Микрообработка

Синтетическая деталь микросхемы, изготовленной через четыре слоя планаризованного медного межсоединения, вплоть до поликремния (розовый), лунок (сероватый) и подложки (зеленый).

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 подобласти повторно использовали, адаптировали или расширили методы микропроизводства. Эти подобласти включают микрофлюидику / лабораторию на чипе, оптические MEMS (также называемые MOEMS), RF MEMS, PowerMEMS, BioMEMS и их расширение в наномасштабе (например, NEMS для наноэлектромеханических систем). В производстве плоских дисплеев и солнечных батарей также используются аналогичные технологии.

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. Основными понятиями и принципами микропроизводства являются микролитография , легирование , создание тонких пленок , травление , склеивание и полировка .

Упрощенная иллюстрация процесса изготовления КМОП-инвертора на подложке p-типа в полупроводниковом микропроизводстве. Каждый шаг травления подробно описан на следующем изображении. Схемы приведены не в масштабе, так как в реальных устройствах контакты затвора, истока и стока обычно не расположены в одной плоскости.

Деталь этапа травления.

Области использования

Микрофабрикаты включают в себя:

• интегральные схемы («микрочипы») (см. производство полупроводников )
• микроэлектромеханические системы (МЭМС) и микрооптоэлектромеханические системы (МОЭМС)
• микрофлюидные устройства ( струйные печатающие головки)
• солнечные батареи
• плоские дисплеи (см. AMLCD и тонкопленочные транзисторы )
• датчики (микросенсоры) ( биосенсоры , наносенсоры )
• энергетические МЭМС , топливные элементы , сборщики/поглотители энергии

Происхождение

Технологии микропроизводства зародились в промышленности микроэлектроники , и устройства обычно изготавливаются на кремниевых пластинах, даже если стекло , пластик и многие другие подложки используются . 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.

Процессы

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 ). 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. достаточно нескольких масок Современные микропроцессоры состоят из 30 масок, а для микрофлюидного устройства или лазерного диода . Микрообработка напоминает фотографию с многократной экспозицией , где множество узоров совмещаются друг с другом, создавая окончательную структуру.

Субстраты

Микроизготовленные устройства обычно не являются отдельно стоящими устройствами, а обычно формируются на более толстой опорной подложке или в ней . Для электронных приложений полупроводниковые подложки, такие как кремниевые пластины можно использовать . 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.

Отложение или рост

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:

• Термическое окисление
• Локальное окисление кремния
• Химическое осаждение из паровой фазы (CVD)
  • АПКВД
  • ЛПКВД
  • ПЭЦВД
• Физическое осаждение из паровой фазы (PVD)
  • Напыление
  • Испарительное осаждение
  • Электронно-лучевой PVD
• Эпитаксия

Узоры

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:

• Фотолитография
• Маскировка теней

Офорт

Основная статья: Травление (микрообработка)

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:

• Сухое травление ( плазменное травление ), такое как реактивно-ионное травление (RIE) или глубокое реактивно-ионное травление (DRIE).
• Мокрое травление или химическое травление.

Микроформинг

Микроформование — это процесс микропроизводства микросистем или микроэлектромеханических систем (МЭМС) «деталей или структур, имеющих как минимум два размера в субмиллиметровом диапазоне». Он включает в себя такие методы, как микроэкструзия , микроштамповка , и микрорезка. Эти и другие процессы микроформования разрабатывались и исследовались как минимум с 1990 года. 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 кристаллитов (зерен): структуру и границы

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.

Другой

Также может быть выполнен широкий спектр других процессов очистки, выравнивания или изменения химических свойств микроизготовленных устройств. Вот некоторые примеры:

• Легирование путем термодиффузии или ионной имплантации.
• Химико-механическая планаризация (ХМП)
• Очистка пластин, также известная как «подготовка поверхности» (см. ниже).
• Проволочное соединение

Чистота при производстве пластин

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 аммиака растворе перекиси 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 для пластин, 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.

См. также

• 3D микрообработка
• Нанопроизводство
• Производство полупроводников

Дальнейшее чтение

Журналы

• Журнал микроэлектромеханических систем (J.MEMS)
• Датчики и исполнительные механизмы A: Физические
• Датчики и исполнительные механизмы B: Химические вещества
• Журнал микромеханики и микроинженерии
• Лаборатория на чипе
• Транзакции IEEE электронных устройств
• Журнал вакуумной науки и техники A : Вакуум, поверхности, пленки
• Журнал вакуумной науки и техники B : Микроэлектроника и нанометровые структуры: обработка, измерение и явления

Книги

• Франсила, С. (2010). Введение в микропроизводство (2-е изд.). Уайли. дои : 10.1002/9781119990413 . ISBN  978-1-119-99041-3 .
• Маду, MJ (2002). Основы микропроизводства (2-е изд.). ЦРК Пресс. дои : 10.1201/9781482274004 . ISBN  0-8493-0826-7 .
• Ковач, GTA (1998). Справочник по микромашинным преобразователям . МакГроу-Хилл. ISBN  0-07-290722-3 .
• Броди, И.; Мюрей, Джей-Джей (1982). Физика микропроизводства . Пленум Пресс. дои : 10.1007/978-1-4899-2160-4 . ISBN  1-4899-2160-5 .
• Махалик, Н.П. (2006). Микропроизводство и нанотехнологии . Спрингер. дои : 10.1007/3-540-29339-6 . ISBN  3-540-25377-7 .
• Видманн, Д.; Мадер, Х.; Фридрих, Х. (2000). Технология интегральных микросхем . Спрингер. дои : 10.1007/978-3-662-04160-4 . ISBN  978-3-662-04160-4 .
• Пламмер, доктор юридических наук; Дил, доктор медицины; Гриффин, ПБ (2012). Кремниевая технология СБИС (2-е изд.). Прентис Холл. ISBN  978-0-13-614156-3 . ОСЛК   753300108 .
• Мэй, Г.С.; Сзе, СС (2004). Основы обработки полупроводников . Уайли. ISBN  978-0-471-23279-7 . OCLC   52333554 .
• ван Зант, П. (2014). Изготовление микрочипов (6-е изд.). МакГроу-Хилл. п. 1302905242. ISBN  978-0-07-182101-8 .
• Джагер, RC (2002). Введение в производство микроэлектроники (2-е изд.). Прентис Холл. ISBN  0-201-44494-1 . OCLC   48226051 .
• Вольф, С.; Таубер, Р.Н. (2000). Технология процесса . Производство кремния в эпоху СБИС. Том. 1. Решетчатый пресс. ISBN  0-9616721-6-1 .
• Кэмпбелл, Ю.А. (2001). Наука и техника производства микроэлектроники (2-е изд.). Издательство Оксфордского университета. ISBN  0-19-513605-5 . ОСЛК   45209102 .
• Хаттори, Т. (2011). Сверхчистая обработка поверхности кремниевых пластин: секреты производства СБИС . Спрингер. ISBN  978-3-642-08272-6 . OCLC   751530070 .
• Гешке, О.; Кланк, Х.; Теллеман, П., ред. (2004). Микросистемная инженерия устройств «лаборатория на кристалле» . Уайли. дои : 10.1002/3527601651 . ISBN  3-527-30733-8 .
• Мейрюйс, П.; Сакода, К.; Ван де Вурде, М., ред. (2017). Микро- и нанофотонные технологии . Уайли. дои : 10.1002/9783527800728 . ISBN  978-3-527-34037-8 .

Внешние ссылки

• Видео и анимация о методах микрообработки и связанных с ними приложениях. Архивировано 6 февраля 2022 г. на Wayback Machine .
• Конференция по микропроизводству .