Computerworld, США
Системы MEMS уже довольно широко распространены, в том числе в струйных принтерах, мониторах с большими экранами и оптических системах связи
Очень богатые люди не такие, как мы с вами», — писал Ф. Скотт Фицджеральд. Точно так же очень миниатюрные предметы и устройства находятся в других условиях, чем машины и инструменты, с которыми мы привыкли иметь дело в нашей повседневной жизни.
На микроскопическом уровне стандартные принципы классической физики не всегда верны. Такие факторы, как вес или, например, инерция, становятся менее важными, а силы, действующие на поверхности, — трение и поверхностное напряжение — приобретают намного большее значение.
Эти различия могу быть использованы в так называемых «микроэлектромеханических системах» (MicroElectroMechanical System, MEMS). На кремниевых пластинах с помощью производственных технологий, похожих на те, что применяются при изготовлении интегральных схем, создаются небольшие, иногда микроскопические механические элементы.
Под MEMS (их также называют микромеханикой или микромашинами) понимают как технологию, так и конкретные устройства размерами от микрона до миллиметра. Устройства меньшего размера называют «наноэлектромеханическими системами» (NanoElectroMechanical System, NEMS). MEMS и NEMS действуют по законам механики в крошечных версиях классических механических машин (в их числе наклонная плоскость, колесо и вал, рычаг, шкив и шнек).
Зачем их делать маленькими?
Как известно, птица может летать, а слон — нет, так и MEMS могут делать то, что не под силу более крупным устройствам. Например, датчики и пускатели — самые дорогостоящие и наименее надежные компоненты многих традиционных машин и управляющих систем. Крупные устройства не могут двигаться столь же быстро или точно, как микроскопические машины. Обеспечение точности в крупных машинах обходится дорого, и зачастую его сложно реализовать при массовом производстве.
Технология MEMS же позволяет создавать сложные электромеханические системы, которые могут двигаться, выбирать позицию, контролировать, качать и фильтровать, и для их производства в больших количествах используются массовые технологии, первоначально разработанные для отрасли полупроводниковых устройств. В этом случае затраты на изготовление и надежность таких небольших датчиков и пускателей сравнима с теми, что используются в электронных интегральных схемах, позволяя добиваться высочайшей производительности при значительно меньших расходах.
Как создать MEMS
Как правило, MEMS создают на кремниевой подложке с помощью тех же технологий микропроизводства, что предназначены для изготовления микропроцессоров и других электронных интегральных схем.
Микромеханические компоненты создаются с помощью процессов тонкой размерной обработки, при которых избирательно удаляются фрагменты кремниевой подложки и добавляются новые структурные уровни для формирования различных механических и электромеханических устройств.
Речь идет об объемной тонкой размерной обработке, где используется вся толщина кремниевой подложки, и о поверхностной тонкой размерной обработке, при которой вытравливается тонкий слой кремния для того, чтобы придать подвижность находящимся под ним механическим структурам.
При создании MEMS используются три основных процесса: напыление, фотолитография и вытравливание. При напылении тонкие слои материала наносятся на подложку с помощью гальванопокрытия, физического или химического осаждения металла из паровой фазы и распыления (при котором атомы металла выбиваются из чистого металла с помощью ионов плазмы, а затем осаждаются на подложке). Такими напыляемыми материалами могут быть полимеры или металлы, например золото, никель, алюминий, хром, титан, вольфрам или серебро.
Фотолитография применяется и для напыления, и для вытравливания с целью нанести шаблон или чертеж устройства на подложку. Эта подложка сначала покрывается фоточувствительным материалом, после чего детали закрываются маской. Затем их можно выборочно открыть для источника излучения. Открытая область будет иметь иные свойства, чем закрытая, и ее затем можно удалить или обработать.
При влажном травлении материал удаляется выборочно путем погружения его в химический раствор. При сухом травлении, также называемом реактивным ионным травлением, подложка помещается в реакционный аппарат, куда вводятся газы, и с помощью радиочастотного источника питания создается плазма. Ионы плазмы ускоряются и направляются на поверхность материала, где в результате реакции формируются другие газы.
Помимо этого химического процесса применяется физический процесс, аналогичный распылению, при котором заряженные ионы выбивают атомы из подложки, но химической реакции при этом не происходит. Сочетание химического и физического травления позволяет получать разный эффект, в том числе стенки с различными профилями, от округлых до вертикальных.
Новый процесс травления использует чередующееся введение двух разных газов. Тем самым на стенках создаются устойчивые к разъеданию полимеры, а удаляемый материал остается только на горизонтальных поверхностях. Это позволяет выполнять глубокое травление, которое может удалять материал на всей глубине кремниевой подложки.
При изготовлении MEMS применяются некоторые другие процессы, заимствованные не из отрасли полупроводниковых компонентов. Сюда относится использование машин для формования и электроэрозионной обработки.
Сфера применения
Несмотря на то что эта технология только начинает развиваться, устройства MEMS уже применяются довольно широко, в том числе в струйных принтерах, телевизорах с большими экранами, системах раскрытия подушек безопасности и датчиках давления, используемых в автопокрышках, и в некоторых системах для измерения кровяного давления. Кроме того, MEMS используются в модулях контроля движения, которыми оснащается игровая система Wii компании Nintendo.
В телекоммуникациях MEMS практически стали синонимами массива небольших наклонных зеркал, используемых в оптической коммутационной структуре.
Стремясь уменьшить размер или вес объектов, перемещаемых в космосе, NASA использует MEMS для микрогироскопов, микродвигателей, масс-спектрометров и других устройств.
Больше о MEMS
- Полезное руководство по MEMS: home.earthlink.net/~trimmerw/mems/tutorials.html
- Множество микрофотографий MEMS: mems.sandia.gov/scripts/images.asp