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マイクロファブリケーションは、マイクロメートルスケール以下の小型構造物を製造するプロセスです。歴史的に、最も初期のマイクロファブリケーションプロセスは、集積回路の製造に使用されていました。これは、「半導体製造」または「半導体デバイス製造」とも呼ばれます。過去 20 年間、マイクロエレクトロメカニカルシステム(MEMS)、マイクロシステム (ヨーロッパ用語)、マイクロマシン(日本語用語) およびそのサブフィールドでは、マイクロファブリケーション手法が再利用、適応、または拡張されてきました。これらのサブフィールドには、マイクロ流体工学/ ラボオンチップ、光学 MEMS (MOEMS とも呼ばれます)、RF MEMS、PowerMEMS、BioMEMS およびそれらのナノスケールへの拡張 (たとえば、ナノエレクトロメカニカルシステムを表す 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でも、同様の技術が使用されています。
さまざまなデバイスの小型化は、物理学、化学、材料科学、コンピュータサイエンス、超精密工学、製造プロセス、機器設計など、科学と工学の多くの分野で課題を提示しています。また、さまざまな種類の学際的な研究も生み出しています。[1]微細加工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、研磨です。
使用分野
微細加工デバイスには以下のものがあります。
- 集積回路（「マイクロチップ」）（半導体製造を参照）
- マイクロエレクトロメカニカルシステム(MEMS) とマイクロオプトエレクトロメカニカルシステム(MOEMS)
- マイクロ流体デバイス（インクジェットプリントヘッド）
- 太陽電池
- フラットパネルディスプレイ（AMLCDおよび薄膜トランジスタを参照）
- センサー（マイクロセンサー）（バイオセンサー、ナノセンサー）
- パワーMEMS、燃料電池、エネルギーハーベスター/スカベンジャー
起源
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にもかかわらず、デバイスは通常シリコンウェーハ上に製造されます。マイクロマシニング、半導体処理、マイクロエレクトロニクス製造、半導体製造、MEMS製造、集積回路技術は、マイクロファブリケーションの代わりに使用される用語ですが、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の加工技術は、ミリメートルサイズの範囲からマイクロメートルサイズの範囲にまで拡大されましたが、マイクロエレクトロニクス由来のマイクロファブリケーションの主要概念、つまり数百または数百万の同一構造の複製と並行製造は共有していません。この並行性は、マイクロ領域でうまく適用されてきたさまざまなインプリント、鋳造、成形技術に存在します。たとえば、 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製造します。
プロセス
マイクロファブリケーションは、実際にはマイクロデバイスの製造に利用される一連の技術です。リソグラフィーやエッチングなど、製造とは関係のない非常に古い起源を持つものもあります。研磨は光学製造から借用され、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。電気メッキも、さまざまなスタンピングやエンボス加工技術と同様に、マイクロメートル規模の構造を作成するために適応された 19 世紀の技術です。
マイクロデバイスを製造するには、多くのプロセスを次々に何度も繰り返して実行する必要があります。これらのプロセスには通常、フィルムの堆積、目的のマイクロフィーチャでのフィルムのパターン化、フィルムの一部の除去（またはエッチング）が含まれます。薄膜計測は、通常、これらの個々のプロセスステップのそれぞれで使用され、適切なデバイス動作のために、フィルム構造が厚さ（t）、屈折率（n）、消衰係数（k）の点で目的の特性を備えていることを確認します[2]。たとえば、メモリチップの製造では、約30のリソグラフィーステップ、10の酸化ステップ、20のエッチングステップ、10のドーピングステップなど、多くのステップが実行されます。微細加工プロセスの複雑さは、マスク数で表すことができます。これは、最終デバイスを構成する異なるパターン層の数です。現代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の場合は数枚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て最終構造を作成します。
基質
マイクロファブリケーションデバイスは、一般的には自立型デバイスではなく、より厚い支持基板の上または中に形成されます。電子アプリケーションの場合、シリコンウェーハなどの半導体基板を使用できます。光学デバイスやフラットパネルディスプレイの場合、ガラスや石英などの透明基板が一般的です。基板により、多くの製造ステップでマイクロデバイスを簡単に扱うことができます。多くの場合、多くの個別のデバイスが 1 つの基板上にまとめて作成され、製造の最後に個別のデバイスに分離されます。
沈着または成長
微細加工デバイスは、通常、1 つ以上の薄膜を使用して構築されます(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あります。光学デバイスには、反射性、透明、光ガイド、または散乱性の薄膜があります。薄膜には、MEMS アプリケーションだけでなく、化学的または機械的な目的もあります。堆積技術の例には、次のものがあります。
パターン化
フィルムをパターン化して明確な特徴を持たせたり、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よくあります。これらの特徴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、パターン化技術がマイクロファブリケーションを定義します。このパターン化技術では通常、「マスク」を使用して、除去するフィルムの部分を定義します。パターン化技術の例には次のものがあります。
- フォトリソグラフィー
- シャドウマスク
エッチング
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。基板はエッチング（酸やプラズマなど）にさらされ、化学的または物理的に薄膜が攻撃されて除去されます。エッチング技術には次のものがあります。
- 反応性イオンエッチング（RIE）や深層反応性イオンエッチング（DRIE）などのドライエッチング（プラズマエッチング）
- ウェットエッチングまたは化学エッチング
マイクロフォーミング
マイクロフォーミングは、マイクロシステムまたはマイクロエレクトロメカニカルシステム（MEMS）の「サブミリメートル範囲で少なくとも2次元を持つ部品または構造」の微細加工プロセスです。[3] [4] [5]これには、マイクロ押し出し、[4] マイクロスタンピング、[6]マイクロカッティングなどの技術が含まれます。[7]これらのプロセスやその他のマイクロフォーミングプロセスは、少なくとも1990年から構想され研究されており、[3]工業用および実験用グレード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、この技術をより広く実装するには、変形負荷と欠陥、成形システムの安定性、機械的特性、結晶（粒子）構造と境界に対するその他のサイズ関連の影響など、いくつかの問題を解決する必要があります。[4] [5] [8]
マイクロ成形では、試料サイズの減少と粒径の増加に伴って、粒界の全表面積と材料体積の比率が減少します。これにより、粒界強化効果が減少します。表面粒子は内部粒子に比べて制約が少ないです。部品形状サイズによる流動応力の変化は、表面粒子の体積分率の変化に一部起因します。さらに、各粒子の異方性特性はワークピースのサイズが小さくなるにつれて顕著になり、不均一な変形、不規則な成形形状、変形荷重の変動につながります。サイズ効果を考慮した部品、プロセス、ツール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]
他の
微細加工されたデバイスの洗浄、平坦化、または化学的特性の変更のためのさまざまな他のプロセスも実行できます。いくつかの例を以下に示します。
- 熱拡散またはイオン注入によるドーピング
- 化学機械平坦化（CMP）
- ウェーハ洗浄は「表面処理」とも呼ばれます（下記参照）
- ワイヤーボンディング
ウェーハ製造における清浄度
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、空気中の粒子汚染物質が除去され、温度、湿度、振動、電気的障害が厳重に管理されています。煙、ほこり、細菌、細胞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、ウェーハはすべての重要なステップ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ます。塩化水素 -過酸化水素混合物での RCA-2 洗浄は、金属不純物を除去します。硫酸-過酸化水素混合物 (別名ピラニア) は、有機物を除去します。フッ化水素は、シリコン表面から自然酸化物を除去します。これらはすべて、溶液中のウェット洗浄ステップです。ドライ洗浄方法には、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、またはエピタキシーの前に自然酸化物を除去するための高温での水素ベークが含まれます。ゲート前洗浄は、CMOS 製造で最も重要な洗浄ステップです。これにより、MOS トランジスタの約 2 nm の厚さの酸化物が整然と成長できるようになります。酸化、およびすべての高温ステップは汚染に非常に敏感であるため、洗浄ステップは高温ステップの前に行う必要があります。
表面処理は単に視点が異なるだけで、すべての手順は上記で説明したものと同じです。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、以前のプロセス手順によって汚染されているか (たとえば、イオン注入中に高エネルギーイオンによってチャンバー壁から衝突した金属)、ウェーハ ボックスからポリマーが集まっている可能性があり、待機時間によって異なる場合があります。
ウェーハ洗浄と表面処理は、ボウリング場の機械と同様に機能します。まず、不要な破片をすべて取り除き、次にゲームを続行できるように目的のパターンを再構築します。
参照
参考文献
- ^ ニタイゴール・プレムチャンド・マハリック (2006)「マイクロ製造とナノテクノロジー」、シュプリンガー、ISBN 3-540-25377-7
- ^ Löper, Philipp; Stuckelberger, Michael; Niesen, Bjoern; Werner, Jérémie; Filipič, Miha; Moon, Soo-Jin; Yum, Jun-Ho; Topič, Marko; De Wolf, Stefaan; Ballif, Christophe (2015). 「分光エリプソメトリーと分光測光法で測定したCH3NH3PbI3ペロブスカイト薄膜の複素屈折率スペクトル」. The Journal of Physical Chemistry Letters . 6 (1): 66–71. doi :10.1021/jz502471h. PMID 26263093 . 2021-11-16に取得。
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- ^ ab Razali, AR; Qin, Y. (2013). 「マイクロ製造、マイクロ成形、およびその主要問題に関するレビュー」Procedia Engineering . 53 (2013): 665–672. doi : 10.1016/j.proeng.2013.02.086 .
- ^ Advanced Manufacturing Processes Laboratory (2015). 「マイクロスタンピングにおけるプロセス分析と変動制御」. ノースウェスタン大学. 2016年3月18日閲覧。
- ^ Fu, MW; Chan, WL (2014). 「第 4 章: マイクロ成形プロセス」。マイクロ成形によるマイクロスケール製品の開発: 変形挙動、プロセス、ツール、およびその実現。Springer Science & Business Media。pp. 73–130。ISBN 9781447163268。
- ^ ab Fu, MW; Chan, WL (2013). 「最先端のマイクロフォーミング技術のレビュー」International Journal of Advanced Manufacturing Technology . 67 (9): 2411–2437. doi :10.1007/s00170-012-4661-7. S2CID 110879846.
さらに読む
ジャーナル
- マイクロエレクトロメカニカルシステムジャーナル (J.MEMS)
- センサーとアクチュエータA: 物理的
- センサーとアクチュエータB: 化学
- マイクロメカニクスとマイクロエンジニアリングジャーナル
- チップ上のラボ
- IEEE電子デバイストランザクション
- 真空科学技術ジャーナル A: 真空、表面、膜
- 真空科学技術ジャーナル B: マイクロエレクトロニクスとナノメートル構造: 処理、測定、現象
書籍
- Franssila, S. (2010). マイクロファブリケーション入門 (第 2 版). Wiley. doi :10.1002/9781119990413. ISBN 978-1-119-99041-3。
- Madou, MJ (2002). マイクロファブリケーションの基礎 (第 2 版). CRC Press. doi :10.1201/9781482274004. ISBN 0-8493-0826-7。
- Kovacs, GTA (1998)。マイクロマシントランスデューサソースブック。McGraw -Hill。ISBN 0-07-290722-3。
- Brodie, I.; Muray, JJ (1982).マイクロファブリケーションの物理学. Plenum Press. doi :10.1007/978-1-4899-2160-4. ISBN 1-4899-2160-5。
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- メルアイス、P.迫田和也； Van de Voorde、M.編。 （2017年）。マイクロおよびナノフォトニクス技術。ワイリー。土井：10.1002/9783527800728。ISBN 978-3-527-34037-8。
外部リンク
ウィキブックスには、マイクロテクノロジーに関する書籍があります。
- 微細加工技術と関連アプリケーションに関するビデオとアニメーション。Wayback Machineに 2022-02-06 にアーカイブされています。
- マイクロ製造カンファレンス。