NEMS

מערכות ננואלקטרומכניות (Nanoelectromechanical System – NEMS) הם התקנים המיוצרים על גבי שבבים הכוללים מעגלים משולבים יחד עם מכלולים מכניים בקני מידה ננומטרי. NEMS מהווה את הצעד הבא במזעור מערכות מיקרואלקטרומכניות –MEMS. ב-NEMS משולבים התקני ננואלקטרוניקה כמו טרנזיסטורים יחד עם מפעילים מכניים כגון משאבות או ננו-מנועים, ננופלואידיקה ועוד ובכך מאפשרים ייצור של חיישנים פיזיקליים, ביולוגיים וכימיים. השם NEMS מעיד על הממדים הננומטריים של ההתקן הבסיסי, אשר מאפייניו הם: מסה נמוכה, תדר תהודה מכני גבוה, פוטנציאל גבוה של אפקטים קוונטיים כמו אנרגיית נקודת האפס, ושימוש גבוה ביחס של שטח לנפח עבור חיישנים מבוססי פני שטח. בגלל הגדלים שבהם פועלים מערכות ננואלקטרומכניות הם צפויים להשפיע באופן משמעותי בתחומים רבים של הטכנולוגיה וסופו של דבר להחליף את ה-MEMS. כפי שצוין על ידי ריצ'רד פיינמן בהרצאתו המפורסמת בשנת 1959, "יש שפע מקום בתחתית" ישנם הרבה יישומים פוטנציאליים של מכונות בגדלים קטנים יותר ויותר. הייצור והפעלה של התקנים בקני מידה קטן יותר הם בעלי יתרונות גדולים. בין היתרונות הצפויים: יעילות גבוהה יותר בצריכת חשמל ועלויות נמוכות יותר של ייצור. היכולת לקיים אינטגרציה בין מערכות מכניות, אלקטרוניות ואופטיות מאפשרות להמיר תהליכים מכניים לאותות חשמליים או אופטיים והפוך דבר המהווה בסיס ליצירת חיישנים בעלי רגישות גבוהה במיוחד. הייצור של תבניות ננואלקטרוניות וננומכניות דווח לראשונה ב-1988 על ידי ארני ומקדונלד, שפיתחו תהליך ייצור באמצעות ליתוגרפיה של אלומת אלקטרונים ליצירת הדפסים בסיליקון. המטרה הראשונית הייתה לייצר מוליך למחצה עשוי מסיליקון בקנה מידה ננומטרי. אותה קבוצת חוקרים הרחיבה את הפיתוח שלהם לכוון ייצור של מפעילים מכניים תת-מיקרוניים בעזרת טיפים (חודים) של מיקרוסקופ מנהור סורק –STM. בשנת 1996 קלילנד ורואקס דיווחו על גרסה פשוטה יותר של התהליך אשר לא דרש תהליכי השקעה (CVD- chemical vapor deposition) ליצירת שכבות. תהליך זה גם עסק באיכול יבש כשלב עיבוד סופי, שהקל בהרבה את מתח הפנים והמגבלות אשר היו בתהליכי איכול ועיבוד רטוב. בנוסף הקבוצה זו גם הראשונה שדיווחה על יצור של מתנדים מכניים בגודל 150 ננומטר עם תדר תהודה בסיסי של 70.72MHz התקנים ננואלקטרומכניים מבאים מהפכה בעולם של מדידות מאוד מזעריות, בעלי עוצמות מאוד נמוכות וכוחות חלשים, במיוחד בקנה מידה מולקולרי משקלם של המבנים בתוך התקני NEMS יכולים להגיע למשקל של כמה אטומים (10-18 גרם) ובעלי חתך עד כ-10 ננומטרים. מכאן מגודל הקטן ומשקל המועט מביא לכמה תכונות חשובות ויחודיות של NEMS: עבודה בתדרי עבודה גבוהים במיוחד המסה הנמוכה מאפשרת לבנות מתנדים בעלי תדרי יסוד גבוהים במיוחד (מעל 10GHz) באמצעות תהליכים ננומכניים של המשטח. התקנים מכניים בתדרי עבודה גבוהים כאלה פותחים המון אפשרויות, כמו עיבוד אותות בתדרי מיקרוגל בעלי צריכה מאוד נמוכה וייצור של סוגים חדשים של מיקרוסקופים בעלי סריקה מהירה יותר. מקדם Q גבוה אחת התכונות החשובות של NEMS היא ניצול מרבי של אנרגיה, תכונה אשר מאפיינת את מקדם האיכות או מקדם Q הגבוה של תהודה. כתוצאה מכך, NEMS רגיש במיוחד למנגנוני דעיכת חיצוניים החיוני לבניית סוגים רבים של חיישנים. בנוסף, רעש תרמומכני הדומה לרעש ג'ונסון בנגדים חשמליים, הוא נמוך שכן הוא עומד ביחס הפוך למקדם Q. תכונה זו חשובה עבור חיישני תהודה וסטייה, אשר מצמצמת תנודות מכניות אקראיות ובכך הופכת את התקני ה-NEMS לבעלי רגישות גבוהה לכוחות המופעלים עליהם. צריכת אנרגיה נמוכה מאוד NEMS הם התקנים בעלי צריכה נמוכה מאוד של אנרגיה. התקן NEMS מופעל בקנה מידה של פיקווואטים (pW) כ-W 10 -12 אשר נותן יחס אות לרעש עד כ-106. אם כמה מיליוני התקנים כאלה הופעלו יחדם במעבד, הספק כולו יהיה רק כמה מיקרוואטים -μW. תחומים ליישום: • חישה: חישה של מסה, זיהוי ביומולקולרי, בניה והפעלה בקנה מידה אטומית. • שליטה מכנית וסיוע מכני לתעבורה של אלקטרונים בודדים. • שליטה מכנית בקשרים קוונטים. • ננופלואידיקה ומעבדה על שבב. דוגמאות ליישום מאזניים מולקולאריות - חיישני מדידה של מסה מולקולרית יכול לשקול מולקולות בודדות כגון ביו-מולקולות. התקן ה-NEMS מורכב מקורות דקות מאוד. כאשר מולקולות נקשרות לפני שטח הקורות הם משנות את התגובה הננומכנית של הקורות. קרן לייזר מוקרנת על פני משטח הקורה וחוזרת לגלאי. שינוי בזווית הקורה תסיט את הקרן החוזרת מן המשטח. כיפוף של הקורה מזוהה על ידי הסח החזר קרן לייזר המוקרנת על פני הקורה, הסח זה מהווה את אות החישה לקיום המולקולות על-פני משטח הקורה. גודל הכיפוף ולכן מידת ההיסח של הקרן החוזרת הוא מתכונתי לכמות המולקולות שעל פני משטח הקורה. ננופינצטה - המבוססת על עקרון של ננו-סיבים בעלי ביצועים חשמליים והפעלה מכנית טובה, אשר חוברו לקצות שתי אלקטרודות צמודות המופרדות בחומר דיאלקטרי. מתח המופעל על אלקטרודות יוצר מטען קיבולי הפותח וסוגר את קצוות של סיבים החופשיים, תהליך מכני זה גורם לפעולה של ננופינצטה לתפוס או להניע מולקולות. קיימות כיום שתי גישות לייצור התקנים ננואלקטרומכניים: 1. הגישה Top Down -מלמעלה למטה משתמשת בשיטות המסורתיות של מזעור כגון: ליתוגרפיה (אופטית או אלומת אלקטרונים) לייצור התקנים. 2. הגישה Bottom-Up -מלמטה למעלה משתמשת בתכונות כימיות של מולקולות בודדות כדי לגרום לקונפורמציה בעזרת תהליך הרכבה עצמית-SAM. מחד זה מאפשר ייצור של התקנים קטנים בהרבה, ומאידך ישנה שליטה מוגבלת על תהליך הייצור. חומרי ייצור אחד היתרונות של NEMS הוא שיכולים לייצר אותם מסיליקון, גליום ארסניד ואינדיום ארסניד - אבני היסוד של תעשיית האלקטרוניקה - או חומרים תואמים אחרים. כתוצאה מכך, ייצור ההתקן משלב ייצור של אלמנטים אלקטרוניים כמו מעגלים משולבים עם אלמנטים מכניים על אותו השבב. הייצור האחיד של האלמנטים השונים על שבב אחד פותר את בעיית ההתאמה בין המבנים בייצור בקני מידה ננומטרי. כמו ב-MEMS תהליכי הייצור הם תהליכי הייצור הפלנארי של תעשיית המוליכים למחצה. ישנם שלוש אבני בניין בסיסיות בטכנולוגית NEMS: תהליך השקעה פוטוליתוגרפיה איכול השקעה: תהליך זה הוא אחד מהתהליכים הבסיסיים בעיבוד NEMS ובתהליכי הייצור בתעשיית המוליכים למחצה בכלל. תהליך זה אמון על ייצור שכבות דקות. מדובר ברדיד דק בעובי של כמה ננומטרים ועד כ-100 ננומטר. תהליך ההשקעה נעשה בעיקר על ידי CVD- chemical vapor deposition. בדרך כלל, בתהליך CVD המצע ממוקם בתא כאשר אחד או יותר חומרים מגיבים בחלל התא יוצרים השקעה של תוצרי התגובה על גבי מצע שבתחתית התא, כך נוצרת שכבה דקה של חומר על פני השטח המצע. גזים (לעיתים קרובות בדילול מלא בגזים מובילים) מועברים לתא (בו נמצא המצע). כשהם עוברים מעל או במגע עם מצע מחומם, הם מגיבים, ובכך יוצרים שכבה מוצקה על המצע. טמפרטורת המצע היא קריטית ויכולה להשפיע על כך שהתגובות תתקיימנה. פוטוליתוגרפיה: פוטוליתוגרפיה הוא תהליך של העברת הדפס באמצעות מסכה למצע החומר על ידי חשיפה למקור קרינה אלקטרומגנטי. ההדפס במסכה בנוי מאזורים שקופים ואזורים אטומים לקרינה האלקטרומגנטית. המצע מכוסה בפוטורזיסט המשתנה את תכונותיו הכימיות בעקבות החשיפה למקור קרינה באזורים שנחשפו לו. לאחר תהליך של פיתוח נוצר ההדפס הבנוי מאזורים מוגנים לתהליך העוקב (כגון איכול) ואזורים חשופים לתהליך העוקב. איכול: ישנן שתי שיטות של איכול, איכול רטוב ואיכול יבש. איכול רטוב: מדובר בהטבלת המצע בחומצות מאכלות בכימיה הספציפית לשכבה המתאכלת. זוהי טכנולוגיה פשוטה, אשר נותנת תוצאות טובות אם מוצאים את השילוב המתאים בין החומר המאכל והפוטורזיסט כך שהאיכול יהיה ספציפי לשכבה החשופה ללא פגיעה בפוטורזיסט. התהליך יחסית פשוט אך, התהליך הוא אנאיזוטרופי ולכן ההגדרות של ההדפס יכולות להיפגע. איכול יבש: הטכנולוגיה הזו יקרה בהרבה בהשוואה לאיכול רטוב. איכול יבש רצוי במקרים כאשר תכונות של הרזולוציה חשובות ברוחב פס המודפס של התקן או שצריך שהצדדיים אנכיים היו עמוקים במצע ויש צורך בהגדרה ברורה. בתהליך של איכול יבש נעשה בתא ואקום בו מקרינים אלומת יונים על גבי המשטח. המצע מוחזק בניצב לאלומת היונים, תהליך איכול הוא איזוטרופי. הבררנות באיכול השכבות היא יחסית נמוכה, משום שתהליך האיכול אינו רק כימי אלא גם פיזיקאלי ואינו מבדיל בין סוגי השכבות. MEMS ננופלואידיקה מעבדה על שבב Di Ventra, Massimiliano; Evoy, Stephane; Heflin, James R. (2004). Introduction to nanoscale science and technology (באנגלית). Berlin: Springer Science & Business Media. ISBN 1402077203. Michael Roukes (2001), Nanoelectromechanical systems face the future, PhysicsWeb MEMS Proccesses, memsnet.org