokorróziónak, megfelelő anyag bioszenzorok készítésére. Leválasztási technikák: A konkrét rendszerek kialakításának gyakran az első, alapvető lépése lehet vékony rétegek kialakítása. A rétegek vastagsága alkalmazástól, felépítéstől függően néhány nanométertől néhány milliméterig terjedhet. Alapvetően a leválasztási módszerek két csoport sorolhatóak.
Fizikai gőzfázisú leválasztás során a leválasztandó anyagot először el kell választani attól a target molekulától, amellyel a felszín közelébe visszük. Ez történhet ionnyalábbal, illetve hő-, vagy elektronnyaláb aktiválta vákuumlepárlással.
3.
Ábra. Tipikus PVD berendezés vázlata
Kémiai módszerek közé tartozik a kémiai gőzfázisú leválasztás (CVD), amely során egy prekurzor gáz reagál még a gőzfázisban, amely reakció(k) termékei a felületre kötődnek, ahol felületi vándorlás és nukleációt követően kialakítják a kívánt réteget. Bizonyos rétegek (leginkább oxid rétegek) növeszthetőek is a felületen megfelelő hőkezeléssel. A MEMS technológiában leggyakrabban használt polikristályos szilícium rétegeket alacsonynyomású kémiai gőzfázisú leválasztással (LPCVD) választják le. Ezzel kb. 2 mikrométer vastag rétegek választhatók le. Ha ennél vastagabb rétegre van szükség, akkor a megfelelő technika az epitaxiális növesztés, amellyel a 10 mikrométeres vastagság is elérhető.
4.
Ábra. CVD reakciók sematikus ábrája.
Mintázat kialakítás: A megfelelő réteg kialakítása után következik a mintázatok kialakítása. A legfontosabb módszer erre a litográfia, amely a legelterjedtebb technika a CMOS alapú integrált áramkörök gyártásában is. A módszer alapja egy fotoszenzitiv polimer felvitele a felületre (ún. fotoreziszt), majd ebbe a filmbe a pontos mintázat felvitele. Fotoszenzitív anyag az, amely fizikai tulajdonságai változnak, ha megfelelő besugárzást kap. A fotorezisztet általában forgatásos technikával, ún. spin-coatinggal viszik a felületre. Ezt megelőzően a felületet meg kell tisztítani, a vizet és a szerves anyagokat teljes mértékben el kell távolítani. Esetenként szükséges lehet olyan anyagok használata a megtisztított felületen, amelyek elősegítik a fotoreziszt megtapadását a felületen. A felvitel után a mintát gyengén hevítik, hogy az oldószert eltávolítsák, illetve rögzítsék a fotorezisztet a felületen. Ezután a mintát UV fény alá helyezik, amely az ún. litográfiás maszkon keresztül világít a felületre. A legjobb felbontás akkor érhető el, ha a maszk hozzáér a felülethez, ez azonban problémákat okozhat mind a maszkban, mind a felületben. Általában a maszk kb. 20 μm-rel a felület felett helyezkedik el. Ahol fény éri a felületet, ott a fotoreziszt polimerszerkezete megváltozik. A pozitív fotoreziszt esetén a megvilágított, a negatív fotoreziszt esetén a meg nem világított rész válik leoldhatóvá.
5.
Ábra. A fotolitográfiai technika lépéseinek felületes ábrája
A legtöbb MEMS szerkezet több rétegű mintázatot tartalmaz. Ezek kialakításához a maszk beállításának nagyon pontosan kell követnie a már meglévő mintázatokat. Ehhez a módszer nagyfokú automatizálása szükséges. A megfelelő gépek infravörös spektroszkópiás módszerekkel képesek követni a különböző rétegek elhelyezkedését. A fotoreziszt, illetve a maszk mintázatának a konkrét anyag felületén való pontos kialakításához leggyakrabban maratási módszerek használatosak. A maratási módszerek mindegyike szelektív anyageltávolításon alapszik. Nedves maratás során folyékony kémiai vegyületek segítségével alakítják ki a megfelelő felületet. A megmunkálandó felületre először egy maszkréteget visznek, amelyen kialakítják a megfelelő mintázatot, pl. litográfiai módszerekkel. Mind a maszk, a felület és a marató vegyület anyagait megfelelően kell kiválasztani, hogy a megfelelő specificitás elérhető legyen. Azok a felületek, amelyek nincsen beborítva a maszkkal, a marató folyadékba merítéskor reakcióba lépnek a marató reagensekkel. A maratás mechanizmusénak három lépése van; a marató reagensek megmunkálandó felületre való diffúziója, a kémiai reakció a felület és a reagensek között, majd a reakciótermékek diffúziója a felületről az oldatba. Polikristályos szilícium maratása izotróp folyamat, azaz a maratási reakció minden irányban ugyanolyan sebességgel megy végbe, azonban egykristályok maratása lehet anizotróp folyamat is, amely esetben a maratás mértéke függ a kristály orientációjától. Egykristály szilícium esetén a leggyakrabban használ KOH maratószer pl. erősen anizotróp, a <111> kristálytani irány kb. 400-szor lassabban maratódik, mint a <100> irány. Ez a tulajdonság kihasználható 3D struktúrák kialakításához. A szilícium dópolása is befolyásolja a maratási sebességet, olyannyira, hogy a bórral való (p – típusú) dópolást gyakran használják a maratás megállítására is.
6.
Ábra. Izotróp és anizotróp maratások a kristályorientáció függvényében
Száraz maratás során mind fizikai, mind kémiai reakciókat felhasználnak a felület megmunkálásakor. A száraz maratás előnye, hogy a legtöbb maratási paraméter jóval flexibilisebben határozható meg, és elkerülhetők a marató folyadék felületre tapadása is. A reaktív ionmaratás (RIE), illetve a mély reaktív ionmaratás (DRIE) a két legfontosabb módszer.
A DRIE technológia segítségével hatékony inerciaszenzorok készíthetők, mivel a kialakított mélyedés 3D-s alakja gyakorlatilag szabadon irányítható. A technika lényege, hogy periodikusan váltogatja az induktív csatolású plazma maratást és egy passzivációs lépést, amely során a kimart mélyedés oldalfalait védik.
7.
A DRIE módszer lépései egy perióduson belül
A fentebb leirt módszerek a megfelelő mintázatokat általában egy vékony (pl. Si) lemezen (ún. szilícium waferen) alakítják ki. MEMS eszközök (különösen inerciaszenzorok) kialakításánál nagyon fontos lépés vastag, akár egykristály funkcionális rétegek wafer felületre vitele és ott a megkötése. A waferszintű kötési módszerek közül a legrégebben ismert kötési típus az ún. anódos kötődés, amely lehetővé teszi a szilícium és az üveg kötését. Ehhez egyszerre alkalmaznak nagy feszültségeket (néhány kV) a waferek között fellépő elektrosztatikus kölcsönhatás miatt és magas hőmérsékletet. Mivel az üveg és a szilícium hőtágulási együtthatója közel megegyezik, így ez a módszer megfelelő a MEMS-ek védelmére, csomagolására is. Szilicium-szilicium waferer közti kötéseket ún. fúziós kötési technikával, magas hőmérsékleten lehet elérni. Ilyen technikával megmaradhat a CMOS integrációs lehetőség a kötődés után is.
A fentebb leirt módszerek kombinálásával mozgó részekkel rendelkező MEMS-ek (pl. giroszkópok) is készíthetők. Megkülönböztethetünk a felületi és a teljes anyagvastagságot felhasználó, tömbi (bulk) megmunkálást. Az utóbbihoz általában több összekötött wafert használnak fel és a mozgó alkatrészeket a szilícium wafer teljes mélységét felhasználva alakítják ki.
Egy megmunkálási folyamat a következőképpen mehet végbe: - A folyamat egy ún. SOI (silicon-on-insulator) waferrel kezdődik, amelyben 4 μm oxidréteg választ el 100 μm vastag egykristály sziliciumréteget (100) kristályorientációval és egy 400 μm vastag polikristályos szilícium réteget. - Az első lépés a felület teljes megtisztítása minden szerves szennyezőtől. Ehhez szekvenciális oxidatív deszorpciót alkalmaznak. Ezután egy órán keresztül dehidratációs lépések következnek, hogy minden nedvességet is eltüntessenek a felületről. - A felületre adhéziót elősegítő anyagot visznek fel spincoating technikával majd egy percig melegítik. Majd 7 μm vastag fotoreziszt anyagot visznek fel ugyancsak spincoatinggal, 30 mp forgási idővel, 1500 rpm fordulatszám mellett. A fotoreziszt vastagsága úgy van megállapítva, hogy kibírja a DRIE technikát. A fotoreziszt oldószereinek eltávolításához a felületet 90 mp-ig, 90 fokon melegítik. - A mintát 35 mp-re UV fénynek teszik ki, előre elkészített maszkot használva. Maszk definiálja a teljes struktúrát és a rendszer tulajdonságait. - A kezelt fotorezisztet egy percen keresztül előhívják, majd desztilláltvízzel mossák, hogy megállítsák a reakciót. A mintát ezután 90 fokos kályhában kihevítik. - DRIE módszerrel, induktívan csatolt plazma kamrában, 8 másodperces ciklusidővel SF6 és O2 alkalmazásával maratják a felületet, míg a passzivációs lépés minden ciklusban 5 másodpercig tart. A teljes maratás kb. 85 percig tart. - Fotoreziszt eltávolítása 10 perces aceton fürdővel, majd 15 perc oxigén plazma alkalmazásával. - Végül a megmunkált mintát 49%-os HF oldatban áztatják 25 percig, hogy a két szilícium wafer közti, el nem maratott oxidréteget eltávolítsák. A 25 perces áztatási idő elég kicsi ahhoz, hogy a megfelelően nagy felületi elemek továbbra is rögzítve maradjanak az alap szilíciumhoz, de elég nagy ahhoz, hogy a megfelelően kicsi szerkezeti elemek elváljanak tőle, ezzel a MEMS szabadon mozgó részeit alkotják. Ez a végső maratási lépés vízbe, majd izopropil alkoholba mártással állítható meg. AZ alkohol azonnal 100 fokon elpárologtatják.
8.
Ábra. Az előző oldalon részletezett megmunkálási lépések felületes reprezentációja
A fent leirt módszer az alábbi giroszkóp elkészítéséhez használatos.
9.
Ábra. A fent leirt megmunkálási lépések e giroszkóp elkészítéséhez tartoztak
4. MEMS giroszkópok A giroszkópok működése a Coriolis-effektuson alapul. Gyorsuló koordinátarendszerben Newton egyenlete a következőképpen alakul: 𝑚𝒂 = 𝑭 − 𝑚𝒂𝟎 − 𝑚𝝎 × (𝝎 × 𝒓) − 2𝑚(𝝎 × 𝒓) − 𝑚(𝜷 × 𝒓) ahol 𝒂𝟎 a rendszer tömegközéppontjának a gyorsulása, ω a rendszer szögsebessége, 𝜷 a rendszer szöggyorsulása. A −2𝑚(𝝎 × 𝒓) tag a Coriolis erő, amely pl. a Föld esetében a Focoult inga elfordulásában, illetve a szelek irányában mutatkozik meg. Az eszköz, amely képes megmérni egy tárgy forgásának sebességét a giroszkóp. A giroszkóp nevet Focault adta annak a szerkezetnek, amelyet a Föld forgási sebességének méréséhez használt.
10. Ábra. Focault inga a Coriolis-erő bemutatására
A legtöbb modern giroszkóp egy forgó lendkerékhez csatlakozó vázszerkezetből áll. Ezek a szerkezetek azonban folyamatosan súrlódnak, amelyek mérések során problémákhoz, illetve elhasználódáshoz vezethetnek.
11. Ábra. Egyszerű felépítésű giroszkóp.
Ezeket a negatív tulajdonságokat kiküszöbölik a vibrációs giroszkópok, amelyek a MEMS giroszkópok alapjait képezik. Ezek mellett léteznek még modernebb technológiák giroszkópok készítésére, mint a szál-optika giroszkóp (FOG – Fiber Optic Gyroscope), vagy a gyűrű lézer giroszkóp (RLG - Ring Laser Gyroscope), amelyek a Sagnac-effektuson alapulnak. A MEMS vibrációs giroszkópok szinuszos Coriolis-erő kiváltásán alapulnak, amelyet egy rezgő próba-tömeg és egy merőleges, szögsebeséggel arányos bemenet. A próbatest általában a szubsztrát felület felett van felfüggesztve és általában rezonanciában van egy meghajtó, szinuszos elektromágneses erővel. Ez csatolódik egy Coriolis gyorsulásmérőhöz. Amikor ez a rendszer elfordul, szinuszos Coriolis-erő generálódik, amely merőleges mind a meghajtó erőre, mind a szögsebesség vektorra. Mind a meghajtó oszcillátor, mind az érzékelő gyorsulásmérő lehet lineáris, vagy torziós rezonátor. Lineáris vibrációs giroszkóp esetén a Coriolis-erő lineáris meghajtó oszcillációk, míg a torziós vibrációs giroszkóp esetén a rotációs meghajtó oszcillációk váltják ki a Coriolis erő forgatónyomatékát.
Lineáris giroszkóp dinamika: A legegyszerűbb MEMS giroszkóp egyetlen, a szubsztrát felett felfüggesztett próbatestből áll, amely két, egymásra merőleges irányban is szabadon tud mozogni. Az egyik irány a meghajtó irány, a másik az érzékelő irány.
12. Ábra. A legegyszerűbb MEMS giroszkóp vázlatos rajza
A próbatest rezonanciában rezeg a meghajtó irányban, a rá ható elektromágneses meghajtó erők miatt. Az érzékelő irányban érzékelő elektródák vannak. Ha a giroszkóp elfordul, az érzékelő irányban meghajtó frekvenciás, szinuszos Coriolis erők támadnak, amelyet az elektródák érzékelnek (ezzel egy Coriolis gyorsulásmérőt alkotnak). Ezzel a felépítéssel a giroszkóp valójában egy két szabadsági fokú, csillapított rezgőmozgást végez.
13. Ábra. A fenti giroszkóp dinamikáját tekintve egy merőleges, két szabadsági fokú oszcillátorral modellezhető
Ha a rendszer elfordul, a ható erőket a fenti egyenlet szabja meg. Ha az elfordulás 𝑑𝜔 egyenletes és a z irány mentén megy végbe ( 𝑑𝑡𝑧 = 0), valamint ha az elfordulás körfrekvenciája sokkal kisebb, mint a meghajtó frekvencia (𝜔𝑥2 , 𝜔𝑦2 , 𝜔𝑥 𝜔𝑦 tagok elhanyagolhatóak), a fenti differenciálegyenlet kibontva és egyszerűsítve a következő alakot ölti:
ahol τ jelöli a külső erő komponenseit. A második egyenlet jobb oldalán lévő utolsó tag, (ami az érzékelés irányába eső, a forgás által kiváltott Coriolis erő) okozza az érzékelhető, a forgási sebességgel arányos választ, amely a szilícium felületen kialakított feldolgozó elektronikával összekötve azonnal egy inercia érzékelő rendszer részévé válhat.
14. Ábra. MEMS giroszkóp Si felületen, áramkör részeként
5. Források Mohamed Gad-el-Hak, ’MEMS: Introduction and Fundamentals’, Second Edition, Taylor and Francis Cenk Acar, Andrei Shkel, ’MEMS Vibratory Gyroscopes: Structural Approaches to Improve Robustness’, Springer Marc J. Madou, ‘Fundamentals of Microfabrication and Nanotechnology’, Volume III: From MEMS to Bio-MEMS and Bio-NEMS: Manufacturing Techniques and Applications Southwest Center for Microsystems Education: http://scme-nm.org/
