Что такое МЭМС и почему это не обычные чипы

Мур всем! Это снова Мурр Мурыч, и сегодня я расскажу, как микроскопические механические устройства — МЭМС — порождают новое поколение сенсоров и приводов. МЭМС расшифровывается как микроэлектромеханические системы.

В отличие от кремниевых чипов, где всё «рисуют» в глубине тончайшего фоторезиста, МЭМС объединяют на одной пластине:

• Электронику (транзисторы, усилители).

• Механику (микрошестерёнки, мембраны, рычажки).

• Питающие каналы (металлы и поликремний).

Все устройства — от микроскопических качелей до насосов — создаются на одной кремниевой пластине с использованием тех же базовых процессов (литография, травление, осаждение), что и обычные микросхемы.

Размеры структур здесь гораздо крупнее — линии от долей микрона до десятков микрон. А это значит:

• Более широкие допуски у МЭМС к разбросу размеров, чем у СБИС того же уровня.

• Не нужна EUV-литография — достаточно Deep UV (248 нм) или даже i-line (365 нм).

• Упрощённые трафареты и меньше затрат на маски.

Подготовка пластин и создание базовой электроники

Начнём с той же «пластины» из кремния, что и для обычных чипов: выращенного по методу Чохральского монокристалла, порезанного на кремниевые диски толщиной 0,5–1 мм.

Сначала стандартными методами производства СБИС получают базовые электронные цепи, которые будут приводить механические элементы в движение и обрабатывать их сигналы. Это термическое окисление для формирования SiO₂ (изоляции для транзисторов), затем наносим фоторезист, экспонируем под UV-лампой, проявляем и травим. Там, где нужны поликремний и металл, формируем транзисторы, усилители и схемы управления МЭМС.

Микромеханика: травление и сборка мини-приводов

Теперь на готовом плоском чипе с электроникой построим микромеханизмы:

• Сначала осаждаем слои, из которых будут состоять микромеханизмы.

• Методами фотолитографии формируем вид механических слоёв (фоторезист толщиной 2–5 мкм, экспонирование форм микрошестерёнок и мембран).

• Структуры обычно формируют сухим плазменным травлением (DRIE) или используют Bosch-процесс — чередование травления SF₆ и пассивации C₄F₈. Кремний режут на глубину до 100 мкм с вертикальными стенками. Мокрое жидкостное травление используют для сглаживания углов и удаления дефектов.

• Так, по кругу, происходит сборка многослойных МЭМС: нанесение, фотолитография, травление, очистка на нескольких уровнях.

Результат — привод, способный совершать микронные перемещения со скоростью до нескольких мм/с и силой в сотни микроньютонов.

Тестирование, упаковка и внедрение МЭМС

Готовые МЭМС-устройства требуют проверки механики: виброанализаторы измеряют резонансные частоты, лазерная доплеровская виброметрия фиксирует амплитуды движения. Электрические тесты включают измерение ёмкости, сопротивления и выходных сигналов под нагрузкой.

В зависимости от типа МЭМС упаковка разная. Для датчиков давления — герметичные керамические капсулы с инертным газом. Для датчиков вибрации — пластиковые корпусные модули с разъёмами. Интеграция в системы требует пайки на гибких шлейфах или мостовых подложках (COB, die-and-wire). Когда МЭМС интегрирован в конечное устройство, необходима ещё и калибровка в программном обеспечении, чтобы нам было удобно пользоваться.

МЭМС — это целая фабрика на одной пластине, объединяющая электронику и механику. С ними ваши гаджеты обретают осязание, «вкусовые» и тепловые рецепторы, а производственные линии — невероятную точность!

С мурчащими пожеланиями точных измерений — ваш кот-исследователь Мурр Мурыч.