एमईएमएस: Difference between revisions

MEMS के बड़े सतह क्षेत्र के अनुपात के कारण, परिवेशीय [[वैद्युतिकी]] (जैसे कि इलेक्ट्रोस्टेटिक आवेशित और [[चुंबकीय क्षण]]), और फ्लूइड गतिकी (जैसे कि [[सतह तनाव]] और [[द्रव्यता]]) बड़े स्तर के यांत्रिक उपकरणों से अधिक महत्वपूर्ण डिज़ाइन परिवेशन के लिए होते हैं। MEMS प्रौद्योगिकी को [[आणविक नैनोटेक्नोलॉजी]] या [[आणविक इलेक्ट्रॉनिक्स]] से भिन्न किया जाता है क्योंकि इन दोनों को सतह रसायन भी ध्यान में रखना आवश्यक होता है।

इन सूक्ष्म यंत्रों की क्षमता को तभी समझा जा चुका था, जब उन्हें निर्मित करने की तकनीक उपलब्ध नहीं थी (उदाहरण के लिए, [[रिचर्ड फेयनमैन]] के प्रसिद्ध 1959 के व्याख्यान "[[देयर इज प्लेन्टी ऑफ रूम ऐट दी बाटम|देयर इज प्लेन्टी ऑफ रूम ऐट दी बाटम"]] को देखें)। जब MEMS को संशोधित [[सेमीकंडक्टर उपकरण निर्माण|अर्द्धचालक उपकरण निर्माण]] तकनीकों का उपयोग करके निर्मित किया गया, तब वे व्यावहारिक हो गए। इन तकनीकों का उपयोग सामान्यतः [[इलेक्ट्रॉनिक्स]] के निर्माण में होता है।<ref>{{Cite journal|vauthors=Angell JB, Terry SC, Barth PW|date=1983|title=सिलिकॉन माइक्रोमैकेनिकल डिवाइस|journal=[[Scientific American|Sci. Am.]]|volume=248|issue=4|pages=44–55|doi=10.1038/scientificamerican0483-44|bibcode=1983SciAm.248d..44A}}</ref> इसमें मोल्डिंग और प्लेटिंग, [[वेट इचिंग]] ([[पोटेशियम हाइड्रोक्साइड|के.ओ.एच.]], [[टेट्रामेथाइलएमोनियम हाइड्रोक्साइड|टी.एम.एच.]]), और [[ड्राई इचिंग]] ([[प्रतिक्रियाशील-आयन इचिंग|आर.आई.ई.]] और डीआरआईई), [[विधुत विद्युत मशीनिंग]] (ईडीएम), और छोटे उपकरण निर्माण मे सक्षम अन्य तकनीकें शामिल हैं।

[[File:BioMEMS with X-shpaed cantilever.png|thumb|ग्राउंड प्लेट के ऊपर एक्स-आकार के टीआईएन बीम के इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोप चित्र (ऊंचाई अंतर 2.5 माइक्रोन)। बीच में क्लिप के कारण, जब बीम नीचे की ओर झुकती है तो एक बढ़ता हुआ रीसेट बल विकसित होता है। सही आंकड़ा क्लिप का आवर्धन दिखाता है।<ref name="JAP2013">{{cite journal | display-authors = 3 | author1 = M. Birkholz | author2 =  K.-E. Ehwald | author3 =  T. Basmer | author4 =  P. Kulse | author5=  C. Reich | author6 =  J. Drews | author7 =  D. Genschow | author8 =  U. Haak | author9 =  S. Marschmeyer | author10 =  E. Matthus | author11 =  K. Schulz | author12 =  D. Wolansky | author13 =  W. Winkler | author14 =  T. Guschauski | author15 =  R. Ehwald | title = पूरी तरह से एम्बेडेड बायोमाइक्रो-इलेक्ट्रोमैकेनिकल सिस्टम (बायोएमईएमएस) के साथ गीगाहर्ट्ज आवृत्तियों पर ग्लूकोज सांद्रता का पता लगाना| journal = J. Appl. Phys. | volume = 113 | issue = 24 | pages = 244904–244904–8 | year = 2013 | doi = 10.1063/1.4811351| pmid = 25332510 | pmc = 3977869 | bibcode = 2013JAP...113x4904B }}</ref>]]अर्द्धचालक उपकरण फैब्रिकेशन में प्रक्रिया तकनीक से एमईएमएस का निर्माण विकसित हुआ है, अर्थात मूल तकनीक सामग्री स्तरों का जमाव हैं, [[फोटोलिथोग्राफी|फोटोअश्ममुद्रण]] द्वारा संरूपण और आवश्यक आकृतियों का उत्पादन करने के लिए प्रारूप तैयार किया जाता है।<ref>{{cite book|title=एमईएमएस सामग्री और प्रक्रिया पुस्तिका|vauthors=Ghodssi R, Lin P|publisher=[[Springer Science+Business Media|Springer]]|year=2011|isbn=9780387473161|place=Berlin}}</ref>

; सिलिकॉन: सिलिकॉन वह सामग्री है जिसका उपयोग आधुनिक उद्योग में उपभोक्ता [[इलैक्ट्रॉनिक्स उद्योग]] उपयोग किए जाने वाले अधिकांश एकीकृत परिपथ बनाने के लिए किया जाता है। [[पैमाने की अर्थव्यवस्थाएं]], सस्ती उच्च गुणवत्ता वाली सामग्री की तत्काल उपलब्धता, और इलेक्ट्रॉनिक कार्यक्षमता को सम्मिलित करने की क्षमता सिलिकॉन को विभिन्न प्रकार के एमईएमएस अनुप्रयोगों के लिए आकर्षक बनाती है। सिलिकॉन के अपने भौतिक गुणों के माध्यम से महत्वपूर्ण लाभ भी हैं। एकल क्रिस्टल रूप में, सिलिकॉन लगभग पूर्ण हूक का नियम पदार्थ है, जिसका अर्थ है कि जब इसे विधा़ा जाता है तो वास्तव में कोई [[हिस्टैरिसीस]] नहीं होता है और इसलिए लगभग कोई ऊर्जा अपव्यय नहीं होता है। अत्यधिक दोहराने योग्य गति बनाने के साथ-साथ, यह सिलिकॉन को बहुत विश्वसनीय बनाता है क्योंकि यह बहुत कम [[थकान (सामग्री)]] को झेलता है और बिना टूटे [[1000000000 (संख्या)]] से [[1000000000000 (संख्या)]] चक्रों की सीमा में सेवा जीवनकाल हो सकता है। सिलिकॉन पर आधारित [[सेमीकंडक्टर नैनोस्ट्रक्चर|अर्द्धचालक नैनोस्ट्रक्चर]] विशेष रूप से माइक्रोइलेक्ट्रॉनिक और एमईएमएस के क्षेत्र में बढ़ते हुए महत्व प्राप्त कर रहे हैं। सिलिकॉन के [[थर्मल ऑक्सीकरण]] के माध्यम से निर्मित [[सिलिकॉन नैनोवायर]], नैनोवायर बैटरी और [[फोटोवोल्टिक]] सिस्टम सहित [[इलेक्ट्रोकैमिस्ट्री]] रूपांतरण और भंडारण में और रुचि रखते हैं।

; [[चीनी मिट्टी]] की चीज़ें: सिलिकॉन, एल्यूमीनियम और टाइटेनियम के साथ-साथ [[ सिलिकन कार्बाइड | सिलिकन कार्बाइड]]  और अन्य सिरेमिक के [[नाइट्राइड]] भौतिक गुणों के लाभप्रद संयोजनों के कारण एमईएमएस निर्माण में तेजी से लागू होते हैं। [[एल्यूमीनियम नाइट्राइड]] [[वर्टज़ाइट संरचना]] में क्रिस्टलीकृत होता है और इस प्रकार [[pyroelectricity]] और पीज़ोइलेक्ट्रिकिटी गुण दिखाता है जो संकेतक को सक्षम करता है, उदाहरण के लिए, सामान्य और कतरनी बलों की संवेदनशीलता के साथ।<ref name="PC2009">{{cite journal|vauthors=Polster T, Hoffmann M|date=2009|title=Aluminium nitride based 3D, piezoelectric, tactile sensors|journal=Procedia Chemistry|volume=1|issue=1|pages=144–7|doi=10.1016/j.proche.2009.07.036|doi-access=free}}</ref> दूसरी ओर, [[टाइटेनियम नाइट्राइड]], एक उच्च विद्युत चालकता और बड़े [[लोचदार मापांक]] प्रदर्शित करता है, जिससे अल्ट्राथिन बीम के साथ इलेक्ट्रोस्टैटिक एमईएमएस एक्चुएशन योजनाओं को लागू करना संभव हो जाता है। इसके अलावा, बायोकोरोसियन के खिलाफ टीआईएन का उच्च प्रतिरोध बायोजेनिक वातावरण में अनुप्रयोगों के लिए सामग्री को योग्य बनाता है। चित्र एक TiN ग्राउंड प्लेट के ऊपर 50 एनएम पतली विधा़ने योग्य TiN बीम के साथ एक एमईएमएस [[बायोसेंसर|बायोसंकेतक]] की इलेक्ट्रॉन-सूक्ष्म तस्वीर दिखाता है। दोनों को एक संधारित्र के विपरीत इलेक्ट्रोड के रूप में संचालित किया जा सकता है, क्योंकि बीम विद्युत रूप से अलग-थलग दीवारों में तय किया गया है। जब किसी तरल पदार्थ को गुहा में निलंबित किया जाता है तो इसकी चिपचिपाहट बीम को ग्राउंड प्लेट पर विद्युत आकर्षण से झुकने और झुकने के वेग को मापने से प्राप्त हो सकती है।<ref name="JAP2013" />

[[इलेक्ट्रॉन]] बीम अश्ममुद्रण (प्रायः ई-बीम अश्ममुद्रण के रूप में संक्षिप्त) एक फिल्म के साथ कवर की गई सतह (प्रतिरोध कहा जाता है) पर पैटर्न वाले फैशन में इलेक्ट्रॉनों के बीम को स्कैन करने का अभ्यास है।<ref name="mccord">{{cite book|title=माइक्रोलिथोग्राफी, माइक्रोमशीनिंग और माइक्रोफैब्रिकेशन की एसपीआईई हैंडबुक|vauthors=McCord MA, Rooks MJ|publisher=[[SPIE]]|year=1997|isbn=9780819497864|veditors=Choudhury PR|volume=1|location=London|chapter=Electron Beam Lithography|doi=10.1117/3.2265070.ch2|chapter-url=http://www.cnf.cornell.edu/cnf_spietoc.html}}</ref> (प्रतिरोध को उजागर करना) और प्रतिरोध (विकास) के उजागर या गैर-उजागर क्षेत्रों को चुनिंदा रूप से हटाना। फोटोलिथोग्राफ़ी की तरह इसका उद्देश्य रेजिस्टेंस में बहुत छोटी संरचनाओं का निर्माण करना है, जिन्हें प्रायः निक्षारण द्वारा सब्सट्रेट सामग्री में स्थानांतरित किया जा सकता है। यह एकीकृत परिपथों के निर्माण के लिए विकसित किया गया था, और इसका उपयोग नैनोटेक्नोलॉजी आर्किटेक्चर बनाने के लिए भी किया जाता है। इलेक्ट्रॉन बीम अश्ममुद्रण का प्राथमिक लाभ यह है कि यह प्रकाश की [[विवर्तन सीमा]] को पार करने और [[नैनोमीटर]] रेंज में विशेषताएं बनाने के तरीकों में से एक है। मुखौटा रहित अश्ममुद्रण के इस रूप में फोटोअश्ममुद्रण में उपयोग किए जाने वाले [[ photomask | photomask]] बनाने, अर्द्धचालक घटकों के कम मात्रा में उत्पादन, और अनुसंधान एवं विकास में व्यापक उपयोग पाया गया है। इलेक्ट्रॉन बीम अश्ममुद्रण की प्रमुख सीमा थ्रूपुट है, यानी, पूरे सिलिकॉन वेफर या ग्लास सब्सट्रेट को उजागर करने में बहुत लंबा समय लगता है। एक लंबा एक्सपोजर समय उपयोगकर्ता को बीम बहाव या अस्थिरता के प्रति संवेदनशील बनाता है जो एक्सपोजर के समय हो सकता है। इसके अलावा, यदि पैटर्न दूसरी बार नहीं बदला जा रहा है, तो फिर से काम करने या फिर से डिजाइन करने के लिए टर्न-अराउंड समय अनावश्यक रूप से लंबा हो जाता है।

आद्र रासायनिक निक्षारण में एक सब्सट्रेट को एक घोल में डुबो कर सामग्री को चयनात्मक रूप से हटाना होता है जो इसे घोल देता है। इस निक्षारण प्रक्रिया की रासायनिक प्रकृति एक अच्छी चयनात्मकता प्रदान करती है, जिसका अर्थ है कि लक्ष्य सामग्री की निक्षारण दर मास्क सामग्री की तुलना में काफी अधिक है यदि सावधानी से चुना गया हो। आद्र निक्षारण या तो आइसोट्रोपिक आद्र etchants या अनिसोट्रोपिक आद्र etchants का उपयोग करके किया जा सकता है। लगभग समान दरों पर क्रिस्टलीय सिलिकॉन की सभी दिशाओं में आइसोट्रोपिक वेट वगैरह निक्षारण। अनिसोट्रोपिक वेट एच्चेंट्स अन्य विमानों की तुलना में तेज गति से कुछ क्रिस्टल विमानों के साथ अधिमानतः खोदते हैं, जिससे अधिक जटिल 3-डी माइक्रोस्ट्रक्चर को लागू किया जा सकता है। आद्र अनिसोट्रोपिक एच्चेंट्स का उपयोग प्रायः बोरॉन ईचेंट स्टॉप के संयोजन के साथ किया जाता है, जिसमें सिलिकॉन की सतह को बोरॉन के साथ भारी रूप से डोप किया जाता है, जिसके परिणामस्वरूप एक सिलिकॉन सामग्री परत होती है जो आद्र एच्चेंट्स के लिए प्रतिरोधी होती है। उदाहरण के लिए MEWS दाब संकेतक निर्माण में इसका उपयोग किया गया है।

कुछ एकल क्रिस्टल सामग्री, जैसे कि सिलिकॉन, में सब्सट्रेट के क्रिस्टलोग्राफिक अभिविन्यास के आधार पर अलग-अलग निक्षारण दर होगी। इसे अनिसोट्रोपिक निक्षारण के रूप में जाना जाता है और सबसे आम उदाहरणों में से एक KOH (पोटेशियम हाइड्रॉक्साइड) में सिलिकॉन की निक्षारण है, जहाँ Si <111> विमान अन्य विमानों ([[क्रिस्टलोग्राफी]]) की तुलना में लगभग 100 गुना धीमी गति से खोदते हैं। इसलिए, एक (100)-सी वेफर में एक आयताकार छेद को निक्षारण करने से 54.7° दीवारों के साथ एक पिरामिड के आकार का निक्षारण का गड्ढा होता है, न कि आइसोट्रोपिक निक्षारण के साथ घुमावदार साइडवॉल वाले छेद के अतिरिक्त।

[[क्सीनन difluoride|ज़ेनॉन डाईफ्लोराइड]] ({{chem|XeF|2}}) सिलिकॉन के लिए एक शुष्क वाष्प चरण आइसोट्रोपिक निक्षारण है जो मूल रूप से 1995 में कैलिफोर्निया विश्वविद्यालय, लॉस एंजिल्स में एमईएमएस के लिए लागू किया गया था।<ref>{{cite book|title=ऑप्टिकल प्रोसेसिंग और मल्टीमीडिया अनुप्रयोगों के लिए माइक्रोइलेक्ट्रॉनिक संरचनाएं और माइक्रोइलेक्ट्रॉनिक डिवाइस|vauthors=Chang FI, Yeh R, Lin G, Chu PB, Hoffman EG, Kruglick EJ, Pister KS, Hecht MH|publisher=[[SPIE]]|year=1995|volume=2641|location=Austin, TX|pages=117|chapter=Gas-phase silicon micromachining with xenon difluoride|doi=10.1117/12.220933|s2cid=39522253|display-authors=3|editor1-last=Bailey|editor1-first=Wayne|editor2-last=Motamedi|editor2-first=M. Edward|editor3-last=Luo|editor3-first=Fang-Chen}}</ref><ref>{{Cite thesis|type=M.S.|title=एमईएमएस के लिए सिलिकॉन की क्सीनन डिफ्लोराइड नक़्क़ाशी|last=Chang|first=Floy I-Jung|publisher=University of California|location=Los Angeles|oclc=34531873|date=1995}}</ref> {{chem|XeF|2}} प्रमुख रूप से सिलिकॉन को नीचे से उभारकर धातु और डाईइलेक्ट्रिक संरचनाओं को रिलीज़ करने के लिए प्रयोग किया जाता है। इसका एक लाभ यह है कि यह वेट एट्चेंट्स की तुलना में स्टिक्शन-मुक्त रिलीज़ प्रदान करता है। {{chem|XeF|2}} की सिलिकॉन के प्रति एट्च सेलेक्टिविटी बहुत उच्च होती है, जिससे यह फोटोरेसिस्ट, SiO2, सिलिकॉन नाइट्राइड, और विभिन्न धातुओं के साथ काम कर सकता है जो मास्किंग के लिए उपयुक्त होते हैं। सिलिकॉन के लिए इसकी प्रतिक्रिया प्लास्मलेस है, विशुद्ध रूप से रासायनिक और सहज है और प्रायः स्पंदित विधा में संचालित होती है। निक्षारण कार्रवाई के मॉडल उपलब्ध हैं,<ref>{{cite book|title=17th IEEE International Conference on Micro Electro Mechanical Systems. Maastricht MEMS 2004 Technical Digest|vauthors=Brazzle JD, Dokmeci MR, Mastrangelo CH|publisher=[[Institute of Electrical and Electronics Engineers|IEEE]]|year=2004|isbn=9780780382657|pages=737–740|chapter=Modeling and characterization of sacrificial polysilicon etching using vapor-phase xenon difluoride|doi=10.1109/MEMS.2004.1290690|s2cid=40417914}}</ref> और विश्वविद्यालय प्रयोगशालाएँ और विभिन्न व्यावसायिक उपकरण इस दृष्टिकोण का उपयोग करके समाधान प्रदान करते हैं।

आधुनिक वीएलएसआई प्रक्रियाएं आद्र निक्षारण से बचती हैं, और इसके अतिरिक्त [[प्लाज्मा नक़्क़ाशी|प्लाज्मा निक्षारण]] का उपयोग करती हैं। प्लाज़्मा एचर्स प्लाज़्मा के मापदंडों को समायोजित करके कई विधा में काम कर सकते हैं। साधारण प्लाज्मा निक्षारण 0.1 और 5 टॉर के बीच संचालित होती है। (दबाव की यह इकाई, सामान्यतः निर्वात अभियांत्रिकी में उपयोग की जाती है, जो लगभग 133.3 पास्कल के बराबर होती है।) प्लाज्मा ऊर्जावान मुक्त कण उत्पन्न करता है, न्यूट्रली आवेशित होता है, जो वेफर की सतह पर प्रतिक्रिया करता है। चूंकि तटस्थ कण सभी कोणों से वेफर पर आक्रमण करते हैं, यह प्रक्रिया आइसोट्रोपिक है। प्लाज्मा निक्षारण आइसोट्रोपिक हो सकती है, यानी, एक पैटर्न वाली सतह पर एक लेटरल अंडरकट रेट का प्रदर्शन, लगभग इसकी डाउनवर्ड ईचिंग दर के समान, या अनिसोट्रोपिक हो सकता है, यानी, इसकी डाउनवर्ड ईच रेट की तुलना में एक छोटे लेटरल अंडरकट रेट का प्रदर्शन। इस तरह के अनिसोट्रॉपी को गहरी प्रतिक्रियाशील आयन निक्षारण में अधिकतम किया जाता है। प्लाज्मा निक्षारण के लिए अनिसोट्रॉपी शब्द का उपयोग अभिविन्यास-निर्भर निक्षारण का जिक्र करते समय उसी शब्द के उपयोग के साथ नहीं किया जाना चाहिए। प्लाज्मा के लिए स्रोत गैस में सामान्यतः क्लोरीन या फ्लोरीन से भरपूर छोटे अणु होते हैं। उदाहरण के लिए, कार्बन टेट्राक्लोराइड ({{Chem2|CCl4}}) सिलिकन और एल्युमिनियम बनाता है, और ट्राइफ्लोरोमीथेन सिलिकन डाइऑक्साइड और सिलिकन नाइट्राइड बनाता है। ऑक्सीजन युक्त एक प्लाज्मा का उपयोग ऑक्सीकरण (राख) फोटोरेसिस्ट करने और इसे हटाने की सुविधा के लिए किया जाता है।

आयन मिलिंग, या स्पटरिंग, कम दबावों का उपयोग करता है, प्रायः 10 जितना कम होता है^-4 टॉर (10 एमपीए)। यह महान गैसों के ऊर्जावान आयनों के साथ वेफर पर बमबारी करता है, प्रायः Ar+, जो संवेग स्थानांतरित करके सब्सट्रेट से परमाणुओं को दस्तक देता है। क्योंकि निक्षारण आयनों द्वारा की जाती है, जो लगभग एक दिशा से वेफर तक पहुंचते हैं, यह प्रक्रिया अत्यधिक अनिसोट्रोपिक है। दूसरी ओर, यह खराब चयनात्मकता प्रदर्शित करता है। प्रतिक्रियाशील-आयन निक्षारण (आरआइई) स्पटर और प्लाज़्मा निक्षारण (10 के बीच^–3 और 10^-1 टोर्र)। डीप रिएक्टिव-आयन ईचिंग (डीआरआइई) गहरी, संकीर्ण विशेषताओं का उत्पादन करने के लिए आरआइई तकनीक को संशोधित करता है।