Mikroprodukcja - Microfabrication

Syntetyczny detal mikroprocesorowego układu scalonego poprzez cztery warstwy płaskiego miedzianego interkonektu, aż do polikrzemu (różowy), dołków (szarawy) i podłoża (zielony)

Mikrofabrykacja to proces wytwarzania miniaturowych struktur o skalach mikrometrowych i mniejszych. Historycznie najwcześniejsze procesy mikrofabrykacji były wykorzystywane do wytwarzania układów scalonych , znanych również jako „ produkcja półprzewodników ” lub „produkcja urządzeń półprzewodnikowych”. W ciągu ostatnich dwóch dekad systemy mikroelektromechaniczne (MEMS), mikrosystemy (zastosowanie europejskie), mikromaszyny (terminologia japońska) i ich poddziedziny, mikroprzepływy/lab-on-a-chip, optyczne MEMS (zwane również MOEMS), RF MEMS, PowerMEMS, BioMEMS i ich rozszerzenie na nanoskalę (na przykład NEMS, dla systemów nanoelektromechanicznych) zostały ponownie wykorzystane, zaadaptowane lub rozszerzone metody mikrowytwarzania. Wyświetlacze płaskie i ogniwa słoneczne również wykorzystują podobne techniki.

Miniaturyzacja różnych urządzeń stawia wyzwania w wielu dziedzinach nauki i inżynierii: fizyce , chemii , materiałoznawstwie , informatyce , inżynierii ultraprecyzyjnej, procesach produkcyjnych i projektowaniu urządzeń. Daje też początek różnego rodzaju interdyscyplinarnym badaniom. Główne koncepcje i zasady mikrowytwarzania to mikrolitografia , domieszkowanie , cienkie warstwy , trawienie , spajanie i polerowanie .

Uproszczona ilustracja procesu wytwarzania falownika CMOS na podłożu typu p w mikrofabrykacji półprzewodników. Każdy krok wytrawiania jest szczegółowo opisany na poniższym obrazku. Uwaga: Styki bramki, źródła i drenu zwykle nie znajdują się w tej samej płaszczyźnie w rzeczywistych urządzeniach, a schematy nie są w skali.
Szczegół etapu wytrawiania.

Obszary zastosowania

Urządzenia mikrofabrykowane obejmują:

Początki

Technologie mikrowytwarzania wywodzą się z przemysłu mikroelektronicznego , a urządzenia są zwykle wykonywane na waflach krzemowych, mimo że w użyciu jest szkło , tworzywa sztuczne i wiele innych podłoży . Mikroobróbka, produkcji półprzewodników, w mikroelektronice, półprzewodników , MEMS wykonanie i technologii układów scalonych, są określenia stosowane zamiast kro, ale kro jest szerokim ogólnym terminem.

Tradycyjne techniki obróbki, takie jak obróbka elektroerozyjne , obróbka elektroerozyjna i wiercenie laserowe , zostały przeskalowane w zakresie od milimetrów do mikrometrów, ale nie podzielają głównej idei mikrowytwarzania wywodzącego się z mikroelektroniki: replikacji i równoległej produkcji setek lub miliony identycznych struktur. Ta równoległość jest obecna w różnych technikach nadruku , odlewania i formowania , które zostały z powodzeniem zastosowane w mikroreżymie. Na przykład formowanie wtryskowe płyt DVD polega na wytwarzaniu na płycie plamek o rozmiarach submikrometrowych.

Procesy

Mikroprodukcja to właściwie zbiór technologii, które są wykorzystywane do wytwarzania mikrourządzeń. Niektóre z nich mają bardzo stare korzenie, niezwiązane z produkcją , jak litografia czy akwaforta . Polerowanie zostało zapożyczone z produkcji optyki , a wiele technik próżniowych pochodzi z XIX-wiecznych badań fizycznych . Galwanizacja jest również XIX-wieczną techniką przystosowaną do wytwarzania struktur w skali mikrometrowej , podobnie jak różne techniki tłoczenia i wytłaczania .

Aby wyprodukować mikrourządzenie, trzeba wykonać wiele procesów, jeden po drugim, wielokrotnie i wielokrotnie. Procesy te zazwyczaj obejmują nakładanie folii , nadawanie jej pożądanych cech mikroelementów oraz usuwanie (lub wytrawianie ) części folii. Metrologia cienkowarstwowa jest zwykle stosowana podczas każdego z tych poszczególnych etapów procesu, aby zapewnić, że struktura warstewki ma pożądane właściwości pod względem grubości ( t ), współczynnika załamania światła ( n ) i współczynnika ekstynkcji ( k ) , dla odpowiedniego zachowania urządzenia. Na przykład w produkcji chipów pamięci wykonuje się około 30 etapów litografii , 10 etapów utleniania , 20 etapów trawienia, 10 etapów domieszkowania i wiele innych. Złożoność procesów mikrofabrykacji można opisać liczbą ich masek . Jest to liczba różnych warstw wzoru, które składają się na urządzenie końcowe. Nowoczesne mikroprocesory składają się z 30 masek, podczas gdy kilka masek wystarcza na urządzenie mikroprzepływowe lub diodę laserową . Mikroprodukcja przypomina fotografię z wielokrotną ekspozycją , z wieloma wzorami dopasowanymi do siebie, aby stworzyć ostateczną strukturę.

Podłoża

Urządzenia z mikrofabrykatów nie są na ogół urządzeniami wolnostojącymi, ale są zwykle formowane na lub w grubszym podłożu nośnym . W zastosowaniach elektronicznych można stosować podłoża półprzewodnikowe, takie jak płytki krzemowe . W przypadku urządzeń optycznych lub płaskich wyświetlaczy panelowych powszechne są przezroczyste podłoża, takie jak szkło lub kwarc. Podłoże umożliwia łatwą obsługę mikrourządzenia na wielu etapach produkcji. Często wiele pojedynczych urządzeń jest wytwarzanych razem na jednym podłożu, a następnie pod koniec produkcji rozdzielane na oddzielne urządzenia.

Osadzanie lub wzrost

Urządzenia mikrofabrykowane są zazwyczaj konstruowane przy użyciu jednej lub więcej cienkich folii (patrz osadzanie cienkich folii ). Przeznaczenie tych cienkich folii zależy od rodzaju urządzenia. Urządzenia elektroniczne mogą mieć cienkie warstwy, które są przewodnikami (metale), izolatorami (dielektrykami) lub półprzewodnikami. Urządzenia optyczne mogą mieć folie, które są odblaskowe, przezroczyste, przewodzące lub rozpraszające światło. Folie mogą mieć również zastosowanie chemiczne lub mechaniczne, jak również do zastosowań MEMS. Przykłady technik osadzania obejmują:

Wzornictwo

Często pożądane jest ukształtowanie folii w różne cechy lub utworzenie otworów (lub przelotek) w niektórych warstwach. Te cechy są w skali mikrometrowej lub nanometrowej, a technologia modelowania jest tym, co definiuje mikrowytwarzanie. Technika tworzenia wzorów zazwyczaj wykorzystuje „maskę” do określenia części folii, które zostaną usunięte. Przykłady technik wzorniczych obejmują:

Akwaforta

Trawienie polega na usunięciu części cienkiej warstwy lub podłoża. Podłoże jest narażone na trawienie (takie jak kwas lub plazma), które chemicznie lub fizycznie atakuje folię, dopóki nie zostanie usunięta. Techniki trawienia obejmują:

Mikroformowanie

Mikroformowanie to proces mikrowytwarzania mikrosystemów lub systemów mikroelektromechanicznych (MEMS) „części lub struktur o co najmniej dwóch wymiarach w zakresie submilimetrowym”. Obejmuje technik, takich jak microextrusion , microstamping i microcutting. Te i inne procesy mikroformowania były przewidywane i badane od co najmniej 1990 r., co doprowadziło do rozwoju przemysłowych i eksperymentalnych narzędzi produkcyjnych. Jednak, jak zauważyli Fu i Chan w przeglądzie najnowocześniejszych technologii z 2013 roku, kilka kwestii musi zostać jeszcze rozwiązanych, zanim technologia będzie mogła zostać szerzej wdrożona, w tym obciążenie odkształcenia i defekty , stabilność systemu formowania, właściwości mechaniczne i inne efekty związane z wielkością na strukturę i granice krystalitów (ziarna):

W mikroformowaniu stosunek całkowitej powierzchni granic ziaren do objętości materiału maleje wraz ze spadkiem wielkości próbki i wzrostem wielkości ziarna. Prowadzi to do zmniejszenia efektu wzmocnienia granic ziaren. Ziarna powierzchniowe mają mniejsze ograniczenia w porównaniu z ziarnami wewnętrznymi. Zmiana naprężenia płynięcia wraz z wielkością geometrii części jest częściowo związana ze zmianą udziału objętościowego ziaren powierzchniowych. Dodatkowo, wraz ze zmniejszaniem się wielkości przedmiotu obrabianego, istotne stają się właściwości anizotropowe każdego ziarna, co skutkuje niejednorodnym odkształceniem, nieregularną geometrią ukształtowania oraz zmiennością obciążenia odkształcenia. Istnieje krytyczna potrzeba ustalenia systematycznej wiedzy na temat mikroformowania w celu wsparcia projektowania części, procesu i oprzyrządowania z uwzględnieniem efektów wielkości.

Inne

można również przeprowadzić szeroką gamę innych procesów czyszczenia, planaryzacji lub modyfikacji właściwości chemicznych urządzeń z mikrowyrobami. Oto kilka przykładów:

Czystość w produkcji wafli

Mikroprodukcja odbywa się w pomieszczeniach czystych , gdzie powietrze zostało przefiltrowane z zanieczyszczeń cząsteczkowych, a temperatura , wilgotność , wibracje i zakłócenia elektryczne są pod ścisłą kontrolą. Dym , kurz , bakterie i komórki są wielkości mikrometrów, a ich obecność zniszczy funkcjonalność urządzenia z mikrofabrykatów.

Pomieszczenia czyste zapewniają pasywną czystość, ale wafle są również aktywnie czyszczone przed każdym krytycznym krokiem. RCA-1 clean w roztworze nadtlenku amoniaku usuwa zanieczyszczenia organiczne i cząstki; Czyszczenie RCA-2 w mieszaninie chlorowodór- nadtlenek usuwa zanieczyszczenia metaliczne. Mieszanina kwas siarkowy - nadtlenek (aka Piranha) usuwa substancje organiczne. Fluorowodór usuwa natywny tlenek z powierzchni krzemu. To wszystko są etapy czyszczenia na mokro w roztworach. Metody czyszczenia na sucho obejmują obróbkę plazmą tlenową i argonową w celu usunięcia niechcianych warstw powierzchni lub wypalanie wodorowe w podwyższonej temperaturze w celu usunięcia natywnego tlenku przed epitaksją . Czyszczenie przed bramą jest najbardziej krytycznym etapem czyszczenia w produkcji CMOS: zapewnia, że ​​ca. Tlenek tranzystora MOS o grubości 2 nm można hodować w uporządkowany sposób. Utlenianie i wszystkie etapy wysokotemperaturowe są bardzo wrażliwe na zanieczyszczenia, a etapy czyszczenia muszą poprzedzać etapy wysokotemperaturowe.

Przygotowanie powierzchni to tylko inny punkt widzenia, wszystkie kroki są takie same jak opisane powyżej: chodzi o pozostawienie powierzchni wafla w kontrolowanym i dobrze znanym stanie przed rozpoczęciem obróbki. Wafle są zanieczyszczone przez poprzednie etapy procesu (np. metale bombardowane ze ścian komory przez jony energetyczne podczas implantacji jonów ) lub mogły zebrać polimery z pudełek waflowych, co może się różnić w zależności od czasu oczekiwania.

Czyszczenie wafli i przygotowanie powierzchni działa podobnie jak maszyny w kręgielni : najpierw usuwają wszystkie niechciane drobiny, a następnie odtwarzają pożądany wzór, aby gra mogła toczyć się dalej.

Zobacz też

Bibliografia

  1. ^ Nitaigour Premchand Mahalik (2006) "Mikroprodukcja i nanotechnologia", Springer, ISBN  3-540-25377-7
  2. ^ B Engel, U .; Eckstein, R. (2002). „Mikroformowanie – od badań podstawowych do ich realizacji”. Czasopismo Technologii Przetwarzania Materiałów . 125-126 (2002): 35-44. doi : 10.1016/S0924-0136(02)00415-6 .
  3. ^ a b c Dixit, USA; Das, R. (2012). „Rozdział 15: Mikroekstruzja” . W Jain, VK (red.). Procesy mikroprodukcji . CRC Prasa. s. 263–282. Numer ISBN 9781439852903.
  4. ^ B Razali, Ar; Qin, Y. (2013). „Przegląd mikroprodukcji, mikroformowania i ich kluczowych zagadnień” . Inżynieria procedii . 53 (2013): 665–672. doi : 10.1016/j.proeng.2013.02.086 .
  5. ^ Laboratorium Zaawansowanych Procesów Wytwarzania (2015). „Analiza procesu i kontrola zmienności w mikrostemplowaniu” . Uniwersytet Północno-Zachodni . Źródło 18 marca 2016 .
  6. ^ Fu, MW; Chan, WL (2014). „Rozdział 4: Procesy mikroformowania”. Rozwój produktów w skali mikro za pomocą mikroformowania: zachowania deformacji, procesy, narzędzia i ich realizacja . Springer Media o nauce i biznesie. s. 73–130. Numer ISBN 9781447163268.
  7. ^ B Fu MW Chan, WL (2013). „Przegląd najnowocześniejszych technologii mikroformowania”. International Journal of Advanced Manufacturing Technology . 67 (9): 2411-2437. doi : 10.1007/s00170-012-4661-7 . S2CID  110879846 .

Dalsza lektura

Czasopisma

  • Journal of Microelectromechanical Systems (J.MEMS)
  • Czujniki i siłowniki A: Fizyczne
  • Czujniki i siłowniki B: Chemiczne
  • Czasopismo Mikromechaniki i Mikroinżynierii
  • Laboratorium na chipie
  • Transakcje urządzeń elektronowych IEEE ,
  • Journal of Vacuum Science and Technology A: Próżnia, powierzchnie, filmy
  • Journal of Vacuum Science and Technology B: Mikroelektronika i struktury nanometryczne: przetwarzanie, pomiar i zjawiska

Książki

  • Wprowadzenie do mikrowytwarzania (2004) autorstwa S. Franssili. ISBN  0-470-85106-6
  • Podstawy mikrowytwarzania (wyd. 2, 2002) autorstwa M. Madou. ISBN  0-8493-0826-7
  • Micromachined Transducers Sourcebook autorstwa Gregory'ego Kovacsa (1998)
  • Brodie i Murray: Fizyka mikrowytwarzania (1982),
  • Nitaigour Premchand Mahalik (2006) „Mikroprodukcja i nanotechnologia”, Springer, ISBN  3-540-25377-7
  • D. Widmann, H. Mader, H. Friedrich: Technologia układów scalonych (2000),
  • J. Plummer, M.Deal, P.Griffin: Silicon VLSI Technology (2000),
  • GS May i SS Sze: Podstawy przetwarzania półprzewodników (2003),
  • P. van Zant: Microchip Fabrication (2000, wyd. 5),
  • RC Jaeger: Wprowadzenie do produkcji mikroelektronicznej (2001, wyd. drugie),
  • S. Wolf & RN Tauber: Silicon Processing for the VLSI Era, tom 1: Technologia procesowa (1999, wyd. 2),
  • SA Campbell: Nauka i inżynieria mikroelektroniki (2001, wyd. 2)
  • T. Hattori: Ultraczysta obróbka powierzchni płytek krzemowych: Sekrety produkcji VLSI
  • (2004) Geschke, Klank & Telleman, eds.: Microsystem Engineering of Lab-on-a-chip Devices, wyd. 1, John Wiley & Sons. ISBN  3-527-30733-8 .
  • Micro- and Nanophotonic Technologies (2017) pod redakcją: Patrick Meyrueis, Kazuaki Sakoda, Marcel Van de Voorde. John Wiley & Synowie. ISBN  978-3-527-34037-8

Zewnętrzne linki