Микропроизводство — это процесс изготовления миниатюрных структур микрометровых масштабов 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 (MEMS), микросистемы (европейское использование), микромашины (японская терминология) и их подобласти повторно использовали, адаптировали или расширили методы микропроизводства. Эти подобласти включают микрофлюидику /лабораторию на кристалле, оптические MEMS (также называемые MOEMS), RF MEMS, PowerMEMS, BioMEMS и их расширение в наномасштабе (например, NEMS для наноэлектромеханических систем). Производство плоских дисплеев и солнечных элементов также использует похожие методы.
Миниатюризация различных устройств представляет собой проблему во многих областях науки и техники: физика , химия , материаловедение , информатика , сверхточное машиностроение, производственные процессы и проектирование оборудования. Она также порождает различные виды междисциплинарных исследований. [1] Основными концепциями и принципами микропроизводства являются микролитография , легирование , тонкие пленки , травление , склеивание и полировка .
Микроизготовленные устройства включают в себя:
Технологии микропроизводства берут свое начало в микроэлектронной промышленности, и устройства обычно изготавливаются на кремниевых пластинах, хотя используются стекло , пластик и многие другие подложки . Микрообработка, обработка полупроводников, микроэлектронное производство, производство полупроводников , производство 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 миллиметрового до микрометрового диапазона, но они не разделяют основную идею микропроизводства, возникшего в микроэлектронике: репликацию и параллельное изготовление сотен или миллионов идентичных структур. Этот параллелизм присутствует в различных методах импринтинга , литья и формовки , которые успешно применялись в микрорежиме. Например, литье под давлением DVD-дисков подразумевает изготовление на диске точек субмикрометрового размера.
Микропроизводство на самом деле представляет собой набор технологий, которые используются при изготовлении микроустройств. Некоторые из них имеют очень древнее происхождение, не связанное с производством , например, литография или травление . Полировка была заимствована из оптического производства , а многие вакуумные методы пришли из физических исследований 19-го века . Гальванопокрытие также является методом 19-го века, адаптированным для производства микрометрических масштабных структур, как и различные методы штамповки и тиснения .
Для изготовления микроустройства необходимо выполнить множество процессов, один за другим, много раз и многократно. Обычно эти процессы включают осаждение пленки , формирование рисунка пленки с желаемыми микроэлементами 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 экстинкции ( k ), [2] для подходящего поведения устройства. Например, при изготовлении микросхем памяти выполняется около 30 этапов литографии , 10 этапов окисления , 20 этапов травления, 10 этапов легирования и многие другие. Сложность процессов микропроизводства можно описать их количеством масок . Это количество различных слоев шаблона , которые составляют конечное устройство. Современные микропроцессоры изготавливаются с 30 масками, в то время как для микрофлюидного устройства или лазерного диода достаточно нескольких масок . Микротехнология напоминает многоэкспозиционную фотографию, в которой множество узоров выстраиваются в ряд, создавая окончательную структуру.
Микроизготовленные устройства обычно не являются автономными устройствами, а обычно формируются поверх или в более толстой подложке . Для электронных приложений могут использоваться полупроводниковые подложки, такие как кремниевые пластины . Для оптических устройств или плоских дисплеев распространены прозрачные подложки, такие как стекло или кварц. Подложка обеспечивает легкое обращение с микроустройством на протяжении многих этапов изготовления. Часто много отдельных устройств изготавливаются вместе на одной подложке, а затем разделяются на отдельные устройства к концу изготовления.
Микроизготовленные устройства 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 могут также иметь химическое или механическое назначение, а также для приложений MEMS. Примеры методов нанесения включают:
Часто бывает желательно структурировать пленку в отдельные элементы или формировать отверстия (или переходы) в некоторых слоях. Эти элементы находятся в микрометровом или нанометровом масштабе, и технология структурирования определяет микропроизводство. Эта технология структурирования обычно использует «маску» для определения частей пленки, которые будут удалены. Примеры технологий структурирования включают:
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. Методы травления включают:
Микроформовка — это процесс микропроизводства микросистемных или микроэлектромеханических систем (MEMS) «деталей или структур с по крайней мере двумя измерениями в субмиллиметровом диапазоне». [3] [4] [5] Он включает в себя такие методы, как микроэкструзия , [4] микроштамповка , [6] и микрорезка. [7] Эти и другие процессы микроформовки были задуманы и исследованы по крайней мере с 1990 года, [3] что привело к разработке промышленных и экспериментальных производственных инструментов. Однако, как указали Фу и Чан в обзоре современных технологий 2013 года, еще предстоит решить несколько проблем, прежде чем технология сможет быть внедрена более широко, включая деформационную нагрузку и дефекты , стабильность системы формирования, механические свойства и другие эффекты, связанные с размером, на структуру и границы кристаллитов (зерен): [4] [5] [8]
При микроформовке отношение общей площади поверхности 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 с размером геометрии 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, нерегулярной сформированной геометрии и изменению нагрузки деформации. Существует острая необходимость в установлении систематических знаний о микроформовке для поддержки проектирования детали, процесса и инструмента с учетом эффектов размера. [8]
также может быть выполнен широкий спектр других процессов очистки, выравнивания или изменения химических свойств микроизготовленных устройств. Некоторые примеры включают:
Микропроизводство осуществляется в чистых помещениях , где воздух отфильтрован от частиц загрязнения, а температура , влажность , вибрации и электрические помехи находятся под строгим контролем. Дым , пыль , бактерии и клетки имеют размер микрометров, и их присутствие разрушит функциональность микропроизводного устройства.
Чистые помещения обеспечивают пассивную чистоту, но пластины также активно очищаются перед каждым критическим шагом. Очистка RCA-1 в растворе аммиака и перекиси удаляет органические загрязнения и частицы; очистка RCA-2 в смеси хлористого водорода и перекиси удаляет металлические примеси. Смесь серной кислоты и перекиси (также известная как Piranha) удаляет органику. Фтористый водород удаляет естественный оксид с поверхности кремния. Все это этапы влажной очистки в растворах. Методы сухой очистки включают обработку кислородом и аргоновой плазмой для удаления нежелательных поверхностных слоев или водородную сушку при повышенной температуре для удаления естественного оксида перед эпитаксией . Очистка перед затвором является наиболее важным этапом очистки в производстве КМОП: она гарантирует, что оксид толщиной около 2 нм МОП-транзистора может быть выращен упорядоченным образом. Окисление и все высокотемпературные этапы очень чувствительны к загрязнению, и этапы очистки должны предшествовать высокотемпературным этапам.
Подготовка поверхности — это просто другая точка зрения, все шаги 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, металлами, бомбардируемыми со стенок камеры энергичными ионами во время ионной имплантации ), или они могли собрать полимеры из коробок для пластин, и это может отличаться в зависимости от времени ожидания.
Очистка пластин и подготовка поверхности работают аналогично машинам в боулинге : сначала они удаляют все ненужные детали и фрагменты, а затем восстанавливают желаемый рисунок, чтобы игра могла продолжаться.
Журналы
Книги
