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Microfabricación

Detalle sintético de un circuito integrado microfabricado a través de cuatro capas de interconexión de cobre planarizado, hasta el polisilicio (rosa), los pozos (grisáceos) y el...

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Detalle sintético de un circuito integrado microfabricado a través de cuatro capas de interconexión de cobre planarizado, hasta el polisilicio (rosa), los pozos (grisáceos) y el sustrato (verde).

La microfabricación es el proceso de fabricar estructuras en miniatura a escala micrométrica o incluso menor. Históricamente, los primeros procesos de microfabricación se utilizaron para la fabricación de circuitos integrados , también conocida como « fabricación de semiconductores » o «fabricación de dispositivos semiconductores». En las últimas dos décadas, los sistemas microelectromecánicos (MEMS), los microsistemas (término europeo), las micromáquinas (término japonés) y sus subcampos han reutilizado, adaptado o ampliado los métodos de microfabricación. Estos subcampos incluyen la microfluídica /laboratorio en un chip, los MEMS ópticos (también llamados MOEMS), los MEMS de radiofrecuencia (RF), los PowerMEMS, los BioMEMS y su extensión a la nanoescala (por ejemplo, los NEMS, para sistemas nanoelectromecánicos). La producción de pantallas planas y células solares también utiliza técnicas similares.

La miniaturización de diversos dispositivos plantea desafíos en muchas áreas de la ciencia y la ingeniería: física , química , ciencia de los materiales , informática , ingeniería de ultraprecisión, procesos de fabricación y diseño de equipos. También está dando lugar a diversos tipos de investigación interdisciplinaria. [ 1 ] Los principales conceptos y principios de la microfabricación son la microlitografía , el dopaje , las películas delgadas , el grabado , la unión y el pulido .

Ilustración simplificada del proceso de fabricación de un inversor CMOS sobre un sustrato de tipo p en la microfabricación de semiconductores. Cada paso de grabado se detalla en la siguiente imagen. Los diagramas no están a escala, ya que en los dispositivos reales, los contactos de puerta, fuente y drenaje no suelen estar en el mismo plano.
Detalle de un paso de grabado.

Campos de uso

Los dispositivos microfabricados incluyen:

Orígenes

Las tecnologías de microfabricación tienen su origen en la industria microelectrónica , y los dispositivos suelen fabricarse sobre obleas de silicio , aunque también se utilizan vidrio , plásticos y muchos otros sustratos . Micromecanizado, procesamiento de semiconductores, fabricación microelectrónica, fabricación de semiconductores , fabricación de MEMS y tecnología de circuitos integrados son términos que se utilizan en lugar de microfabricación, pero microfabricación es el término general más amplio.

Las técnicas de mecanizado tradicionales, como el mecanizado por descarga eléctrica , el mecanizado por electroerosión y la perforación láser , se han escalado desde el rango de milímetros hasta el de micrómetros, pero no comparten la idea principal de la microfabricación originada en la microelectrónica: la replicación y fabricación paralela de cientos o millones de estructuras idénticas. Este paralelismo está presente en diversas técnicas de impresión , fundición y moldeo que se han aplicado con éxito en el microrégimen. Por ejemplo, el moldeo por inyección de DVD implica la fabricación de puntos de tamaño submicrométrico en el disco.

Procesos

La microfabricación es, en realidad, un conjunto de tecnologías que se utilizan para fabricar microdispositivos. Algunas tienen orígenes muy antiguos, no relacionados con la fabricación , como la litografía o el grabado . El pulido se tomó prestado de la fabricación de componentes ópticos , y muchas de las técnicas de vacío provienen de la investigación física del siglo XIX . La galvanoplastia también es una técnica del siglo XIX adaptada para producir estructuras a escala micrométrica , al igual que diversas técnicas de estampado y grabado .

Para fabricar un microdispositivo, se deben realizar muchos procesos, uno tras otro, repetidamente. Estos procesos suelen incluir la deposición de una película , el modelado de la película con las microcaracterísticas deseadas y la eliminación (o grabado ) de partes de la película. La metrología de películas delgadas se utiliza normalmente durante cada uno de estos pasos individuales del proceso, para asegurar que la estructura de la película tenga las características deseadas en términos de espesor ( t ), índice de refracción ( n ) y coeficiente de extinción ( k ), [ 2 ] para un comportamiento adecuado del dispositivo. Por ejemplo, en la fabricación de chips de memoria hay unos 30 pasos de litografía , 10 pasos de oxidación , 20 pasos de grabado, 10 pasos de dopaje y muchos otros se realizan. La complejidad de los procesos de microfabricación se puede describir por su número de máscaras . Este es el número de diferentes capas de patrones que constituyen el dispositivo final. Los microprocesadores modernos se fabrican con 30 máscaras, mientras que unas pocas máscaras son suficientes para un dispositivo microfluídico o un diodo láser . La microfabricación se asemeja a la fotografía de exposición múltiple , donde muchos patrones se alinean entre sí para crear la estructura final.

Sustratos

Los dispositivos microfabricados no suelen ser independientes, sino que se forman sobre o dentro de un sustrato de soporte más grueso . Para aplicaciones electrónicas, se pueden utilizar sustratos semiconductores como las obleas de silicio . Para dispositivos ópticos o pantallas planas, son comunes los sustratos transparentes como el vidrio o el cuarzo. El sustrato facilita la manipulación del microdispositivo durante las diversas etapas de fabricación. A menudo, se fabrican varios dispositivos individuales en un mismo sustrato y luego se separan hacia el final del proceso.

Deposición o crecimiento

Los dispositivos microfabricados se construyen típicamente utilizando una o más películas delgadas (véase Deposición de películas delgadas ). La finalidad de estas películas delgadas depende del tipo de dispositivo. Los dispositivos electrónicos pueden tener películas delgadas que sean conductoras (metales), aislantes (dieléctricas) o semiconductoras. Los dispositivos ópticos pueden tener películas reflectantes, transparentes, que guíen o dispersen la luz. Las películas también pueden tener una finalidad química o mecánica, así como para aplicaciones MEMS. Algunos ejemplos de técnicas de deposición incluyen:

Patrones

A menudo se desea crear patrones en una película para formar características distintivas o crear aberturas (o vías) en algunas de las capas. Estas características se encuentran en la escala de micrómetros o nanómetros, y la tecnología de creación de patrones es lo que define la microfabricación. Esta técnica de creación de patrones generalmente utiliza una "máscara" para definir las porciones de la película que se eliminarán. Algunos ejemplos de técnicas de creación de patrones son:

Aguafuerte

El grabado consiste en la eliminación de una porción de la película delgada o del sustrato. El sustrato se expone a un agente de grabado (como un ácido o plasma) que ataca química o físicamente la película hasta eliminarla. Las técnicas de grabado incluyen:

Microformado

La microformación es un proceso de microfabricación de microsistemas o sistemas microelectromecánicos (MEMS) "piezas o estructuras con al menos dos dimensiones en el rango submilimétrico". [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] Incluye técnicas como la microextrusión , [ 4 ] el microestampado , [ 6 ] y el microcorte. [ 7 ] Estos y otros procesos de microformación se han concebido e investigado desde al menos 1990, [ 3 ] lo que ha llevado al desarrollo de herramientas de fabricación de grado industrial y experimental. Sin embargo, como señalaron Fu y Chan en una revisión de tecnología de vanguardia de 2013, aún deben resolverse varios problemas antes de que la tecnología pueda implementarse más ampliamente, incluyendo la carga de deformación y los defectos , la estabilidad del sistema de conformado, las propiedades mecánicas y otros efectos relacionados con el tamaño en la estructura y los límites de los cristalitos (granos): [ 4 ] [ 5 ] [ 8 ]

En el microconformado, la relación entre el área superficial total de los límites de grano y el volumen del material disminuye con la reducción del tamaño de la muestra y el aumento del tamaño del grano. Esto conlleva una disminución del efecto de refuerzo de los límites de grano. Los granos superficiales presentan menores restricciones en comparación con los granos internos. La variación de la tensión de fluencia con el tamaño de la geometría de la pieza se atribuye parcialmente a la variación de la fracción volumétrica de los granos superficiales. Además, las propiedades anisotrópicas de cada grano se vuelven significativas con la reducción del tamaño de la pieza, lo que resulta en una deformación no homogénea, una geometría de conformado irregular y una variación de la carga de deformación. Existe una necesidad crítica de establecer un conocimiento sistemático del microconformado para respaldar el diseño de piezas, procesos y herramientas, considerando los efectos de tamaño. [ 8 ]

Otro

También se pueden realizar una amplia variedad de otros procesos para limpiar, planarizar o modificar las propiedades químicas de los dispositivos microfabricados. Algunos ejemplos incluyen:

Limpieza en la fabricación de obleas

La microfabricación se lleva a cabo en salas blancas , donde el aire se filtra para eliminar la contaminación por partículas y la temperatura , la humedad , las vibraciones y las perturbaciones eléctricas se controlan rigurosamente. El humo , el polvo , las bacterias y las células tienen un tamaño micrométrico, y su presencia destruirá la funcionalidad de un dispositivo microfabricado.

Las salas blancas proporcionan limpieza pasiva, pero las obleas también se limpian activamente antes de cada paso crítico. La limpieza RCA-1 en solución de amoníaco -peróxido elimina la contaminación orgánica y las partículas; la limpieza RCA-2 en mezcla de cloruro de hidrógeno -peróxido elimina las impurezas metálicas. La mezcla de ácido sulfúrico - peróxido (también conocida como Piranha) elimina los compuestos orgánicos. El fluoruro de hidrógeno elimina el óxido nativo de la superficie del silicio. Todos estos son pasos de limpieza húmeda en soluciones. Los métodos de limpieza en seco incluyen tratamientos con plasma de oxígeno y argón para eliminar capas superficiales no deseadas, o horneado con hidrógeno a temperatura elevada para eliminar el óxido nativo antes de la epitaxia . La limpieza previa a la puerta es el paso de limpieza más crítico en la fabricación de CMOS: garantiza que el  óxido de aproximadamente 2 nm de espesor de un transistor MOS se pueda cultivar de manera ordenada. La oxidación y todos los pasos de alta temperatura son muy sensibles a la contaminación, y los pasos de limpieza deben preceder a los pasos de alta temperatura.

La preparación de la superficie es simplemente un punto de vista diferente; todos los pasos son los mismos que se describieron anteriormente: se trata de dejar la superficie de la oblea en un estado controlado y conocido antes de comenzar el procesamiento. Las obleas pueden estar contaminadas por pasos de procesamiento anteriores (por ejemplo, metales bombardeados desde las paredes de la cámara por iones energéticos durante la implantación iónica ), o pueden haber acumulado polímeros de las cajas de obleas, y esto puede variar según el tiempo de espera.

La limpieza de las obleas y la preparación de la superficie funcionan de forma similar a las máquinas de una bolera : primero eliminan todos los restos no deseados y luego reconstruyen el patrón deseado para que el juego pueda continuar.

Véase también

Referencias

  1. ↑ Nitaigour Premchand Mahalik (2006) "Micromanufacturing and Nanotechnology", Springer, ISBN 3-540-25377-7
  2. ↑ Löper, Philipp; Stuckelberger, Michael; Niesen, Bjoern; Werner, Jérémie; Filipič, Miha; Moon, Soo-Jin; Yum, Jun-Ho; Topič, Marko; De Wolf, Stefaan; Ballif, Christophe (2015). "Espectros complejos del índice de refracción de películas delgadas de perovskita CH3NH3PbI3 determinados por elipsometría espectroscópica y espectrofotometría" . The Journal of Physical Chemistry Letters . 6 (1): 66– 71. doi : 10.1021/jz502471h . PMID 26263093. Recuperado el 16 de noviembre de 2021 . 
  3. 1 2 Engel, U.; Eckstein, R. (2002). "Microformado: de la investigación básica a su realización". Journal of Materials Processing Technology . 125– 126 (2002): 35– 44. doi : 10.1016/S0924-0136(02)00415-6 .
  4. 1 2 3 Dixit, EE. UU.; Das, R. (2012). «Capítulo 15: Microextrusión» . En Jain, VK (ed.). Procesos de microfabricación . CRC Press. págs. 263–282 . ISBN  9781439852903.
  5. 1 2 Razali, AR; Qin, Y. (2013). "Una revisión sobre microfabricación, microconformado y sus cuestiones clave" . Procedia Engineering . 53 (2013): 665– 672. doi : 10.1016/j.proeng.2013.02.086 .
  6. ↑ Laboratorio de Procesos de Fabricación Avanzada (2015). "Análisis de procesos y control de variaciones en el microestampado" . Universidad Northwestern . Consultado el 18 de marzo de 2016 .
  7. ↑ Fu, MW; Chan, WL (2014). «Capítulo 4: Procesos de microconformado». Desarrollo de productos a microescala mediante microconformado: comportamientos de deformación, procesos, herramientas y su realización . Springer Science & Business Media. págs. 73–130 . ISBN  9781447163268.
  8. 1 2 Fu, MW; Chan, WL (2013). "Una revisión sobre el estado del arte de las tecnologías de microformado". International Journal of Advanced Manufacturing Technology . 67 (9): 2411– 2437. doi : 10.1007/s00170-012-4661-7 . S2CID 110879846 . 

Lecturas adicionales

Revistas

  • Revista de Sistemas Microelectromecánicos (J.MEMS)
  • Sensores y actuadores A: Física
  • Sensores y actuadores B: Químicos
  • Revista de Micromecánica y Microingeniería
  • Laboratorio en un chip
  • Transacciones IEEE sobre Dispositivos Electrónicos
  • Revista de Ciencia y Tecnología del Vacío A : Vacío, Superficies, Películas
  • Revista de Ciencia y Tecnología del Vacío B : Microelectrónica y Nanoestructuras: Procesamiento, Medición y Fenómenos

Libros

  • Franssila, S. (2010). Introducción a la microfabricación (2.ª  ed.). Wiley. doi : 10.1002/9781119990413 . ISBN 978-1-119-99041-3.
  • Madou, MJ (2002). Fundamentos de la microfabricación (2.ª  ed.). CRC Press. doi : 10.1201/9781482274004 . ISBN 0-8493-0826-7.
  • Kovacs, GTA (1998). Micromachined Transducers Sourcebook . McGraw-Hill. ISBN 0-07-290722-3.
  • Brodie, I.; Muray, JJ (1982). La física de la microfabricación . Plenum Press. doi : 10.1007/978-1-4899-2160-4 . ISBN 1-4899-2160-5.
  • Mahalik, NP (2006). Microfabricación y nanotecnología . Springer. doi : 10.1007/3-540-29339-6 . ISBN 3-540-25377-7.
  • Widmann, D.; Mader, H.; Friedrich, H. (2000). Tecnología de circuitos integrados . Springer. doi : 10.1007/978-3-662-04160-4 . ISBN 978-3-662-04160-4.
  • Plummer, JD; Deal, MD; Griffin, PB (2012). Tecnología VLSI de silicio (2.ª  ed.). Prentice Hall. ISBN 978-0-13-614156-3OCLC 753300108​​ 
  • May, GS; Sze, SS (2004). Fundamentos del procesamiento de semiconductores . Wiley. ISBN 978-0-471-23279-7OCLC 52333554​​ 
  • van Zant, P. (2014). Fabricación de microchips (6.ª  ed.). McGraw-Hill. p.  1302905242. ISBN 978-0-07-182101-8.
  • Jaeger, RC (2002). Introducción a la fabricación microelectrónica (2.ª  ed.). Prentice Hall. ISBN 0-201-44494-1OCLC 48226051​​ 
  • Wolf, S.; Tauber, RN (2000). Tecnología de procesos . Procesamiento de silicio para la era VLSI. Vol.  1. Lattice Press. ISBN 0-9616721-6-1.
  • Campbell, SA (2001). La ciencia y la ingeniería de la fabricación microelectrónica (2.ª  ed.). Oxford University Press. ISBN 0-19-513605-5OCLC 45209102​​ 
  • Hattori, T. (2011). Procesamiento de superficies ultralimpias de obleas de silicio: secretos de la fabricación VLSI . Springer. ISBN 978-3-642-08272-6OCLC 751530070​​ 
  • Geschke, O.; Klank, H.; Telleman, P., eds. (2004). Ingeniería de microsistemas de dispositivos de laboratorio en un chip . Wiley. doi : 10.1002/3527601651 . ISBN 3-527-30733-8.
  • Meyrueis, P.; Sakoda, K.; Van de Voorde, M., eds. (2017). Tecnologías micro y nanofotónicas . Wiley. doi : 10.1002/9783527800728 . ISBN 978-3-527-34037-8.
  • Vídeos y animaciones sobre técnicas de microfabricación y aplicaciones relacionadas. Archivados el 6 de febrero de 2022 en Wayback Machine .
  • Conferencia sobre Microfabricación .
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