A mikromechanika kialakulása szorosan kapcsolódik a mikroelektronika fejlődéséhez. A mikroelektronika létrejötte a tranzisztor felfedezésének (1948) következménye. Az első tranzisztorok tűs típusúak voltak, majd az 1950-es években létrejöttek a két pn átmenetet tartalmazó ötvözött bipoláris tranzisztorok. A következő nagy lépés (1952, Shockley) az ötvözött térvezérlésű tranzisztor megjelenése volt. E két eszköz, tehát a bipoláris és a térvezérlésű tranzisztor alapvető építőeleme lett az integrált áramköri technikának (IC, 1958), és ezzel a mai számítástechnika és információs technológia előtt megnyílt az a fejlődési folyamat, amely még ma is tart. Az elmúlt fél évszázadban folyamatosan csökkentek a tranzisztorok méretei, amelynek eredménye nemcsak az azonos területen elhelyezett tranzisztorok számának exponenciális növekedése lett, hanem ami legalább annyira fontos, a működési sebesség is megnövekedett. Ma a csíkszélességgel (ami a tranzisztornál a legkisebb laterális, síkbeli méretet jelenti) a 100 nm (0,1 μm) alatti tartományban vagyunk, és ezzel együtt a működési frekvencia a 100 kHz-es tartományból a GHz-es tartományba emelkedett.

A leírt folyamatot Moore-törvényként szokás említeni, ezzel külön fejezetben foglalkozunk.

A félvezetős memóriák fejlődése hasonlóan elképesztő méreteket öltött, az 1970-es években egy memória-chip kapacitása körülbelül 1 kB volt, amely 2000-re 512 MB-ra növekedett. (Csak zárójelben: ez 512 000-szeres növekedés!) Ha ez a fejlődési ütem megmarad, a memória-chipek kapacitása 2030-ra eléri az emberi agy kapacitását. A leírt jelenség magával hozta az informatika forradalmát, amelynek hatása nagyobb, mint annak idején az ipari forradalom jelentősége volt. Az nem volt ilyen gyors, következésképpen nem is alakította át akkora sebességgel az emberiség fejlődését. Az 1.2. ábra - A memória chip-ek kapacitásának és a minimális struktúraméretnek változása az évek függvényében éppen azt mutatja meg, hogy az évek múlásával hogyan változott a memória chipek tárolási kapacitása, amit a tranzisztorok méreteinek csökkenése tett lehetővé. Természetes, hogy ez egyet jelentett a memória chipek alkatrész-számának (pontosabban a tranzisztorok számának) növekedésével. Gondoljuk meg: ma egy digitális kamera vagy fényképezőgép memóriakártyára dolgozik, a kereskedelmi forgalomban kapható memóriakártyák kapacitása a néhányszor 10 GB nagyságrendben van (2012), és rendelkezésünkre áll az a technológia, hogy a memória az információ tárolásához nem igényel sem mechanikai mozgást, sem tápfeszültséget. Mindez néhány évtizeddel ezelőtt még elképzelhetetlen volt. A mechatronikával foglalkozó szakembereknek fontos tudniuk, hogy napjainkban (2013) a struktúra legkisebb méretei a 10 nm-es tartományban vannak, miközben az egy chip-en elhelyezett komponensek száma eléri a százmilliárdos (!) nagyságrendet.

forrás: Wikipédia

1.2. ábra - A memória chip-ek kapacitásának és a minimális struktúraméretnek változása az évek függvényében

A mikroelektronika fejlődése hozta előtérbe a szenzortechnika fejlődését is: megjelentek a mikroszenzorok. Mikroszenzoroknak általában azokat a szenzorokat nevezzük, amelyek méretei a mm alatti tartományban vannak. Miután pedig a szenzorok nagy része valamilyen mechanikai paramétert (elmozdulás, nyúlás, erő, nyomás, hőmérséklet, sugárzás, stb.) alakít át villamos jellé, logikus, hogy a korábban finommechanikához tartozó építőelemek méretei is lecsökkentek. Így jutunk el a mikromechanikához. Az is természetes, hogy a méretek csökkenésével az elemek előállításához már nem lehetett a gépgyártásban használatos technológiákat alkalmazni, más eljárásokra volt szükség, már csak gazdaságossági okok miatt is. Ezért a mai mikromechanika technológiái eltérnek a hagyományos gépgyártástechnológiától, és nagyon hasonlatosak a tranzisztorok és integrált áramkörök gyártási technológiáihoz. A mikromechanikai termékek előállítási pontossága általában nem éri el a mai mikroelektronika csúcsán tapasztalható értékeket, legtöbbször azok alatt van. A mikromechanika megjelenése azonban nem jelenti a skála végpontját, hiszen a méretek további csökkentésével érünk el a nanotechnológia területére, ahol a jellemző méretek a mikrométeres nagyságrend helyett a 3 nagyságrenddel kisebb nm-es tartományban vannak. Annak megértéséhez, hogy hol helyezkedik el a mikromechanika mérettartománya, további magyarázatot ad az 1.3. ábra - A mikrotechnika elhelyezkedése a mérettartományban, és jellemző példák. Az ábra legfelső részén az elektromágneses sugárzás hullámhosszát láthatjuk. Figyelemre méltó, hogy a látható tartomány (400 nm-től 700 nm-ig) ebben milyen kis sávot foglal el, miközben a külvilágból jövő információk túlnyomó részéhez a látásunk segítségével jutunk hozzá. Az ábra középső részén látható, hogy a mikrotechnika a nagyjából a μm-es tartományt fedi le, míg legalul néhány jellemző dolog a természetből: emberi ujj, légy, hajszál, baktérium, vírus, szilícium atom — került felsorolásra.

forrás: Gardner: Microsensors

1.3. ábra - A mikrotechnika elhelyezkedése a mérettartományban, és jellemző példák

Mi a közös jellemzője az utóbbi évtizedekben bekövetkezett változásoknak, és mi tette ezeket lehetővé? Erre egyértelmű válasz adható: a tranzisztor felfedezése.

A tranzisztor miniatürizálható, nagy sorozatban gyártható, legtöbbször szilíciumból készített erősítő eszköz. A sorozatban gyárthatóság miatt a tranzisztor nagyságrendekkel olcsóbb, az egyre kisebb méretek miatt nagyságrendekkel gyorsabb, és kevésbé sérülékeny, mint az elektroncső. Az elektroncső egyedileg készített vákuumtechnikai eszköz, legtöbbször üveg tokozásban, ami viszonylag nagy (finommechanikai méretű) alkatrészekből áll, üzem közben meleg és nagy fogyasztású (csak a termikus emisszió létrehozásához kb. 2 W teljesítmény szükséges), kevéssé rázásálló, ütésre érzékeny (törékeny). Ráadásul a működéséhez szükséges tápfeszültség igénye tipikusan a néhány száz voltos nagyságrendben van. Ehhez képest a tranzisztort egy szilárd test (Si-kristály) belsejében hozzuk létre, fogyasztása kicsiny, tápfeszültség igénye néhány volt, és tömeggyártással állítható elő. A méretek csökkenésének folyamatát a félvezető technológia fejlődése tette lehetővé.

Tudománytörténeti jelentőségű, hogy az első tranzisztort 1947 decemberében, a Bell Laboratóriumban állította elő William B. Schockley, John Bardeen, és Walter Brattain, amiért 1956-ban Nobel-díjat is kaptak. Az első tranzisztor képét a következő ábrán (1.4. ábra - Az első tranzisztor képe) láthatjuk. Feltűnő, hogy milyen nagy méretű és robusztus kivitelű volt, méretei miatt még a finommechanikai mérettartományba tartozott, és megjelenésében egy cseppet sem hasonlít egy mai tranzisztorra.

forrás: Wikipédia

1.4. ábra - Az első tranzisztor képe

Az csak később vált világossá, hogy a tranzisztort az addig ismert erősítő eszközzel, az elektroncsővel szemben jól lehet miniatürizálni, és ebből következően olcsóvá is lehet tenni. Ezt a tendenciát Gordon E. Moore, az Intel Corporation cég egyik alapítója vette észre (1.5. ábra - Gordon E. Moore, a róla elnevezett jelenség felfedezője), és az Ő neve után ezt a jelenséget Moore-törvénynek nevezik.

forrás: Wikipédia

1.5. ábra - Gordon E. Moore, a róla elnevezett jelenség felfedezője

A megfigyelést, amit akkor még nem neveztek törvénynek, 1965-ben fogalmazta meg Gordon E. Moore. Akkor azt hitték, hogy a megfigyelés csak néhány évtizedre lesz érvényes, de nem így lett. A megfigyelés ma is érvényes, és egyes kutatók (Kurzweil) szerint 2020-ig érvényes is marad, mert körülbelül akkor érünk a fejlődésben oda, hogy a tranzisztorok atomi méretűek lesznek. Más kutatók (Krauss és Starkman) azonban 600 évben (!) határozták meg a ma már törvénynek tartott megfigyelés végső élettartamát.

A Moore-törvény (Gordon E. Moore, 1965) tapasztalati megfigyelésen alapul, nincsenek elméleti alapjai. Tömören fogalmazva így hangzik: a tranzisztorok mérete kb. 18 hónap alatt a felére csökken. Másképpen fogalmazva: másfél év elteltével a hosszegységre vonatkoztatva a tranzisztorok száma megduplázódik, azaz négyszer annyi tranzisztort lehet ugyanazon a területen elhelyezni, mint másfél évvel korábban. Ez a tranzisztorok számában exponenciális növekedést jelent. Példaképpen a következő ábrán (1.6. ábra - Az első kereskedelmi forgalomba hozott mikroprocesszor) bemutatjuk az első kereskedelmi forgalomba került (1971) mikroprocesszort, az Intel 4004-est, amely 2250 db MOS (Metal Oxid Semiconductor) tranzisztort tartalmazott, egy kb. 3x4 mm-es szilícium hordozón.

forrás: Wikipédia

1.6. ábra - Az első kereskedelmi forgalomba hozott mikroprocesszor

A mai processzorokban a tranzisztorok száma már túlhaladta a több százmilliós (!) nagyságrendet, a milliárdos tartományban van. Az órajel frekvencia a GHz-es (1 GHz = 1 milliárd rezgés másodpercenként) frekvencia tartományban van, miközben a struktúrára jellemző csíkszélesség 50 nm (kb. a hajszál ezredrésze) alatt van. S mindez nem a kutató laboratóriumokban található meg, hanem az ipari berendezések mellett nagyon sok háztartásban is, ahol számítógép, fényképezőgép, kamera, mobiltelefon vagy autó van. A felsorolás persze koránt sem teljes. Hogy eddig mennyire volt érvényes a Moore törvény 1970 és 2011 között, azt az alábbi, mikroprocesszorokra vonatkozó diagram (1.7. ábra - A mikroprocesszorokban található tranzisztorok száma az évek függvényében) mutatja. Az ábra tanulmányozásánál ne feledjük, hogy a függőleges tengely logaritmikus léptékkel rendelkezik!

forrás: Wikipédia

1.7. ábra - A mikroprocesszorokban található tranzisztorok száma az évek függvényében

A tranzisztor feltalálásának idején még nem lehetett látni, hogy a fejlődés milyen rohamos lesz. De olyannyira az lett, hogy nincs még egy találmány az emberiség fejlődésében, mint ami akkora karriert futott volna be, mint a tranzisztor, és annyira megváltoztatta volna világunkat, mint ez a félvezetőből készített erősítő eszköz. Ugyanis a tranzisztor fejlődésének köszönhetjük az informatika és a számítástechnika mindent elsöprő és magába foglaló elterjedését. Következmény: az informatika annyira gyorsan fejlődik, hogy nemcsak a számítástechnikát, hanem mindennapi életünket is átalakítja, és az várható, hogy a jövőben még jobban át fogja alakítani.

Ha arra próbálunk választ keresni, hogy a miniatürizálásnak, a méretcsökkentésnek milyen okai lehetnek, akkor első helyen kell megemlíteni a méretcsökkenésből adódó sebességnövekedést. Mivel a digitális technika alapvetően a bináris számrendszert használja, ami tulajdonképpen a legprimitívebb rendszer, nagyon fontos, hogy ezeket a primitív műveleteket minél gyorsabban lehessen végrehajtani. Ez pedig a méretek csökkentésével lehet elérni. A fentiekből következik, hogy egy fejlődési folyamatnak valahol a középső fázisában vagyunk. A fejlődés nem fog megállni, mert nincs a látókörünkben olyan ok, amely ezt fékezné, vagy megállítaná. Az ugyan kétségbe vonható, hogy a Moore-törvény szó szerint meddig lesz érvényes, hiszen természettudományos alapja nincsen, de ez csak a fejlődési folyamat meredekségére vonatkozhat, irányára nem. Ebből következik, hogy az elkövetkező néhány évben az informatikai hardver és szoftver további térhódításával kell számolni. Összefoglalva: a műszaki fejlődés jövője sok tekintetben beláthatatlan, de egy vonatkozásban biztosak lehetünk: a tranzisztorok méretei egyre kisebbek lesznek, ennek pedig az lesz a következménye, hogy a mesterséges intelligencia tovább fog fejlődni, és a termékekbe fokozottabban fog beépülni.

A következőkben arra keressük a választ, hogy a miniatürizálás, a kis méretek felé törekvés csak valamilyen üzleti fogás, divat, vagy esetleg van valamilyen mélyebb fizikai magyarázata. A válasz határozott igen, van fizikai magyarázat, a kis méretek egy másik világba visznek bennünket. A következő diagramon azt látjuk, hogy hogyan változik egy test felülete és térfogata, ha a test lineáris (egyik irányú kiterjedés) méreteit változtatjuk. Az 1.8. ábra - A méretek változásának következményei a felületre és a térfogatra diagramján a méretek csökkentése az origó felé haladást jelenti. Vegyük sorba a következményeket.

1.8. ábra - A méretek változásának következményei a felületre és a térfogatra

forrás: Wikipédia

1.11. ábra - A molnárka a víz felületi feszültségét használja ki

A kis méretek hatását a természetből vett példákkal illusztrálhatjuk: figyeljük meg mérnöki szemmel egy elefánt és egy hangya felépítését és mozgását. Az elefánt lábai és egész felépítése (1.12. ábra - Az elefánt testfelépítése) robusztus, mozgása lassú.

forrás: Wikipédia

1.12. ábra - Az elefánt testfelépítése

A hangya vékony és relatíve hosszú lábakkal rendelkezik, és igen fürgén mozog. A furcsa dolog pedig az, hogy a hangya a testtömegének többszörösét is képes felemelni és hordozni (1.13. ábra - A hangya fürgén mozog, és testtömegének többszörösét képes rágójánál fogva csaknem függőlegesen felfelé cipelni), mégpedig igen gyors mozdulatokkal. Annak oka, hogy a hangya még filigrán felépítése mellett is ilyen teljesítményre képes, a tömegek elhanyagolható mértékéből következik, amely a kis méretek egyik következménye. A földi gravitációs körülmények között nyilvánvalóan elképzelhetetlen, hogy egy elefánt az ábrán látható majdnem függőleges felületen terhet cipelve haladjon felfelé.

forrás: Wikipédia

1.13. ábra - A hangya fürgén mozog, és testtömegének többszörösét képes rágójánál fogva csaknem függőlegesen felfelé cipelni

A következő ábrán (1.14. ábra - Méh összetett szeme) egy méh összetett szeme látható. A kép azt illusztrálja, hogy a mikrostruktúrákat nem az ember találta feltalálta fel, hanem az a természetben megtalálható, és hogy a természet mennyire a mai műszaki színvonal előtt jár a mikrostruktúrák tekintetében. Ezért lehet célkitűzésként állítani, hogy kutatási irányokat tekintve az biztosan jó (kutatás szempontjából legalábbis reményteljes) irány, amelynek során a természetben már több ezer év alatt kifejlődött élőlényeket tanulmányozzuk, és megpróbáljuk ezeket mesterségesen előállítani és utánozni.

forrás: Dr. Szabó Péter János, BME-ATT

1.14. ábra - Méh összetett szeme

Jogosan merülhet fel az a kérdés, hogy miért olyan fontos terület a mikromechanika, különösen a MEMS-ek, miért nem elégszünk meg a hagyományos finommechanikán alapuló szenzor és műszertechnikával? A következőkben összefoglaljuk, hogy melyek a mikrovilág előnyei, és azt is láttatni szeretnénk, hogy a fejlődés egyértelműen ebbe az irányba mutat, amelyről egyszerűen nincs visszaút. A mikrotechnikai elemeknek — így a mikroelektronikai áramköröknek, és a mikromechanikai szerkezeteknek, valamint az ezek integrációjaként megjelent MEMS-eknek is — az előnyeit 5 pontban lehet összegezni. Ezek a következők:

A költségcsökkenés az eszközök előállítási technológiájából következik. Az eszközök mikrométer nagyságrendű méretei ugyanis olyan kicsinyek, hogy azokat a hagyományos gyártástechnológiai eljárásokkal nem lehet előállítani. A mikrotechnológiák lényege az egy hordozón előállított sok azonos tulajdonsággal rendelkező mikroméretű eszköz. A technológiák lényeges tulajdonsága az egy hordozón belül létrehozott strukturálás, és a technológiai folyamat vége felé a hordozó darabolása. Az ezután következő szerelés és tokozás már egyedi műveleteket jelentenek, amelyeket minden eszköznél végre kell hajtani, de az előtte lévő műveletsor igazi tömeggyártás, hiszen egy hordozón a bonyolultságtól függően több ezer, vagy több tízezer (tranzisztoroknál sok milliárd) eszköz készül el egyszerre. A végeredmény az, hogy az így előállított eszközök sokkal olcsóbbak, mint a hagyományos technológiákkal előállított eszközök.

Az integráció azt jelenti, hogy a kis méretek következtében lehetőség nyílik a részegységek gyártónál történő összekapcsolására. Különösen nagy jelentősége van a mikromechanikai és a mikroelektronikai egységek integrálásának. Ezeket MEMS-eknek, azaz a mikroelektromechanikai rendszereknek nevezzük. Erre azért kínálkozik nagy lehetőség, mert a mikromechanikai technológiák és alapanyagok a legtöbb esetben kompatibilisek a mikroelektronikai technológiákkal. Gyakran egyetlen szilícium chip-en van a mikromechanikai és a mikroelektronikai rész: ezek az egychipes MEMS-ek.

A méret és súly csökkentése legalább két szempontból fontos. Az egyik, hogy a kisebb anyagfelhasználás miatt akár drága és különleges anyagokat is lehet használni, anélkül, hogy a végeredmény költsége jelentősen növekedne. A mikromechanikai termékben az anyagköltség nem szokott jelentős lenni, a gyártási és kalibrációs költségek azonban jelentősek lehetnek. A másik szempont a természetnek mint megvalósított rendszernek a példája, mintaként való értékelése. A természetben több millió év alatt kifejlődött élő rendszerek azt bizonyítják, hogy a kis méretek számos előnnyel rendelkeznek, gondoljunk például a rovarvilágra. De talán az is elég, ha csak az élő szervezetek sejtekből történő felépítésére gondolunk. A természetben található megoldásoknak, mint mintának tekintése azért érdekes, mert a természetes megoldások nem kitalálások, fikciók, hanem itt a Földön megvalósított, tényszerűen dokumentálható rendszerek. Nem véletlen, hogy a tudomány fejlődésében sokszor a természetben már megvalósított megoldások elemzése játszott nagy szerepet.

A megbízhatóság azt jelenti, hogy a termékek bonyolultságának növekedésével a termékek megbízhatósága csökkenni szokott, különösen a villamos kötések növekedése miatt. Az integráció egyik pozitív következménye viszont, hogy a kötések száma általában csökken, ezzel viszont a megbízhatóság nő. Ez ma az összetett rendszerek iránt támasztott egyik legfontosabb követelmény.

Az öntesztelés egy új tulajdonság, ami a régebbi rendszereknél nem létezett. Ma már vannak olyan mikro-elektromechanikai eszközök, amelyek képesek arra, hogy jelezzék a felhasználónak, hogy működőképes, vagy működésképtelen állapotban vannak. Az ilyen eszközök alkalmazása különösen olyan helyeken fontos, mint például a repülés, űrtechnika, orvostechnika, ahol emberéletek múlnak egy rendszer helyes vagy helytelen működésén.

forrás: Bosch

1.15. ábra - A mikrorendszerek előnyös tulajdonságai

A mikrorendszerek előnyös tulajdonságait a fenti ábrán (1.15. ábra - A mikrorendszerek előnyös tulajdonságai) foglaltuk össze.

Az előző fejezetben felsorolt előnyöket, ezzel együtt az egész fejlődési trendet néhány gyakorlati példa segítségével mutatjuk be, azzal a megjegyzéssel, hogy ebben a fejezetben csak mint példát mutatjuk be a mikrotechnikai rendszert, a részletesebb konstrukciós kialakításra és a gyártástechnológiára későbbi fejezetekben térünk majd vissza. Az első példa egy nyomásmérő. A klasszikus (mechanikai) nyomásmérő műszereket tipikus finommechanikai szerkezeteknek tekinthetjük. A következő ábrán (1.16. ábra - A Bourdon-csöves nyomásmérő elől és hátulnézete burkolat nélkül) egy Bourdon-csöves nyomásmérő elől és hátulnézeti képe látható.

forrás: Wikipédia

1.16. ábra - A Bourdon-csöves nyomásmérő elől és hátulnézete burkolat nélkül

A baloldali első ábrán a skálalap és a mutató látható, míg a második, jobboldali ábrán a finommechanikai érzékelőt, a Bourdon-csövet, és a finommechanikai szerkezetet, a gyorsító hajtóművet láthatjuk. A finommechanikai szerkezet működése (1.17. ábra - A Bourdon-csöves nyomásmérő finommechanikai szerkezete) a következő: a Bourdon-cső egy egyik végén zárt, lapított cső, amely kb. 270 fokban meg van görbítve. Ezáltal a hajlított cső külső felülete nagyobb lesz, mint a belső, és ebből következik, hogy a cső (2) vége nyomáskülönbség hatására elmozdulást fog szenvedni. Ennek az elmozdulásnak a nagyjából tangenciális komponensét kell felnagyítani mechanikus hajtómű segítségével. Az elmozdulásnak ezt a komponensét a (4) csuklós kar adja át az (5) kétkarú emelőkarnak, amelynek nagyobb sugarú részén a (7) fogasív helyezkedik el. A kétkarú emelőkar a (6) csapágy körül fordul el. A fogasívhez kapcsolódik a kis fogaskerék, amely már a mutató tengelyére (8) van erősítve. Ugyanerre a tengelyre van erősítve a (9) spirálrugó is, amely a Bourdon-cső kitérítő ereje ellen hat ugyan, és így az érzékenységet csökkenti, de alapvető szerepe egészen más. Ugyanis a mechanikus finommechanikai hajtóművek és csapágyazások gazdaságosan csak játékkal készíthetők el. A játékok pedig kotyogást, és a mutató bizonytalan helyzetét idézik elő, amelyet műszereknél nagyon kis értéken kell tartani. A spirálrugó szerepe, hogy az egész hajtóművet előfeszítse, és ezáltal az egész hajtóműláncból kivegye a holtjátékot. Éppen ezért kell a spirálrugót a hajtómű legutolsó tagjára erősíteni. Az ábrán (A) a Bourdon-cső és a mérendő nyomás csatlakoztatásának tömbje, (B) az alaplap, (C) a csapágylemez. A csapágylemezt rögzítő szegecseket (D)-vel jelöltük.

forrás: Wikipédia

1.17. ábra - A Bourdon-csöves nyomásmérő finommechanikai szerkezete

Látható, hogy a klasszikus finommechanikai nyomásmérő szerkezet számos alkatrészből áll, ezeket le kell gyártani, össze kell szerelni, és akkor még nem lehetünk biztosak abban, hogy az előre legyártott skála mennyire fog illeszkedni az egyedileg készített szerkezethez. Ehhez még azt is hozzá kell venni, hogy a nyomásmérő műszer nem ad ki villamos jelet, csupán egy mutató fordul el, így a mért nyomás értéke a mesterséges intelligencia (számítógép) részére értelmezhetetlen. Hogy a nyomás a számítógép részére értelmezhető legyen, a mutató elfordulását még valamilyen jelátalakítóval át kell alakítani villamos jellé. Állítsuk most ezzel szembe a mikroelektromechanikai technológiákkal előállított nyomásmérőt. Egy lehetséges megvalósítási módot az 1.18. ábra - Mikro elektro-mechanikai nyomásmérő egy csigaházban mutat. Ez egy kerámia hordozóra felépített abszolút, gyárilag kalibrált (!) nyomásmérő. A méreteket sejteni lehet az összehasonlításul szolgáló csigaház méreteiből. Az eszköz hátrányaként említhető, hogy működéséhez segédenergiára van szükség, és ránézésre nem állapítható meg a nyomás, mint egy hagyományos finommechanikai nyomásmérőnél.

forrás: Intersema MS5534B

1.18. ábra - Mikro elektro-mechanikai nyomásmérő egy csigaházban

A mikroelektromechanikai rendszerekre az jellemző, hogy mindegyik tartalmaz mikromechanikai elemeket, de nemcsak azt, hanem a gyártáskor a mikromechanikai elemre integrált érzékelőket (szenzorokat), és a jelfeldolgozást végző elektronikus áramköröket is. Mivel a mikromechanikai elemeket, így a membránokat sem lehet abszolút pontosan (zérus tűrésekkel) előállítani, a nyomásmérőket egyedileg kalibrálni kell. A mikromechanikai nyomásmérő modulok ugyanis csak akkor lesznek versenyképesek a piacon, ha azokat nem kell kalibrálni, mert például az abszolút nyomást mérik. Ezért a mikromechanikai rész mellé integrált elektronikus jelfeldolgozó egység tartalmaz írható memória elemeket is, amelyekbe az egyedileg kalibrált modulok érzékenységére és skálakarakterisztikájára jellemző kalibrációs konstansokat beírják. Ez a folyamat egy kicsit hasonlít ahhoz, amikor a klasszikus finommechanikai nyomásmérő műszerek skáláját utólagos kalibrálással rajzolják meg.

A mechanika, finommechanika átalakulásának és a mikromechanika kifejlődésének egy másik szép példája a giroszkóp esete. A giroszkópokat leginkább helyzetstabilitásra használják. Klasszikus giroszkópot mutat az 1.19. ábra - Klasszikus mechanikus giroszkóp. Lényege egy jól csapágyazott és gondosan kiegyensúlyozott tömeg, amelyet viszonylag nagy fordulatszámra pörgetnek fel. A pörgettyű meg akarja tartani forgási síkját, amelyet lehetővé is teszünk a pörgettyűt körülvevő szintén jól csapágyazott keretekkel. A kereteket akármilyen irányban elforgathatjuk a térben, a két, egymásra merőleges tengely irányában csapágyazott keretek ezt lehetővé teszik. Közben a pörgettyű megtartja forgási síkját, a keretek elfordulását pedig mérni tudjuk, így a giroszkóp szöghelyzet érzékelésére lesz alkalmas. A giroszkóp tipikus alkalmazási területei: a repülőgépiparban műhorizont, az autóiparban az ESP (Electronic Stability Program), a robottechikában térbeli szöghelyzet érzékelés, a hadiiparban és az űrkutatásban a rakétatechnika. A giroszkóp, vagyis a szöghelyzet vagy szögsebesség érzékelése tehát nagyon fontos érzékelési feladat, amelyet azonban ma már nem a klasszikus gépészeti szerkezettel oldanak meg.

forrás: Wikipédia

1.19. ábra - Klasszikus mechanikus giroszkóp

Ha manapság a giroszkópra (microgyrometers) rákeresünk, leggyakrabban MEMS-eket fog kiadni a kereső program. Ezek nem tisztán elektronikus eszközök, hanem mechanikát, mégpedig mikromechanikát is tartalmaznak. A mechanika a szenzortechnikából tehát nem tűnik el, hanem átalakul, más formában jelenik meg. Ma a MEMS-ek nagy részét ugyanolyan tokozásban hozzák forgalomba, mint az IC-ket, sokszor a felhasználó nem is tudja, hogy a beforrasztott tokban nemcsak elektronikus áramkör van, hanem ugyanabban a tokban a mikromechanika is megtalálható, elengedhetetlen (mondhatni elsődleges) részét képezve a teljes rendszernek.

forrás: Bosch

1.20. ábra - MEMS szögsebesség érzékelő

Az 1.20. ábra - MEMS szögsebesség érzékelő egy mikromechanikai giroszkóp szerkezetet és egy hozzá kifejlesztett mikroelektronikai áramkört tartalmaz egyetlen tokban (két chipes MEMS, Bosch DRS-MM2).

A MEMS giroszkópok működési elvét és gyakorlati megvalósítási formáit későbbi fejezetekben ismertetjük, azonban a következő ábrán (1.21. ábra - A segway) bemutatjuk a jövőbeli városi közlekedés egyik lehetséges közlekedési eszközét, a „segway”-t, amely két egy tengelybe eső, önállóan hajtott kerékkel rendelkezik. A járművön nincs sem gáz, sem fék, sem kormány, mert a jármű irányítása testbeszéddel történik. A járműre ráállva és a vezetőkart függőlegesen tartva a jármű egyensúlyban tartja magát, mint a cirkuszban egy egyensúlyozó akrobata. Ezt giroszkópok segítségével biztosítja a szabályozó elektronika. A kart előredöntve a jármű előre halad, hátrahúzva fékez, illetve hátrafelé mozdul. Jobbra döntve jobbra fordul, balra döntve pedig balra. Így akár egy helyben is képes megfordulni. A jármű ékes példája a mechatronikai rendszernek, amikor a gépészet, elektronika és informatika integrálva jelenik meg egy termékben.

forrás: Wikipédia

1.21. ábra - A segway

Az egyensúlyozási képesség természetesen megtalálható az állatvilágban is: gondoljunk például az egy lábon álló gólyára.

A következő példa a gyorsulás szenzorok esete. Néhány évtizeddel ezelőtt a gyorsulásmérő műszerek külön szenzorból és erősítőből álltak. Az (1.22. ábra - Klasszikus finommechanikai gyorsulásmérő) ábrán egy régebbi konstrukciójú hagyományos piezoelektromos gyorsulásérzékelő látható, amelynek méretei és technológiája a finommechanika területére esik. A szenzorhoz azonban kellett egy töltéserősítő egység is, amelynek tipikus megjelenési alakját az 1.23. ábra - A klasszikus gyorsulásmérőhöz tartozó erősítők mutatja.

forrás: MMF

1.22. ábra - Klasszikus finommechanikai gyorsulásmérő

Az erősítők méretei (és természetesen a fogyasztása is) már jelentőseknek mondhatók (az ábrán az első a tápegység, a második és a harmadik a töltéserősítő, amennyiben 2 irányban kívánunk gyorsulást mérni). Ezek az eszközök igaz, hogy univerzálisak, és többféle mérés elvégzésére alkalmasak, de az alkalmazást sokszor éppen a nagy méretek korlátozzák.

forrás: Brüel et Kjaer

1.23. ábra - A klasszikus gyorsulásmérőhöz tartozó erősítők

Ezekhez képest a MEMS gyorsulásmérők méretei és műszaki paraméterei igazán lenyűgözőek, mint azt az 1.24. ábra - MEMS gyorsulásmérő (Bosch SMB 363) mutatja (Bosch SMB 363).

forrás: Bosch

1.24. ábra - MEMS gyorsulásmérő (Bosch SMB 363)

Az ábrán látható MEMS-ek mérete 4x4x1,2 mm, benne van a mikromechanikai szerkezet, és a feldolgozó elektronika is. És ez az eszköz (amely nem csupán szenzor, hanem komplett jelátalakító (transducer) is) nemcsak egy irányban képes mérni a gyorsulást, hanem a tér 3 irányában. A gyorsulásszenzorok konstrukciós és gyártástechnológiai kérdéseivel későbbi fejezetekben foglalkozunk, a gyorsulásmérő itt csak példaképpen szerepel, a mikrorendszerekben rejlő lehetőségek bemutatásának céljából.

A kis méretek felé történő fejlődési iránnyal, a mikroszenzorok és a MEMS-ek megjelenésével kapcsolatosan még rá kell világítanunk egy fontos, a fejlődés szempontjából érdekes jelenségre. Régebben, a múlt században még úgy tartottuk, hogy a mikrométeres pontosságú beállításokhoz, pozícionálásokhoz (beleértve a mérési feladatokat is) nagy tömegű robusztus szerkezetekre van szükség. Példaképpen említhetők a műhelymikroszkópok, (1.25. ábra - Műhelymikroszkóp).

forrás: Wikipédia

1.25. ábra - Műhelymikroszkóp

A mikrotechnika fejlődésével azonban új helyzet állt elő. Hogy ezt jobban megértsük, menjünk vissza egy kicsit a természetbe, hogy például a mindenki által kellemetlennek tartott vérszívó rovar, a szúnyog (1.26. ábra - Szúnyog táplálkozás közben) hogyan oldja meg a pozícionálás problémáját. A szúnyog esetében aztán tényleg nem beszélhetünk nagy tömegekről, a rovar egy filigrán szerkezet, mégis képes megtalálni azt a pontot, ahová fullánkját beereszti. Mindezt azért képes megtenni, mert érzékszervei vannak, és bizonyos intelligenciája ahhoz, hogy az érzékszerveiből kapott információkat feldolgozza, és szárnyaival és lábaival korrigálja (mérnöki nyelven szólva szabályozza) a mozgását. Mindezt annak érdekében teszi, hogy elérje a célját. Más szavakkal: a természet is szabályozással dolgozik, ami egyébként nem véletlenül a mechatronikai rendszerek fő alapstruktúrája is.

forrás: Wikipédia

1.26. ábra - Szúnyog táplálkozás közben

A levonható tanulság a következő: a korszerű mechatronikai rendszereknél a pontos pozícionáláshoz nincs szükség nagy tömegekre, ellenben szükség van érzékelőkre, amelyek az aktuális helyzetet (állapotot) meghatározzák, mesterséges intelligenciára, amely a célfüggvényt ismerve meghatározza, hogy milyen irányban mekkora módosításra van szükség. Tehát szükség van aktuátorokra is, amelyek a mesterséges intelligencia által feldolgozott utasításokat végrehajtják. Az elmondottakra nagyon jó példa a CD vagy DVD (Digital Versatile Disc) olvasófej (1.27. ábra - CD olvasófej képe), amelyeknél szó sincs nagy tömegekről, ellenkezőleg, ezek nagyon kis tömeggel bíró finommechanikai szerkezetek, mégis képesek mikrométer pontossággal pozícionálni. A cél elérésének módja: filigrán, de intelligens rendszerek előállítása, amelyek érzékelőket, aktuátorokat és mesterséges intelligenciát (elektronikus áramköröket a megfelelő szoftverrel) tartalmaznak. Az alapvető struktúra pedig a szabályozás.

1.27. ábra - CD olvasófej képe

A mikromechanika tudományterülete éppen újszerűségéből következően nem rendelkezik olyan régi hagyományokkal, hogy ma teljes bizonyossággal előre lehessen látni a lehetőségeket és a korlátokat. Azt biztosan lehet állítani, hogy a mikrotechnika tudományterülete jelenleg is az intenzív fejlődés fázisában van, azokat a határokat (például a tranzisztorok mérete) amelyek mai tudásunk szerint korlátnak látszanak, a fejlődő technológia az eddigi tapasztalatok alapján rendre átlépi. Emiatt nem lehet világosan látni sem a lehetőségeket, sem a korlátokat, és a leginkább elfogadható megközelítés az, hogy ezek ma még beláthatatlanok. Addig, ameddig szerkezeti alapanyagként a szilíciumot használjuk, természetesen számolnunk kell az egykristályos szerkezetből adódó tulajdonságokkal, de például a LIGA technológia (röntgenlitográfia, Litographie, Galvantechnik, Abformung) megnyitotta az utat a műanyagból készült térbeli (3 dimenziós) mikrorendszerek létrehozása felé is. Ezért jó megközelítésnek látszik, ha a természet által kifejlesztett, az evolúciós folyamat által létrejött és létező mikrorendszereket vesszük elő, és tekintjük mintának vagy elérendő célnak, hiszen a természetben ott a bizonyíték, hogy ezek a mi világunkban megvalósítható rendszerek. Gondoljunk a rovarvilágra, a baktériumokra vagy a vírusokra. És ezek a mikrorendszerek ráadásul még önmaguk reprodukálására is képesek.

A mikromechanika már eddig is számos olyan termékcsaládot produkált, amely nagy méretekben elképzelhetetlen és megvalósíthatatlan lenne. Ilyen például a klasszikus CD és DVD technika, a buboréknyomtatók (Bubble Jet Printer), a projektorok DMD (Digital Mirror Device) tükörrendszerei, és a felsorolást még folytathatnánk. Ezekre a későbbi fejezetekben térünk majd vissza.

Végezetül ismertetünk néhány olyan példát, amelyek ma még talán inkább csak érdekességnek tűnhetnek, vagyis ezeknél gyakorlati alkalmazásokat nem tudunk bemutatni. Az első egy emberi hajszálat mutat, amelynek átmérője hozzávetőlegesen 60 μm, és amelyre lézeres megmunkálással struktúrát (itt ez egy felirat, 1.28. ábra - Emberi hajszálra írt felirat) hoztak létre.

forrás: Forschungszentrum Karlsruhe

1.28. ábra - Emberi hajszálra írt felirat

A második példa (1.29. ábra - Lézerrel kilyukasztott emberi hajszál) szintén egy emberi hajszál, amelyre szintén lézeres technológiával négyszögletes kivágásokat hoztak létre.

forrás: Brück, Rizvi, Schmidt: Angewandte Mikrotechnik 2001

1.29. ábra - Lézerrel kilyukasztott emberi hajszál

A harmadik példát a mikroméretű prototípusok előállítására mutatjuk be, a Bécsi Műszaki Egyetem kutatóitól. Az egyik (1.30. ábra - Mikroméretű versenyautó modell) egy hajszálnál alig négyszer vastagabb versenyautó modell, a másik a bécsi Stephansdom mikroméretű modellje (1.31. ábra - A bécsi Stephansdom mikroméretű modellje).

forrás: TU Wien

1.30. ábra - Mikroméretű versenyautó modell

Mindkettőt azzal a technológiával hozták létre, hogy vékony rétegben fényérzékeny anyagot tartalmazó gyantát hordanak fel, amelyet lézersugár segítségével keményítenek ki a megadott pontokban. A lézersugarat (vagy sugarakat) számítógéppel vezérelt tükrök juttatják a kívánt helyre. A Jan Torgersen és társai által kifejlesztett módszerrel kb. 5 m/s sebességgel lehet nano méretű struktúrákat létrehozni. A módszer különlegessége, hogy szemben az ismertebb 3D-s nyomtatási technológiákkal, ahol csak a legfelső réteg manipulálható, itt a struktúra bármely belső pontja is elérhető.

forrás: TU Wien

1.31. ábra - A bécsi Stephansdom mikroméretű modellje

A mikromechanikában használt fémes anyagok a következők: alumínium (Al), titán (Ti), króm (Cr), vas (Fe), kobalt (Co), nikkel (Ni), réz (Cu), cink (Zn), ezüst (Ag), platina (Pt), arany (Au), és az ólom (Pb). Az alkalmazott fémekre legtöbbször egy bizonyos alkalmazás kötődik hozzá. Ilyen például az alumínium, amelyet vezetékezésre, vagy optikai alkalmazásoknál tükrözésre használnak, vagy a króm, amely az optikai litográfiában a maszkok szinte kizárólagos anyaga. Ezeket a fémeket szinte alig lehet más fémmel helyettesíteni. A nemesfémeknél sokszor a korrózióállóságot használják fel, erre nagyon jó példa az arany alkalmazása. A mikrotechnikában alkalmazott fémes anyagokat a 2.1. táblázat - A mikrotechnikában leggyakrabban használatos fémes anyagok foglalja össze. A táblázatban a kristályszerkezetre vonatkozó rövidítések a következők: FCC — lapközepes köbös (Face Centered Cubic), HCP — hexagonális (Hexagonal Close Pocked), BCC — térközepes köbös (Body Centered Cubic).

Megjegyezzük, hogy a fémes anyagokat soha nem egykristályos, hanem polikristályos formában használják.

A mikroelektronikában természetes követelmény a félvezetők használata. Ezek között is kiemelkedő szerepe van a szilíciumnak. A szilíciumra kidolgozott félvezető technológia nélkül a világ messzemenően nem tartana ott, ahol ma tart, az egész számítástechnika és informatika körülbelül ott tartana, ahol a fejlődés valahol a múlt század utolsó negyedében tartott. Érdekes módon (ami más értelmezésben nem is annyira érdekes, mint inkább természetes) a szilíciumot a mikromechanikában is gyakran használjuk, nagyon sokszor nem azért, hogy villamos áramköröket hozzunk létre, hanem azért, hogy mikromechanikai struktúrákat valósítsunk meg. A mikrotechnikában használatos félvezetőket a 2.2. táblázat - A mikrotechnikában használatos félvezető anyagok kristályszerkezete, rácsállandója és energiaszint különbsége foglalja össze.

Szilícium egykristály előállítása

Gyakran feltett kérdés, hogy miért éppen a szilícium a félvezető technika és a mikromechanika leghasználatosabb anyaga. Az első tranzisztorok ugyanis még germániumból készültek. A germánium is félvezető, ugyanúgy 4 vegyértékkel rendelkezik, mint a szilícium (polikristályos germániumot mutat a 2.1. ábra - Polikristályos germánium).

forrás: Wikipédia

2.1. ábra - Polikristályos germánium

A félvezetők elméletéből ismert, hogy a diódák és tranzisztorok előállításához szükséges pn átmenetek létrehozása iparszerűen csak az egykristályos kristályszerkezet esetén lehetséges. Az egykristályos szerkezetet a kutatók germániumból időben előbb, és könnyebben tudták létrehozni, mint szilíciumból. Hozzá kell tenni, hogy a jó villamos tulajdonságok eléréséhez megfelelő tisztaság is szükséges, sokáig ezt a feltételt szilícium esetén nem sikerült teljesíteni. A germánium és szilícium, annak ellenére, hogy mindkettő négy vegyértékű félvezető, egy nagyon lényeges tekintetben azonban merőben különbözik egymástól. A germániumnak van egy olyan tulajdonsága, hogy oxidja (GeO, ill GeO ₂ ) nem védi meg a felületet a további oxidációtól. A germánium-dioxid ugyanis oldódik a vízben, a levegőben pedig valamennyi nedvesség mindig van. Annak érdekében, hogy a germániumból készült eszköz időt állóan megtartsa villamos tulajdonságait, a nedvességet az eszköz környezetéből ki kell küszöbölni. Ezért a germániumból készült eszközöket hermetikusan kell tokozni, azaz fém és/vagy üveg tokozást kell alkalmazni, műanyag tokozás nem lehetséges. A szilícium oxidja viszont, a szilícium-dioxid (SiO ₂ , kvarc) nagyon stabil anyag, kiváló szigetelő, a szilícium felületéhez kémiailag kötődik, ami azt jelenti, hogy a szilícium oxidja jól megvédi a kialakított struktúrát a környezeti hatásoktól. Ez a tény tette lehetővé, hogy a szilíciumból készült eszközöket műanyag tokozással lehessen forgalomba hozni (lásd a műanyag tokozású tranzisztorokat és integrált áramköröket), ami sokkal olcsóbb és termelékenyebb technológia, mint a hermetikus tokozás. A szilícium másik nagy előnye, hogy a szilícium olvadáspontja magasabb (1414 °C), mint a germániumé (938 °C), amelyből az is következik, hogy a szilíciumból készült eszközöknél az üzemi hőmérséklet is magasabb lehet, mint a germániumból készült eszközök esetében. Ez a tény különösen a teljesítmény elektronikai eszközöknél kerül előtérbe, és magyarázza azt, hogy a mai félvezető technológia szinte kizárólag szilícium alapanyagot használ. A mikromechanikát illetően is fontos ismerni a szilícium kristályszerkezetét. A szilícium kristályszerkezete alapvetően lapközepes, köbös kristályszerkezet, azonban az egyes kristályrácsok úgy kapcsolódnak egymáshoz, hogy a következő köbös, lapközepes kristály az előző kristály testátlójának egynegyedében helyezkedik el. Ez az egyik oka a monokristályos (egykristályos) szilícium rendkívüli anizotrópiájának, amelyet a mikromechanikai konstrukcióknál és technológiáknál alaposan ki is használnak. A mikromechanikában számos más anyag is használatos, (meg a jövőben lehet, hogy használatos lesz), azonban a szilícium sajátos tulajdonságaival kiemelkedik a többi közül. A szilíciumból ráadásul nagyon sok van, a Föld tömegének kb. 25% -a szilíciumból áll.

forrás: Wikipédia

2.2. ábra - Polikristályos szilícium tömb

A szilícium mechanikai tulajdonságai

A gépészetben előforduló anyagok a mérnökök számára eléggé ismertek, mind a fémes, mind a nem fémes anyagok tekintetében. Ehhez képest a szilícium (és általában a félvezető anyagok) mint szerkezeti anyagok tulajdonságai kevéssé ismertek. Ezért kell foglalkozni a szilícium mechanikai tulajdonságaival. Ha közérthetően kellene fogalmazni, azt lehet mondani, hogy a szilícium mechanikai tulajdonságai a közismert anyagok közül leginkább az üveghez hasonlítanak. A mechanikai tulajdonságok tárgyalásánál azonban figyelembe kell venni, hogy a mikromechanikában a szilíciumot egykristályos állapotában használjuk fel. Ebben az állapotában viszont a szilícium a kristálytani irányoktól függő, jelentős anizotrópiát mutat.

A szilícium felfedezése Jöns Jakob Berzelius nevéhez fűződik (1823). A szilícium sűrűsége 2,33 g/cm³, tehát könnyű anyag, az alumíniumnál is könnyebb. Keménysége viszont a Mohs-féle keménységi skálán 6,5; tehát igen kemény anyag. A szilícium kb. 600 °C-ig az oxigénnel szilícium-dioxidot (SiO ₂ ) képez, 1400 °C környékén a nitrogénnel szilícium-nitridet (Si ₃ N ₄ ) alkot, mindkettő jó szigetelő, és jó dielektrikum is. Még magasabb kőmérsékleten, 2000 °C környékén a szilícium és a szén szilícium-karbidot (SiC) alkot. Az alábbi, 2.3. táblázat - A kvarc, a szilícium és a rozsdamentes acél összehasonlítása a szilícium, a kvarc (szilícium-dioxid) és a nemesacél tulajdonságai kerülnek összehasonlításra. A húzószilárdságnál érdemes megjegyezni, hogy a szilíciumnak nincs folyáshatára, mint a legtöbb acélnak vagy fémes anyagnak. A szilícium tehát nem jelzi előre, hogy hamarosan elérjük a szakítószilárdságot, nem folyik meg, hanem egyszerűen csak eltörik. Más szavakkal kifejezve a szilícium képlékeny alakváltozást nem képes elviselni.

forrás: Thomas Seilnacht

2.3. ábra - Természetes hegyikristály (kvarc)

Természetes kvarckristályt (hegyikristály) mutat a 2.3. ábra - Természetes hegyikristály (kvarc). A kvarc hexagonális alakban kristályosodik.

Szilícium hordozók gyártása

Akár mikroelektronikai eszközről, akár mikromechanikai eszközről van szó, a kiindulási anyag legtöbbször egykristályos szilícium. Egykristályt természetesen csak megfelelő tisztaságú anyag esetén lehet előállítani, hiszen az idegen atom jelenléte kristályhibát eredményezhet. A gyártási folyamat a következő fázisokból áll:

1. lépés: A kiindulási anyag legtöbbször viszonylag nagy tisztaságú kvarc (SiO₂), amelyet elektromos ívkemencében, szén elektródák segítségével, 1900 °C-on olvasztanak meg. A redukció:

A megolvadt szilícium a kemence alján gyűlik össze. Ez a metallurgiai tisztaságú (max. 98%) polikristályos szilícium. Ez a tisztaság egykristály előállítására még alkalmatlan, ezért az anyagot tovább kell tisztítani.

2. lépés: A metallurgiai tisztaságú szilíciumból sósav segítségével triklór-szilánt állítanak elő, majd ezt frakcionált desztillálással tovább tisztítják, kb. 300 °C-on. A reakció:

A folyamat után a Si tisztasága már megfelelő, kevesebb. mint 10^-9 idegen atom esik egy Si atomra.

3. lépés: A triklór-szilán redukciója hidrogénnel, kb. 1000 °C-on. A reakció:

A keletkezett Si por alakú, amelyet rudakká olvasztanak (a Si olvadáspontja 1414 °C). Az eredmény poliszilícium rúd, egy ilyen poliszilícium rudat mutat a 2.4. ábra - Nagy tisztaságú polikristályos szilícium rúd. Ezután következik az egykristály előállítása.

forrás: Wikipédia

2.4. ábra - Nagy tisztaságú polikristályos szilícium rúd

Az egykristályos szilícium előállításához két technológia alakult ki: a Czochralski-féle kristályhúzási módszer és a zónás olvasztás módszere.

A két módszernek vannak közös elemei, például az, hogy a kristályosodási orientációt egy ú. n. oltókristály segítségével kell meghatározni. Az oltókristály tulajdonképpen egy kisebb méretű egykristály, amelyet megfelelően pozícionálnak. Ez a pozícionálás fogja meghatározni az egész rúd kristálytani orientációját, tehát hogy a kristályosodási folyamat során a Si atomok hogyan fognak egymáshoz képest elhelyezkedni. Az egykristály előállítási technológiák másik közös jellemzője, hogy a kristályosodáshoz nyugodt, rezgésmentes környezet, és megfelelő idő szükséges. A harmadik közös elem, hogy mind a két egykristályt előállító módszernél a rúd hossza mentén változik a szennyező atomok koncentrációja. A folyamat vége felé haladva a maradék anyagban a szennyezés feldúsul, így a rúd vége felé az anyag már nem olyan tiszta. Hogy az egykristály előállításának folyamata jobban érthető legyen, célszerű áttekinteni a kristályképződés fázisait.

forrás: Völklein: Praxiswissen

2.5. ábra - A kristálynövesztés fázisai

a.) A nukleációs fázis : A hordozó egyre alacsonyabb energetikai állapotba kerül (csökken a belső energiája, "hűl"). Az energetikailag legoptimálisabb (legalacsonyabb energiájú) pontokon megkezdődik a csíraképződés. Ez alapjában egy diffúziós folyamat. (Az atomok a számukra termodinamikailag kedvezőbb helyre "áramlanak".) A folyamat során ezek a diffúziós utak egyre csökkennek, folytatódik az atomok lerakódása és szigetszerű képződmények jönnek létre.

b.), c.) és d.) A hídnövekedési fázis: ebben a fázisban ezek a szigetek összenőnek. Kialakulnak a kristálynövekedés szempontjából energetikailag kedvezőbb irányok, amelyekben a növekedés intenzívebb. Az eredmény egy összefüggő réteg lesz.

e.) A rétegnövekedési fázis: ebben a fázisban a növekedés z irányban (a szubsztrát felületére merőlegesen) folytatódik. Amennyiben a továbbiakban a réteg belső energiája (hőmérséklete) ezt lehetővé teszi, megindul a kristálymag-határok mozgása. Ezek a réteg külső részei felé vándorolnak, és amennyiben a feltételek ehhez adottak, létrejön egy egykristályos szerkezet.

A Czochralski-féle kristálynövesztési módszer

A módszer vázlatát a 2.6. ábra - A Czochralski-féle egykristály növesztési módszer vázlata mutatja. Lényege, hogy az olvadékból lassú forgatással és húzással állítják elő az egykristályos rudat. Az olvasztás legtöbbször rádiófrekvenciás indukciós tégelyben történik, amelynek anyaga grafit. Közben nem szabad a szilíciumnak szennyeződnie, vagy oxidálódnia, ezért a folyamatot vagy vákuumban, vagy védőgáz alatt kell elvégezni. A növesztéshez egykristályos oltókristályra van szükség, amelyet gondosan pozícionálni kell, mert ez fogja meghatározni a húzott kristály kristálytani orientációját.

forrás: Gardner: Microsensors

2.6. ábra - A Czochralski-féle egykristály növesztési módszer vázlata

A zónás olvasztás módszere

Az egykristályos szerkezet előállításának másik módszere a zónás olvasztás (Floating Zone, rövidítve FZ). Ennél a módszernél az eredetileg polikristályos rúdnak mindig csak egy kis zónáját olvasztják meg legtöbbször induktív úton. A megolvadt rész olyan vékony, hogy a két szilárd rúdvég közül nem folyik ki. Megfelelő időt hagyva az atomok átrendeződésének, a megolvadt zóna kis sebességgel továbbhalad a rúd mentén. A zónás olvasztás módszerét a 2.7. ábra - A zónás olvasztás módszere mutatja.

forrás: Gardner: Microsensors

2.7. ábra - A zónás olvasztás módszere

Az egykristály előállítási technológiák eredménye egy egykristályos szerkezetű szilícium rúd, (maximális méretek: kb. 2 m hossz, és 30 cm átmérő), amelyhez hasonlót a 2.8. ábra - Egykristályos szilícium rúd mutat. Fontos megjegyezni, hogy a rudak átmérőjét nem cm-ben, hanem ma is collban mérik. Az átmérő ismerete azért fontos, mert a hordozó átmérőjének mérete alapvetően meghatározza a technológiai sorban szereplő berendezések méreteit (pl. termikus oxidálás, vagy CVD reaktorok). A szeletek átmérőjének tűrése általában + 0,4 mm. Kis szériás MEMS struktúrákhoz a 3”, 4”, esetleg 6” átmérőjű hordozókat használják, de a nagy sorozatú memória és mikroprocesszorokhoz a 8”, vagy a még ennél nagyobb átmérőjű hordozók alkalmazása is előfordul. Megfigyelhető az az általános tendencia, hogy egyre nagyobb átmérőjű hordozókat állítanak elő, amelynek elsősorban gazdaságossági okai vannak. Ekkor ugyanis egyszerre több végtermék készül el. Ugyanakkor azt is szem előtt kell tartani, ha esetleg selejt keletkezik, akkor a selejtes áramkörök darabszáma is értelemszerűen nagyobb lesz.

forrás: Siltronic

2.8. ábra - Egykristályos szilícium rúd

Az egykristály rúd előállítása után következik a rúd szeletekre darabolása. Ez nem egyszerű feladat, mert a szilícium kemény anyag, csak gyémánt szerszámmal munkálható meg. A folyamatot gyémánttárcsás darabolásnak nevezzük, amely tulajdonképpen egy forgácsolási művelet. A gyémánttárcsás vágásnál a vágásszélességet a minimumra kell választani, mert az elforgácsolt anyag veszendőbe megy. A vágótárcsák vastagsága kb. 0,1 mm, a kiforgácsolt vágásszélesség hozzávetőlegesen 125 μm, ami abszolút értékben kicsinek tűnik, de mivel a hordozó vastagság is kicsiny, ez a méret koránt sem elhanyagolható. Olyannyira nem, hogy szeleteléskor a drágán előállított szilícium egykristály rúd hasznos hosszának kb. 1/4-e veszendőbe megy.

A forgácsolt felület viszonylag durva, a szelet ebben a formában még mikrotechnikai műveletekre alkalmatlan. A szeletelés után következik a szelet csiszolása, majd polírozása, amelyek szintén forgácsolási műveleteknek tekinthetők. A szilícium szeleteket minimum optikai minőségűre kell felpolírozni, tehát egy hordozó akár tükörnek is használható. A hordozó mindkét oldalát polírozni szokás, mert vannak technológiák, amelyeknél a hordozó mindkét oldalát meg kell munkálni. Szigorúak a tűrések mind a kristályorientáció (kb. ± 0,1°), mind a síkbeliség (kb. 1 μm) és vastagság (kb. ± 5 μm) tekintetében is. A különböző átmérőjű, polírozott, orientált szilícium egykristály szeletek ma már a kereskedelmi termékek csoportjába tartoznak. Erre mutat példát a 2.9. ábra - Polírozott és orientált szilícium hordozók.

forrás: Wikipédia

2.9. ábra - Polírozott és orientált szilícium hordozók

Egy viszonylag nagy átmérőjű, megmunkált szilícium szeletet (hordozót) mutat a 2.10. ábra - Megmunkált szilícium hordozó.

forrás: Wikipédia

2.10. ábra - Megmunkált szilícium hordozó

A szilícium kristályszerkezete és orientációja

A mikrotechnikában nagy jelentősége van a szilícium egykristály anizotrópiájának. Más megfogalmazásban: az anizotrópia nélkül nem rendelkeznénk azokkal a mikroelektronikai eszközökkel (tranzisztorokkal), amelyekre ma az egész informatika épül. Az anizotrópia pedig a szilícium kristályszerkezetéből következik, ezért is fontos ennek ismerete. Ahogyan azt az előzőekben már említettük, a szilícium kristálytanilag köbös, lapközepes szerkezetű, tehát az atomok egy kocka minden csúcsában és a lapok közepén helyezkednek el. Ezek a képzeletbeli kockák azonban nem egymás mellett, alatt vagy fölött helyezkednek el, hanem egymásba épülve, úgy, hogy az egyik kockához képest a másik a testátló ¼-ével van eltolva. Ebből az elrendezésből következik az az úgynevezett tetraéderes kötés, amely minden 4. szilíciumatomra jellemző. Ezt mutatja be a 2.11. ábra - A szilícium kristályszerkezete.

forrás: Menz: Microsystemtechnik

2.11. ábra - A szilícium kristályszerkezete

Ennek ismeretében nem tűnhet meglepőnek a nagymértékű anizotrópia, hiszen az egész anyag monokristályos (egykristályos) szerkezetű, tehát elméletileg minden atom egy meghatározott helyen van, az anyagban nincsenek kristályhatárok. A reális, megvalósított monokristályos szilícium szerkezeti anyagoknál azonban mindig számolni kell azzal, hogy a kristályszerkezet nem teljesen hibamentes, Vagy azért, mert bizonyos atomok nincsenek a helyükön, vagy azért, mert nem tudunk teljesen szennyeződésmentes anyagot előállítani (néha nem is akarunk), így a kristályszerkezetbe beépülhetnek idegen atomok is. A kristályhibák keletkezéséhez természetesen a technológia tökéletlenségei is hozzájárulnak. A kristályhibákat diszlokációknak is nevezik (ezeknek több fajtája ismeretes, amelyekre azonban itt nem térünk ki). Az egykristályos szerkezet és az ebből következő anizotrópia miatt a kristálytani irányok ismerete fontos, ezeket a technológiai folyamatoknál mindig ismerni kell. Az irányok megadásához a krisztallográfiában ismert Miller-indexeket használják. Ezekkel jellemezve a kristálytani irányokat, a 2.12. ábra - A szilícium jellegzetes kristálytani síkjai mutatja a legfontosabb kristálytani síkokat. Ezek közül legfontosabbak az 111, 110, és 100 kristálytani síkok.

forrás: Völklein: Praxiswissen

2.12. ábra - A szilícium jellegzetes kristálytani síkjai

A további felhasználás szempontjából rendkívül fontos, hogy a hordozón magán jelöljük az orientációt és a dotációt ( p vagy n típusú félvezetőről van-e szó), hiszen ez ránézésre nem lenne megállapítható. Ezért a szeletek szélén (amelyek úgyis kevéssé használhatók ki) lemunkálásokat hoznak létre: az egyik a „primary flat”, a második a „secondary flat”. Ezek egymáshoz viszonyított helyzete hordozza az orientációs és dotációs információkat, így szabad szemmel is megállapítható a szelet orientációja és vezetési típusa. Ezek a lemunkálások (lecsapások) fontos szerepet kapnak a technológia során is: ugyanis tájoló felületként használatosak. A szilícium szeletek identifikálására vonatkozó „primary” és „secondary flat”-ok elhelyezkedésére a 2.13. ábra - A szilícium hordozók orientációjának jelölése ad néhány példát.

forrás: Gardner: Microsensors

2.13. ábra - A szilícium hordozók orientációjának jelölése

Az egykristályos szilícium mechanikai tulajdonságai közül olyanok, mint például a sűrűség, vagy a hővezetési képesség, nem függenek a kristálytani irányoktól. A szilícium sűrűsége 2,3 g/cm³, tehát még az alumíniumnál is könnyebb anyag. A hővezetési képessége (ez a mikroelektronikában nagyon fontos) 1,57 W/cm°K nem olyan jó, mint a fémeké (összehasonlításul: Al: 2,37 W/cm°K, réz: 4,01 W/cm°K). A hőkapacitása 695 J/kg°K, hőtágulási együtthatója 2,33·10^-6/°K. Az egykristályos szerkezetből adódó anizotrópia miatt azonban a szilárdság, rugalmassági modulusz függ a kristálytani orientációtól.

Az értékek között ugyan nagyságrendi különbség nincsen, de adott esetben mégis szükséges tekintettel lenni a különbségekre. A szilícium kemény anyag, a Mohs-féle keménységi skálán a 7-es fokozatba tartozik. Ennek olyan mechanikai megmunkálások esetén van jelentősége, mint például a vágás, csiszolás, polírozás. A Mohs-féle keménységi skálát, amelyet elsősorban ásványok keménységére dolgoztak ki, a következő ábrán (2.14. ábra - A Mohs-féle keménységi skála) mutatjuk be.

forrás: Wikipédia

2.14. ábra - A Mohs-féle keménységi skála

A táblázatból látható, hogy a szilícium mechanikai megmunkálásához elsősorban a gyémántot tartalmazó szerszámok alkalmasak. A szeletek csiszolásához gyakran alkalmazzák még a korundot (Al ₂ O ₃ ) is.

Kerámiáknak nevezzük azokat a fémes és nemfémes elemeket tartalmazó szervetlen anyagokat, amelyek kémiai kötésben vannak egymással. Ilyenek például az alumíniumoxid (Al ₂ O ₃ ), a sók, például a konyhasó (NaCl), a kalciumfluorid (CaF ₂ ), és a kerámia félvezetők, mint például az yttrium-bárium-rézoxid (YBa ₂ Cu ₃ O ₇ ).

A legtöbb keramikus anyag (legyen akár kristályos akár nem kristályos, mint például az üveg), nagy keménységgel és meleg szilárdsággal rendelkezik, de nem található meg náluk a fémekre jellemző képlékeny alakváltozás, tehát a kerámiák szilárdsági határuk elérése felett egyszerűen eltörnek. Az utóbbi években kifejlesztettek keramikus anyagokat gépészeti alkalmazásokra, amelyek könnyűek, szilárdak, jól ellenállnak a hőmérsékletnek és a kopásnak, csökkentik a súrlódást, és emellett jó szigetelők. Ezek az új anyagok fontosak lehetnek a jövőben a gépészetben is, jó példa erre a NASA űrsiklókon alkalmazott kerámia lapkákból álló védőpajzs, amely a légkörbe való visszaérkezéskor védi meg az űrsikló fémes alkatrészeit az elégéstől. A mikrotechnikában alkalmazott kerámiákat és alkalmazási területeit a 2.4. táblázat - A mikrotechnikában alkalmazott kerámiák és alkalmazási területeik foglalja össze.

A polimerek (műanyagok) szerves anyagok (szenet tartalmaznak), amelyek hosszú molekulaláncokat vagy hálókat alkotnak. Ilyenek például az epoxi gyanták, poliészterek, nylonok és szilikon elasztomerek. A polimerek szilárdsága és rugalmassága széles határok között mozog, ezek a tulajdonságok nagymértékben függenek az anyag atom és molekula szerkezetétől. A polimerek általában rossz elektromos vezetők, következésképpen vannak közöttük olyan anyagok, amelyeket kifejezetten szigetelési célokra, és/vagy dielektrikumként használnak. A polimerek a hosszú térbeli molekulaláncos szerkezetük miatt általában nem kristályos anyagok. Az utóbbi években kutatások folynak a monokristályos (részlegesen monokristályos) polimerek kifejlesztésére, ezek fontos anyagok lehetnek a jövőben. A mikrotechnikában alkalmazott polimer anyagokat a 2.5. táblázat - A mikrotechnikában használatos polimer anyagok foglalja össze.

A MEMS-ekben felhasznált anyagok közül az utolsó csoportot a kompozitok alkotják. A kompozitok az előzőekben tárgyalt anyagok, tehát a fémek, félvezetők, kerámiák és polimerek kombinációjaként jönnek létre, nem feltétlenül csak két anyagtípus felhasználásával. A legtöbb kompozit anyagnál a kötőanyagba valamilyen töltőanyagot juttatnak be a tulajdonságok megváltoztatásának céljából. A kompozitokra jellemző, hogy az alkotórészek nem oldódnak egymásban, és az eredő fizikai tulajdonságok eltérnek bármelyik komponens fizikai tulajdonságaitól.

A kerámiák, polimerek és kompozitok legtöbbje a MEMS technológiákban passzív szerepet játszik, mint például a struktúra hordozása vagy védelme, de vannak olyan kompozitok is, amelyek a mikroszenzoroknál és a MEMS-eknél aktív szerepet töltenek be, ezeket a szakirodalom intelligens anyagoknak (smart materials) nevezi.

A mikrotechnikában használatos technológiákat nem lehet akárhol, akármilyen környezetben létrehozni, mert elsősorban a kis méretek miatt védeni kell a struktúrát a mindennapi környezetből adódó szennyeződések ellen. Ezek közül is elsősorban a levegőben szálló por ellen kell védekezni, mert a porszemek méretei általában nagyobbak, mint a struktúra jellemző méretei. Első példának a következő ábrán (2.15. ábra - Mikrofogaskerék, amelyet egy hangya szájszervével fog meg) bemutatunk egy mikromechanikai fogaskereket, amelyet éppen egy hangya a szájszervével fog meg.

forrás: Institut für Mikrotechnik, Mainz

2.15. ábra - Mikrofogaskerék, amelyet egy hangya szájszervével fog meg

Második példaként a következő ábrán (2.16. ábra - Egy légy feje, háttérben egy mikrostruktúrával) egy mikromechanikai struktúra látható, előtérben egy légy fejével.

forrás: TU Ilmenau

2.16. ábra - Egy légy feje, háttérben egy mikrostruktúrával

A harmadik példa a közismert számítástechnikai merevlemezes tároló (Winchester) méretbeli viszonyait mutatja (2.17. ábra - A hajszál, porszem és koromrészecske méretei az olvasófej légréséhez viszonyítva). Az író-olvasófej kb. 20…40 nm (0,02…0,04 μm) távolságban, légpárnán repül a mágnesezhető réteg felett. Ha a fej hozzáér a mágnesezhető réteghez, a Winchester általában tönkremegy, használhatatlanná válik. (Akinek már „elszállt” a Winchestere, az tudja, hogy ennek milyen következményei vannak.) Az ábrán látni lehet egy koromszemcsének, egy átlagos méretű porszemnek, és egy hajszálnak a méreteit. Ezek után világos, hogy a Winchesterek miért vannak pormentesen lezárva, és az is belátható, hogy a Winchesterek gyártásakor és szerelésekor elengedhetetlenül fontos a pormentes (pontosabban fogalmazva a minél tisztább) környezet.

forrás: Wikipédia

2.17. ábra - A hajszál, porszem és koromrészecske méretei az olvasófej légréséhez viszonyítva

A tökéletesen pormentes (részecskementes, teljesen tiszta) környezet megvalósítása műszakilag lehetetlen, de törekedni lehet a minél tisztább terek létrehozása. Ez persze nagy anyagi ráfordításokat igényel, ezért a tiszta tereket minősíteni kell, ennek következtében különböző tisztasági fokozatok léteznek. A tiszta tereket aszerint minősítik, hogy egy köbláb térfogatban hány darab részecske található, és ezeknek mekkorák a jellemző méretei. Ezt a 2.18. ábra - A tiszta terek minősítése az egy köblábban található részecskenagyság és részecskeszám függvényében mutatja be.

forrás: Völklein: Praxiswissen

2.18. ábra - A tiszta terek minősítése az egy köblábban található részecskenagyság és részecskeszám függvényében

A 2.19. ábra - A méretek összehasonlítása a hajszáltól a hidrogénatom átmérőjéig a méretskálán a különböző eszközök (baktériumok, atomok, stb.) jellemző méreteit mutatja.

forrás: Völklein: Praxiswissen

2.19. ábra - A méretek összehasonlítása a hajszáltól a hidrogénatom átmérőjéig

(Zárójelben jegyezzük meg, hogy az ábrán szereplő fullerének az elemi szén XX. század végén felfedezett és előállított mesterséges módosulatai. A fullerének meghatározott páros számú (60, 72, 84) szénatomból álló „szénmolekulák”. A leggyakoribb fullerén molekula 60 szénatomot tartalmaz. A fulleréneket 1985-ben fedezte fel Harold Kroto (University of Sussex), Robert Curl és Richard Smalley (Rice University), amelyért 1996-ban kémiai Nobel díjat kaptak.)

Fentiekből természetesen következik, hogy az ilyen terekben az egyik legnagyobb szennyező forrás maga az ember. A szennyező hatás csökkentése érdekében ilyenkor a dolgozóknak speciális védőfelszerelést kell viselniük, hasonlóan ahhoz, ami a következő ábrán (2.20. ábra - Az IMT (Neuchatel) tiszta helységének képe) látható.

forrás: IMT

2.20. ábra - Az IMT (Neuchatel) tiszta helységének képe

A tiszta terek előállítása műszakilag annál egyszerűbb, mennél tisztább az a környezet, amelyet tovább kell tisztítani. Ez az oka annak, hogy a mikrotechnikákkal foglalkozó ipari létesítmények és kutató intézetek legtöbbször nem a szennyezett levegőjű városokban, hanem vidéki környezetben, nem ritkán erdős-hegyes vidékeken találhatók. Vannak olyan technológiák is, ilyen például az egykristály növesztés, amelynél fontos a rezgésmentes környezet is. A rezgésmentes környezet szintén nem a városokra jellemző (pl. közlekedési zajok), így eggyel több érv szól amellett, hogy a mikrotechnikai technológiákat ne városi, hanem ritkán lakott, tiszta levegőjű magashegyi környezetbe telepítsék.

A rétegnövelő (rétegképző, rétegleválasztó) technológiákat két nagy csoportra lehet osztani: a fizikai és a kémiai eljárásokra. A fizikai eljárásoknál (PVD — Physical Vapour Deposition, azaz fizikai rétegnövesztés) a hordozó és a felvitt anyag között nincs kémiai reakció, csak fizikai kapcsolat van. (Leválasztásnak is nevezik.) A leválasztás során a rétegképző molekulák ill. atomok lerakódnak a hordozó felületére. A kialakult réteget csak a kohéziós erők kötik a hordozóhoz. A diffúziós folyamatokat és az ion implantációt is ide soroljuk, bár ez bizonyos szempontokból vitatható.

A kémiai eljárásoknál (CVD — Chemical Vapour Deposition, azaz kémiai rétegnövesztés) a rétegnövesztés kémiai reakcióval jár, a réteg kémiai kötéssel kapcsolódik a hordozóhoz. A technológiák jellemzője a leválasztási ráta, vagy leválasztási sebesség (A _R ), amely megadja, hogy egy időegység alatt milyen vastag réteg állítható elő:

ahol l a rétegvastagság, t az idő.

Fizikai eljárások

A fizikai eljárások közül a két legfontosabb a vákuumgőzölés és a katódporlasztás, de ide sorolható a diffúzió és az ionimplantáció is. Utóbbi kettőre ugyanis nem jellemző a kémiai kötés, ami a CVD eljárások közös jellemzője.

A vákuumgőzölés

A vákuumgőzölés vagy réteggőzölés egy olyan rétegkészítési eljárás, ahol ritkított térben a réteg alapanyagot Joule-hő elektronnyaláb vagy lézersugárzás segítségével gőzfázisba hozzák, és mivel a hordozó felülete hidegebb, a gőz kondenzálódik a hordozó felületén, és így jön létre a kívánt réteg. A jó minőségű vékonyréteg kialakításához az szükséges, hogy a gőzfázisba hozott anyag részecskéi lehetőleg ütközés nélkül érjék el a hordozó felületét. Ebből következik, hogy a gőzölendő térben olyan vákuumot kell létrehozni, ahol a szabad úthossz nagyobb lesz a forrás-hordozó távolságnál. Az eljáráshoz szükséges vákuum p ~ 10^-3 – 10^-5 Pa, az atmoszféra összetétele vagy tiszta vákuum vagy nemesgáz, amellyel a rétegképző anyag részecskéinek szabad úthossza szabályozható.

A vákumgőzölés igen nagy leválasztási rátával bíró folyamat: A _R ≈ 5mm/min. A hordozó relatíve alacsony termikus terhelésnek van kitéve (hideg). Maguk a rétegalapanyagok általában fémek, és drót, fólia, ill. granulátum formájában léteznek. Relatív olcsó, egyszerű eljárás. A folyamat előkészítésének ideje a vákuumra szívás miatt hosszú, de a réteg növekedése relatíve gyors. A technológia hátrányos tulajdonsága, hogy a rétegek mechanikai tulajdonságai általában rosszak. Egy jellegzetes vákuumgőzölő berendezés vázlatát sematikusan a 4.1. ábra - Vákuumgőzölő berendezés sematikus felépítése mutatja.

forrás: Mojzes, 1995

4.1. ábra - Vákuumgőzölő berendezés sematikus felépítése

A gőzfázis létrehozásához a következő módszereket használják:

Ezek közül a könnyebb szabályozás miatt az ellenállásfűtés az egyik legelterjedtebb technológia. A 4.2. ábra - Az ellenállásfűtés módszerei mutat néhány szokásos megoldást az ellenállásfűtésekre. A közvetlen fűtés (A és B) mellett gyakran alkalmaznak molibdénből (Mo), wolframból (W) vagy tantálból (Ta) készült tégelyeket, amelyeket szintén ellenállásfűtéssel, árammal hevítenek.

forrás: Völklein: Praxiswissen

4.2. ábra - Az ellenállásfűtés módszerei

A másik gyakran használatos technológia az elektronsugaras fűtés, vázlatát a 4.3. ábra - Az elektronsugaras fűtés vázlata mutatja. Az eketronsugaras fűtéssel megvalósított vákuumpárologtatással igen nagy tisztaság érhető el, ez a technológia egyik előnyös tulajdonsága. A fűtés az (1) elektronsugárral történik, amelyet mágneses térrel térítenek el, hogy a sugárnyaláb a kívánt helyre essen. A gőzölni kívánt anyag a (2) kúpnak megfelelően terjed. A hűtővizet a (3) hozzávezetések mutatják. A vákuumkamrán egy ablakot (4) szoktak kialakítani, hogy a folyamat szemmel is megfigyelhető legyen. A feszültség és árambevezetések (5) a készülék alján helyezkednek el. Az elektronsugarak eltérítése a (6) mágneses térrel történik, de az ábrán csak a mágneses erővonalak vannak ábrázolva, az eltérítő mágnesek az ábrán nincsenek feltüntetve.

forrás: Völklein: Praxiswissen

4.3. ábra - Az elektronsugaras fűtés vázlata

A mikrotechnikában számos olyan technológiai eljárást alkalmaznak, amelyeknél a folyamat működéséhez plazma szükséges. Emiatt célszerű röviden összefoglalni a plazmákkal kapcsolatos legfontosabb tudnivalókat.

Plazma elmélet

A világegyetem anyagának nagy része plazma állapotban van, ezért a plazma állapotot a negyedik halmazállapotnak is szokták nevezni. A fizikában plazmának valamilyen gáz ionizált állapotát nevezzük, emiatt a plazma elektromosan vezető tulajdonságokkal rendelkezik. Az ionizálás több módon is létrehozható. A plazma a természetben is előfordul, ezek közül legismertebb a villámlás jelensége. De plazmával a mindennapi életben is gyakran találkozunk, például a világítástechnikában a fénycsöveknél, neoncsöveknél, a parázsfény lámpáknál (fázisceruza), a plazmakijelzőknél (plazma TV). Az iparban a villamos ívhegesztésnél, vagy vágásnál szintén létrejön a plazma állapot, vagy a mikrotechnológiáknál a katódporlasztás egyes módozatainál, az alacsony nyomású CVD eljárásoknál, és a plazmamarásoknál. Külön említhetők a fizikai kutatások, ahol például a részecskegyorsítóknál a felgyorsítandó ionokat legtöbbször plazmából nyerik. A plazmát ezen kívül vákuummérőkben, vákuumszivattyúkban is alkalmazzák.

A plazma állapot

Alacsony nyomású gázon áramot átfolyatva kialakul egy réteg, tartomány, ahol a gáz ionizált állapotba kerül. Ez a tartomány a plazma, amit a negyedik halmazállapotként is emlegetnek. A plazma szót ionizált gázokra először Langmuir alkalmazta (1929). A plazma elektronok és ionok (elektronjaiktól részben vagy egészében megfosztott, ionizált atomok) halmaza, melynek fenntartásához energia szükséges. A plazma állapot nagy energia tartalmú, és több részből épül fel. Alap- és gerjesztett állapotú semleges részecskékből, elektronokból és ionokból épül fel.

A plazma hőmérséklete és a részecskék sebessége között az alábbi összefüggés van:

ahol,

Az összefüggést a 4.4. ábra - A plazma hőmérséklete és a részecskék sebessége közötti összefüggés mutatja.

forrás: Nagy Tamás DT

4.4. ábra - A plazma hőmérséklete és a részecskék sebessége közötti összefüggés

Sokféle plazma van, amelyeket többféle szempont szerint lehet osztályozni. Ezek közül a leggyakoribb osztályozások a következők:

Az ismertebb plazmák hőmérsékletét az elektronsűrűség függvényében a 4.5. ábra - A különféle plazmák hőmérséklete az elektronsűrűség függvényében mutatja.

forrás: Nagy Tamás DT

4.5. ábra - A különféle plazmák hőmérséklete az elektronsűrűség függvényében

A plazmában ütközési folyamatok játszódnak le, amelyekből a mikrotechnológiák szempontjából csak kettőt emelünk ki: az egyik a lavina effektus, amelynek jellemzője, hogy egy ionizáló ütközés után egynél több elektron áll rendelkezésre a következő ionizálásra.

Ennek vázlatát mutatja a 4.6. ábra - A lavina effektus magyarázata.

forrás: Nagy Tamás DT

4.6. ábra - A lavina effektus magyarázata

A mikrotechnológiák szempontjából fontos másik folyamat a pozitív ionok bombázása a katódra, és onnan az elektronok kiütése (4.7. ábra - Elektronok kiütése ionok segítségével).

4.7. ábra - Elektronok kiütése ionok segítségével

A plazmát a különféle technológiáknál többféle módon lehet hasznosítani. A lehetőségeket a következő ábrák mutatják. A (4.8. ábra - Felület tisztítása plazma segítségével) ábrán a cél a felület tisztítása plazma segítségével.

forrás: Nagy Tamás DT

4.8. ábra - Felület tisztítása plazma segítségével

A plazmával a felületet aktiválni is lehet, ezt illusztrálja a 4.9. ábra - Felület aktiválása plazma segítségével.

forrás: Nagy Tamás DT

4.9. ábra - Felület aktiválása plazma segítségével

A rétegleválasztási folyamatok közül ide tartozik a plazma segítségével elősegített marási technológia (Plasma Etching, PE).

forrás: Nagy Tamás DT

4.10. ábra - A plazmamarás elvi vázlata

A plazmát rétegnövesztésre is lehet használni, az eljárás neve rövidítve PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vapour Deposition), 4.11. ábra - Rétegfelvitel plazma segítségével.

forrás: Nagy Tamás DT

4.11. ábra - Rétegfelvitel plazma segítségével

A katódporlasztás

A fizikai rétegnövesztés másik fontos eljárása a katódporlasztás (sputtering). A technológia a következő: alacsony nyomású térben ionokkal történő bombázás hatására, (pl. nemesgáz plazma) egy szilárd test ún. target felszínéről részecskék emittálódnak, és ezek lecsapódnak a hordozó felületén. A plazmát DC+ HF (egyenfeszültség és nagyfrekvenciás váltakozó feszültség) gerjesztéssel gyújtják pl. Ar atmoszférában. Létezik reaktív katódporlasztás is, például Ar+ O₂ atmoszféra és Zn target alkalmazásával ZnO réteget lehet előállítani.

A folyamatra relatív magas leválasztási ráta jellemző. Egy katódporlasztó berendezés vázlatát a 4.12. ábra - Katódporlasztó berendezés elvi vázlata mutatja. Az (1) házban helyezkedik el a (2) katód, amelyre a (3) „target” van erősítve. Ez abból az anyagból van, amelyet a hordozóra kívánnak felvinni. A katódot hűteni kell, a (4) hűtővíz hozzávezetésen keresztül. A (8) DC tápegység szolgáltatja a gerjesztő feszültséget, a katódot az (5) szigetelő és a (6) tömítés segítségével erősítik a házhoz. A folyamathoz esetleg szükséges gáz a (7) hozzávezetésen érkezik. A réteggel bevonandó (11) szubsztrát szeletek a (10) szubsztrát tartón helyezkednek el.

forrás: Völklein: Praxiswissen

4.12. ábra - Katódporlasztó berendezés elvi vázlata

Egy valóságos katódporlasztó berendezés képét mutatja a 4.13. ábra - Katódporlasztó berendezés képe. A képen a kékes szín mutatja a plazmát.

forrás: Wikipédia

4.13. ábra - Katódporlasztó berendezés képe

Félvezető anyagok dotálása

A mikromechanikában sok esetben van szükség pn átmenetek előállítására. Az esetek túlnyomó részében azonban a pn átmenet létrehozása nem az egyenirányító hatást szolgálja, hanem más célokat, például a piezorezisztorok hordozótól való elszigetelését, vagy a marási folyamat leállítását.

A pn átmenetek létrehozására alapvetően két technológiát használnak: az egyik a diffúzió, a másik az ionimplantáció.

A diffúzió

A diffúzió a félvezetőipar egyik bázistechnológiája. A diffúzió során a kívánt adalék anyagok az ismert Fick-törvények alapján működő fizikai folyamatként kerülnek a hordozó felszíni rétegeibe. A hordozókat gázzal áramoltatják körül, szabályozott nyomás, ill. hőmérséklet körülmények között (a hőmérséklet tartomány Si hordozók esetében 800-1200 °C között van). A gázok hordozógázok, mint Ar, N₂, és az adalék gáznemű vegyületeinek pl. PH₃, B₂H₆ keveréke. A felhasznált reaktorok leginkább a Si termikus oxidációjához használt eszközökhöz hasonlítanak.

Az előállítandó struktúrától függően sok esetben már a félvezető hordozó gyártásakor is alkalmaznak bizonyos dotálást. A molekuláris diffúzió alapja a sűrűségkülönbség, amely a Brown-féle mozgás során kiegyenlítődni igyekszik. A folyamatot vázlatosan a 4.14. ábra - Katódporlasztó berendezés képe szemlélteti.

forrás: Wikipédia

4.14. ábra - Katódporlasztó berendezés képe

A diffúzió segítségével a szilárd testekben jellegzetes sűrűség-profilt lehet előállítani, mint amilyet a 4.15. ábra - Az adalékanyag eloszlása diffúzió esetén különböző időpillanatokban mutat. Ennek az a lényege, hogy az idegen anyag koncentrációja a felületen a legnagyobb, aztán a mélységi irányban meredeken csökken. Ha növekszik az idő, a diffúziós mélység is növekszik.

forrás: Gardner: Microsensors

4.15. ábra - Az adalékanyag eloszlása diffúzió esetén különböző időpillanatokban

A diffúziós folyamat is strukturálható maszkolás segítségével. Tekintettel arra, hogy a SiO₂ diffúziós állandója sokkal kisebb, mint a tiszta Si diffúziós állandója, sokszor a SiO₂ maszk is elegendő lehet. ( 900 °C környékén a SiO₂ diffúziós állandója 3·10^-19 cm²/s bór (B) esetén és 10^-18 cm²/s foszfor (P) esetén, míg a tiszta Si esetén ezek az állandók 10^-14 cm²/s nagyságrendben vannak.)

Ion implantáció

Ennél a technológiánál a kívánt adalék atomokat felgyorsított ionként bombázzák be a hordozó felszín közeli rétegeibe. Az ion implantáció a diffúzióval szemben sok előnyös tulajdonsággal rendelkezik. Ezek közül néhány:

Az implantáció anizotróp folyamat, az atomok behatolási mélysége függ a hordozó kristálytani irányaitól. Kis dózisú esetekben fotoreziszt anyagok is megfelelnek maszkanyagként. Problémát jelenthet a hordozó elkerülhetetlen sugárkárosodása, ha ez bekövetkezik, visszakristályosítást kell végezni a hordozón. A dózisok mértékét ion/m² egységben adják meg, pl. 10²² ion/m². Egy jellegzetes ionimplantációs berendezés vázlatos elrendezését mutatja a 4.16. ábra - Ionimplantációs berendezés elvi vázlata.

forrás: TU Ilmenau

4.16. ábra - Ionimplantációs berendezés elvi vázlata

A nagy tisztaságot az ábra síkjára merőleges mágneses tér szabályozásával lehet elérni, ez ugyanis 90°-kal eltéríti a belövendő ionokat, a más tömegszámú ionok ennél kisebb vagy nagyobb szögben térülnek el, és így nem kerülnek belövésre. A technológiai jellemzők a következők: az ionok energiája: 10-500 keV, az átlagos behatolási mélység 10 nm-1 μm között van. A folyamatot vákuumban kell elvégezni, hogy az ionok szabad úthossza minél nagyobb legyen. Mivel a vákuum előállítása hosszú időt vesz igénybe, a technológiai időt úgy lehet lerövidíteni, hogy külön szubsztrát tárolót alkalmaznak. Ebben több szubsztrátot helyeznek el, és a szubsztrátok cseréjét automata végzi, így a vákuumot nem kell a szubsztrát cserénél újra létrehozni. Egy ion implantációs berendezés képét a 4.17. ábra - Ionimplantációs berendezés képe mutatja.

forrás: LAAS, Toulouse F.

4.17. ábra - Ionimplantációs berendezés képe

CVD eljárások

A kémiai rétegleválasztó eljárásoknál (Chemical Vapour Deposition) a folyamatot kémiai reakció jellemzi. Ebből következően a rétegek egymáshoz tapadása kiváló. A következő táblázatban a kémiai eljárásokat tekintjük át. Az eljárásokat az angol megnevezés kezdőbetűjével jelölik. Ezek szerint az APCVD (Atmospheric Pressure Chemical Vapour Deposition), az LPCVD (Low Pressure Chemical Vapour Deposition) alacsony nyomású, a HFCVD (High Frequency Chemical Vapour Deposition) nagyfrekvenciás árammal gerjesztett, a PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vapour Deposition) plazmával segített kémiai rétegleválasztást jelent. A fontosabb technológiai jellemzőket és a felhasználási célt a 4.1. táblázat - A legfontosabb CVD eljárások áttekintése mutatja.

A CVD technológia előnyei:

Epitaxiális növesztés

Epitaktikus vagy epitaxiális rétegek: (görög: epi- valamire, taxis – rendezés, hozzárendelés).

Az epitaxiális rétegnövesztés a mikromechanika egyik legfontosabb technológiája. Lényege, hogy az egykristályos hordozóra úgy növesztünk további rétegeket, hogy az egykristályos szerkezet megmaradjon. Az epitaxiális rétegnövesztésnek több módozata van, az egyik legfontosabb a gázfázisból történő leválasztás (Vapour Phase Epitaxy, VPE). Az epitaxiális növesztésre szolgáló reaktoroknak több típusa ismeretes. A horizontális elrendezés vázlatát mutatja a 4.18. ábra - Vízszintes elrendezésű reaktor epitaxiális rétegek növesztésére. A szeletek ferde síkú elrendezése az egyenletesebb rétegképződést szolgálja.

forrás: Gardner: Microsensors

4.18. ábra - Vízszintes elrendezésű reaktor epitaxiális rétegek növesztésére

A függőleges elrendezésű reaktor elvi vázlatát a 4.19. ábra - Függőleges elrendezésű reaktor epitaxiális rétegek növesztésére mutatja be.

forrás: Gardner: Microsensors

4.19. ábra - Függőleges elrendezésű reaktor epitaxiális rétegek növesztésére

A harmadik típusú reaktor típus az ú. n. Barrel-reaktor, amelynek sematikus elrendezését a 4.20. ábra - Barrel-reaktor epitaxiális rétegek növesztésére mutatja.

forrás: Gardner: Microsensors

4.20. ábra - Barrel-reaktor epitaxiális rétegek növesztésére

A gyakrabban használt eljárás a gázfázisból végzett epitaxia. A reakció szilícium-tetraklorid (SiCl₄) esetén, kb. 1200 °C hőmérsékleten:

Az epitaxiális növesztésnek két alapvető fajtája van: amikor Si hordozóra Si réteget növesztünk (azonos anyagok), akkor homoepitaxiáról, ha más anyagot növesztünk a hordozóra, heteroepitaxiáról beszélünk. Utóbbi esetben fontos, hogy az anyagok rácsállandója közel legyenek egymáshoz, ellenkező esetben a két anyag között belső feszültségek lépnek fel, amely problémákat okozhat. A rácsállandók különbségéből adódó hiba, összeférhetetlenség, (misfit):

ahol I a rácstávolság, S- szubsztrát, D- depozit (réteg).

Ha M = 0, akkor homo-, egyébként heteroepitaxiáról beszélünk. Heteroepitaxia pl. GaAs hordozóra Si-réteg növesztése.A rácsállandók különbözőségéből adódó problémák: Ha két anyag rácsállandója jelentősen eltér egymástól, akkor a belső feszültségekből adódóan a következő problémák jelentkeznek:

Az epitaxiális rétegek létrehozásakor sokszor a dotációt is meg kell változtatni, de itt a pn átmenet létrehozásával nem diódát kívánunk létrehozni, hanem azt használjuk ki, hogy a pn átmenet segítségével a marási folyamatot lehet leállítani. Az epitaxiális technológiáknál használatos gázokat a 4.2. táblázat - Az epitaxiális növesztésnél használt legfontosabb gázok mutatja. Fontos tudni, hogy a mikromechanikában alkalmazott gázok gyakran mérgezőek, ezért a technológiáknál fokozott körültekintéssel kell eljárni.

Termikus oxidáció

Annak ellenére, hogy a tiszta szilícium szabad levegőn természetesen is oxidálódik, a mesterséges oxidálás igen fontos technológia, mert így az oxidréteg vastagságát a kívánságnak megfelelően lehet beállítani.

Két technológia van: nedves és száraz oxidálás.

A nedves oxidációnál az oxidáló anyag tiszta vízgőz:

A száraz oxidációnál a felhasznált anyag tiszta oxigén:

A hőmérséklet: 800-1200 °C.

Tekintettel arra, hogy kémiai folyamatról van szó, az oxidréteg nem egyszerűen csak rárakódik a szilícium felületére, hanem az oxidréteg 46%-a a Si hordozóban, 54%-a felette keletkezik.

A száraz oxidálással készített réteg tömörebb, jobb minőségű.

forrás: Toulouse, F

4.21. ábra - Oxidálásra és diffúzióra szolgáló kemencék (reaktorok)

Polikristályos szilíciumrétegek előállítása

A polikristályos szilíciumot gyakran vezető, vagy ellenálláspályák kialakítására használják. A polikristályos szilíciumot legtöbbször szilán (SiH₄) gáz segítségével állítják elő.

Technológia: LPCVD, hőmérséklet: 600-650 °C, nyomás: 25-150 Pa.

A_r = 10-20 nm/min. Létezik olyan technológia is ahol a szilánhoz 70-80% nitrogént kevernek. A leválasztott Si dotációval p vagy n típusúvá változtatható, pl. foszfin, arzin, diborán gázok adagolásával. Ezek a gázok erősen mérgezőek, ezért a technológiánál különös gonddal kell eljárni.

Szilícium-nitrid rétegek előállítása

A Si₃N₄ réteg igen jó szigetelő, vezetőképessége 10¹⁶ Ωcm, villamos szilárdsága 10 MV/cm, ezért mikrostruktúrákban gyakran alkalmazzák. Szilán és ammónia segítségével állítják elő:

Technológia: LPCVD, max: 8% H₂ tartalommal

Fémrétegek leválasztása hasonló technológiákkal történik.

CVD reaktorok típusai

A CVD eljárásokhoz különböző típusú reaktorokat fejlesztettek ki. Ezek közül a legjellemzőbb típusokat a 4.22. ábra - CVD reaktor típusok. (a) horizontális APCVD reaktor, (b) a szubsztrátok ferde elhelyezése az egyenletesebb rétegvastagságot szolgálja, (c) LPCVD reaktor, (d) PECVD reaktor foglalja össze. Az egyik legegyszerűbb típus a vízszintes elrendezésű reaktor, amelyben a szubsztrátok vízszintesen helyezkednek el. Annak érdekében, hogy a leválasztott rétegvastagság minél egyenletesebb legyen, gyakran egy bizonyos Φ szögben megdöntik a szubsztrát tartót. Az alacsony nyomású eljárásoknál valamekkora vákuumot kell létrehozni, a reaktor fedelei tömített, és a szubsztrátok gyakran függölegesen helyezkednek el. A plazmával segített CVD technológiánál a plazma létrehozásához nagyfrekvenciás áramot használnak, és a szubsztrátok itt is gyakran vízszintesen helyezkednek el.

forrás: Büttgenbach: Mikromechanik 1991

4.22. ábra - CVD reaktor típusok. (a) horizontális APCVD reaktor, (b) a szubsztrátok ferde elhelyezése az egyenletesebb rétegvastagságot szolgálja, (c) LPCVD reaktor, (d) PECVD reaktor

A különböző rétegfelviteli technológiáknak különböző tulajdonságaik vannak. A vákuumgőzölésnél az anyag terjedése szinte teljesen egyenes vonalú, ebből a szempontból kicsit hasonló a fény terjedéséhez, az árnyékhatás érvényesül. A katódporlasztásnál az árnyékhatás már a villamos erőtér és a plazma hatása miatt nem olyan erős, a katódporlasztott réteg jobban szóródik. A CVD technológiáknál az árnyékhatás már teljesen hiányzik, a kémiai reakció miatt a réteg mindenütt, ahol lehetséges, létrejön. Ezeket a különbségeket mutatja a 4.23. ábra - A különböző (vákuumgőzölés, katódporlasztás és CVD) technológiák hatása az alámart struktúrára.

forrás: Völklein: Praxiswissen

4.23. ábra - A különböző (vákuumgőzölés, katódporlasztás és CVD) technológiák hatása az alámart struktúrára

A litográfia eredeti jelentése lenyomat. Már az ókori görögök is alkalmazták. Ma a mikrotechnikában a litográfián azon technológiai eljárásokat értjük, amelyek segítségével maszkok, áramkörök és mikromechanikai struktúrák rajzolatait előállítják. A litográfiás eljárásnál a kívánt rajzolat valamilyen mester adatforrásból (például számítógépes programból vagy mester maszkról képátviteli eljárással kerül a hordozó felületére, leggyakrabban struktúrált fotoreziszt réteg formájában. A struktúrált fotoreziszt réteg előállítása után következhetnek a további (például kémiai, vákuumtechnikai, stb.) technológiai lépések, amelyek során a kívánt mikrotechnikai termék létrehozható. A litográfia a mikrotechnikában sokrétűen használt eljárás, jelentősége igen nagy, mert ez a technológia adja meg a strukturálhatóságot, tehát hogy ne kelljen minden darabbal külön foglalkozni, hanem egyszerre több száz, vagy inkább több ezer darab készüljön el. Ennek eredménye végső soron az eszközök gazdaságos gyárthatósága. A litográfia tulajdonképpen valamilyen struktúra rezisztanyagra történő, maszkon keresztüli átvitelét jelenti, kollimált elektromágneses hullámokkal, fókuszált elektronsugárral, ionsugárral, vagy lézersugárral. Három alapvető formáját használják ma a mikrotechnikában, amelyeket a felhasznált elektromágneses sugárzás hullámhossza szerint szokás megkülönböztetni. Eszerint van optikai, röntgen, és elektronsugaras litográfia. A három nagymértékben különbözik egymástól mind felhasználásukat, mind gyakorlati eredményeit tekintve. A mikrotechnikai tömeggyártásban a litográfiához alapvetően szükséges segédeszköz a maszk, ami az átviendő struktúrát tartalmazza. A maszkok előállítása első lépésben CAD-vezérlésű (Computer Aided Design) író- rajzoló gépekkel történik. Fókuszált elektronsugár-, ionsugár- ill. lézernyalábbal írják föl direkt módon a maszk hordozóján lévő rezisztanyagra a kívánt mintázatot. Az elektronsugaras technológiát vázlatosan a 4.24. ábra - Az elektronsugaras litográfia elvi vázlata mutatja be. Lényege, hogy egy jól fókuszált elektronsugarat hoznak létre, amelyet a régi katódsugárcsöves oszcilloszkópokhoz hasonlóan két irányban villamos erőtérrel eltérítenek. Az elektronsugár eltérítése helyett lehet a fotoreziszttel bevont maszktartót is mozgatni.

forrás: Brück / Rizvi / Schmidt, Angewandte Mikrotechnik

4.24. ábra - Az elektronsugaras litográfia elvi vázlata

Az elektronsugaras írók másik csoportját képezik azok a berendezések, amelyeknél egy második blendével a nem kívánt sugarakat kitakarják (Variable Shaped Beam), 4.25. ábra - Elektronsugaras litográfiás berendezés formázott sugárzással.

4.25. ábra - Elektronsugaras litográfiás berendezés formázott sugárzással

A különböző maszkkészítési eljárásokat a 4.3. táblázat - A különböző litográfiás eljárások foglalja össze.

Az elektronsugaras maszkkészítés fontosabb lépéseit a (4.26. ábra - Az elektronsugaras litográfiás maszkkészítés főbb lépései) ábrasorozatban foglaljuk össze. A maszk hordozója rendszerint optikai minőségűre polírozott üveglemez, amelynek a sugárzást minél jobban át kell engednie, tehát anyaga legtöbbször kvarc. Erre igen vékony, néhány tized μm vastag króm réteget visznek fel, majd erre egy reflexió csökkentő réteg, és erre a fotoreziszt réteg kerül felhordásra. Ezután következik az elektronsugaras megvilágítás, amelyet CAD program alapján számítógép vezérel. A következő lépés a fotoreziszt előhívása, majd a marás, amelynek segítségével a kívánt helyekről a króm réteget eltávolítják. Utolsó lépésként a fel nem használt, maradék fotoreziszt is eltávolításra kerül.

forrás: Brück / Rizvi / Schmidt, Angewandte Mikrotechnik

4.26. ábra - Az elektronsugaras litográfiás maszkkészítés főbb lépései

Az optikai litográfiánál kb. 0,5 μm vastag Cr-maszk már megfelelő, a röntgenlitográfia különleges Au (Pt, W) maszkokat igényel, min. 10 μm vastagsággal, de néha 100 μm Au vastagságra is szükség lehet. Ilyenkor ú. n. köztes maszk készítésére is szükség van.

A fotolitográfia

A legtöbb litográfiai technikának, beleértve a maszkkészítést is, alapja a fotoreziszt technika. A fotoreziszt tulajdonképpen egy fényre, azaz általánosabban fogalmazva elektromágneses sugárzásra érzékeny emulzió, amelyet a strukturálni kívánt felületre egyenletes rétegben kell felvinni. A felvitel rendszerint egy változtatható fordulatszámú centrifuga segítségével történik. A szubsztrátot a centrifuga forgó tányérjára rögzítik, majd a fotoreziszt szubsztrátra történő felvitele után a centrifugát meghatározott fordulatszámmal járatják. Az eljárás vázlatát a 4.27. ábra - Fotoreziszt réteg előállítására szolgáló berendezés vázlata és a fotoreziszt (Hoechst/Clariant AZ 4000) vastagsága a fordulatszám függvényében mutatja. A mellékelt diagramból látható, hogy egy meghatározott fotorezisztanyag vastagsága hogyan függ a fordulatszámtól. Bizonyos technológiáknál — ilyen például a klasszikus CD és DVD technika — fontos jelentősége van a fotoreziszt vastagságának. Megjegyezzük, hogy ez a technológia erősen pazarló jellegű, mert a centrifugálás során a fotoreziszt döntő hányada veszendőbe megy, az anyagnak csak néhány százaléka hasznosul.

forrás: Völklein: Praxiswissen

4.27. ábra - Fotoreziszt réteg előállítására szolgáló berendezés vázlata és a fotoreziszt (Hoechst/Clariant AZ 4000) vastagsága a fordulatszám függvényében

A fotoreziszt anyagoknak alapvetően két fajtája van: a pozitív és a negatív fotoreziszt. Működésüket tekintve éppen ellentétes jellegűek: a pozitív fotoreziszt az elektromágneses sugárzás hatására oldhatóvá válik, ami azt jelenti, hogy a megvilágítás után az „előhívási” folyamat során a megvilágított helyekről a reziszt eltávolítható. A negatív fotoreziszt esetében a megvilágított helyeken a reziszt ellenállóvá válik, és onnan távolítható el, ahol a rezisztet nem érte sugárzás. A pozitív és negatív fotoreziszt technológia vázlatát mutatja be a 4.28. ábra - Fotolitográfia pozitív és a negatív fotoreziszttel.

forrás: Völklein: Praxiswissen

4.28. ábra - Fotolitográfia pozitív és a negatív fotoreziszttel

A pozitív fotoreziszteknél az elektromágneses sugárzás hatására a reziszt anyagának hosszú molekulaláncai felszakadnak, és ennek következtében válik oldhatóvá. (4.29. ábra - A pozitív fotoreziszt működési mechanizmusa)

forrás: Brück, Rizvi, Schmidt: Angewandte Mikrotechnik

4.29. ábra - A pozitív fotoreziszt működési mechanizmusa

A negatív fotoreziszteknél a sugárzás hatására az előzőekkel éppen ellentétesen polimerizáció jön létre, keresztkötések keletkeznek, miáltal a reziszt oldhatatlanná válik (4.30. ábra - A negatív fotoreziszt működési mechanizmusa).

forrás: Brück, Rizvi, Schmidt: Angewandte Mikrotechnik

4.30. ábra - A negatív fotoreziszt működési mechanizmusa

A leggyakrabban használt technológia az optikai litográfia. Ennél a technológiánál a felhasznált sugárzás a látható tartományba esik, annak is inkább az ultraibolya sávjába. A rövidebb hullámhosszú elektromágneses sugárzás alkalmazásának két oka van: az egyik, hogy a fotonok kvantumenergiája a hullámhossz rövidülésével, azaz a frekvencia növekedésével egyenes arányban növekszik ( E=hν ), amely a fotorezisztben lejátszódó folyamatok szempontjából kedvezőbb. Másrészről a rövidebb hullámhosszú sugárzásoknál a strukturális felbontás is jobb. Az optikai litográfiánál a sugárzás forrásaként a leggyakrabban használt nagynyomású higanygőz lámpák sugárzási spektrumát a 4.31. ábra - Az optikai litográfiánál használt nagynyomású higanygőz lámpák sugárzásának spektrális eloszlása mutatja. Az ábrán a higanygőz lámpa g (36 nm), h (405 nm), és i (365 nm hullámhosszak) vonalait valamint a sugárforrásként használt excimer lézerek hullámhosszait F₂ (157 nm), ArF (193 nm), KrF (248 nm), XeCl (308 nm) is feltüntettük.

forrás: Völklein: Praxiswissen

4.31. ábra - Az optikai litográfiánál használt nagynyomású higanygőz lámpák sugárzásának spektrális eloszlása

Egy nagynyomású higanygőz lámpával felépített levilágító berendezés vázlatos elrendezését a 4.32. ábra - Nagynyomású higanygőz lámpával megvalósított megvilágító berendezés vázlata mutatja. A berendezéssel kontakt és proximity (lásd később) levilágítás egyaránt végezhető. A képen (1) a házat, (2) a nagynyomású higanygőz lámpát, (3) az elliptikus fényvisszaverő tükröt, (4) a „hideg” tükröt (a hősugarakat nem veri vissza), (5) a fényrekeszt, (6) a sugárzás széleit levágó blendét, (7) a kondenzor lencsét, (8) és (9) a kondenzor hátsó tagjait, (10) az UV szenzort, (11) a felületi tükröt, (12) a lencsét, (13) a maszkot, (14) a szeletet, illetve a szubsztrátot mutatja.

forrás: Völklein: Praxiswissen

4.32. ábra - Nagynyomású higanygőz lámpával megvalósított megvilágító berendezés vázlata

A maszkok és a szubsztrát elhelyezkedését illetően három technológia alakult ki. Ezek a következők:

A fenti három technológiát vázlatosan a 4.33. ábra - A maszk és a szubsztrát elhelyezésének három változata mutatja be. A különböző technológiák minőségét a felbontással, a minimálisan elkészíthető csík vastagságával szokás jellemezni. Ezért fontos az optikai litográfia határaival foglalkozni. Az eljárások határait egyrészt a fény hullámtermészetében, másrészt a reziszt-előhívó rendszerben kell keresni. A legkisebb csíkszélességet, ezzel a legjobb minőséget a kontakt módszerrel lehet elérni. A proximity eljárásnál a legkisebb még átvihető struktúra méret, azaz csíkszélesség közelítő értéke:

ahol λ a fény hullámhossza, d _prox a proximity- távolság. (pl.: g- vonalas higanygőzlámpánál λ = 0,436 mm, d _prox = 20 mm-nél b _min = 1,5 mm.)

A leképző eljárások esetén a legkisebb még átvihető struktúra:

ahol NA az optikai rendszer numerikus apertúrája (pl. argon-fluorid lézernél λ = 193 nm, NA = 0,35 esetén b _min = 0,275 mm.)

Fontos következtetés, hogy a struktúra méreteinek csökkentéséhez a hullámhossz csökkentése szükséges. Ez magyarázza, hogy az optikai litográfiánál az UV tartományt használják, és hogy miért került előtérbe a röntgensugaras litográfia. Világosan kell látnunk, hogy a mikroelektronikában a tranzisztorok méreteinek csökkentése, ezzel a bonyolultabb integrált áramkörök elterjedése, azaz az informatika fejlődése csak a csíkszélesség méretének csökkentésével lehetséges. Jelenleg (2010-es évek) a csíkszélesség a 100 nm tartomány alatt (30-45 nm körül) van. Összehasonlításul: az emberi hajszál átmérője hozzávetőlegesen 60 μm, a 30 nm-es csíkszélesség ennek kétezred (!) része. Itt jegyezzük meg, hogy ezek a méretek csak rendkívül kifinomult csúcstechnológiákkal érhetők el, amelyekre a világon csak néhány cég képes.

forrás: Brück / Rizvi / Schmidt, Angewandte Mikrotechnik

4.33. ábra - A maszk és a szubsztrát elhelyezésének három változata

Tekintettel arra, hogy a litográfia minősége alapvetően befolyásolja a mikrorendszerek minőségét, fontos annak gyártás előtti és gyártás közbeni ellenőrzése, hogy a litográfiai technológia mennyire jó. Ennek ellenőrzésére szolgáló teszt struktúrát mutat be a 4.34. ábra - A litográfiás technológia felbontását és minőségét ellenőrző teszt-struktúra. A változó szélességű és különböző felbontású alakzatokból következtetni lehet a technológia minőségére. Fontos megjegyezni, hogy a litográfiai technológia minősége sok paramétertől függ, ezért is indokolt az eredmény ellenőrzése.

forrás: IMM

4.34. ábra - A litográfiás technológia felbontását és minőségét ellenőrző teszt-struktúra

A következő 4.35. ábra - A maszk résméretének hatása a fotorezisztre azt mutatja, hogy a maszkolási technológia sem olyan egyszerű, mint amilyennek látszik. A maszk szélein (legyen a határvonal bármilyen éles is) fényelhajlás jön létre, az árnyékhatás nem hoz létre éles kontúrokat. Az ábra azt is világosan illusztrálja, hogy a kontakt módszer miért előnyösebb a proximity eljárásnál. Látható az is, hogyha a maszkok teljesen éles határfelülettel rendelkeznének, akkor sem lenne a fotoreziszttel bevont rétegen teljesen éles a határvonal. A maszkok széleinél ugyanis fényszóródás lép fel, ezért a vetített kép határai elmosódnak. Mennél nagyobb a maszk és a fotoreziszt közötti távolság, annál életlenebb lesz a kép. Amellett a maszk nyílása sem mindegy, a helyzet annál problematikusabb lesz, mennél közelebb áll a maszk s mérete az alkalmazott fény hullámhosszához. A fejlesztések egyik célja éppen az, hogy a fent vázolt nehézségek ellenére hogyan lehet mégis egyre finomabb struktúrákat előállítani.

4.35. ábra - A maszk résméretének hatása a fotorezisztre

A mikrotechnikai struktúrák létrehozásának alapvető eszköze a maratás. A maratási eljárások a hordozóra felvitt rétegek maszkokon keresztüli strukturálására szolgálnak.

Az eljárásokat nedves ill. száraz eljárásokra bontják. További felosztás alapja, hogy a folyamat a kémiai vagy fizikai reakciók során zajlik-e. Gyakran a fizikait és a kémiait együtt alkalmazzák, nincs éles határvonal a kettő között. Meg kell azonban jegyezni, hogy nedves fizikai marás nincs.

A nedves kémiai maratások képezik a tömbi mikromechanikai eljárások (bulk micromachining) alapjait. Ezek legfőbb jellemzője, hogy a struktúra kialakítása nemcsak a felület közvetlen közelében történik, hanem a kialakítandó struktúrák a felületi méretekhez képest jelentős mélységi kiterjedéssel is rendelkeznek.

A nedves kémiai maratásokat alapvetően két csoportba sorolják: anizotróp ill. izotróp maratásokra. Az anizotróp marások esetében meghatározóan fontosak a kristálytani irányok, és az irányoktól függően a marási sebességek között közel egy nagyságrendnyi különbségek vannak. Az izotróp marásoknál a marási sebesség nem függ a kristálytani irányoktól, az anyag minden irányban ugyanazzal a sebességgel maródik.

A mikrotechnikai marásoknál használatos a szelektivitás és izotrópia fogalma. Ezek értelmezéséhez szolgál magyarázatul a 4.36. ábra - A szelektivitás és az izotrópia értelmezése. A szelektivitás azt jelenti, hogy a marásoknál a marószer mennyire támadja meg az egyes rétegeket. Nagy szelektivitásnál a marószer csak azt a réteget támadja meg, amelyet el akarunk távolítani. Az izotrópia pedig azt jelenti, hogy a marószer hatékonysága (a marási sebesség) mennyire függ a kristálytani irányoktól. Nagymértékű anizotrópiánál a marási sebesség kitüntetetten nagy (vagy kicsi) az egyik kristálytani irányban.

forrás: TU Ilmenau

4.36. ábra - A szelektivitás és az izotrópia értelmezése

Anizotróp nedves kémiai marás

A marási sebesség nagyon erősen függ a kristály orientációjától:

forrás: World of Microsystems

4.37. ábra - A szilícium legjellemzőbb kristálytani síkjai

A legfontosabb kristálytani síkokat szemléletesen mutatja a 4.37. ábra - A szilícium legjellemzőbb kristálytani síkjai.

A marási sebességek egymáshoz viszonyított aránya:

A maratószerek lúgok:

KOH; NaOH; LiOH; NH₄OH (szervetlen vegyületek), ill. EDP etiléndiamin-pirazin (pirotechol), TMAH tetrametil-ammónium-hidroxid (utóbbiak szerves vegyületek). A KOH alkalmazása nem kompatibilis az integrált áramkörök gyártásánál használt folyamatokkal. Az EDP és a TMAH kompatibilisek, a kettő között az a különbség, hogy az EDP drága és mérgező, míg a TMAH olcsóbb és nem mérgező marószerek. A maszkanyagként használt SiO₂ és Si₃N₄ rétegekre jellemző, hogy az előbbi kevéssé áll ellen a KOH marószernek, míg az utóbbi ellenállása mind a három (KOH, EDP, TMAH) marószerrel szemben jó, azonban a maszkot nehéz eltávolítani. Ezeket a 4.38. ábra - Az anizotróp marás maszkjai és marószerei foglalja össze.

forrás: World of Microsystems

4.38. ábra - Az anizotróp marás maszkjai és marószerei

Az anizotrópia iránya és a technológia minősége gyakorlati módszerekkel is meghatározható. Erre mutat példát a 4.39. ábra - A Siemens-csillag és a mart árkok keresztmetszete, ahol az ábra jobb oldali részén látható az ú. n. Siemens-csillag képe.

4.39. ábra - A Siemens-csillag és a mart árkok keresztmetszete

A sík felület orientációja 100, amelyre strukturáltan 500 nm vastag oxidréteget növesztettek. Ezután következett a nedves anizotróp marás 10 percig 60°C-os és 20%-os KOH oldattal. A kimart árkok V alakúak, ahogyan az a keresztmetszetet mutató jobb oldali ábrán látható. A sík felület és az árkok által bezárt szög a kristálytani orientációból következik, ez mindig 54,74 °.

forrás: Heuberger: Mikromechanik

4.40. ábra - Bal oldalon (a) 100, jobb oldalon (b) 110 orientációjú szeletek marási sebessége a kristálytani irányoktól függően. (50%-os KOH oldat, 78 °C hőmérsékleten)

A (4.40. ábra - Bal oldalon (a) 100, jobb oldalon (b) 110 orientációjú szeletek marási sebessége a kristálytani irányoktól függően. (50%-os KOH oldat, 78 °C hőmérsékleten)) ábráról leolvashatók a kristálytani irányoktól függő konkrét marási sebességek 100 és 110 orientációjú szilícium szeletek esetén.

Az anizotróp marásra szemléletes magyarázatot ad a következő, 4.41. ábra - Az anizotróp marási folyamat sematikus ábrázolása. Az ábra sematikusan ábrázolja az egykristályos szilícium szerkezetét, a kis körök az atomokat jelzik. Tekintettel arra, hogy az 111 sík csak nagyon kis sebességgel maródik, az 100 pedig sokkal gyorsabban, a folyamatot úgy kell elképzelni, mintha a marószer az egyes atomi rétegeket egymás után választaná le, elméletileg addig nem kezdve bele a következő réteg leválasztásába, ameddig az előző réteg utolsó atomját is el nem távolította. A kristálytani orientációból következik, hogy a kialakult árok szöge az 100 síkhoz képest 54,7 °, és ez nem változtatható, mindig ennyi. Ha a marási folyamatot megszakítják, az ároknak lesz vízszintes része, ha végigviszik, az árok V alakú lesz.

forrás: Völklein: Praxiswissen

4.41. ábra - Az anizotróp marási folyamat sematikus ábrázolása

Az anizotróp marással előállítható alakzatokat a következő, 4.42. ábra - Az anizotróp marással előállítható jellegzetes alakzatok mutatja. Amennyiben a maszk négyzetes alakú, a marással vagy negatív gúlát, vagy negatív csonka gúlát lehet előállítani. Amennyiben a maszk téglalap alakú, vagy V alakú árkot, vagy fenékkel rendelkező árkot lehet létrehozni.

forrás: Vőlklein: Praxiswissen

4.42. ábra - Az anizotróp marással előállítható jellegzetes alakzatok

A következő, 4.43. ábra - Anizotróp marással előállított negatív gúla (a) és befogott tartó (b, c, d) azt mutatja, hogy hogyan lehet a maszk anyagából egy befogott tartót előállítani. Ez esetben a marás során konvex él képződik, amely nem ellenálló (ellentétben a konkáv élekkel), igen gyorsan maródik, úgy, hogy a maszk alól is eltávozik az anyag, és marad a befogott tartó.

forrás: TU Ilmenau

4.43. ábra - Anizotróp marással előállított negatív gúla (a) és befogott tartó (b, c, d)

A (4.44. ábra - Anizotróp marással előállított befogott tartók félig kész állapotban) ábrán egy befogott tartóra erősített lapka valóságos mikroszkópikus képét mutatjuk be, amelynél bemutatási célból a marási folyamatot megszakították. Látható, hogy a tartók alól a marószer még nem távolított el minden anyagot. Az ábra jól érzékelteti, hogy a konvex élek rendkívül gyorsan maródnak.

forrás: Vőlklein: Praxiswissen

4.44. ábra - Anizotróp marással előállított befogott tartók félig kész állapotban

Mikromechanikai technológiákkal olyan szűrőket (mechanikus szűrőket) lehet előállítani, amelyeket más módszerrel nem lehet elkészíteni. Példaként a (4.45. ábra - Száraz anizotróp marással előállított szűrő mikroszkópikus képe) ábrán egy szűrő mikroszkópikus képe látható, amely WSi₂ anyagból, fotolakk maszkolással, száraz anizotróp marással (SF₆ C₄F₈ gázkeverék segítségével) készült.

forrás: Völklein: Praxiswissen

4.45. ábra - Száraz anizotróp marással előállított szűrő mikroszkópikus képe

A gyakorlatban elfordulhatnak olyan mikromechanikai feladatok, amelyeknél konvex éleket kell létrehozni. Ilyen feladat lehet például, ha egy V alakú mikromechanikai áramlási csatornát 90°–kal el kell fordítani. Mivel a konvex élek igen gyorsan maródnak, erre a tervezésnél előre számítani kell. A módszer neve: sarokkompenzáció. A sarokkompenzáció a maszk megváltoztatását (pontosabban bizonyos irányokban történő megnövelését) jelenti. Erre mutat példát a következő, 4.46. ábra - A sarokkompenzáció magyarázatához. A sarokkompenzáció mértéke közelítően számítható, de mivel a marási folyamat sok technológiai paramétertől függ, a maszk változtatásának pontosabb mértékét kísérletezéssel kell beállítani. A közelítő összefüggések a következők:

a kompenzáló maszk szélessége = 2 d, hossza = 1,6 W, ahol d az árok (csatorna) mélysége, W az árok szélessége.

forrás: Vőlklein: Praxiswissen

4.46. ábra - A sarokkompenzáció magyarázatához

A következő, 4.47. ábra - Áramlásmérő szenzor kialakítása anizotróp marással egy mikromechanikai áramlásmérő kialakítását mutatja. A konstrukció lényege egy két oldalon befogott tartó, amelyre fűtő és hőmérsékletmérő ellenállásokat integráltak. A fűtésből keletkező mechanikai feszültségek csökkentése érdekében mindkét oldalon a befogásoknál bemetszéseket alakítottak ki. A befogott tartó alatt teknőszerű üreget alakítottak ki, hogy az áramló közeg a tartó alját is megfelelően körülvegye.

forrás: Vőlklein: Praxiswissen

4.47. ábra - Áramlásmérő szenzor kialakítása anizotróp marással

Izotróp nedves kémiai marás

Az izotróp marások legfontosabb tulajdonsága, hogy a marási sebesség nem függ a kristálytani irányoktól, azaz a marószer minden kristálytani irányban azonos sebességgel választja le az anyagot. Izotróp marásoknál a marószerek savak, és a marási folyamat két lépésből áll: az első az oxidálás, a második az oxid oldása. Az oxidálásra leggyakrabban a salétromsavat, az oxid oldására a folsavat használják:

Izotróp nedves marásoknál az irányoktól független azonos marási sebességből következik, hogy megjelenik az alámarás jelensége, amely azt jelenti, hogy a marószer a maszk alól is eltávolítja az anyagot. Az anizotróp és az izotróp marási profilok közötti különbséget mutatja a 4.48. ábra - Az anizotróp és izotróp marási profilok közötti különbségek.

(a) anizotróp marás, 100 felületi orientációval, (b) anizotróp marás, 110 felületi orientációval, (c) izotróp marás, 100 felületi orientációval, (d) izotróp marás, 110 felületi orientációval, forrás: TU Ilmenau

4.48. ábra - Az anizotróp és izotróp marási profilok közötti különbségek

Az izotróp marásoknál fellépő alámaródás mikroszkópikus képét mutatja a 4.48. ábra - Az anizotróp és izotróp marási profilok közötti különbségek. Jól látható, hogy a marószer a maszk alatti anyagrészt is eltávolította.

forrás: IMM

4.49. ábra - Az alámaródás mikroszkópikus képe

A marási folyamat leállítása

A gyakorlatban igen gyakran szükség van a marási folyamat leállítására. Gondoljunk például egy nyomásmérő szenzor membránjára, ahol a szenzor érzékenységének beállításához egy meghatározott nagyságú és vastagságú membránt kell előállítani. A marási folyamat megállítására többféle technológia létezik, ezeket anizotróp marásokra vonatkoztatva a következő ábrákon mutatjuk be.

forrás: World of Microsystems

4.50. ábra - A marási folyamat leállítása időméréssel és bór koncentrációval

Legegyszerűbb eset az időre történő marás, amikor ismert és jól kontrollált marási sebességnél az időt mérjük, és a marási folyamatot a letelt idő elteltével megszakítjuk (4.50. ábra - A marási folyamat leállítása időméréssel és bór koncentrációval). A következő lehetőség a bórral történő dotálás. Ilyenkor a szilícium p típusúvá válik. Azt használjuk ki, hogy a bór koncentráció növelésével a marási sebesség nagymértékben csökken. Ezt a függést mutatja a 4.51. ábra - A marási sebesség függése a bór koncentrációtól. Az ábra értelmezésénél vegyük figyelembe, hogy mind a függőleges, mind a vízszintes tengely logaritmikus léptékkel rendelkezik.

forrás: Menz: Mikrosysteme

4.51. ábra - A marási sebesség függése a bór koncentrációtól

forrás: World of Microsystems

4.52. ábra - A marási folyamat leállítása más anyagok (Si₃N₄ és SiO₂) alkalmazásával

A marási folyamat más típusú réteg, a 4.52. ábra - A marási folyamat leállítása más anyagok (Si₃N₄ és SiO₂) alkalmazásával bal oldali részén szilíciumnitrid, a jobb oldali részén szilíciumdioxid réteg) kialakításával is leállítható. Utóbbi esetben a szilíciumdioxid réteg alatt még egy másik szilícium réteg is található, ezt nevezik SOI (Silicon on Insulator) technológiának.

forrás: World of Microsystems

4.53. ábra - A marási folyamat leállítása pn átmenet segítségével elektrokémiai úton

Végül a marási folyamatot elektrokémiai úton is le lehet állítani, ha a struktúrában pn átmenetet alakítunk ki (4.53. ábra - A marási folyamat leállítása pn átmenet segítségével elektrokémiai úton). Ekkor a p típusú részt anódként használva arra pozitív feszültséget kapcsolnak, és a platina ellenelektródára (katód) pedig negatív feszültséget adnak. Az előző ábrákon a marási folyamat leállítását anizotróp marásra mutattuk be, azonban a leállítási elvek az izotróp marásra is vonatkoznak, ezeket a kiegészítéseket láthatjuk a (4.54. ábra - A marási folyamat leállítása anizotróp és izotróp marások esetén) ábrán (100 és 110 orientációjú szilíciumra).

forrás: TU Ilmenau

4.54. ábra - A marási folyamat leállítása anizotróp és izotróp marások esetén

Száraz maratási eljárások

A nedves kémiai eljárások mellett léteznek a száraz eljárások is. Ezeket az jellemzi, hogy a folyamat gáz vagy gőzfázisban történik, és a marások egyaránt lehetnek kémiai vagy fizikai jellegűek. A technológiáknál gyakran a kémiai és fizikai hatás együtt érvényesül. (Mint már korábban említettük, nedves fizikai marások nincsenek.)

Ezek az eljárások nem savas vagy bázikus közegekben történnek, hanem a CVD eljárásoknál használt reaktorokban. A hatásmechanizmus szerint ugyan megkülönböztetünk kémiai és fizikai eljárásokat, de sokszor a kettő kombinációját alkalmazzák. A tisztán fizikai eljárásoknál a felgyorsított atomok (molekulák, ionok) kinetikus energiáját használják az anyagrészecskék leválasztására, míg a kémiai eljárásoknál kémiai folyamatok játszódnak le. Az eljárások a következő lépésben zajlanak le:

Az aktív gázokat leggyakrabban plazmával állítják elő, a CVD eljárásokhoz hasonló módon. A részecskék szállítása diffúzióval vagy elektromos tér segítségével jön létre. Maga a maratás pedig ezekkel a részecskékkel történik.

Az aktív gázok lehetnek:

A száraz maratási eljárások legfontosabb típusai

A következő felsorolásban a száraz maratási eljárások legfontosabb típusait soroljuk fel, a szakirodalomban legtöbbször a technológiát csak a rövidítésként szolgáló néhány betűvel jelzik.

A 4.55. ábra - A száraz fizikai és kémiai marások közötti különbség példát mutat a száraz fizikai és a száraz kémiai marás közötti jellegzetes különbségekre. Az ábra bal oldalán látható, hogy a fizikai marás éles határvonalakkal rendelkezik (csak elvileg van így, a valóságban más effektusokkal is számolni kell), míg az ábra jobb oldalán látható kémiai száraz marásoknál jellegzetesen fellép az alámaródás jelensége. Az ábra jól érzékelteti, hogy a fizikai marásoknál felgyorsított ionok ütik ki a marandó anyagból az atomokat vagy molekulákat kinetikus energiájuk segítségével. A kémiai marásoknál a diffúziót használják az anyagok mozgatásához, ilyenkor nem a kinetikus energia a meghatározó, hanem maga a kémiai folyamat.

forrás: TU Ilmenau

4.55. ábra - A száraz fizikai és kémiai marások közötti különbség

A száraz marásoknál általában a CVD eljárásoknál használt reaktorokat, vagy az azokhoz nagyon hasonlóakat használják.

Az ionos marás (IE) technológiája

A leggyakrabban planparallel reaktorokat használnak. A marószer általában argon ion Ar⁺, plazma környezetben. A plazmát 13,56 MHz nagyfrekvenciás gerjesztéssel állítják elő. Az elérhető marási sebességek: Au esetén 12 μm/min, Pt esetén 4,5 μm/min, NiCr esetén 8 μm/min. A reprodukálhatóság jobb, mint ±1%, az egyenletesség ±5%. Az alkalmazható maszkok: fotoreziszt, SiO₂, vagy fémek, például Al, Ti, Cr. Egy reaktor vázlatos elrendezését a 4.56. ábra - Ionos marásra alkalmas berendezés vázlata mutatja.

forrás: Völklein: Praxiswissen

4.56. ábra - Ionos marásra alkalmas berendezés vázlata

Az ionsugaras marás (IBE) technológiája

Az ionsugaras marásra szolgáló berendezés külön ionágyút tartalmaz. Az ionizálás itt is plazma segítségével történik, az ionokat mágneses térrel irányítják, majd felgyorsítják. Marószerként nemes vagy semleges gázokat (Ar, N₂) használnak. A vákuum 10^-2 Pa. A technológiával minden fém maratható. A folyamat erősen anizotróp jellegű, és annál erősebb az anizotróp jelleg, mennél kisebb a nyomás (mennél nagyobb a vákuum). A szelektivitás kicsiny, mert a marási sebesség csak kevéssé függ az anyag atomsúlyától. Egy ionsugaras maró berendezés vázlatos felépítését a 4.57. ábra - Ionsugaras maróberendezés vázlata mutatja.

forrás: Völklein: Praxiswissen

4.57. ábra - Ionsugaras maróberendezés vázlata

A plazma-marás (PE) technológiája

A plazma marásnál használt berendezések nagyon hasonlítanak az ionos marásnál használt berendezésekre. A plazma létrehozása itt is 13,56 MHz-es nagyfrekvenciás gerjesztéssel történik. A szubsztrátok földpotenciálon vannak, az ellenelektróda kapacitíven van csatolva a nagyfrekvenciás generátorhoz. A nyomás 10…100 Pa. A marási folyamat döntően kémiai, a használatos marószerek elektronok, ionok, reaktív gyökök, maró gázok. A folyamat erősen izotróp jellegű, a szelektivitás nagy. A technológiára jellemző a viszonylag nagy marási sebesség. Általános felhasználási terület: a szubsztrátok hátoldalán lévő rétegek eltávolítása, mint például termikus oxidréteg, vagy poliszilícium réteg. Egy plazma maró berendezés vázlatos felépítését a 4.58. ábra - Plazma maró berendezés vázlata mutatja.

forrás: Völklein: Praxiswissen

4.58. ábra - Plazma maró berendezés vázlata

Barrel-reaktor (BE) vázlata

A Barrel-reaktor egy viszonylagosan olcsó berendezés, amelynek felépítése eltér az eddigiektől. Az elektródák itt a szokásos plánparallel elrendezés helyett hengeresre vannak kialakítva. A plazmát ennél a reaktornál is nagyfrekvenciás árammal hozzák létre. A reaktor belsejében a „csónak”-ban helyezkednek el a szilícium szeletek, hozzávetőlegesen 25-50 db. A „csónak” potenciálja „lebeg”, ugyanis villamosan kapacitív csatolásban van a két elektródával. A vákuumkamra nyomása kb. 100 Pa. A Barrel-reaktorok fő alkalmazási területe a fotolakk eltávolítása O₂ és CF₄ segítségével. Egy Barrel-reaktor vázlatos felépítését a 4.59. ábra - Barrel reaktor vázlata mutatja.

forrás: Völklein: Praxiswissen

4.59. ábra - Barrel reaktor vázlata

A következő 4.4. táblázat - A reaktív ionos marásnál a különböző anyagú rétegeknél felhasználható gázok összefoglalóan mutatja be, hogy a különböző anyagok száraz marásainál milyen maróanyagok (gázok) használhatóak. A harmadik oszlopban a technológiákhoz fűzött kommentárok is olvashatóak.

Példa mély reaktív ion marásra

A (4.60. ábra - Reaktív ionos marással készített mikromechanikai struktúra) ábrán egy szemléletes példa látható a mély reaktív ionos marásra (Deep Reactive Ion Etching, DRIE) amely a Bosch cég mikroméretű emblémája.

forrás: Bosch

4.60. ábra - Reaktív ionos marással készített mikromechanikai struktúra

A LIGA technológia egy olyan különleges mikromechanikai technológiát jelent, ami a maga sajátosságaival együtt igen nagy lehetőségeket kínál a mikromechanikában, és új perspektívákat nyit meg. A LIGA betűszó, a német Litographie, Galvantechnik, Abformung (litográfia, galvántechnika, formaadás) szavakból származik. Alapvető tulajdonsága, hogy a laterális (síkbeli) méretekhez képest igen nagy mélységi (vertikális) struktúrákat lehet ezzel a módszerrel előállítani. A másik különlegessége (lehet mondani, egyben elterjedésének korlátja is) az, hogy a litográfiai folyamathoz röntgensugarat kell használni. A LIGA technológia jelentősége többek között abban is van, hogy segítségével mikroméretű műanyag alkatrészek fröccsölésére alkalmas szerszámokat lehet előállítani. Ezzel megnyílik a lehetőség mikromechanikai műanyag alkatrészek tömeges előállítására, ami egyúttal az alkatrész gyártási költségeinek csökkenését jelenti nagy darabszámok esetén. A LIGA technológiával előállítható struktúrák arányait mutatja a 4.61. ábra - A LIGA technológiával előállítható struktúrák jellemző méretei a mikroelektronikában alkalmazott méretekhez viszonyítva. Ebből világosan kitűnik, hogy míg a mikroelektronikában a laterális (síkbeli) méretekhez képest a mélységi (vertikális) méretek a 0,5 μm tartományban vannak, addig a LIGA technológiával az 1-2 mm-es (1000-2000 μm) vertikális méretek is megvalósíthatók, igaz, hogy a laterális méretek kb. egy nagyságrenddel nagyobbak, mint a mikroelektronikánál.

forrás: Angewandte Mikrotechnik

4.61. ábra - A LIGA technológiával előállítható struktúrák jellemző méretei a mikroelektronikában alkalmazott méretekhez viszonyítva

Hogy a gyakorlatban mit jelentenek a nagy mélységi méretek a laterális méretekhez képest, erre mutat példát a 4.62. ábra - LIGA technológiával előállított mikromechanikai struktúra.

forrás: Angewandte Mikrotechnik

4.62. ábra - LIGA technológiával előállított mikromechanikai struktúra

A LIGA technológia több tekintetben eltér az eddig ismertetett technológiáktól. Ezen eltérések közül a legfontosabb, hogy a strukturálásra szolgáló fotolitográfiánál alkalmazott elektromágneses sugárzás hullámhossza a röntgensugárzás sávjába esik, amelyből számos különlegesség következik. Az optikai litográfia határainak elemzésénél láthattuk, hogy a felbontás annál jobb lesz, minél rövidebb az alkalmazott elektromágneses sugárzás hullámhossza. Ez az elsődleges oka a röntgensugárzás mikrotechnikai felhasználásának. A rövidebb hullámhosszból és az ezzel együtt járó magasabb kvantumenergiából következik, hogy a röntgen sugaraknak nagyon nagy az áthatoló képességük. A sugárzásnak ezt a tulajdonságát használjuk a gyógyászatban is, meg az ipari berendezéseknél is. A röntgen litográfiánál az optikai litográfiában használt közönséges, néhány tized μm vastagságú króm, vagy krómdioxid maszkok használhatatlanok, átmegy rajtuk a röntgen sugárzás. A LIGA maszkok számára abszorbensnek (maszk anyagnak) nagy atomsúlyú anyagok alkalmasak, leggyakrabban az aranyat használják. Sőt, még az arany esetében is alaposan meg kell növelni az abszorbens vastagságát, alkalmazástól függően 0,1-1 mm-ig. Tovább bonyolítja a helyzetet, hogy a röntgensugaras litográfiához szükséges munkamaszkokat egy lépésben nem lehet előállítani, segéd maszkra (intermediate mask, köztes maszk) is szükség van, és a munkamaszkot ennek segítségével, de szintén csak röntgensugaras technológiával lehet előállítani. A másik fontos tudnivaló, hogy a röntgensugárzást sem lehet egyszerűen előállítani, mert a szokásos módokon (Röntgen-cső) előállított sugárzásnak viszonylag nagy a divergenciája. A LIGA technológiához nagyon kis divergenciájú röntgensugárzásra van szükség, amelyet a részecske kutatásban használatos szinkrotronok segítségével lehet csak előállítani. Mivel szinkrotronok Európában is csak néhány helyen vannak, világos, hogy ez a technológia nem tartozik a legolcsóbbak közé. Ezzel szemben áll az a tény, hogy olyan mikromechanikai termékeket lehet a LIGA technológia segítségével előállítani, amilyeneket más módon nem lehet elérni. Ilyen tulajdonság például a 1:100-as arányt is elérő laterális-vertikális viszony. A LIGA technológia lényegét a következő, (4.63. ábra - A LIGA technológia legfontosabb lépései (magyarázat a szövegben)) ábrasorozat szemlélteti.

forrás: Völklein: Praxiswissen

4.63. ábra - A LIGA technológia legfontosabb lépései (magyarázat a szövegben)

Az első (a) lépésben a viszonylag vastag fotorezisztet kell felvinni a vezető anyagból készült alaplemezre. A fotoreziszt vastagsága megegyezik a kívánt struktúra vertikális méretével. Ezután következik a röntgensugárral történő levilágítás, speciális (röntgensugárzást elnyelő) maszk segítségével. A második (b) lépésben megtörténik a fotoreziszt előhívása. A harmadik (c) lépésben következik a galvanizálás, amelynél anyagként legtöbbször nikkelt használnak. A galván réteget nemcsak az eredeti fotoreziszt vastagságáig növelik, hanem annál is vastagabbra, hogy a formának tartása, mechanikai szilárdsága legyen. A negyedik (d) lépésben megtörténik az alaplemez és a fotoreziszt eltávolítása marással. Ezzel tulajdonképpen már kész a szerszám, amellyel a munkadarabokat készítik. A következő lépés (e) a formaadás, a szerszám kitöltése kerámiával vagy műanyaggal. Az utolsó lépésben (f) a szerszámból kiveszik a kész munkadarabot. Fontos észrevenni, hogy a LIGA technológiánál alapanyagként nem a szilíciumot használják, a technológiának éppen az az egyik különlegessége, hogy segítségével kerámiából vagy műanyagból (ritkábban fémből) készített mikromechanikai alkatrészek hozhatók létre.

A röntgensugaras litográfia

A röntgensugaras litográfiához nagyon kis divergenciájú (ideálisan párhuzamos) röntgensugár forrásra, és speciális maszkokra van szükség. A kis divergenciájú röntgen sugarakat nem egyszerű előállítani, erre a gyógyászatban és az iparban használatos röntgen sugárforrások nem alkalmasak. A technológiához szükséges közel párhuzamos sugárzást csak szinkrotronok (részecskegyorsító berendezések) segítségével lehet előállítani. Az Európában található szinkrotronokat a következő, 4.64. ábra - Az Európában található szinkrotronok mutatja be.

forrás: Angewandte Mikrotechnik

4.64. ábra - Az Európában található szinkrotronok

A szinkrotronok nagy berendezések, az egyik legnagyobb a CERN (Svájc és Franciaország határán, Genf mellett) Large Hadron Collider (LHC) gyorsítója (nem röntgensugárzás előállítására, hanem az atomi részecskék kutatására építették). A gyorsító alakja kör, hossza 27 km, átlagos mélysége a föld alatt 100 m. Földrajzi elhelyezkedését a 4.65. ábra - A CERN LHC gyorsítójának földrajzi elhelyezkedése mutatja.

forrás: Wikipédia

4.65. ábra - A CERN LHC gyorsítójának földrajzi elhelyezkedése

A mellett, hogy ezekkel a berendezésekkel atomi vagy szubatomi méretű részecskéket vizsgálnak, maga vizsgáló berendezés igen nagy, példaképpen az LHC belső alagútjának képe a (4.66. ábra - A CERN LHC gyorsítójának alagútja) ábrán látható.

forrás: Wikipédia

4.66. ábra - A CERN LHC gyorsítójának alagútja

Annak érdekében, hogy fogalmat alkothassunk egy szinkrotron berendezésről, a (4.67. ábra - A Párizs melletti Soleil gyorsító képe) ábrán bemutatjuk a Párizs melletti Soleil gyorsítót, valamint a (4.68. ábra - A Soleil gyorsító belső elrendezése) ábrán ennek belső elrendezését. A kisebb gyűrű az előgyorsításra szolgál, a tangenciális kicsatolások a mérőhelyek, amelyek különböző kutatási célokat szolgálnak.

forrás: Wikipédia

4.67. ábra - A Párizs melletti Soleil gyorsító képe

forrás: Wikipédia

4.68. ábra - A Soleil gyorsító belső elrendezése

A kis divergenciájú röntgen sugárzást tehát a szinkrotronban felgyorsított elektronok segítségével lehet létrehozni. Az eltérítő mágnesek környezetében érintő irányban a szinkrotronból ú. n. szinkrotron sugárzás csatolható ki, amelyből megfelelő szűrők alkalmazásával röntgen sugárzás nyerhető. A kicsatolt sugárzás divergenciája néhány mrad. A kicsatolási pont és a levilágítási pont közötti távolság tipikusan 20 m. A levilágítás síkjában a besugárzottság néhány W/cm². A szubsztrát felületén a röntgensugár kiterjedése kb. 1 cm magas, és kb. 10 cm széles, és az intenzitás eloszlása természetesen nem homogén, hanem ellipszishez hasonló alakú (az ábrákon az egyszerűség kedvéért téglalap alakúnak szokták ábrázolni), ezért a fotoreziszt megvilágításánál a céltárgyat függőlegesen mozgatni (szkennelni) kell. A szinkrotronban természetesen vákuum van, ezért a röntgensugarak is vákuumban érkeznek, ezért a teret vákuumzáróan le kell zárni. A lezárás (ablak) legtöbbször kb 500 μm vastag berilliummal (mérgező fém) történik, ezen a röntgensugarak könnyedén áthatolnak, ezért is nevezik ablaknak. A levilágító térnek nem kell vákuum alatt lennie, de hőelvezetési szempontból és annak megakadályozására, hogy a maradék oxigénből a röntgensugárzást hatására esetleg ózon keletkezzen, a levilágító teret 100 mbar nyomású héliummal töltik fel. Az eljárás vázlatát a 4.69. ábra - A röntgensugaras litográfia vázlatos elrendezése szemlélteti.

forrás: Brück, Rizvi, Schmidt: Angewandte Mikrotechnik 2001

4.69. ábra - A röntgensugaras litográfia vázlatos elrendezése

A levilágító rész (ahol a szubsztrát helyezkedik el), külön egységet képez. Ennek a képét mutatja be a 4.70. ábra - A röntgensugaras litográfia levilágító egysége.

forrás: Brück, Rizvi, Schmidt: Angewandte Mikrotechnik 2001

4.70. ábra - A röntgensugaras litográfia levilágító egysége

A röntgenlitográfiához szükséges maszkok előállítása

A röntgensugárzás nagy energiatartalma miatt az optikai litográfiánál használt néhány tized μm vastag krómréteget tartalmazó maszkokat nem lehet alkalmazni, mert azon a röntgensugarak áthatolnak. A röntgenlitográfiához speciális maszkokra van szükség, amelyek a röntgensugárzással szemben nagy abszorpciós képességgel rendelkeznek. Abszorbens anyagnak leggyakrabban az aranyat használják, nagy atomsúlya és korrózióállósága miatt. Mivel a szokásosnál több nagyságrenddel (tizedmikrométer helyett tizedmilliméter, kb. 3 nagyságrend) nagyobb vastagságra van szükség még az arany alkalmazása mellett is, ezeket sajnos nem lehet egy lépésben előállítani. A LIGA maszkok előállítása bonyolult, a lehetőségeket a 4.71. ábra - A röntgensugaras litográfiához szükséges munkamaszkok előállításának lehetőségei mutatja be. A technológia attól függ, milyen minőségű maszkra van szükség. Az alacsony minőségű (LQ) maszkokat úgy készítik, hogy a komputerrel (CAD) megtervezett maszk struktúrával először egy Cr maszkot hoznak létre elektronsugaras litográfiával (Electron Beam Litography, EB, vagy Pattern Generator, PG). Második lépésben ennek a maszknak a segítségével, optikai litográfiával (PL) alakítják ki a röntgensugárzáshoz való maszkot. Röviden: UV litográfia, Au galvántechnika vastag fotoreziszttel. Az általánosan használt, az előzőnél jobb minőséget adó technológia (standard) ettől annyiban különbözik, hogy a Cr maszk segítségével először egy köztes maszk készül optikai litográfiával (PL), majd ennek felhasználásával, de már röntgen litográfiával (Soft X-Ray Litography) készül a munkamaszk. Röviden: UV litográfia, Au galvántechnika a köztes maszkon, majd ennek átmásolása lágy röntgen sugárzással a munkamaszkra. A legjobb minőséget biztosító technológia (HQ) esetén a Cr maszk létrehozását elhagyják. Ilyenkor az elektronsugaras litográfiával mindjárt a köztes maszk készül el, majd erről lágy röntgen sugárzást (Soft X-Ray Litography, SXRL) alkalmazó röntgen litográfiával készül a munkamaszk. Röviden: elektronsugaras litográfia a köztes maszkra, Au galvántechnika, majd ennek átmásolása lágy röntgen sugárzással a munkamaszkra.

forrás: Völklein: Praxiswissen

4.71. ábra - A röntgensugaras litográfiához szükséges munkamaszkok előállításának lehetőségei

Példaként a (4.72. ábra - A röntgensugaras litográfiához való maszk képe) ábrán bemutatjuk egy röntgenlitográfiához való munkamaszk mikroszkópikus képét. Az alaplemez kb. 500 μm vastag berillium lemez, amelyre galvanikusan kb. 20 μm aranyréteget (struktúrát) vittek fel.

forrás: IMM

4.72. ábra - A röntgensugaras litográfiához való maszk képe

A legjobb minőséget adó eljárásnál köztes maszk (intermediate mask) előállítására is szükség van. Ennek technológiai lépéseit a 4.73. ábra - A röntgensugaras litográfiához való köztes maszk előállításának technológiai lépései mutatja be.

forrás: Brück, Rizvi, Schmidt: Angewandte Mikrotechnik 2001

4.73. ábra - A röntgensugaras litográfiához való köztes maszk előállításának technológiai lépései

A szilícium hordozóra először egy 4,5 μm vastag szilícium-nitrid réteget, majd erre egy 50 nm vastag Cr/Au vezető réteget visznek fel. Ez utóbbi a galvanizáláshoz szükséges. Ezután következik a fotoreziszt felvitele, pl. PMMA 2,15 μm. A következő lépés a fotoreziszt strukturált megvilágítása elektronsugaras eljárással vagy másik maszk segítségével fotolitográfiával, majd a fotoreziszt előhívása. A következő lépés tér el leginkább a hagyományos technológiáktól, ez ugyanis a galvanizálás, amelynek során kb. 1,5…1,7 μm vastag aranyréteget választanak le. Utolsó lépésként a hasznos terület alól marással eltávolítják a szilícium hordozót, és a már szükségtelen vezető réteget. Ekkor készen van a munkamaszk előállításához szükséges köztes maszk.

A röntgenlitográfiához való munkamaszk előállításának technológiai lépéseit a 4.74. ábra - A röntgensugaras litográfiához való munka maszk előállításának technológiai lépései mutatja be.

forrás: Brück, Rizvi, Schmidt: Angewandte Mikrotechnik 2001

4.74. ábra - A röntgensugaras litográfiához való munka maszk előállításának technológiai lépései

A munkamaszk hordozója kb. 600 μm vastag berillium lemez, amelynek mindkét oldalát szilícium-nitriddel passziválják. A felső oldalra kb. 100 nm vastag Ti/Cu vezető réteget visznek fel, amely majd a galvanizáláshoz lesz szükséges. A következő lépés a fotoreziszt felvitele, pl. PMMA 25…30 μm vastagságban. Ezután következik a strukturálás, méghozzá az előzőekben ismertetett köztes maszk segítségével, lágy röntgen sugárzás alkalmazásával. A következő lépésben a rezisztet előhívják, majd galvanizálással kb.15…25 μm vastag aranyréteget választanak le, amely azonban az elérni kívánt célnak megfelelően ennél vastagabb is lehet. Ezzel kész a munkamaszk. Megjegyezzük, hogy a berillium hordozó a röntgen sugárzás számára átlátszó.

forrás: World of Microsystems

4.75. ábra - A röntgensugaras litográfiával elérhető struktúrák éles határvonalakkal és nagyon jó felületi minőséggel rendelkeznek

A LIGA technikával elérhető struktúrákra jellemző példát mutat a 4.75. ábra - A röntgensugaras litográfiával elérhető struktúrák éles határvonalakkal és nagyon jó felületi minőséggel rendelkeznek, ahol jól megfigyelhető, hogy a laterális szubmikrométeres méretek mellett akár mm-es (1000 μm-es) mélységi méretű szerkezetek is létrehozhatók. A függőleges falak nagyon simák, a felületi érdesség az 50 nm nagyságrendben van. Ezzel a technológiával polimerekből, fémekből és ötvözeteikből, valamint kerámiából lehet mikromechanikai struktúrákat létrehozni. A LIGA technológiával készült eszközöket szerszámként is lehet használni mikromechanikai műanyag alkatrészek tömeggyártására. Az alkalmazásokra példákat a 6. fejezet - Mikromechanikai aktuátorok és a 7. fejezet - Mikrooptikai eszközök fejezetekben mutatunk be.

A mikromechanikai technológiák sorában növekvő jelentősége van a lézeres megmunkálásoknak. A lézerfény jól fókuszálható, és emiatt a lézerekkel nagy fajlagos energiasűrűség hozható létre. Jó példa erre a CD, DVD és Blu-ray technika, például a DVD esetében a lézernyalábot kb. 1 μm átmérőre kell fókuszálni. A lézeres megmunkálások 3 csoportba sorolhatók:

Minden esetben a lézersugárzásnak az anyaggal kölcsönhatásba kell kerülnie, erre a következő eljárásokat használják:

Lézeres anyagleválasztás

Ennél a technológiánál a lézer hőhatását használják ki. A megmunkálandó anyagra érkező lézerfény egy része visszaverődik, ez többek között az anyag felületének minőségétől (szórás) és reflexiós tényezőjétől függ. A sugárzás nagyobb része elnyelődik a Lambert-Beer törvény szerint, miközben az energia hővé alakul. A hőhatás képes a kémiai kötések felszakítására, ezáltal az anyagszerkezet megváltoztatására is. Ez azt jelenti, hogy az egyszerű hevítés mellett az anyag megolvadása és elgőzölése is létrejöhet, illetve ezáltal a mikroméretű forrasztás, hegesztés, vágás vagy fúrás is megvalósítható. Ezekre a célokra gyakran a Nd:YAG és az excimer lézereket alkalmazzák.

A Nd:YAG (neodímiummal dotált yttrium-alumínium-gránát) lézerek primér hullámhossza 1064 nm, teljesítményük a kW-os tartományig terjed. A sugárzás átalakításával (frekvencia többszöröző nemlineáris tulajdonságú kristályokkal) ezek a lézerek más hullámhosszakon is képesek működni, a második hullámhossz 532 nm, a harmadik 355 nm. Az impulzushossz a ms-os tartománytól a ps-os tartományig terjed, az impulzus energiája a néhány mJ-tól hozzávetőlegesen a 100 J-ig terjed. A sugárzás minősége nagyon jó, a technológiai paramétereket jól kézben lehet tartani.

Az excimer lézerek tipikusan 20 ns hosszú impulzusokat bocsátanak ki az UV tartományban, 308 nm a XeCl, 248 nm a KrF, 193 nm az ArF, 157 nm az F₂ lézernél. Az impulzus energia 20 és 500 mJ között van, és az ismétlődési frekvencia néhány Hz-től kb. 1 kHz-ig terjed. Az excimer lézerek segítségével kémiai kötéseket lehet felszakítani. Ezekkel a lézerekkel bizonyos anyagokat nemcsak megolvasztani, vagy elgőzölni lehet, hanem a kémiai kötések felszakításával atomokat/molekulákat lehet felszabadítani, ami a mikrotechnikában igen éles sarkok kialakítására ad lehetőséget járulékos olvadási zónák és kráterek keletkezése nélkül.

forrás: Brück, Rizvi, Schmidt: Angewandte Mikrotechnik 2001

4.76. ábra - Lézerrel készített furatok alakjának függése az energiasűrűségtől

A lézerrel készített furatoknál a furat kúpossága erősen függ a fajlagos energiasűrűségtől. Ezt a függés mutatja a 4.76. ábra - Lézerrel készített furatok alakjának függése az energiasűrűségtől. Látható, hogy nagy energiasűrűségnél a furat alulról lesz nagyobb átmérőjű, míg a kisebb fajlagos energiasűrűségnél felülről. Van azonban egy olyan középső energiasűrűség tartomány, amelynél a furat elfogadhatóan hengeres lesz. Az ábrán a megmunkált anyag 100 μm vastag PET (polietilén) fólia, a lézernyaláb átmérője a belépő oldalon 50 μm. Az excimer-lézer típusa KrF, hullámhossza 248 nm, és az objektív numerikus apertúrája NA=0,2.

forrás: Brück, Rizvi, Schmidt: Angewandte Mikrotechnik 2001

4.77. ábra - Lézerrel készített furat orvosi katéterben

A (4.77. ábra - Lézerrel készített furat orvosi katéterben) ábrán egy példát mutatunk be excimer lézerrel (KrF) történő megmunkálásra. Az anyag PVC (polivinil-klorid), a felvétel raszter elektronmikroszkóppal történt, és a merőleges irányban, lézerrel és maszkolással készített furat átmérője 500 μm. A bemutatott alkatrész egy orvosi katéter része.

A mikrotechnikai kötések feladata a mikrotechnikai alkatrészek összekapcsolásának biztosítása. A kötés lehet pusztán mechanikus, szilárdságtani jellegű, és lehet csupán villamos jellegű. A mechanikus kötéseknek azonban van egy speciális területe, amikor nemcsak az alkatrész helyzetének rögzítése a cél, hanem elsőrendű szemponttá válik a jó hővezetés megvalósítása. Különösen fontos ez a szempont a teljesítmény elektronikai eszközök esetében. A mechanikus kötések egyúttal a villamos kötések funkcióját is el szokták látni. A mikrotechnikai kötések egy része nagyon hasonló a finommechanikában alkalmazott kötésekhez, másik része csak a mikrotechnikai alkalmazásokra kifejlesztett kötésmód.

4.6.2. Ultrahangos kötések

Az ultrahangos hegesztést elsősorban a mikroelektronika és az elektronikai technológia alkalmazza, de a mikromechanikában is előfordul. A kötés előnyös tulajdonságaihoz tartozik, hogy nem kell külső hőforrást alkalmazni, és folyasztószert sem igényel, ezért a kötés környezete tiszta marad. A technológia lényege, hogy az ultrahang frekvenciás (40…80 kHz) váltakozó áram segítségével legtöbbször magnetostrikciós átalakítóval ugyanilyen frekvenciájú rezgéseket hoznak létre. A hegesztendő felületeket összenyomják, miközben rezgetik, így a felületi érdességi kiemelkedések és az esetleges oxidrétegek roncsolódnak, az anyagok megfolynak, és a nyomás a fémes felületeket egymásba dörzsöli. Ezzel a technológiával a legtöbb fém, sőt félvezető is hegeszthető. Az ultrahangos hegesztés tipikus alkalmazási területe, amikor a szilícium hordozót vagy chip-et a tokozás kivezetéseivel alumínium huzal segítségével kötik össze. Mind a szilícium, mind az alumínium felülete természetes módon oxidálódhat. Ez azonban ennél a technológiánál nem okoz különösebb nehézséget, mert az ultrahangos kötés során ezek az oxidrétegek összetöredeznek, és ennek során létre tud jönni a jó minőségű fém-félvezető kapcsolat.

forrás: BME ETT

4.78. ábra - Az ultrahangos mikrohuzal kötés fázisai

forrás: BME ETT

4.79. ábra - Ékes ultrahangos mikrohuzal kötés képe

Az ultrahangos kötések nagy előnye, hogy a technológia szobahőmérsékleten végezhető. Az ultrahang frekvenciája tipikusan a 60…100 kHz tartományban van, az energia 0,5…1 W, az összenyomó erő 30…40 cN, a kötéshez szükséges idő 5…100 ms.

4.6.3. Termokompressziós kötések

A termokompressziós kötés a mikroelektronika a félvezető technológia egyik jellemző kötésmódja. Jellemzője, hogy idegen (adalék) anyagot nem használ, Ilyen értelemben tehát a hegesztésekhez sorolható. Jellemzően két meghatározott anyag között hozzuk létre: az egyik a szilícium, amelyből a félvezető aktív áramkörök (Si chipek) készülnek, a másik anyag az arany, amelyből a kivezető huzalok készülnek. Az eljárás lényege, hogy a kötés létrehozásához nemcsak külső hőhatást használunk, hanem nagymértékű mechanikai alakváltozást is. Köztudott, hogy az anyagok deformációja a belső súrlódás következtében hő keletkezésével jár. A kötés létrehozása mintegy 180-220 °C-os semleges gáz, vagy nitrogén környezetben történik. A leggyakoribb ú.n. golyós kötés fázisait a 4.80. ábra - A termokompressziós kötés lépései mutatja.

forrás: BME ETT

4.80. ábra - A termokompressziós kötés lépései

Az aranyhuzal átmérője tipikusan 25 μm (0,001 coll), amelynek végén először hidrogén szúrólánggal vagy elektromos ívvel egy gömböt hoznak létre. Az arany olvadáspontja 1063 °C, ha a huzal vége megolvad, a felületi feszültség létrehozza a gömböt. Ezután a gömböt a kapillárist tartalmazó szerszámmal, manipulátor segítségével a kontaktálandó felület fölé viszik. A kapillárist leengedve a kis méretek miatt az aranygömb anyagában igen nagymértékű maradó alakváltozás jön létre. A nagy alakváltozás hőfejlődéssel jár, ami az összekötendő felületek hőmérsékletét annyira megnöveli, hogy az érintkezésnél a hőmérséklet a két anyag eutektikumjánál magasabb hőmérsékletre kerül, és így az arany és a szilícium között diffúziós kötés jön létre.

forrás: Wikipédia

4.81. ábra - Az Au-Si állapotábra

Érdemes megnézni a két anyag fázis diagramját (4.81. ábra - Az Au-Si állapotábra), amelyből kitűnik, hogy a szilícium 1412 °C-os és az arany 1063 °C-os olvadási hőmérsékletének ellenére az eutektikum 363 °C-on olvad meg. Ezt használja ki a termokompressziós technológia, amelynek lényege, hogy a környezet hőmérsékletét (ami itt 180-220 °C-os hőmérsékletet jelent) a gyors és nagymértékű alakváltozás lokálisan (csak ott, ahol kell) az összekötendő anyagok közvetlen környezetét az eutektikus hőmérséklet fölé emeli, és ezzel megteremti a lehetőségét az eutektikum kis helyen történő létrejöttének. Mivel a nagyobb hőmérséklet csak lokálisan, a nagymértékű deformáció helyén jön létre, nem károsodik a félvezetőben már kialakított, pn átmeneteket tartalmazó struktúra. Golyós kötés mikroszkópikus képét mutatja a 4.82. ábra - Termokompressziós kötés a mikroelektronikában.

forrás: BME ETT

4.82. ábra - Termokompressziós kötés a mikroelektronikában

A golyós kötés mellett elterjedten használják még az ékes kötést, és az eljárást gyakran kombinálják ultrahangos rezgetéssel is.

4.6.4. Termoszonikus kötések

A termoszonikus kötéseknél a termokompressziós és az ultrahangos technológiát kombinálják. Az így kialakított kötés kiváló mechanikai és elektromos tulajdonságokkal rendelkezik. Az ultrahangos energiát hőhatással először 1970-ben Alexander Coucoulas kombinálta, ezzel ötvözve a termokompressziós és ultrahangos kötési módok előnyeit. A hőmérséklet ennél a kötésmódnál alacsonyabb, mint a termokompressziós kötéseknél (125–175 °C), így a hőre érzékenyebb chipek is beköthetők, illetve kevésbé kell tartani a már kialakított struktúra és az egyéb alkatrészek sérülésétől. A kötés időtartama is rövidebb, 10 ms-os nagyságrendű. Az ultrahangos energia segít a felületi szennyeződések, oxid rétegek eltávolításában, a huzal és a kötési felület egymáshoz kötésében. A kötés lépései a következők:

• A huzal végét elektromos ív segítségével megolvasztják, és a felületi feszültség a huzal végén gömböt képez.

• A huzalt visszahúzzák.

• A kapillárist a kontaktálandó felület fölé pozícionálják, majd egy bizonyos erővel összenyomják, mialatt a felület irányában ultrahangfrekvenciával rezgetik. Ezzel létrejön a golyós kötés (ball bond).

• A kapilláris a másik kontaktálandó felület fölé mozdul el.

• A kapilláris ismét leereszkedik, erő és az ultrahangos rezgetés hatására létrejön a második kötés.

• A huzalt megfogóval rögzítik, majd a kapilláris felemelkedik, és elszakítja a huzalt, ezzel létrejön az ékes kötés (tail bond).

forrás: BME ETT

4.83. ábra - A termoszonikus mikrohuzal kötés lépései

4.6.5. Anódos kötések

Az anódos kötésekkel (anodic bonding) gyakran találkozunk a mikromechanikában. Ezt a kötésmódot kifejezetten a sík szilíciumfelületek és sík bórszilikát üvegfelületek összekötésére fejlesztették ki.

forrás: World of Microsystems

4.84. ábra - Az anódos kötés vázlata

A technológia lényege, hogy 200…1000 V-os egyenfeszültség, 200…500 °C hőmérséklet, és a felületek egyidejű, és bizonyos ideig tartó összenyomásával a szilícium és az üveg között hermetikusan záró kötés jön létre, köszönhetően az anyagok kémiai rokonságának. A jó minőségű kötés feltétele a felületek tisztasága és síkbelisége. Az anódos kötés vázlatát a 4.84. ábra - Az anódos kötés vázlata mutatja.

A mikromechanikai nyomásmérőket az iparban és az egészségügyben is számos helyen használják. Jelentőségük óriási, ennek alátámasztására az (5.1. ábra - Mikromechanikai orvosi nyomásmérő) ábrán bemutatunk egy orvosi célra készült mikromechanikai nyomásmérő eszközt (Ulrich Mescheder: Mikrosystemtechnik, Teubner, 2000), amelynek külső átmérője mindössze 0,5 mm. Ilyen vagy ehhez hasonló méretekkel rendelkező eszközöket más módszerekkel nem lehet készíteni, csakis a mikrotechnika ad lehetőséget ezekre, az óriási jelentőség éppen ebben van. Az eszköz tulajdonképpen egy kardiovaszkuláris katéter, amelynek segítségével a szív koronária-ereiben fellépő nyomáskülönbséget lehet mérni. Ehhez szükség van egy referencia nyomásra, amelyet a külső környezetből a katéteren keresztül vezetnek be a membrán alatti részbe. A membrán felső részére a vérnyomás hat, és deformálja a membránt, ezzel megnövelve a kondenzátor kapacitását. A nyomásmérő eszköz nyomáskülönbséget mér, a két kapacitív átalakító egymástól 50 mm távolságra helyezkedik el. A nyomás-elmozdulás átalakítás eszköze egy mikromechanikai membrán, amelyet szilíciumból, felületi mikromechanikai eljárásokkal alakítanak ki.

forrás: Mescheder: Mikrosystemtechnik

5.1. ábra - Mikromechanikai orvosi nyomásmérő

A membránt kondenzátorként alakítják ki, úgy hogy az egyik fegyverzet maga a membrán, a másik az üveghordozóra felvitt vezető réteg lesz, amelyek egymástól el vannak szigetelve. A síkkondenzátor kapacitása (C) a jól ismert egyenlettel írható le, ahol ε _o az abszolút, és ε _r

a dielektrikum relatív dielektromos állandója, A a felület, x a fegyverzetek távolsága, amely itt a membrán deformációja miatt változni fog.

A nyomáskülönbség hatására a membrán deformálódik (Δx) mértékben, aholis ez a deformáció a hely függvénye lesz, a deformáció nyilvánvalóan a membrán középpontjában a legnagyobb. Bevezetve a Δx = w(x) függvényt, a relatív kapacitásváltozásra kapjuk, hogy:

A relatív kapacitásváltozás tehát arányos lesz a nyomásváltozással, ez képezi a mérés elméleti alapját. A jelátalakító kapacitása a kis méretek miatt szintén igen kicsiny értékű, annak ellenére, hogy a fegyverzetek távolsága (x) is kicsiny, a mikrométer nagyságrendjébe esik. Ilyenkor a feldolgozó elektronikát is olyan közel kell elhelyezni a jelátalakítóhoz, amilyen közel csak lehet. Ezt mutatja az 5.2. ábra - A mikromechanikai orvosi nyomásmérő szerkezete, amelyen látható a mikromechanikai rész, és a mellette lévő mikroelektronikai erősítő, egy monolitikus integrált áramkör. A nyomásmérő egység hordozója egy üveglemez, erre van felszerelve a szilíciumból készült membrán, és az úgyszintén szilíciumból készült erősítő.

forrás: Mescheder: Mikrosystemtechnik

5.2. ábra - A mikromechanikai orvosi nyomásmérő szerkezete

A mikromechanikai nyomásmérők másik családját alkotják a frekvencia kimenetű nyomásmérők, amelyeknél a nyomást (nyomáskülönbséget) frekvenciaváltozássá alakítjuk át. Ezek működéséhez szintén mikromechanikai módszerekkel kialakított vékony membránra van szükség. A működés lényege, hogy a nyomásmérésre azt a fizikai törvényt használják ki, hogy a membrán sajátfrekvenciája (f) függ a membrán alatti nyomás (a membránra ható nyomáskülönbség) nagyságától.

A képletben f ₀ a membrán sajátfrekvenciája nyomáskülönbség nélkül, K ₁ egy, a membrán geometriájától függö konstans, amely a legtöbbször négyzet alakú membránoknál K ₁ =1,464, w ₀ a membrán nyomáskülönbség hatására bekövetkező deformációja, d a membrán vastagsága. Az összefüggésből látható, hogy a sajátfrekvencia változása nem lesz lineáris kapcsolatban a nyomáskülönbséggel. A kapcsolatot egy kivitelezett nyomásmérőnél az 5.3. ábra - Nyomás-frekvencia diagram mutatja. Az is megfigyelhető, hogy kis nyomásváltozásoknál a frekvencia változása akár lineárisnak is tekinthető.

forrás: Mescheder: Mikrosystemtechnik

5.3. ábra - Nyomás-frekvencia diagram

A frekvencia kimenetű nyomásmérési elv előnye közé tartozik, hogy itt nincs szükség kis kapacitásváltozások mérésére, elhagyható a szenzoroknál oly gyakori analóg elektronika, a jel digitális formában, frekvenciaként áll rendelkezésre, ebből következően zavarokra kevéssé érzékeny. A membrán sajátfrekvenciáját legcélszerűbb piezoelektromos elven meghatározni. A membránra piezoelektromos tulajdonsággal rendelkező réteget (például ZnO, 5.4. ábra - Frekvencia kimenetű nyomásmérő szenzor vázlatos metszete) visznek fel. A rezonanciába hozás (gerjesztés) az inverz piezoelektromos effektus segítségével történik, míg az érzékelésnél a direkt piezoelektromos effektust használjuk fel. Pozitív visszacsatolást alkalmazva a membránt rezgésben lehet tartani, a rezgés amplitúdójának állandó értékűre szabályozása mellett.

forrás: Mescheder: Mikrosystemtechnik

5.4. ábra - Frekvencia kimenetű nyomásmérő szenzor vázlatos metszete

A nyomásmérők egyik legtipikusabb felhasználási területe az autóipar. Példaként felsorolunk néhány autóipari alkalmazást:

Példaképpen bemutatunk egy mikromechanikai eljárásokkal készült barométer modult (Intersema, MS 5534), azaz légnyomásmérő eszközt. A modult a kis méretek, az alacsony ár, és a nagyfokú pontosság jellemzi. Az eszköz abszolút nyomást mér, ezért magasságmérőként is használható a -1000 m-től +9000 m-ig terjedő magassági tartományokban. Csekély energiafelhasználása miatt alkalmas kültéri hordozható készülékekben való alkalmazásra. A mikromechanikai eszköz kerámia lapra van szerelve, alul és felülnézetét az 5.5. ábra - Mikromechanikai barometrikus modul képe mutatja.

forrás: Intersema

5.5. ábra - Mikromechanikai barometrikus modul képe

A modul vázlatos kapcsolási rajzát (blokkdiagramját) az 5.6. ábra - Mikromechanikai barometrikus modul áramköreinek tömbvázlata mutatja. Az eszköz legfontosabb eleme egy szilíciumból készített mikromechanikai membrán, amelyre nyúlásmérő ellenállásokat (piezorezisztorokat) integrálnak. Ezek Wheatstone-hídba vannak kapcsolva (teljes hidas kapcsolás), a híd tápfeszültsége 3V-os, 32 kHz-es négyszögjel. Többek között ennek is köszönhető az alacsony disszipáció, amely mindössze 1,3 μW. A teljesítmény felvételnek már csak azért is kicsinek kell lennie, hogy a nyomásmérő modul telepes készülékeknél is alkalmazható legyen. A híd kimenő jele erősítés után analóg-digitális átalakítóra, majd onnan a digitális interfészre (mikrokontrollerre) kerül. A kimeneti jel 3 vezetékes soros rendszeren keresztül (DIN, DOUT, SCLK) kerül további felhasználásra. Tekintettel arra, hogy abszolút nyomásmérő eszközről van szó, a mikromechanikai rendszert kalibrálni kell. Tekintettel arra, hogy a gyártási tűrések miatt tökéletes pontosságot biztosítani nem lehet, meg nem is gazdaságos, ezért az egyes példányokra vonatkozó kalibrálási konstansokat EPROM-ban tárolják. A magasságmérő feloldása 3 μbar, amely 3 cm magasságváltozásnak felel meg.

forrás: Intersema + mib

5.6. ábra - Mikromechanikai barometrikus modul áramköreinek tömbvázlata

A szilícium membrán 1x1 mm-es méretű, és 10 μm vastagságú. Az abszolút mérés érdekében a membrán alatti légmentesen lezárt térben vákuum van (5.7. ábra - A mikromechanikai nyomásmérő membrán alatti részében vákuum van).

forrás: Intersema + mib

5.7. ábra - A mikromechanikai nyomásmérő membrán alatti részében vákuum van

Működés közben az atmoszférikus nyomás deformálja a membránt: 1 m magasságkülönbség 0,1 mbar nyomáskülönbséget, ez pedig 150 nm membrán deformációt okoz (5.8. ábra - A mikromechanikai nyomásmérő membránjának deformációja). Ezt kell megmérni. Szenzorként a membrán anyagából kialakított ellenállásokat (piezorezisztorokat) alkalmazunk, lásd 5.9. ábra - A membrán alakváltozásának mérése.

forrás: Intersema + mib

5.8. ábra - A mikromechanikai nyomásmérő membránjának deformációja

forrás: Intersema + mib

5.9. ábra - A membrán alakváltozásának mérése

A mikromechanikai rendszer előállításához a kiinduló alapanyag 4 coll (kb. 10 cm) átmérőjű, 390 μm vastag monokristályos szilícium szelet (5.10. ábra - A szilícium szelet a megmunkált mikromechanikai struktúrákkal).

A gyártási folyamat a következő fontosabb lépésekből áll:

forrás: Intersema + mib

5.10. ábra - A szilícium szelet a megmunkált mikromechanikai struktúrákkal

Az 5.11. ábra - A piezorezisztorok létrehozása azt mutatja, hogy bór diffúzióval majd bór implantációval hozzák létre a piezorezisztorokat a szilícium felületén. Erre azért van szükség, mert a piezorezisztorokat egymástól el kell szigetelni. Az elszigetelés úgy történik, hogy a szilíciumban pn átmenetet hozunk létre, azaz tulajdonképpen diódákat készítünk, amelyeket záróirányba fogunk előfeszíteni. Ezzel az előfeszítéssel létrehozott kiürített réteg fogja egymástól és a membrántól elszigetelni a piezorezisztorokat.

forrás: Intersema + mib

5.11. ábra - A piezorezisztorok létrehozása

A piezorezisztorokhoz szükséges vezetékezést fotolitográfiával, alumínium réteg felgőzölésével oldják meg (5.12. ábra - A vezetékezés megoldása alumínium gőzőléssel).

forrás: Intersema + mib

5.12. ábra - A vezetékezés megoldása alumínium gőzőléssel

Az (5.13. ábra - A struktúra levédése szilíciumnitrid réteggel) ábrán látható, hogy passziválás céljából a struktúrát szilícium-nitrid réteggel célszerű bevonni, azonban a kivezetések (kontaktálás) számára bizonyos helyeket szabadon kell hagyni.

forrás: Intersema + mib

5.13. ábra - A struktúra levédése szilíciumnitrid réteggel

Ezután következik az eddig elkészített struktúra levédése, és a másik oldalról a membrán kialakítása nedves kémiai anizotróp marással, kálium-hidroxid segítségével. A marási folyamatot ±1,5 μm pontossággal le kell állítani, hogy a membrán vastagsága, és ezzel a szenzor kívánt érzékenysége az előírt értékű legyen (5.14. ábra - A mikromechanikai membrán kialakítása anizotróp marással).

forrás: Intersema + mib

5.14. ábra - A mikromechanikai membrán kialakítása anizotróp marással

Ezután következik a membrán alatti tér hermetikus lezárása bórszilikát üveglemezzel (5.15. ábra - A membrán alatti tér lezárása). A technológia neve: anódos kötés. A technológiát vázlatosan a 4. fejezet - Jellegzetes mikromechanikai technológiák fejezetben ismertetjük.

forrás: Intersema + mib

5.15. ábra - A membrán alatti tér lezárása

Az anódos kötés után következik a tesztelés, tehát annak ellenőrzése, hogy az ellenállások értéke tűrésen belül van-e. A tesztelés rugalmas mérőtűk segítségével történik (5.16. ábra - Az áramköri elemek ellenőrzése mérőtűkkel). A 4 collos hordozón egyszerre kb. 1000 db érzékelő készül. Az utolsó műveletek egyike a darabolás, amelyet gyémánt vágótárcsával végeznek (5.17. ábra - A szilícium szelet darabolása gyémánttárcsával). A tárcsa fordulatszáma néhány ezer/perc, az előtolás kb. 1 cm/s. A vágási szélesség 50-200 μm. Egy ilyen vágási felületet mutat az 5.18. ábra - A gyémánttárcsával vágott felület.

forrás: Intersema + mib

5.16. ábra - Az áramköri elemek ellenőrzése mérőtűkkel

forrás: World of Microsystems

5.17. ábra - A szilícium szelet darabolása gyémánttárcsával

forrás: World of Microsystems

5.18. ábra - A gyémánttárcsával vágott felület

A barometrikus modul kerámia hordozóra van szerelve. A hordozó egyik oldalán helyezik el a mikroelektronikai áramköröket, amelyek szintén monokristályos szilícium lapkán készülnek (5.19. ábra - A mikromechanikai nyomásmérő áramkörei kerámia hordozóra vannak szerelve). A másik oldalon helyezkedik el a mikromechanikai rész, amelyet polimerből készült sapka véd (5.20. ábra - A mikromechanikai részt védőkupak védi). A sapkát speciális gélszerű anyaggal töltik ki, elsősorban a környezeti hatások elleni védelem céljából (5.21. ábra - A védőkupakot gélszerű anyaggal töltik ki).

forrás: Intersema + mib

5.19. ábra - A mikromechanikai nyomásmérő áramkörei kerámia hordozóra vannak szerelve

forrás: Intersema + mib

5.20. ábra - A mikromechanikai részt védőkupak védi

forrás: Intersema + mib

5.21. ábra - A védőkupakot gélszerű anyaggal töltik ki

Ezután következik a kerámia hordozó darabolása. Ekkor a barometrikus modul már fizikailag készen van, de a műveletek közül még hiányzik a kalibrálás. Ez nagyméretű szekrényszerű készülékben történik (5.22. ábra - A mikromechanikai nyomásmérő kalibrálása), amelyben létrehozzák a szükséges hőmérséklet és nyomás értékeket. Az egyedi karakterisztikák illesztése két nyomásértéken történik, az egyes modulokra vonatkozó egyedi konstansok értékét a modul EPROM-jába (Erasable Programable Read Only Memory) beégetik. A modul feloldása 0,01 %, ami a szenzortechnikában nagyon jó értéknek számít.

forrás: Intersema + mib

5.22. ábra - A mikromechanikai nyomásmérő kalibrálása

A kész modult, és tulajdonságait az 5.23. ábra - A kész mikromechanikai nyomásmérő mutatja. Mérete 9x9x3,9 mm, fogyasztása 3 V- os tápfeszültségnél 5 μA, tehát 15 μW.

forrás: Intersema + mib

5.23. ábra - A kész mikromechanikai nyomásmérő

A barometrikus modul legfontosabb alkalmazási területei: külső környezetben alkalmazott hordozható eszközök, a sárkányrepülésben, siklóernyőzésben, gépkocsi és kerékpár komputerekben, mindenütt, ahol magasságmérésre szükség van (5.24. ábra - A mikromechanikai nyomásmérő néhány alkalmazása).

forrás: World of Microsystems

5.24. ábra - A mikromechanikai nyomásmérő néhány alkalmazása

A mai korszerű barometrikus nyomásmérőre az (5.25. ábra - Barometrikus mikromechanikai nyomásmérő modul (BMP 280)) ábrán mutatjuk be a Bosch cég BMP 280 típusú nyomásmérőjét. Ez szintén egy abszolút nyomást mérő szenzor, amelyet kifejezetten mobil alkalmazásokra fejlesztettek ki, például mobil telefonokba, GPS (Global Positionig System) berendezésekbe és órákba. A mérés itt is a piezorezisztivitáson alapul. Jól megfigyelhető a méretek csökkentésére és a korszerű áramköri szereléstechnológiára (SMT, Surface Mounting Technology) való törekvés.

forrás: Bosch

5.25. ábra - Barometrikus mikromechanikai nyomásmérő modul (BMP 280)

Mint azt a fentiekben már korábban említettük, az autóiparban elég sok helyen merül fel a nyomásmérés igénye. Ennek bemutatására az (5.26. ábra - A belsőégésű motorok szívócsövében alkalmazott mikromechanikai nyomásmérő) ábrán egy autóiparban alkalmazott mikromechanikai nyomásmérő (7) látható, amelyet a belsőégésű motorok szívócsövére (3) szerelnek. A nyomásmérő NTC hőmérséklet érzékelőt is (1) tartalmaz, amely itt (még) nem mikromechanikai kivitelű.

forrás: Bosch

5.26. ábra - A belsőégésű motorok szívócsövében alkalmazott mikromechanikai nyomásmérő

A következő (5.27. ábra - A mikromechanikai nyomásmérő vázlatos metszete) ábrán látható a mikromechanikai nyomásmérő vázlatos keresztmetszete. A tokozás szabványos IC fémtok (TO-8), amely hermetikusan záró fém-űveg átvezetőkkel van ellátva. A tok belsejében vákuum van, úgyhogy a tokozásnak is hermetikusan zárónak kell lennie. A vákuum alkalmazásával a szenzor abszolút nyomás mérésére alkalmas. A szenzor lényege egy monokristályos szilícium lapkából mikromechanikai eljárásokkal kialakított membrán, amelyet egy üvegből készült tartóra erősítenek fel.

forrás: Bosch

5.27. ábra - A mikromechanikai nyomásmérő vázlatos metszete

A szilícium membránra szintén mikromechanikai eljárásokkal 4 piezorezisztor van integrálva (más szavakkal magából a membrán anyagából alakítják ki a piezorezisztorokat, 5.28. ábra - A mikromechanikai nyomásmérő referencia vákuummal a struktúra oldalon). Az ábrán a 2 szilícium lapból kialakított 1 membránt a p nyomás deformálja. A lapka felett vákuum van, ez biztosítja az abszolút mérés lehetőségét. A piezorezisztorok a lapka felső részén helyezkednek el, ezért mondható, hogy a vákuum a struktúra oldalon van. A négy piezorezisztort teljes hidas kapcsolásban működtetjük.

forrás: Bosch

5.28. ábra - A mikromechanikai nyomásmérő referencia vákuummal a struktúra oldalon

Ugyanazon a lapkán, amelyen a membránt és a piezorezisztorokat kialakítottuk, a nyúlásmérő hidat tápláló és feldolgozó mikroelektronikai áramkör is elhelyezhető, mint ahogyan azt az 5.29. ábra - A mikromechanikai nyomásmérő tokozás előtt, részleteiben az 5.30. ábra - A mikromechanikai nyomásmérő szilícium lapkájának képe középen a membránnal, és a széleken a mikroelektronikai áramkörökkel mutatja. Összehasonlításképpen az ábrán egy gyufaszál is látható.

forrás: Bosch

5.29. ábra - A mikromechanikai nyomásmérő tokozás előtt

Azt a technikát, amikor a mikromechanikai szenzort és a mikroelektronikai áramkört egy szilíciumlapkán alakítják ki, egychipes technológiának nevezik, szemben a kétchipes technológiával, amikor is a mechanika és az elektronika külön szilícium lapkán készül el, azaz szét van választva egymástól.

Végül az autóipar üzemi körülményeihez igazodva az (5.31. ábra - A tokozott szívócső nyomás és hőmérséklet mérő szenzor) ábrán látható a mikromechanikai szívócső nyomás (és hőmérséklet) szenzor viszonylag robusztus tokozása, a csepegő víz ellen védett csatlakozásokkal.

forrás: Bosch

5.30. ábra - A mikromechanikai nyomásmérő szilícium lapkájának képe középen a membránnal, és a széleken a mikroelektronikai áramkörökkel

forrás: Bosch

5.31. ábra - A tokozott szívócső nyomás és hőmérséklet mérő szenzor

forrás: Bosch

5.32. ábra - Szívócső nyomás és hőmérséklet mérő szenzor a membrán alatt kialakított referencia vákuummal

Az 5.32. ábra - Szívócső nyomás és hőmérséklet mérő szenzor a membrán alatt kialakított referencia vákuummal szintén egy szívócső nyomásmérőt, de az előzőnél kedvezőbb konstrukciót mutat. A különbség abban van, hogy itt a referencia vákuum nem a tokozáson belül, hanem közvetlenül a membrán alatti részben van elhelyezve, ami a szilícium-üveg közötti anódos kötéssel sokkal megbízhatóbban készíthető el. Az ábrán (1) a szívócső, (2) a tokozott nyomás és hőmérséklet mérő szenzor, (3) a tömítés, (4) a hőmérsékletet mérő NTC ellenállás, (5) a csatlakozás kivezetései, (6) a fedél, (7) a mikromechanikai nyomásmérő a referencia vákuummal. Az alapelvet az 5.33. ábra - Mikromechanikai nyomásmérő a membrán alatt létrehozott referencia vákuummal mutatja. Látható, hogy a szilíciumból készült membrán (6) alatti tér (5) üveglappal (3) van lezárva. A struktúrát a környezeti behatások ellen gélszerű anyag (1) védi.

forrás: Bosch

5.33. ábra - Mikromechanikai nyomásmérő a membrán alatt létrehozott referencia vákuummal

A mikromechanikai nyomásmérők jelentős szerepet játszanak az orvostechnikában is. Ezekkel az eszközökkel olyan lehetőségek nyílnak meg, amelyek a hagyományos finommechanikai módszerekkel megvalósíthatatlanok voltak. Példaképpen az (5.34. ábra - Nagy felbontású és ultraminiatűr nyomásmérő szenzorok egy pénzérmén) ábrán bemutatunk egy nagyfelbontású, érzékeny kapacitív nyomásmérő modult, valamint az (5.35. ábra - Katéterbe építhető, rádiófrekvenciás adóval ellátott nyomásmérő szenzor) ábrán egy katéterbe elhelyezhető ultraminiatűr nyomásmérőt.

forrás: ISSYS

5.34. ábra - Nagy felbontású és ultraminiatűr nyomásmérő szenzorok egy pénzérmén

forrás: ISSYS

5.35. ábra - Katéterbe építhető, rádiófrekvenciás adóval ellátott nyomásmérő szenzor

A gépjármű technikában nagyobb nyomások mérése is szükséges. Például a benzinmotorok befecskendező nyomásának (max. 200 bar), a dízelmotorok Common Rail rendszerének (max. 2000 bar), a fék és hidraulika rendszerek nyomásának (max. 350 bar) ellenőrzése is szükséges. Ezek az ú. n. nagynyomású szenzorok, amelyek konstrukciója hasonlatos a mikromechanikai nyomásmérők konstrukciójához (5.36. ábra - Nagynyomású szenzor vázlatos metszete). A különbség abban van, hogy itt a membránt nem szilíciumból, hanem acélból készítik, és értelemszerűen nem is mikromechanikai technológiákkal. A mérésre szolgáló nyúlásmérő ellenállásokat viszont gőzöléssel viszik fel a membránra. A feldolgozó elektronika a membrán felett, magában a jelátalakítóban helyezkedik el.

forrás: Bosch

5.36. ábra - Nagynyomású szenzor vázlatos metszete

A nyomásszenzorok mellett a mikromechanikai szenzorok másik nagy csoportját a gyorsulás mérő szenzorok alkotják. Ezeknek a szenzoroknak a nagy többségét a járműipar használja, mégpedig a következő rendszereknél:

A gyorsulásszenzoroknál a mérési tartományt a nehézségi gyorsulásra szokás vonatkoztatni, ennek mértékegysége a g (g= 9,81 m/s²), de használják ennek ezredrészét is, ez a mg (nem tévesztendő össze a milligrammal).

A különböző feladatoknál használatos méréstartományokat az 5.1. táblázat - A gépjárművekben alkalmazott gyorsulásmérők mérési tartománya mutatja.

A gyorsulásszenzorok elméleti alapjait a következőkben foglaljuk össze.

A mérési elvek közül a leggyakoribb a Newton 2. törvénye alapján működő elv, amelynek jellemzője a „szeizmikus tömeg”, amelyre érvényes az

összefüggés, és a szenzor az m tömegre ható F erőt méri. Az erőmérést vagy útmérésre, vagy mechanikai feszültség mérésére vezetjük vissza (lásd később). Állandó gyorsulásnál a gyorsulási erő az x kitérésű és c rugóállandójú rugó ellenerejével van egyensúlyban.

A rendszer mérési érzékenysége (S, sensitivity):

Nagy érzékenységet tehát nagy szeizmikus tömeggel, és kis rugómerevséggel lehet elérni.

Változó gyorsulásnál, azaz dinamikus esetben (ez a gyakoribb eset) a gyorsulásszenzor működését legegyszerűbben állandó együtthatós másodrendű differenciálegyenlettel lehet leírni.

forrás: Mescheder: Mikrosystemtechnik

5.37. ábra - A gyorsulásmérők egyszerűsített rendszertechnikai modellje

A szeizmikus tömeg (m) és a rugóállandó (c) adja meg a rendszer csillapítás nélküli ω ₀ sajátfrekvenciáját, amelyet a rendszer csillapítási tényezője kismértékben csökkent ugyan, azonban ez a csökkenés nem jelentős mértékű.

Fontos megérteni, hogy egy szenzor érzékenysége és sajátfrekvenciája szoros összefüggésben van egymással.

Az egyenlet azt fejezi ki, hogy sajátfrekvencia növelése csak az érzékenység rovására lehetséges, tehát például kétszer nagyobb sajátfrekvencia eléréséhez negyedakkora érzékenység csökkenés tartozik. Másodrendű rendszereknél a rendszer dinamikus működését az energiatárolókon kívül a csillapítási tényező is befolyásolja. Ennek azonban nem az abszolút értéke, hanem a rendszer többi jellemzőihez viszonyított aránya határozza meg. Ez a csillapítási szám, amelynek nincs dimenziója:

forrás: Mescheder: Mikrosystemtechnik

5.38. ábra - Másodrendű rendszerek amplitúdó diagramja a frekvencia függvényében

Az (5.38. ábra - Másodrendű rendszerek amplitúdó diagramja a frekvencia függvényében) ábrán látható a másodrendű rendszerekre vonatkozó jól ismert Bode-diagram az amplitúdóra és a fázisra vonatkozóan. Látható, hogy változó frekvenciák esetén a D=0,7 körüli csillapítási szám adja a legnagyobb amplitúdó sávszélességet, emiatt a szenzorok konstrukciójánál törekedni kell a kívánatos csillapítási szám megtartására.

Mérési elvként (5.39. ábra - A gyorsulásmérőknél alkalmazott mérési elvek: a.): elmozdulás mérés, b.): erőmérés) vagy a kitéréses, vagy a kompenzációs (erőkompenzációs) elvet választják. Előző esetben az F erő hatására bekövetkező rugalmas alakváltozás nagyságát mérjük, a másodikban szabályzókört használunk, és nem engedünk meg elmozdulást. Ekkor a visszacsatolt erővel kapcsolatos jellemzőt, például egy elektromágnes áramát mérjük, és feltételezzük, hogy ez arányos lesz a mérendő gyorsulással.

forrás: Bosch

5.39. ábra - A gyorsulásmérőknél alkalmazott mérési elvek: a.): elmozdulás mérés, b.): erőmérés

Az ilyen (elmozdulás mérésre, illetve erőmérésre kifejlesztett szenzorok a rezonancia frekvencia (jó közelítéssel a sajátfrekvencia) alatt kielégítő arányosságot mutatnak a mérési érték és a kitérés között. A kitérések villamos jellé alakítására az (5.2. táblázat - A mikromechanikai gyorsulásmérőknél alkalmazott mérési elvek) táblázatban foglalt mérési eljárásokat használják.

A mikromechanikai gyorsulásmérőknél olyan konstrukciós kialakításokat használnak, amelyek jól illeszkednek a mikromechanikai technológiákhoz. Néhány szokásos megoldást mutat az 5.40. ábra - Példák mikromechanikai gyorsulásmérők szeizmikus tömegének kialakítására. Megjegyezzük, hogy a modellezéskor ezek a kialakítások nem írhatók le koncentrált paraméterekkel, megfelelő közelítést csak osztott paraméteres modellezéssel lehet elérni.

forrás: Mescheder: Mikrosystemtechnik

5.40. ábra - Példák mikromechanikai gyorsulásmérők szeizmikus tömegének kialakítására

Példaképpen bemutatunk egy kapacitív mérési elven alapuló, tömbi mikromechanikai eljárással készülő gyorsulásmérőt (MS6100), illetve annak gyártástechnológiáját. A gyorsulásmérő két egységből áll, egy mikromechanikai, és egy mikroelektronikai egységből, és mindkettő szilíciumból készül. A hordozó kerámia lapka, a tokozás egy szabványos 12 lábú IC tok. A tokozás előtti állapotot mutatja az 5.41. ábra - Tömbi mikromechanikai technológiákkal kialakított gyorsulásmérő tokozás előtti képe, ahol a baloldalon látható a mikroelektronikai rész, jobboldalon a mikromechanikai rész.

forrás: CSEM SA

5.41. ábra - Tömbi mikromechanikai technológiákkal kialakított gyorsulásmérő tokozás előtti képe

A gyorsulásmérőket több méréshatárral gyártják (2, 10 és 25 g), a lökésállóságuk 6000 g. Jellemző rájuk a kis áramfelvétel és a nagy precizitás. a következő, (5.42. ábra - A gyorsulásmérő mikroelektronikai és mikromechanikai egysége) ábrán jól látható a kerámia hordozóra szerelt két egység, és a 25 μm átmérőjű aranyhuzalokkal létesített villamos kötések.

forrás: CSEM SA

5.42. ábra - A gyorsulásmérő mikroelektronikai és mikromechanikai egysége

A mikromechanikai rész három monokristályos szilícium hordozóból áll (5.43. ábra - A gyorsulásmérő vázlatos keresztmetszete). A középsőből kerül kialakításra a szeizmikus tömeg a felfüggesztő rugóval. Erre a középső elemre SiO₂ rétegeket kell felvinni, mert a mérés differenciál-kapacitív elven történik, és az elektródákat egymástól el kell szigetelni. Az így kialakított kondenzátorok fegyverzetei között 2 μm távolság van.

forrás: CSEM SA

5.43. ábra - A gyorsulásmérő vázlatos keresztmetszete

Az így kialakított kondenzátorok kapacitása kb. 20 pF. A függőleges irányú gyorsulás hatására bekövetkező deformáció (a szeizmikus tömeg elmozdulása) hatására az egyik kapacitás növekedni, a másik csökkenni fog (5.44. ábra - A gyorsulásmérőben kialakított síkkondenzátorok).

forrás: CSEM SA

5.44. ábra - A gyorsulásmérőben kialakított síkkondenzátorok

A mikromechanikai részben kialakított kondenzátorokat két másik, passzív kondenzátorral Wheatstone-híddá egészítik ki (félhidas mérés, 5.45. ábra - A gyorsulásmérő mérő és jelfeldolgozó áramkörei), és ennek kimenő jele kerül további feldolgozásra a mikroelektronikai részben.

forrás: CSEM SA

5.45. ábra - A gyorsulásmérő mérő és jelfeldolgozó áramkörei

A szenzor legfontosabb része a középső, 4” átmérőjű és 380 μm vastag szilíciumszeletből kialakított, rugalmasan felfüggesztett szeizmikus tömeg. A technológia főbb lépéseit a műveletet illusztráló ábrák segítségével mutatjuk be.

forrás: CSEM SA

5.46. ábra - A különböző vastagságú oxidrétegek kialakítása

Az első lépés az oxidálás, méghozzá több lépésben: 2 μm szükséges a túlzottan nagy gyorsulásnál fellépő felütközésnél a rövidzár megakadályozására, de az alsó-felső fegyverzet távolságának biztosítására ennél sokkal vastagabb rétegekre is szükség van (5.46. ábra - A különböző vastagságú oxidrétegek kialakítása). Ezeket a feladatokat fotolitográfiás strukturálással oldják meg.

forrás: CSEM SA

5.47. ábra - A nedves anizotróp marás elindítása

Következő lépésként LPCVD (low pressure chemical vapor deposition) eljárással szilíciumnitrid (Si₃N₄) réteget választanak le. Fotolitográfiával kiválasztják azokat a területeket, ahonnan a szilíciumnitrid réteget el kell távolítani reaktív ionos (reactiv ion etching, RIE) marással. Ezután kezdődhet a nedves kémiai anizotróp marás (wet anisotrope etching, 5.47. ábra - A nedves anizotróp marás elindítása), káliumhidroxid (KOH) segítségével. Ezt azonban egy bizonyos idő után meg kell szakítani.

forrás: CSEM SA

5.48. ábra - A nedves anizotróp marási folyamat befejezése

Ismét strukturálás következik, a rugalmas elem feletti védőréteg eltávolítása, majd a marási folyamat folytatása egészen addig, míg a laprugó vastagsága el nem éri a 20 μm vastagságot, ahogyan az az (5.48. ábra - A nedves anizotróp marási folyamat befejezése) ábrán is látható.

forrás: CSEM SA

5.49. ábra - A felső és az alsó fegyverzetet alkotó szilíciumszelet hozzákötése a középső szelethez

Ezután anódos kötéssel a középső szilícium szelethez hozzákötik az alsó és felső szilícium szeletet (5.49. ábra - A felső és az alsó fegyverzetet alkotó szilíciumszelet hozzákötése a középső szelethez). Ezzel tulajdonképpen a mikromechanikai rész már elkészült.

forrás: CSEM SA

5.50. ábra - A kész mikromechanikai gyorsulásmérő

Következő műveletként a kivezetéseket alumínium (Al) gőzöléssel vonják be (5.50. ábra - A kész mikromechanikai gyorsulásmérő), majd ezután következik a darabolás.

forrás: CSEM SA

5.51. ábra - A gyorsulásmérő felragasztása a kerámia hordozóra

A gyorsulásmérőt a huzalozást már tartalmazó kerámia lapkára ragasztják (5.51. ábra - A gyorsulásmérő felragasztása a kerámia hordozóra), majd emellé hozzáerősítik a jelfeldolgozó áramkört, és a kalibrálási konstansokat tartalmazó EEPROM (Erasable Electrically Programable Read Only Memory) áramköröket is. A kivezetések 25 μm átmérőjű aranyhuzalból készülnek, a tokozás előtti állapotot mutatja a már korábban bemutatott 5.41. ábra - Tömbi mikromechanikai technológiákkal kialakított gyorsulásmérő tokozás előtti képe.

A mikromechanikai eljárásokat abból a szempontból két nagy csoportba szokás sorolni, hogy az eszközök előállításánál a laterális, síkbeli méretekhez képest mekkorák a mélységi méretek. Ha a mélységi méretek relatíve kicsinyek a laterális méretekhez viszonyítva (néhány μm-től néhányszor 10 μm-ig terjednek), felületi mikromechanikáról beszélünk (surface microachining). Amennyiben a mélységi méretek nagyobbak, ezek általában más technológiai lépéseket igényelnek, és ilyenkor tömbi mikromechanikáról beszélünk (bulk micromachining). A felületi mikromechanika technológiája általában kevesebb ráfordítást igényel, és így olcsóbb, mint a tömbi mikromechanikai eljárások. A gyorsulásmérőknél mind a felületi, mind a tömbi mikromechanikai technológiákat használják.

A gépjármű technikában a gyorsulásmérő szenzorok egyik tipikus alkalmazási területe az utas biztonságot szolgáló légzsákok vezérlésére szolgáló szenzorok területe. Ezeket ma felületi mikromechanikai technológiákkal készítik. Egy jellemző kialakítást mutat az 5.52. ábra - Légzsák vezérléshez kifejlesztett gyorsulásmérő.

forrás: Bosch

5.52. ábra - Légzsák vezérléshez kifejlesztett gyorsulásmérő

A külső ház (5) robusztus és viszonylag nagy, ebben helyezkedik el a (4) áramköri szerelőlap, amely az 1 gyorsulásmérő modult tartalmazza szabványos SOIC 16 (Small Outline IC) tokozásban. Ezen belül található a felületi mikromechanikával készült (3) gyorsulásmérő szenzor, és a mellé szerelt kiértékelő áramköröket tartalmazó (2) chip. A szenzor természetesen itt is tartalmaz egy rugalmasan felfüggesztett szeizmikus tömeget, amely a gyorsulás (lassulás) hatására elmozdul. Az elmozdulást kapacitív úton mérik, fésűszerűen kialakított fegyverzetekkel, amelyeket a következő ábrákon mutatunk be. A szenzort a gépjármű oldalsó részébe, (oldallégzsák) és a lökhárító közelében szerelik fel, ahonnan kábelek segítségével fogják vezérelni az értékhatárt túllépő lassulások esetében a légzsákokat, pontosabban a légzsákok pirotechnikai töltetét vezérlő elektronikus áramköröket.

Egy ilyen felületi mikromechanikai eljárásokkal készült gyorsulásmérő működési elvét mutatja az 5.53. ábra - A felületi mikromechanikával készült gyorsulásmérő működési elve. A baloldali ábrán nincs gyorsulás, a szeizmikus tömeg nyugalomban van, a C ₁ és C ₂ kapacitások egyenlők. Vízszintes gyorsulás esetén a rugalmas felfüggesztés következtében a szeizmikus tömeg elmozdul, C ₁ kapacitás kisebb, C ₂ kapacitás nagyobb lesz, a kapacitív híd egyensúlya felborul. Ennek megmérése a jelfeldolgozó áramkör feladata lesz.

forrás: Mescheder: Mikrosystemtechnik

5.53. ábra - A felületi mikromechanikával készült gyorsulásmérő működési elve

A valóságos mikromechanikai struktúra axonometrikus rajzát az 5.54. ábra - Felületi mikromechanikával készült egytengelyes gyorsulásmérő axonometrikus rajza mutatja. Az eszköz lényeges eleme az (1) rugóztatott szeizmikus tömeg a mozgó elektródákkal. A felfüggesztés a (2) rugók segítségével történik. A rögzített elektródák (3), és (6) adják a másik két kondenzátor fegyverzetet az Al-vezetőpályák (4) segítségével. A kivezetések (bond-pads) céljára az (5) felületek (pads) állnak rendelkezésre, a (7) SiO₂ réteg a szigetelést szolgálja.

forrás: Bosch

5.54. ábra - Felületi mikromechanikával készült egytengelyes gyorsulásmérő axonometrikus rajza

Az ilyen elven készült gyorsulásmérők mérési tartománya 50-100 g, alsó határfrekvenciájuk akár 0 Hz is lehet (a gravitációs gyorsulást a kapacitív mérési elvnek köszönhetően nyugalmi helyzetben is kimutatják), a felső határfrekvencia a több kHz-es tartományban van. A mikromechanikai szerkezet élhossza 100-500 µm. A gyorsulásmérők kapacitása hozzávetőlegesen 1 pF. Ez igen kis érték, amely miatt a mérő-feldolgozó áramkört a szenzorhoz minél közelebb kell elhelyezni. A gyorsulásmérők gyakran egychipes kivitelűek (one chip design), tehát a kapacitív mérőhidat és jelfeldolgozó áramkört is ugyanazon a Si kristályon alakítják ki, ahol a mikromechanikai szerkezet is van. Az áramkör kompenzációt és öntesztelési lehetőséget is szokott tartalmazni. Elektrosztatikus gerjesztéssel megvizsgálható, hogy a rendszer lengőképes-e, amellyel a szenzor biztonsága és megbízhatósága jelentősen emelhető. Az előbbi mikromechanikai szerkezet elektronmikroszkópos képét az 5.55. ábra - A gyorsulásmérő mikroszkópos képe mutatja. Jól látható, hogy a laterális, (síkbeli) méretek sokkal nagyobbak, mint a mélységi méretek, ezért ez egy tipikus felületi mikromechanikai struktúra. Az ábrán (1) a szeizmikus tömeget, (2) a felfüggesztő rugót, és (3) a rögzített elektródákat mutatja.

forrás: Bosch

5.55. ábra - A gyorsulásmérő mikroszkópos képe

Az előbbi ábra kinagyított részletét, a fésűs elektródákat jól láthatóan mutatja az 5.56. ábra - A kinagyított fésűs elektródák.

forrás: Mescheder: Mikrosystemtechnik

5.56. ábra - A kinagyított fésűs elektródák

Ezek a gyorsulásmérők természetesen csak egy irányban mérnek, kifejezett műszertechnikai feltétel, hogy a keresztirányú érzékenység minél kisebb legyen.

forrás: Mescheder: Mikrosystemtechnik

5.57. ábra - A gyorsulásmérő feldolgozó áramkörei

A gyorsulásmérő feldolgozó áramköreit vázlatosan az 5.57. ábra - A gyorsulásmérő feldolgozó áramkörei mutatja. Ezek közül a működéshez legfontosabb az 1 MHz-es oszcillátor, amelynek ellenfázisban érkező jelei az álló elektródákra (fegyverzetekre) kerülnek. A mozgó elektródán megjelenő jelet az impedancia illesztő áramkör után egy szinkron demodulátorra vezetik, ahol a jel amplitúdóján kívül annak az oszcillátorhoz viszonyított fázisát is figyelni kell. Ezután egy erősítőfokozat következik, a kimenet analóg feszültség.

A légzsákok elektronikáját vezérlő gyorsulásmérőket is nagyon robusztus tokozással látják el, érthető okokból, hiszen ezeknek az ütközéskor is helyesen kell működniük. Egy oldallégzsákhoz kifejlesztett mikromechanikai gyorsulásmérő képét mutatja az 5.58. ábra - Oldal légzsákok vezérlésére kifejlesztett gyorsulásmérő képe.

forrás: Bosch

5.58. ábra - Oldal légzsákok vezérlésére kifejlesztett gyorsulásmérő képe

Az (5.59. ábra - A Bosch PAS 2 gyorsulásmérőjének képe tokozás előtt) ábrán a Bosch korai, PAS 2 (100g) típusú gyorsulás szenzorát mutatja, tokozás előtt. Látható, hogy a fém tokban kerámia hordozón helyezkednek el a mikromechanikai és a mikroelektronikai chipek, sőt itt még az SMD (Surface Mounting Device) kondenzátorok is, a chipek mikrohuzalokkal csatlakoznak a hordozón kialakított vezetékekhez. A kész modulra egy fém sapkát illesztenek, amelyet a széleken körbe vagy ellenállás, vagy elektronsugaras hegesztéssel zárnak le.

forrás: Bosch

5.59. ábra - A Bosch PAS 2 gyorsulásmérőjének képe tokozás előtt

A jelenlegi (2010-es évek eleje) technológiai szintet a Bosch SMB363 gyorsulásmérője képviseli, amelynek képe az (5.60. ábra - A Bosch SMB363 gyorsulásmérőinek képe) ábrán látható.

forrás: Bosch

5.60. ábra - A Bosch SMB363 gyorsulásmérőinek képe

Ez a gyorsulásmérő három egymásra merőleges tengely mentén méri a gyorsulást, így lehetőség van a gravitációs gyorsulás abszolút értékének és a szenzorhoz viszonyított irányának meghatározására is. Az eszköz két chipet tartalmaz: egy mikromechanikai szenzoregységet, és egy feldolgozó elektronikus egységet. A mérés elve: differenciális kapacitív mérőhíd. A gyorsulásmérő három független analóg kimenettel rendelkezik. A méréstartomány ± 2g, az érzékenység mind a három tengelyre S= V _DD /5/1g, azaz 1 g gyorsulásra a tápfeszültség ötödrésze. A tipikus tápfeszültség V _DD = 2,5 V. Megjegyezzük, hogy az előzőekben a g nem grammot, hanem a gravitációs gyorsulást jelenti, az mg ennek ezredrészét, a μg a nehézségi gyorsulás milliomodrészét jelenti. Mivel a gyorsulás vektoros mennyiség, fontos műszertechnikai követelmény, hogy az egyes tengelyek mentén mérő gyorsulásmérők a tengelyekre merőleges irányú gyorsulásokra érzéketlenek (vagy legalábbis elhanyagolható mértékben érzékenyek) legyenek. Ez a fogalom a keresztirányú érzékenység, amely ennél a gyorsulásmérőnél ± 0,2 % a végkitérésre vonatkoztatva. Ha egy eszköznek nagy a keresztirányú érzékenysége, lehetetlen pontosan meghatározni egy ismeretlen térbeli gyorsulás irányát, ami a robottechnikában sokszor nagyon hátrányos lenne. A gyorsulásmérő teljes öntesztelési lehetőséggel rendelkezik, ez a funkció a hagyományos gyorsulásmérőknél nem létezett. Zérus gyorsulásnál a kimeneti feszültség a tápfeszültség fele, amely működés közben a gyorsulás előjelétől függően csökken, vagy nő. Az áramfelvétel rendkívül kicsi, normál üzemben 0,2 mA, készenléti (standby) üzemmódban 1 μA. A készenléti üzemmódból a szenzor 1 ms alatt képes normál üzemmódba átkapcsolni. A gyorsulásmérő sávszélessége kb. 1 kHz, tokozása megfelel a legkorszerűbb felületszerelési technológiának (QFN package, quad flat no lead), a mérete 4x4x1,2 mm. A felhasználó számára az is fontos, hogy a szenzort nem kell utólag kalibrálni, a kimenet gyárilag kalibrálva van. A működési hőmérséklettartomány -40 °C-tól + 65 °C-ig terjed, a zérus gyorsuláshoz tartozó hőmérsékleti drift ± 2 mg/°K. Az eszköz nonlinearitása a végkitérésre vonatkoztatva ± 0,5%, ami a szenzortechnikában igen jó értéknek számít. A gyártás a szilícium felületi mikrotechnológián alapul, a gyártott darabszám több, mint 100 millió. Összegezve: a bemutatott gyorsulásmérőt nagymértékű integrációs fok jellemzi, párosulva a kiváló műszaki jellemzőkkel, ezekkel is jól példázva a MEMS-ek előnyös (más módon el nem érhető) tulajdonságait.

A legújabb fejlesztésű 3 tengelyes gyorsulásmérő családot Bosch BMA 250, 255, 280, 355 típusok, különböző (2 g, 4g, 8g és 16 g) méréshatárokkal, és digitális kimenettel, 10-14 bites feloldással az 5.61. ábra - A Bosch BMA típusú gyorsulásmérőinek képe mutatja. A méretekre jellemző, hogy például a BMA 280 mindössze 2x2x0,95 mm méretű. A gyorsulásmérőket mobil telefonokba és egyéb kereskedelmi elektronikus berendezésekbe ajánlják. A mikromechanikai gyorsulásmérők mérési elve: kapacitív.

forrás: Bosch

5.61. ábra - A Bosch BMA típusú gyorsulásmérőinek képe

Gyorsulásmérő szenzorokat piezoelektromos működési elven is lehet készíteni, sőt, régebben a gyorsulásmérőket szinte kizárólag ezen az elven készítették. A piezoelektromos effektust használó eszközök általános tulajdonsága, hogy mivel működésük a töltés-szétválasztás elvén alapul, a keletkezett töltések előbb-utóbb elfogynak, emiatt alsó határfrekvenciájuk soha nem lehet zérus. A másik fontos tulajdonság, hogy a nagy piezoelektromos effektust mutató anyagoknál a környezeti hatások befolyása (hőmérséklet, légnedvesség) meglehetősen erős. Viszont azoknál az anyagoknál, amelyeknél a piezoelektromos állandó értéke kicsi, a környezeti hatások (például a hőmérséklet) befolyása is kicsi. Ilyen anyag például a monokristályos kvarc, és ezért készül kvarcból a legtöbb piezoelektromos szenzor. Aktuátorokban viszont inkább a pontatlanabb, környezeti változásokra érzékenyebb, de nagy effektust mutató kerámia anyagokat használják fel.

forrás: Bosch

5.62. ábra - A piezoelektromos mérési elv

A mikrotechnikában alkalmazott mérési elvet az 5.62. ábra - A piezoelektromos mérési elv mutatja. A szenzor lényege két polaritás helyesen összeragasztott, és egy oldalon befogott piezo elem, amelyet a fellépő gyorsulás hatására fellépő F erő hajlításra kényszerít. A szeizmikus tömeg itt maga a piezo elem. A mechanikai feszültség hatására töltésszétválasztás történik, amelyből villamos feszültséget is (áramot is) könnyű előállítani. A feszültség a töltéstől és a piezo elem saját kapacitásától függ, a jól ismert q=C·U összefüggés alapján. A C kapacitás elsősorban a piezo elem saját kapacitását jelenti, azonban ehhez még hozzá kell számolni a járulékos (feldolgozó áramkör bemeneti kapacitása, kábelkapacitás, stb.) kapacitásokat is. Fontos megjegyezni, hogy a piezo átalakítók áramkörileg kapacitív forrással, illetve az aktuátorok kapacitív terheléssel modellezhetők, mert a piezo anyagok szigetelők, amelyeknek dielektromos állandójuk van, a töltéseket pedig fém fegyverzetek gyűjtik össze, amelyeknek felülete van, tehát akarva-akaratlanul a piezo tulajdonság mellett kondenzátort is alkotnak.

A piezoelektromos elven működő szenzorok mérésére két lehetőség kínálkozik (5.63. ábra - A piezoelektromos szenzorok jelfeldolgozása. a: elektrométer erősítő, b: töltéserősítő). Az egyik a nagyon nagy bemeneti ellenállással rendelkező ú. n. elektrométer erősítő. Ezek bemeneti ellenállása 10¹⁶ Ω (100 teraohm) körül van. A nagy bemeneti ellenállás azért szükséges, hogy a nagy bemeneti ellenállás miatt a bemeneti áram minél kisebb legyen, és minél kisebb mértékben fogyassza el azt a töltésmennyiséget, amely a piezo effektus következtében rendelkezésre áll. Más szavakkal kifejezve: minél nagyobb legyen az áramkör időállandója.

forrás: Bosch

5.63. ábra - A piezoelektromos szenzorok jelfeldolgozása. a: elektrométer erősítő, b: töltéserősítő

A másik módszer a piezo effektus során keletkezett töltések mérésére a töltéserősítő, amelynek vázlatát a b ábra mutatja. Ennek a mérési módszernek óriási előnye, hogy a műveleti erősítő invertáló bemenetén gyakorlatilag nulla a feszültség, tehát a piezo elem fegyverzetei között nincs feszültség, amely a töltések kiegyenlítésének az irányában hat. Az áramkör helyes működéséhez az kell, hogy a műveleti erősítő bemeneti árama minél kisebb legyen. A kimeneti feszültséget a C _M visszacsatoló ágban lévő kondenzátor kapacitása határozza meg. (Az elektrométeres erősítő feszültségerősítése egységnyi.) A piezoelektromos átalakítókkal elvileg sztatikus jeleket nem lehet mérni, ezért az alsó határfrekvencia 1…10 Hz között szokott lenni.

forrás: Bosch

5.64. ábra - A Bosch cég külömböző gyorsulásmérői

Az (5.64. ábra - A Bosch cég külömböző gyorsulásmérői) ábrán az autóipari gyorsulásmérők tekintetében vezető szerepet játszó Bosch cég különböző generációs gyorsulásmérőit láthatjuk. Az ábra bal oldalán a hibrid szerelésű piezoelektromos gyorsulásmérő látható, amelyet a cég 1984-1997 között gyártott. Középen az 1997-2002 között gyártott, szilícium mikromechanikával készített, kapacitív mérési elvet megvalósító két chip-es gyorsulásmérő látható. Jobb oldalon ennek továbbfejlesztett, 2002-től gyártott változata látható, amely ugyanúgy mikromechanikával készült, és kapacitív mérési elven működik.

Mikromechanikai gyorsulásmérők nyúlásmérő bélyegek alkalmazásával is készíthetők. Ilyenkor a szeizmikus tömeget legtöbbször négy rugalmas elemmel függesztik fel, és a rugalmas elemekre piezorezisztorokat integrálnak, a mikromechanikai kialakítást az 5.65. ábra - Nyúlásmérő bélyegekkel működő gyorsulásmérő, a nyúlásmérő bélyegek felfüggesztésre integrálását az 5.66. ábra - A nyúlásmérő bélyegek kialakítása mutatja.

forrás: SensEdu

5.65. ábra - Nyúlásmérő bélyegekkel működő gyorsulásmérő

forrás: SensEdu

5.66. ábra - A nyúlásmérő bélyegek kialakítása

A bélyegeknél elsősorban a piezorezisztivitást használják fel, tehát ezekben az esetekben a tenzometrikus hatás gyakorlatilag elhanyagolható lesz. A technológia: tömbi mikromechanika, ezen belül is a legjellemzőbb a Si anizotróp marása. A piezorezisztorok ellenállás változásának mérési elve: a jól ismert Wheatstone-híd, a hozzá tartozó teljes jelfeldolgozó elektronikával (vagy egyenfeszültségű, vagy vivőfrekvenciás mérőerősítő, kalibrálás, esetleg A/D átalakítás).

A gyorsulásmérők egyik fontos alkalmazási területe az autóiparban a passzív biztonságot szolgáló légzsákok vezérlésére szolgáló gyorsulásmérő. A fejlesztésnek itt is több generációja ismeretes, példaként az (5.67. ábra - Oldallégzsák vezérlésére kifejlesztett gyorsulásmérő képe) ábrán egy tokozott gyorsulásmérő képét mutatjuk be.

forrás: Bosch

5.67. ábra - Oldallégzsák vezérlésére kifejlesztett gyorsulásmérő képe

forrás: Bosch

5.68. ábra - Analóg gyorsulásmérő karakterisztikája

A gyorsulásmérő szenzor névleges mérési tartománya ±5g, tápfeszültsége 5 V, és zérus gyorsulásnál a kimeneti feszültség 2,5 V. Pozitív gyorsulásnál (+5g) a kimeneti feszültség 4,5 V-ra nő, míg ellenkező irányú gyorsulásnál 0,5 V-ra csökken. Ezt láthatjuk az 5.68. ábra - Analóg gyorsulásmérő karakterisztikája a pozitív-negatív gyorsulások függvényében.

A gyorsulásmérők egy újabb generációját képviselik a termodinamikai elven felépített gyorsulásmérők. Az alapelvet az 5.69. ábra - Nyugalmi helyzetben a felmelegített rész szimmetrikusan helyezkedik el mutatja. Ennek lényege, hogy egy szűk térben egy gázbuborékot (1) melegítenek fel, a (2) fűtőtest segítségével. A felmelegített gázbuboréknak lesz egy helytől függő hőmérséklet eloszlása, a hőmérsékletet a szimmetrikusan elhelyezett (3) hőmérséklet érzékelőkkel mérni lehet. Ez az eloszlás abban az esetben szimmetrikus lesz, ha nincs gyorsulás (5.69. ábra - Nyugalmi helyzetben a felmelegített rész szimmetrikusan helyezkedik el, és más ábrázolásban 5.71. ábra - Nyugalmi állapot, amikor a rendszerre nem hat gyorsulás). Ha van laterális gyorsulás, a felmelegített gáz elmozdul, a szimmetria felborul, és a hőmérséklet eloszlása megváltozik (5.70. ábra - Gyorsulás esetén a szimmetria felborul és 5.72. ábra - A szenzorra gyorsulás hat vízszintesen és bal irányból). Ez a változás alkalmasan elhelyezett hőmérséklet érzékelőkkel jól detektálható. A gyorsulásmérő mikromechanikai kivitelű, igen kis méretekről, és igen kis fűtőteljesítményekről van szó.

forrás: Bosch

5.69. ábra - Nyugalmi helyzetben a felmelegített rész szimmetrikusan helyezkedik el

forrás: Bosch

5.70. ábra - Gyorsulás esetén a szimmetria felborul

forrás: Memsic

5.71. ábra - Nyugalmi állapot, amikor a rendszerre nem hat gyorsulás

forrás: Memsic

5.72. ábra - A szenzorra gyorsulás hat vízszintesen és bal irányból

forrás: Memsic

5.73. ábra - A fűtőtest és a hőmérséklet mérő szenzorok mikromechanikai kialakítása

A termikus gyorsulásmérő valóságos kialakítását az 5.73. ábra - A fűtőtest és a hőmérséklet mérő szenzorok mikromechanikai kialakítása mutatja.

forrás: Memsic

5.74. ábra - Gyorsulás esetén a hőmérsékleti eloszlás megváltozik

A fűtőelem mellett kettő, vagy kéttengelyű szenzor esetében négy hőmérséklet érzékelő van. Ha a rendszert gyorsulás éri, az egyensúly felborul (ezt mutatja az 5.74. ábra - Gyorsulás esetén a hőmérsékleti eloszlás megváltozik), ennek mértéke pedig arányos lesz a gyorsulással. Az ilyen elven működő szenzorok érzékenysége az 1 mg-os tartományban van, ütésállósága rendkívüli, hozzávetőlegesen 50 000 g, és határfrekvencia 100 Hz körül van.

A mikromechanikai szögsebesség érzékelők az 1990-es években jelentek meg a gépjárművek ESP (Electronic Stability Program) programjában. A szenzorok elsődleges feladata a jármű függőleges tengelye körüli szögelfordulásának, illetve szögsebességének érzékelése. A szenzorok érzékelik a jármű normális üzemviszonyok melletti kanyarodását is, de a jármű kisodródását vagy kitörését is. A menetviszonyok ismeretében a rendszer képes eldönteni, hogy normális vagy rendellenes működésről van szó, és ha az utóbbi mellett dönt, az ember helyett beavatkozik olyan gyorsan, és olyan mértékben, hogy a jármű irányíthatósága megmaradjon. Bizonyított tény ugyanis, hogy az intelligens mechatronikai rendszer akkor is képes uralni a jármű viselkedését, amikor arra az ember már nem képes, vagy nincs rá felkészülve. Ez természetesen nem jelenti azt, hogy a fizikai törvényeket meg tudjuk változtatni, a rendszer nem mindenható, de képes elmenni a fizikai törvények adta lehetőségek határáig.

forrás: BME Elektronikus Jármű és Járműirányítási Tudásközpont

5.75. ábra - Az elektronikusan vezérelt jármű tartósan képes két keréken haladni

A vezetői beavatkozás nélkül, önállóan és automatikusan kormányzó, gyorsító és fékező Smart azt illusztrálja, hogy az intelligens jármű alkalmas sokkal összetettebb feladatok és manőverek megvalósítására, mint az ember. Képes tartósan és biztonságosan két keréken haladni anélkül, hogy a vezető a kormányhoz vagy a gázpedálhoz érne (a vezető nem kormányoz, felteszi mindkét kezét, 5.75. ábra - Az elektronikusan vezérelt jármű tartósan képes két keréken haladni).

Mindez bizonyítja, hogy az intelligens járműrendszerek olyan kritikus helyzetekben is uralni tudják az autót, amikor az már meghaladja a vezető képességeit és gyorsaságát.

A klasszikus gépészeti-finommechanikai megoldás a szöghelyzet változásának érzékelésére a giroszkópnak nevezett eszköz (5.76. ábra - A klasszikus mechanikai giroszkóp elve), amelynek lényege egy jól csapágyazott és gondosan kiegyensúlyozott tömeg, amelyet viszonylag nagy fordulatszámra pörgetnek fel. A pörgettyű meg akarja tartani forgási síkját, amelyet lehetővé is teszünk a pörgettyűt körülvevő szintén jól csapágyazott keretekkel. A kereteket akármilyen irányban elforgathatjuk a térben, a két, egymásra merőleges tengely irányában csapágyazott keretek ezt lehetővé teszik. Közben a pörgettyű megtartja forgási síkját, a keretek elfordulását pedig mérni tudjuk, így a giroszkóp szöghelyzet érzékelésére lesz alkalmas.

forrás:robotee.com

5.76. ábra - A klasszikus mechanikai giroszkóp elve

A giroszkóp tipikus alkalmazási területei: a repülőgépiparban műhorizont, az autóiparban az ESP a robottechikában térbeli szöghelyzet érzékelés, a hadiiparban és az űrkutatásban a rakétatechnika. Látható, hogy a giroszkóp, vagyis a szöghelyzet vagy szögsebesség érzékelése nagyon fontos érzékelési feladat, amelyet azonban ma már nem a klasszikus gépészeti szerkezettel oldanak meg. A mai giroszkópok (microgyrometers) mikromechanikai (és mikroelektronikai) rendszerek, azaz MEMS-ek. A mechanika a szenzortechnikából tehát nem tűnik el, hanem átalakul, más formában jelenik meg. Ma a MEMS-ek nagy részét ugyanolyan tokozásban hozzák forgalomba, mint az IC-ket (Integrated Circuits), sokszor a felhasználó nem is tudja, hogy a beforrasztott tokban nemcsak elektronikus áramkör van, hanem ugyanabban a tokban a mikromechanikai rendszer is megtalálható, sőt, elengedhetetlen (elsődleges) része a teljes szenzornak.

forrás: Bosch

5.77. ábra - Mikromechanikai giroszkóp

Az 5.77. ábra - Mikromechanikai giroszkóp példaképpen egy mikromechanikai szerkezetet és egy hozzá kifejlesztett mikroelektronikai áramkört tartalmaz egyetlen tokban (két chipes MEMS, Bosch DRS-MM2).

A mikromechanikai giroszkópok (microgyrometers) nagy bonyolultságú mikromechanikai-mikroelektronikai eszközök. Mivel a forgó mozgást a mikromechanikában nehezebb megvalósítani, mint a harmonikus rezgő mozgást, az utóbbit alkalmazzák, már csak azért is, mert a rugalmas rendszereknél veszteségeket csak az anyag belső súrlódása, meg a légsúrlódás okoz, tehát ezeknél kisebb lesz az energiafelhasználás. A mikrogiroszkópokra több konstrukciós megoldást fejlesztettek ki, ezek közül kicsit részletesebben az Analog Devices cég ADXRS 300 típusát mutatjuk be. Az eszközzel 300 °/s szögsebesség változást lehet érzékelni, az érzékenység 5 mV/°/s, a maximális kimenő feszültség 1,5 V. Az eszköz felületi mikromechanikai technológiákkal készül, és a mikromechanikai rész egybe van integrálva a mikroelektronikai résszel (egychipes megoldás). Az eszköz energiafelhasználása, lökésekkel és rázással szembeni ellenállása sokkal nagyobb, mint a hagyományos eszközöké, tömege összehasonlíthatatlanul kisebb. A mérés elve a következő (5.78. ábra - A Coriolis-gyorsulás keletkezése): a mechanikából ismeretes, hogy állandó szögsebességgel (ω) forgó rendszerben, ha sugárirányban (r) kifelé (vagy befelé) haladunk v sebességgel, Coriolis gyorsulás lép fel. (Gaspard G. de Coriolis, 1792-1843, francia matematikus volt, a gyorsulásnak ezt a fajtáját az Ő tiszteletére nevezték el.)