1

Introdução aos MEMS

1.1. MEMS ?

1.2. Aplicações

1.3. Importância tecnológica e comercial dos MEMS

1.4. Principais técnicas de microfabricação

1

2

MEMS ? 1.1

Índice

•  MEMS Sistemas Micro Eletro Mecânicos (ou simplesmente MEMS), são sistemas de dimensões reduzidas (desde alguns mícrometros até milímetros), fabricados por técnicas de microfabricação derivadas da microeletrônica, nos quais são implementados dispositivos e/ou circuitos microeletrônicos com elementos móveis como cantilevers, membranas, engrenagens, etc.

•  MST (Micro System Technologies Europa ¤  Sistemas com estruturas de dimensões da ordem de micrometros e cuja

função técnica é dada pela forma da microestrutura. Microsistemas combinam vários microcomponentes otimizados num sistema único, para realizar uma ou varias funções especificas, em muitos casos incluindo microeletrônica. (NEXUS, European Network of Excellence in Multifunctional Microsystems)

•  “Micromaquinas” Japão

Introdução

3

1.1 MEMS ? Sistema “micro eletro mecânico ?

Para entender o que isso significa, considere como exemplo, a tecnologia dos Sensores de Pressão

Método tradicional :

Fonte : http://www.omega.com/literature/transactions/volume3/

  Grandes dimensões

  Resposta lenta

  Baixa sensibilidade

4

1.1 MEMS ? Sensor de pressão baseado em MEMS

baseado em MEMS :   Pequenas dimensões

  Microusinagem das estruturas móveis

  Possibilidade de Integrar a eletrônica de controle

  Baixo tempo de resposta e alta sensibilidade

Elementos piezoresistivos

Montagem

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Formas de Atuar

  Eletrostática

  Piezoelétrica

  Térmica

  Magnética

  “Memory Shape”

1.1 MEMS ? Atuadores baseados em MEMS

Fe ~ ½ CV2 / x Fe ~ CV2

6

  Cabeçotes injetores para impressoras jato de tinta   Acelerômetro e sensores de pressão para a indústria automotiva (freios

ABS, airbags, etc) : Dos ~100 sensores existentes num automóvel moderno, 30 são baseados em MEMS !

  Microatuadores para cabeças de leitura/escrita de HD’s   Microsistemas para óptica e opto-eletrônica

  Matrizes de espelhos (projetores)   Microfluídica : Sensores e atuadores para Biologia, Medicina e

Farmacologia   Microcanais, microbombas e microválvulas controle de fluxo (líquido e

gasoso)   Sensores de pH, sensores de pressão sangüínea, Injetores para

dosificação de remédios

  Micro-robótica e sistemas complexos   Estudo de fenômenos físicos e desenvolvimento de novas tecnologias :

  Caracterização de materiais,   Nanotecnologia (Nano MEMS ou NEMS)

Aplicações dos MEMS 1.2 Introdução

Índice

7

Exemplos de utilização de MEMS

MEMS em automóveis

1.2 Aplicações

8

Acelerômetros, ADXL (Analog Devices Inc.)

Micro espelhos móveis, DMD (Texas Instruments Inc.)

Cabeças Leitura/Escrita HD’s (Hitachi, 2007)

“Lab on a Chip” (Caltech, 2007)

Exemplos

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Micro máquinas (Sandia Lab)

Micropontas para AFM

1.2 Aplicações

10 Índice

Pelo fato de serem fabricados por técnicas bem estabelecidas e oriundas da tecnologia dos circuitos integrados, os MEMS baseados em Si experimentaram uma evolução extraordinária, tanto do ponto de vista tecnológico como comercial. Isso originou :

•  uma Indústria florescente, dinâmica e em franca expansão, particularmente na área de microestruturas, sensores e atuadores

•  Interesse em áreas muito diversas : industria automotiva, farmacêutica, telecomunicações, eletrônica de consumo, biotecnologia e medicina, microeletrônica e opto-eletrônica.

Devido a suas características intrínsecas e à relação com a Microeletrônica, os MEMS de Si apresentam :

•  Alta sensibilidade e Baixo tempo de resposta •  Baixo custo e Confiabilidade •  Alta reprodutibilidade

¤  Microsistemas complexos

¤  Microfluídica

¤  Nanotecnologia

Importância tecnológica e comercial dos MEMS 1.3

Importância científica, no estudo de novos fenômenos físicos :

Mercado Total de MEMS (por produto) 1.3 Mercado

CAGR : 13%

12

Mercado Total de MEMS 1.3 Mercado

13 Índice

1.1 MEMS ?

•  Como já mencionado, o sucesso comercial dos MEMS se deve, em grande parte, à infra-estrutura já estabelecida na industria de CI’s e de microeletrônica em geral. Pelo mesmo motivo, o Silício e materiais a ele correlacionados (como o SiO2 e Si3N4, por exemplo) têm sido os mais utilizados no desenvolvimento comercial de MEMS. Por outro lado, no meio científico e acadêmico diversos novos materiais têm sido estudados e utilizados para explorar novas e diversas aplicações :

Diversidade de áreas de aplicação

Diversidade de dispositivos

Diversidade de materiais

Diversidade de processos

MEMS : Materiais & Processos

14

1.1 MEMS ?

MEMS

Diversidade de processos

•  Propriedades Físicas : dureza, modulo de elasticidade, condutividade térmica e elétrica, stress interno, etc.

•  Propriedades Químicas : composição, estabilidade química, etc.

•  Propriedades Tecnológicas : seletividade na corrosão, crescimento conforme, etc.

Diversidade de materiais

•  Temperatura dos processos : por exemplo, em materiais poliméricos, orgânicos,etc.

•  Estruturação 3D : alta relação de aspecto, processos de polimento, ....

•  Dimensões : de micrômetros a centímetros ...

•  Encapsulamento : manipulação de gases, líquidos, etc.

MEMS : Materiais & Processos

15 Índice

1.1 MEMS ? MEMS vs. Microeletronica

Microeletrônica

• Circuito lógicos • Computadores, • Processadores digitais

• Amplificadores • Hi-Fi, • telecomunicações RF e Wire less,

• Memorias • DRAM, SRAM, ...

• CCD’s • Câmaras Digitais

MEMS

• Eletrônica • Cabeçotes para leitura e

escrita em HD’s • Cabeçote para impressão

Jato de tinta

•  Industria Automotiva

• Acelerômetros (Airbags, freios ABS)

• Sensores de pressão • Sensores de navegação

• Medicina e • Meio Ambiente

• Sensores de pressão sanguinea

• Dosificação deremédios

• Tele Comunicações

• Câmaras Digitais

• Filtros e reles de RF • Componentes para redes

de fibra óptica

• Defesa

Exemplos Área Exemplos Área

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•  “Lei dos MEMS” :

MEMS vs. Microeletrônica

•  baseada principalmente num único dispositivo : o transistor

•  baseada quase totalmente em Si e SiO2

•  baseada principalmente numa única tecnologia : quase 80% de toda a microeletrônica se baseia na tecnologia CMOS.

•  Estruturas 2D

Microeletrônica

•  Diversos dispositivos

•  Diversos materiais

•  Diversas tecnologias, algumas especificas de MEMS, em especial para estruturação 3D

MEMS

Introdução

Uma tecnologia para cada microsistema

17 Índice

•  1798 - A Litografia é inventada •  1855 - Adolf Fick estabelece a teoria da Difusão •  1918 - Czochralski introduz a técnica que leva seu nome para crescimento de cristais •  1925 - É introduzida a técnica de Bridgman para crescimento de cristais •  1952 - A dopagem por difusão é introduzida (por Pfann) como método de dopagem de Si •  1957 - O Fotoresiste começa a ser utilizado (por Andrus); O mascaramento com SiO2 começa a ser utilizado (por Frosch e Derrick)

O Crescimento Epitaxial é desenvolvido por Sheftal et al. •  1958 - Shockley propõe o uso da Implantação Ionica como processos de dopagem •  1959 - J. Kilby e Noyce inventam o Circuito Integrado •  1963 - O conceito CMOS é proposto por Wanlass and Sah •  1967 - As memorias DRAM são inventadas (por Dennard) •  1969 - A utilização de portas de poli-Si auto-alinhamento (por Kerwin et al.) A técnica MOCVD é desenvolvida (por Manasevit and Simpson) •  1971 - A técnicas de “Dry Etching” é desenvolvida por Irving et al.; A técnica BEM é desenvolvida (por Cho) A Intel fabrica seus primeiros microprocesadores •  1982 - A tecnologia de isolação por “Trench” é introduzida (por Rung et al.) •  1989 - A técnica de polimento quimico-mecanico (CMP) é desenvolvida (por Davari et al.) •  1993 - Introdução da Interconexão de Cobre em substituição do Al (por Paraszczak et al.)

1.2 Aspectos históricos MEMS : Processos de Microfabricação (cronologia) :

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•  1948 : Transistor (J. Bardeen, W. H. Brattain e W. Shockley Bell Lab) •  1954 : C.S. Smith : "Piezoresistance Effect in Ge and Si" •  1958 : Comercialização dos primeiros sensores de esforço de Si •  1958 : 1er Circuito Integrado (de Ge) (Jack Kilby, da Texas Instruments •  1959 : R. Feynman : “There’s plenty of room at the bottom” •  1961 : Demonstração dos primeiros sensores de pressão •  1967 : H.C.Nathanson R : “The Resonant gate transistor” •  1967-68 : Deep Anisotropic Etching, bulk micromachining e anodic bonding •  1970 : Demonstração dos primeiros acelerometros de Silício •  1979 : Demonstração das primeiras bocais microusinados •  1982 : K.Petersen : “Silicon as a mechanical Material” •  1983 : Comercialização dos primeiros sensores de pressão integrados

(Honeywell) •  1988 : Desenvolvimento da tecnologia LIGA (W. Ehrfeld et. Al.) •  1986 : Silicion bonding •  1988 : Primeira conferencia de MEMS •  1988 : Processamento em lote utilizando “wafer bonding” (Nova Sensor) •  1990’s : Década dos Sensores

MEMS : Introdução

Volta

19

•  Epitaxia •  Oxidação e Crescimento de filmes •  Dopagem •  Fotolitografia •  Corrosão •  Soldagem direta de Si (SOI)

•  Soldagem Anôdica •  Polimento Mecânico e Químico

(CMP) •  Secagem Supercrítica •  Eletrodeposição e Moldagem (LIGA) •  Processos Não litográficos

Processos derivados da tecnologia do Si

Processos da tecnologia dos MEMS

•  Corrosão

Técnicas de Microfabricação

Índice

1.4

20

Técnicas de Microfabricação :

Deposição alternada de filmes Estruturais e de Sacrifício

•  Microfabricação em Substrato

•  Microfabricação em Superfície

•  Processos envolvendo Deep RIE + “Fusion Bonding”

MEMS de Si

A combinação de diversos processos de fabricação, sejam derivados da microeletrônica ou desenvolvidos especialmente para MEMES, dão origem a diferentes “técnicas de microfabricação”. Em geral, estas técnicas não são descritas em termos muito rígidos e dependem dos materiais utilizados. No que concerne aos MEMS baseados em Si, podemos destacar :

Remoção parcial ou total do substrato de Si

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Microfabricação em substrato

Microestruturas

Método Simples e Barato

Sensores de Pressão

Técnicas de Microfabricação

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Microfabricação em superfície Técnicas de Microfabricação

SIO2

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Propriedades requeridas importantes   Propriedades elétricas : condutividade, gap de energia,

piezorresistividade, piezoeletricidade...

  Propriedades Mecânicas : Módulo de Elasticidade, Dureza, Tensão mecânica e gradiente de tensão ...

  Propriedades Térmicas : Condutividade térmica e coeficiente de expansão térmica,

  Propriedades Ópticas e Químicas : Absorção óptica, refletividade, índice de refração, molhabilidade

  Propriedades Tecnológicas : Resistência e Seletividade em processos de corrosão e Compatibilidade processos de Microeletrônica,

Introdução Materiais para MEMS

24

Materiais para MEMS Introdução

25 Índice

1. Introdução aos MEMS

Ler :

*  “There’s plenty of room at the bottom”, Richard Feynman, 1959.

*  Status of the MEMS Industry : Evolution of MEMS Market and of the Industrial Infrestruture”, J.C. Eloy, Sensors & Transducers Journal, Vol.86, Issue 12 (2007) 1771-1777.

*  Cap.1 do livro “An Introduction to Microelectromechanical Systems Engineering”, N. Maluf and K. Williams, 2a Ed., 2004. Disponível como e-Book no Dedalus (http://200.144.190.234/F)

A leitura é obrigatória : O conteúdo destes e outros textos indicados no futuro, será cobrado em exercícios e provas.

Trabalho 1