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マイクロファブリケーションとは、マイクロメートル以下の微細構造を作製するプロセスです。歴史的に見ると、初期のマイクロファブリケーションプロセスは集積回路の製造、すなわち「半導体製造」または「半導体デバイス製造」に用いられていました。過去20年間で、マイクロ電気機械システム（MEMS）、マイクロシステム（欧州用語）、マイクロマシン（日本用語）およびそれらのサブ分野は、マイクロファブリケーション手法を再利用、応用、または拡張してきました。これらのサブ分野には、マイクロ流体／ラボオンチップ、光MEMS（MOEMSとも呼ばれる）、RF MEMS、パワーMEMS、バイオMEMS、およびそれらのナノスケールへの拡張（例えば、ナノ電気機械システム（NEMS））が含まれます。フラットパネルディスプレイや太陽電池の製造にも、同様の技術が用いられています。
さまざまなデバイスの小型化は、物理学、化学、材料科学、コンピュータ科学、超精密工学、製造プロセス、および機器設計など、科学と工学の多くの分野で課題を提起しています。また、さまざまな学際的研究を生み出しています。[ 1 ]マイクロファブリケーションの主な概念と原理は、 マイクロリソグラフィー、ドーピング、薄膜、 エッチング、 ボンディング、および研磨です。
マイクロ加工デバイスには以下が含まれます。
マイクロファブリケーション技術はマイクロエレクトロニクス産業に由来し、ガラス、プラスチック、その他多くの基板が使用されているものの、デバイスは通常シリコンウェハ上に製造されます。マイクロマシニング、半導体プロセス、マイクロエレクトロニクス製造、半導体製造、 MEMS製造、集積回路技術などはマイクロファブリケーションの代わりに用いられる用語ですが、マイクロファブリケーションは広義の総称です。
放電加工、スパーク侵食加工、レーザー穴あけなどの従来型の機械加工技術は、ミリメートルサイズからマイクロメートルサイズへとスケールアップされてきたが、マイクロエレクトロニクスに端を発するマイクロファブリケーションの根幹となる考え方、すなわち数百、数百万個もの同一構造を複製し並列に製造するという考え方とは共通していない。この並列性は、マイクロ領域で成功裏に適用されてきた様々なインプリント、鋳造、成形技術に見られる。例えば、 DVDの射出成形では、ディスク上にサブマイクロメートルサイズのスポットを形成する。
マイクロファブリケーションとは、実際にはマイクロデバイスの製造に用いられる様々な技術の総称です。その中には、リソグラフィーやエッチングのように、製造業とは直接関係のない、非常に古い起源を持つものもあります。研磨は光学機器製造から借用された技術であり、真空技術の多くは19世紀の物理学研究に由来しています。電気めっきもまた、マイクロメートルスケールの構造を作製するために応用された19世紀の技術であり、様々なスタンピングやエンボス加工技術も同様です。
マイクロデバイスを製造するには、多くの工程を次々に、何度も繰り返す必要があります。これらの工程には通常、膜の堆積、所望の微細構造による膜のパターニング、および膜の一部除去（またはエッチング）が含まれます。薄膜計測は通常、これらの個々の工程の各段階で使用され、適切なデバイス動作のために、膜構造が厚さ（t）、屈折率（n）、消衰係数（k）[ 2 ]に関して所望の特性を持っていることを確認します。たとえば、メモリチップの製造では、約30のリソグラフィ工程、10の酸化工程、20のエッチング工程、10のドーピング工程、その他多くの工程が実行されます。マイクロファブリケーション工程の複雑さは、マスク数で表すことができます。これは、最終的なデバイスを構成する異なるパターン層の数です。最新のマイクロプロセッサは30のマスクで作られていますが、マイクロ流体デバイスやレーザーダイオードには少数のマスクで十分です。マイクロファブリケーションは多重露光写真に似ており、多数のパターンを互いに整列させることで最終的な構造を作り出す。
マイクロ加工デバイスは一般的に自立型ではなく、より厚い支持基板上または基板内に形成される。電子機器用途では、シリコンウェハなどの半導体層が使用される。光学デバイスやフラットパネルディスプレイでは、ガラスや石英などの透明基板が一般的である。基板を用いることで、多くの製造工程を通してマイクロデバイスの取り扱いが容易になる。多くの場合、複数の個々のデバイスが1枚の基板上にまとめて作製され、製造工程の終盤で個別に分離される。
マイクロ加工デバイスは通常、1つまたは複数の薄膜を用いて作製されます（薄膜堆積を参照）。これらの薄膜の目的は、デバイスの種類によって異なります。電子デバイスには、導体（金属）、絶縁体（誘電体）、または半導体の薄膜が使用される場合があります。光学デバイスには、反射性、透明性、導光性、または散乱性の薄膜が使用される場合があります。薄膜は、化学的または機械的な目的、あるいはMEMSアプリケーションにも使用される場合があります。堆積技術の例としては、以下が挙げられます。
フィルムを明確な形状にパターン化したり、一部の層に開口部（またはビア）を形成したりすることが望ましい場合が多い。これらの形状はマイクロメートルまたはナノメートルスケールであり、パターン形成技術がマイクロファブリケーションを定義する。このパターン形成技術では、通常、「マスク」を使用して除去するフィルムの領域を定義する。パターン形成技術の例としては、以下のようなものがある。
エッチングとは、薄膜または基板の一部を除去することです。基板をエッチング剤（酸やプラズマなど）にさらすと、化学的または物理的に膜が侵食され、除去されます。エッチング技術には以下のようなものがあります。
マイクロ成形は、マイクロシステムまたはマイクロ電気機械システム(MEMS)の「少なくとも 2 つの寸法がサブミリメートル範囲の部品または構造」の微細加工プロセスです。[ 3 ] [ 4 ] [ 5 ]これには、マイクロ押出成形[ 4 ] 、マイクロスタンピング[ 6 ]、マイクロカッティング[ 7 ]などの技術が含まれます。これらのマイクロ成形プロセスやその他のプロセスは、少なくとも 1990 年以来構想され、研究されてきました。[ 3 ]産業用および実験用の製造ツールの開発につながっています。しかし、Fu と Chan が 2013 年の最先端技術レビューで指摘したように、変形荷重と欠陥、成形システムの安定性、機械的特性、結晶粒(粒) 構造と境界に対するその他のサイズ関連の影響など、この技術をより広く実装する前に解決しなければならない問題がいくつかあります。 [ 4 ] [ 5 ] [ 8 ]
マイクロ成形では、粒界の総表面積と材料体積の比率は、試験片サイズの減少と粒径の増加に伴って減少します。これにより、粒界強化効果が低下します。表面の結晶粒は、内部の結晶粒に比べて拘束が少ないです。部品形状サイズによる流動応力の変化は、表面結晶粒の体積分率の変化に部分的に起因します。さらに、ワークピースサイズの減少に伴って各結晶粒の異方性特性が顕著になり、その結果、不均一な変形、不規則な形状、および変形荷重の変動が生じます。サイズ効果を考慮した部品、プロセス、およびツーリングの設計をサポートするために、マイクロ成形の体系的な知識を確立することが非常に重要です。[ 8 ]
微細加工デバイスの洗浄、平坦化、または化学的特性の改質のための、その他さまざまなプロセスも実行可能です。例としては、以下のようなものがあります。
微細加工はクリーンルームで行われます。クリーンルームでは、空気中の微粒子汚染物質がろ過され、温度、湿度、振動、電気的ノイズが厳密に管理されています。煙、塵、細菌、細胞などはマイクロメートルサイズであり、これらが存在すると微細加工されたデバイスの機能が損なわれてしまいます。
クリーンルームは受動的な清浄度を提供しますが、ウェーハは重要な工程の前に能動的に洗浄されます。アンモニア-過酸化水素溶液でのRCA-1洗浄は有機汚染物質と粒子を除去し、塩化水素-過酸化水素混合液でのRCA-2洗浄は金属不純物を除去します。硫酸-過酸化水素混合液（ピラニア溶液とも呼ばれる）は有機物を除去します。フッ化水素はシリコン表面の自然酸化膜を除去します。これらはすべて溶液を用いた湿式洗浄工程です。乾式洗浄方法には、不要な表面層を除去するための酸素およびアルゴンプラズマ処理、またはエピタキシャル成長前に自然酸化膜を除去するための高温での水素ベークなどがあります。プリゲート洗浄はCMOS製造において最も重要な洗浄工程です。これは、MOSトランジスタの約2nm厚の酸化膜が整然と成長することを保証します。酸化およびすべての高温工程は汚染に非常に敏感であるため、洗浄工程は高温工程の前に実施する必要があります。
表面処理は単に異なる視点から捉えたものであり、すべての手順は上記で説明したとおりです。つまり、処理を開始する前にウェーハ表面を制御された既知の状態にしておくことです。ウェーハは、以前の処理工程（例えば、イオン注入中にチャンバー壁から高エネルギーイオンによって照射された金属）によって汚染されている場合や、ウェーハボックスからポリマーが付着している場合があり、これは待機時間によって異なる場合があります。
ウェハーの洗浄と表面処理は、ボウリング場の機械と似たような仕組みで行われます。まず不要な破片をすべて除去し、次にゲームが続行できるように目的のパターンを再構築します。
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