Введение

Изготовление в микрометровом масштабе и меньше

Микрофабрикация – это процесс создания миниатюрных структур микрометрового масштаба и меньше. Исторически, первые процессы микрофабрикации использовались для изготовления интегральных схем, также известных как "производство полупроводников" или "изготовление полупроводниковых приборов". За последние два десятилетия микроэлектромеханические системы (MEMS), микросистемы (европейская терминология), микромашины (японская терминология) и их области, такие как микрофлюидика/лаборатория на чипе, оптические MEMS (также называемые MOEMS), RF MEMS, PowerMEMS, BioMEMS и их расширение до наномасштаба (например, NEMS – наноэлектромеханические системы) использовали, адаптировали или расширили методы микрофабрикации. Подобные технологии также применяются при производстве плоских дисплеев и солнечных элементов. Миниатюризация различных устройств создает проблемы во многих областях науки и техники: физике, химии, материаловедении, информатике, сверхточной инженерии, технологиях производства и проектировании оборудования. Это также стимулирует развитие различных видов междисциплинарных исследований. Основными понятиями и принципами микрофабрикации являются микролитография, легирование, нанесение тонких пленок, травление, соединение и полировка.

Происхождение

Технологии микрофабрикации берут начало в микроэлектронной промышленности, и устройства обычно изготавливаются на кремниевых пластинах, хотя также используются стекло, пластик и многие другие подложки. Термины микромеханическая обработка, обработка полупроводников, микроэлектронное производство, полупроводниковое производство, производство MEMS и технология интегральных схем используются как синонимы микрофабрикации, однако микрофабрикация является наиболее общим термином. Традиционные методы обработки, такие как электроэрозионная обработка, искровая эрозия и лазерное сверление, были уменьшены в масштабе от миллиметрового до микрометрового диапазона, но они не отражают основную идею микрофабрикации, зародившейся в микроэлектронике: репликацию и параллельное изготовление сотен или миллионов идентичных структур. Эта параллельность присуща различным методам импринтинга, литья и формования, которые успешно применяются в микромасштабе. Например, литье под давлением DVD-дисков включает в себя создание пятен субмикрометрового размера на диске.

Процессы

Микрофабрикация – это, по сути, совокупность технологий, используемых при создании микроустройств. Некоторые из них имеют очень древнее происхождение, не связанное с производством, например, литография или травление. Полировка была заимствована из производства оптики, а многие вакуумные технологии берут начало в физических исследованиях XIX века. Электропластика также является техникой XIX века, адаптированной для создания структур микрометрового масштаба, как и различные методы штамповки и тиснения. Для изготовления микроустройства необходимо последовательно выполнять множество процессов, часто многократно повторяя их. Эти процессы обычно включают нанесение пленки, формирование на пленке требуемых микроструктур и удаление (или травление) ее участков. Метрология тонких пленок обычно используется на каждом из этих отдельных этапов процесса для обеспечения соответствия структуры пленки заданным характеристикам, таким как толщина (t), показатель преломления (n) и коэффициент поглощения (k), для достижения требуемых параметров устройства. Например, при производстве микросхем памяти выполняются около 30 литографических операций, 10 операций окисления, 20 операций травления, 10 операций легирования и множество других. Сложность процессов микрофабрикации можно оценить по количеству используемых масок – числу различных слоев рисунка, формирующих конечное устройство. Современные микропроцессоры изготавливаются с использованием 30 масок, в то время как для микрофлюидного устройства или лазерного диода достаточно нескольких масок. Микрофабрикация напоминает многократную экспозицию в фотографии, где множество шаблонов выравниваются друг относительно друга для создания конечной структуры.

Субстраты

Микроизделия обычно не являются автономными устройствами, а формируются на или в более толстой несущей подложке. Для электронных приложений могут использоваться полупроводниковые подложки, такие как кремниевые пластины. Для оптических устройств или плоских панельных дисплеев обычно применяются прозрачные подложки, такие как стекло или кварц. Подложка обеспечивает удобство обработки микроизделия на протяжении множества этапов изготовления. Зачастую множество отдельных устройств изготавливаются одновременно на одной подложке, а затем разделяются на отдельные устройства к концу производственного процесса.

Микроформинговые работы

Микроформовка – это микропроизводственный процесс создания микросистем или микроэлектромеханических систем (МЭМС) – "деталей или структур, имеющих как минимум два измерения в субмиллиметровом диапазоне". Он включает в себя такие методы, как микроэкструзия и микрорезка. Эти и другие процессы микроформовки рассматривались и исследовались, по крайней мере, с 1990 года.

При микроформовке отношение общей площади поверхности границ зерен к объему материала уменьшается с уменьшением размера образца и увеличением размера зерна. Это приводит к снижению эффекта упрочнения границ зерен. Поверхностные зерна испытывают меньшие ограничения по сравнению с внутренними зернами. Изменение напряжения текучести в зависимости от размера геометрии детали частично обусловлено изменением объемной доли поверхностных зерен. Кроме того, анизотропные свойства каждого зерна становятся значимыми с уменьшением размера заготовки, что приводит к неоднородной деформации, нерегулярной форме и изменению деформирующей нагрузки. Существует острая необходимость в систематизации знаний о микроформовке для поддержки проектирования деталей, процессов и оснастки с учетом размерных эффектов.

Чистота при изготовлении пластин

Микрофабрикация осуществляется в чистых помещениях, где воздух фильтруется от загрязнения частицами, а температура, влажность, вибрации и электрические помехи строго контролируются. Дым, пыль, бактерии и клетки имеют размер в микрометры, и их присутствие способно разрушить функциональность микроизделия. Чистые помещения обеспечивают пассивную чистоту, но пластины также активно очищаются перед каждым критическим этапом. Очистка RCA 1 в растворе перекиси аммиака удаляет органические загрязнения и частицы; очистка RCA 2 в смеси перекиси водорода и соляной кислоты удаляет металлические примеси. Смесь пероксида серной кислоты (также известная как «пиранья») удаляет органические вещества. Фтороводород удаляет природный оксид с поверхности кремния. Все это этапы мокрой очистки в растворах. Методы сухой очистки включают обработку кислородной и аргоновой плазмой для удаления нежелательных поверхностных слоев или отжиг в водороде при повышенной температуре для удаления природного оксида перед эпитаксией. Предварительная очистка затвора – наиболее критичный этап очистки при изготовлении КМОП-структур: она обеспечивает возможность упорядоченного роста оксида толщиной около 2 нм в МОП-транзисторе. Окисление и все высокотемпературные этапы крайне чувствительны к загрязнениям, поэтому этапы очистки должны предшествовать высокотемпературным процессам. Подготовка поверхности – это просто иной взгляд на те же самые этапы, описанные выше: речь идет о приведении поверхности пластины в контролируемое и известное состояние перед началом обработки. Пластины могут быть загрязнены предыдущими этапами технологического процесса (например, металлами, распыляемыми со стенок реактора энергичными ионами во время ионной имплантации), или на них могут накапливаться полимеры из контейнеров для пластин, что может зависеть от времени ожидания. Очистка пластин и подготовка поверхности работают аналогично машинам для боулинга: сначала они удаляют все лишние элементы, а затем восстанавливают желаемый рисунок, чтобы игра могла продолжаться.