הרצאה מס' 2 רכיבי MEMS - ייצור ושימושים VK1

1. הרצאה מס' 2רכיבי MEMS - ייצור ושימושים VK1 השוק והשימושים המתפתחים יצירת שווקים חדשים בשל הטכנולוגה המוצרים העיקריים השולטים בשוק בסיס הייצור של MEMS באצוות גדולות (Surface micro-machining) מיקרו-מכניקה משטחית יוצרת מבנים דקים (עד 0.1 מ"מ) מיקרו-מכניקה גושית (BULK) יוצרת מבנים עבים (יחסית.... 1 מ"מ) חומרים מצויים ב MEMS הפיסה, המרבצים, שכבת ההקרבה וכו'

2. רכיבי MEMSההתחלה ומסלול ההתפתחות השוק כיום הוא מסדר גודל של 10-15B$ בשנה יחד עם זאת בייצור המוני ישנו מספר די מצומצם של רכיבים מיקרופנים, הזרקת דיו, מחושי לחץ, מחושי אינרציה, רכיבים אופטיים, כל אחד מהנ"ל מייצר B$+ בשנה המוצר הראשון בשוק הוא מחושי לחץ והשוק שלהם הוא קרוב ל- B$ בשנה כאשר המחיר והגודל מצטמצמים משמעותית כך מתפתחים שווקים חדשים למשל שילוב של מחושי לחץ בתוך מחט היפוטרמית או בשעוני ספורט אפשרי רק הודות לגודל הזעיר של הרכיב מחושי אוץ (ACCELEROMETERS) וג'יירוסקופים היו תמיד חשובים בתעשיית הרכב היום מחושי אוץ משולבים משחקי וידאו במצלמות דיגיטאליות ג'יירוסקופים משולבים במערכות ניווט ב GPS ולייצוב תמונה במצלמות דיגיטאליות וצפויים להיכנס למגוון מערכות בממשק אדם-מכונה

4. רכיבים מובילים נוספים • הזרקת דיו • כל קסטה של דיו מכילה ראש הזרקה מיקרוני • במונחי הכנסות הם נחשבים לגדולים ביותר • החלק של MEMS במחיר הוא אולי לא גדול אבל הוא המאפשר את כל הטכנולוגיה הזו • DMD תצוגה מיקרו-דיגיטאלית • TI שולטת בפטנטים ובשוק של DMD • יחסי הקונטרסט המצויינים בהקרנת תמונה המתקבלים בטכנולוגית הנעה של מיקרו-מראות מאפשר תחרות מול טכנולוגית ה- LCD • הרכיבים הללו מכילים כמיליון מיקרו-מראות במבנה מתנועע • שיטת הייצור באצוות גדולות היא הבסיס ליתרונות הטכנולוגיים • תצוגה מבוססת החזרה למכשירים יבילים שאינם מצריכים הארה אחורית • רכיבים ביו-רפואיים • הגודל הזעיר ייתרון במערכות ביולוגיות

5. רכיבי MEMS מבטיחים (קטן מ 0.1 B$) • מפסקים אופטיים • מצפים להתפתחות מחודשת לאחר נפילה של חברות התקשורת בתחילת העשור הקודם • מיקורופוני סיליקון זעירים • מתפתח בתעשייה הסלולארית • מתאים במיוחד להלחמה (מה שלא הולך במיקרופונים המתכתיים) • מפסקי RF • עדיפות בביצועים על פני התקני מצב מוצק • משמש במערכות מכ"ם וצב"ד • אופצי למערכות הסללולר אבל עדיין יקר • מיקרו מתנדי RF • בעיות הספק ויחס אות לרעש ביחס לרכיבי המאקרו

7. Micro-fabricationand Batch processing • התהליכים דומים לאלו שהתפתחו בייצור מעגלים מודפסים (IC) • הכלים והמונחים שאנו משתמשים ב MEMSשאולים לפיכך מעולם ה- IC • לפעמים מסבים מפעל ICמיושן (רכיבים לא מספיק קטנים....עשרות מיקרונים) למפעל MEMS כיון שזה אינו מצריך שימוש בטכנולוגיות היותר חדשניות (תת מיקרוניות, למשל) • למרות זאת יש הבדלים משמעותיים בין שתי הטכנולוגיות המקשות על המעבר הנ"ל • זיווד של חלקים נעים • ייצור בשכבות עבות (יחסית) • השגת שליטהמוחלטת במימדים ויכות בקרה צמודה עליהם

8. ייצור באצווה גדולה • שונה במהותו מהייצור הסדרתי המקובל במפעלי ייצור (יצרני אכיבים ו/או מערכות) • בהתקן יחיד מבוצעת פוטוליטוגראפייה באמצעות מסכה (ממוחשבת) ואור אולטרא-סגול • אלפי רכיבים על המצע מוגדרים למעשה בפעולה אחת • הפוטוליטוגראפייה מאפשרת הגדרת כל צורה שהיא על המצע אבל מסובכת כשמדובר בייצור מבנה תלת ממדי. • כמו חיתוך צורות בלוח קרטון הייצור הזה נראה לפעמים שטוח או דו-ממדי

9. עלות ייצור • עלות הייצור אחידה כמעט לכל מצע ואינה תלוייה במספר הרכיבים באצווה • לכן ככל שנצופף יותר רכיבים על מצע סיליקון יחיד, תרד עלות הייצור לרכיב • על מצע סיליקון יחיד (קוטר 20~ ס"מ)ניתן לייצר מאות רבות ואף אלפי התקנים • לכן גם מפעלון שכונתי לא מורכב ולא משוכלל יכול לייצר מיליוני התקנים בחודש בלי בעייה מיוחדת • לאחר הייצור של המצע המלא מתבצע חיתוך עדין לשבבים או קוביות המהוות את המוצר הסופי שלנו • רכיבים אלו מזוודים בדרך כלל כשהם משולבים במעגלי ICמודפסים ואז נארזים במארז קומפקטי לצורך שילובם במערכת הגדולה (שעון, סללולר, קסטה וכו') • בין שיטות הייצור נציין (ונסביר להלן) את הייצור המשטחי והייצור הגושי • Surface micro-machining • Bulk micro-machining

11. Surface micro-machiningמייצר מבנים דקים • השיטה מבוססת על יצירת תבניות בשכבות דקות על פיסת מצע סיליקון (WAFER) • המבנים יהיו שטוחים, מה שמפשט את תהליכי הייצור העוקבים • יצירת שכבה דקה thin film deposition • איכול סלקטיבי selective etching • חזרה על הפעולות הנ"ל היוצרת מבנה דמוי תלת ממד • עובי כל שכבה כ- 5 מיקרון • בהתקן פשוט כמו מד תאוצה ישנן רק שתי שכבות מבניות הרוכבות מעל שכבה אחת המושמדת לאחר גמר העיבוד (שכבה מאובדת) sacrificial layer • בהתקן משטחי מורכב נרשם שיא של 5 שכבות מבניות עבור התקן מורכב המתנועע (ומספר לא קטן של שכבות "מאובדות" בשלבי העיבוד השונים)

12. הדמיון ל IC • העיבוד המשטחי ב- MEMS דומה כאמור לעיבוד במעגלים מודפסים המבוסס גם הוא על עיבוד שכבות דקות על מצע סיליקון. • זהו גם הייתרון הגדול של שיטת העיבוד הזו ב MEMS בגלל הקלות היחסית בשילוב התקני MEMSמושלמים בתוך מעגלי IC (המשלים את החלק ה"מתמר" ברכיב)ולשלב רכיבים אלקטרונים ומכניים על אותה פיסה. • שילוב כזה גם מוזיל את הזיווד ומשפר ביצועים כוללים במיוחד כשיש חיבורים רבים בין ההתקנים המכניים והרכיבים האלקטרוניים. • למשל בנייה של מערך מיקרו-מראות המשלבות יותר ממליון מראות בהתקן יחיד, לא תיהיה אפשרית ללא מעגלי בקרה המשולבים באותה הפיסה ושולטים על המצב של כל מראהבתזמונים של מילישניות

13. עיבוד מיקרו-משטחי טיפוסי - 1

14. עיבוד מיקרו-משטחי טיפוסי....המשך

15. שכבת הקרבה Sacrificial Layers • Complicated components, such as movable parts, are built using a sacrificial layer. • For example, a suspended cantilever can be built by depositing and structuring a sacrificial layer, which is then selectively removed at the locations where the future beams must be attached to the substrate (i.e. the anchor points). • The structural layer is then deposited on top of the polymer and structured to define the beams. • Finally, the sacrificial layer is removed to release the beams, using a selective etch process that will not damage the structural layer. • There are many possible combinations of structural/sacrificial layer. The combination chosen depends on the process. • For example it is important for the structural layer not to be damaged by the process used to remove the sacrificial layer.

16. Bulk micro-machiningמייצר מבנים עבים • שלא כמו העיבוד המשטחי המבוסס על יצירת שכבות דקות על פיסת סיליקון המהווה בסיס למבנה, עיבוד הסיליקון הגבישי מגדיר לנו את המבנים באמצעות עיבוד (איכול) סלקטיבי של המצע הגבישי. • מעבר למצע זה ניתן לייצר עוד שכבות כנדרש • זה יוצר מבנים עבים מסדר גודל של מאות מיקרונים ועד חצי מילימטר. כלומר עובי הגדול פי מאה לערך מהמבנים המעובדים בעיבוד משטחי. • השכבה העבה נותנת ייתרון (וחיונית) בסנסורים אינרציאלים הזקוקים למסה משמעותית. • הגבישים מעובדים מגביש יחיד ( Single crystal ) בניגוד לחומרים האמורפיים (amorphous) או הרב גבישיים (polycrystalline) בשיטה המשטחית. • הפרמטרים היציבים והניתנים לשיערוך של גביש סיליקון נדרשים לתכנון המחושים המכניים.

17. Bulk micro-machiningדוגמאות • מדי אוץ ומחושי לחץ בעיבוד גבישי היו רכיבי MEMS המסחריים הראשונים. • הצלחת הרכיבים הללו היתה מסחררת עד שרוב מוחלט (כ- 90%) של מחושי הלחץ הנמצאים כיום בשימוש הם מחושי MEMS • הרכיבים הראשונים נבנו בשיטת האיכול הרטוב (wet etching) בכמה שיטות ייחודיות שפותחו • למשל; ממברנות דקות נבנו ע"י גידול אפיטקסי של סילוקון משולב בעוצר איכול (etch stop) אלקטרוכימי. • איכול רטוב עדיין נמצא בשימוש אך התקדמות תחום העיבוד הפלסמטי הביאת את האיכול היבש (dry etch) להיות מסלול העיבוד המרכזי. • במיוחד שיטת האיכול היוני העמוק (DRIE***) וטכנולוגית הסילוקון על מבודד (SOI) פישטו את העיבוד הגבישי והביאו להקטנת הרכיבים. • ***Deep Reactive Ion Etching

18. מיקרו מד-אוץ Bulk micro-machinning

19. מיקרו מד-אוץ .....המשך

20. תהליך הייצור פולימתיל מתאקרילט (Polymethyl methacrylate או בקיצור PMMA) היא פולימר סינתטי של המונומרמתיל מתאקרילט

21. איכול יוני עמוקDeep Reactive Ion Etching - DRIE • מאפשר איכול תעלות צרות על פני כל הפיסה כשקירות התעלה כמעט ניצבות. • אפשר לייצר תעלות ביחס של 1:50 ומעלה • כלומר תעלה בעומק 500 מיקרון וברוחב 10 מיקרון תוגדר היטב בשיטה זו. • בניגוד לאיכול הרטוב המאפשר יחס של 1 לערך. • מה שמאפשר לצמצם את הגודל ולצופף יותר התקנים על מצע יחיד, עם משמעויות העלות הנובעות מכך.

22. איכול הסיליקון

23. סיליקון על מבודד SOI • מצעי SOI המשמשים מערכות MEMS מיוצרים ע"י חיבור שתי פיסות סיליקון יחדיו עם שכבת סיליקון דו-חמצני (SiO2) ביניהן (כ- 1-2 מיקרון) • שכבת ה"דבק" משמש כמעצור איכול טבעי ולכל המבנים המאוכלים יהיה העומק הנדרש שייקבע ע"י שכבת SiO2 • שכבת ה SiO2יכולה לשמש גם כשכבת קרבן ליצירת מבנה חופשי של סיליקון גבישי • כיוון ששתי פרוסות סילקון משמשות לייצור פיסת SOI יחידה, הרי שפיסות ה- SOI יקרים יותר מפיסות הסיליקון החשוף. • העלייה במחיר המצע מפוצה על ידי ירידה במחיר ומורכבות העיבוד.

24. סיליקון על מבודד SOI

26. Passivation • refers to a material becoming "passive," that is, being less affected by environmental factors such as air or water. • It involves a shielding outer layer of corrosion which can be applied as a micro-coating or found occurring spontaneously in nature. • Passivation is useful in strengthening and preserving the appearance of metallics. • As a technique, passivating is the use of a light coat of material such as metal oxide to create a shell against corrosion. • Passivation can occur only in certain conditions, and is used in microelectronics to enhance silicon

27. תיאור רכיב

30. תהליך גידול הסיליקון

31. ייצור סיליקון לתעשיית חצאי הוליכים SGS

32. תהליכי עיבוד הגביש

33. ייצור פרוסת הסיליקון

34. גביש סליקון • פרוס לפרוסות מרקוע

35. סיליקון - סיכום • תכונות כלליות • מוכר ומתועד היטב • מתאים לשילוב עם מערכות חשמליות, מכניות טרמיות ואופטיות • יכול לספוג טיפול (מכני) קשה • גבישי : התכונות המכניות אחידות על פני הפרוסות • מבנה • חד-גבישי, רב גבישי (polysilicon) ואמורפי • חומר קשה ושביר, ניתן לעיוות גמיש, חסון • עומס מתיחה מקסימאלי – 7 גיגה פסקאל • בעל חוזק ויציבות מכנית עד 500 מעלות צלסיוס • מעבר לכך מתעוות פלסטית • במצב רב גבישי ואמורפי • התכונות משתנות בהתאם לתנאי ההרבצה אך תואמות לזה של המצב החד גבישי • רמה גבוהה של מתיחות פנימית – מצריך הרפייה (anealing)

36. סיליקון - המשך • מוליכות • חצי מוליך • ייצור • גביש – פרוסה (מצע) • פוליסיליקון ואמורפי – מורבץ בשכבות דקות • אופטיקה • אינו פעיל אופטית • שקוף בתחום הא"א • מחזיר יותר מ 60% בתחום הא"ס • כימי ביולוגי • יציב ועמיד (לטיפול כימי וביולוגי • מתאים לחומרים טהורים • אינו מזיק לגוף (לא רעיל) • עלות • נמוכה (בגלל השימוש הנפוץ במעגלים מודפסים)

37. סימני זיהוי לסוגי המרקועים

38. ממדים ותכונות

39. קוורץ/זכוכית/SiO2 • האוקסיד היציב SiO2 הנקרא בקיצור "סיליקה" מהווה את אחד מגורמי המפתח היותר חשובים להצלחת הסיליקון במעגלי IC • משמש כשכבת הקרבה (המאוכלת לצורך יצירת מרווח בין המשטחים) בתהליכי עיבוד מיקרו-משטחי • מאוכל באופן סלקטיבי על ידי HF • בידוד חשמלי וטרמי גבוהים מאד של שלושת החומרים הנ"ל • וכמובן התאימות שלהם להצמדה/הרבצה על פיסות סיליקון

40. SiO2סיליקה

41. SiO2סיליקה • תכונות • צבע לפי עובי (ראה טבלה) • ייצור • גידול טרמי ע"י חימצון הסיליקון בטמפ' של C8000 • סחרור על גבי זכוכית • הדבקה טבעית • מכני • מתיחות גבוהה (קשה לשליטה או הרפייה) • שימושים רבים • עלות סבירה

42. צבעי SiO2

43. מתכות מצויות ב- MEMS • אלומיניום • מצוי ופשוט להרבצה • חיבורים חשמליים בסיסיים • סביבה לא קורסיבית בלבד • מחזיר מעולה לאור נראה • עד 300 מעלות צלסיוס • זהב /טונגסטן /טיטניום • מתאים לטמפרטורות יותר גבוהות • תנאי סביבה קשים • זהב מחזיר טוב לאור א"א • פלטינום ופאלדיום • מתאים לאלקטרוכימיה

44. מתכות מצויות ב MEMS

45. פולימרים • תכונות • ייצור בסחרור (התכה) בעביים שונים (מאות מיקרונים) • משמש לגלוי גאזים כימיים ולחות • משמש כ-פוטורזיסט • פוטורזיסט SU8 עם יסוד אפוקסי ניתן ליצור שכבות עד 100 מיקרון • עלות • נמוכה