Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Синтетическая деталь микропроцессорной интегральной схемы через четыре слоя планаризованного медного межсоединения, вплоть до поликремния (розовый), лунок (сероватый) и подложки (зеленый)

Микротехнология - это процесс изготовления миниатюрных структур микрометрового размера и меньше. Исторически самые ранние процессы микротехнологии 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 подполя, микрофлюидика/ lab-on-a-chip, оптические MEMS (также называемые MOEMS), RF MEMS, PowerMEMS, BioMEMS и их расширение в наномасштабе (например, NEMS, для нано-электромеханических систем) повторно использовали, адаптировали или расширяли методы микротехнологии. Плоские дисплеи и солнечные элементы также используют аналогичные методы.

Миниатюризация различных устройств создает проблемы во многих областях науки и техники: физике , химии , материаловедении , информатике , сверхточном машиностроении, производственных процессах и проектировании оборудования. Это также дает повод для различных видов междисциплинарных исследований. [1] Основными концепциями и принципами микротехнологии являются микролитография , легирование , тонкие пленки , травление , связывание 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 [ править ]

Микрофотографические устройства включают:

Истоки [ править ]

Технологии микротехнологии берут начало в индустрии микроэлектроники , и устройства обычно изготавливаются на кремниевых пластинах, несмотря на то , что используются стекло , пластмассы и многие другие подложки . Микрообработки, обработки полупроводников, микроэлектронное изготовление, производство полупроводников , МЭМС изготовление и технология интегральных схем являются терминами , используемых вместо микротехнологий, но микротехнологии являются широким общим термином.

Традиционные методы обработки, такие как электроэрозионная обработка , электроэрозионная обработка и лазерное сверление , были масштабированы от миллиметрового диапазона до микрометрового диапазона, но они не разделяют основную идею микроэлектронного производства: копирование и параллельное производство сотен или миллионы одинаковых конструкций. Этот параллелизм присутствует в различных технологиях оттиска , литья и формования , которые успешно применяются в микрорежиме. Например, литье DVD-дисков под давлением включает изготовление пятен субмикронного размера на диске.

Процессы [ править ]

Микрофабрикация - это фактически набор технологий, которые используются при создании микроприборов. Некоторые из них имеют очень старое происхождение, не связанное с производством , например литография или гравюра . Полировка была заимствована из производства оптики , а многие из вакуумных технологий пришли из исследований физики XIX века . Гальваника также является техникой 19-го века, адаптированной для создания структур микрометрового размера, как и различные методы штамповки и тиснения .

Чтобы изготовить микропроцессор, необходимо выполнить множество процессов, один за другим, много раз многократно. Эти процессы обычно включают нанесение пленки , нанесение рисунка на пленку 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 экстинкции ( k ) для подходящего поведения устройства. Например, при изготовлении микросхемы памяти существует около 30 этапов литографии , 10 этапов окисления.этапов, 20 этапов травления, 10 этапов легирования и многие другие. Сложность процессов микротехнологии можно описать количеством их масок . Это количество различных слоев рисунка , составляющих конечное устройство. Современные микропроцессоры состоят из 30 масок, в то время как несколько масок достаточно для микрофлюидного устройства или лазерного диода . Микротехнология напоминает фотографию с множественной экспозицией , когда множество узоров совмещены друг с другом для создания окончательной структуры.

Субстраты [ править ]

Микроизготовленном устройства , как правило , не отдельно стоящих устройств , но, как правило , формируются над или в толще опорной подложки . Для электронных приложений можно использовать полупроводниковые подложки, такие как кремниевые пластины . Для оптических устройств или плоскопанельных 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 [ править ]

Микропроцессорные устройства обычно конструируются 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 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:

  • Термическое окисление
  • Местное окисление кремния
  • Химическое осаждение из паровой фазы (CVD)
    • APCVD
    • LPCVD
    • PECVD
  • Физическое осаждение из паровой фазы (PVD)
    • Распыление
    • Отложение при испарении
    • Электронно-лучевое ПВД
  • Эпитаксия

Узор [ править ]

Часто желательно структурировать пленку в виде четких 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:

  • Фотолитография
  • Маскировка теней

Офорт [ править ]

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:

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

Микроформинг [ править ]

Микроформование - это процесс изготовления микросистем или микроэлектромеханических систем (МЭМС) «частей или структур с как минимум двумя размерами в субмиллиметровом диапазоне». [2] [3] [4] Она включает в себя такие методы, как microextrusion , [3] microstamping , [5] и микрорезание. [6] Эти и другие процессы микроформования разрабатывались и исследовались, по крайней мере, с 1990 г. [2]что привело к разработке промышленных и экспериментальных производственных инструментов. Однако, как указали Фу и Чан в обзоре новейших технологий за 2013 год, до более широкого внедрения технологии необходимо решить несколько вопросов, включая деформационные нагрузки и дефекты , стабильность системы формования, механические свойства и другие эффекты, связанные с размером, на структуру и границы кристаллитов (зерен): [3] [4] [7]

При микроформовании отношение общей площади границ зеренк 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]

Другое [ править ]

также может быть выполнено множество 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)
  • Склеивание проводов

Чистота при изготовлении пластин [ править ]

Микрофабрикация проводится в чистых помещениях , где воздух очищен от загрязнений, а температура , влажность , вибрации и электрические помехи находятся под строгим контролем. Дым , пыль , бактерии и клетки имеют размер микрометров, и их присутствие нарушает функциональность микропроцессорного устройства.

Чистые помещения обеспечивают пассивную чистоту, но вафли также активно очищаются перед каждым критическим этапом. Очистка RCA-1 в растворе перекиси аммиака удаляет органические загрязнения и частицы; Очистка РКА-2 в смеси хлороводорода и пероксида удаляет металлические примеси. Серная кислота - пероксид смесь ( так называемый Piranha) удаляет органику. Фтористый водород удаляет естественный оксид с поверхности кремния. Это все этапы влажной уборки в растворах. Методы сухой очистки включают кислородную и аргонную плазменную обработку для удаления нежелательных поверхностных слоев или водородную обжиг при повышенной температуре для удаления естественного оксида передэпитаксия . 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, и 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 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 осколки и детали, а затем восстанавливают желаемый узор, чтобы игра продолжалась.

См. Также [ править ]

  • 3D микротехнология
  • Производство полупроводников

Ссылки [ править ]

  1. ^ Nitaigour Премчанд Mahalik (2006) "MicroManufacturing и нанотехнологии", Springer, ISBN  3-540-25377-7
  2. ^ a b Engel, U .; Экштейн, Р. (2002). «Микроформинг - от фундаментальных исследований до реализации». Журнал технологий обработки материалов . 125–126 (2002): 35–44. DOI : 10.1016 / S0924-0136 (02) 00415-6 .
  3. ^ a b c Диксит, США; Дас, Р. (2012). «Глава 15: Микроэкструзия» . На джайнском языке, ВК (ред.). Микропроизводственные процессы . CRC Press. С. 263–282. ISBN 9781439852903.
  4. ^ a b Разали, АР; Цинь, Ю. (2013). «Обзор микропроизводства, микроформования и их ключевых проблем» . Разработка процедур . 53 (2013): 665–672. DOI : 10.1016 / j.proeng.2013.02.086 .
  5. ^ Лаборатория перспективных производственных процессов (2015). «Анализ процессов и контроль отклонений в микроштамповке» . Северо-Западный университет . Проверено 18 марта 2016 .
  6. ^ Фу, МВт; Чан, WL (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. ^ a b Fu, МВт; Чан, WL (2013). «Обзор новейших технологий микроформования». Международный журнал передовых производственных технологий . 67 (9): 2411–2437. DOI : 10.1007 / s00170-012-4661-7 . S2CID 110879846 . 

Дальнейшее чтение [ править ]

  • 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 транзакции электронных устройств,
  • Журнал вакуумной науки и техники A: вакуум, поверхности, пленки
  • Журнал вакуумной науки и технологий B: Микроэлектроника и нанометрические структуры: обработка, измерение и явления

Книги о микротехнологии [ править ]

  • 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, автор 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),
  • GS May и SS Sze: Основы обработки полупроводников (2003 г.),
  • П. ван Зант: Изготовление микрочипов (2000, 5-е изд),
  • RC Jaeger: Введение в производство микроэлектроники (2001, 2-е изд),
  • С. Вольф и Р. Н. Таубер: Обработка кремния для эпохи СБИС, Том 1: Технологии процесса (1999, 2-е изд),
  • С. А. Кэмпбелл: Наука и техника изготовления микроэлектроники (2001, 2-е изд)
  • Т. Хаттори: Сверхчистая 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, Казуаки Сакода, Марсель Ван де Вурде. Джон Вили и сыновья. ISBN 978-3-527-34037-8 

Внешние ссылки [ править ]

  • Видео и анимация по технологиям микротехнологии и связанным с ними приложениям .
  • Конференция по микропроизводству .