Mikroinżynieria

przestrzenna - procesy

technologiczne, przykłady

zastosowań

Tomasz Bała nr.ind.:127206

Mikroinżynieria przestrzenna

• Mikroinżynieria przestrzenna, to dziedzina

techniki zajmująca się projektowaniem,

wytwarzaniem oraz opracowywaniem

technologii procesów produkcji przestrzennych

struktur mikromechanicznych.( Obiektów o

strukturze trójwymiarowej w których co najmniej

jeden wymiar leży w zakresie mikrometrów).

Materiały wykorzystywane w
mikroinżynierii przestrzennej.

• Na obecnym etapie rozwoju techniki mikrosystemów

mikromechaniczna ich część jest najczęściej całkowicie

wykonana z krzemu lub z krzemu połączonego ze szkłem, w

postaci jedno lub wielowarstwowego chipu, zawierającego

różne trójwymiarowe konstrukcje mikromechaniczne takie

jak membrany, rowki, belki, wgłębienia, otwory.[1]
Inne materiały rzadziej stosowane do obróbki przestrzennej

metodami mikroinżynierii:
SiC, SiN4, warstwy diamentopodobne, rozmaite metale.

Podłoża krzemowe

• Podłoża krzemowe mają postać jedno lub

obustronnie wypolerowanych płytek o
średnicach od 1 do 8 cali i grubościach do
kilkuset mikrometrów. O orientacji płaszczyzny
krystalograficznej informują ścięcia bazowe.

Podłoża krzemowe wytwarzanie

• metoda Czochralskiego, wolno obracająca się zarodź,

ułożona zgodnie z pożądanym kierunkiem

krystalograficznym wolno obraca się w roztopionej

masie krzemowej i jest wyciągana do góry z prędkością

wzrostu warstw krystalizującego na niej krzemu

• waga walca to kilkadziesiąt kilogramów utrzymuje się

na szyjce o średnicy <=2mm

• cięcie walca na plastry piłą drutową i proszkiem

diamentowym

• polerowanie

Podłoża krzemowe wymagania

• Kształty, wymiary i płaskowórnoległość muszą

być utrzymane założonym przedziale odchyłek

• Powierzchnia podłoża musi być gładka

optycznie

• Zgodność powierzchni podłoża z założonym

kierunkiem krostalograficznym. (Odchylenie nie

może przekraczać 0.5

0

)

• Powierzchnie powinny być polerowane
• Całkowity rozrzut grubości nie powinien

przekraczać kilku mikrometrów [1]

Procesy technologiczne stosowane do
produkcji mikromechanicznych struktur
przestrzennych z krzemu i ze szkła (1)

• Istnieją dwie główne grupy procesów służących do

formowania przestrzennych struktur mikrosystemów

krzemowych i krzemowo-szklanych:

1. Mikromechaniczne łączenie miedzy sobą krzemu ze szkłem i

samego krzemu. Do najczęsciej stosowanych procesów

należą:

•

Bonding anodowy

•

Bonding bezpośredni (fuzyjny)

2. Głęboka mikroobróbka przestrzenna krzemu, polegająca na

selektywnym usuwaniu pewnych partii materiału

krzemowego

a) Proces głownie stosowany:
- trawienie anizotropowe mokre
b) Procesy uzupełniające:
– trawienie suche izotropowe lub anizotropowe metodami:

•

RIE ( ang. reactive ion etching)

•

PERIE ( ang. plasma enhanced RIE) [1]

Głębokie anizotropowe mokre
trawienie krzemu

• W głebokim anizotropowym trawieniu krzemu ze

względu na wiele korzystnych cech, powszechnie
stosuje się roztwór wodorotlenku potasu (KOH +
H

2

O).

• Inne stosowane roztwory to:
- hydrazyna i pyrokatechol -najstarszy
- etylenodiamina, pyrokatehol, pyrazyna (EDP)
- Wodorotlenek tetrametyloamoniowy (TMAH)
- Wodorotlenek sodowy

KOH - cechy

-

r-r alkaliczny, wolnotrawiący (proces trawienia

trwa kilka godzin)

- tani
- łatwodostępny
- stabilny
- obojętny w stosunku do powietrza
- nie jest wybuchowy
- selektywny w stosunku do SiO

2

i Si

3

N

4

- temperatura wpływa na szybkość i anizotropię

trawienia, koncentracja na anizotropię)

Głębokie anizotropowe mokre
trawienie krzemu (cd)

• Do trawienia stosuje się aparaturę szklaną,

wyposażoną w możliwość stabilizacji temperatury
(z odchyłką do 0.5

o

C), proces przebiega pod

ciśnieniem atmosferycznym, trawione podłoża
układane są w kasetach teflonowych i
unieruchomione. Roztwór trawiący jest mieszany.

Czynniki wpływające na kształty
uzyskiwanych struktur [1]

• orientacja krystalograficzna podłoża

(przedewszystkim wykorzystuje się podłoża (111),

(110), (100))

• kształt maski i jej ułożenie względem kierunków

krystalograficznych podłoża

• anizotropii trawienia ( stosunku szybkości

trawienia płaszczyzn (100) do (110) lub (111)*

• szybkości trawienia płaszczyzny (100)*

*-czynniki zależne od rodzaju koncentracji i

temperatury r-ru trawiącego

Wpływ rodzaju podłoża i ułożenia
masek względem kierunków
krystalograficznych podłoża (100)

Wytwarzanie podstawowych
struktur mikromechanicznych -
membrany

• Wykorzystana może być także

dodatkowo dyfuzja boru jako

proces stopujący trawienie, i

umożliwiający uzyskanie

dodatkowych kształtów

Wytwarzanie podstawowych
struktur mikromechanicznych – V i
U rowki

Kształty i głębokości v rowków uzyskuje się przy

odpowiednim ułożeniu masek w stosunku to

kierunków krystalograficznych oraz ich wymiarów.

Wytwarzanie podstawowych
struktur mikromechanicznych – V i
U rowki, z zastosowaniem
przetapiania laserowego

Wytwarzanie podstawowych
struktur mikromechanicznych –
belki

• W wytwarzaniu belek

stosuje się technikę dyfuzji
stopującej w połączeniu z
jednostronnym trawieniem.

Wytwarzanie podstawowych
struktur mikromechanicznych –
elementy mikromaszyn

• Kluczowe procesy:
-trawienie dwustronne
-dyfuzja stopująca

Przykłady i zastosowania
podstawowych konstrukcji
mikromechanicznych (1)

Przykłady i zastosowania
podstawowych konstrukcji
mikromechanicznych (2)

Źródła:

• dr JAN A.DZIUBAN „Technologia i

zastosowanie mikromechanicznych
struktur krzemowych i krzemowo
szklanych w technice
mikrosystemów”

• dr Rafał Walczak „Mikrosystemy” –

wykład

• www.darpa.mil
• www.mems-issys.com