Mikrofabrikation - Microfabrication

Synthetisches Detail einer mikrogefertigten integrierten Schaltung durch vier Schichten planarisierter Kupferverbindungen bis hin zu Polysilizium (rosa), Wells (grau) und Substrat (grün)

Mikrofabrikation ist der Prozess der Herstellung von Miniaturstrukturen im Mikrometerbereich und kleiner. Historisch gesehen wurden die frühesten Mikrofabrikationsverfahren für die Herstellung integrierter Schaltungen verwendet, die auch als " Halbleiterherstellung " oder "Halbleiterbauelementherstellung" bekannt ist. In den letzten zwei Jahrzehnten Mikroelektromechanische Systeme (MEMS), Mikrosysteme (europäische Verwendung), Mikromaschinen (japanische Terminologie) und ihre Teilgebiete, Mikrofluidik /Lab-on-a-Chip, optische MEMS (auch MOEMS genannt), RF MEMS, PowerMEMS, BioMEMS und deren Ausdehnung in den Nanobereich (zB NEMS, für nanoelektromechanische Systeme) haben wiederverwendete, angepasste oder erweiterte Mikrofabrikationsmethoden. Auch Flachbildschirme und Solarzellen verwenden ähnliche Techniken.

Die Miniaturisierung verschiedener Geräte stellt in vielen Bereichen der Natur- und Ingenieurwissenschaften Herausforderungen dar: Physik , Chemie , Materialwissenschaften , Informatik , Ultrapräzisionstechnik, Herstellungsverfahren und Gerätedesign. Es führt auch zu verschiedenen Arten interdisziplinärer Forschung. Die wichtigsten Konzepte und Prinzipien der Mikrofabrikation sind Mikrolithographie , Dotieren , Dünnschichten , Ätzen , Bonden und Polieren .

Vereinfachte Darstellung des Herstellungsprozesses eines CMOS-Inverters auf einem p-Substrat in der Halbleiter-Mikrofabrikation. Jeder Ätzschritt wird in der folgenden Abbildung beschrieben. Hinweis: Gate-, Source- und Drain-Kontakte liegen bei realen Geräten normalerweise nicht auf derselben Ebene und die Diagramme sind nicht maßstabsgetreu.
Detail eines Ätzschritts.

Einsatzgebiete

Zu den mikrofabrizierten Geräten gehören:

Ursprünge

Mikrofabrikationstechnologien stammen aus der Mikroelektronikindustrie , und die Geräte werden normalerweise auf Siliziumwafern hergestellt, obwohl Glas , Kunststoff und viele andere Substrate verwendet werden. Mikrobearbeitung, Halbleiterverarbeitung, mikroelektronische Fertigung, Halbleiterfertigung , MEMS- Fertigung und integrierte Schaltungstechnologie sind Begriffe, die anstelle von Mikrofertigung verwendet werden, aber Mikrofertigung ist der allgemeine Begriff.

Traditionelle Bearbeitungstechniken , wie beispielsweise Elektroentladungsbearbeitung , Funkenerosionsbearbeitung und Laserbohren werden aus dem skalierten worden Millimetergrößenbereich bis Mikrometerbereich, aber sie haben nicht die Hauptidee der Mikroelektronik herrührenden Mikrofabrikations Teile: Replikation und parallele Herstellung von Hunderten oder Millionen identischer Strukturen. Diese Parallelität ist in verschiedenen Präge- , Gieß- und Formtechniken vorhanden , die im Mikroregime erfolgreich angewendet wurden. Zum Beispiel beinhaltet das Spritzgießen von DVDs die Herstellung von Punkten im Submikrometerbereich auf der Platte.

Prozesse

Mikrofabrikation ist eigentlich eine Sammlung von Technologien, die bei der Herstellung von Mikrogeräten verwendet werden. Einige von ihnen haben sehr alte Ursprünge, die nicht mit der Herstellung zu tun haben , wie Lithographie oder Radierung . Das Polieren wurde der Optikherstellung entlehnt , und viele der Vakuumtechniken stammen aus der Physikforschung des 19. Jahrhunderts . Die Galvanik ist ebenfalls eine Technik des 19. Jahrhunderts, die zur Herstellung von Strukturen im Mikrometerbereich angepasst wurde , ebenso wie verschiedene Stanz- und Prägetechniken .

Um eine Mikrovorrichtung herzustellen, müssen viele Prozesse viele Male nacheinander durchgeführt werden. Diese Prozesse umfassen typischerweise das Abscheiden eines Films , das Strukturieren des Films mit den gewünschten Mikromerkmalen und das Entfernen (oder Ätzen ) von Abschnitten des Films. Dünnschichtmesstechnik wird typischerweise während jedes dieser einzelnen Prozessschritte verwendet, um sicherzustellen, dass die Schichtstruktur die gewünschten Eigenschaften in Bezug auf Dicke ( t ), Brechungsindex ( n ) und Extinktionskoeffizient ( k ) für ein geeignetes Bauteilverhalten aufweist. Beispielsweise werden bei der Herstellung von Speicherchips etwa 30 Lithographieschritte , 10 Oxidationsschritte , 20 Ätzschritte, 10 Dotierungsschritte und viele andere durchgeführt. Die Komplexität der Mikrofabrikationsprozesse können durch ihre beschrieben Ausblendzählwert . Dies ist die Anzahl der verschiedenen Musterschichten , die das endgültige Gerät bilden. Moderne Mikroprozessoren werden mit 30 Masken hergestellt, während für ein Mikrofluidikgerät oder eine Laserdiode wenige Masken ausreichen . Die Mikrofabrikation ähnelt der Mehrfachbelichtungsfotografie , bei der viele Muster aufeinander ausgerichtet sind, um die endgültige Struktur zu erzeugen.

Substrate

Mikrofabrizierten Vorrichtungen sind nicht allgemein freistehende Vorrichtungen sind aber in der Regel über oder in einem dickeren Träger gebildet Substrat . Für elektronische Anwendungen können halbleitende Substrate wie Siliziumwafer verwendet werden. Für optische Geräte oder Flachbildschirme sind transparente Substrate wie Glas oder Quarz üblich. Das Substrat ermöglicht eine einfache Handhabung des Mikrobauelements durch die vielen Herstellungsschritte. Oft werden viele einzelne Bauelemente zusammen auf einem Substrat hergestellt und dann gegen Ende der Fertigung in getrennte Bauelemente vereinzelt.

Ablagerung oder Wachstum

Mikrofabrizierte Vorrichtungen werden typischerweise unter Verwendung eines oder mehrerer Dünnfilme konstruiert (siehe Dünnfilmabscheidung ). Der Zweck dieser dünnen Filme hängt vom Gerätetyp ab. Elektronische Geräte können dünne Filme aufweisen, die Leiter (Metalle), Isolatoren (Dielektrika) oder Halbleiter sind. Optische Geräte können reflektierende, transparente, lichtleitende oder streuende Folien aufweisen. Filme können auch einen chemischen oder mechanischen Zweck haben sowie für MEMS-Anwendungen. Beispiele für Abscheidungstechniken sind:

Musterung

Es ist oft wünschenswert, einen Film in unterschiedliche Merkmale zu strukturieren oder Öffnungen (oder Durchkontaktierungen) in einigen der Schichten auszubilden. Diese Merkmale liegen im Mikrometer- oder Nanometerbereich und die Strukturierungstechnologie definiert die Mikrofabrikation. Die Musterungstechnik verwendet typischerweise eine "Maske", um Abschnitte des Films zu definieren, die entfernt werden. Beispiele für Musterungstechniken sind:

Radierung

Hauptartikel: Ätzen (Mikrofabrikation)

Ätzen ist das Entfernen eines Teils des dünnen Films oder Substrats. Das Substrat wird einer Ätzung (wie einer Säure oder einem Plasma) ausgesetzt, die den Film chemisch oder physikalisch angreift, bis er entfernt wird. Zu den Ätztechniken gehören:

Mikroformung

Mikroformung ist ein Mikrofertigungsprozess von Mikrosystemen oder mikroelektromechanischen Systemen (MEMS) "Teilen oder Strukturen mit mindestens zwei Dimensionen im Submillimeterbereich". Es umfasst Techniken wie Mikroextrusion , Mikros und Mikrozerspanung. Diese und andere Mikroformverfahren werden seit mindestens 1990 ins Auge gefasst und erforscht, was zur Entwicklung von Fertigungswerkzeugen in industrieller und experimenteller Qualität führte. Wie Fu und Chan jedoch in einer Überprüfung des Standes der Technik im Jahr 2013 betonten, müssen noch einige Probleme gelöst werden, bevor die Technologie breiter implementiert werden kann, darunter Verformungsbelastung und Defekte , Stabilität des Umformsystems, mechanische Eigenschaften und andere größenbedingte Auswirkungen auf die Kristallit- (Korn-)Struktur und Grenzen:

Bei der Mikroumformung nimmt das Verhältnis der Gesamtoberfläche der Korngrenzen zum Materialvolumen mit der Abnahme der Probengröße und der Zunahme der Korngröße ab. Dies führt zu einer Abnahme der Korngrenzenverstärkungswirkung. Oberflächenkörner haben im Vergleich zu inneren Körnern weniger Einschränkungen. Die Änderung der Fließspannung mit der Größe der Teilegeometrie wird teilweise auf die Änderung des Volumenanteils der Oberflächenkörner zurückgeführt. Darüber hinaus werden die anisotropen Eigenschaften jedes Korns mit der Abnahme der Werkstückgröße signifikant, was zu einer inhomogenen Verformung, einer unregelmäßig geformten Geometrie und einer Variation der Verformungsbelastung führt. Es besteht ein entscheidender Bedarf, systematisches Wissen über die Mikroumformung aufzubauen, um die Konstruktion von Bauteilen, Prozessen und Werkzeugen unter Berücksichtigung von Größeneffekten zu unterstützen.

Sonstiges

eine Vielzahl anderer Verfahren zum Reinigen, Planarisieren oder Modifizieren der chemischen Eigenschaften von mikrogefertigten Vorrichtungen kann ebenfalls durchgeführt werden. Einige Beispiele sind:

Sauberkeit in der Waferherstellung

Die Mikrofabrikation wird in Reinräumen durchgeführt, in denen die Luft von Partikelverunreinigungen gefiltert wurde und Temperatur , Feuchtigkeit , Vibrationen und elektrische Störungen streng kontrolliert werden. Rauch , Staub , Bakterien und Zellen sind Mikrometer groß und ihre Anwesenheit zerstört die Funktionalität eines mikrogefertigten Geräts.

Reinräume sorgen für passive Sauberkeit, aber auch die Wafer werden vor jedem kritischen Schritt aktiv gereinigt. RCA-1 clean in Ammoniak- Peroxid-Lösung entfernt organische Verunreinigungen und Partikel; RCA-2-Reinigung in Chlorwasserstoff- Peroxid-Mischung entfernt metallische Verunreinigungen. Schwefelsäure - Peroxid- Mischung (auch bekannt als Piranha) entfernt organische Stoffe. Fluorwasserstoff entfernt natives Oxid von der Siliziumoberfläche. Dies sind alles Nassreinigungsschritte in Lösungen. Trockenreinigungsverfahren umfassen Sauerstoff- und Argon- Plasmabehandlungen, um unerwünschte Oberflächenschichten zu entfernen, oder Wasserstoffbacken bei erhöhter Temperatur, um natives Oxid vor der Epitaxie zu entfernen . Die Pre-Gate-Reinigung ist der kritischste Reinigungsschritt bei der CMOS-Fertigung: Sie stellt sicher, dass die ca. 2 nm dickes Oxid eines MOS-Transistors kann auf geordnete Weise aufgewachsen werden. Oxidation und alle Hochtemperaturschritte sind sehr empfindlich gegenüber Verunreinigung, und Reinigungsschritte müssen Hochtemperaturschritten vorausgehen.

Die Oberflächenvorbereitung ist nur ein anderer Gesichtspunkt, alle Schritte sind die gleichen wie oben beschrieben: Es geht darum, die Waferoberfläche in einem kontrollierten und bekannten Zustand zu belassen, bevor Sie mit der Bearbeitung beginnen. Wafer sind durch vorherige Prozessschritte kontaminiert (zB Metalle, die von energiereichen Ionen während der Ionenimplantation von Kammerwänden beschossen werden ) oder sie können Polymere aus Waferboxen gesammelt haben , was je nach Wartezeit unterschiedlich sein kann.

Waferreinigung und Oberflächenvorbereitung funktionieren ähnlich wie die Maschinen in einer Bowlingbahn : Zuerst entfernen sie alle unerwünschten Kleinteile und rekonstruieren dann das gewünschte Muster, damit das Spiel weitergehen kann.

Siehe auch

Verweise

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Weiterlesen

Zeitschriften

  • Zeitschrift für mikroelektromechanische Systeme (J.MEMS)
  • Sensoren und Aktoren A: Physikalisch
  • Sensoren und Aktoren B: Chemisch
  • Zeitschrift für Mikromechanik und Mikrotechnik
  • Lab auf einem Chip
  • IEEE- Transaktionen von Elektronengeräten,
  • Journal of Vacuum Science and Technology A: Vakuum, Oberflächen, Filme
  • Journal of Vacuum Science and Technology B: Mikroelektronik und Nanometerstrukturen: Verarbeitung, Messung und Phänomene

Bücher

  • Einführung in die Mikrofabrikation (2004) von S. Franssila. ISBN  0-470-85106-6
  • Grundlagen der Mikrofabrikation (2. Aufl., 2002) von M. Madou. ISBN  0-8493-0826-7
  • Micromachined Transducers Sourcebook von Gregory Kovacs (1998)
  • Brodie & Murray: Die Physik der Mikrofabrikation (1982),
  • Nitaigour Premchand Mahalik (2006) "Micromanufacturing and Nanotechnology", Springer, ISBN  3-540-25377-7
  • D. Widmann, H. Mader, H. Friedrich: Technologie integrierter Schaltungen (2000),
  • J. Plummer, M. Deal, P. Griffin: Silizium-VLSI-Technologie (2000),
  • GS May & SS Sze: Grundlagen der Halbleiterverarbeitung (2003),
  • P. van Zant: Microchip Fabrication (2000, 5. Aufl.),
  • RC Jaeger: Einführung in die mikroelektronische Fertigung (2001, 2. Aufl.),
  • S. Wolf & RN Tauber: Silicon Processing for the VLSI Era, Vol 1: Process technology (1999, 2. Aufl.),
  • SA Campbell: The Science and Engineering of Microelectronic Fabrication (2001, 2. Aufl.)
  • T. Hattori: Ultrasaubere Oberflächenbearbeitung von Siliziumwafern: Geheimnisse der VLSI-Fertigung
  • (2004)Geschke, Klank & Telleman, Hrsg.: Microsystem Engineering of Lab-on-a-chip Devices, 1. Aufl., John Wiley & Sons. ISBN  3-527-30733-8 .
  • Micro- and Nanophotonic Technologies (2017) Hrsg.: Patrick Meyrueis, Kazuaki Sakoda, Marcel Van de Voorde. John Wiley & Söhne. ISBN  978-3-527-34037-8

Externe Links