Микрометрлік және нанометрлік құрылғыларды жасау технологиясы: микроэлектроника, MEMS, оптика, биомедицина салаларындағы қолданысы. Жаңа технологиялар мен міндеттер.
Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Микрометрлік және одан кіші өлшемдегі құрылымдарды жасау
Fabrication at micrometre scales and smaller
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.
Microfabrication is the process of fabricating miniature structures of micrometre scales and smaller. Historically, the earliest microfabrication processes were used for integrated circuit fabrication, also known as "semiconductor manufacturing" or "semiconductor device fabrication". In the last two decades microelectromechanical systems (MEMS), microsystems (European usage), micromachines (Japanese terminology) and their subfields, microfluidics/lab on a chip, optical MEMS (also called MOEMS), RF MEMS, PowerMEMS, BioMEMS and their extension into nanoscale (for example NEMS, for nano electro mechanical systems) have re used, adapted or extended microfabrication methods. Flat panel displays and solar cells are also using similar techniques. Miniaturization of various devices presents challenges in many areas of science and engineering: physics, chemistry, materials science, computer science, ultra precision engineering, fabrication processes, and equipment design. It is also giving rise to various kinds of interdisciplinary research. The major concepts and principles of microfabrication are microlithography, doping, thin films, etching, bonding, and polishing.
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.
Microfabrication technologies originate from the microelectronics industry, and the devices are usually made on silicon wafers even though glass, plastics and many other substrate are in use. Micromachining, semiconductor processing, microelectronic fabrication, semiconductor fabrication, MEMS fabrication and integrated circuit technology are terms used instead of microfabrication, but microfabrication is the broad general term. Traditional machining techniques such as electro discharge machining, spark erosion machining, and laser drilling have been scaled from the millimeter size range to micrometer range, but they do not share the main idea of microelectronics originated microfabrication: replication and parallel fabrication of hundreds or millions of identical structures. This parallelism is present in various imprint, casting and moulding techniques which have successfully been applied in the microregime. For example, injection moulding of DVDs involves fabrication of submicrometer sized spots on the disc.
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.
Microfabrication is actually a collection of technologies which are utilized in making microdevices. Some of them have very old origins, not connected to manufacturing, like lithography or etching. Polishing was borrowed from optics manufacturing, and many of the vacuum techniques come from 19th century physics research. Electroplating is also a 19th century technique adapted to produce micrometre scale structures, as are various stamping and embossing techniques. To fabricate a microdevice, many processes must be performed, one after the other, many times repeatedly. These processes typically include depositing a film, patterning the film with the desired micro features, and removing (or etching) portions of the film. Thin film metrology is used typically during each of these individual process steps, to ensure the film structure has the desired characteristics in terms of thickness (t), refractive index (n) and extinction coefficient (k), for suitable device behavior. For example, in memory chip fabrication there are some 30 lithography steps, 10 oxidation steps, 20 etching steps, 10 doping steps, and many others are performed. The complexity of microfabrication processes can be described by their mask count. This is the number of different pattern layers that constitute the final device. Modern microprocessors are made with 30 masks while a few masks suffice for a microfluidic device or a laser diode. Microfabrication resembles multiple exposure photography, with many patterns aligned to each other to create the final structure.
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.
Microfabricated devices are not generally freestanding devices but are usually formed over or in a thicker support substrate. For electronic applications, semiconducting substrates such as silicon wafers can be used. For optical devices or flat panel displays, transparent substrates such as glass or quartz are common. The substrate enables easy handling of the micro device through the many fabrication steps. Often many individual devices are made together on one substrate and then singulated into separated devices toward the end of fabrication.
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.
Microforming is a microfabrication process of microsystem or microelectromechanical system (MEMS) "parts or structures with at least two dimensions in the submillimeter range." It includes techniques such as microextrusion, and microcutting. These and other microforming processes have been envisioned and researched since at least 1990,
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.
In microforming, the ratio of the total surface area of grain boundaries to the material volume decreases with the decrease of specimen size and the increase of grain size. This leads to the decrease of grain boundary strengthening effect. Surface grains have lesser constraints compared to internal grains. The change of flow stress with part geometry size is partly attributed to the change of volume fraction of surface grains. In addition, the anisotropic properties of each grain become significant with the decrease of workpiece size, which results in the inhomogeneous deformation, irregular formed geometry and the variation of deformation load. There is a critical need to establish the systematic knowledge of microforming to support the design of part, process, and tooling with the consideration of size effects.
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.
Microfabrication is carried out in cleanrooms, where air has been filtered of particle contamination and temperature, humidity, vibrations and electrical disturbances are under stringent control. Smoke, dust, bacteria and cells are micrometers in size, and their presence will destroy the functionality of a microfabricated device. Cleanrooms provide passive cleanliness but the wafers are also actively cleaned before every critical step. RCA 1 clean in ammonia peroxide solution removes organic contamination and particles; RCA 2 cleaning in hydrogen chloride peroxide mixture removes metallic impurities. Sulfuric acid peroxide mixture (a. k. a. Piranha) removes organics. Hydrogen fluoride removes native oxide from silicon surface. These are all wet cleaning steps in solutions. Dry cleaning methods include oxygen and argon plasma treatments to remove unwanted surface layers, or hydrogen bake at elevated temperature to remove native oxide before epitaxy. Pre gate cleaning is the most critical cleaning step in CMOS fabrication: it ensures that the ca. 2 nm thick oxide of a MOS transistor can be grown in an orderly fashion. Oxidation, and all high temperature steps are very sensitive to contamination, and cleaning steps must precede high temperature steps. Surface preparation is just a different viewpoint, all the steps are the same as described above: it is about leaving the wafer surface in a controlled and well known state before you start processing. Wafers are contaminated by previous process steps (e. g. metals bombarded from chamber walls by energetic ions during ion implantation), or they may have gathered polymers from wafer boxes, and this might be different depending on wait time. Wafer cleaning and surface preparation work similarly to the machines in a bowling alley: first they remove all unwanted bits and pieces, and then they reconstruct the desired pattern so that the game can go on.