마이크로 전자기계

Microelectromechanical systems
「MEMS」는 여기서 리다이렉트 됩니다.그 외의 사용법에 대해서는, 「MEMS(동음이의)」를 참조해 주세요.
1986년 DARPA에 제출된 제안서에서 '마이크로 일렉트로닉스 시스템'이라는 용어를 처음 도입했습니다.
주사 전자 현미경 내부에서 공진하는 MEMS 마이크로캔타일레버

마이크로 전자 기계 시스템(또는 마이크로 전자 및 마이크로 전자 시스템) 및 관련 마이크로메카트로닉스 및 마이크로 시스템은 현미경 장치, 특히 움직이는 부품을 가진 장치의 기술을 구성합니다.그것들은 나노 규모로 나노 전자 공학 시스템과 나노 기술로 합쳐진다.MEMS는 일본에서는 마이크로머신, 유럽에서는 마이크로시스템 테크놀로지(MST)라고도 불립니다.

MEMS는 크기가 1~100마이크로미터(0.001~0.1mm)인 컴포넌트로 구성되며, 일반적으로 MEMS 디바이스의 크기는 20마이크로미터~1밀리미터(0.02~1.0mm)입니다.다만, 어레이로 배열된 컴포넌트(디지털 마이크로미러 디바이스 등)는 1000mm를2 [1]넘을 수 있습니다.일반적으로 데이터를 처리하는 중앙 장치(마이크로프로세서 등 집적회로 칩)와 주변과 상호작용하는 여러 구성 요소(마이크로 센서 [2]등)로 구성됩니다.MEMS의 표면적 대 부피 비율이 크기 때문에, 주변 전자기(예: 정전하 및 자기 모멘트)와 유체 역학(예: 표면 장력 및 점도)에 의해 생성되는 힘은 대규모 기계 장치보다 더 중요한 설계 고려 사항이다.MEMS 기술은 분자 나노 기술이나 분자 전자 공학과는 구별되는데, 후자의 두 기술은 표면 화학도 고려해야 한다.

매우 작은 기계의 잠재력은 그것을 만들 수 있는 기술이 존재하기 전에 인정되었습니다(예를 들어 리처드 파인만의 유명한 1959년 강의 There's Planity of Room at the Bottom 참조).MEMS는 일반적으로 [3]전자제품을 만드는 데 사용되는 수정된 반도체 장치 제작 기술을 사용하여 제작될 수 있게 되면서 실용화되었습니다.여기에는 성형 및 도금, 웨트 에칭(KOH, TMAH) 및 드라이 에칭(RIE 및 DRIE), 방전 가공(EDM) 및 기타 소형 장치 제조 기술이 포함됩니다.

역사

MEMS 기술은 실리콘 혁명에 뿌리를 두고 있으며, 1959년 Fairchild Semiconductor의 Robert Noyce가 개발한 모노리식 집적회로(IC) 칩과 Mohamed M이 개발한 MOSFET(금속 산화물-반도체 전계효과 트랜지스터)로 거슬러 올라갈 수 있습니다. 벨 연구소의 아탈라와 다원 칸입니다MOSFET 스케일링(MOSFET scaling)은 IC 칩 상의 MOSFETs의 소형화로 이어졌고, (Moore의 법칙과 Dennard scaling에서 예측한 바와 같이) 전자 장치의 소형화로 이어졌다.엔지니어들이 실리콘 칩과 MOSFET가 주변과 상호작용하고 통신하며 화학 물질, 움직임, 빛과 같은 것들을 처리할 수 있다는 것을 깨닫기 시작하면서 실리콘 반도체 기술을 기반으로 한 마이크로머신 기술의 발달로 기계 시스템의 소형화를 위한 토대가 마련되었습니다.최초의 실리콘 압력 센서 중 하나는 1962년에 [4]Honeywell에 의해 동위원소 마이크로머신되었다.

MEMS 디바이스의 초기 예로는 Harvey C가 개발한 MOSFET를 채택한 공진 게이트 트랜지스터가 있습니다. 1965년 [5]네이선슨.또 다른 초기 예는 1966년부터 [6][7]1971년 사이에 레이먼드 윌핑거가 특허를 낸 전기 기계식 모노리식 공진기인 공진기입니다.1970년대부터 1980년대 초까지 물리적,[8] 화학적, 생물학적 및 환경적 매개변수를 측정하기 위해 다수의 MOSFET 마이크로 센서가 개발되었다.MEMS라는 용어는 1986년에 도입되었습니다.[9]

종류들

MEMS 스위치테크놀로지에는 커패시티브와 ohmic의 2가지 기본적인 타입이 있습니다.정전용량 MEMS 스위치는 이동 플레이트 또는 감지 소자를 사용하여 개발되며, 이 소자는 [10]정전용량을 변화시킵니다.오믹 스위치는 정전적으로 제어되는 [11]캔틸레버에 의해 제어됩니다.캔틸레버는 시간이 지남에 [12]따라 변형될 수 있으므로 오믹 MEMS 스위치는 MEMS 액추에이터(캔틸레버)의 금속 피로 및 접촉 마모로 인해 고장날 수 있습니다.

MEMS 제조용 재료

MEMS의 제작은 반도체 소자 제작의 프로세스 기술에서 발전했습니다. 즉, 기본 기술은 재료 층의 퇴적, 포토 리소그래피 및 필요한 [13]형상을 만들기 위한 식각입니다.

실리콘

실리콘은 현대 산업에서 가전제품에 사용되는 대부분의 집적회로를 만드는 데 사용되는 재료입니다.실리콘은 규모의 경제, 저렴한 고품질 재료의 즉시 사용 가능, 전자적 기능을 통합하는 능력으로 인해 다양한 MEMS 애플리케이션에 매력적입니다.실리콘은 또한 재료 특성으로 인한 상당한 이점을 가지고 있다.단결정 형태에서 실리콘은 거의 완벽한 Hookean 재료입니다. 즉, 실리콘이 굴곡될 때 사실상 이력(hysteresis)이 없으므로 에너지 소실이 거의 없습니다.실리콘은 매우 반복적인 운동을 가능하게 할 뿐만 아니라 피로도 거의 없고 수십억에서 수조 사이클의 고장 없이 사용 수명을 가질 수 있기 때문에 매우 신뢰할 수 있습니다.실리콘 기반의 반도체 나노구조는 마이크로일렉트로닉스, MEMS 분야에서 중요성이 높아지고 있다.실리콘의 열산화를 통해 제조된 실리콘 나노와이어는 나노와이어 배터리와 광전 시스템을 포함한 전기화학적 변환과 저장에 더욱 관심이 있습니다.

폴리머

전자 산업이 실리콘 산업에 규모의 경제를 제공하지만, 결정 실리콘은 여전히 복잡하고 상대적으로 생산 비용이 많이 드는 재료입니다.한편, 폴리머는 매우 다양한 재료 특성을 가진 대량으로 생산될 수 있습니다.MEMS 장치는 사출 성형, 엠보싱 또는 입체 석판 인쇄와 같은 공정을 통해 폴리머로 만들 수 있으며, 특히 일회용 혈액 검사 카트리지와 같은 미세 유체 애플리케이션에 매우 적합합니다.

금속

금속은 MEMS 요소 작성에도 사용할 수 있습니다.금속은 기계적 특성 측면에서 실리콘에 의해 나타나는 장점 중 일부를 가지고 있지 않지만, 그 한계 내에서 사용될 경우 매우 높은 신뢰성을 나타낼 수 있습니다.금속은 전기 도금, 증발 및 스패터링 공정을 통해 퇴적될 수 있습니다.일반적으로 사용되는 금속에는 금, 니켈, 알루미늄, 구리, 크롬, 티타늄, 텅스텐, 백금, 은 등이 있습니다.

세라믹스

지상판 위의 X자형 TiN 빔의 전자현미경 사진(높이 2.5㎜m).중앙에 있는 클립으로 인해 빔이 아래로 구부러질 때 재설정력이 증가합니다.오른쪽 그림은 [14]클립의 배율을 나타내고 있습니다.

실리콘, 알루미늄 및 티타늄의 질화물뿐만 아니라 탄화규소 및 기타 세라믹의 질화물은 재료 성질의 유리한 조합으로 인해 MEMS 제조에 점점 더 많이 사용되고 있습니다.AlN은 워츠사이트 구조에서 결정화되어 예를 들어 정상력과 [15]전단력에 대한 민감도로 센서를 가능하게 하는 열전 및 압전 특성을 보여줍니다.한편, TiN은 높은 전기 전도율과 큰 탄성 계수를 나타내며, 초박형 빔에 의한 정전 MEMS 작동 방식을 구현할 수 있다.또한 생체부식에 대한 TiN의 높은 저항성으로 인해 생화학 환경에서의 적용에 적합하다.그림은 TiN 접지판 위에 50 nm의 얇은 구부림 가능한 TiN 빔을 가진 MEMS 바이오센서의 전자현미경 사진을 보여줍니다.빔은 전기적으로 격리된 측벽에 고정되어 있기 때문에 양쪽을 콘덴서의 반대 전극으로 구동할 수 있다.유체가 캐비티에 현탁되어 있을 때 그 점도는 접지판에 대한 전기적 흡인력에 의해 빔을 구부리고 굽힘 속도를 [14]측정함으로써 얻을 수 있다.

MEMS 기본 프로세스

증착 과정

MEMS 공정의 기본 구성 요소 중 하나는 두께가 1마이크로미터에서 약 100마이크로미터 사이인 재료의 박막을 퇴적시키는 능력입니다.NEMS 공정은 동일하지만 필름 증착 측정 범위는 수 나노미터에서 1 마이크로미터까지입니다.증착 공정에는 다음과 같은 두 가지 유형이 있습니다.

물리적 퇴적

물리적 증기 증착(PVD)은 타깃에서 물질을 제거하여 표면에 증착하는 공정으로 구성됩니다.이를 위한 기술로는 이온빔이 대상으로부터 원자를 해방시켜 그들이 중간 공간을 통과하여 원하는 기판 위에 퇴적되도록 하는 스패터링 과정과 물질이 표적의 열(열증발) 또는 전자빔(e빔증발) 중 하나를 사용하여 표적에서 증발되는 증발 과정이 포함된다.진공 시스템

화학 증착

화학증착기술은 화학증착(CVD)을 포함한다.CVD에서는 소스 가스의 흐름이 기판에 반응하여 원하는 물질을 성장시킨다.이는 기술 내용에 따라 LPCVD(저압화학기상증착)와 PECVD(플라스마 강화화학기상증착)로 분류할 수 있다.

산화막은 (일반적으로 실리콘) 웨이퍼가 산소 및/또는 증기에 노출되어 이산화규소의 얇은 표면층을 성장시키는 열산화 기술을 통해 성장시킬 수도 있습니다.

패터닝

MEMS에서의 패턴화는 패턴을 재료에 전달하는 것입니다.

리소그래피

MEMS 문맥에서 리소그래피는 일반적으로 빛과 같은 방사선 선원에 선택적으로 노출됨으로써 패턴을 감광성 물질에 전달하는 것이다.감광성 물질은 방사선원에 노출되었을 때 물리적 특성이 변화하는 물질이다.감광성 소재가 선택적으로 방사선에 노출되는 경우(예를 들어 일부 방사선을 마스킹함으로써), 노출 영역과 노출되지 않은 영역의 특성이 다르기 때문에 재료에 대한 방사선의 패턴이 노출되는 소재에 전달된다.

그런 다음 이 노출된 영역을 제거하거나 처리하여 기초 기질에 마스크를 제공할 수 있습니다.포토 리소그래피는 일반적으로 금속 또는 기타 박막 증착, 습식 및 건식 식각과 함께 사용됩니다.때때로, 포토 리소그래피는 어떠한 포스트 에칭도 하지 않고 구조를 만들기 위해 사용됩니다.일례로 SU8 기반 사각블럭이 생성되는 SU8 기반 렌즈를 들 수 있다.그런 다음 포토 레지스트를 녹여 렌즈 역할을 하는 반구체를 형성합니다.

전자빔 리소그래피

주요 기사:전자빔 리소그래피

전자빔 리소그래피(종종 e빔 리소그래피로 줄임말)는 필름으로 덮인 표면에 걸쳐 [16]패턴화된 방식으로 전자빔을 스캔하여('레지스트'라고 함) 레지스트의 노출 영역 또는 비노출 영역 중 하나를 선택적으로 제거하는 작업입니다(' 현상').포토 리소그래피와 마찬가지로, 그 목적은 레지스트에 매우 작은 구조를 만들어 나중에 종종 식각으로 기판 재료에 전사하는 것입니다.집적회로를 제조하기 위해 개발되었으며, 나노테크놀로지 아키텍쳐(architecture)의 작성에도 사용되고 있습니다.

전자빔 리소그래피의 주요 장점은 빛의 회절 한계를 극복하고 나노미터 범위에서 특징을 만드는 방법 중 하나라는 것입니다.이러한 형태의 마스크리스 리소그래피는 포토 리소그래피, 반도체 부품의 소량 생산 및 연구개발에 사용되는 포토마스크 제조에서 널리 사용되고 있다.

전자빔 리소그래피의 주요 한계는 throughput입니다. 즉, 실리콘 웨이퍼 또는 유리 기판 전체를 노출하는 데 매우 오랜 시간이 걸립니다.노출 시간이 길면 사용자가 노출 중에 발생할 수 있는 빔 드리프트 또는 불안정성에 취약해집니다.또, 2회째 패턴을 변경하지 않으면, 재작업이나 재설계를 위한 턴어라운드 시간이 불필요하게 길어진다.

이온빔 리소그래피

집속 이온 빔 리소그래피는 근접 [citation needed]효과 없이 매우 미세한 선(50 nm 미만의 선과 공간이 확보됨)을 쓸 수 있는 기능을 가지고 있는 것으로 알려져 있다.그러나 이온빔 리소그래피는 필적이 매우 작기 때문에 작은 필름을 꿰매어 큰 면적의 패턴을 만들어야 한다.

이온 트랙 테크놀로지

이온 트랙 기술은 방사선 저항성 광물, 유리 및 폴리머에 적용할 수 있는 분해능 한계가 약 8 nm인 딥 커팅 도구입니다.현상 과정 없이 박막에 구멍을 낼 수 있다.구조 깊이는 이온 범위 또는 재료 두께로 정의할 수 있습니다.아스펙트비는 최대4 10에 달합니다.이 기술은 정의된 기울기 각도로 재료를 형상화하고 텍스처링할 수 있습니다.랜덤 패턴, 싱글 이온 트랙 구조 및 개별 싱글 트랙으로 이루어진 목표 패턴을 생성할 수 있다.

X선 리소그래피

X선 리소그래피는 박막의 일부를 선택적으로 제거하기 위해 전자 산업에서 사용되는 공정입니다.X선을 사용하여 마스크에서 기판상의 빛에 민감한 화학 포토 레지스트 또는 단순히 "저항"으로 기하학적 패턴을 전달합니다.그런 다음 일련의 화학 처리를 통해 생성된 패턴을 포토 레지스트 아래의 재료에 새깁니다.

다이아몬드 패턴화

나노다이아몬드를 손상시키지 않고 표면에 패턴을 새기거나 만드는 간단한 방법은 새로운 세대의 광전 [17]소자로 이어질 수 있다.

다이아몬드 패터닝은 다이아몬드 MEMS를 형성하는 방법으로 실리콘 등의 기판에 다이아몬드 필름을 석판 도포함으로써 실현됩니다.패턴은 이산화실리콘 마스크를 통한 선택적 증착 또는 마이크로머시닝 또는 집속 이온 [18]빔 밀링에 따른 증착으로 형성될 수 있습니다.

식각 공정

식각 공정에는 웨트 식각과 드라이 식각의 두 가지 기본적인 범주가 있습니다.전자는 약액에 침지하면 용해된다.후자는 반응성 이온 또는 기상 식각제를 [19][20]사용하여 스패터링 또는 용해한다.

웨트 식각

주요 기사:식각(마이크로패브릭)

웨트 케미컬 에칭은 기판을 용해하는 용액에 담가 재료를 선택적으로 제거하는 것이다.이 식각 공정의 화학적 특성은 우수한 선택성을 제공하며, 이는 대상 소재의 식각 속도가 마스크 소재보다 상당히 높다는 것을 의미합니다.웨트 에칭은 등방성 웨트 에칭트 또는 이방성 웨트 에칭트 중 하나를 사용하여 실행할 수 있다.결정 실리콘의 모든 방향의 등방성 습식 식각은 거의 동일한 속도로 이루어집니다.이방성 습식 식각제는 다른 평면보다 빠른 속도로 특정 결정면을 따라 식각되므로 보다 복잡한 3차원 미세구조를 구현할 수 있다.

습식 이방성 식각제는 실리콘 표면에 붕소가 많이 도핑되어 습식 식각제에 내성이 있는 실리콘 재료층이 생기는 붕소 식각 방지제와 함께 사용되는 경우가 많다.예를 들어 MEWS 압력 센서 제조에 사용되고 있습니다.

등방성 식각

식각은 모든 방향에서 같은 속도로 진행됩니다.마스크에 길고 좁은 구멍이 실리콘에 V자 모양의 홈을 만듭니다.이러한 홈의 표면은 식각 작업을 올바르게 수행할 경우 매우 정확한 치수와 각도로 원자적으로 매끄러울 수 있습니다.

이방성 식각

실리콘과 같은 일부 단결정 재료는 기판의 결정학적 방향에 따라 식각 속도가 달라집니다.이것은 이방성 식각이라고 알려져 있으며, 가장 일반적인 예 중 하나는 KOH(수산화칼륨)의 실리콘 식각입니다. 여기서 Si <111>은 다른 평면보다 약 100배 느리게 식각됩니다(결정학적 방향).따라서 (100)-Si 웨이퍼에 직사각형 구멍을 식각하면 등방성 식각과 같이 측벽이 곡면된 구멍이 아닌 벽이 54.7°인 피라미드 형태의 식각 피트가 됩니다.

고주파 식각

플루오르산은 이산화규소(SiO
2, SOI의 경우 BOX라고도 함)의 수성 식각제로 일반적으로 사용되며, 보통 49% 농축된 형태인 5:1, 10:1 또는 20:1 BOE(버퍼 산화물 식각제) 또는 BHF(버퍼 HF)로 사용됩니다.그것들은 중세 시대에 유리 식각용으로 처음 사용되었다.프로세스 단계가 RIE로 대체될 때까지 게이트 산화물 패턴을 만들기 위해 IC 제조에 사용되었습니다.

불산은 청정실에서 가장 위험한 산 중 하나로 여겨진다.피부에 닿으면 바로 뼈까지 퍼집니다.따라서 너무 늦어질 때까지 피해는 느껴지지 않는다.

전기화학적 식각

실리콘의 도판트 선택 제거를 위한 전기화학적 식각(ECE)은 식각을 자동화 및 선택적으로 제어하는 일반적인 방법이다.활성 p-n 다이오드 접합이 필요하며, 어느 한 유형의 도판트가 식각 내성("에치 스톱") 재료일 수 있다.붕소는 가장 흔한 식각 방지 도판트이다.상기와 같이 습식 이방성 식각과 조합하여 ECE는 상업용 압저항성 실리콘 압력 센서에서 실리콘 다이어프램 두께를 제어하는 데 성공적으로 사용되어 왔습니다.선택적으로 도프된 영역은 실리콘의 주입, 확산 또는 에피택셜 증착에 의해 생성될 수 있다.

드라이 에칭

주요 기사:드라이 에칭
증기 식각
이플루오르화 제논

제논디플루오르화물(XeF
2)은 1995년 로스앤젤레스 [21][22]캘리포니아 대학에서 MEMS에 처음 적용된 실리콘용 건조 기상 등방성 식각입니다.주로 실리콘을 언더컷하여 금속 및 유전 구조를 방출하는 데 사용되는 XeF는
2 습식 식각제와 달리 무정전 방출이라는 장점이 있습니다.실리콘에 대한 식각 선택성이 매우 높아 포토레지스트, SiO
2, 질화규소 및 마스킹용 다양한 금속으로 작업할 수 있습니다.실리콘에 대한 반응은 "플라스마리스"이며 순수하게 화학적이고 자발적이며 펄스 모드로 작동하는 경우가 많습니다.식각 동작의 모델을 이용할 [23]수 있으며, 대학 연구소와 다양한 상용 도구가 이 접근방식을 사용하여 솔루션을 제공합니다.

플라즈마 식각

최신 VLSI 프로세스는 웨트 에칭을 피하고 대신 플라즈마 에칭을 사용합니다.플라즈마 Ether는 플라즈마의 파라미터를 조정함으로써 몇 가지 모드로 동작할 수 있습니다.일반적인 플라즈마 식각은 0.1~5Torr 사이에서 작동합니다(진공 공학에서 일반적으로 사용되는 이 압력 단위는 약 133.3패스카와 동일합니다).플라즈마는 웨이퍼 표면에서 반응하는 중성적으로 충전된 에너지 활성기를 생성합니다.중성 입자가 모든 각도에서 웨이퍼를 공격하기 때문에 이 과정은 등방성입니다.

플라즈마 식각은 등방성, 즉 패턴화된 표면에서 하향 식각 속도와 거의 동일한 가로 언더컷 속도를 나타낼 수 있으며, 이방성, 즉 하향 식각 속도보다 작은 가로 언더컷 속도를 나타낼 수 있다.이러한 이방성은 심층 반응성 이온 식각에서 극대화된다.플라즈마 식각의 이방성 용어의 사용은 방향 의존적 식각과 관련하여 동일한 용어의 사용과 결합되어서는 안 된다.

플라즈마의 소스 가스에는 보통 염소나 불소가 풍부한 작은 분자가 포함되어 있습니다.예를 들어 사염화탄소(CCl4)는 실리콘과 알루미늄을 식각하고 트리플루오로메탄은 이산화규소와 질화규소를 식각한다.산소를 포함한 플라즈마는 포토레지스트를 산화("애쉬")시켜 제거를 용이하게 하기 위해 사용된다.

이온 밀링 또는 스패터 식각은 낮은 압력(종종 10-4 Torr(10 mPa))을 사용합니다.이것은 운동량을 전달하여 기판의 원자를 두드리는 고에너지 이온(종종 Ar+)으로 웨이퍼를 폭파합니다.식각은 웨이퍼에 약 한 방향에서 접근하는 이온에 의해 이루어지기 때문에 이방성이 높다.반면 선택성이 떨어지는 경향이 있다.반응성 이온 식각(RIE)은 스패터와 플라즈마 식각 사이의 중간 조건(10-3~10-1 Torr)에서 작동합니다.딥 리액티브 이온 식각(DRIE)은 RIE 기술을 변경하여 깊고 좁은 기능을 생성합니다.

스퍼터링
주요 기사: 스패터링
반응 이온 식각(RIE)
주요 기사:반응 이온 식각

반응이온 식각(RIE)에서는 기판이 반응기 내에 배치되어 몇 가지 가스가 도입된다.플라즈마는 RF전원을 사용하여 가스혼합물에 부딪혀 가스분자를 이온으로 분해한다.이온은 식각되는 물질의 표면을 향해 가속하고 반응하여 또 다른 가스 물질을 형성합니다.이것은 반응성 이온 식각의 화학적 부분으로 알려져 있습니다.스패터링 증착 과정과 유사한 물리적인 부분도 있습니다.이온이 충분히 높은 에너지를 가지고 있다면, 그들은 화학 반응 없이 식각될 수 있는 물질에서 원자를 떨어뜨릴 수 있다.조정해야 할 파라미터가 많기 때문에 화학적 식각과 물리적 식각의 균형을 유지하는 드라이 에칭 프로세스를 개발하는 것은 매우 복잡한 작업입니다.화학적 부분은 등방성이며 물리적 부분은 이방성이 높기 때문에 밸런스를 변경함으로써 식각의 이방성에 영향을 줄 수 있다.

주요 기사:심층 반응성 이온 식각

Deep RIE(DRIE)는 인기가 높아지고 있는 RIE의 특별한 서브 클래스입니다.이 과정에서 거의 수직인 측벽으로 수백 마이크로미터의 식각 깊이를 얻을 수 있습니다.1차 기술은 원래 특허를 출원한 독일 회사 로버트 보쉬의 이름을 딴 이른바 "보쉬 공정"[24]에 기초하고 있으며, 원자로에서 두 가지 다른 가스 성분이 번갈아 사용되고 있다.현재 DRIE에는 두 가지 종류가 있습니다.첫 번째 변형은 세 가지 단계(원래 Bosch 프로세스)로 구성되며, 두 번째 변형은 두 단계로만 구성됩니다.

첫 번째 변형에서 식각 주기는 다음과 같습니다.

(i
6) SF 등방성 식각
2) CF
4
8 패시베이션
3) 바닥
6 청소용 SF 이방성 식각

제2변동에서는 스텝(i)과 스텝(iii)을 조합한다.

두 변형 모두 비슷하게 작동합니다.CF는
4
8 기판 표면에 폴리머를 생성하고, 두 번째 가스 조성물(SF
2 및 O)은 기판을 에칭합니다.폴리머는 식각의 물리적 부분에 의해 즉시 스퍼터링되지만 측면부가 아닌 수평 표면에만 스퍼터링됩니다.폴리머는 식각의 화학적 부분에서만 매우 천천히 녹기 때문에 측벽에 축적되어 식각으로부터 보호합니다.그 결과 식각 아스펙트비가 50대 1이 된다.이 공정은 실리콘 기판을 통해 완전히 식각하는 데 쉽게 사용할 수 있으며 식각 속도는 웨트 식각보다 3~6배 더 높습니다.

금형 준비

실리콘 웨이퍼에 MEMS 소자를 대량으로 준비하면 개별 다이를 분리해야 하는데 이를 반도체 기술로는 다이스 준비라고 한다.일부 애플리케이션의 경우 웨이퍼 두께를 줄이기 위해 웨이퍼 백그라인딩이 먼저 분리됩니다.웨이퍼 다이싱은 냉각액 또는 스텔스 다이싱이라고 불리는 건식 레이저 공정을 사용하여 수행할 수 있습니다.

MEMS 제조 테크놀로지

벌크 마이크로머신

주요 기사:벌크 마이크로머신

벌크 마이크로머시닝은 실리콘 기반의 MEMS에서 가장 오래된 패러다임으로 실리콘 웨이퍼의 전체 두께는 마이크로 기계 [20]구조를 만드는 데 사용됩니다.실리콘은 다양한 식각 공정을 사용하여 가공됩니다.벌크 마이크로머신은 1980년대와 90년대 센서 산업을 변화시킨 고성능 압력 센서와 가속도계를 가능하게 하는 데 필수적이었다.

표면 마이크로머신

주요 기사:표면 마이크로머신

표면 마이크로머시닝은 기판 [25]자체를 사용하는 것이 아니라 기판 표면에 퇴적된 층을 구조재로 사용한다.표면 마이크로머시닝은 1980년대 후반에 실리콘의 마이크로머시닝을 평면 집적회로 기술과 더 잘 호환되도록 하기 위해 개발되었으며, 동일한 실리콘 웨이퍼에 MEMS와 집적회로를 결합하는 것을 목표로 하고 있습니다.원래 표면 마이크로머시닝 개념은 이동 가능한 기계 구조로 패턴화된 얇은 다결정 실리콘 층을 기반으로 하며 기초 산화물 층의 희생적 식각으로 방출되었습니다.인터디지털 빗형 전극은 면내 힘을 생성하고 면내 이동을 용량적으로 감지하기 위해 사용되었습니다.이 MEMS 패러다임은 저성능 및/또는 고g레인지가 충분한 자동차 에어백 시스템 및 기타 애플리케이션을 위한 저비용 가속도계의 제조를 가능하게 했다.아날로그 디바이스는 표면 마이크로머신의 산업화를 선도해 MEMS와 집적회로의 공동 집적화를 실현했다.


웨이퍼 본딩

웨이퍼 본딩은 두 개 이상의 기판(보통 직경이 동일)을 서로 접합하여 복합 구조를 형성합니다.마이크로시스템 제조에 사용되는 웨이퍼 본딩 프로세스에는 직접 또는 퓨전 웨이퍼 본딩이 있으며, 여기에는 일반적으로 실리콘 또는 기타 반도체 재료로 구성된 두 개 이상의 웨이퍼가 함께 접합됩니다. 또한 붕소 도프된 유리 웨이퍼가 반도체 웨이퍼에 접합되는 양극 본딩이 포함됩니다.일리콘, 웨이퍼 접합을 용이하게 하기 위해 중간 박막 재료층이 사용되는 열압축 접합 및 2개의 실리콘 웨이퍼를 접합하기 위해 금 박막층이 사용되는 공정 접합.각각의 방법은 상황에 따라 특정한 용도가 있습니다.대부분의 웨이퍼 본딩 프로세스는 접합할 웨이퍼가 충분히 평평하고 웨이퍼 표면이 충분히 매끄럽고 웨이퍼 표면이 충분히 깨끗하다는 세 가지 기본 기준에 의존합니다.웨이퍼 본딩의 가장 엄격한 기준은 일반적으로 하나 이상의 작은 미립자라도 본딩에 실패할 수 있기 때문에 직접 퓨전 웨이퍼 본딩입니다.이에 비해 중간층을 사용하는 웨이퍼 본딩 방법은 종종 훨씬 더 관대합니다.

하이 애스펙트 비(HAR) 실리콘 마이크로머신

벌크 및 표면 실리콘 마이크로머신은 모두 센서, 잉크젯 노즐 및 기타 장치의 산업 생산에 사용됩니다.그러나 많은 경우 이 둘 사이의 차이는 줄어들었다.새로운 식각 기술인 딥 리액티브 이온 식각은 벌크 마이크로머신의 전형적인 우수한 성능과 표면 마이크로머신의 전형적인 빗살 구조 및 면내 작동을 결합하는 것을 가능하게 했습니다.표면 마이크로머신에서는 구조층 두께가 2µm인 것이 일반적이지만 HAR 실리콘 마이크로머신에서는 두께가 10~100µm일 수 있다.HAR 실리콘 마이크로머시닝에 일반적으로 사용되는 재료는 에피폴리라고 하는 두꺼운 다결정 실리콘과 결합된 실리콘 온 인슐레이터(SOI) 웨이퍼입니다. 단, 벌크 실리콘 웨이퍼에 대한 공정도 생성되었습니다(SREAM). 유리 프리트 본딩, 양극 본딩 또는 합금 본딩으로 두 번째 웨이퍼를 접합하여 MEMS 구조를 보호합니다.집적회로는 일반적으로 HAR 실리콘 마이크로머신과는 조합되지 않습니다.


열산화

주요 기사:열산화

마이크로 및 나노스케일 부품의 크기를 제어하기 위해, 소위 말하는 식각 없는 공정의 사용이 종종 적용됩니다.MEMS 제조에 대한 이러한 접근 방식은 대부분 Deal-Grove 모델에서 설명한 바와 같이 실리콘의 산화에 의존합니다.열산화 공정은 고정밀 치수 제어로 다양한 실리콘 구조를 생산하기 위해 사용됩니다.광주파수 [26]빗이나 실리콘 MEMS 압력센서를 [27]포함한 디바이스는 실리콘 구조를 1차원 또는 2차원으로 미세 조정하기 위해 열산화 프로세스를 사용하여 생산되었습니다.열산화는 실리콘 나노와이어의 제조에 특히 중요합니다.실리콘 나노와이어는 MEMS 시스템에서 기계 및 전기 부품으로 널리 사용되고 있습니다.

마이크로 일렉트로닉 시스템 칩(랩 온 칩이라고도 함

적용들

영화 상영용 Texas Instruments DMD 칩
투과전자현미경 [28]내부의 MEMS를 이용하여 금색 스트라이프(폭~1µm)의 기계적 특성 측정.

MEMS의 일반적인 상용 어플리케이션은 다음과 같습니다.

  • 잉크젯 프린터: 압전 또는 열거품 토출을 사용하여 잉크를 용지에 부착합니다.
  • 에어백 전개 및 전자 안정성 제어 등 다양한 용도로 사용되는 현대 자동차의 가속도계.
  • 관성 측정 단위(IMU):
    • MEMS 가속도계
    • 원격 제어 또는 자율 헬리콥터, 비행기 및 멀티로터(드론이라고도 함)의 MEMS 자이로스코프. 롤, 피치 및 요의 비행 특성을 자동으로 감지하고 균형을 잡는 데 사용됩니다.
    • MEMS 자기장 센서(자기계)는 방향성을 제공하기 위해 이러한 장치에 통합될 수도 있다.
    • 요, 피치 및 롤링(예: [29]비행기의 자동 조종)을 감지하기 위한 최신 자동차, 비행기, 잠수함 및 기타 차량의 MEMS 관성 항법 시스템(INS).
  • 게임 컨트롤러(닌텐도 Wii), 퍼스널 미디어 플레이어/휴대전화(실질적으로 모든 스마트폰, 다양한 HTC PDA [30]모델), 다수의 디지털 카메라(다양한 Canon Digital IXUS 모델) 등의 가전 기기의 가속도계.또한 PC에서 프리폴이 검출되었을 때 하드디스크 헤드를 고정하여 파손 및 데이터 손실을 방지합니다.
  • MEMS 기압계
  • 휴대 전화, 헤드 세트, 노트북 등 휴대 기기의 MEMS 마이크.스마트폰 시장은 스마트폰, 웨어러블 기기, 스마트 홈, 자동차 애플리케이션 [31]등을 포함한다.
  • 실시간 [32]클럭의 정밀 온도 보정 공진기.
  • 실리콘 압력 센서(예: 자동차 타이어 공기압 센서 및 일회용 혈압 센서)
  • 예를 들어, DLP 테크놀로지에 기반한 프로젝터의 디지털 마이크로미러 디바이스(DMD) 칩을 표시합니다.프로젝터의 표면에는 수십만 마이크로미러 또는 마이크로스캔 미러1개 또는 마이크로스캔 미러1개(현미러라고도 불립니다)가 있습니다.
  • 광스위칭 테크놀로지 - 스위칭 테크놀로지 및 데이터 통신 얼라인먼트에 사용
  • Lab-on-a-chip, 바이오센서, 화학센서 및 의료기기 내장 컴포넌트(예:[33] 스텐트)를 포함한 의료 및 건강 관련 기술에서의 바이오 MEMS 애플리케이션.
  • 가전제품(주로 모바일 디바이스용 디스플레이)의 IMOD(Interferometric Modulator Display) 응용 프로그램. Mirasol 디스플레이에서 볼 수 있는 반사 디스플레이 기술
  • 마이크로 냉각 등의 유체 가속
  • 압전,[34] 정전 및 전자파 마이크로 하베스터를 포함한 마이크로 스케일 에너지 수집.
  • 마이크로머신 초음파 변환기.[35][36]
  • 인이어 헤드폰이나 보청기 등의 어플리케이션에 초점을 맞춘 MEMS 기반의 확성기
  • MEMS 발진기
  • 원자력 현미경을 포함한 MEMS 기반의 주사 프로브 현미경

산업구조

SEMI와 Yole Development의 연구 보고서인 Global MEMS/Microsystems Markets and Opportunities에 따르면 자동차 에어백 시스템, 디스플레이 시스템 및 잉크젯 카트리지와 같은 제품을 포함하는 마이크로 전자기계 시스템의 세계 시장은 2006년에 총 400억 달러에 달하며 [37]2011년에는 720억 달러에 이를 것으로 예측된다.

강력한 MEMS 프로그램을 가진 기업은 여러 가지 규모가 있습니다.대기업은 자동차, 바이오메디컬, 전자제품 등의 최종 시장용 대용량 저비용 컴포넌트 또는 패키지 솔루션을 전문적으로 제조하고 있습니다.소규모 기업은 혁신적인 솔루션에 가치를 제공하고 높은 판매 수익률로 맞춤 제작 비용을 흡수합니다.일반적으로 대기업과 중소기업 모두 새로운 MEMS 기술을 개발하기 위해 연구개발에 투자합니다.

MEMS 기기 제조에 사용되는 재료 및 장비 시장은 2006년에 전 세계적으로 10억 달러를 돌파했습니다.재료 수요는 시장의 70% 이상을 차지하는 기판, 포장 코팅 및 화학 기계 평탄화(CMP) 사용 증가에 따라 결정됩니다.MEMS 제조는 여전히 중고 반도체 기기에 의해 주도되고 있지만, 200mm 라인으로 이행하고 있으며, 특정 MEMS 용도를 위한 식각 및 본딩 등 새로운 툴을 선택할 수 있습니다.

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

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추가 정보

외부 링크

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