Mikrofabrikasyon - Microfabrication

Polisilikon (pembe), kuyular (grimsi) ve alt katmana (yeşil) kadar dört katmanlı düzlemsel bakır ara bağlantı yoluyla mikro-üretimli bir entegre devrenin sentetik detayı

Mikrofabrikasyon , mikrometre ve daha küçük ölçekli minyatür yapıların üretilmesi işlemidir . Tarihsel olarak, en eski mikrofabrikasyon süreçleri, " yarı iletken imalatı " veya "yarı iletken cihaz imalatı" olarak da bilinen entegre devre imalatı için kullanılmıştır . Son yirmi yılda mikroelektromekanik sistemler (MEMS), mikrosistemler (Avrupa kullanımı), mikromakineler (Japon terminolojisi) ve bunların alt alanları, mikroakışkanlar/lab-on-a-chip, optik MEMS (MOEMS olarak da adlandırılır), RF MEMS, PowerMEMS, BioMEMS ve bunların nano ölçeğe genişletilmesi (örneğin nano elektro mekanik sistemler için NEMS) yeniden kullanılmış, uyarlanmış veya genişletilmiş mikrofabrikasyon yöntemlerine sahiptir. Düz panel ekranlar ve güneş pilleri de benzer teknikler kullanıyor.

Fizik , kimya , malzeme bilimi , bilgisayar bilimi , ultra hassas mühendislik, üretim süreçleri ve ekipman tasarımı gibi çeşitli cihazların minyatürleştirilmesi, bilim ve mühendisliğin birçok alanında zorluklar sunar . Aynı zamanda çeşitli disiplinler arası araştırmalara da yol açmaktadır. Mikrofabrikasyonun temel kavramları ve ilkeleri mikrolitografi , doping , ince filmler , dağlama , yapıştırma ve cilalamadır .

Yarı iletken mikrofabrikasyonda p-tipi substrat üzerinde bir CMOS invertör üretim sürecinin basitleştirilmiş gösterimi. Her bir aşındırma adımı aşağıdaki resimde ayrıntılı olarak açıklanmıştır. Not: Kapı, kaynak ve tahliye kontakları gerçek cihazlarda normalde aynı düzlemde değildir ve diyagramlar ölçekli değildir.
Bir dağlama adımının detayı.

Kullanım alanları

Mikrofabrike cihazlar şunları içerir:

kökenler

Mikrofabrikasyon teknolojileri, mikroelektronik endüstrisinden kaynaklanır ve cihazlar, cam , plastik ve diğer birçok alt tabaka kullanımda olmasına rağmen , genellikle silikon gofretler üzerinde yapılır . Mikro işleme, yarı iletken işleme, mikro elektronik imalat, yarı iletken imalat , MEMS imalatı ve entegre devre teknolojisi, mikro imalat yerine kullanılan terimlerdir, ancak mikro imalat geniş genel bir terimdir.

Elektro-deşarjlı işleme , kıvılcım erozyonlu işleme ve lazerle delme gibi geleneksel işleme teknikleri , milimetre boyutu aralığından mikrometre aralığına ölçeklendirilmiştir , ancak bunlar mikroelektronik kaynaklı mikrofabrikasyonun ana fikrini paylaşmamaktadır: yüzlerce veya milyonlarca özdeş yapı. Bu paralellik, mikro rejimde başarıyla uygulanmış çeşitli baskı , döküm ve kalıplama tekniklerinde mevcuttur. Örneğin, DVD'lerin enjeksiyonla kalıplanması , disk üzerinde mikrometre altı boyutlu noktaların üretilmesini içerir.

süreçler

Mikrofabrikasyon aslında mikro cihazların yapımında kullanılan bir teknolojiler topluluğudur. Bazılarının kökenleri çok eskidir , litografi veya gravür gibi imalatla bağlantılı değildir . Parlatma , optik üretiminden ödünç alındı ve vakum tekniklerinin çoğu 19. yüzyıl fizik araştırmalarından geldi . Elektrokaplama , çeşitli damgalama ve kabartma teknikleri gibi mikrometre ölçekli yapılar üretmek için uyarlanmış bir 19. yüzyıl tekniğidir.

Bir mikro cihaz üretmek için, birçok işlemin birbiri ardına, defalarca tekrarlanması gerekir. Bu işlemler tipik olarak bir filmin yerleştirilmesini , filmin istenen mikro özelliklerle modellenmesini ve filmin bölümlerinin çıkarılmasını (veya dağlanmasını ) içerir. İnce film metrolojisi, uygun cihaz davranışı için film yapısının kalınlık ( t ), kırılma indisi ( n ) ve sönme katsayısı ( k ) açısından istenen özelliklere sahip olmasını sağlamak için tipik olarak bu bireysel işlem adımlarının her biri sırasında kullanılır . Örneğin, bellek çipi imalatında yaklaşık 30 litografi aşaması, 10 oksidasyon aşaması, 20 aşındırma aşaması, 10 doping aşaması vardır ve daha birçokları gerçekleştirilir. Mikrofabrikasyon işlemlerinin karmaşıklığı, maske sayılarıyla açıklanabilir . Bu, son cihazı oluşturan farklı desen katmanlarının sayısıdır . Modern mikroişlemciler 30 maske ile yapılırken, mikroakışkan bir cihaz veya lazer diyot için birkaç maske yeterlidir . Mikrofabrikasyon , nihai yapıyı oluşturmak için birçok desenin birbiriyle hizalandığı çoklu poz fotoğrafçılığına benzer .

yüzeyler

Mikrofabrike cihazlar genellikle bağımsız cihazlar değildir, ancak genellikle daha kalın bir destek substratı üzerinde veya içinde oluşturulur . Elektronik uygulamalar için silikon gofretler gibi yarı iletken substratlar kullanılabilir. Optik cihazlar veya düz panel ekranlar için cam veya kuvars gibi şeffaf yüzeyler yaygındır. Alt tabaka, birçok üretim adımı boyunca mikro cihazın kolay kullanımını sağlar. Çoğu zaman, birçok bireysel cihaz bir alt tabaka üzerinde birlikte yapılır ve daha sonra fabrikasyonun sonuna doğru ayrı cihazlara tekilleştirilir.

Birikme veya büyüme

Mikrofabrike cihazlar tipik olarak bir veya daha fazla ince film kullanılarak oluşturulur (bkz. İnce film biriktirme ). Bu ince filmlerin amacı, cihazın tipine bağlıdır. Elektronik cihazlarda iletken (metaller), yalıtkanlar (dielektrikler) veya yarı iletkenler olan ince filmler olabilir. Optik cihazlarda yansıtıcı, şeffaf, ışığı yönlendiren veya saçan filmler olabilir. Filmler ayrıca MEMS uygulamalarının yanı sıra kimyasal veya mekanik bir amaca da sahip olabilir. Biriktirme tekniklerine örnekler:

desenleme

Bir filmi farklı özelliklerde desenlemek veya bazı katmanlarda açıklıklar (veya yollar) oluşturmak genellikle arzu edilir. Bu özellikler mikrometre veya nanometre ölçeğindedir ve desenleme teknolojisi mikrofabrikasyonu tanımlayan şeydir. Modelleme tekniği tipik olarak filmin çıkarılacak kısımlarını tanımlamak için bir 'maske' kullanır. Modelleme tekniklerine örnekler:

dağlama

Ana madde: Dağlama (mikrofabrikasyon)

Dağlama, ince filmin veya alt tabakanın bir kısmının çıkarılmasıdır. Substrat, film çıkarılıncaya kadar kimyasal veya fiziksel olarak saldıran bir aşındırma işlemine (asit veya plazma gibi) maruz bırakılır. Dağlama teknikleri şunları içerir:

Mikroformlama

Mikro biçimlendirme, mikrosistem veya mikroelektromekanik sistem (MEMS) "milimetre altı aralığında en az iki boyutlu parça veya yapıların" mikrofabrikasyon işlemidir . Mikro ekstrüzyon , mikro damgalama ve mikro kesme gibi teknikleri içerir . Bu ve diğer mikro biçimlendirme süreçleri, en az 1990'dan beri tasavvur edilmiş ve araştırılmış, bu da endüstriyel ve deneysel düzeyde üretim araçlarının geliştirilmesine yol açmıştır. Bununla birlikte, Fu ve Chan'in 2013'teki en son teknoloji incelemesinde işaret ettiği gibi, teknolojinin daha geniş çapta uygulanabilmesi için deformasyon yükü ve kusurları , sistem kararlılığının oluşturulması, mekanik özellikler ve kristalit (tane) yapısı ve sınırları üzerinde boyutla ilgili diğer etkiler :

Mikro biçimlendirmede, numune boyutunun küçülmesi ve tane boyutunun artmasıyla tane sınırlarının toplam yüzey alanının malzeme hacmine oranı azalır. Bu da tane sınırı güçlendirme etkisinin azalmasına neden olur. Yüzey taneleri, iç tanelere kıyasla daha az kısıtlamaya sahiptir. Parça geometri boyutu ile akış geriliminin değişimi, kısmen yüzey tanelerinin hacim fraksiyonunun değişimine atfedilir. Ayrıca iş parçası boyutunun küçülmesi ile her bir tanenin anizotropik özellikleri önemli hale gelmekte, bu da homojen olmayan deformasyon, düzensiz şekilli geometri ve deformasyon yükünün değişmesi ile sonuçlanmaktadır. Boyut etkileri göz önünde bulundurularak parça, süreç ve takım tasarımını desteklemek için mikro biçimlendirmenin sistematik bilgisini oluşturmaya kritik bir ihtiyaç vardır.

Başka

mikrofabrike cihazların kimyasal özelliklerini temizlemek, düzleme etmek veya değiştirmek için çok çeşitli başka işlemler de gerçekleştirilebilir. Bazı örnekler şunları içerir:

Gofret imalatında temizlik

Mikrofabrikasyon, havanın partikül kontaminasyonundan filtrelendiği ve sıcaklık , nem , titreşim ve elektriksel bozulmaların sıkı kontrol altında tutulduğu temiz odalarda gerçekleştirilir. Duman , toz , bakteri ve hücreler mikrometre boyutlarındadır ve bunların varlığı mikrofabrike bir cihazın işlevselliğini bozar.

Temiz odalar pasif temizlik sağlar, ancak her kritik adımdan önce gofretler de aktif olarak temizlenir. Amonyak- peroksit solüsyonunda RCA-1 clean , organik kontaminasyonu ve partikülleri giderir; Hidrojen klorür- peroksit karışımında RCA-2 temizliği metalik safsızlıkları giderir. Sülfürik asit - peroksit karışımı (aka Piranha) organik maddeleri uzaklaştırır. Hidrojen florür, doğal oksidi silikon yüzeyinden uzaklaştırır. Bunların hepsi çözeltilerdeki ıslak temizleme adımlarıdır. Kuru temizleme yöntemleri, istenmeyen yüzey katmanlarını çıkarmak için oksijen ve argon plazma işlemlerini veya epitaksiden önce doğal oksidi çıkarmak için yüksek sıcaklıkta hidrojen fırınını içerir . Kapı öncesi temizlik, CMOS imalatındaki en kritik temizlik adımıdır: ca. Bir MOS transistörünün 2 nm kalınlığındaki oksiti düzenli bir şekilde büyütülebilir. Oksidasyon ve tüm yüksek sıcaklık adımları kontaminasyona karşı çok hassastır ve temizleme adımları yüksek sıcaklık adımlarından önce gelmelidir.

Yüzey hazırlama sadece farklı bir bakış açısıdır, tüm adımlar yukarıda açıklananlarla aynıdır: işlemeye başlamadan önce gofret yüzeyini kontrollü ve iyi bilinen bir durumda bırakmakla ilgilidir. Gofretler önceki işlem adımlarından (örneğin , iyon implantasyonu sırasında enerji yüklü iyonlar tarafından hazne duvarlarından bombalanan metaller) kirlenir veya gofret kutularından polimerler toplamış olabilirler ve bu bekleme süresine bağlı olarak farklı olabilir.

Gofret temizleme ve yüzey hazırlama, bowling salonundaki makinelere benzer şekilde çalışır : önce tüm istenmeyen parçaları ve parçaları kaldırırlar ve sonra oyunun devam edebilmesi için istenen deseni yeniden oluştururlar.

Ayrıca bakınız

Referanslar

  1. ^ Nitaigour Premchand Mahalik (2006) "Mikro imalat ve Nanoteknoloji", Springer, ISBN  3-540-25377-7
  2. ^ a b Engel, U.; Eckstein, R. (2002). "Mikro biçimlendirme - Temel araştırmadan gerçekleştirilmesine". Malzeme İşleme Teknolojisi Dergisi . 125-126 (2002): 35-44. doi : 10.1016/S0924-0136(02)00415-6 .
  3. ^ a b c Dixit, ABD; Das, R. (2012). "Bölüm 15: Mikroekstrüzyon" . Jain'de, VK (ed.). Mikroüretim Süreçleri . CRC Basın. s. 263-282. ISBN'si 9781439852903.
  4. ^ a b Razali, AR; Qin, Y. (2013). "Mikro imalat, mikro şekillendirme ve bunların temel sorunları üzerine bir inceleme" . Procedia Mühendisliği . 53 (2013): 665-672. doi : 10.1016/j.proeng.2013.02.086 .
  5. ^ İleri Üretim Süreçleri Laboratuvarı (2015). "Mikro damgalamada Proses Analizi ve Varyasyon Kontrolü" . Kuzeybatı Üniversitesi . Erişim tarihi: 18 Mart 2016 .
  6. ^ Fu, MW; Chan, WL (2014). "Bölüm 4: Mikroform İşlemleri". Mikro Şekillendirme Yoluyla Mikro Ölçekli Ürün Geliştirme: Deformasyon Davranışları, Süreçler, Kalıplama ve Gerçekleştirilmesi . Springer Bilim ve İş Medyası. s. 73–130. ISBN'si 9781447163268.
  7. ^ a b Fu, MW; Chan, WL (2013). "En gelişmiş mikro biçimlendirme teknolojileri üzerine bir inceleme". Uluslararası İleri Üretim Teknolojisi Dergisi . 67 (9): 2411–2437. doi : 10.1007/s00170-012-4661-7 . S2CID  110879846 .

daha fazla okuma

dergiler

  • Mikroelektromekanik Sistemler Dergisi (J.MEMS)
  • Sensörler ve Aktüatörler A: Fiziksel
  • Sensörler ve Aktüatörler B: Kimyasal
  • Mikromekanik ve Mikromühendislik Dergisi
  • Çip Üzerinde Laboratuvar
  • Elektron Cihazlarının IEEE İşlemleri,
  • Vakum Bilimi ve Teknolojisi Dergisi A: Vakum, Yüzeyler, Filmler
  • Vakum Bilimi ve Teknolojisi Dergisi B: Mikroelektronik ve Nanometre Yapıları: İşleme, Ölçme ve Olgular

Kitabın

  • Mikrofabrikasyona Giriş (2004), S. Franssila tarafından. ISBN  0-470-85106-6
  • Mikrofabrikasyonun Temelleri (2. baskı, 2002), M. Madou. ISBN  0-8493-0826-7
  • Mikro-işlenmiş Dönüştürücüler Kaynak Kitabı , Gregory Kovacs (1998)
  • Brodie & Murray: Mikrofabrikasyonun Fiziği (1982),
  • Nitaigour Premchand Mahalik (2006) "Mikro imalat ve Nanoteknoloji", Springer, ISBN  3-540-25377-7
  • D. Widmann, H. Mader, H. Friedrich: Entegre Devreler Teknolojisi (2000),
  • J. Plummer, M.Deal, P.Griffin: Silicon VLSI Teknolojisi (2000),
  • GS May & SS Sze: Yarı İletken İşlemenin Temelleri (2003),
  • P. van Zant: Mikroçip İmalatı (2000, 5. baskı),
  • RC Jaeger: Mikroelektronik İmalata Giriş (2001, 2. baskı),
  • S. Wolf & RN Tauber: VLSI Dönemi için Silikon İşleme, Cilt 1: İşlem teknolojisi (1999, 2. baskı),
  • SA Campbell: Mikroelektronik İmalat Bilimi ve Mühendisliği (2001, 2. baskı)
  • T. Hattori: Silikon Gofretlerin Ultraclean Yüzey İşleme : VLSI İmalatının Sırları
  • (2004)Geschke, Klank & Telleman, ed.: Chip-on-a-chip Cihazlarının Mikrosistem Mühendisliği, 1. Baskı, John Wiley & Sons. ISBN  3-527-30733-8 .
  • Micro- and Nanophotonic Technologies (2017) eds: Patrick Meyrueis, Kazuaki Sakoda, Marcel Van de Voorde. John Wiley ve Oğulları. ISBN  978-3-527-34037-8

Dış bağlantılar