Кіріспе

Микрометрлік және одан кіші өлшемдегі құрылымдарды жасау

Микроөндіріс – микрометрлік және одан кіші өлшемдегі миниатюралық құрылымдарды жасау процесі. Тарихи тұрғыдан алғанда, микроөндірістің алғашқы процестері интегралды схемаларды жасау үшін қолданылды, бұл "жартылай өткізгіш өндірісі" немесе "жартылай өткізгіш құрылғыларын жасау" деп те аталады. Соңғы екі онжылдықта микроэлектромеханикалық жүйелер (MEMS), микрожүйелер (еуропалық қолданыс), микромашиналар (жапон терминологиясы) және олардың тармақтары, микросұйықтықтар/чиптегі зертхана, оптикалық MEMS (MOEMS деп те аталады), RF MEMS, PowerMEMS, BioMEMS және олардың наноөлшемге кеңеюі (мысалы, NEMS, наноэлектромеханикалық жүйелер үшін) микроөндіріс әдістерін қайта пайдаланды, бейімдеді немесе кеңейтті. Жылтыр экранды дисплейлер және күн батареялары да ұқсас техникаларды қолданады. Әртүрлі құрылғыларды кішірейту ғылым мен инженерияның көптеген салаларында қиындықтар туғызады: физика, химия, материалдар ғылымы, компьютерлік ғылым, жоғары дәлдікті инженерия, өндіріс процестері және жабдықтарды жобалау. Бұл түрлі салааралық зерттеулерге де мүмкіндік береді. Микроөндірістің негізгі түсініктер мен принциптері – микролитография, допинг, жұқа пленкалар, жорылу (эши), біріктіру және полировка.

Шығу тегі

Микроөндіріс технологиялары микроэлектроника саласынан бастау алады, және құрылғылар әдетте кремнийлі пластиналарда жасалады, бірақ шыны, пластик және көптеген басқа да негіздер де қолданылады. Микроөңдеу, жартылай өткізгіштерді өңдеу, микроэлектрондық өндіріс, жартылай өткізгіштер өндірісі, МЭМС өндірісі және интегралды схема технологиясы – микроөндіріс орнына қолданылатын терминдер, бірақ микроөндіріс – бұл жалпы, кең мағынадағы термин. Электр разрядты өңдеу, ұшқыш эрозиялық өңдеу және лазерлік тесік жасау сияқты дәстүрлі өңдеу әдістері миллиметрлік өлшемдерден микрометрлік өлшемдерге дейін кеңейтілген, бірақ олар микроэлектроникадан туындаған микроөндірістің басты идеясын – жүздеген немесе миллиондаған бірдей құрылымдарды көшіру және параллель өндіруді – бөліспейді. Осы параллелизм түрлі басып шығару, құю және қалыптау техникаларында кездеседі, олар микродеңгейде сәтті қолданылған. Мысалы, DVD-дискілерді инъекциялық қалыптау дискідегі микрометрлік өлшемдегі нүктелерді жасауды қамтиды.

Процестер

Микрофабрикация – микроқұрылғыларды жасау үшін қолданылатын технологиялар жиынтығы. Олардың кейбіреулерінің тамыры тереңде жатыр, литография немесе тегістеу сияқты өндіріспен тікелей байланысы жоқ. Полировка оптикалық өндірістен алынған, ал вакуумдық техниканың көп бөлігі 19 ғасырдағы физикалық зерттеулерден дамыған. Электрожабын да 19 ғасырдың техникасы болып табылады, ол микрометрлік масштабтағы құрылымдарды жасауға бейімделген, сондай-ақ түрлі штамптау және қалыптау техникалары да соған жатады. Микроқұрылғыны жасау үшін көптеген процестерді бірінен соң бірі, бірнеше рет қайталап орындау қажет. Бұл процестерге әдетте пленканы жабу, пленканы қажетті микроэлементтермен үлгілеу және пленканың бөліктерін алып тастау (немесе тегістеу) кіреді. Жұқа пленканың метрологиясы әдетте осы процестің әрбір кезеңінде қолданылады, пленканың қалыңдығы (t), сыну көрсеткіші (n) және жоғалу коэффициенті (k) сипаттамалары қажетті деңгейде болуын қамтамасыз ету үшін, құрылғының тиімді жұмыс істеуіне ықпал етеді. Мысалы, жад чипін жасау кезінде 30 литографиялық қадам, 10 окистеу қадамы, 20 тегістеу қадамы, 10 допингтеу қадамы және тағы да басқалары орындалады. Микрофабрикация процестерінің күрделілігін олардың маскалар санымен сипаттауға болады. Бұл – соңғы құрылғыны құрайтын әртүрлі үлгі қабаттарының саны. Қазіргі микропроцессорлар 30 маскадан жасалса, микрофлюидтік құрылғы немесе лазерлік диод үшін бірнеше маска жеткілікті. Микрофабрикация көп экспозициялы фотосуретке ұқсайды, онда көптеген үлгілер бір-біріне сәйкес келтіріліп, соңғы құрылым жасалады.

Субстраттар

Микрофабрикатталған құрылғылар көбінесе дербес құрылғылар болып табыламайды, әдетте олар қалыңдағы немесе оның ішінде жасалады. Электрондық қолданулар үшін кремний пластиналары сияқты жартылай өткізгіш субстраттар қолданылуы мүмкін. Оптикалық құрылғылар немесе жалпақ панельді дисплейлер үшін шыны немесе кварц сияқты мөлдір субстраттар жиі қолданылады. Субстрат микроқұрылғыны өндіріс процесінің көптеген кезеңдерінде оңай басқаруға мүмкіндік береді. Көбінесе бір субстратқа бірнеше жеке құрылғылар жасалады, содан кейін өндіріс соңында олар жеке-жеке бөлінеді.

Микроформалау

Микроформалау – микрожүйелер немесе микроэлектромеханикалық жүйелердің (MEMS) "кем дегенде екі өлшемі субмиллиметрлік диапазонды құрайтын" бөліктері мен құрылымдарын жасауға арналған микроөндірістік процесс. Оған микроэкструзия және микрокесу сияқты техникалар кіреді. Осы және басқа микроформалау процестері кем дегенде 1990 жылдан бері қарастырылып, зерттеліп келеді.

Микроформалауда дән шекараларының жалпы бетінің көлеміне материал көлемінің қатынасы үлгінің мөлшері кішірейгенде және дәннің мөлшері үлкендегенде төмендейді. Бұл дән шекараларының нығайту әсерінің азаюына алып келеді. Беткі дәншелер ішкі дәншелерге қарағанда аз шектеулерге ие. Бөлшектің геометриялық өлшемдеріне байланысты ағыс кернеуінің өзгеруі ішінара беткі дәншелердің көлемдік үлесінің өзгеруімен байланысты. Сонымен қатар, әр дәншеңнің анизотроптық қасиеттері жұмыс дайындамасының мөлшері кішірейгенде маңызды болып келеді, бұл біртекті емес деформацияға, дұрыс емес пішінге және деформациялық жүктеменің өзгеруіне әкеледі. Өлшемдік әсерлерді ескере отырып, бөлшектерді, процестерді және құралдарды жобалауды қолдау үшін микроформалау туралы жүйелі білімді қалыптастыру өте қажет.

Пластинкаларды өндірудегі тазалық

Микрофабрикация таза бөлмелерде жүргізіледі, онда ауа бөлшектерден сүзіліп тазартылады, температура, ылғалдылық, діріл және электрлік бұзылыстар қатаң бақылауда ұсталады. Тұман, шаң, бактериялар және жасушалардың мөлшері микрометрлермен өлшенетіндей кішкентай, ал олардың болуы микрофабрикатталған құрылғының жұмыс істеуін тоқтатуы мүмкін. Таза бөлмелер пассивті тазалықты қамтамасыз етеді, бірақ пластиналар әрбір маңызды қадам алдында белсенді түрде тазаланады. Аммиак пен пероксид ерітіндісіндегі RCA 1 тазалауы органикалық ластануларды және бөлшектерді жояды; ал хлорсутек пен пероксид қоспасындағы RCA 2 тазалауы металл қоспаларын кетіреді. Күкірт қышқылы мен пероксид қоспасы (әдетте Piranha деп аталады) органикалық заттарды жояды. Фторсутек кремний бетіндегі табиғи оксидті кетіреді. Бұлардың бәрі – ерітіндіштегі ылғалды тазалау қадамдары. Құрғақ тазалау әдістеріне жатпайтын нәрселерді жою үшін оттегі және аргон плазмасымен өңдеу, немесе эпитаксиядан бұрын табиғи оксидті жою үшін жоғары температурада сутегімен қыздыру кіреді. CMOS өндірісіндегі ең маңызды тазалау қадамы – қақпа алдындағы тазалау: ол MOS транзисторының шамамен 2 нм қалыңдықтағы оксидінің реттелген түрде өсуін қамтамасыз етеді. Окистену және барлық жоғары температуралық қадамдар ластануға өте сезімтал, сондықтан тазалау қадамдары жоғары температуралық қадамдардан бұрын орындалуы тиіс. Беттік дайындық – бұл басқаша көзқарас, жоғарыда сипатталған барлық қадамдардың өзіндік ерекшелігі: ол өңдеуді бастамас бұрын пластина бетін бақыланатын және жақсы белгілі күйде қалдыруға бағытталған. Пластиналар бұрынғы өндіріс кезеңдерінде ластануы мүмкін (мысалы, иондық имплантация кезінде камера қабырғаларынан шашыраған металдар), немесе олар пластина қораптарынан полимерлер жинауы мүмкін, бұл күту уақытына байланысты өзгеруі мүмкін. Пластиналарды тазалау және беттік дайындық боулинг аллеясындағы машиналардың жұмысына ұқсас: алдымен олар барлық қажетсіз бөлшектерді жояды, содан кейін ойын жалғасуы үшін қажетті үлгіні қайта жасайды.