1

Introduo aos MEMS

1.1. MEMS ?

1.2. Aplicaes

1.3. Importncia tecnolgica e comercial dos MEMS

1.4. Principais tcnicas de microfabricao

1

2

MEMS ? 1.1

ndice

MEMS Sistemas Micro Eletro Mecnicos (ou simplesmente MEMS), so sistemas de dimenses reduzidas (desde alguns mcrometros at milmetros), fabricados por tcnicas de microfabricao derivadas da microeletrnica, nos quais so implementados dispositivos e/ou circuitos microeletrnicos com elementos mveis como cantilevers, membranas, engrenagens, etc.

MST (Micro System Technologies Europa Sistemas com estruturas de dimenses da ordem de micrometros e cuja

funo tcnica dada pela forma da microestrutura. Microsistemas combinam vrios microcomponentes otimizados num sistema nico, para realizar uma ou varias funes especificas, em muitos casos incluindo microeletrnica. (NEXUS, European Network of Excellence in Multifunctional Microsystems)

Micromaquinas Japo

Introduo

3

1.1 MEMS ? Sistema micro eletro mecnico ?

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

Mtodo tradicional :

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

Grandes dimenses

Resposta lenta

Baixa sensibilidade

4

1.1 MEMS ? Sensor de presso baseado em MEMS

baseado em MEMS : Pequenas dimenses

Microusinagem das estruturas mveis

Possibilidade de Integrar a eletrnica de controle

Baixo tempo de resposta e alta sensibilidade

Elementos piezoresistivos

Montagem

5

Formas de Atuar

Eletrosttica

Piezoeltrica

Trmica

Magntica

Memory Shape

1.1 MEMS ? Atuadores baseados em MEMS

Fe ~ CV2 / x Fe ~ CV2

6

Cabeotes injetores para impressoras jato de tinta Acelermetro e sensores de presso para a indstria automotiva (freios

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

Microatuadores para cabeas de leitura/escrita de HDs Microsistemas para ptica e opto-eletrnica

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

Farmacologia Microcanais, microbombas e microvlvulas controle de fluxo (lquido e

gasoso) Sensores de pH, sensores de presso sangnea, Injetores para

dosificao de remdios

Micro-robtica e sistemas complexos Estudo de fenmenos fsicos e desenvolvimento de novas tecnologias :

Caracterizao de materiais, Nanotecnologia (Nano MEMS ou NEMS)

Aplicaes dos MEMS 1.2 Introduo

ndice

7

Exemplos de utilizao de MEMS

MEMS em automveis

1.2 Aplicaes

8

Acelermetros, ADXL (Analog Devices Inc.)

Micro espelhos mveis, DMD (Texas Instruments Inc.)

Cabeas Leitura/Escrita HDs (Hitachi, 2007)

Lab on a Chip (Caltech, 2007)

Exemplos

9

Micro mquinas (Sandia Lab)

Micropontas para AFM

1.2 Aplicaes

10 ndice

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

uma Indstria florescente, dinmica e em franca expanso, particularmente na rea de microestruturas, sensores e atuadores

Interesse em reas muito diversas : industria automotiva, farmacutica, telecomunicaes, eletrnica de consumo, biotecnologia e medicina, microeletrnica e opto-eletrnica.

Devido a suas caractersticas intrnsecas e relao com a Microeletrnica, os MEMS de Si apresentam :

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

Microsistemas complexos

Microfludica

Nanotecnologia

Importncia tecnolgica e comercial dos MEMS 1.3

Importncia cientfica, no estudo de novos fenmenos fsicos :

Mercado Total de MEMS (por produto) 1.3 Mercado

CAGR : 13%

12

Mercado Total de MEMS 1.3 Mercado

13 ndice

1.1 MEMS ?

Como j mencionado, o sucesso comercial dos MEMS se deve, em grande parte, infra-estrutura j estabelecida na industria de CIs e de microeletrnica em geral. Pelo mesmo motivo, o Silcio e materiais a ele correlacionados (como o SiO2 e Si3N4, por exemplo) tm sido os mais utilizados no desenvolvimento comercial de MEMS. Por outro lado, no meio cientfico e acadmico diversos novos materiais tm sido estudados e utilizados para explorar novas e diversas aplicaes :

Diversidade de reas de aplicao

Diversidade de dispositivos

Diversidade de materiais

Diversidade de processos

MEMS : Materiais & Processos

14

1.1 MEMS ?

MEMS

Diversidade de processos

Propriedades Fsicas : dureza, modulo de elasticidade, condutividade trmica e eltrica, stress interno, etc.

Propriedades Qumicas : composio, estabilidade qumica, etc.

Propriedades Tecnolgicas : seletividade na corroso, crescimento conforme, etc.

Diversidade de materiais

Temperatura dos processos : por exemplo, em materiais polimricos, orgnicos,etc.

Estruturao 3D : alta relao de aspecto, processos de polimento, ....

Dimenses : de micrmetros a centmetros ...

Encapsulamento : manipulao de gases, lquidos, etc.

MEMS : Materiais & Processos

15 ndice

1.1 MEMS ? MEMS vs. Microeletronica

Microeletrnica

Circuito lgicos Computadores, Processadores digitais

Amplificadores Hi-Fi, telecomunicaes RF e Wire less,

Memorias DRAM, SRAM, ...

CCDs Cmaras Digitais

MEMS

Eletrnica Cabeotes para leitura e

escrita em HDs Cabeote para impresso

Jato de tinta

Industria Automotiva

Acelermetros (Airbags, freios ABS)

Sensores de presso Sensores de navegao

Medicina e Meio Ambiente

Sensores de presso sanguinea

Dosificao deremdios

Tele Comunicaes

Cmaras Digitais

Filtros e reles de RF Componentes para redes

de fibra ptica

Defesa

Exemplos rea Exemplos rea

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Lei dos MEMS :

MEMS vs. Microeletrnica

baseada principalmente num nico dispositivo : o transistor

baseada quase totalmente em Si e SiO2

baseada principalmente numa nica tecnologia : quase 80% de toda a microeletrnica se baseia na tecnologia CMOS.

Estruturas 2D

Microeletrnica

Diversos dispositivos Diversos materiais Diversas tecnologias,

algumas especificas de MEMS, em especial para estruturao 3D

MEMS

Introduo

Uma tecnologia para cada microsistema

17 ndice

1798 - A Litografia inventada 1855 - Adolf Fick estabelece a teoria da Difuso 1918 - Czochralski introduz a tcnica que leva seu nome para crescimento de cristais 1925 - introduzida a tcnica de Bridgman para crescimento de cristais 1952 - A dopagem por difuso introduzida (por Pfann) como mtodo de dopagem de Si 1957 - O Fotoresiste comea a ser utilizado (por Andrus); O mascaramento com SiO2 comea a ser utilizado (por Frosch e Derrick)

O Crescimento Epitaxial desenvolvido por Sheftal et al. 1958 - Shockley prope o uso da Implantao Ionica como processos de dopagem 1959 - J. Kilby e Noyce inventam o Circuito Integrado 1963 - O conceito CMOS proposto por Wanlass and Sah 1967 - As memorias DRAM so inventadas (por Dennard) 1969 - A utilizao de portas de poli-Si auto-alinhamento (por Kerwin et al.) A tcnica MOCVD desenvolvida (por Manasevit and Simpson) 1971 - A tcnicas de Dry Etching desenvolvida por Irving et al.; A tcnica BEM desenvolvida (por Cho) A Intel fabrica seus primeiros microprocesadores 1982 - A tecnologia de isolao por Trench introduzida (por Rung et al.) 1989 - A tcnica de polimento quimico-mecanico (CMP) desenvolvida (por Davari et al.) 1993 - Introduo da Interconexo de Cobre em substituio do Al (por Paraszczak et al.)

1.2 Aspectos histricos MEMS : Processos de Microfabricao (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 : Comercializao dos primeiros sensores de esforo de Si 1958 : 1er Circuito Integrado (de Ge) (Jack Kilby, da Texas Instruments 1959 : R. Feynman : Theres plenty of room at the bottom 1961 : Demonstrao dos primeiros sensores de presso 1967 : H.C.Nathanson R : The Resonant gate transistor 1967-68 : Deep Anisotropic Etching, bulk micromachining e anodic bonding 1970 : Demonstrao dos primeiros acelerometros de Silcio 1979 : Demonstrao das primeiras bocais microusinados 1982 : K.Petersen : Silicon as a mechanical Material 1983 : Comercializao dos primeiros sensores de presso 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) 1990s : Dcada dos Sensores

MEMS : Introduo

Volta

19

Epitaxia Oxidao e Crescimento de filmes Dopagem Fotolitografia Corroso Soldagem direta de Si (SOI)

Soldagem Andica Polimento Mecnico e Qumico

(CMP) Secagem Supercrtica Eletrodeposio e Moldagem (LIGA) Processos No litogrficos

Processos derivados da tecnologia do Si

Processos da tecnologia dos MEMS

Corroso

Tcnicas de Microfabricao

ndice

1.4

20

Tcnicas de Microfabricao :

Deposio alternada de filmes Estruturais e de Sacrifcio

Microfabricao em Substrato

Microfabricao em Superfcie

Processos envolvendo Deep RIE + Fusion Bonding

MEMS de Si

A combinao de diversos processos de fabricao, sejam derivados da microeletrnica ou desenvolvidos especialmente para MEMES, do origem a diferentes tcnicas de microfabricao. Em geral, estas tcnicas no so descritas em termos muito rgidos e dependem dos materiais utilizados. No que concerne aos MEMS baseados em Si, podemos destacar :

Remoo parcial ou total do substrato de Si

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Microfabricao em substrato

Microestruturas

Mtodo Simples e Barato

Sensores de Presso

Tcnicas de Microfabricao

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Microfabricao em superfcie Tcnicas de Microfabricao

SIO2

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

piezorresistividade, piezoeletricidade...

Propriedades Mecnicas : Mdulo de Elasticidade, Dureza, Tenso mecnica e gradiente de tenso ...

Propriedades Trmicas : Condutividade trmica e coeficiente de expanso trmica,

Propriedades pticas e Qumicas : Absoro ptica, refletividade, ndice de refrao, molhabilidade

Propriedades Tecnolgicas : Resistncia e Seletividade em processos de corroso e Compatibilidade processos de Microeletrnica,

Introduo Materiais para MEMS

24

Materiais para MEMS Introduo

25 ndice

1. Introduo aos MEMS

Ler :

* Theres 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. Disponvel como e-Book no Dedalus (http://200.144.190.234/F)

A leitura obrigatria : O contedo destes e outros textos indicados no futuro, ser cobrado em exerccios e provas.

Trabalho 1