Mizei Jáno "There i plenty of room at the bottom." (Odalenn rengeteg hely van.) R. P. Feynman Integrált mikrorendzerek 1. Bevezeté Az integrált mikrorendzer olyan, mikroelektronikai technológiákkal létrehozott, nagymértékben kompakt rendzer, melynek működéében alapvető zerepe van annak, hogy elemei igen ki méretűek é egymáal zoro (elektromo, termiku, mechanikai, optikai, mágnee, kémiai) catolában vannak. Integrált mikrorendzerek az elterjedten haznált integrált áramkörök i. Ezekben az elemek közötti elektromo catolá a jellemző, de egyéb kölcönhatáok em hanyagolhatók el, mert egye eetekben hatáuk döntően befolyáolhatja az áramkör tulajdonágait. Az előbbi definícióból látható azonban, hogy az integrált mikroáramkör kategória az integrált mikrorendzer kategória eleme. Az integrált mikrorendzerek fejlődée igen gyor, bár még ok területen cak laboratóriumi kíérletek é eredmények léteznek, mégi igen ok célra kézítenek ilyen ezközöket. A fejlődé jelenlegi állapotában a különféle mikroérzékelők é beavatkozók adják az integrált mikrorendzer kategória elemeinek többégét, de integrált mikrorendzer az elektronikában zélekörűen alkalmazott optocatoló i. 2. Mikromechanika 2.1 Bevezeté Az utóbbi évtizedek mikroelektronikai forradalma egyértelműen a zilícium é vegyületei kiváló villamo é technológiai tulajdonágain alapul. Ezek a tulajdonágok, mint a könnyű oxidálhatóág, az oxid kiváló villamo é mechanikai jellemzői, jó megmunkálái lehetőégek nedve é záraz kémiai eljáráokkal, tették lehetővé a planártechnológia kifejleztéét. Ez az integrált áramkörök gyártáára alkalma eljárá alapjában véve felületi (2 dimenzió) technológia. Az egykritályoknak nemcak az elektronikai, hanem a mechanikai tulajdonágaik i kiválóak. Nagy húzózilárdág, nyomózilárdág jellemzi ezeket az anyagokat. Tartó é imételt igénybevétel eetén inc zerkezeti illetve zilárdági változá, vagyi rugalmatlan alakváltozá é fáradá em lép fel. A Si különöen kitűnik azzal, hogy keményebb, mint a legtöbb fém. Gépelemként, műzerek mechanikai elemeként való felhaználáának (3 dimenzió technológia) okáig akadálya volt ridegége, ezáltal a hagyományo mechanikai technológiák alkalmazhatatlanága. Változott a helyzet az anizotrop mará lehetőégének felimeréével. Ez azt jelenti, hogy léteznek olyan zerve é zervetlen vegyzerek, melyek a zilíciumot olymódon oldják, hogy az oldódá ebeége a kritálytani irány függvénye. Az ilyen marózerek alkalmazáával, valamint újabban a plazmában végrehajtott záraz maráal lehetége térbeli alakzatok kialakítáa. Így lehetőég van mechanikai gépelemek, őt gépek előállítáára a 1
mikroelektronikai ezközökkel megegyező méretben i. Ezt a rendkívül finom technológiát nevezzük mikromechanikának (angol neve Micromachining). Izotrop vagyi irányfüggetlen é anizotrop mará kombináláával elvileg tetzőlege alakú háromdimenzió alakzat hozható létre. Az elmúlt néhány évtizedben az elektroniku alkatrézek méretei a cm-e tartományból a mikrométere méretek tartományába cökkentek. Jelenleg haonló forradalmi változáok vannak a mechanikai alkatrézek tekintetében. A mikromechanikai rendzerek előnyei a következők: (a) Nagyobb teljeítmény. Minthogy a rendzer működééhez zükége idő a rendzer lineári méreteivel arányoan nő, a tizedére kicinyített rendzer ebeége tízzereére nőhet. (b) Nagyobb pontoág. A hőméréklet hatáára bekövetkező torzuláok, méretváltozáok, a mechanikai rezgéek zavaró hatáa a méretcökkenté következtében egyre kiebb jelentőégű. (c) A ki erőhatáok é a ki tömegek egyre finomabb rendzerek építéét tezik lehetővé. A ki tömeg űrtechnikai alkalmazáok eetén döntő jelentőégű lehet. (d) Nagyobb hatáfok. Az anyagköltégek a méretek harmadik hatványával (a térfogattal) arányoak, a kiméretű rendzerek nagyon drága, de nagyon jó tulajdonágú, különlege anyagokból i vizonylag olcón felépíthetők. Az anyag megválaztáának ez a zabadága lehetőéget ad a tervezőnek a hatáfok növeléére. (e) Helytakarékoág. A korzerű gyártórendzerekkel kapcolato megfontoláokban fonto tényező az alapterület é költégei. A ki rendzerek beépítée cökkenti ezeket a költégeket. Egy elektronikából vett példa a fentiek zemléltetéére: dizkrét alkatrézeket meglehetően drága lenne arany huzalokkal catlakoztatni egymához. Integrált áramkörökben az arany vezeték alkalmazáa teljeen megzokott, é az erre a célra felhaznált arany értéke elhanyagolhatóan kici. Ugyanakkor az integrált áramkörök ebeége már cak annak közönhetően i nő, hogy az egye alkatelemek közelebb vannak egymához. Haonló hatáa lehet a méretcökkentének a mikromechanikai rendzerek alkalmazáában. A méretcökkenté é a mechanikai tulajdonágok özefüggéére jó példa az egyik legújabb felületvizgáló berendezé a páztázó alagút mikrozkóp. Megvalóítáát alapvetően az tette lehetővé, hogy a kontruktőrök felimerték: a páztázó rendzert ki méretben elkézítve a zavaró rezgéek kiküzöbölhetők. Ennek alapja az, hogy a kiméretű rendzerek rezonancia frekvenciái olyan ávba enek (ultrahang), amely eltér a környezetből zármazó zavarok frekvencia ávjától. 1.a. ábra. A mechanikai objektumok logaritmiku méretkálája 2
Az 1. ábra mutatja a rendzerek felépítéére zóbajöhető mérettartományokat. A közeljövőben néhány kilométernél nagyobb rendzerek felépítée (a legnagyobb, ember által felépített rendzerek egyelőre, a közeljövőre a hidak) nem várható, ugyanakkor a máik oldalon néhány nagyágrendnyi mérettartomány még kihaználatlan. A korlát itt az atomi méretek tartománya, amit - egyelőre még cak demontratív célzattal ugyan -, de mári ikerült elérni páztázó alagút mikrozkópban végrehajtott anyagleválaztáal. A középkori kelet lenyűgöző műzaki alkotáa a Nagy Fal. Mellette méretben eltörpül, de jelentőégében kimagalik a jelenkor technológiájának nagy eredménye a Ki Fal. Ez olyan, mikroelektronikai technológiákkal kézített alakzat, aminek magaága jóval nagyobb, mint a zéleége. Megvalóítáa igen jól kidolgozott mikromegmunkálái technológiát igényel, ami mindenféle mikrorendzer előállítáának alapja. Az emberi zem zámára a mikrométer alatti tartományokat már a fénymikrozkóp 3
(M) em tudja láthatóvá tenni. Az atomi méretekben megvalóított rendzerek páztázó elektronmikrozkópiával (PEM), tranzmizió elektronmikrozkópiával (TEM), eetleg páztázó alagútmikrozkópiával (STM), vagy atomerő mikrozkópiával (AFM) vizgálhatók. A 2. ábra mutatja a mikromechanika vizonyát a kapcolódó tudományterületekhez, technológiákhoz. 2.ábra. A mikromechanika é a kapcolódó zakterületek vizonya Az apró, integrált mechanikai rendzerek alkalmazái lehetőégei kitágíthatják a zerelétechnológia korlátait. Az új elektronikai generáció okkal több özeköttetét igényel, az alkatrézeket egyre közelebb kell elhelyezni egymához a terjedéi idők cökkentééhez, valamint egyre kiebb méretű alkatrézeket é kötéi felületeket kell alkalmazni a kapacitáok cökkentée céljából. Kézenfekvő a gondolat, hogy a kiméretű alkatrézek kiméretű robotokkal zerelhetők. Sok elektronikai zereléi művelet egy cézealjnyi területen megoldható lenne a megfelelő méretű zerelőrobottal. Termézeteen a kiméretű zerelőrobot zerelééhez zintén kiméretű zerelőrobot zükége. A mikromechanika legelő alkalmazáa érzékelők é beavatkozók területe volt (egyik végén befogott rezgő lemez, gyorulámérő, rezgéérzékelő, termikuan vezérelt lehajló lemez). Kéőbbi alkalmazáokban fogakerekek, fogakereke é membráno zivattyúk, zelepek, tintakilövő nyomtatók, fluid erőítő, ultrahang átalakító, mikrofon, mikrocipez, hőemitter mátrix, elektroztatiku mikromotor kézültek ily módon. Az orvotudományban a tetbe ültethető operáló, vagy egyéb célú robotok ki mérete, az űrkutatában a mikromechanikai rendzerek ki tömege nyithat - a zó zoro értelmében i - új távlatokat. A lehetőégeket azok fogják cak igazán fölmérni, akik mot kezdenek foglalkozni a témakörrel. Igen lényege tényező a mechanikai rendzerek fejleztőinek, tervezőinek zemlélete. A hagyományo technológiákkal megvalóítható mechanikai mikrozerkezetek cúcteljeítménye a karóra már többzáz éve kontrukció. Ezt túlzárnyalni eddig több oknál fogva nem ikerült. Az elő legfőbb ok, hogy a mechanikai zerkezetek közvetlen ember-gép kapcolat eetén cak az emberi méretekkel özemérhető megvalóítában válnak kezelhetővé. A további okok gazdaági illetve technológiai termézetűek. A hagyományo mechanikai zerkezetek további kicinyítée nem jár lényege gazdaági előnyökkel, az elterjedten haznált gépézeti technológiai módzerekkel egyébként i lehetetlen. A közvetlen ember-gép kapcolat zükégtelenné váláa (automatizálá, robottechnika) é a mikroelektronikai technológiák bevonáa a mechanikai rendzerek megvalóítáába ezt a helyzetet lényegeen megváltoztatja, ehhez kell alkalmazkodnia a fejleztői zemléletnek i. 4
2.2. Elméleti megalapozá: a méretcökkenté következményei A méretcökkenté hatáának feltáráához meg kell vizgálni a különféle erők (tehetetlenégi erő, elektroztatiku é elektromágnee erők, gravitáció) é a különféle áraműrűégek (elektromo áram, hőáram, anyagáram, elmozdulá) kapcolatát, az energia é teljeítményvizonyokat, illetve az előbbiekben felorolt mennyiégek vielkedéét arányo kicinyíté eetére. A vizgálatok elvégzée arra i válazt ad, hogy a méretcökkenté milyen változók tekintetében jár előnyö hatáal. Az elő lépé annak eldöntée, hogy milyen erők zükégeek a rendzer működééhez. Az eredmények zemléltetéére alkalma formalizmu egyzerre több, különböző eet megoldáát egyzerű alakban foglalja öze. A rendzer lineári méretét jelöli. Megválaztáa önkénye lehet, lényeg az, hogy a jellemző méret megválaztáa után a máretcökkenté az öze méretre egyaránt vonatkozik. Az F 1 2 3 4 egyenlet négy, különféle lehetőéget zemléltet az erőtörvény vielkedéére a méretcökkenéel zemben (itt az ozlopvektort cak mint egy rövidített, az áttekintét egítő, özefoglaló írámódot haználva). Az erő [ 1 ] zerint változik, vagyi az erőhatá a rendzer lineári méreteivel arányo a felületi fezültéggel (vonal mentén ható erő) é az elektroztatiku erőkkel működő rendzerekben (E=[ -0.5 ] feltétel mellett, vagyi ha a cökkenő méretek növekvő térerővel járnak együtt). Igen gyakori az F=[ 2 ] törvényzerűég. Ez érvényeül a felülettel arányo erőkre (nyomá, biológiai erők, ahol az izomkereztmetzet a meghatározó tényező, elektroztatiku erőkre az E=[ 0 ] feltétel mellett, vagyi a mérettől független térerő feltételezéével, mágnee erőkre a J=[ -1 ] feltétel mellett, amely a tekerc beleje é a környezet közötti állandó hőmérékletkülönbég követelményéhez tartozik). Az F=[ 3 ] eet a mágnee erőhatára érvénye, a J=[ -0.5 ] feltétel mellett, amely a tekerc felületén kialakuló hőáram állandó értéken való tartáából adódik. Végül állandó elektromo áraműrűéget feltételezve (J=[ 0 ]) a mágnee erő F=[ 4 ] zerint változik a méret cökkentéével. Alapvetően ez a legutóbbi özefüggé világít rá annak okára, hogy a mikrorendzerekben a mágnee erőkkel való mozgatá jelentőége kiebb, a nagy rendzerekben (erőművek generátorai) pedig az elektroztatiku kölcönhatáok hanyagolhatók el. A körülményektől függően további megfontoláokra lehet zükég, ha egyéb korlátozó tényezők i fellépnek, vagy egye korlátozó tényezőknél enyhébb feltételek i elegendőek. Vékonyrétegekben például a hőfejlődé mellett az elektromigráció (elektronzél) jelenége i korlátozhatja az áraműrűéget. A zupravezetők eetlege alkalmazáa pedig cökkentheti az áraműrűéggel kapcolato nehézégeket. Minthogy a tárgyak tömege 3 zerint változik, ezért a gyorulára 5
6 1 0 1 2 / m F a, a mozgá véghezviteléhez zükége időre 0 0,5 1 1,5 / 2 a x t özefüggé orozat adódik. Még a legrozabb, F=[ 4 ] erőtörvény eetére i változatlan marad a mozgá végrehajtához zükége idő. Négyzete erőtörvény eetére ez az idő arányoan cökken a lineári méretek cökkentéével. A ki méret tehát a ebeég megnövekedéét eredményezi. Minthogy a tehetetlenégi erők egyre kiebbek, ok eetben a feladat dinamikai megközelítée kinematikai megközelítéel váltható fel, ami új zabályozátechnikai elvekhez vezethet. Igen fonto a méretcökkenté hatáa a teljeítményvizonyokra, illetve a térfogategyégben felzabaduló teljeítményre. Az előbbi írámódot haználva a teljeítmény a megfelelő orok kitevőinek özegeként adódik:, / 5 3.5 2 0.5 0 0.5 1 1.5 1 1 1 1 4 3 2 1 t Fx P a teljeítmény űrűége pedig (V=[ 3 ] ). / 2 0.5 1 2.5. V P 2.3. Technológiai alapok A mikromechanikai rendzerek ténylege megvalóítáához az alapot az a technológiai fejlődé adta, amit a mikroelektronika igényei kényzerítettek ki. A mikromechanikai elemek technológiájának illezkednie kell a mikroelektronikai elemek technológiájához, hogy egyzerre legyenek megvalóíthatók az elektromechanikai rendzerek. A technológiák azerint, hogy mire irányulnak, két nagy coportba orolhatók. Az elő coportba tartoznak azok, amelyek a hordozó felületére leválaztott rétegekkel kapcolatoak (felületi mikromechanika), a máodik coportba pedig azok, amelyek az egykritályo (zilícium), vagy amorf (üveg, kvarc) hordozók megmunkáláára zolgálnak (tömbi mikromechanika). Egye eetekben or kerülhet a felületi mikromechanika, é a tömbi mikromechanika együtte alkalmazáára i.
A felületi rétegek tekintetében a legfontoabb é a legtöbbet haznált technológiai lépéek a különféle üvegek, zigetelő é vezető rétegek, valamint a polikritályo zilícium rétegek leválaztáa, e rétegek zelektív maráal való megmunkáláa. A felületen elmozdulára képe alkatrézek megvalóítáához legalább két polikritályo zilícium réteg, é két üvegrétegréteg leválaztáa é megmunkáláa zükége, de az állóréz - mozgóréz - tengely elemhárma igazán jól három polikritályo zilícium réteg leválaztáával oldható meg. Az egykritályo zilícium hordozó megmunkálái technológiái közül nagy jelentőégű az alapanyag marái technikájának fejlődée (irányfüggő kémiai marái technikák, plazmamará, ionmará, zelektív marái lehetőégek), valamint a több Si vagy üveg hordozó egymához kötéi lehetőége (hevíté, préeléel egybekötve, anódo köté). Végül célzerű mégegyzer özefoglalva áttekinteni, hogy mi az oka a zilícium hordozó különlege zerepének a mikromechanika területén. Az, hogy a félvezető iparba befektetett óriái anyagi é zellemi erőfezítéek ne cak a mikroelektronika területén kamatozzanak cak az egyik ok. Valójában, haonlóan a zilícium mikroelektronikára nézve kedvező elektromo tulajdonágaihoz, a mechanikai (ld. 1. táblázat) é termiku tulajdonágai (ld. 2. táblázat) i igen kedvezőek. Sűrűége kiebb, mint az alumíniumé, egye mechanikai tulajdonágai mégi az acéléhoz állnak közel. Igen kici a hőtágulái együtthatója, tehát tabil zerkezetek kézítéére alkalma. Az elektromo é mechanikai elemek integrálhatóága, valamint a technológiai lehetőégek (egézen az atomoan ík felületek megvalóítááig) olyan további előnyök, amelyeket nehéz lenne felülmúlni. Van azonban néhány zabály, amit célzerű betartani a zilícium mechanikai alapanyagként való alkalmazáához. Az alacony felületi, tömbi é élek menti hibaűrűég a mechanikai fezültégek minimalizáláának feltétele. A tervezé orán ügyelni kell arra, hogy azok a tartományok, ahol jelentő a mechanikai fezültég, kicik legyenek. A mechanikai megmunkálát lehetőég zerint ki kell küzöbölni, ha mégi or kerül rá, a érült rézeket le kell marni. Egye technológiai lépéek után (anizotróp mará) nagyon éle arkok keletkeznek. Ezeket (izotróp maróval) le kell marni, ha fennáll az a vezély, hogy a arkokban jelentő mechanikai fezültég alakul ki. Kerülni kell a zilícium felületek egymához való úrlódáát. Si 3 N 4 vagy SiC bevonat alkalmazáa előnyö. Végül, mint az a mikrorendzerek technológiájában általáno, lehetőég zerint alacony hőmérékletű technológiákat kell haználni. Anyag Sűrűég Rugalmaági Szilárdág Keményég Modulu (Knoop) g/cm 3 10 11 N/m 2 10 9 N/m 2 kg/mm 2 Gyémánt 3.5 10.35 53 7000 SiC 3.2 7 21 2480 SiO 2 2.27 0.73 8.4 Si 3 N 4 3.1 3.85 14 3486 Si 2.3 1.9 7 850 Fe 7.8 1.96 12.6 400 Acél 7.9 2 2.1 660 W 19.3 4.1 4 485 Mo 10.3 3.43 2.1 275 Al 2.7 0.7 0.17 130 7
1. táblázat. A mikromechanikai alkalmazáok zempontjából fonto anyagok mechanikai jellemzői Anyag Hővezeté Hőtágulá Olvadápont W/cmK 10-6 /K o C Gyémánt 20 1 800, elég SiC 3.5 3.3 1400, elég SiO 2 0.5 1610 Si 3 N 4 0.19 0.8 1900 Si 1.57 2.33 1415 Fe 0.8 12 1528 Acél 0.33 17.3 ~1500 W 1.78 4.5 3400 Mo 1.38 5 2622 Al 2.36 25 660 2. táblázat. A mikromechanikai alkalmazáok zempontjából fonto anyagok termiku jellemzői Az 1-2. táblázatokban a zilíciumon kívül több olyan anyag i zerepel, amely a mikromechanikai alkalmazáokban várhatóan fonto lez. Ezek közül ki kell emelni a gyémántot é a zilícium vegyületeit. A gyémánt előállítáára mikroelektronikai technológiákkal i or kerülhet, ha mindennapi alkalmazáa túl költége i, egye célokra különlege tulajdonágai következtében hamaroan verenyképeé válik. 2.3.1. Szilícium egykritályok zelektív, anizotróp maráa A marái technológia zelektivitáa azt jelenti, hogy az egye megmunkálandó tartományokban a marái ebeég lényegeen eltérő. A zelektivitá megkönnyíti é pontoabbá tezi adott mennyiégű anyag eltávolítáát. Szelektivitá hiányában a marái folyamat technológiai paramétereit okkal pontoabban kell tartani, még így i nehéz kellő reprodukálhatóággal dolgozni. A marái ebeég eltéréének különböző okai lehetnek (eltérő anyagok, zilícium eetén eltérő adalékolá). Az anizotrópia a marái ebeég irányfüggéének következménye. Az irányfüggé oka lehet az, hogy egykritályo anyagokban a különféle kritályíkokban a rácatomok űrűége nem azono. Példa erre a Si egykritály. Ebben a legnagyobb az atoműrűég az <111> ík felől nézve, tehát ebből az irányból legkiebb a mará ebeége. Anizotrópia eredhet magából a marái folyamatból i. Egye eljáráok ugyani a megmunkálandó felületre merőlegeen nagyobb ebeéggel működnek. Ekkor a mazk alá maródá kici, így igen meredek falú árkok kézíthetők. A kritálytani irányoktól függő marái eljáráok tárgyaláához célzerű áttekinteni a zilícium egykritály zerkezetének jellegzeteégeit: elemi cellája egy felületen középponto, köbö zerkezet, amelybe egy haonló zerkezet van beleágyazva a tetátló irányában 1/4 rácállandóval eltolva. Ez a gyémántrác, ennek közönhetőek a zilícium kiváló mechanikai 8
tulajdonágai. Az elemi cellát é a kritályzerkezet képét különféle kritálytani indexű irányokból a 3. ábra mutatja. Elemi cella ebből a zögből a rác rendezetlennek tűnik <100> <110> <111> <112> 3. ábra. A zilícium kritályráca az elemi cellával Az egye kritálytani irányok, illetve íkok egy körlapon i ábrázolhatók ztereografiku projekcióval (4. ábra). Az ábrázolá lényege, hogy a kritályt egy gömb egyenlítői íkján a gömb középpontjába kell helyezni. Az ábrázolandó íkok normáliai, illetve az ábrázolni kívánt irányoknak megfelelő egyeneek gömbbel való döfépontját a gömb déli póluával özekötve az özekötő egyene az egyenlítői íkot metzi. Ez a 9
metzépont lez a megfelelő irány, illetve ík képe. Ugyanazon főkörökre eő íkok a vetületben i azono körre enek. A főkörök a vetületen koncentrikuan helyezkednek el, a vetíté azono főkörökön belül zögtartó. A vetíté alapkörére merőlege körökhöz rendelhető íkok képei egyeneekre enek. Az alapkör közepére eik a 4. ábra. A ztereografiku projekció <100>, é a kritályíkok képei <100>, valamint <110> orientációjú gyémántrácról Egye zervetlen lúgok (NaOH, KOH) tömény vize oldatai, valamint zerve vegyületek (legimertebb az etilendiamin é pirokatechin vize oldata, EDP) a zilicium egykritályt a felület orientációjától függő ebeéggel oldják. Legkiebb az oldái (marái) ebeég az <111> orientációban, kb 50-zer ekkora az <100> é 30-zor az <110> irányokban. Az <100> zelet felületét négy <111> orientációjú ík metzi, melyek egy oktaéder négy oldalát alkotják é 54,74 o -o zöget zárnak be az <100> lappal. A marái idom az 5. ábra zerint alakul, ha a mazk élei egybeenek a felület é az <111> orientációjú íkok 10
metzévonalával. 5. ábra. Anizotróp maráal kézített gödör geometriája A pirami formájú gödör mérete a m 2 Az ábra baloldali rézén levő pirami maráa az m mélyég elérée után gyakorlatilag befejeződik, mivel az oldallapok cak nagyon laan maródnak. A jobboldali rézén pedig egy c élhozúágu négyzete lyuk keletkezik, ahol c b 2 d. Az <100> orientációjú zelet maratáakor az <111> íkok a maró felület a [011] irányokban metzik. Ha a mazk élek az említett irányokkal nem párhuzamoak, akkor a mazk alatt i elindul a mará, míg elő nem áll a helye irányítottágú négyzet. Ezt a jelenéget i fel lehet haználni a technológia orán: a védőrétegből igen vékony membrán, áthidalá vagy konzol kézíthető az alatta elhelyezkedő zilícium eltávolítáával (6. ábra). 11
6. ábra. Áthidalá kézítée anizotróp alámaráal, kihaználva a mazk egye éleinek elorientáláát Mikromechanikai alakzatok kézítée orán gyakran előfordul, hogy adott vatagágú membrán kézítée a cél (7. ábra). Ebben az eetben a marát zigorú feltételekkel (tabil áramlái feltételek é ph-érték, hőméréklet, marái idő) kellene elvégezni. Ez igen nehéz művelet é a ponto méretek em tarthatók, különöen néhány m vatag membránok eetén. 7. ábra. Membrán kézítée anizotróp maráal A bórral erően adalékolt (N>7.10 19 /cm 3 ) "p" típuú zilícium maráa igen laú, az ilyen réteggel a mará leállítható. A marái top felhaználáához "n" típuú, néhány ohm cm 12
fajlago ellenálláú zeletből kell kiindulni. Az aktív membrán felőli oldalon bór imlantációval erően adalékolt, néhány tized m vatag "p + " réteget létrehozva, majd erre a rétegre a kívánt membránnak megfelelő vatagágú "n" típuú epitaxiá réteget növeztve a zilícium alulról a membránig kimarható (8.ábra). 8. ábra. Ponto vatágágú membrán kézítée marái top technikával Az epitaxiáli réteg ugyanolyan egykritály zerkezetű, mint az alap, benne elő lehet állítani a zükége érzékelő vagy beavatkozó elemeket, a hozzájuk tartozó áramkörrel együtt. Az izotróp marók, pl. Fluorav, alétromav é ecetav keveréke az anizotróp marókkal ellentéteen vielkednek. Ezek marái ebeége nagy az erően adalékolt Si-ban, é lelaul a maródá a nagytiztaágú n ill p anyagban. A 3.táblázat foglalja öze a leggyakrabban haznált izotrop é anizotrop marók tulajdonágait. Marózer HF+HNO 3 + Ecetav HF elektrokémiai Hőméréklet Anizotrópia Marái eb. Mará Mazk 0 C <100:<111> m/perc Leáll. réteg 25 1:1 ~3 n=p<10 18 SiO 2 25 1:1 Áraműrűég függvénye n=p<10 16 Rezizt Si 3 N 4 NaOH~KOH 50-100 400:1 ~4 P + >7.10 19 SiO 2 Si 3 N 4 NaOH~KOH 50-100 400:1 ~4 p-n átmenet SiO 2 Elektr. Kém. Si 3 N 4 EDP 60-100 50:1 ~1 P + >7.10 19 SiO 2 Si 3 N 4 Au TMAH 300:1 SiO 2 Si 3 N 4 Hidrazin 16:1 SiO 2 Si 3 N 4 fémek 3.táblázat. Irányfüggő (anizotróp) é izotróp marózerek a tömb zilícium megmunkáláához (TMAH: tetrametil-ammónium hidroxid) 13
A táblázatban található anizotróp marái technikák zéle válaztékából mindig az adott feltételeknek legjobban megfelelőt kell kiválaztani. A kiválaztá zempontjai: technológiai illezkedé, a rendelkezére álló mazk anyag é a zerkezet kontrukciójához illezkedő marái top technika. A különböző orientációjú hordozókon a mazk éleinek irányától é a marózertől függően tehát változato geometriájú "V" é "U" bemaráok kézíthetők. Ezeket foglalja öze a 9.ábraorozat. 9. ábra. "V" é "U" bemaráok <111> (A, B, C) é <110> orientációjú felületeken (D, E, F, ). A tizta KOH oldat alkalmazáa (110) lapokkal határolt idomokat eredményez (C, G ábrák). Az irányfüggő marái technikák alkalmazáa orán a jól illeztett mazk élek mentén az alámará elenyéző mértékű. A konvex arkok közelében azonban olyan kritályíkok i ki vannak téve a maró hatáának, amelyekre a marái ebeég nagyobb. A jelenég kiküzöbölééhez figyelembe kell venni az alámará ebeégének irányfüggéét (10. ábra). 14
10 ábra. Alámará irányfüggée <111> é <110> orientációjú felületeken Az alámarái jelenéget fel lehet haználni konzol kézítéére olyan mazk alakzattal i, amelynek minden éle jól orientált, tehát a mazk alól elvileg nem lenne lehetége a zilícium kimaráa. A folyamatot a 11. ábra zemlélteti. 11. ábra. Konzol kézítée a külő arkoknál meginduló alámará kihaználáával Az alámará egye alakzatokat eltorzíthat. A felületből kiemelkedő alakzatok arkai hozabb marái idő eetén a különböző irányoknak megfelelő eltérő marái ebeégek következtében okzög alakzatot veznek fel. A jelenég hatáa cökkenthető arok kompenzációval, ami a mazk olyan kiképzéét jelenti, hogy az a külő arkoknál kéleltee a marát (12. ábra). 15
12. ábra. Kompenzált mazkok a arok környéki alámaráok cökkentéére A marái folyamat elektrokémiai úton i leállítható. Az "n", illetve "p" adalékoláú zilíciumra ugyani különbözőek a paziváció potenciálok. Az elektrolitiku mará orán úgy lehet beállítani a külő fezültégeket, hogy az "n" adalékoláú zilícium zelektíven oldódjon. Az elektrokémiai marára zolgáló berendezében a zilícium anódo oxidációja i végrehajtható, valamint lehetőég van porózu zilícium kialakítáára i. Ez utóbbi anyag alkalmazáa a mikrorendzerekben jelenleg i kutatáok tárgya. 2.3.2. Száraz marái eljáráok A záraz marái eljáráok az utóbbi évtizedek technológiai fejleztéei következtében terjedtek el. Lényegük, hogy a mará ionizált gázok egítégével megy végbe. Izotrop é anizotróp módon maró eljáráok egyaránt léteznek. Az anizotrópia ebben az eetben a mazk árnyékoló hatáának eredménye, é rendzerint a nagyobb energiájú plazmákkal kapcolatban érvényeül. Kiebb plazmaenergia eetén a marái folyamat alapvetően kémiai reakciók eredménye. A 100-500eV energiájú reaktív ionokból (SF6, CCl4, CHF3) álló plazma a Simal kémiai reakcióba lép é illékony vegyületeket képez. A plazma előállítható 1-10 Pa nyomáon ík elektródák között, vagy hengere elrendezében, nagyfrekvenciá gerjeztéel (13. ábra). 13. ábra. Plazmamaró megvalóítái lehetőégei 16
Nagyobb plazmaenergia eetén a mará alatt fizikai folyamatok kerülnek előtérbe. Ezt az i mutatja, hogy nemegáz-ionokkal i lehetége marni (fizikai mará, katódporlaztá). A marái anizotrópia abból adódik, hogy a nagyenergiájú ionok leporlazják a céltárgy felületi atomjait. A porlaztá hatáfoka merőlege beeénél a legnagyobb, így a mará a felületre merőlege irányban a leggyorabb. Az eljárá hátránya, hogy a mará ebeége cak kevéé függ az anyagtól, tehát a mazkoló réteg i roncolódik. Ezt a hátrányt cökkenti a reaktív ionugara mará. Ez a fizikai mará é a kémiai mará kombinációja: nagyenergiájú mará az előzőkben leírt ionizált fluoridokkal, kloridokkal. A reaktív ionugara mará zelektivitáa jó, tehát a marni nem kívánt réteget nem, vagy cak nagyon ki mértékben károítja, ugyanakkor jelentően nagyobb a marái ebeég a felületre merőlege irányban. Az ionmará nagy előnye, hogy igen kiméretű alakzatok i előállíthatók, é így a felületre merőlegeen tetzé zerinti alakú é mélyégű zerkezeteket lehet kialakítani. Ezzel a technológiával kézült az 1. ábrán feltüntetett "Ki Fal". Az ionmaró vázlato képét mutatja a 14. ábra. 14. ábra. Ionmaró vázlata 2.3.3. Hordozók egymához kötée A különböző tömb anyagok egymához kötéének technológiáját előzör a SOI (ilicon on inulator) alapanyaggyártához fejleztették ki. A zílícium hordozók egymához kötééhez az oxiddal borított lemezeket felmelegítve egymához préelik, így azok a felületi rétegek özetapadáának következtében egymához kötődnek. Az egyik hordozót azután cizoláal el lehet vékonyítani. Az eljárá eredménye az integrált áramköri technológiában igen jól haználható, vékony, egykritályo réteg, amely tökéleteen el van zigetelve a mechanikai tartát megadó zilícium alaplemeztől. A zigetelőréteg a mikromechanikai technológiában feláldozandó rétegként zerepelhet. Az özekötéi folyamat gyorítható, illetve alaconyabb hőmérékleten végrehajtható a darabok elektromo előfezítéével, ami előegíti a rétegek ionjainak mozgáát, 17
özekeveredéét (a diffúzió anyagáramlát ekkor odródái anyagáramlá i kiéri). Az eljárá egítégével nemcak oxiddal vagy üveggel fedett zilícium lemezek köthetők öze, hanem tömb üvegek i (ekkor, a nagyobb vatagágok miatt ugyanakkora térerőhöz nagyobb fezültégre lehet zükég). Előzeteen már megmunkált munkadarabok kötéével különféle mikrogépek, gépelemek kézíthetők. A különböző tömb anyagok egymához kötéének technológiáját a 15. ábra zemlélteti. 15. ábra. Tömb anyagok (üveg, zilícium) egymához kötéi módzerei 2.3.4. Elektromo özekötteté megvalóítáa a Si hordozó két oldala között A mikroelektronika monolit IC technológiája lehetőég zerint elkerüli a hordozó irányából való elektromo catlakoztatát. Ennek oka alapvetően a technológia planár jellege, az, hogy lényege előnnyel nem járna a hátoldali catlakozá. Egye mikrorendzerekben azonban elengedhetetlen a hátoldali catlakozá megvalóítáa. Al/Si ötvözetpöttyök termomigrációjával "n" zilícium két oldala között teremthető ki ellenálláú özekötteté (16. ábra). Maga hőmérékleten (1100 o C) a Si zelet felületére 18
felvitt alumínium ötvöződik a zilíciummal, az ötvöződé a hőmérékletgradien irányában halad előre, ebeége mikrométer/perc nagyágrendű. A zelet két oldala között néhány fok hőméréklet különbéget kell tartani. Az eljárá előnye, hogy az oldalirányú diffúzió a több záz mikron vatag zeleten való kereztülhaladá után em több 3-5 mikronnál. Özeköthető a zelet két oldala mély diffúzió egítégével i. Az eljárá hátránya laúága mellett az, hogy a diffúzió anizotróp, az adalékatomok oldalirányban i mozognak. Ennek az a következménye, hogy a zelet vatagágával azono nagyágrendbe eik az özeköttetéhez zükége terület. A hátrányok cökkenthetők mindkét oldalról végrehajtott diffúzióval. Ekkor vizont meg kell oldani a diffúzió mazkok egymához való illeztéét. Ez meglehetően nehéz feladat, é a mikroelektronikában épp ezért nem bevett eljárá. 16. ábra. Özekötteté megvalóítáa a Si zelet két oldala között termomigrációval, illetve diffúzióval 2.3.5. Mozgó alkatrézek előállítáa feláldozandó rétegekkel Széle körben haználato eljárá mozgó alkatrézek előállítáára a feláldozandó rétegek alkalmazáa. Ez azt jelenti, hogy a rétegzerkezet egye elemei ideigleneek, cak azt a célt zolgálják, hogy a véglegeen megmaradó elemek ne tapadjanak egymához. A feláldozandó rétegek alkalmazáának alapfeltétele, hogy ezek zelektíven marhatók legyenek, a mará ne károíta a mikrorendzer már elkézült egyéb elemeit. Fonto, hogy a megmaradó rétegek, valamint a közéjük kémiai úton gőzfáziból 19
leválaztott (CVD) feláldozandó rétegek (pld. fozfor-zilikát üveg) ne tartalmazzanak belő mechanikai fezültégeket. A megmaradó rétegek ugyani zabadon lebegve, vagy ki rézükön befogva deformálódhatnak a belő fezültég hatáára. Feláldozandó rétegként haználható porózu vagy polikritályo zilícium, alumínium, zilícium-dioxid, különféle üvegek, mindegyik má özetételű marózerrel, illetve marái technológiával kezelhető. HF alapú marózerek eetén fotorezizt mazkolái technika vagy Si3N4 védőréteg alkalmazható a megkimélendő területeken. Komoly nehézégeket okozhat a feláldozandó réteg kimaráa után az elmozduló rétegek eetlege özetapadáa, különöen nedve marái technikák alkalmazáa eetén. Ennek megakadályozáára több, különlege zárítái eljárá létezik. A legegyzerűbb az alkoholo öblíté, majd az alkohol gyor elpárologtatáa forró felületen. A fagyaztva zárítá orán a zerkezetet ciklohexánba kell mártani, majd a hőmérékletét nitrogén áramban 5 o C alá cökkenteni. A ciklohexán befagy, majd laan elzublimál, megfelelő pozícióban hagyva a felületeket. 2.3.6. Néhány alapvető mikromechanikai technológia A mikromechanikai technológiák kiforratlanáguk miatt még jóval távolabb állnak a zabványoítától, mint az a mikroelektronikában megzokott. Jóval nehezebb tehát egy olyan eljárát válaztani, amely eléggé zemlélete. A következő néhány technológiai lépéorozat egyrézt példa az előbbiekben tárgyalt peciáli technológiák alkalmazáára, márézt rávilágít azokra lehetőégekre, amelyek a mikrozerkezetek megvalóítáában haznoak. Mint a neve i mutatja, igen egyzerű technológia a SIMPLE (ilicon micromachining by ingle tep plama etching). Az eljárá alapváltozatához olyan egykritályo hordozó zükége, amely epitaxiáli réteg alatt megfelelően kialakított n + eltemetett réteget tartalmaz (17. ábra). A tervezett alakzatok egyetlen marái lépében alakíthatók ki Cl2 alapú plazmamaráal annak következtében, hogy ez a marái módzer anizotróp a p, illetve a gyengén adalékolt n zilíciumra, az n + zilíciumra nézve vizont izotróp. Arra való tekintettel, hogy a mazk/si zelektivitá kici lehet, vizonylag vatag mazkréteg zükége a felületen, hizen a mazk anyaga i maródik. Az eljárá előnye egyzerűége, é illezkedée a mikroelektronikai technológiákhoz. 17. ábra. A SIMPLE technológia alapváltozata: rétegzerkezet a mará előtt, é a mará után 20
Az eljárá orán az "n + " tartomány zerepel feláldozandó rétegként. SOI (ilicone on inulator) hordozón i lehet haonló technológiai lépéor alkalmazáával mozgáképe elemeket kézíteni. Az "n + " tartomány maráa helyett ilyenkor a fölő zilícium réteg alatti zigetelőt egy, eetleg a felő réteg maráához haznált módzertől különböző izotróp zelektív maráal kell eltávolítani. Az előbbi technológiához kié haonló, de annak továbbfejleztett változata a SCREAM (ingle crytal reactive etching and metaliation, 18 ábra). 21
18. ábra. A SCREAM technológia A hordozóra előzör a mazk oxid kerül fel (a) plazmával egített kémiai gőzfáziú leválaztáal (PECVD). Ez a réteg a zokáo fotorezizt technikával megmunkálható (b). Anizotróp maráal a zilícium hordozóba meredek oldalfalú é igen mély árkok marhatók (c). Az egéz zerkezetre (az oldalfalakra i) ujabb oxid kerül fel (d) imét plazmával egített kémiai gőzfáziú leválaztáal, amely az árkok fenekéről zelektív anizotróp maráal 22
távolítható el (e). Anizotróp maráal tovább mélyítve a zilíciumba mart árkokat (f), majd izotróp maráal az elmozduló elemek alá marva alakul ki a kéz zerkezet (g), amelyre zükég eetén még egy katódporlaztáal felvitt fémréteg kerülhet. Lehetőég van valamennyi rétegeltávolítái é rétegépítéi lépé plazmá eljáráal való kivitelezéére, így a folyamat nagy réze egyetlen berendezében é egyetlen vákuum cikluban végrehajtható. A fotorezizt O2, az oxid CHF3 é CF4 plazmával távolítható el, a zilícium Cl2 plazmával anizotróp, illetve SF6 plazmával izotróp módon marható. A SCREAM eljárá érdekeége, hogy a zerkezet oldalfalára leválaztott réteg mazkoló hatáának kihaználáával zemlélteti annak a lehetőégét, hogy miképpen terjezthető ki a megmunkálá a felületre merőlege irányon túlra, azaz az oldalfalakra. A mikromechanikai zerkezetek kontruáláa orán gyakran zükége a cíkzéleéghez képet igen vatag réteg előállítáa. Erre a célra fejleztették ki a LIGA (Litographie, Galvanoformung, Abformung) technológiát. Ennek alapelve emlékeztet a nyomtatott áramköri lemezek gyártátechnikája orán gyakran alkalmazott rajzolatgalvanizálára. A nagy elérhető rétegvatagágot a peciáli röntgen fotorezizt, a mozgó alkatrézek felülettől való eltávolítáát pedig feláldozandó réteg alkalmazáa tezi lehetővé. Az eljárát a 19. ábra zemlélteti. 23
19. ábra. A LIGA technológia A hordozóra előzör egy, eetleg özetett közbenő réteg kerül (a). Ennek célja a jó tapadá (króm alap), valamint a jó vezeté (ezüt fedőréteg) elérée. Ez a réteg a hagyományo fotolitográfiai módzerekkel megmunkálható (b), cakúgy, mint a fölébe kerülő feláldozandó réteg (c). Az elkézítendő formát a felületre felvitt PMMA röntgen mazkon kereztüli megvilágítáa (zinkrotron ugárzá), majd a beugárzott rézek kioldáa (előhívá) adja (d). A kioldódott PMMA helyébe elektrolitiku úton leválaztott réteg kerül (e). Az utoló lépé a PMMA é a feláldozandó réteg kioldáa (f). A LIGA technológiát a mikromechanikai zerkezetek előállítáán kívül apró műanyag alkatrézek fröccöntééhez zükége zerzámok kézítéére felhaználják. 24
2.3.7. A mikrorendzerek tokozáa A mikroáramkörök technológiájának egyik legkritikuabb lépée az elkézült elemek tokozáa. Még erőebben áll ez a megállapítá a mikromechanikai elemek, mikrorendzerek tokba zereléére, a makrozkopiku világgal való kapcolat megteremtéére. Nem egy jól ikerült ezköz működée hiúult már meg a nem megfelelő tokozái eljárá következményeként. A nehézégek fő oka, hogy az integrált mikrorendzerek nemcak elektromo, hanem egyéb energiacere útján i kapcolatba kerülnek a környezetükkel. A tokozái megoldának tehát olyannak kell lennie, amely ezt az energiacerét lehetővé tezi. A mikroelektronikában megzokott zabványo tokok (kevé kivételtől eltekintve) többnyire nem haználhatók mikromechanikai elemek, mikrorendzerek tokba zereléére. További probléma az ezközök é működéi elvek okféleége: úgy tűnik reménytelen bármilyen új é általáno tokozái megoldá kidolgozáa, ennek következményeként valamiféle zabványoítá. Minden ezközre egyedi tokozái eljárát kell kidolgozni, ami nehézzé tezi a technológia automatizáláát. Általánoágban az alkalmazott anyagok é technológiák zéle válaztéka jellemzi a mikromechanikai elemek é mikrorendzerek zereléi technológiáit. 2.3.8. A zabványo technológiákhoz való illezkedé kérdéei A mikrorendzerek megvalóítáa orán gyakran előfordul a mikroelektronikában már bevált, zabványo technológiák alkalmazáa, különlege technológiai lépéekkel kiegézítve. Ezt nem mindig egyzerű megvalóítani, mert a zabványo technológiai lépéorozatok az áramkörök elektromo tulajdonágaira nézve optimáliak, fejleztéük orán nem i volt lehetőég egyéb zempontok érvényeítéére. Az illezkedé kérdée tehát több oldalról i előkerülhet. A mikromechanikai módzerekkel kialakított ezközöknek technológiailag é rendzertechnikailag illezkedniük kell a rendzer elektroniku rézéhez. A járuléko technológiai lépéek cak olyanok lehetnek, amelyek özeférnek a tizta gyártóterekre vonatkozó zabályokkal. A zabványo technológiákhoz való illezkedé zemléltetééhez célzerű néhány, gyakran alkalmazott mikroelektronikai é mikromechanikai technológiai lépéorozat bemutatáa. A mikroelektronikában haznált egyik (többé-kevébé zabványonak tekinthető) CMOS technológia a 20-24. ábrákon bemutatott lépéoron alapul. 25
20. ábra. Zebek kialakítáa. Az "n - " vagy "n + n" hordozón növeztett termiku oxid mazkoláával kézül a ekélyen implantált "p + " réteg (a). Ennek behajtáa (b) adja a "p" zebet. A behajtá alatt növő oxidot lemarva (c), fotorezizt rétegből kézült mazkon kereztül kézül el az "n" zebhez zükége ekély "n + " implantált réteg (d). A következő réteg (e) egy vékony, termikuan növeztett ("pad") oxid, valamint egy kémiai úton gőzfáziból növeztett (CVD) zilícium-nitrid. Ez mazkolja a "p + " catorna-top implantált tartományokat (f), é a lokáli oxidációt, ami alatt tovább folyik a zebek diffúziója. A lokáli oxidáció után a zilícium-nitrid réteget le kell marni. 26
21. ábra. A vezérlőelektróda rétegzerkezetének kialakítáa jóminőégű, vékony oxidréteg növeztéével indul (a), amelyre polikritályo zilícium kerül. Ennek megmunkáláa (b) jelöli ki a catorna tartományokat. Fotorezizt é a megmunkált zilícium mazkon kereztül kézül el az alacony adalékoláú nyelő tartomány alapjául zolgáló "n + " implant (c). A rezizt eltávolítáa után alacony nyomáú CVD oxidból (d) plazma maráal kézül el a vezérlőelektródák oldalához tapadó ("pacer") réteg (e). 27
22. ábra. A MOS tranziztorok kialakítáa zintén egy vékony oxidréteg növeztéével indul (a). Fotorezizt mazkon kereztül kézülnek el az "n + " (b), a mazk negáltján a "p + " (c) mélyen implantált forrá-nyelő tartományok. Az egéz felületet alacony hőmérékletű technológiával kézített oxid borítja (d). 28
23. ábra Az elő vezetőréteg felvitele előtt kontaktu ablakokat kell nyitni (a). A vezetőréteg fotorezizt technikával megmunkálható (b). A megmunkált fémrétegre vatag oxidréteg, erre pedig ík felületet eredményező fotorezizt réteg kerül (c). 29
24. ábra. A zerkezetet plazma maráal kezelve (a) ík felület alakítható ki, amelyre újabb oxidréteg kerül (b). Az elő vezető réteget fedő zigetelőn kézül el (ablaknyitá után) a máodik vezetőréteg (c), imét fotorezizt technikával megmunkálva. Ha zükége, az egéz felület beborítható egy védő üveg, eetleg zilícium-nitrid réteggel. Egye lépéek a különböző technológiai változatokban felcerélhetők, vagy ki i maradhatnak, de az eljárá gerince többnyire ugyanaz. Az előbbi technológiai lépéorozat megzakítáa kiegézítő lépéek beiktatáával lehetővé tezi mechanikai zerkezetek integráláát CMOS áramkörökhöz (25. ábra). 30
25. ábra. Mechanikai zerkezetek integrálái lehetőégei CMOS áramkörökhöz Az előbbiekben említett felületi mikromechanikai technológiák közül a LIGA nem illezkedik a tizta gyártóorokon futó eljáráokhoz. Tömbi mikromechanika é a mikroelektronika integráláa egyéb nehézégeket i felvet. Egye alkáli tartalmú marózerek alkalmazáa a tizta gyártóterekben nem megengedhető. A megoldá ilyen eetekben a technológia utólago alkalmazáa (25. ábra, tömbi mikromechanikai technológiák). 2.3.9. Intelligen anyagok Az intelligen anyag olyan mikrorendzer, amelyben ninc értelme az anyag-ezközrendzer elkülönítének. Az anyag előre megtervezett belő tulajdonágainál fogva képe vizonylag özetett feladatoknak megfelelni. Ennek háttere a környezethez való alkalmazkodá, az öndiagnoztika, az önjavítá é az önfejlezté képeége. Egyzerű példa lehet egy félvezetőből kézített fűtőellenállá áramgenerátoro meghajtáal. A zerkezet a nagyobb hőelvonát önműködően kiegyenlíti, hizen a hőméréklet cökkenée növeli az ellenállá értékét, ami a fűtőteljeítmény növeléén kereztül a hőmérékletet tabilizálja. Intelligen tulajdonág egye anyagok önjavító képeége. A félvezetőkre általában káro hatáal vannak a különféle ugárzáok. Az indiumfozfid a benne keletkezett ugárkároodát idővel kijavítja, érült kritályráca regenerálódik. Az 26. ábra mutatja a különböző bonyolultágú anyagokat. Ezek közül egyeek alkalmazáa még tapaztalati imereteken nyugzik, inkább "művézet", mint "tudomány". A fejlődé azonban rendkívül gyor ezen a területen, a helyzet ezért a közeljövőben a "tudomány" alapján való alkalmazáok irányába tolódik el. 31
26. ábra. Különböző bonyolultágú anyagok 2.4. Mikromechanikai technológiákkal kézült alkatrézek A mikromechanikai elemek, rendzerek alapvetően két coportba orolhatók. A mozgó alkatrézt tartalmazók adják az egyik coprtot, ezek lehetnek dinamiku működéűek (membránok, hidak, pallók, lemezek, rezonátorok), vagy kinematikaiak (mikromotorok, fogakerekek, cúzkák). A cak álló alkatrézt tartalmazók (ztatiku elemek: üregek, mikrocatornák) adják a máik coportot. Mindkét coportra jellemző az elemek é működéi elvek óriái válaztéka. Az itt bemutatott példák cak néhány fontoabb alkalmazái területet ölelnek fel. 2.4.1. Mikroalakzatok Nagy dizipációjú áramkörök eetében zükég lehet ezek hűtée cirkuláló víz egítégével. Erre a célra a 27. ábrán látható elrendezé zolgál. Az áramköri lapka hátoldalába kb. 20m x100m méretű catornákat marva, majd egy igen vékony üvegréteg egítégével Si tartóra forraztva a hűtőrendzer kéz. Megfelelő tokozáal megoldható a víz áramoltatáa a catornákban. 27.ábra. Integrált áramkör hűtée mikrocatornákban keringő folyadékkal 32
A felület anizotróp maráal való alakítáa napelemek hatáfokának növeléére i felhaználható. A 28. ábrán látható felületi zerkezet úgy cökkenti a vizavert fény mennyiégét, hogy a többzörö vizaverődé orán megnő az elnyelődé valózínűége. 28. ábra. Napelem felületének reflexiócökkentő kiképzée anizotróp maráal 2.4.2. Áthidaláok é konzolok alkalmazáa Az elő igazi mikromechanikai elemek egyzerű áthidaláok (érdeke, hogy a legnagyobb, ember által épített mechanikai rendzerek i a hidak), illetve egyik végen befogott rezgő lemezek voltak. Ezek kézítééhez cak a polikritályo Si réteg alatti hordozó, illetve zigetelő réteg kimaráának technológiáját kellett kidolgozni. Ezek az egyzerű mikromechanikai elemek i igen értékenek bizonyultak azonban a különféle érzékelők é beavatkozók kontruáláa orán. A legimertebb érzékelő célú alkalmazá a Si alapon létrehozott piezoreziztív nyomámérő. Itt az aktív membránban (epitaxiáli réteg, ld. 8. ábra) négy p tipuú, hidba kötött ellenállát kell létrehozni. Az ezköz érzékenyégét a membrán vatagága é az átmérő, ill. ha a membrán négyzete, akkor az élhozúág hányadoa határozza meg. Ki nyomáok mérééhez néhány m vatag membrán zükége. Ezt úgy i elő lehet előállítani, hogy a marái top az implantációval erően adalékolt felületi tartomány határán érvényeüljön. A membrán alól a zilíciumot hátoldalról kell kimarni. Nagyobb méretű Si lapkát haználva, a nyomámérő mellett ugyanazon lapkán előállítható az érzékelő jelét feldolgozó integrált áramkör i. Az áthidaláon kézített gázérzékelő igen ki fűtőteljeítménnyel működve i megfelelően maga hőmérékletre melegzik. A fűtött áthidalá gázáramlá ebeégének méréére i alkalma, a áthidaláon kézített hőmérő beállái ideje a ki termiku időállandó következtében igen rövid. A termoelem vagy bolométer (29. ábra) gyártáához a Si zelet felületére kb. 2m vatag SiO2 kell előállítani. Az oxidra vakuumpárologtatáal lehet felvinni a fém (pl. Ni) bolometert ill. fémpárokból a termoozlopot. Ezután a zelet hátoldalán ablakot nyitva az oxid alól a ziliciumot kioldjuk. Az oxidot a maró nem támadja meg, így létrejön egy igen vékony, SiO2 membrán, rajta a már létrehozott aktív réteggel. A membránt a megmaradó Si keret tartja. 33
29. ábra. Gázáramlá, illetve hőméréklet méréére alkalma mikrozerkezet Az egyik végén befogott rezgő lemez mint rezonátor (rezgé, gyorulá érzékelő) vagy elektroztatiku elven alapuló fényeltérítő (modulátor) működhet. A gyorulámérők mikrokivitelben rugalma lemezre erőített tömegből állnak. A tömegre ható gyorulá a lemezre a gyoruláal arányo erőt eredményez, melynek hatáára nyugalmi helyzetéből elhajlik Egy egyzerű mikroméretű gyorulá érzékelő zerkezete a következő (30. ábra): n tipuú zilicium felületén 1-2 m vatag oxidra fémréteget párologtatva létrehozható egy kondenzátor egyik fegyverzete. A fém mazkoláa é maráa után az oxidba U alakú ablakot nyitva (melynek élei eltérnek a (011) iránytól) az oxid alól a zilícium kimarható. A mará után kialakul az ábra zerinti egyik végén befogott SiO2 lemez. A Si tet é a lemez fémezée kondenzátort alkot, melynek kapacitáa a gyoruláal arányo. LIGA technológiával i kézíthető gyorulámérő (31. ábra). 30. ábra. Kapacitív gyorulámérő 34
31. ábra. LIGA technológiával kézített kapacitív gyorulámérő Kettő, különböző hőtágulái együtthatójú anyagokból felépített rétegzerkezettel az egyik végén befogott tartó megfelelő fűtéel alakváltozára i kéztethető, rezgethető. Elektroztatiku úton i mozgathatók a lemezek. Sok ilyen lemezkét kézítve egy felületre olyan mechanizmu hozható létre, amely lehetővé tezi kiebb alkatrézek mozgatáát, továbbítáát, forgatáát (32. ábra). 2.4.3. Forgó zerkezetek 32. ábra. Mikroalkatréz zállító mechanizmu Két vagy három polikritályo Si réteg, valamint üvegrétegek egymát követő leválaztáa már tengelyeken elforduló, egymába kapcolódó zerkezetek megvalóítáára i lehetőéget ad. Fogakerekek, cukló, mozgó mechanizmuokon túl igen apró elektromotor megvalóítáára i lehetőég van. Az elkézített elektroztatiku azinkron motor 100 V 35
fezültéggel táplálva percenként 500-a fordulatot ért el. A rotor átmérője 60 mikrométer (kb. az emberi hajzál vatagága), vatagága 1 mikrométer, a légré 2 mikrométer volt. Kézültek elektroztatiku léptetőmotorok i. A úrlódá cökkentéére zilicium-nitridből kézített kerékagy (capágyazá) zolgált. Háromfáziú vezérléel működtethető zinkron elektroztatiku motor i kézült az előzőhöz haonló technológiával Egy mikromotor zerkezete látható a 33. ábrán. Mikromotorral meghajtott fogakerekek egítégével mikroméretű fogakerékzivattyú kézíthető. Haonló zerkezet áramlámérőként i működhet. Biologiai kutatáok hazno egédezköze lehet a tizedmilliméter hozúágú, 6 mikrométere nyíláú, elektroztatiku működtetéű mikrocipez. 2.4.4. Fluid ezközök A Si hordozó maráa nagyobb zerephez jut a miniatűr pneumatiku/hidrauliku elemek kézítéében, de ezekhez i zükég lehet a polikritályo Si leválaztáára. A pneumatiku/hidrauliku rendzerek egyik alapeleme a zelep, amely a zilicium hordozón fúrt lyukon áramló gáz mennyiégét zabályozza. A zelep működtetée piezoelektromo aktuatorral lehetége, eetleg a zeleptányérra felvitt ferromágnee réteg alkalmazáa é külő mágne közelítée vagy távolítáa révén. Egy piezoműködtetéű zelep látható a 34. ábrán. 36
34. ábra. Szelep, piezoelektromo vezérléel Egyik irányban nyitó zelepekből é piezoelektromo mozgató mechanizmuokból ikerült mikroliter/perc zívóebeégű mikrozivattyút építeni (35. ábra). Alapja Si lap, melybe zelektív maráal üreget é két zelepet lehet marni. A megfelelően kimart Si lapot üveghordozóra rögzítjük pl. elektroztatiku kötéel. Az üvegbe be van forraztva v. ragaztva a bemenő é a kimenő cő. A Si máik lapjára igen vékony (0.1mm vatag) üveg van ragaztva. Ez az üveglemez a zivattyú membránja. Az üvegmembrán rezgetée mechanikuan, piezoelektromo elemmel, vagy zárt térbe helyezett fűtőelem ki-be kapcoláával létrehozott nyomákülönbégekkel érhető el. Piezo-reziztív nyomáérzékelővel egyeítve a zeleprendzert átfolyámérő érzékelő építhető, zintén mikroliter/perc áramlái ebeégekre. Az egykritályo Si felületének maráával kézült el a legkiebb fluid erőítő, ami valaha i működött, jellemző mérete 30 mikrométer. A mikro fluidika körében vannak egyébként a mikromechanika gyökerei: már a nyolcvana évek elején elkézült egy telje gázkromatográf egyetlen zilicium zeleten. 35. ábra. Mikrozivattyúk felépítée 37
2.4.5. Mikrofonok Akuztiku érzékelők (mikrofonok) i kézültek mikromechanikai technológiával. Külön előny, hogy az ultrahang leképező rendzerhez zükége érzékelő mátrix elemeihez az előerőítő igen közel megvalóítható, ezáltal a zórt kapacitáok hatáa nem gyengíti le a kiméretű érzékelő által adott, amúgy i kici jelet. A ki méretnek perze nemcak az ultrahangok, hanem a kiebb frekvenciák tartományában i vannak előnyei. 36. ábra. Mikromechanikai technológiával megvalóított mikrofon 2.4.6. Termiku elven működő mikrorendzerek Termiku hőkép-zimulációhoz (dynamic thermal cene imulation, DTSS) kétdimenzió hőemitter tömb (mátrix) zükége, a megfelelő zabályozó áramkörökkel é címzéi lehetőéggel. Szilícium mikromechanikai megmunkáláával már kézültek látható fényt vagy hőugárzát emittáló forráok, illezkedve az integrált áramköri technológiákhoz. A zerkezet alapja egy termikuan elzigetelt "lebegő", fűthető ellenállá, amelyet eredetileg gázáramlá érzékeléére fejleztettek ki. A CMOS áramkört, amely már a fűtőellenálláokat i tartalmazta a polikritályo zilícium rétegből kialakítva, 3 mikrono cíkzéleéget haználó, 13 mazko technológiával valóították meg. Az IC gyártól a megrendelé alapján kapott zeleten már cak egy mazk nélküli marái lépét kellett végrehajtani a fűtőellenálláok alatti tartomány eltávolítáára. A maratá nem befolyáolta a lapkán elhelyezkedő egyéb elemek paramétereit Mind a polikritályo fűtőellenálláok, mind pedig a fűtőelemeket a levegőben tartó fém zalagok gőzfáziú kémiai leválaztáal kézült (CVD) üvegrétegbe vannak beágyazva. A fűtőellenálláok értékei 20% zóráal teljeítették a gyártó által megadott értéket, 18.3 mw teljeítménnyel fűtve 334 C-fok hőmérékletet érnek el (kb. 10 m-nyi idő alatt). Az ellenálláok 10 8 -nál több hőciklut i elvielnek, é vöröizzáig hevíthetők, bár a vöröizzá hőmérékletén már gyoran tönkremennek. 38