Микрофабрикация - Microfabrication

Синтетическая деталь микропроцессорной интегральной схемы через четыре слоя планаризованного медного межсоединения, вплоть до поликремния (розовый), лунок (сероватый) и подложки (зеленый)

Микрофабрикация это процесс изготовления миниатюрных конструкций из микрометр масштабы и мельче. Исторически самые ранние процессы микрообработки использовались для Интегральная схема изготовление, также известное как "производство полупроводников "или" производство полупроводниковых приборов ". За последние два десятилетия микроэлектромеханические системы (MEMS), микросистемы (европейское использование), микромашины (Японская терминология) и их подполя, микрофлюидика / lab-on-a-chip, оптические MEMS (также называемые MOEMS), RF MEMS, PowerMEMS, BioMEMS и их расширение в наномасштабе (например, NEMS для наноэлектромеханических систем) повторно использовали, адаптировали или расширяли методы микротехнологии. Плоские дисплеи и солнечные элементы также используют аналогичные методы.

Миниатюризация различных устройств представляет собой проблемы во многих областях науки и техники: физика, химия, материаловедение, Информатика, сверхточное машиностроение, производственные процессы и проектирование оборудования. Это также дает повод для различных видов междисциплинарных исследований.[1] Основные концепции и принципы микротехнологии: микролитография, допинг, тонкие пленки, травление, связь, и полировка.

Упрощенная иллюстрация процесса изготовления КМОП-инвертора на подложке p-типа в полупроводниковом микротехнологии. Каждый этап травления подробно описан на следующем изображении. Примечание. Контакты затвора, истока и стока обычно не находятся в одной плоскости в реальных устройствах, и диаграммы не в масштабе.
Деталь ступени травления.

Сферы использования

Микрофотографические устройства включают:

Происхождение

Технологии микротехнологии происходят из микроэлектроника промышленности, и устройства обычно производятся на кремний вафли, хотя стекло, пластмассы и многие другие субстрат уже используются. Микрообработка, обработка полупроводников, производство микроэлектроники, производство полупроводников, МЭМС Производство и технология интегральных схем - это термины, используемые вместо микротехнологии, но микротехнология - это широкий общий термин.

Традиционные методы обработки, такие как электроэрозионная обработка, электроэрозионная обработка, и лазерное сверление были масштабированы из миллиметр от диапазона размеров до микрометров, но они не разделяют основную идею микротехнологии, созданной на основе микроэлектроники: репликация и параллельное изготовление сотен или миллионов идентичных структур. Этот параллелизм присутствует в различных отпечаток, Кастинг и лепка методы, которые успешно применяются в микрорежиме. Например, литье под давлением DVD-дисков предполагает создание на диске пятен субмикронного размера.

Процессы

Микрофабрикация - это фактически набор технологий, которые используются при создании микроприборов. Некоторые из них имеют очень старое происхождение, не связанные с производство, подобно литография или же травление. Полировка был заимствован из производство оптики, и многие из вакуумных технологий происходят из Исследования физики XIX века. Гальваника также техника 19-го века, адаптированная для производства микрометр масштабные структуры, а также различные штамповка и тиснение техники.

Чтобы изготовить микропроцессор, необходимо выполнить множество процессов, один за другим, много раз многократно. Эти процессы обычно включают внесение фильм, нанесение рисунка на пленку с желаемыми микрочипами и удаление (или травление ) части фильма. Метрология тонких пленок обычно используется на каждом из этих отдельных этапов процесса, чтобы гарантировать, что структура пленки имеет желаемые характеристики с точки зрения толщина (т), показатель преломления (п) и коэффициент экстинкции (k), для правильного поведения устройства. Например, в микросхема памяти изготовление есть около 30 литография ступеньки, 10 окисление ступеней, 20 ступеней травления, 10 допинг шаги и многие другие. Сложность процессов микротехнологии может быть описана их количество масок. Это количество разных шаблон слои, составляющие окончательное устройство. Современные микропроцессоры состоят из 30 масок, в то время как нескольких масок достаточно для микрофлюидный устройство или лазерный диод. Микрофабрикация напоминает многократная экспозиция фотография с множеством шаблонов, совмещенных друг с другом, чтобы создать окончательную структуру.

Субстраты

Микрофотографические устройства, как правило, не являются отдельно стоящими устройствами, а обычно формируются поверх или в более толстой опоре. субстрат. Для электронных приложений полупроводниковые подложки, такие как кремниевые пластины может быть использован. Для оптических устройств или плоских дисплеев обычно используются прозрачные подложки, такие как стекло или кварц. Подложка позволяет легко обращаться с микроустройством на многих этапах изготовления. Часто многие отдельные устройства изготавливаются вместе на одной подложке, а затем разделяются на отдельные устройства к концу производства.

Отложение или рост

Микропроцессорные устройства обычно конструируются с использованием одного или нескольких тонкие пленки (видеть Осаждение тонкой пленки ). Назначение этих тонких пленок зависит от типа устройства. Электронные устройства могут иметь тонкие пленки, которые представляют собой проводники (металлы), изоляторы (диэлектрики) или полупроводники. Оптические устройства могут иметь пленки, которые являются отражающими, прозрачными, световодными или рассеивающими. Пленки также могут иметь химическое или механическое назначение, а также для приложений MEMS. Примеры методов осаждения включают:

Узор

Часто желательно структурировать пленку в виде отдельных элементов или образовать отверстия (или переходные отверстия) в некоторых слоях. Эти характеристики находятся в микрометровом или нанометровом масштабе, а технология нанесения рисунка определяет микротехнологию. В технике формирования рисунка обычно используется «маска» для обозначения частей пленки, которые будут удалены. Примеры методов формирования паттернов включают:

Травление

Основная статья: Офорт (микротехнология)

Травление - это удаление части тонкой пленки или подложки. Подложка подвергается травлению (например, кислотой или плазмой), которое химически или физически разрушает пленку до тех пор, пока она не будет удалена. Техники травления включают:

Микроформование

Микроформование - это процесс микротехнологии микросистема или же микроэлектромеханическая система (МЭМС) «детали или конструкции с как минимум двумя размерами в субмиллиметровом диапазоне».[2][3][4] Он включает в себя такие методы, как микроэкструзия,[3] микроштамповка,[5] и микрорезка.[6] Эти и другие процессы микроформования разрабатывались и исследовались по крайней мере с 1990 года.[2] что привело к разработке инструментов промышленного и экспериментального уровня. Однако, как указали Фу и Чан в обзоре новейших технологий за 2013 год, до более широкого внедрения технологии необходимо решить несколько проблем, в том числе: деформационная нагрузка и дефекты, стабильность формовочной системы, механические свойства и другие эффекты, связанные с размером кристаллит (зернистая) структура и границы:[3][4][7]

При микроформовании отношение общей площади поверхности границы зерен к объему материала уменьшается с уменьшением размера образца и увеличением размера зерна. Это приводит к снижению эффекта упрочнения границ зерен. Поверхностные зерна имеют меньшие ограничения по сравнению с внутренними зернами. Изменение напряжения течения в зависимости от геометрического размера детали частично объясняется изменением объемной доли поверхностных зерен. Кроме того, анизотропные свойства каждого зерна становятся значительными с уменьшением размера заготовки, что приводит к неоднородной деформации, неправильной форме формы и изменению деформирующей нагрузки. Крайне важно систематизировать знания о микроформовании для поддержки проектирования деталей, процессов и инструментов с учетом размерных эффектов.[7]

Другой

также может быть выполнено множество других процессов очистки, выравнивания или изменения химических свойств микроизготовленных устройств. Вот некоторые примеры:

Чистота при изготовлении вафель

Микротехнология осуществляется в чистые помещения, где воздух был отфильтрован от загрязняющих частиц и температура, влажность, вибрации и электрические помехи находятся под строгим контролем. Дым, пыль, бактерии и клетки размером в микрометры, и их присутствие нарушит функциональность микропроцессорного устройства.

Чистые помещения обеспечивают пассивную чистоту, но вафли также активно очищаются перед каждым критическим этапом. RCA-1 чистый в аммиак -раствор пероксида удаляет органические загрязнения и частицы; Очистка RCA-2 в хлористый водород -пероксидная смесь удаляет металлические примеси. Серная кислота -перекись смесь (также известная как пиранья) удаляет органические вещества. Фтористый водород удаляет естественный оксид с поверхности кремния. Это все этапы влажной уборки в растворах. Методы химической чистки включают: кислород и аргон плазменная обработка для удаления нежелательных поверхностных слоев, или водород запекать при повышенной температуре, чтобы удалить естественный оксид перед эпитаксия. Очистка перед затвором является наиболее важным этапом очистки при изготовлении КМОП: она гарантирует, что прибл. Оксид МОП-транзистора толщиной 2 нм может быть выращен упорядоченным образом. Окисление, и все этапы высокой температуры очень чувствительны к загрязнению, а этапы очистки должны предшествовать этапам высокой температуры.

Подготовка поверхности - это просто другая точка зрения, все этапы такие же, как описано выше: речь идет о том, чтобы оставить поверхность пластины в контролируемом и хорошо известном состоянии, прежде чем вы начнете обработку. Пластины загрязнены предыдущими этапами процесса (например, металлы, бомбардируемые со стенок камеры энергичными ионами во время ионная имплантация ), или они могли собрать полимеры из вафельных коробок, и это может отличаться в зависимости от времени ожидания.

Очистка пластин и подготовка поверхности работают так же, как и машины в кегельбан: сначала они удаляют все ненужные кусочки и фрагменты, а затем восстанавливают желаемый узор, чтобы игра продолжалась.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Нитайгур Премчанд Махалик (2006) «Микропроизводство и нанотехнологии», Springer, ISBN  3-540-25377-7
  2. ^ а б Engel, U .; Экштейн, Р. (2002). «Микроформинг - от фундаментальных исследований до реализации». Журнал технологий обработки материалов. 125–126 (2002): 35–44. Дои:10.1016 / S0924-0136 (02) 00415-6.
  3. ^ а б c Диксит, США; Дас, Р. (2012). «Глава 15: Микроэкструзия». В джайне В.К. (ред.). Микропроизводственные процессы. CRC Press. С. 263–282. ISBN  9781439852903.
  4. ^ а б Разали, А.Р .; Цинь, Ю. (2013). «Обзор микропроизводства, микроформования и их ключевых проблем». Разработка процедур. 53 (2013): 665–672. Дои:10.1016 / j.proeng.2013.02.086.
  5. ^ Лаборатория перспективных производственных процессов (2015). «Анализ процесса и контроль отклонений в микроштамповке». Северо-Западный университет. Получено 18 марта 2016.
  6. ^ Fu, M.W .; Чан, W.L. (2014). «Глава 4: Процессы микроформования». Разработка микромасштабных продуктов с помощью микроформования: деформационное поведение, процессы, инструменты и их реализация. Springer Science & Business Media. С. 73–130. ISBN  9781447163268.
  7. ^ а б Fu, M.W .; Чан, W.L. (2013). «Обзор новейших технологий микроформования». Международный журнал передовых производственных технологий. 67 (9): 2411–2437. Дои:10.1007 / s00170-012-4661-7. S2CID  110879846.

дальнейшее чтение

  • Журнал микроэлектромеханических систем (J.MEMS)
  • Датчики и исполнительные механизмы A: физические
  • Датчики и исполнительные механизмы B: химические
  • Журнал микромеханики и микротехники
  • Лаборатория на чипе
  • IEEE Сделки электронных устройств,
  • Журнал вакуумной науки и техники A: вакуум, поверхности, пленки
  • Журнал вакуумной науки и технологии B: Микроэлектроника и нанометрические структуры: обработка, измерение и явления

Книги о микротехнологии

  • Введение в микротехнологию (2004) С. Франссила. ISBN  0-470-85106-6
  • Основы микротехнологии (2-е изд., 2002 г.) М. Маду. ISBN  0-8493-0826-7
  • Справочник по микромашинным датчикам Грегори Ковач (1998)
  • Броди и Мюррей: Физика микротехнологии (1982),
  • Нитайгур Премчанд Махалик (2006) «Микропроизводство и нанотехнологии», Springer, ISBN  3-540-25377-7
  • Д. Видманн, Х. Мадер, Х. Фридрих: Технология интегральных схем (2000),
  • Дж. Пламмер, М. Дил, П. Гриффин: Кремниевая технология СБИС (2000),
  • Г.С. Мэй и С.С. Зе: Основы обработки полупроводников (2003),
  • П. ван Зант: Изготовление микрочипов (2000, 5-е изд),
  • R.C. Джагер: Введение в производство микроэлектроники (2001, 2-е изд.),
  • С. Вольф и Р. Таубер: Обработка кремния для эпохи СБИС, Том 1: Технологические процессы (1999, 2-е изд.),
  • С.А. Кэмпбелл: Наука и техника изготовления микроэлектроники (2001, 2-е изд)
  • Т. Хаттори: Ультрачистая обработка поверхности кремниевых пластин: секреты производства СБИС
  • (2004) Гешке, Кланк и Теллеман, ред .: Микросистемная инженерия устройств типа «лаборатория на кристалле», 1-е изд., John Wiley & Sons. ISBN  3-527-30733-8.
  • Микро- и нанофотонные технологии (2017) редакторы: Патрик Мейруейс, Кадзуаки Сакода, Марсель Ван де Вурде. Джон Вили и сыновья.ISBN  978-3-527-34037-8

внешняя ссылка