مقدمه‌ای بر طراحی MEMS و NEMS

---

امروزه گرایشات مهندسی به استفاده و ترکیب و تحلیل و کنترل NEMS و MEMS۱ های پیشرفته، افزایش یافته است. فرایندهای ترکیب، طراحی و بهینه سازی، در واقع تکاملی بر نمونه های طبیعی هستند.

در هر سطح از سلسله مراتب طراحی، کارایی سیستم در قلمرو رفتار آن برای ارزیابی، بهینه سازی و تصحیح فرایند بهینه سازی و ترکیب، استفاده می شود تا راه حل هایی جدید پیدا شود. ICها باید مشخصه های عملکرد MEMS مانند کنترل ادوات و ساختارهای الکترومکانیکی مبتنی بر الکترومغناطیس، کانال های ورودی خروجی، تبدیلات آنالوگ به دیجیتال و دیجیتال به آ نالوگ، فیلتر کردن، استفاده از داده ها و غیره را تضمین کنند.

MEMS ها در میکروساختارهای متحرک (دارای اجزای الکترومکانیکی) با حسگرها، محرک ها، ادوات انرژی تشعشعی و میکروالکترونیک، مجتمع می شوند. این MEMSها می توانند برای استفاده در فناوری های میکروسافت مختلف، مانند میکروماشین ها، ساخته شوند. فناوری اساسی در ساخت MEMS، CMOSها و BiCOMS ها (برای ساخت IC ها) و میکروماشین ها (برای تولید حرکت و تابش و تشعشع انرژی به ادوات و ساختارهای مقیاس میکرون) است. یکی از اهداف اصلی این است که میکروالکترونیک را با ادوات و ساختارهای میکروماشین های الکترومکانیکی، مجتمع کنند تا MEMS های مجتمع شده و با کارایی بالا تولید کنند. برای تضمین کارایی بالا، قابلیت انجام کار، قابلیت اطمینان و قابلیت ساخت، فرایندهای ساخت قله ای بر مبنای CMOSبخوبی توسعه یافته و باید افزایش یابد.

میکروماشین کردن سطح و تنه (BULK)، بعلاوه فناوری های نسبت صورت بالا۲ یا LIGA و LIGA like، توسعه یافته ترین روش های ساخت هستند.

● سه روش کلی ساخت MEMS

۱) میکروماشین کاری سطحی۳

در این فرایند، قسمت عمده لایه زیرین ماده، دست نخورده باقی مانده و فقط سطح ماده توسط یک سری فرایندهای خاص، پوشش دهی شده و یا برداشته می شود.

۲) میکروماشین کاری حجمی۴

ساختارهای دارای ارتفاع و طول زیاد، می توانند از این روش بهره مند شوند زیرا در آن «لایه های فرعی» ضخیمی مورد استفاده قرار می گیرند. به بیانی ساده تر، در این فرایند به منظور فرم دهی ساختار مطلوب، حجم وسیعی از لایه فرعی برداشته می شود. این روش یکی از کلیدی ترین روش های ساخت است که در تولید MEMSهای مبتنی بر سوئیچینگ فوتونیکی (رشد چشمگیری در بازار بی سیم و ابزارهای نوری دارند) مورد استفاده قرار می گیرند.

۳) ۵LIGA

در این رویکرد، قالب های ۳ بعدی ساخته می شود. این قالب ها، هم بعنوان تولید نهایی مورد مصرف قرار می گیرند و هم مواد متنوعی می توانند در آنها تزریق شوند. این فرایند، دو مزیت عمده دارد:

۱) می توان از موادی متفاوت از سیلیکون مانند فلزات و پلاستیک، در این فرایند استفاده کرد.

۲) می توان دستگاه هایی با نسبت صفحه بالا۶ ساخت.

این رویکرد دارای ۳ فرایند پایه ذیل است.

۱) Deposition: توانایی ساخت پوسته های نازک از مواد به منظور استفاده در فرایندهای زدایش بعدی.

فرایند deposition در ساخت MEMS به دو گروه اصلی ساخت پوسته ها و سطوح نازک به کمک فعل و انفعالات شیمیایی و ساخت پوسته ها و سطوح نازک به کمک فعل و انفعالات فیزیکی، تقسیم می شود.

۲) Etching (زدایش): که به دو روش صورت می گیرد: زدایش مرطوب که توسط غوطه وری لایه ها در حلال های شیمیایی حاصل می شود و زدایش خشک که توسط یون های واکنش پذیر یا بخارات مختلف صورت می گیرد.

۳) Lithography: حکاکی یا لیتوگرافی در صنعت MEMS عبارت است از انتقال الگو به ماده ای حساس به نور توسط پرتودهی یا قرار دادن آن مواد در معرض نور انتخابی (خواص مناطقی که در معرض اشعه قرار گرفته اند با دیگر مناطق ماده متفاوت است).

سیلیسیم، ماده زیرلایه اولیه است که در صنعت میکروالکترونیک به کار می رود. یک عدد قالب بلور (استوانه جامد با ۳۰۰ میلی متر قطر و ۱۰۰ میلی متر طول) از سیلیکون با درصد خلوص بسیار بالا متبلور شده و در ضخامت مطلوب بریده می شود. سپس به وسیله فناوری های جلا دادن مکانیکی و شیمیایی، صیقلی می شود. خواص قرص های الکترومغناطیسی و مکانیکی به جهت و محل متبلور شدن بلور و ناخالصی های پیش بینی شده آن وابسته است. با توجه به زیرلایه سیلیکونی، فرایندهای CMOS و BiCOMS برای تولید ICها و فرایندهای رده بندی شده مانند: چشمه (n well) n، چشمه (P well) P یا چشمه توام (twin well) استفاده می شوند. مراحل اصلی عبارتند از: پخش۷، اکسیداسیون، آرایش دریچه پلی سیلیکون۸، حکاکی نوری۹، ماسک زدن۱۰، سیاه قلم زدن۱۱، فلز کردن۱۲، پیوستگی سیمی۱۳، و غیره.

● مراحل اساسی ساخت MEMSها

▪ مرحله ۱. متبلور شدن دی اکسید سیلیکون۱۴

دی اکسید سیلیکون، به روش حرارتی، روی یک پایه سیلیکونی، متبلور می شود. مثلاً، متبلور شدن می تواند در فضایی مملو از بخار آب در دمای ۱۰۰۰ درجه سانتی گراد و در مدت یک ساعت انجام شود. سطوح سیلیکونی با لایه ای به قطر ۱ تا نیم میکرون از دی اکسید سیلیکون پوشانده می شوند (ضخامت اکسید گرمایی در نتیجه پخش بخار آب در طول اکسید سیلیکون به چند میکرون محدود می شود). دی اکسید سیلیکون می تواند بدون تغییر سطح زیر لایه ته نشین شود،اما این فرایند آن قدر آرام است که فشار غشای باریک را به حداقل می رساند. نیترید سیلیسیم نیز ممکن است ته نشین شود و ضخامت آن به ۴ تا ۵ میکرومتر محدود می شود.

▪ مرحله ۲. مقاومت نوری۱۵

یک مقاومت نوری (ماده حساس به نور) در سطح دی اکسید سیلیکون استفاده می شود. این عمل می تواند به وسیله چرخاندن روکش مقاومت نوری معلق در یک حلال، انجام شود. نتیجه بعد از چرخیدن و بیرون آوردن حلال، یک مقاومت نوری با ضخامت ۲/۰ تا ۲ میکرون است. سپس برای بیرون آوردن حلال ها از درون مقاومت نوری، کاملاً پخته و نرم می شود.

▪ مرحله ۳. در معرض گذاشتن حکاکی نوری و توسعه آن۱۶

مقاومت نوری مانند یک ماسک حکاک نوری (ماسک نوری) در معرض نور فرابنفش قرار می گیرد. این ماسک نوری، راه نور را مسدود کرده و الگویی را برای تضمین نقشه برداری سطح مطلوب، تعریف می کند. ماسک های نوری معمولا با استفاده از سیلیس گداخته که در معرض طول موج پهن و هم چنین انبساط گرمایی مناسب قرار می گیرند، ساخته می شوند. روی یک سطح شیشه (یا کوارتز) یک لایه کدر به عنوان نمونه گذاشته می شود (معمولا لایه کروم با ضخامت صدها آنگستروم). یک ماسک نوری بر اساس شکل مورد نیاز پوسته پلی سیلیکونی، تولید می شود. نقشه برداری سطح، به وسیله ماسک تعیین می شود. سپس مقاومت نوری ایجاد می شود. در یک مقاومت نوری مثبت، نور وزن ملکولی مقاومت نوری را کم کرده و ایجادکننده مقاومت نوری، به طور انتخابی، مواد دارای پایین ترین وزن ملکولی را حذف می کند.

▪ مرحله ۴. قلم زدن دی اکسید سیلیکون

دی اکسید سیلیکون قلم زده می شود. مقاومت نوری باقیمانده، به عنوان یک ماسک سخت مورد استفاده قرار می گیرد و از بخش دی اکسید سیلیکون محافظت می کند. مقاومت نوری توسط قلم زنی مرطوب (اسید هیدروفلوئوریک، اسید سولفوریک و براکسید هیدروژن) یا قلم زنی خشک (پلاسمای اکسیژن)، حذف می شود. نتیجه حاصله، پرده ای نازک از دی اکسید سیلیکون بر روی پایه سیلیکونی است.

▪ مرحله ۵. ته نشین شدن پلی سیلیکون

پرده نازک پلی سیلیکون روی دی اکسید سیلیکون، ته نشین می شود. مثلا، پلی سیلیکون می تواند در سیستم LPVDC در ۶۰۰ درجه سانتیگراد در فضایی محدود شده از سیلان (SiH۴) ته نشین شود. سرعت ته نشینی در شرایط عادی ۶۵ تا ۸۰ آنگستروم بر دقیقه است که فشار داخلی را حداقل کرده و از خمیدگی و تا شدن جلوگیری می کند (پرده نازک پلی سیلیکون باید بدون فشار بوده و یا فشار داخلی کششی داشته باشد). ضخامت پرده نازک بیش از ۴ میکرون است.

▪ مرحله ۶. مسطح کردن مقاومت نوری

پوسته نازک دی اکسید سیلیکون نمونه، توپولوژی سطح زیر لایه را تغییر می دهد. به کار بردن روکشی یکنواخت از مقاومت نوری بر روی سطحی با بلندی های مختلف، کاری مشکل است. این موضوع باعث می شود که در پرده مقاومت نوری نمونه که ضخامت های مختلف و غیریکنواختی دارد، گوشه ها و لبه ها را نتوان پوشاند. این مسئله برای مقاومت نوری با ارتفاع ۱ میکرون یا کمتر مهم نیست، ا ما برای پرده های ضخیم تر و لایه های چندگانه، نیاز به مسطح کردن مجدد است.

▪ مرحله ۷. ماسک نوری

ماسک نوری، شامل نقشه برداری های مورد نیاز (شکل های مورد نیاز) پوسته پلی سیلیکون است و با پوسته دی اکسید سیلیکون، هم تراز می شود. دقت هم ترازی (تلرانس) می تواند در رنج نانومتر بوده و دقت مورد نیاز، به مشخصات اندازه میکروساختار بستگی دارد.

▪ مرحله ۸ . قلم زدن پلی سیلیکون

پرده نازک پلی سیلیکون با مقاومت نوری که از شکل پوسته پلی سیلیکونی مطلوب محافظت می کند، قلم زده می شود. یافتن یک قلم زنی مرطوب برای پلی سیلیکون که به مقاومت نوری برخورد نکند، مشکل است. بنابراین قلم زنی خشک به وسیله قلم زنی با پلاسما، مورد استفاده قرار می گیرد. انتخاب پلاسما بین پلی سیلیکون و دی اکسید سیلیکون، جایی برای نگرانی ندارد زیرا پلی سیلیکون، بعدا حذف خواهد شد. بنابراین، پلی سیلیکون می تواند بیش از مقدار مورد نیاز قلم زده شود که منجر به تولید محصولی برتر خواهد شد.

▪ مرحله ۹. حذف مقاومت نوری

در این مرحله، مقاومت نوری که با پوسته پلی سیلیکونی حفاظت می شود، حذف می شود.

▪ مرحله ۱۰. ته نشین شدن فلوئورید نیکل۱۷

در این مرحله، لایه نازک فلوئوریک نیکل، ته نشین می شود.

▪ مرحله ۱۱. حذف دی اکسید سیلیکون: رها کردن پوسته نازک۱۸

دی اکسید سیلیکون با قلم زنی مرطوب (هیدروفلوریک یا اسید هیدروفلوئوریک) حذف می شود زیرا قلمزنی پلاسما، بسادگی نمی تواند دی اکسید سیلیکون را در فضای محدود زیر لایه نازک پلی سیلیکون، حذف کند. اسید هیدروفلوئوریک به سیلیکون خالص برخورد نمی کند، از این رو پوسته پلی سیلیکون و پایه سیلیکونی، قلم زنی نخواهد شد. بعد از حذف دی اکسید سیلیکون، پوسته پلی سیلیکون تغییر شکل می دهد (آزاد می شود). این پوسته می تواند به پایین خم شده و به سطح زیر لایه در طول خشک شدن بعد از قلمزنی مرطوب بچسبد. برای جلوگیری از این موضوع، می توان از پلی سیلیکون ناهمواری که نمی چسبد، استفاده کرد. راه حل دیگر تولید پوسته پلی سیلیکون، فشار داخلی است که باعث می شود پوسته پلی سیلیکون در طول خشک شدن به سمت بالا کج شود (خم شود). راه حل های یاد شده، به خواص مکانیکی ویژه ای برای سطح پلی سیلیکون منجر می شود که نمی تواند از نقطه نظر نیازهای عملگر، بهینه باشد. بنابراین، در حالت کلی باید ساخت پوسته پلی سیلیکونی بدون فشار ممکن شود. بدیهی است که از فرایندها و مواد مرسوم CMOS برای پیشرفت جریان ساخت (مراحل بالا) به منظور ساخت پوسته نازک، استفاده شده است. بنابراین، امکانات ساخت CMOS می تواند برای ساخت میکروساختارها، میکروادوات و MEMS نیز مورد بهره برداری قرار گیرند.

MEMS های مجتمع مقیاس بزرگ (یک عدد تراشه که می تواند به صورت عمده و با هزینه کم تولید شود) می توانند به صورت های زیر مجتمع شوند:

۱) N گره از میکرومبدل ها (محرک/حسگرها و ساختارهای هوشمند)

۲) IC ها و ادوات انرژی تشعشعی (آنتن ها)

۳) ادوات نوری و دیگر وسایل برای دست یافتن به ویژگی های ارتباطات بی سیم

۴) پردازشگرها و حافظه ها

۵) شبکه های اتصال داخلی (گذرگاه های ارتباطی)

۶) ادوات ورودی خروجی (IQ) و غیره

معماری ها و پیکربندی های مختلف می توانند با هم ترکیب شوند. یکی از کاربردهای NEMS و MEMS کنترل سیستم ها، فرایندها و پدیده های پیچیده است. به منظور کنترل سیستم ها بسیاری از کارها و متغیرهای تصمیم ساز (حالات، خروجی ها، وقایع و ...) باید اندازه گیری شوند، به این معنی که به کار انداختن و حس کردن (که به وسیله میکرومبدل های مجتمع در IC ها و ادوات انرژی تشعشعی انجام می شود)، محاسبات، ارتباطات، کارهای مربوط به شبکه، پردازش سیگنال و اعمال دیگر باید انجام شوند.

محرک ها، سیستم های دینامیک را به کار می اندازند. این محرک ها به فرمان تحریک (سیگنال های کنترل) پاسخ داده و گشتاور نیرو را ایجاد می کنند. در این حالت، تعداد زیادی از مواد زیستی نظیر موتورهای الهام گرفته شده از موجودات زنده در مقیاس نانومتر، ستاره های دریایی، چشم انسان، سیستم های حرکتی و محرک های دست ساز، وجود دارند. محرک های زیستی بر مبنای فرایندها و پدیده های شیمیایی نوری مکانیکی الکترومغناطیسی، پایه ریزی شده اند. محرک های دست ساز (الکترومغناطیسی، الکترواستاتیکی، هیدرولیکی، دمایی، صوتی و موتورهای دیگر) وسائلی هستند که سیگنال ها و تحریک ها (میدان الکترومغناطیسی، تنش یا فشار، دمایی یا صوتی و ...) را دریافت و با صدور نیرو یا گشتاور به آنها پاسخ می دهند.

هواپیماها، فضاپیماها، موشک ها و ضدموشک ها، به وسیله جابجا کردن سطوح کنترلی، بسادگی توسط تغییر سطح کنترل و هندسه پرواز، کنترل می شوند. مثلا، قسمت های متحرک بال، بالابر، پره ها، سکان، متعادل کننده ها و کج کننده نوک هواپیماهای پیشرفته می توانند با محرک های مقیاس میکرون و نانومتر کنترل شوند که از MEMS های مبتنی بر فناوری محرک هوشمند استفاده می کنند. این فناوری های محرک، برای کاربردهای محرک های پروازی کاملا مفیدند.

این محرک ها برای به کار انداختن سطوح کنترلی و نیز تغییر حالت بال و هندسه سطوح کنترل به کار می رود. استفاده از میکرومبدل ها؛ با کنترل جریان گاز هوا برای حداقل کردن مصرف سوخت، منجر به بهبود مصرف سوخت و افزایش سرعت می شود. همچنین، قابلیت مانور، قابلیت کنترل، چابکی، پایداری و قابلیت تغییر شکل ماشین های پرنده پیشرفت های مهمی هستند که امکانات پرواز را توسعه می دهند. گفتنی است که یک میکرومبدل، با توجه به ابعاد کوچکش، نیرو یا گشتاور کوچکی نیز ایجاد می کند، اما این ادوات که با سیستم های توزیع شده مرحله ای کنترل می شوند، در مقیاس بزرگ و چندگره، منظم و مجتمع می شوند و می توانند نیروی مورد نیاز را تولید کرده و سطوح کنترل را به کار اندازند.

حسگرها نیز ادواتی هستند که سیگنال ها یا تحریک ها را دریافت کرده و به آنها پاسخ می دهند. مثلا، بارهای مخلوط گاز و هوا (که ماشین های پرنده آن را در طول پرواز تجربه می کنند)، نوسانات، دما، فشار، سرعت، شتاب، نویز و تشعشعات می تـوانند با حسگرهای مقیاس نانو و میکرون اندازه گیری شوند. باید تاکید شود که تعداد زیادی حسگرهای دیگر نیز می توانند برای اندازه گیری تداخلات الکترومغناطیسی، جایگزینی، جهت، موقعیت، ولتاژها، جریان ها، مقاومت و متغیرهای سودمند دیگر در ادوات الکترونیک قدرت، استفاده شوند.

● مدل سازی MEMS و NEMS

هزینه های بالا از لحاظ زمانی و مالی، ایجاب می کند که موتور جمبوجت قبل از آزمایش در شرایط واقعی، در کامپیوتر مدلسازی شده و تست شود. این وضعیت برای NEMS/ MEMS نیز صادق است. لذا، هزینه بالای مالی و زمانی موجب می شود تا هر دستگاه تست، قبل از ساخته شدن مدلسازی شود.

در مدلسازی MEMS و سیستم های نانوالکترومکانیکی (NEMS) مباحثی همچون ساخت، آنالیز و شرح مدل های ریاضی مورد بررسی قرار می گیرد. به بیانی بهتر، مدلسازی MEMS و NEMS شامل سه جز است: شرح و توصیفاتی از دستگاه MEMS/NEMS؛ مدل های ریاضی و روش های ریاضی.

ساده سازی مدل های ریاضی، بر فرایند سنجش متکی است. سنجش و مقیاس گذاری اهمیت نسبی پارامترها و عبارات مختلف در یک مدل را نشان می دهد.

راه مناسب برای سنجش یک مدل، به محدوده پارامتر مورد علاقه بستگی دارد. به بیانی دیگر، در فرایند سنجش باید هنر و مهارتی خاص وجود داشته باشد. اندازه گیری و مقیاس گذاری، فضای پارامتر را کاهش می دهد.

در مدلسازی MEMS/NEMS زنجیره ای از مدل های جامع به صورتی گسترده مورد استفاده قرار می گیرند. مطالعه MEMS/NEMS شناختی از محدودیت های موجود و معتبر مدل های زنجیره ای را به ارمغان می آورد. اصلی ترین تئوری های پیوسته، عبارتند از: انتقال گرما، کشش۱۹، پویایی و دینامیک سیالات۲۰ و الکترومغناطیس.

معادلات مکانیک محیط های پیوسته، ممکن است از طرق مختلفی حاصل شده باشند، اما «حساب تغییرات» یک ابزار مهم و سودمندی در استنتاج تئوری های پیوسته است. مدل های MEMS/NEMS در اغلب موارد به کمک روش های عددی، حاصل می شوند. تفاوت های محدود، المان محدود و روش های طیفی، شایع ترین روش های عددی مورد استفاده در مدلسازی MEMS/NEMS هستند. طیفی گسترده از دستگاه های MEMS از جمله محرک ها، حسگرها و سیستم های “lab on a chip”؛ از قانون حرارتی ژول برای عملیات خود بهره می برند. همچنین دستگاه های MEMS/NEMS ها طیف وسیعی از سازه های الاستیک را مورد استفاده قرار می دهند.

در طراحی MEMS ها، دانستن تغییر شکل فنرها، میله ها، پوسته ها و ورق ها بسیار مهم است. سیستم های «جرم فنر» به عنوان مدل اولیه بسیار مفید، در بسیاری از دستگاه های واقعی MEMS/NEMS به کار گرفته می شوند. سیستم «جرم فنر» در به دست آوردن تشدید و توصیف رفتارهای اولیه غیرخطی، بسیار قدرتمند اما فاقد اثرات هندسی است. تحریک الکتروستاتیک نیز گسترده ترین شکل مورد استفاده در تحریک دستگاه های MEMS/NEMSاست.