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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 pocillos (grisáceos) y...

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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 pocillos (grisáceos) y el sustrato (verde)

La microfabricación es el proceso de fabricación de estructuras en miniatura de escalas micrométricas y menores. Históricamente, los primeros procesos de microfabricación se utilizaban para la fabricación de circuitos integrados , también conocidos como " fabricación de semiconductores " o "fabricación de dispositivos semiconductores". En las últimas dos décadas, los sistemas microelectromecánicos (MEMS), los microsistemas (uso europeo), las micromáquinas (terminología japonesa) 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 RF, los PowerMEMS, los BioMEMS y su extensión a escala nanométrica (por ejemplo, NEMS, para sistemas nanoelectromecánicos). La producción de pantallas planas y células solares también utiliza técnicas similares.

La miniaturización de diversos dispositivos presenta 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 varios 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 sustrato tipo p en 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 compuerta, fuente y drenador normalmente no se encuentran 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 de la microelectrónica y los dispositivos suelen fabricarse sobre obleas de silicio , aunque también se utilizan vidrio , plásticos y 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 electroerosión , el mecanizado por erosión por chispa y el taladrado por láser , se han ampliado desde el rango de tamaño milimétrico al rango micrométrico, 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 varias técnicas de impresión , fundición y moldeo que se han aplicado con éxito en el microrregimen. 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 de ellas tienen orígenes muy antiguos, no relacionados con la fabricación , como la litografía o el grabado . El pulido se tomó prestado de la fabricación de productos ópticos , y muchas de las técnicas de vacío provienen de la investigación física del siglo XIX . La galvanoplastia es también una técnica del siglo XIX adaptada para producir estructuras a escala micrométrica , al igual que diversas técnicas de estampación y gofrado .

Para fabricar un microdispositivo, se deben realizar muchos procesos, uno tras otro, muchas veces repetidamente. Estos procesos incluyen típicamente depositar una película , modelar la película con las microcaracterísticas deseadas y retirar (o grabar ) porciones de la película. La metrología de película delgada se utiliza típicamente durante cada uno de estos pasos de proceso individuales, 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. La complejidad de los procesos de microfabricación se puede describir por su recuento de máscaras . Este es el número de capas de patrones diferentes 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 , con muchos patrones alineados entre sí para crear la estructura final.

Sustratos

Los dispositivos microfabricados no suelen ser dispositivos independientes, sino que suelen formarse sobre un sustrato de soporte más grueso o dentro de él . Para aplicaciones electrónicas, se pueden utilizar sustratos semiconductores como obleas de silicio . Para dispositivos ópticos o pantallas planas, son habituales los sustratos transparentes como el vidrio o el cuarzo. El sustrato permite manipular fácilmente el microdispositivo a lo largo de los numerosos pasos de fabricación. A menudo, se fabrican muchos dispositivos individuales juntos sobre un sustrato y luego se los separa en dispositivos separados hacia el final de la fabricación.

Deposición o crecimiento

Los dispositivos microfabricados se construyen normalmente utilizando una o más películas delgadas (véase Deposición de película delgada ). El propósito de estas películas delgadas depende del tipo de dispositivo. Los dispositivos electrónicos pueden tener películas delgadas que son conductores (metales), aislantes (dieléctricos) o semiconductores. Los dispositivos ópticos pueden tener películas que son reflectantes, transparentes, que guían o dispersan la luz. Las películas también pueden tener un propósito químico o mecánico, así como para aplicaciones MEMS. Algunos ejemplos de técnicas de deposición incluyen:

Patrones

A menudo es deseable crear patrones en una película con características distintivas o formar aberturas (o vías) en algunas de las capas. Estas características se encuentran en la escala micrométrica o nanométrica 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 partes de la película que se eliminarán. Algunos ejemplos de técnicas de creación de patrones incluyen:

Aguafuerte

El grabado es la eliminación de una parte de la película fina o del sustrato. El sustrato se expone a un grabado (como un ácido o plasma) que ataca química o físicamente la película hasta eliminarla. Las técnicas de grabado incluyen:

Microformado

El microformado es un proceso de microfabricación de microsistemas o sistemas microelectromecánicos (MEMS) "partes o estructuras con al menos dos dimensiones en el rango submilimétrico". [3] [4] [5] Incluye técnicas como la microextrusión , [4] microestampado , [6] y microcorte. [7] Estos y otros procesos de microformado 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 de manera más amplia, incluida 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 del cristalito (grano): [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 disminución del tamaño de la muestra y el aumento del tamaño del grano. Esto conduce a la disminución del efecto de fortalecimiento del límite de grano. Los granos superficiales tienen menos restricciones en comparación con los granos internos. El cambio de la tensión de flujo con el tamaño de la geometría de la pieza se atribuye en parte al cambio de la fracción de volumen de los granos superficiales. Además, las propiedades anisotrópicas de cada grano se vuelven significativas con la disminución del tamaño de la pieza de trabajo, lo que da como resultado la deformación no homogénea, la geometría formada irregular y la variación de la carga de deformación. Existe una necesidad crítica de establecer el conocimiento sistemático del microconformado para respaldar el diseño de piezas, procesos y herramientas teniendo en cuenta los efectos del tamaño. [8]

Otro

También se pueden llevar a cabo otros procesos para limpiar, aplanar o modificar las propiedades químicas de los dispositivos microfabricados. Algunos ejemplos son:

Limpieza en la fabricación de obleas

La microfabricación se lleva a cabo en salas blancas , donde se ha filtrado el aire para eliminar la contaminación por partículas y la temperatura , la humedad , las vibraciones y las perturbaciones eléctricas están bajo un estricto control. 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 una limpieza pasiva, pero las obleas también se limpian activamente antes de cada paso crítico. La limpieza RCA-1 en solución de peróxido de amoníaco elimina la contaminación orgánica y las partículas; la limpieza RCA-2 en una mezcla de cloruro de hidrógeno y peróxido elimina las impurezas metálicas. La mezcla de ácido sulfúrico y peróxido (también conocida como Piranha) elimina los compuestos orgánicos. El fluoruro de hidrógeno elimina el óxido nativo de la superficie de silicio. Todos estos son pasos de limpieza en húmedo en soluciones. Los métodos de limpieza en seco incluyen tratamientos con plasma de oxígeno y argón para eliminar las capas superficiales no deseadas, o horneado de hidrógeno a temperatura elevada para eliminar el óxido nativo antes de la epitaxia . La limpieza previa a la compuerta 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 pueda crecer 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 los descritos anteriormente: se trata de dejar la superficie de la oblea en un estado controlado y bien conocido antes de comenzar el procesamiento. Las obleas están contaminadas por pasos de proceso anteriores (por ejemplo, metales bombardeados desde las paredes de la cámara por iones energéticos durante la implantación de iones ), o pueden haber acumulado polímeros de las cajas de obleas, y esto puede ser diferente según el tiempo de espera.

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

Véase también

Referencias

  1. ^ Nitaigour Premchand Mahalik (2006) "Microfabricación y nanotecnología", 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 de índice de refracción complejos 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 . Consultado el 16 de noviembre de 2021 .
  3. ^ ab Engel, U.; Eckstein, R. (2002). "Microformado: de la investigación básica a su realización". Revista de tecnología de procesamiento de materiales . 125–126 (2002): 35–44. doi :10.1016/S0924-0136(02)00415-6.
  4. ^ abc Dixit, US; Das, R. (2012). "Capítulo 15: Microextrusión". En Jain, VK (ed.). Procesos de microfabricación . CRC Press. págs. 263–282. ISBN 9781439852903.
  5. ^ ab 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 Manufactura Avanzada (2015). «Análisis de procesos y control de variaciones en microestampación». Universidad Northwestern . Consultado el 18 de marzo de 2016 .
  7. ^ Fu, MW; Chan, WL (2014). "Capítulo 4: Procesos de microconformado". Desarrollo de productos a escala microscópica mediante microconformado: comportamientos de deformación, procesos, herramientas y su realización . Springer Science & Business Media. págs. 73–130. ISBN 9781447163268.
  8. ^ ab Fu, MW; Chan, WL (2013). "Una revisión de las tecnologías de microformado de última generación". Revista internacional de tecnología de fabricación avanzada . 67 (9): 2411–2437. doi :10.1007/s00170-012-4661-7. S2CID  110879846.

Lectura adicional

Revistas

  • Revista de sistemas microelectromecánicos (J.MEMS)
  • Sensores y actuadores A: Físicos
  • Sensores y actuadores B: Químicos
  • Revista de micromecánica y microingeniería
  • Laboratorio en un chip
  • Transacciones IEEE de dispositivos electrónicos
  • Revista de ciencia y tecnología del vacío A: Vacío, superficies, películas
  • Revista de ciencia y tecnología del vacío B: Microelectrónica y estructuras nanométricas: 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 microfabricación (2.ª ed.). CRC Press. doi :10.1201/9781482274004. ISBN 0-8493-0826-7.
  • Kovacs, GTA (1998). Libro de consulta sobre transductores micromaquinados. 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 . Saltador. 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 978-0-13-614156-3.OCLC 753300108  .
  • May, GS; Sze, SS (2004). Fundamentos del procesamiento de semiconductores . Wiley. ISBN 978-0-471-23279-7.OCLC 52333554  .
  • van Zant, P. (2014). Fabricación de microchips (6.ª ed.). McGraw-Hill. pág. 1302905242. ISBN 978-0-07-182101-8.
  • Jaeger, RC (2002). Introducción a la fabricación microelectrónica (2.ª ed.). Prentice Hall. ISBN 0-201-44494-1.OCLC 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 0-19-513605-5.OCLC 45209102  .
  • Hattori, T. (2011). Procesamiento de superficies ultralimpio de obleas de silicio: secretos de la fabricación VLSI . Springer. ISBN 978-3-642-08272-6.OCLC 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 Archivado el 6 de febrero de 2022 en Wayback Machine .
  • Conferencia de MicroManufactura.
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