تکنولوژی و ویژگیها

1-6 تکنیکهای میکروماشینکاری
میکروسنسورهاومحرک هابابه کارگیری تکنیکهای میکروماشینکای که درصنعت میکروالکترونیک به خوبی شناخته شده اند، ساخته میشوند.میکرومحرک ها ی سه بعدی درساختارهای پلیمری میتوانندبااستفاده ازاستریولیتوگرافی روی انواع پلیمرهای مخصوص به دست آیند. میکروماشینکاری سیلیکون یک فاکتورکلیدی برای پیشرفتهای وسیع MEMSدردهه گذشته بوده است. میکروماشینکاری سیلیکون به ساخت قطعات مکانیکی میکروسکوپی بیرون ساختارسیلیکونی ویاروی ساختارسیلیکونی وبه تازگی مواددیگر اطلاق می شود.این تکنیک برای ایجادساختارهایی ازقبیل تیرهای مقید، پوسته ها، تیرهای یک سرگیردار، شیارها، گلوییها، فنرها، چرخ دنده ها وآونگها و… استفاده میشود.اینها میتوانندبرای ایجاد سنسورهای گوناگون مونتاژشوند.اخیراً ژاپنیها یک اتومبیل میکروماشینکاری شده کامل رانمایش داده اند که برای دقایق زیادی کارمیکند. میکروماشینکاری سیلیکون شامل دوتکنولوژی زیر میباشد:
میکروماشینکاری حجمی(bulk micromachining) : درساختارهایی که درون زمینه سیلیکونی اچ شده اند.
میکروماشینکاری سطحی(surface micromachining) : درلایه های مکانیکی که ازلایه ها وفیلمهای ته نشین شده روی سطح شکل داده شده اند
1-6-1 میکروماشینکاری حجمی
این روش یکی از روشهای عمومی و کاربردی میکروماشینکاری است. این تکنیک ازاوایل دهه 1960 پدیدارشدوازآن وقت درساخت ریزساختارهای مختلف استفاده گردید. اینفن درساخت اکثروسایل تجاری شامل تقریباتمام سنسورهای فشاروشیرهای سیلیکونی ونوددرصدشتاب سنج های سیلیکونی استفاده شده است. اصطلاح میکروماشینکاری حجمی از این واقعیت ناشی میشود که این روش برای ایجاد ساختارهای میکرومکانیکی در داخل یک لایه سیلیکون کریستالی به کار میرود که این عمل توسط باربرداری دلخواه (اچ کردن) در ماده انجام میشود . تکنیک میکروماشینکاری حجمی قادر به باربرداری به میزان لازم از یک ساختار سیلیکونی هست که برای شکل دهی ساختارهای مکانیکی سه بعدی بکار میرود مانند : پوسته ها، سوراخ ها و غیره . (شکل 1-10)
شکل (1-15) انواع ساختارهای میکروماشینکاری حجمی
ریزساختارهای ساخته شده بااستفاده ازمیکروماشیکاری حجمی ممکن است محدوده ضخامت اززیر یک میکرون تاضخامت ویفرکامل(µm500-µm200) ومحدوده اندازه جانبی اززیریک میکرون تااندازه های جانبی یک ویفرکامل راپوشش دهد. فن میکروماشینکاری حجمی باتوجه به اچ کننده هامیتواندبه دوبخش اچ کردن خشک واچ کردن خیس سیلیکون تقسیم بندی شود.اچ کننده های مایع، که تقریباً یه طورانحصاریروی محلولهای شیمیایی جواب میدهند، برای اچ کردن خشک به کارمیروند. اچ کننده های بخاروپلاسمانیزبرای اچ کردن خشک به کارمیروند.برای اچ کردن لایه سیلیکون باضخامت یکنواخت، اچ کننده خیس غیرهمسان مانندمحلول هیدروکسیدپتاسیم(KOH) ، اتیلین دی آمین، تترامتیل آمونیوم هیدروکسید(TMAH)وچندنوع ماده دیگراستفاده میشود.این اچ کننده هادرجهات کریستالی مختلف سیلیکون نرخ برداشت متفاوتی دارند.اچ کردن خیس دراغلب موارد ازطرف پشت ویفرانجام میشود درحالیکه اچ کردن پلاسما ازطرف جلوعملی میباشد.درسالهای اخیر، یک تکنیک شناخته شده میکروماشینکاری حجمی دیواره ای عمود باعنوانSCREAM، که ترکیب اچ کردن همسان وغیرهمسان پلاسما میباشد، استفاده شده است.فرآینداچ کردن میتواند به طور انتخابی به وسیله استفاده ازمایع اچ کاری شیمیایی زیاد و اچ کردن آرام باشد یامیتواند به طورالکتروشیمیایی کنترل شود(برای مثال توقف اچ کردن در بالای برخوردیک ناحیه باقطبیت مختلف دریک اتصال برپایه p-n). ناحیه ای که اچ کردن خیس درآن تمایل به آهسته شدن داردویاکم میشود etch-stopنامیده میشود. (شکل1-16)
شکل (1-16) میکروماشینکاری سیلیکون حجمی(الف) اچ کاری همسان(ب) اچ کاری غیرهمسان (ج) اچ کاری غیرهمسان همراه بالایه متوقف کننده etch-stop(د)غشاء برداشته شده بااچ کاری ازپشت (ه) اچ کاری خیس (ی)اچ کاری خشک
با اینکه میکروماشینکاری حجمی یک تکنیک کاملی است ولی چند محدودیت نیز دارد. به عنوان مثال صفحات کریستالوگرافی (Crystallographic) لایه،حداکثر نرخ باربرداری قابل حصول را تعیین می کنند. نرخ های بالاتر می توانند نیازمند اندازه های بزرگتر در مقایسه با سایر تکنیک های میکروماشینکاری باشند. همچنین به دست آوردن ساختارهای پیچیده توسط تکنیک حجمی مشکل تر است.
1-6-2 میکروماشینکاری سطحی
بر خلاف روش حجمی در روش سطحی هیچگونه باربرداری از حجم سیلیکون انجام نمی شود، درعوض به وسیله ته نشین کردن (روکش دادن)فیلمهای نازکی ازلایه های عایق ولایه های ساختاری وبا برداشتن قسمتی ازلایه های عایق برای پدیدارشدن ساختارمکانیکی آن، ساختارهایی روی سطح سیلیکون میسازد(شکل 1-17).ابعاداین ساختارمیکروماشینکاری شده سطحی میتواندچندین مرتبه کوچکترازساختارهای میکروماشینکاری شده حجمی باشد.
شکل (1-17) میکروماشینکاری سطحی سیلیکون.
میکروماشینکاری سطحی نیازمند یک گروه همساز و هماهنگ از مواد ساختاری،مواد فداشونده و اچ کننده های شیمیایی است.مواد ساختاری باید دارای خواص مکانیکی خوب از قبیل تنش تسلیم و شکست بالا،خزش و خستگی پایین و همچنین مقاومت سایشی خوب باشندمواد فداشونده نیز باید دارای خواص مکانیکی خوب باشند.
اچ کننده هابرای برداشتن موادعایق بایداچ کردن انتخابی بسیارعالی باشدوآنهابایدقادربه تمام کردن اچ کاری در موادعایق باشندبدون آنکه درموادساختمانی اثرکنند. بعلاوه، اچ کننده هابایدویسکوزیته وویژگیهای کششی مناسبی داشته باشند.سازگارترین موادICکه درمیکروماشینکاری سطحی استفاده شده اندعبارتنداز:
پلی سیلیسیم/دی اکسیدسیلیکون
پلی آمید/آلومینیوم
نیتریدسیلیکون/پلی سیلیسیوم
تنگستن/دی اکسیدسیلیکون
میکروساختارهای سیلیکونی ساخته شده بااستفاده از میکروماشینکاری سطحی معمولا ساختارهای سطحی یادوبعدی میباشند.تکنیکهای دیگرشامل استفاده ازفیلم نازک موادساختاری رها شده به وسیله برداشت یک لایه عایق زیری به گسترش سطوح میکروماشینکاری مرسوم به بعدسوم کمک کرده است.بااتصال صفحات پلی سیلیکونی به زیرلایه وهرکدام ازلایه هابه وسیله مفاصل، ساختارهای میکرومکانیکی سه بعدی بعدازآزادکردن میتوانندمونتاژشوند. رویکرددیگربرای ساختارهای سه بعدی ازرسوب موافق باپلی سیلیکون وفیلمهای اکسیدعایق، برای پرکردن عمق گودیهایی که قبلادرزیرلایه سیلیکونی اچ کاری شده اند استفاده کرده است.یک مثال ساختارهای مکانیکی ساخته شده بااستفاده ازپروسه میکروماشینکاری سطحی اصلاح شده درشکل 1-18نشان داده شده است.این میکروساختارسه بعدی مخصوصاً برای وسایل ریزاپتیکی بدون نیازبه تماس پیداکردن باتوان خروجی مفیدهستند.
شکل (1-18) مثالی ازمیکروماشینکاری سطحی اصلاح شده