ALBUQUERQUE (VS) – In Sandia National Laboratories, het onderzoeksinstituut van het Amerikaanse ministerie van energie, hebben onderzoekers een nieuwe techniek ontwikkeld voor het maken van kleine structuren in halfgeleiders. Ze hopen dat deze techniek binnen enkele jaren tot de internationale standaard voor micromachinefabricage uitgroeit.
De technische vaardigheid om op kleine schaal mechanische structuren te maken, begint aardig in te burgeren. Minuscule apparaten treffen we al ruimschoots aan in inkjetprinters, airbagsensoren en joysticks. Met een nieuwe productietechniek kunnen de complexiteit en toepasbaarheid van micromechanica enorm toenemen. Was tot nog toe het aantal structuurlagen beperkt tot hooguit drie, met een recent ontwikkelde techniek kunnen ingenieurs minuscule apparaatjes maken die zijn opgebouwd uit vijf lagen, namelijk vier siliciumlagen en een elektriciteit geleidende verbindingslaag.
Bij het maken van micromachines werken ingenieurs op het oppervlak van een silicium wafer. Nieuwe lagen worden daarop afgezet als dunne films van polykristallijn silicium, met een dikte van een tot twee micrometer. Tussen de lagen etst men siliciumoxide lagen weg, zodat er open ruimten tussen structuren ontstaan die eveneens een tot twee micrometer dik zijn. Al kan men ook dikkere lagen silicium verwerken, tot tien micrometer dik, toch blijft de bestaande technologie beperkt tot die ene tussenlaag.
Hoe groter het aantal lagen materiaal waarmee een ontwerper kan werken, des te ingewikkelder het ontwerp van een microtoestel kan zijn,” verklaart Jeff Sniegowski, die bij Sandia National Laboratories met Steve Rodgers de nieuwe techniek heeft ontwikkeld. Hun techniek maakt het mogelijk om veel ruimer toepasbare micro-elektromechanische systemen te maken. Met slechts twee lagen maakt men bijvoorbeeld eenvoudige sensoren en actuatoren. Met drie lagen is het mogelijk om tandraderen met een as te maken. Een vierde niveau biedt uitzicht op bijvoorbeeld extra verbindingsstukken die boven het vlak van een tandrad liggen, zodat dat volledig kan ronddraaien. De vijfde-laagtechniek maakt het mogelijk om nog ingewikkeldere mechanismen in de kleine structuren toe te passen en bijvoorbeeld beweegbare platforms.
Complexe micromechanische raderstructuren kan men met de nieuwe techniek fabriceren. Twintig van deze raderen passen op de volgende punt.
Een lastig probleem was dat een nieuw opgebrachte siliciumlaag doorgaans de vorm van de laag daaronder aanneemt, zoals een deken verraadt in welke houding iemand daaronder slaapt. Nog meer ‘dekens’ daarbovenop maakt de vorm van het oppervlak steeds ingewikkelder. Rodgers en Sniegowski noemen de driedimensionale verstoringen van het oppervlak ‘mechanische parasieten’ die de werking van het beoogde micromechanische ontwerp onmogelijk kunnen maken. De oplossing vormde een inmiddels gepatenteerde aanpassing van een fabricageproces voor geïntegreerde circuits, bedacht door een collega van de twee uitvinders. Daarbij brengt men na het vormen van elke volgende laag met structuren een extra dikke siliciumoxide laag aan. Bij het chemisch en mechanisch polijsten verdwijnen met die dikke laag ook eventuele uitstulpingen. Op het ontstane egale oppervlak kan de volgende structuurlaag worden aangebracht.
