Chapter: ICTs

MICROTECNOLOGÍA, CONCEPTOS Y EVOLUCIÓN

Su importancia para múltiples aplicaciones de ingeniería
Antonio A. Quijano1, José A. Rapallini2, Walter J. Aróztegui3 , Jesús M. F. Ocampo4,
Centro de Técnicas Analógico Digitales (CeTAD)
Facultad de Ingeniería – Universidad Nacional de La Plata
Calle 48 y 116, La Plata 1900, Argentina

Abstract  Este artículo se refiere a una disciplina vinculada a dimensiones del orden del
micrómetro, y relacionada con la “miniaturización” de elementos que son la base de un
creciente número de campos de actividad. A partir de procesos de fabricación propios de
la Microelectrónica (uno de sus dos sectores), limitada a variables eléctricas, la
Microtecnología extiende las aplicaciones a un conjunto mayor de variables y genera el
segundo sector, que es el de los Microsistemas. Entre éstos surgen los Sistemas
Microelectromecánicos (MEMS), por medio de la evolución de los procesos de fabricación
a los cuales se agrega el Micromaquinado, muchas veces sobre un mismo sustrato de
silicio. Se describen estos procesos, y se intenta apreciar el enorme crecimiento del
mercado de la Microtecnología, en diversos dominios. Se menciona también un caso de
desarrollo sostenible que puede ligarse a dicha disciplina.

Palabras Clave: Microelectrónica, Microtecnología, MEMS, Microsistemas

1.- Una tecnología con rápido progreso

La Microtecnología ha surgido a través de un campo muy actual del conocimiento,

que ha determinado notables realizaciones de investigación y desarrollo, con múltiples
aplicaciones en sectores de la ingeniería, tales como informática, comunicaciones, control,
transporte, e ingeniería biomédica, para sólo citar algunas. Una definición de esta disciplina
está ligada al tamaño, a las dimensiones de los dispositivos, subsistemas y sistemas que ella
considera, a través del concepto de lo que suele denominarse ―miniaturización‖ aplicada a
elementos que son la base fundamental de muchas industrias. Puede decirse que la
Microtecnología se define como ―una tecnología con rasgos dimensionales del orden del
micrómetro (millonésima parte del metro, o sea 10-6 m, o bien 1μm)‖. Con ella, las
industrias relacionadas se han puesto al frente del crecimiento económico en los últimos
años. No hay duda de que sus efectos sobre el progreso tecnológico han sido
extraordinarios y han de continuar siendo un factor clave para la innovación en el futuro.
Es de destacar que la Microtecnología usa los mismos principios y conceptos que
caracterizan a la Microelectrónica, que fue anterior en su aparición y hoy constituye un
campo plenamente consolidado. Pero mientras esta última se limita a considerar variables
eléctricas, la primera es más general, con el uso de variables de diversos tipos. Todo ello
significa que la Microtecnología comprende a la Microelectrónica como uno de sus
sectores, tal como se indica a continuación.[1]… [4]

1
Antonio A. Quijano, CeTAD – UNLP, adrian.quijano@gmail.com
2
José A. Rapallini, CeTAD – UNLP, josrap@gmail.com
3
Walter J. Aróztegui, CeTAD – UNLP, walter.aroztegui@gmail.com
4
Jesús M. F. Ocampo, CeTAD – UNLP, jmfocampo@ciudad.com.ar

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2.- Sectores de la Microtecnología:

2.1- La Microelectrónica, que surgió con el desarrollo de la física de los semiconductores,

con motivo de la invención del transistor a mediados del siglo XX. Poco más adelante, casi
entrando a la década de 1960, se logró disponer gran número de transistores en una sola
pastilla (chip) de silicio, y con ello surgieron los circuitos integrados que mejoran
notablemente el rendimiento, la funcionalidad, y la confiabilidad, a la vez que reducen el
costo y disminuyen el volumen.

2.2.-Los Microsistemas, que resultan de la miniaturización obtenida con recursos

semejantes a los de la Microelectrónica, pero aplicados a otras variables físicas. Su
definición es la siguiente, según la Unión Europea: ―Un microsistema es un sistema
inteligente miniaturizado que integra funciones sensoras, de proceso y/o actuación.
Comprende como mínimo dos de las siguientes propiedades: eléctricas, magnéticas,
mecánicas, ópticas, químicas, biológicas u otras, de forma integrada en un solo chip o en un
módulo híbrido multichip‖.

3.- Microelectrónica [1] …[4]

3.1.- Evolución
Como se ha indicado, en 1959 se introduce el circuito integrado (―microcircuito‖) que
es consecuencia de la tecnología ―monolítica planar‖. Esta invención fue casi simultánea e
independientemente anunciada por Jack Kilby (de Texas Instruments) y por Robert Noyce
(de la firma Fairchild).
A partir de allí, hubo un progreso incesante, con el aumento creciente del número de
transistores debido a la disminución del rasgo (―feature‖, o sea la minima dimensión
apreciable por la tecnología) desde 37 micras en 1960, hasta valores submicrónicos en la
actualidad, para la tecnología de silicio. Ello, unido al aumento del área del chip, determina
el crecimiento de la complejidad del circuito integrado, que tiene un número cada vez
mayor de transistores, desde la integración en pequeña escala (SSI), pasando por mediana
(MSI), grande (LSI), muy grande (VLSI), y ultra grande (ULSI); o sea por apenas decenas
de transistores en la primera de ellas, para llegar a millones en el extremo superior actual.
Se nota que existe discrepancia entre los distintos autores en cuanto a la magnitud de cada
una de estas escalas de integración, pero lo realmente importante es la tendencia al aumento
de la densidad de componentes del chip, que suele caracterizarse por medio de lo que se ha
llamado la ―Ley de Moore‖ (en realidad una observación realizada por Gordon E. Moore en
1964), según la cual el número de componentes de un circuito integrado se duplica cada
año, lo cual se verificó entre 1959 y 1975. Sin embargo, este ritmo de crecimiento tendió a
disminuir más adelante, pasando a ser una duplicación cada 1,5 y luego cada 2 años. Es
obvio que tal ritmo no puede continuar en forma indefinida, pues hay limitaciones físicas
para el tamaño de los circuitos.
Los efectos del crecimiento de la complejidad son la disminución del costo por año, y
el aumento de la confiabilidad. Todo ello ha determinado el extraordinario progreso en las
áreas relacionadas con el ―hardware‖ microelectrónico

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3.2.- Procesos básicos de fabricación en Microelectrónica [5],[6],[]10],[13]

La clave de los progresos arriba indicados está en la evolución de los procesos de
fabricación de los chips a partir de la oblea de silicio, y también de la metodología de
diseño con ayuda de computador (CAD, Computer Aided Design). Sin entrar aquí en
detalles, conviene mencionar algunas operaciones esenciales para la fabricación, ya que
ellas se han extendido a los Microsistemas. El proceso comienza en un sustrato, que es el
cuerpo de silicio de alta pureza, inicialmente con débil concentración de impurezas n o p
introducidas durante el crecimiento del cristal. A partir de ese silicio tipo n o tipo p se
realiza el dopado introduciendo impurezas, respectivamente p (depósito superficial de
átomos de boro) o n (arsenio o fósforo) para obtener regiones de mayor concentración de
impurezas mediante procesos tales como el de difusión, que a muy altas temperaturas,
mayores de 800 ºC, mediante un horno (tubo de cuarzo rodeado de elementos calefactores
eléctricos), determina la migración de átomos desde la superficie rica en dopantes
obtenidos en un paso previo de predeposición, hacia el interior pobre en dopantes.
Otro proceso importante que debemos mencionar es la fotolitografía, que usa
imágenes ópticas y películas fotosensibles para producir patrones geométricos sobre el
sustrato. La figura 1 muestra una película delgada de dióxido de silicio depositada en un
substrato de silicio. Se desea remover selectivamente una parte de dicho dióxido, de modo
que únicamente quede en ciertas áreas de la oblea de silicio (Fig. 1f).

FIG. 1
Es necesario disponer de una máscara, que en casos típicos será un esquema hecho con
cromo sobre una placa de vidrio. Se cubre luego la superficie de la oblea con lo que en
inglés se denomina ―photoresist‖, y aquí llamaremos ―resist‖, siendo un polímero sensible a
la luz ultravioleta (Fig. 1b). Un haz de esta luz se hace incidir a través de la máscara sobre
dicho resist (Fig. 1c). Éste, al ser revelado transfiere el esquema de la mascara a la capa que
debe recibirlo (Fig. 1d).
Existen dos tipos de resist, el positivo y el negativo. Si la luz ultravioleta incide sobre
un resist positivo, el polímero se debilita, de modo tal que, al revelar, el resist es eliminado
de esas partes, transfiriéndoles una imagen positiva. Lo contrario ocurre con el resist

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negativo, que es fortalecido por la luz ultravioleta, por lo cual la revelación hace que se
retire el resist no expuesto a la luz, transfiriendo una imagen negativa. Generalmente, con
un ataque químico se quita el óxido a través de las aperturas del resist expuesto (Fig. 1e), y
finalmente el resist es eliminado, quedando el óxido con el esquema deseado (Fig. 1f).
A través de la realización de una serie de etapas sucesivas en las cuales se aplican los
procesos mencionados, se obtienen los circuitos integrados en la tecnología de Metal-
Óxido-Semiconductor (MOS), siendo dominante en el presente el tipo denominado MOS
Complementario (CMOS) que lleva a altos niveles de la escala de integración. [1] – [7]

4.- Microsistemas [8],[9],[11]

4.1.- Conceptos básicos
Los procesos vinculados a variables no eléctricas (típicamente las mecánicas)
determinan que en los Microsistemas aparezcan estructuras tridimensionales en el orden de
los micrómetros. Uno de los principales objetivos consiste en integrar circuitos
microelectrónicos sobre las mismas, a fin de obtener sistemas completamente integrados
con las ventajas de bajo costo, confiabilidad y pequeño tamaño que poseen los chips
producidos por la industria microelectrónica.
Su estudio renueva el interés en áreas como la Micromecánica (que se relaciona con
las partes móviles de los microsistemas), como asimismo la Microfluídica y otras
disciplinas
Son sistemas inteligentes con elementos de procesamiento y sensores y/o actuadores
eléctricos, mecánicos, ópticos, químicos, biológicos, magnéticos u otros en un mono o
multi-chip. La figura 2 representa la estructura de un microsistema:

FIG. 2
4.2.- Fabricación [6],[13]
A los procesos básicos de difusión y fotolitografía (ver 3.2) que se utilizan para los
―chips‖ de la Microelectrónica, se agrega una técnica especialmente importante para la
fabricación de microsistemas, y es el micromaquinado, que permite construir estructuras
mecánicas de pequeña dimensión (orden de micrómetros). Nos referiremos a dos variantes
de esta técnica: el micromaquinado en volumen o de substrato (bulk micromachining), y el
micromaquinado superficial (surface micromachining).

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El micromaquinado en volumen se basa en atacar el substrato de silicio eliminando

parte del material, de forma que las estructuras que se construyen son hechas con el propio
silicio cristalino o de capas de otros materiales depositados o crecidos sobre este. Mediante
diferentes técnicas de ataque, que pueden ser secas o húmedas, se elimina el material no
deseado del substrato.
Normalmente, para el micromaquinado en volumen, el ataque químico húmedo es
anisotrópico, de forma que la velocidad de ataque no es igual en todos los planos cristalinos
del silicio. Para el ataque químico seco se utilizan generalmente técnicas RIE (Reactive Ion
Etching).construidas sobre la superficie del substrato. Sin embargo esta técnica se
caracteriza por lograr estructuras de espesores superiores a los 100 µm con relaciones de
aspecto entre sus dimensiones verticales y horizontales del orden de 100 a 1.
En el micromaquinado superficial se construyen estructuras mediante la deposición
sucesiva de capas sobre un substrato. Ellas son conformadas mediante técnicas de
fotolitografía y ataque. En general se usan dos tipos de capas: la estructural y la de
sacrificio. Estas últimas actúan como separadores entre los niveles estructurales y son
removidas como paso final del proceso para dejar libres las estructuras formadas por la
capa estructural.
Existen diferentes combinaciones de materiales estructurales y de sacrificio. Una de
las más comunes es la combinación de polisilicio, utilizado como material estructural, y
dióxido de silicio empleado como material de sacrificio. Este último es eliminado
sumergiendo las obleas en una solución de ácido fluorhídrico (HF) que ataca rápidamente y
de forma isotrópica el dióxido de silicio, dejando prácticamente intacto al polisilicio. El
micromaquinado superficial es tecnológicamente más complicado que el de volumen, pero
ya se producen muchos dispositivos con técnicas de micromaquinado superficial y se
espera que predominen en el mercado.

5.- Sistemas Micro Electro Mecánicos (MEMS) [12],14],[19],[20],[21],[]22],[23],[24]

Los Microsistemas de naturaleza electromecánica (MEMS, Micro Electro

Mechanical Systems), resultan de la integración. de dispositivos electrónicos y mecánicos
por medio del uso de la tecnología microelectrónica y la de micromaquinado en forma
conjunta sobre un mismo sustrato.. Se pueden obtener de ese modo, microsistemas
inteligentes con capacidad de sensado, procesamiento, comunicación y actuación en un
mismo bloque.
La fotolitografía y el micromaquinado, tales como se han introducido en 3.2 y 4.2
respectivamente, son técnicas fundamentales para la fabricación de MEMS. Además, uno
de los elementos básicos en el procesamiento de MEMS es la capacidad de depósito de
películas delgadas de materiales, que pueden tener un espesor de entre unos pocos
nanómetros a unos 100 micrómetros. Los procesos de deposición de uso común son:
Electroenchapado (Electroplating), Deposición Pulverizada (Sputter deposition), la
deposición de vapor: física (PVD) y química (CVD).
El micromaquinado volumétrico es el paradigma más antiguo de los MEMS: todo el
grosor de una oblea de silicio permite construir las micro-estructuras mecánicas. Ha sido
esencial para los sensores de presión de alto rendimiento y acelerómetros que han cambiado
completamente a la industria de los sensores en los años 80's y 90's.

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El micromaquinado superficial, al ser más compatible con la tecnología

bidimensional de los circuitos integrados, tiene el objetivo de realizar la integración
conjunta de estos últimos y los MEMS en la misma oblea de silicio.
La variedad de dispositivos MEMS es amplia, parte desde inyectores de impresión
hasta aplicaciones ópticas y de radiofrecuencias. Los sistemas micro-óptico-
electromecánicos (MOEMS) [15] son una clase especial de MEMS destinados al sensado
y manipulación de señales ópticas, se han desarrollado componentes como conmutadores
ópticos, cross-connect ópticos y microbolómetros entre otros. Además, los sistemas
microelectromecánicos utilizados en radiofrecuencia (RF-MEMS) [16],[25],[26] están
cobrando mayor importancia en los últimos años, unidos al creciente desarrollo de las
comunicaciones inalámbricas operantes en ámbitos tan variados como el hogar y el espacio,
con utilización en microteléfonos, estaciones bases, satelitales, etc.. Componentes MEMS
del tipo de conmutadores, capacitores variables, inductancias, líneas de transmisión,
resonadores, están superando paulatinamente a otras tecnologías, en cuanto a su desempeño
y costo de manufactura.

6.- MEMS, Aplicaciones, Economía y Mercado [27],[28]

En esta reseña, muy limitada en espacio, es imposible presentar detalles de una

tecnología dominante en un número creciente de sectores. Sólo estamos en condiciones de
mencionar los casos más característicos, como el de la industria automotriz, con los
acelerómetros para detección de impactos y activación de bolsas de aire, como asimismo
los sensores de presión. En tecnologías de la información y comunicación son importantes
los cabezales de lectura de discos rígidos y los de impresión de chorro de tinta, así como los
pequeños giróscopos que se aplican a telefonía móvil. En el sector de medicina tienen gran
aplicación los MEMS para marcapasos y para audífonos. El mercado global de MEMS
alcanza miles de millones de dólares, como se puede apreciar en la siguiente tabla:

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Entre otros detalles, se puede apreciar la importancia de los cabezales inyectores para
impresoras, así como los sensores de presión y acelerómetros para automóviles, y los
giróscopos para telefonía móvil. Aparece también la Microfluídica, con dispositivos para
medicina como microdispensadores de drogas y microbombas, y también se aprecia el
sostenido aumento para RF MEMS.
Además es interesante observar la distribución por empresas fabricantes, las 30
principales en el mundo, también según Yole Développement.[27]

Fig.3

Al considerar las múltiples aplicaciones que ofrece la Microtecnología, cabe

preguntarse, finalmente, si existe la posibilidad de que sea favorable al desarrollo
sostenible. Seguramente, a través de los menores tamaños y ahorro de energía involucrados
podrán encontrarse casos ilustrativos. Siguiendo lo dicho en [28], un ejemplo es el de la
ingeniería química, pues por medio de la miniaturización e integración de los dispositivos
para procesos se puede llegar, no sólo a disminuir el tamaño de las plantas químicas, sino
también a que sean mucho más respetuosas con el medio ambiente, satisfaciendo las
necesidades actuales sin comprometer los recursos futuros.

7. Referencias

[1] E. D. Fabricius: Introduction to VLSI Design, McGraw-Hill, 1990. VLSI Systems Series, 1980.
[2] C. Mead, L. Conway: Introduction to VLSI Systems, Addison-Wesley, VLSI Systems Series, 1980.
[3] N. Weste and K. Eschragian: Principles of CMOS VLSI Design: A Systems Perspective, 2nd Edition,
Addison Wesley, 1994.

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[4] Antonio A. Quijano: “Microtecnologías: Evolución del Diseño”, Anales de la Academia Nacional de
Ciencias de Buenos Aires, Vol. XXXIX, pág. 49 a 74, ISBN-10:987-537-062-2;ISBN-13: 978-987-537-062-
3, octubre de 2006
[5] Marc Madou. Fundamentals of Microfabrication. CRC Press, 1997. 589 pp. ISBN 0-8493-9451-1.
[6] P. Rai-Choudhury. Handbook of microlithography, micromachining, and microfabrication, vol. 2.
Institution of Electrical Engineers (London, 1997), 69 pp. ISBN 0-8194-2379-3
[7] T. Fukuda and W. Menz. Micro mechanical systems. Principles and technology. Handbook of sensors and
actuators. Elsevier Science (Amsterdam, 1998), 268 pp, ISBN 0-444-82363-8.
[8] Stephen D. Senturia. Microsystem design. Kluwer Academic Publishers, Boston, 2000). 689 pp. ISBN 0-
7923-7246-8.
[9] W.Menz, J.Mohr and O.Paul. Microsystem Technology. Wiley-VCH, (Germany, 2001). 500 pp. ISBN 3-
527-29634-4.
[10] Stephen A. Campbell. The science and engineering of microelectronic fabrication. Oxford University
Press, 2001. 624 pp. ISBN-13:978-0-19-
[11] Y. Gianchandani, O. Tabata and H. Zappe. Comprehensive Microsystems (volume 1-3). Elsevier Science
2007. 2100 pp. ISBN: 978-0-444-52194-1.
[12] M. Gad-el-Hak. ―The MEMS Handbook‖. CRC Press 2002
[13] M. Madou. ―Fundamentals of Microfabrication‖. CRC Press 2002
[14] J. A. Pelesko and D.H. Bernstein. ―Modeling MEMS and NEMS‖. Chapman & Hall 2003.
[15] Manouchehr E. Motamedi (Editor) MOEMS: Micro-Opto-Electro-Mechanical Systems (SPIE Press
Monograph Vol. PM126, 2005.
[16] www.mtt.org/dl/index.php?S01_DeLosSantos.pdf, ―RF MEMS Para Lograr Conectividad Inalámbrica
Universal‖
[17] Advanced Micro and Nanosystems. Vol. 2. CMOS – MEMS. Edited by H. Baltes, O. Brand, G. K.
Fedder, C. Hierold, J. Korvink, O. Tabata - Copyright © WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA,
Weinheim – 2005.
[18] Advanced Micro & Nanosystems Volume 6 Reliability of MEMS - Edited by Osamu Tabata and
Toshiyuki Tsuchiya, Copyright © WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim – 2008.
[19] Maluf , N, Williams, K., An Introduction to microelectromechanical systems engineering–2nd ed.
(Artech House microelectromechanical library) – 2004.
[20] Héctor J. De Los Santos, Introduction to Microelectromechanical Microwave Systems Second Edition
p. cm.(Artech House )- 2004.
[21] MEMS and nanotechnology-based sensors and devices for communications,
medical and aerospace applications / A.R. Jha.- 2008.
[22] Lyshevski, E. S. MEMS and NEMS : systems, devices, and structures p. cm. — (Nano- and
microscience, engineering, technology, and medicine series) – 2001.
[23] MEMS/NEMS: Handbook Techniques and Applications, Edited by Cornelius T. Leondes –2005.
[24] MEMS : a practical guide to design, analysis, and applications / edited by Jan G. Korvink and Oliver
Paul.- 2006.
[25] Varadan, V. K., Vinoy, K. J., Jose, K. A., RF MEMS and their applications , John Wiley & Sons Ltd,
2003.
[26] RF MEMS: Theory, Design, and Technology.Gabriel M. Rebeiz, John Wiley & Sons, Inc., 2003.
[27]http://www.yole.fr/ Yole Developpement, Market Research and Strategy Consulting Company
[28] Wolfgang Ehrfeld and Ursula Ehrfeld, ―Progress and profit through micro technologies‖. Proceedings
of SPIE Vol. 4557 (2001)

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proceedings.‖

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