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Dispositivos Micromecánicos de Silicio - Monografía



 
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Electrónica. Semiconductores. Microelectrónico. Monocristales. Fotolitografía. Grabados isotrópicos. Sensores. Conductores eléctricos



APÉNDICE



Dispositivos micromecánicos de silício



1.- INTRODUCCIÓN.



A lo largo de los últimos 30 años el silicio se ha convertido en la materia prima para la fabricación de componentes y sistemas electrónicos. Bajo la forma de elemento microelectrónico o pastilla (”chip”), el silicio se encuentra en sistemas tan diversos como las máquinas lavavajillas o los dispositivos de control de los transbordadores espaciales.  La utilización de sus propiedades eléctricas se ha visto acompañada por una menos conocida exploración de otras características y aplicaciones potenciales suyas.  Esta investigación ha conducido al desarrollo de una tecnología conocida con el nombre de micromecanización, que permite construir dispositivos mecánicos de silicio casi tan pequeños como los microelectrónicos.
La micromecanización se inicia con las mismas técnicas de fabricación en serie que han abaratado los elementos de circuitos integrados de silicio.  Estas técnicas posibilitan la fabricación simultánea de un gran número de elementos; en consecuencia, el coste de producción se reparte entre todos ellos.  La micromecanización se basa en estos mismos principios y utiliza además las técnicas de grabado químico; con todo ello es capaz de producir una amplia serie de elementos tridimensionales: pozos, agujeros, pirámides, surcos, hemisferios, puentes, diafragmas, agujas y muros.  Por combinación de estos elementos estructurales se construyen múltiples dispositivos mecánicos.
Entre los micromecanismos de silicio que se han construido cabe citar válvulas, muelles, espejos, toberas, conectadores, cabezas impresoras, tableros de circuitos, sumideros de calor y sensores de magnitudes tales como fuerza, presión, aceleración y concentración química.  Incluso un dispositivo de la complejidad del cromatógrafo de gases, instrumento que identifica y mide la proporción en que se encuentran unos gases en una mezcla desconocida, se puede construir en un disco de silicio de escasos centímetros de diámetro.
Gran parte del interés de los dispositivos micromecánicos radica en la necesidad de disponer de sensores que sean lo más económicos y versátiles posible. Hasta épocas recientes, los componentes electrónicos de los sistemas de control automáticos y de los instrumentos de medida costaban más que los sensores.  Con la llegada de los microprocesadores, el coste de todos estos componentes electrónicos se abarató considerablemente.  Los sensores fabricados en serie reemplazaron a los sensores montados manualmente, mucho más caros, de la misma forma que los circuitos de silicio fabricados en serie sustituyeron a los dispositivos de válvulas de vacío.
El último avance en este campo es el sensor integrado, un elemento de silicio que incluye tanto el sensor como la electrónica que procesa subsiguientemente la señal.  Los sensores integrados son más económicos que los sensores ordinarios y los componentes electrónicos necesarios fabricados por separado.  Por otra parte, debido a que la señal es menos vulnerable al ruido y a las pérdidas, los sensores integrados se comportan mejor que los sensores discretos y permiten una amplia variedad de aplicaciones.


1.1- Características del silicio.



El silicio es un semiconductor, uno de los elementos situados entre los metales y los no metales en el sistema periódico de los elementos.  Sin embargo, se distingue de los otros semiconductores porque se oxida con facilidad.   El silicio forma  una capa superficial de dióxido de silicio (SiO2), cuando se expone a la acción del vapor de agua.  Esta capa es químicamente inerte y un aislante eléctrico; esencialmente es un vidrio.  Las capas de óxido se utilizan para proteger ciertas zonas del silicio durante el proceso de fabricación en serie de dispositivos microelectrónicos.  Este es el motivo por el cual la mayoría de estos dispositivos están fabricados en silicio y no con otros semiconductores, germanio por ejemplo.  La micromecanización hace amplio uso de estas capas superficiales de óxido de silicio.
El silicio que se emplea en la industria microelectrónica toma la forma de monocristales cuya producción es, en sí misma, una técnica muy refinada, basada en la preparación de monocristales de silicio, en forma de barras de 10 centímetros de diámetro por un metro de longitud; estas barras se cortan posteriormente en rodajas finas de 0,2 a 0,5 milímetros de grosor.  A continuación, se pulimenta esas obleas hasta conseguir un acabado especular.  La estructura cristalina homogénea del material le proporciona las propiedades eléctricas que se necesitan en los circuitos microelectrónicos.  Por otra parte, el silicio posee también excelentes propiedades mecánicas.
El silicio está situado inmediatamente  debajo del carbono en el sistema periódico y da lugar al mismo tipo de cristal que el diamante, aunque los enlaces interatómicos son un tanto más débiles.  Los monocristales de silicio, frágiles, quiebran como los diamantes, pero su dureza es mayor que la de la mayoría de los metales.  Los monocristales de silicio se muestran sorprendentemente resistentes a los esfuerzos mecánicos.  Tanto en la tensión como en la compresión, su límite de elasticidad es mayor que el del acero; por otra parte, cuando se alcanza dicho límite, el silicio se fractura en tanto que el acero se deforma inelásticamente.  Por último, los monocristales de silicio se mantienen inalterados bajo ciclos repetidos de tensiones y compresiones, en tanto que los metales policristalinos tienden a debilitarse y romperse debido a las tensiones acumuladas en las zonas intercristalinas.

2.- PROCESO FABRICACIÓN.



2.1- Fotolitografía.



Tanto en la micromecanización como la fabricación microelectrónica se inicia con la fotolitografía, la técnica fotográfica para transferir copias, a partir de un original, a la superficie del disco de silicio.  El primer paso de la fotolitografía consiste en hacer crecer una capa delgada de óxido sobre la superficie del disco calentándola entre 800 y 1200 grados Celsius en una atmósfera de vapor de agua. (También se puede utilizar oxígeno seco, pero la acción del vapor de agua es mucho más rápida.)  A continuación, se deposita sobre la superficie de oxido una capa delgada de un polímero orgánico sensible a la radiación ultravioleta.   En contacto con esta placa se coloca una plantilla especial, constituida generalmente por una placa de vidrio sobre la que existe una figura metálica; el conjunto se expone a  la radiación ultravioleta.  El metal de la pantalla es opaco a esta radiación; el vidrio transparente.  La radiación origina una reacción química en las zonas expuestas de la lámina.  Si la sustancia protectora fotosensible es del tipo positivo, la reacción rebaja el polímero, mientras que si es del tipo negativo la reacción fortalece el polímero.  La lámina se sumerge en un líquido revelador capaz de eliminar las zonas expuestas o las no expuestas, con lo que se obtiene sobre la superficie de la lámina una figura con óxido al descubierto y con óxido protegido por la capa fotosensible sobre la superficie de la lámina.  Esta figura es la imagen positiva o negativa del original grabado en la plantilla.
Más tarde la lámina se sumerge en una solución de ácido fluorhídrico, que ataca al óxido pero no a la sustancia fotosensible ni al silicio que está situado bajo ella.  La capa fotosensible protege las zonas del óxido que cubre.  Una vez que el óxido expuesto ha sido eliminado, la sustancia fotosensible residual se puede eliminar a su vez con ácido sulfúrico caliente, dado que este ataca a la sustancia fotosensible pero no al óxido ni al silicio. El resultado final de todo el proceso es una figura de óxido sobre la superficie del disco que duplica exactamente la imagen de la capa protectora fotosensible y que, por tanto, es una copia positiva o negativa de la plantilla. La figura de óxido sirve de plantilla en los pasos subsiguientes del proceso.

2.2- El grabado químico.


Es en este punto en donde la micromecanización difiere de la fabricación del elementos microelectrónicos.  Al procesar un dispositivo electrónico, la figura de óxido sirve de plantilla durante la adición a la oblea de impurezas (”dopado”) tales como boro o fósforo.  Al calentar el disco, los átomos de impurezas depositados sobre su superficie se difunden ligeramente en el silicio no recubierto por el óxido y se crean así las regiones conductivas o resistivas que son la base de los dispositivos microelectrónicos.  En la micromecanización, el óxido se  utiliza como máscara durante el proceso de grabado químico. Los grabadores atacan el silicio no cubierto por la capa de óxido y escavan pozos tridimensionales profundos en el disco.
En la micromecanización del silicio se utilizan dos tipos de grabadores.  Los llamados grabadores isotrópicos atacan al cristal de silicio con la misma intensidad en todas direcciones y crean formas redondeadas.  Los grabadores no isotrópicos, conocidos también como grabadores cristalográficos dependientes de la orientación, atacan al cristal con intensidades variables según las distintas direcciones de la red cristalina; las figuras que originan estos grabadores presentan formas muy bien definidas, con bordes delimitados.  Los grabadores isotrópicos más utilizados están constituidos por mezclas de ácidos fluorhídrico, nítrico y acético (conocidos como grabadores HNA).  Los grabadores anisotrópicos son todos ellos soluciones alcalinas calientes: la disolución acuosa del hidróxido potásico (KOH) o hidróxido sódico (NAOH) y una mezcla de etilenodiamina, pirocatecol y agua conocida por EDP.
En la micromecanización se utilizan más los grabadores anisotrópicos que los isotrópicos.  Una operación de micromecanización típica, el grabado de una fila de agujeros que atraviesen totalmente el disco base, nos proporciona la explicación de este hecho.  Un grabador isotrópico se mueve a partir de una abertura en el recubrimiento del óxido, ensanchando el pozo grabado al mismo tiempo que profundiza en él.  El pozo en cuestión es al menos dos veces más ancho que profundo; las aberturas en el óxido estarán separadas entre sí una distancia (medida de borde a borde) que sea al menos igual al grosor del disco, si se pretende perforar con varios agujeros la oblea de silicio.  Por su parte, si se utilizan correctamente, los grabadores anisotrópicos originan pozos con paredes bien definidas, cuya profundidad se puede aumentar sin que aumente su anchura.  Por consiguiente, un grabador anisotrópico permite obtener filas de agujeros estrechamente espaciados entre sí; los bordes de las aberturas en la capa de óxido pueden estar tan próximos como permita la fotolitografía.
La forma del agujero que origina un grabador anisotrópico depende de la orientación de los planos atómicos en la oblea de silicio.  De la misma forma que una serie de filas monodímensionales de tallos de maíz se puede identificar bajo ángulos diferentes como un campo bidimensional, varios planos de átomos bidimensionales se sitúan según ángulos diferentes en un cristal tridimensional.  Los planos de átomos en el cristal se pueden identificar por medio de un sistema de coordenadas asignado al cristal.

2.3- Cristales de silicio.



Cada átomo de silicio se enlaza con  cuatro átomos próximos.  La estructura de los enlaces es tetraédrica, es decir, cada átomo está situado en el centro de un tetraedro definido por los cuatro átomos a los que dicho átomo está unido.  Esta estructura resulta inadecuada como base de un sistema coordinado, ya que los enlaces atómicos no forman ángulos rectos entre sí.  Es más conveniente considerar que un cristal de silicio está constituido por una serie de capas superpuestas de cubos idénticos.  Cada cubo posee un átomo en cada vértice y en el centro de cada cara y está entrelazado con los cuatro cubos más próximos.  Esta estructura cúbica centrada en las caras puede servir como base de un sistema de coordenadas.  Cualquier átomo se puede designar como el origen de un sistema de coordenadas cuyos ejes coinciden con las aristas del cubo al que pertenece dicho átomo. La unidad básica de medida es la longitud de la arista del cubo.  En el cristal, un vector o una dirección se describe mediante un conjunto de tres coordenadas conocidas por índices de Miller.  Así, el vector [110] cruza diagonalmente una de las caras del cubo unitario.  Las coordenadas de un vector dado se pueden designar también mediante un conjunto de planos atómicos perpendiculares a dicha dirección.  Concretamente, la notación (100) describe todos los planos perpendiculares al eje x. Merced a la simetría de la estructura del cristal, las direcciones x, y y z son intercambiables y se puede introducir una notación generalizada para describir todas las direcciones equivalentes y conjuntos de planos.  La notación <110> designa las diagonales a lo largo de cualquier cara del cubo unidad; la notación {110} designa el conjunto de planos perpendiculares a todos los vectores <110>.-Los diferentes corchetes y paréntesis sirven para diferenciar entre los planos y las direcciones y entre  los planos y direcciones generalizados y los planos y direcciones particulares.
Desconocemos los mecanismos que condicionan la dependencia de la velocidad de grabado de un grabador no isotrópico con la dirección del cristal.  Las diferencias en la velocidad de grabado dependen de la temperatura y de la composición del grabador y parecen estar relacionadas también con la densidad de enlaces atómicos existentes en el plano del  silicio expuesto a su acción  y con el radio de los iones hidróxilos hidratados en la solución de grabado.
Sin embargo, la experiencia ha demostrado que los planos {111} se graban muy lentamente, si es que lo son en algún grado, por parte de los grabadores anisotrópicos.  Por el contrario, los planos {110} se suelen grabar muy! rápidamente; los planos {100} lo ha con velocidad intermedia.  Los agujeros sencillos sólo pueden tener facetas {111}y {100}.  Otros planos de orden superior, así los planos {221}, se graban también con velocidad media y pueden aparecer como meras facetas de formas más complejas.

El tipo de agujero que un grabador anisotrópico forma en una oblea de silicio viene determinado por la orientación cristalina en su superficie, así como por la dependencia del grabador con respecto a la orientación del cristal . Los dos tipos de obleas de silicio más utilizadas en el grabado no isotrópico son las láminas <100> (donde los pianos {100} son paralelos a la superficie y una dirección <100> es perpendicular a ella) y las obleas <110> (donde los planos {110} son paralelos a la superficie y una dirección <110> es perpendicular a ella).
La orientación, el tamaño y la forma de la abertura del óxido superficial de una oblea de silicio interviene también de un modo destacado en la determinación del tipo de agujero formado, tal como ilustra el siguiente ejemplo.  Si se practica un agujero cuadrado en una capa de óxido sobre una oblea de tipo <100>, el tratamiento con un grabador anisotrópico puede crear un pozo en forma de pirámide invertida.  Cuatro conjuntos de planos (111) interseccionan con la superficie de una oblea <100> a lo largo de las dos direcciones perpendiculares <110> que existen en el plano superficial.  Durante el grabado anisotrópico, el plano de la superficie expuesta {100} se graba en profundidad a una velocidad constante; el pozo que se produce al principio del proceso de grabado tiene el fondo plano. Las paredes del pozo están constituidas por cuatro planos {111} (formando ángulos de 55 grados con la superficie).  A medida que el proceso de grabado avanza, nuevos planos {111} resultan expuestos y la zona del fondo plano se encoge.  Con el tiempo, los planos {111} se cortan en un punto; cuando tal ocurre, ha desaparecido el fondo plano al que nos estamos refiriendo.  Al llegar a esta situación se interrumpe el grabado, pues no restan planos susceptibles de ser atacados.

La abertura cuadrada del óxido debe estar alineada con una precisión de uno o dos grados respecto a las direcciones <110> de la superficie de la oblea, con el fin de obtener pozos piramidales que se correspondan exactamente con el recubrimiento de óxido en lugar de quedar girados respecto a él.  La mayoría de las obleas de silicio tienen un borde p plano paralelo a una de las direcciones <110>.  El recubrimiento cuadrado está alineado con este borde plano durante el proceso de fotolitografía que precede a la operación de grabado.
El tamaño de la figura dibujada en el óxido determina, además de la superficie del pozo, su profundidad.  En efecto, cuanto mayor es la abertura del cuadrado de óxido más profundo se encuentra el punto en el que los planos {111} interseccionan entre sí.  Si la abertura del óxido es bastante grande, los planos {111} no se cortan en el seno de la oblea.  En consecuencia, el pozo grabado alcanza la cara trasera de la oblea, creando pequeñas aberturas cuadradas en la superficie posterior.
La influencia de la forma de la abertura del óxido sobre la geometría del pozo grabado es evidente.  Si la abertura en el óxido depositado sobre una oblea < 100 > es rectangular y no cuadrada, el grabado crea una zanja larga y no una pirámide invertida.  Las paredes y los extremos de la zanja son planos {111}; si el grabado se completa, la sección transversal de la zanja adquiere forma de V.

2.4- 2ª unidad estructural.


Los pozos piramidales, las zanjas en forma de V y otros tipos de pozos y agujeros constituyen otros tantos elementos estructurales de los que se componen los dispositivos micromecánicos.  Una segunda unidad estructural es una membrana delgada de silicio.  Una membrana se puede formar atacando una oblea de silicio durante un período de tiempo ligeramente menor que el necesario para atravesarla.  Sin embargo, utilizando este método resulta muy difícil obtener diafragmas de espesor uniforme, dado que el espesor del diafragma viene determinado por el de la oblea y los espesores de ésta varían al menos en 10 micrómetros a lo largo de una misma y de una oblea a otra.
Las membranas con espesores y formas más precisos se obtienen mediante una técnica que se basa en otra propiedad de los grabadores anisotrópicos.  La velocidad con que las soluciones de grabado atacan a una oblea de silicio no sólo depende de la orientación del cristal, sino también de la cuantía con que el silicio se ha cargado con átomos de impurezas tales como boro, fósforo, arsénico o antimonio.
La velocidad de grabado de un grabador de endiente de las impurezas (una categoría intermedia entre los grabadores isotrópicos y los anisotrópicos) está limitada por el tipo de impurezas y de su concentración.  El grabador isotrópico HNA depende de las impurezas en ciertas mezclas; esta sustancia graba el silicio fuertemente cargado con impurezas mucho más deprisa que el silicio con pocas impurezas.  Por otra parte, los grabadores anisotrópicos, así el hidróxido de potasio y el EDP, atacan el silicio fuertemente cargado con boro mucho más lentamente de lo que lo hacen con el silicio poco cargado con boro.

El primer paso para crear una membrana por grabado anisotrópico consiste en desarrollar una zona de del proceso de grabado, constituida por una capa de silicio fuertemente cargado con boro, situada en la superficie de la oblea.  El proceso se inicia depositando una capa de alguna sustancia rica en boro sobre la superficie delantera de la lamina; a continuación, la oblea se canta entre 1000 y 1200 grados Celsius. A estas temperaturas, los átomos de boro se difunden en el silicio.  La profundidad de la capa de carga se controla variando la temperatura y la duración del proceso de difusión.  Si la lámina de silicio se trata, por su parte trasera, con un grabador anisotrópico,  el grabador la ataca hasta llegar a la capa delgada, y allí se detiene, creando una membrana cuyo espesor coincide con el de la capa de las impurezas presentes en la superficie de la lamina.
Si el diseñador de estos  dispositivos desea que la membrana en cuestión esté situada un tanto por debajo de la superficie de la oblea, procede a cargar su superficie de forma similar a como se ha explicado anteriormente; a continuación, desarrolla una capa de silicio sobre la capa de impurezas calentándola en una atmósfera de gas silano (SiH4).  Este gas se descompone a altas temperaturas; se produce un depósito de silicio sobre la superficie de la lámina. Esta nueva capa, llamada capa epitaxial, adquiere la misma estructura y orientación que el cristal de silicio sobre el que está depositada.  El espesor de la capa epitaxial suele ser del orden de 5 a 20 micrómetros.
Si la oblea se ataca por ambas caras con un grabador anisotrópico, se crea una membrana a una profundidad igual al espesor de la capa epitaxial.  El espesor de la membrana viene determinado, como siempre, por el espesor de la capa de impurezas de boro.

Un tercer ejemplo de estructura micromecánica es el puente voladizo, constituido por una barra delgada de dióxido de silicio apoyada solamente por uno de sus extremos.  En muchas aplicaciones este puente está suspendido sobre un pozo practicado en la oblea de silicio.  Las técnicas para construir el puente y el pozo fueron desarrolladas por un grupo de trabajo dirigido por Kurt E. Petersen, del Laboratorio de Investigación San José de la International Business Machines Corporation (IBM).  Estas técnicas se basan en dos propiedades de los grabadores anisotrópicos: su dependencia con respecto a las impurezas y su tendencia a socavar las capas de óxido según formas convexas.
Las aberturas del óxido a las que nos hemos referido anteriormente tienen formas cóncavas, es decir, la línea que separa el óxido de la abertura es siempre cóncava con respecto a la abertura.  Una forma de óxido cóncava no la socava ningún grabador anisotrópico si la abertura está orientada correctamente sobre la superficie de la oblea.  Ahora bien, si a partir de uno de los lados de tal abertura se proyecta una cinta de óxido, sus extremos serán convexos respecto al silicio expuesto.  Un grabador anisotrópico sí socava estas formas convexas del óxido.
El primer paso para construir un puente sobre un pozo hueco consiste en la formación de una capa de boro para la detención del ataque.  A continuación, se deposita una capa de silicio epitaxial sobre la capa con impurezas de boro, se produce una capa de óxido sobre el silicio epitaxial y se practica una abertura en el óxido.  La lámina se somete entonces al ataque de un grabador anisotrópico.  Si en la abertura del óxido se coloca una cinta de óxido, el grabador empieza a socavarlo.  En el extremo fijo de la cinta de óxido el grabador acaba por encontrar un plano {111} y se detiene el ataque.  Dado que la capa de detención limita el proceso del ataque hacia abajo, el resultado final de la operación es un puente de óxido que cruza sobre una depresión hueca en el sustrato.


3.- TRABAJOS.



E1 trabajo en el campo de la micromecanización se inició en el año 1965 en el Laboratorio de Circuitos Integrados de la Universidad de Stanford, cuando Kensall D. Wise (hoy en la Universidad de Michigan) construyó una fila de electrodos, apenas distantes entre sí, con el fin de medir potenciales eléctricos en el cerebro.  El proyecto permitió obtener una serie muy amplia de sondas cerebrales.  Desde aquel entonces, los trabajos de micromecanización de Stanford han desarrollado sensores de presión, acelerómetros, cromatógrafos de gases, termómetros en miniatura y estructuras para el aislamiento dieléctico de circuitos microelectrónicos.
En la actualidad, las técnicas y dispositivos micromecánicos son objeto de estudio y aplicación en otras universidades y laboratorios industriales.  Los dispositivos que vamos a describir a continuación incluyen algunos de los desarrollados por se cargan eléctricamente o permanecen nosotros y por otros investigadores. Las filas de boquillas fabricadas con silicio han encontrado aplicación en las impresores por chorro de tinta utilizadas en los ordenadores digitales.  En una impresora de este tipo, se obliga a la tinta a salir por una fila de boquillas, lo que produce una serie de chorros paralelos que se convierten en gotitas a medida que salen de las boquillas.  Las gotitas que proceden de cada uno de los  chorros pasan junto a uno de los electrodos y se cargan eléctricamente o permanecen eléctricamente neutras.  Una gotita sin  carga no sufre deflexión alguna cuando atraviesa un campo eléctrico y produce un punto sobre un papel, pero si la gotita está cargada es desviada el campo y, en lugar de llegar al papel ,queda interceptada por un canal de recogida.  La impresión de un carácter determinado se obtiene seleccionando las gotitas procedentes de una fila vertical de boquillas a medida que todo el mecanismo se mueve horizontalmente a lo largo del papel.

La forma más sencilla de construir estas boquillas consiste en practicar un pozo piramidal en el silicio.  Si el punto de intersección de los planos {111} que forman las paredes del pozo está situado por debajo de la superficie del fondo de la lámina se forma una pequeña abertura cuadrada.  Sin embargo, con esta técnica es difícil producir orificios de tamaño uniforme, en parte debido a que las dimensiones del orificio dependen del espesor de la lámina; tal como señalamos antes, no es fácil controlar ese espesor.
¿Cómo resolver el problema?  Colocando una membrana de tres micrómetros de espesor en el fondo de cada cavidad de boquilla.  En esta lámina se graba un pozo piramidal, que sirve de cavidad principal, pero el orificio de la boquilla viene definido por un procedimiento de difusión de boro y no por la geometría del pozo.  Utilizando este método, se han construido unas filas con ocho boquillas de orificios circulares de 20 micrómetros de diámetro y espaciadas entre sí 0,3 milímetros exactos.
El primer paso en la construcción de estas filas consiste en determinar los orificios de las boquillas como puntos de una sustancia protectora fotosensible sobre la superficie delantera de una oblea de silicio recubierto de óxido por ambos lados.  Todo el óxido de la superficie delantera es eliminado químicamente, con la excepción de los puntos protegidos por la sustancia fotosensible.  A continuación, la superficie de las láminas u obleas se impurifica con boro, hasta una profundidad de tres micrómetros, calentando dichas láminas en un horno de difusión.  Únicamente el silicio situado bajo los puntos de óxido permanece sin contaminar por el boro.

Más tarde, mediante un proceso de fotolitografía y grabado, se define una figura de aberturas cuadradas en el óxido que cubre la superficie trasera de la oblea.  Las aberturas se centran bajo los puntos no contaminados de la superficie delantera.  Se somete luego la oblea al ataque de un grabador anisotrópico dependiente de la contaminación, que elimina hasta el 99 por ciento del espesor de aquella, pero se detiene al llegar a la capa contaminada con boro.  Sin embargo, el ataque prosigue normalmente a través de los puntos no contaminados, con lo cual se crean los orificios de las boquillas.  El diámetro de cada orificio, el espesor de la membrana que los rodea y el emplazamiento de unos orificios respecto a otros se controlan con una precisión del orden de micrómetros: todas estas características no están definidas por el espesor de la oblea o la duración del proceso de grabado, sino por la fotolitografía y la difusión del boro.
El dispositivo micromecánico más refinado que se ha construido hasta ahora es un cromatógrafo de gases del tamaño de una caja de cerillas. La cromatografía de gases es una técnica analítica para separar, identificar y medir la cantidad de los gases que constituyen una mezcla.   Se inyecta una muestra de dicha mezcla a través de una válvula en una larga columna, capilar, a lo largo de la cual es arrastra, da por un gas de transporte inerte que, en la mayoría de los casos, suele ser helio.  Las paredes de la columna capilar están recubiertas por una capa delgada de un material, aceite de silicona o un polímero, en el que los diferentes gases que constituyen la mezcla tienen grados de solubilidad distintos.  A medida que los componentes de la mezcla atraviesan la columna son absorbidos y desabsorbidos por la sustancia de recubrimiento.  Dado que el tiempo en que cada uno de los componentes de la mezcla permanece absorbido depende de su solubilidad, la velocidad con que avanza cada gas en el seno de la columna es diferente y, como consecuencia, cada gas emerge de la columna en un instante diferente.  La corriente de salida pasa por un detector que mide alguna propiedad gas, verbigracia su conductividad térmica.  La señal de salida que se genera en el detector consiste en una serie de picos en forma de campana separados por regiones planas que corresponden al gas inerte de transporte.  Muchos cromatógrafos de gases modernos poseen un microordenador asociado, donde se identifica cada gas ajustando su tiempo de retención con los tiempos de retención conocidos y se mide la cantidad que existe de cada gas calculando la superficie encerrada bajo el pico correspondiente.

Al igual que un cromatógrafo de gases clásico, el modelo miniaturizado consta de una columna capilar, una válvula para la inyección de las muestras y un detector de conductividad térmica.  Sin embargo, todas las partes del cromatógrafo de gases en miniatura están incorporadas en una sola oblea de silicio de cinco centímetros de diámetro.  El volumen de la columna capilar es mucho menor que el de una columna capilar convencional.  Debido a que un cromatógrafo de gases opera adecuadamente en el caso exclusivo de que el volumen de la muestra de gas inyectada sea mucho menor que el volumen de la columna, hubo que diseñar una válvula de inyección en miniatura para acompañar la columna capilar en miniatura.  Con el fin de que el volumen interno entre la válvula y la columna y entre la columna y el detector sea el menor posible, la válvula y la columna se construyen sobre la misma lámina y el detector está constituido por un pequeño fragmento de silicio montado sobre la oblea en cuestión.
La micromecanización se ha utilizado recientemente en la fabricación de un sumidero de calor de elevado rendimiento en una oblea de silicio.  Estos sumideros de calor se producen con el fin de mejorar el rendimiento de los circuitos integrados de muy alta velocidad.  En general, la disipación de calor en un dispositivo electrónico aumenta a medida que lo hace su velocidad, de forma tal que el calor liberado en los circuitos muy rápidos podría llegar a dificultar su funcionamiento si no se enfriaran convenientemente.  En los sistemas de empaquetado especial, propios de los circuitos de muy alta velocidad, el límite superior de disipación de potencia se sitúa en los 20 watt por centímetro cuadrado de lámina.
Diversos investigadores han desarrollado un sumidero de calor capaz de dar cuenta de potencias mucho más elevadas.  La idea consiste en fabricar los dispositivos electrónicos de alta velocidad sobre la superficie delantera de una oblea de silicio y grabar una serie de surcos rectangulares poco espaciados entre sí en la parte trasera.  Por estos canales circula un líquido de refrigeración.  La conductividad térmica del propio silicio es muy alta y se han fabricado dispositivos en los que se ha variado el espesor de las paredes, la anchura de los canales y la profundidad de los canales con el fin de obtener un eficaz enfriamiento.

Los canales rectangulares se producen de forma análoga a la utilizada en el caso de los canales en forma de V, descritos antes.  La acción de un grabador anisotrópico, que interviene a través de una figura de óxido consistente en una serie de líneas paralelas delgadas, crea otros tantos canales en forma de V si la oblea es del tipo < 100 >.  Ahora bien, si la oblea es del tipo <110>, la acción de un grabador anisotrópico que intervenga a través de la misma figura de óxido a la que nos acabamos de referir puede crear canales de paredes verticales cuya sección transversal es prácticamente rectangular.  En los sumideros de calor, se prefieren los canales rectangulares; dichos canales pueden estar menos espaciados que los canales en V y, por tanto, la superficie expuesta al líquido de enfriamiento resulta ser mayor.  Una vez que los canales han sido grabados, la oblea se une anódicamente a un vidrio con el fin de crear una serie de microconductos internos.  Un sumidero de calor dotado de una serie de canales de 50 micrómetros de anchura, 300 micrómetros de profundidad y separados entre sí 100 micrómetros, y enfriado por circulación forzada de agua es capaz de disipar más de 1000 watt por centímetro cuadrado de lámina.
Los acelerometros y sensores de presión son otros tantos ejemplos de sensores de silicio integrados.  El acelerómetro más pequeño fabricado hasta ahora es un dispositivo de puente de óxido provisto de una unidad de amplificación mientras que los sensores de silicio más eficaces con que contamos en la actualidad son los sensores de presión, algunos de los cuales incorporan dispositivos electrónicos integrados.

Autor:

Angel Olmos





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