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