Микрообработка — это процесс изготовления миниатюрных структур размером в микрометр и меньше. Исторически самые ранние процессы микропроизводства использовались для изготовления интегральных схем , также известных как « производство полупроводников » или «изготовление полупроводниковых устройств». За последние два десятилетия микроэлектромеханические системы (МЭМС), микросистемы (европейское использование), микромашины (японская терминология) и их области, микрофлюидика / лаборатория на кристалле, оптические МЭМС (также называемые МЭМС), радиочастотные МЭМС, PowerMEMS, биоМЭМС. и их расширение в наномасштабе (например, NEMS для наноэлектромеханических систем) привело к повторному использованию, адаптации или расширению методов микропроизводства. В плоских дисплеях и солнечных элементах также используются аналогичные методы.
Миниатюризация различных устройств создает проблемы во многих областях науки и техники: физике , химии , материаловедении , информатике , сверхточной инженерии, производственных процессах и проектировании оборудования. Это также дает начало различным видам междисциплинарных исследований. [1] Основными концепциями и принципами микропроизводства являются микролитография , легирование , тонкие пленки , травление , склеивание и полировка .
Микрофабрикаты включают в себя:
Технологии микропроизводства зародились в микроэлектронной промышленности, и устройства обычно изготавливаются на кремниевых пластинах, хотя используются стекло , пластик и многие другие подложки . Микрообработка, обработка полупроводников, производство микроэлектроники, производство полупроводников , изготовление МЭМС и технология интегральных схем — это термины, используемые вместо микропроизводства, но микропроизводство — это широкий общий термин.
Традиционные методы обработки, такие как электроэрозионная обработка , электроэрозионная обработка и лазерное сверление , были масштабированы от диапазона размеров миллиметров до микрометра, но они не разделяют основную идею микропроизводства, основанного на микроэлектронике: репликация и параллельное изготовление сотен или миллионы одинаковых структур. Этот параллелизм присутствует в различных техниках отпечатка , литья и формования , успешно применяемых в микрорежиме. Например, литье DVD-дисков под давлением предполагает изготовление пятен субмикронного размера на диске.
Микропроизводство на самом деле представляет собой совокупность технологий, которые используются при создании микроустройств. Некоторые из них имеют очень древнее происхождение, не связанное с производством , например литография или офорт . Полировка была заимствована из производства оптики , а многие вакуумные методы взяты из физических исследований 19 века . Гальваническое покрытие также является методом 19-го века, адаптированным для создания структур микрометрового масштаба, а также различными методами штамповки и тиснения .
Для изготовления микроустройства необходимо выполнить множество процессов один за другим многократно многократно. Эти процессы обычно включают в себя нанесение пленки , формирование на ней рисунка с желаемыми микроструктурами и удаление (или травление ) частей пленки. Метрология тонких пленок обычно используется на каждом из этих отдельных этапов процесса, чтобы гарантировать, что структура пленки имеет желаемые характеристики с точки зрения толщины ( t ), показателя преломления ( n ) и коэффициента затухания ( k ), [2] для подходящего поведения устройства. . Например, при изготовлении чипов памяти выполняется около 30 этапов литографии , 10 этапов окисления , 20 этапов травления, 10 этапов легирования и многие другие. Сложность процессов микропроизводства можно описать количеством их масок . Это количество различных слоев рисунка , составляющих конечное устройство. Современные микропроцессоры состоят из 30 масок, а для микрофлюидного устройства или лазерного диода достаточно нескольких масок . Микрообработка напоминает фотографию с многократной экспозицией , где множество узоров совмещаются друг с другом, создавая окончательную структуру.
Микроизготовленные устройства обычно не являются отдельно стоящими устройствами, а обычно формируются на более толстой опорной подложке или в ней . Для электронных приложений можно использовать полупроводниковые подложки, такие как кремниевые пластины . Для оптических устройств или плоских дисплеев обычно используются прозрачные подложки, такие как стекло или кварц. Подложка позволяет легко обращаться с микроустройством на всех этапах изготовления. Часто множество отдельных устройств изготавливаются вместе на одной подложке, а затем к концу изготовления разделяются на отдельные устройства.
Микроустройства обычно изготавливаются с использованием одной или нескольких тонких пленок (см. «Нанесение тонких пленок »). Назначение этих тонких пленок зависит от типа устройства. Электронные устройства могут иметь тонкие пленки, которые являются проводниками (металлами), изоляторами (диэлектриками) или полупроводниками. Оптические устройства могут иметь пленки, которые являются отражающими, прозрачными, светопроводящими или рассеивающими. Пленки также могут иметь химическое или механическое назначение, а также использоваться в МЭМС. Примеры методов осаждения включают в себя:
Часто желательно создать на пленке отдельные элементы или сформировать отверстия (или переходные отверстия) в некоторых слоях. Эти характеристики имеют микрометровый или нанометровый масштаб, а технология нанесения рисунка – это то, что определяет микропроизводство. В этом методе нанесения рисунка обычно используется «маска», чтобы определить части пленки, которые будут удалены. Примеры методов нанесения рисунка включают в себя:
Травление — это удаление некоторой части тонкой пленки или подложки. Подложка подвергается травлению (например, кислотой или плазмой), которое химически или физически воздействует на пленку до тех пор, пока она не будет удалена. К методам травления относятся:
Микроформование — это процесс микропроизводства микросистем или микроэлектромеханических систем (МЭМС) «деталей или структур, имеющих как минимум два размера в субмиллиметровом диапазоне». [3] [4] [5] Он включает в себя такие методы, как микроэкструзия , [4] микроштамповка , [6] и микрорезка. [7] Эти и другие процессы микроформования были задуманы и исследованы как минимум с 1990 года, [3] что привело к разработке производственных инструментов промышленного и экспериментального уровня. Однако, как отметили Фу и Чан в обзоре современных технологий 2013 года, прежде чем технология сможет быть внедрена более широко, необходимо еще решить несколько проблем, включая деформационную нагрузку и дефекты , стабильность системы формования, механические свойства и другие размерные воздействия на структуру и границы кристаллитов (зерен): [4] [5] [8]
При микроформовке отношение общей площади границ зерен к объему материала уменьшается с уменьшением размера образца и увеличением размера зерна. Это приводит к уменьшению 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, с уменьшением размеров заготовки становятся существенными анизотропные свойства каждого зерна, что приводит к неоднородной деформации, неправильной геометрии формы и изменению деформационной нагрузки. Существует острая необходимость в систематическом изучении микроформовки для поддержки проектирования деталей, процессов и инструментов с учетом размерных эффектов. [8]
Также может быть выполнен широкий спектр других процессов очистки, выравнивания или изменения химических свойств микроизготовленных устройств. Вот некоторые примеры:
Микрообработка осуществляется в чистых помещениях , где воздух фильтруется от загрязнений, а температура , влажность , вибрация и электрические помехи находятся под строгим контролем. Дым , пыль , бактерии и клетки имеют размер микрометров, и их присутствие разрушит функциональность микроизготовленного устройства.
Чистые помещения обеспечивают пассивную чистоту, но пластины также подвергаются активной очистке перед каждым важным этапом. RCA-1 очистка в растворе перекиси аммиака удаляет органические загрязнения и частицы; Очистка РКА-2 в смеси хлористого водорода и перекиси удаляет металлические примеси. Сернокислотно - перекисная смесь (она же Пиранья) удаляет органику. Фтороводород удаляет самородный оксид с поверхности кремния. Это все этапы влажной уборки в растворах. Методы сухой очистки включают обработку кислородом и плазмой аргона для удаления нежелательных поверхностных слоев или обжиг в водороде при повышенной температуре для удаления естественного оксида перед эпитаксией . Предварительная очистка является наиболее важным этапом очистки в производстве КМОП: она гарантирует, что ок. Оксид МОП-транзистора толщиной 2 нм можно вырастить упорядоченным образом. Окисление и все высокотемпературные этапы очень чувствительны к загрязнению, поэтому этапы очистки должны предшествовать этапам, требующим высоких температур.
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 перед началом обработки. Пластины загрязнены предыдущими этапами процесса (например, металлы, бомбардируемые со стенок камеры энергичными ионами во время ионной имплантации ), или они могут собрать полимеры из коробок с пластинами, и это может отличаться в зависимости от времени ожидания.
Очистка и подготовка поверхности пластин работают аналогично машинам в боулинге : сначала они удаляют все ненужные кусочки и кусочки, а затем восстанавливают желаемый рисунок, чтобы игра могла продолжиться.
Журналы
Книги
