Microfabricação - Microfabrication

Detalhe sintético de um circuito integrado microfabricado através de quatro camadas de interconexão de cobre planarizado, até o polissilício (rosa), poços (cinza) e substrato (verde)

Microfabricação é o processo de fabricação de estruturas em miniatura de escalas micrométricas e menores. Historicamente, os primeiros processos de microfabricação foram usados ​​para a fabricação de circuitos integrados , também conhecidos como " fabricação de semicondutores " ou "fabricação de dispositivos semicondutores". Nas últimas duas décadas, sistemas microeletromecânicos (MEMS), microssistemas (uso europeu), micromáquinas (terminologia japonesa) e seus subcampos, microfluídica/ lab-on-a-chip, MEMS ópticos (também chamados de MOEMS), RF MEMS, PowerMEMS, BioMEMS e sua extensão em nanoescala (por exemplo NEMS, para sistemas nanoeletromecânicos) têm métodos de microfabricação reutilizados, adaptados ou estendidos. Monitores de tela plana e células solares também estão usando técnicas semelhantes.

A miniaturização de vários dispositivos apresenta desafios em muitas áreas da ciência e engenharia: física , química , ciência dos materiais , ciência da computação , engenharia de ultraprecisão, processos de fabricação e design de equipamentos. Também está dando origem a vários tipos de pesquisa interdisciplinar. Os principais conceitos e princípios de microfabricação são microlitografia , dopagem , filmes finos , corrosão , colagem e polimento .

Ilustração simplificada do processo de fabricação de um inversor CMOS em substrato tipo p na microfabricação de semicondutores. Cada etapa de gravação é detalhada na imagem a seguir. Nota: Os contatos de porta, fonte e dreno não estão normalmente no mesmo plano em dispositivos reais e os diagramas não estão em escala.
Detalhe de uma etapa de gravação.

Campos de uso

Os dispositivos microfabricados incluem:

Origens

As tecnologias de microfabricação originam-se da indústria de microeletrônica , e os dispositivos geralmente são feitos em pastilhas de silício , embora vidro , plástico e muitos outros substratos estejam em uso. Micromachining, processamento de semicondutores, o fabrico microelectrico, fabricação de semicondutores , MEMS fabricação e tecnologia de circuito integrado são termos utilizados em vez de microfabricação, mas microfabricação é o termo geral.

Técnicas de usinagem tradicionais, como usinagem de eletro-descarga , usinagem de erosão por centelha e perfuração a laser foram dimensionadas de uma faixa de tamanho de milímetro para uma faixa de micrômetro, mas não compartilham a ideia principal da microfabricação originada da microeletrônica: replicação e fabricação paralela de centenas ou milhões de estruturas idênticas. Este paralelismo está presente em várias técnicas de impressão , fundição e moldagem que têm sido aplicadas com sucesso no microrregime. Por exemplo, a moldagem por injeção de DVDs envolve a fabricação de pontos de tamanho submicrométrico no disco.

Processos

A microfabricação é, na verdade, uma coleção de tecnologias utilizadas na fabricação de microdispositivos. Alguns deles têm origens muito antigas, não ligadas à manufatura , como litografia ou gravura . O polimento foi emprestado da manufatura ótica , e muitas das técnicas de vácuo vêm de pesquisas físicas do século XIX . Galvanização é também uma técnica do século 19 adaptado para produzir micrómetros estruturas escala, como são vários estampagem e estampagem técnicas.

Para fabricar um microdispositivo, muitos processos devem ser executados, um após o outro, muitas vezes repetidamente. Esses processos normalmente incluem o depósito de um filme , padronizando o filme com as micro características desejadas e removendo (ou gravando ) porções do filme. A metrologia de filme fino é usada normalmente durante cada uma dessas etapas individuais do processo, para garantir que a estrutura do filme tenha as características desejadas em termos de espessura ( t ), índice de refração ( n ) e coeficiente de extinção ( k ) , para comportamento adequado do dispositivo. Por exemplo, na fabricação de chips de memória, existem cerca de 30 etapas de litografia , 10 etapas de oxidação , 20 etapas de gravação, 10 etapas de dopagem e muitos outros são executados. A complexidade dos processos de microfabricação pode ser descrita por sua contagem de máscara . Este é o número de diferentes camadas de padrão que constituem o dispositivo final. Os microprocessadores modernos são feitos com 30 máscaras, enquanto algumas máscaras são suficientes para um dispositivo microfluídico ou um diodo laser . A microfabricação se assemelha à fotografia de exposição múltipla , com muitos padrões alinhados entre si para criar a estrutura final.

Substratos

Dispositivos microfabricados geralmente não são dispositivos autônomos, mas geralmente são formados sobre ou em um substrato de suporte mais espesso . Para aplicações eletrônicas, substratos semicondutores, como wafers de silício, podem ser usados. Para dispositivos ópticos ou monitores de tela plana, substratos transparentes como vidro ou quartzo são comuns. O substrato permite fácil manuseio do microdispositivo por meio das várias etapas de fabricação. Freqüentemente, muitos dispositivos individuais são feitos juntos em um substrato e então individualizados em dispositivos separados no final da fabricação.

Deposição ou crescimento

Dispositivos microfabricados são normalmente construídos usando um ou mais filmes finos (consulte Deposição de filme fino ). A finalidade desses filmes finos depende do tipo de dispositivo. Os dispositivos eletrônicos podem ter filmes finos que são condutores (metais), isolantes (dielétricos) ou semicondutores. Dispositivos ópticos podem ter filmes que são reflexivos, transparentes, guias de luz ou dispersão. Os filmes também podem ter uma finalidade química ou mecânica, bem como para aplicações MEMS. Exemplos de técnicas de deposição incluem:

Padronização

Muitas vezes é desejável padronizar um filme em características distintas ou formar aberturas (ou vias) em algumas das camadas. Esses recursos estão na escala de micrômetro ou nanômetro e a tecnologia de padronização é o que define a microfabricação. A técnica de padronização normalmente usa uma 'máscara' para definir partes do filme que serão removidas. Exemplos de técnicas de padronização incluem:

Gravura

Artigo principal: Gravura (microfabricação)

A corrosão é a remoção de uma parte da película fina ou substrato. O substrato é exposto a uma corrosão (como um ácido ou plasma) que ataca química ou fisicamente o filme até que seja removido. As técnicas de gravação incluem:

Microformação

Microformação é um processo de microfabricação de microssistema ou sistema microeletromecânico (MEMS) "peças ou estruturas com pelo menos duas dimensões na faixa submilimétrica." Inclui técnicas como microextrusão , microestampagem e microcorte. Esses e outros processos de microformação foram concebidos e pesquisados ​​desde pelo menos 1990, levando ao desenvolvimento de ferramentas de manufatura de nível industrial e experimental. No entanto, como Fu e Chan apontaram em uma revisão de tecnologia de ponta de 2013, vários problemas ainda devem ser resolvidos antes que a tecnologia possa ser implementada de forma mais ampla, incluindo carga de deformação e defeitos , estabilidade do sistema de formação, propriedades mecânicas e outros efeitos relacionados ao tamanho na estrutura e limites do cristalito (grão):

Na microformação, a proporção da área de superfície total dos limites do grão para o volume do material diminui com a diminuição do tamanho da amostra e o aumento do tamanho do grão. Isso leva à diminuição do efeito de fortalecimento do contorno de grão. Os grãos de superfície têm menos restrições em comparação com os grãos internos. A mudança da tensão de fluxo com o tamanho da geometria da peça é parcialmente atribuída à mudança da fração de volume dos grãos da superfície. Além disso, as propriedades anisotrópicas de cada grão tornam-se significativas com a diminuição do tamanho da peça, o que resulta na deformação não homogênea, geometria de forma irregular e variação da carga de deformação. Há uma necessidade crítica de estabelecer o conhecimento sistemático de microformação para apoiar o projeto de peças, processos e ferramentas levando em consideração os efeitos do tamanho.

De outros

uma grande variedade de outros processos para limpar, planificar ou modificar as propriedades químicas de dispositivos microfabricados também podem ser realizados. Alguns exemplos incluem:

Limpeza na fabricação de wafer

A microfabricação é realizada em salas limpas , onde o ar foi filtrado de contaminação por partículas e a temperatura , umidade , vibrações e distúrbios elétricos estão sob controle rigoroso. Fumaça , poeira , bactérias e células têm micrômetros de tamanho e sua presença destruirá a funcionalidade de um dispositivo microfabricado.

As salas limpas fornecem limpeza passiva, mas os wafers também são limpos ativamente antes de cada etapa crítica. RCA-1 limpo em solução de peróxido de amônia remove contaminação orgânica e partículas; A limpeza RCA-2 em mistura de cloreto de hidrogênio- peróxido remove as impurezas metálicas. Ácido sulfúrico - peróxido de mistura (aka Piranha) remove orgânicos. O fluoreto de hidrogênio remove o óxido nativo da superfície do silício. Todas essas são etapas de limpeza úmida em soluções. Os métodos de limpeza a seco incluem tratamentos com plasma de oxigênio e argônio para remover camadas superficiais indesejadas ou cozimento com hidrogênio em temperatura elevada para remover o óxido nativo antes da epitaxia . A limpeza pré-passagem é a etapa de limpeza mais crítica na fabricação de CMOS: ela garante que ca. O óxido de 2 nm de espessura de um transistor MOS pode ser cultivado de maneira ordenada. A oxidação e todas as etapas de alta temperatura são muito sensíveis à contaminação e as etapas de limpeza devem preceder as etapas de alta temperatura.

A preparação da superfície é apenas um ponto de vista diferente, todas as etapas são as mesmas descritas acima: trata-se de deixar a superfície do wafer em um estado controlado e bem conhecido antes de iniciar o processamento. As bolachas são contaminadas por etapas anteriores do processo (por exemplo, metais bombardeados das paredes da câmara por íons energéticos durante a implantação do íon ) ou podem ter reunido polímeros de caixas de bolacha, e isso pode ser diferente dependendo do tempo de espera.

A limpeza do wafer e a preparação da superfície funcionam de maneira semelhante às máquinas de uma pista de boliche : primeiro removem todos os pedaços indesejados e, em seguida, reconstroem o padrão desejado para que o jogo possa continuar.

Veja também

Referências

  1. ^ Nitaigour Premchand Mahalik (2006) "Micromanufacturing and Nanotechnology", Springer, ISBN  3-540-25377-7
  2. ^ a b Engel, U .; Eckstein, R. (2002). “Microformação - Da Pesquisa Básica à sua Realização”. Journal of Materials Processing Technology . 125–126 (2002): 35–44. doi : 10.1016 / S0924-0136 (02) 00415-6 .
  3. ^ a b c Dixit, EUA; Das, R. (2012). "Capítulo 15: Microextrusão" . Em Jain, VK (ed.). Processos de microfabricação . CRC Press. pp. 263–282. ISBN 9781439852903.
  4. ^ a b Razali, AR; Qin, Y. (2013). “Uma revisão sobre microfabricação, microformação e seus principais problemas” . Procedia Engineering . 53 (2013): 665–672. doi : 10.1016 / j.proeng.2013.02.086 .
  5. ^ Laboratório de processos de fabricação avançada (2015). "Análise de Processos e Controle de Variação em Microestampagem" . Northwestern University . Retirado em 18 de março de 2016 .
  6. ^ Fu, MW; Chan, WL (2014). "Capítulo 4: Processos de Microformação". Desenvolvimento de Produtos Microescala via Microformação: Comportamentos de Deformação, Processos, Ferramentas e sua Realização . Springer Science & Business Media. pp. 73–130. ISBN 9781447163268.
  7. ^ a b Fu, MW; Chan, WL (2013). "Uma revisão sobre as tecnologias de microformação de ponta". International Journal of Advanced Manufacturing Technology . 67 (9): 2411–2437. doi : 10.1007 / s00170-012-4661-7 . S2CID  110879846 .

Leitura adicional

Diários

  • Journal of Microelectromechanical Systems (J.MEMS)
  • Sensores e Atuadores A: Físico
  • Sensores e Atuadores B: Químico
  • Journal of Micromechanics and Microengineering
  • Lab on a Chip
  • Transações IEEE de Dispositivos Eletrônicos,
  • Journal of Vacuum Science and Technology A: Vácuo, superfícies, filmes
  • Journal of Vacuum Science and Technology B: Microeletrônica e estruturas nanométricas: processamento, medição e fenômenos

Livros

  • Introdução à Microfabricação (2004) por S. Franssila. ISBN  0-470-85106-6
  • Fundamentals of Microfabrication (2ª ed, 2002) por M. Madou. ISBN  0-8493-0826-7
  • Micromachined Transducers Sourcebook por Gregory Kovacs (1998)
  • Brodie & Murray: The Physics of Microfabrication (1982),
  • Nitaigour Premchand Mahalik (2006) "Micromanufacturing and Nanotechnology", Springer, ISBN  3-540-25377-7
  • D. Widmann, H. Mader, H. Friedrich: Technology of Integrated Circuits (2000),
  • J. Plummer, M.Deal, P.Griffin: Silicon VLSI Technology (2000),
  • GS May & SS Sze: Fundamentals of Semiconductor Processing (2003),
  • P. van Zant: Microchip Fabrication (2000, 5ª ed),
  • RC Jaeger: Introdução à Fabricação Microeletrônica (2001, 2ª ed),
  • S. Wolf & RN Tauber: Processamento de Silício para a Era VLSI, Vol 1: Tecnologia de Processo (1999, 2ª ed),
  • SA Campbell: A Ciência e Engenharia da Fabricação Microeletrônica (2001, 2ª ed)
  • T. Hattori: Processamento de Superfície Ultraclean de Wafers de Silício: Segredos da Fabricação de VLSI
  • (2004) Geschke, Klank & Telleman, editores: Microsystem Engineering of Lab-on-a-chip Devices, 1ª ed, John Wiley & Sons. ISBN  3-527-30733-8 .
  • Micro- and Nanophotonic Technologies (2017) eds: Patrick Meyrueis, Kazuaki Sakoda, Marcel Van de Voorde. John Wiley & Sons. ISBN  978-3-527-34037-8

links externos