Procesy osadzaniaEdit
Jednym z podstawowych elementów składowych przetwarzania MEMS jest możliwość osadzania cienkich warstw materiału o grubości od jednego mikrometra do około 100 mikrometrów. Proces NEMS jest taki sam, chociaż pomiar osadzania warstwy waha się od kilku nanometrów do jednego mikrometra. Istnieją dwa rodzaje procesów osadzania, jak następuje.
Odkładanie fizyczneEdit
Odkładanie z pary wodnej („PVD”) jest procesem, w którym materiał jest usuwany z celu i osadzany na powierzchni. W tym celu stosuje się rozpylanie jonowe, w którym wiązka jonów uwalnia atomy z tarczy, umożliwiając im przemieszczanie się w przestrzeni między nimi i osadzanie na żądanym podłożu, oraz odparowanie, w którym materiał jest odparowywany z tarczy za pomocą ciepła (odparowanie termiczne) lub wiązki elektronów (odparowanie e-wiązkowe) w systemie próżniowym.
Odkładanie chemiczneEdit
Chemiczne techniki osadzania obejmują osadzanie z fazy gazowej (CVD), w którym strumień gazu źródłowego reaguje na podłożu do wzrostu materiału pożądanego. To może być dalej podzielone na kategorie w zależności od szczegółów techniki, na przykład LPCVD (niskociśnieniowe osadzanie z pary chemicznej) i PECVD (plazmowe osadzanie z pary chemicznej).
Filmy tlenkowe mogą być również uprawiane przez technikę utleniania termicznego, w którym (zazwyczaj krzem) wafel jest narażony na działanie tlenu i / lub pary, do wzrostu cienką warstwę powierzchniową dwutlenku krzemu.
WzorcowanieEdit
Wzorcowanie w MEMS to przenoszenie wzoru na materiał.
LitografiaEdit
Litografia w kontekście MEMS to zwykle przenoszenie wzoru na materiał światłoczuły poprzez selektywną ekspozycję na źródło promieniowania, takie jak światło. Materiał światłoczuły to materiał, którego właściwości fizyczne ulegają zmianie po wystawieniu na działanie źródła promieniowania. Jeśli materiał światłoczuły jest selektywnie wystawiony na działanie promieniowania (np. poprzez maskowanie części promieniowania), wzór promieniowania na materiale jest przenoszony na materiał wystawiony na działanie promieniowania, ponieważ właściwości regionów wystawionych i nienaświetlonych różnią się.
Ten wystawiony region może być następnie usunięty lub poddany obróbce, zapewniając maskę dla podłoża. Fotolitografia jest zwykle stosowana z osadzaniem metalu lub innych cienkich warstw, wytrawianiem na mokro i na sucho. Czasami fotolitografia jest wykorzystywana do tworzenia struktur bez jakiegokolwiek trawienia. Jednym z przykładów jest soczewka na bazie SU8, gdzie generowane są kwadratowe bloki na bazie SU8. Następnie fotorezyst jest topiony w celu utworzenia półsfery, która działa jako soczewka.
Litografia wiązki elektronówEdit
Litografia wiązką elektronów (często określana skrótem litografia wiązką elektronów) to proces skanowania wiązką elektronów w sposób wzorzysty powierzchni pokrytej folią (zwaną rezystancją), („naświetlanie” rezystancji) oraz selektywnego usuwania naświetlonych lub nienaświetlonych obszarów rezystancji („wywoływanie”). Celem, podobnie jak w przypadku fotolitografii, jest tworzenie bardzo małych struktur w rezystancji, które mogą być następnie przeniesione na materiał podłoża, często poprzez wytrawianie. Została ona opracowana do produkcji układów scalonych i jest również wykorzystywana do tworzenia architektur nanotechnologicznych.
Podstawową zaletą litografii wiązki elektronów jest to, że jest to jeden ze sposobów pokonania granicy dyfrakcji światła i tworzenia elementów w zakresie nanometrów. Ta forma litografii bezmaskowej znalazła szerokie zastosowanie w tworzeniu fotomasek używanych w fotolitografii, niskoseryjnej produkcji elementów półprzewodnikowych oraz w badaniach & rozwojowych.
Kluczowym ograniczeniem litografii wiązki elektronów jest przepustowość, tj. bardzo długi czas naświetlania całego wafla krzemowego lub podłoża szklanego. Długi czas naświetlania sprawia, że użytkownik jest narażony na dryf wiązki lub niestabilność, które mogą wystąpić podczas naświetlania. Ponadto, niepotrzebnie wydłuża się czas potrzebny na ponowną obróbkę lub przeprojektowanie, jeżeli wzór nie jest zmieniany po raz drugi.
Litografia wiązką jonowąEdit
Wiadomo, że litografia zogniskowaną wiązką jonową umożliwia pisanie bardzo cienkich linii (osiągnięto mniej niż 50 nm linii i przestrzeni) bez efektu zbliżenia. Jednakże, ponieważ pole zapisu w litografii wiązki jonowej jest dość małe, wzory na dużych obszarach muszą być tworzone poprzez łączenie małych pól.
Technologia ścieżek jonowychEdit
Technologia ścieżek jonowych jest narzędziem do głębokiego cięcia o rozdzielczości granicznej około 8 nm, stosowanym do odpornych na promieniowanie minerałów, szkieł i polimerów. Jest ona w stanie generować otwory w cienkich warstwach bez konieczności przeprowadzania jakiegokolwiek procesu rozwojowego. Głębokość struktury może być definiowana zarówno przez zakres jonów jak i przez grubość materiału. Współczynniki kształtu mogą osiągać wartości do kilku 104. Technika ta może kształtować i teksturować materiały pod określonym kątem nachylenia. Możliwe jest generowanie wzorów losowych, struktur z pojedynczymi ścieżkami jonów oraz wzorów złożonych z pojedynczych ścieżek.
Litografia rentgenowskaEdit
Litografia rentgenowska jest procesem stosowanym w przemyśle elektronicznym do selektywnego usuwania części cienkiej warstwy. Wykorzystuje promienie rentgenowskie do przeniesienia geometrycznego wzoru z maski na światłoczuły chemiczny fotorezystor, lub po prostu „rezystor”, na podłoże. Seria zabiegów chemicznych następnie graweruje wytworzony wzór w materiale pod fotorezystem.
Wzorowanie diamentówEdit
Prosty sposób rzeźbienia lub tworzenia wzorów na powierzchni nanodiamentów bez ich uszkadzania może prowadzić do nowych urządzeń fotonicznych.
Wzorowanie diamentów jest metodą formowania diamentowych MEMS. Osiąga się to poprzez litograficzne nanoszenie warstw diamentu na podłoże takie jak krzem. Wzory mogą być tworzone przez selektywne osadzanie przez maskę z dwutlenku krzemu, lub przez osadzanie a następnie mikroobróbkę lub frezowanie skupioną wiązką jonów.
Procesy wytrawianiaEdit
Są dwie podstawowe kategorie procesów wytrawiania: wytrawianie na mokro i wytrawianie na sucho. W pierwszym z nich materiał jest rozpuszczany po zanurzeniu w roztworze chemicznym. W drugim, materiał jest napylany lub rozpuszczany przy użyciu jonów reaktywnych lub wytrawiacza w fazie parowej.
Trawienie na mokroEdit
Mokre trawienie chemiczne polega na selektywnym usuwaniu materiału poprzez zanurzanie podłoża w roztworze, który je rozpuszcza. Chemiczna natura tego procesu wytrawiania zapewnia dobrą selektywność, co oznacza, że szybkość trawienia materiału docelowego jest znacznie wyższa niż materiału maski, jeśli jest starannie dobrana.
Trawienie izotropoweEdit
Trawienie postępuje z tą samą prędkością we wszystkich kierunkach. Długie i wąskie otwory w masce spowodują powstanie rowków w kształcie litery V w krzemie. Powierzchnia tych rowków może być atomowo gładka, jeśli trawienie zostanie przeprowadzone prawidłowo, a wymiary i kąty będą bardzo dokładne.
Trawienie anizotropoweEdit
Niektóre materiały jednokrystaliczne, takie jak krzem, będą miały różne szybkości trawienia w zależności od orientacji krystalograficznej podłoża. Jest to znane jako trawienie anizotropowe, a jednym z najczęstszych przykładów jest trawienie krzemu w KOH (wodorotlenek potasu), gdzie płaszczyzny Si <> trawią się około 100 razy wolniej niż inne płaszczyzny (orientacje krystalograficzne). Dlatego, wytrawianie prostokątnego otworu w płytce (100)-Si skutkuje powstaniem otworu w kształcie piramidy o ścianach 54.7°, zamiast otworu z zakrzywionymi ścianami bocznymi, jak w przypadku trawienia izotropowego.
Trawienie HFEdit
Kwas fluorowodorowy jest powszechnie stosowany jako wodny wytrawiacz do dwutlenku krzemu (SiO
2, znany również jako BOX dla SOI), zwykle w postaci 49% stężonej, 5:1, 10:1 lub 20:1 BOE (buforowany wytrawiacz tlenkowy) lub BHF (buforowany HF). Po raz pierwszy użyto ich w średniowieczu do wytrawiania szkła. Używano ich w produkcji układów scalonych do patteringu tlenku bramki, dopóki ten etap procesu nie został zastąpiony przez RIE.
Kwas fluorowodorowy jest uważany za jeden z bardziej niebezpiecznych kwasów w pomieszczeniach czystych. W momencie kontaktu przenika przez skórę i dyfunduje prosto do kości. Z tego powodu uszkodzenia nie są odczuwalne, dopóki nie jest za późno.
Trawienie elektrochemiczneEdit
Elektrochemiczne trawienie (ECE) do selektywnego usuwania domieszek z krzemu jest powszechną metodą automatyzacji i selektywnej kontroli trawienia. Wymagane jest aktywne złącze diodowe p-n, a materiałem odpornym na trawienie („etch-stop”) może być każdy rodzaj domieszki. Bor jest najczęściej stosowanym materiałem domieszkującym. W połączeniu z mokrym trawieniem anizotropowym, jak opisano powyżej, ECE było z powodzeniem stosowane do kontroli grubości membrany krzemowej w komercyjnych piezorezystancyjnych czujnikach ciśnienia. Selektywnie domieszkowane regiony mogą być tworzone przez implantację, dyfuzję lub epitaksjalne osadzanie krzemu.
Trawienie na suchoEdit
Vapor etchingEdit
Xenon difluorideEdit
Xenon difluoride (XeF
2) jest suchą fazą parową izotropowego wytrawiania krzemu pierwotnie zastosowaną dla MEMS w 1995 roku na Uniwersytecie Kalifornijskim w Los Angeles. Głównie używany do uwalniania struktur metalowych i dielektrycznych poprzez podcinanie krzemu, XeF
2 ma zaletę uwalniania bez zatorów, w przeciwieństwie do wytrawiaczy mokrych. Jego selektywność wytrawiania krzemu jest bardzo wysoka, co pozwala na pracę z fotorezystem, SiO
2, azotkiem krzemu i różnymi metalami do maskowania. Jego reakcja na krzem jest „bez plazmy”, jest czysto chemiczna i spontaniczna i często pracuje w trybie impulsowym. Dostępne są modele działania trawienia, a laboratoria uniwersyteckie i różne narzędzia komercyjne oferują rozwiązania wykorzystujące to podejście.
Trawienie plazmoweEdit
Nowoczesne procesy VLSI unikają trawienia na mokro, a zamiast tego wykorzystują trawienie plazmowe. Wytrawiacze plazmowe mogą pracować w kilku trybach poprzez regulację parametrów plazmy. Zwykłe trawienie plazmowe działa w zakresie od 0,1 do 5 Torr. (Ta jednostka ciśnienia, powszechnie stosowana w inżynierii próżniowej, jest równa w przybliżeniu 133,3 paskala). Plazma wytwarza energetyczne wolne rodniki, naładowane neutralnie, które reagują na powierzchni płytki. Ponieważ neutralne cząsteczki atakują płytkę ze wszystkich kątów, proces ten jest izotropowy.
Trawienie plazmowe może być izotropowe, tj. wykazujące boczne podcięcie na wzorzystej powierzchni w przybliżeniu takie samo jak jego tempo trawienia w dół, lub może być anizotropowe, tj. wykazujące mniejsze boczne podcięcie niż jego tempo trawienia w dół. Taka anizotropia jest maksymalna w głębokim reaktywnym trawieniu jonowym. Użycie terminu anizotropia dla trawienia plazmowego nie powinno być mylone z użyciem tego samego terminu w odniesieniu do trawienia zależnego od orientacji.
Gaz źródłowy dla plazmy zwykle zawiera małe cząsteczki bogate w chlor lub fluor. Na przykład, czterochlorek węgla (CCl
4) wytrawia krzem i aluminium, a trifluorometan dwutlenek krzemu i azotek krzemu. Plazma zawierająca tlen jest używana do utleniania („spopielania”) fotorezystu i ułatwiania jego usuwania.
Frezowanie jonowe, lub trawienie rozpryskowe, wykorzystuje niższe ciśnienia, często tak niskie jak 10-4 Torr (10 mPa). Bombarduje wafel energetycznymi jonami gazów szlachetnych, często Ar+, które wybijają atomy z podłoża poprzez przeniesienie pędu. Ponieważ trawienie odbywa się za pomocą jonów, które zbliżają się do płytki mniej więcej z jednego kierunku, proces ten jest wysoce anizotropowy. Z drugiej strony, wykazuje on tendencję do słabej selektywności. Trawienie reaktywno-jonowe (RIE) działa w warunkach pośrednich pomiędzy trawieniem rozpryskowym a plazmowym (pomiędzy 10-3 a 10-1 Torr). Głębokie trawienie reaktywno-jonowe (DRIE) modyfikuje technikę RIE w celu wytworzenia głębokich, wąskich elementów.
Edycja napylania
Trawienie jonowe reaktywne (RIE)Edycja
W trawieniu reaktywno-jonowym (RIE), podłoże umieszcza się wewnątrz reaktora i wprowadza się kilka gazów. Plazma jest uderzana w mieszaninę gazów za pomocą źródła zasilania RF, które rozbija cząsteczki gazu na jony. Jony przyspieszają w kierunku powierzchni wytrawianego materiału i wchodzą z nią w reakcję, tworząc inny gazowy materiał. To jest znane jako chemiczna część reaktywnego trawienia jonowego. Jest też część fizyczna, która jest podobna do procesu napylania jonowego. Jeśli jony mają wystarczająco dużą energię, mogą wybijać atomy z materiału, który ma być wytrawiony bez reakcji chemicznej. Opracowanie procesów wytrawiania na sucho, które równoważą trawienie chemiczne i fizyczne jest bardzo złożonym zadaniem, ponieważ istnieje wiele parametrów, które należy dostosować. Poprzez zmianę równowagi można wpływać na anizotropię trawienia, ponieważ część chemiczna jest izotropowa, a część fizyczna wysoce anizotropowa, kombinacja może tworzyć ściany boczne o kształtach od zaokrąglonych do pionowych.
Głębokie RIE (DRIE) jest specjalną podklasą RIE, która zyskuje coraz większą popularność. W tym procesie osiąga się głębokości trawienia rzędu setek mikrometrów przy prawie pionowych ścianach bocznych. Podstawowa technologia opiera się na tak zwanym „procesie Boscha”, nazwanym tak na cześć niemieckiej firmy Robert Bosch, która zgłosiła pierwotny patent, w którym w reaktorze występują naprzemiennie dwa różne składy gazu. Obecnie istnieją dwa warianty DRIE. Pierwsza odmiana składa się z trzech etapów (oryginalny proces Boscha), natomiast druga odmiana składa się tylko z dwóch etapów.
W pierwszym wariancie cykl wytrawiania jest następujący:
(i) wytrawianie izotropowe SF
6;
(ii) pasywacja C
4F
8;
(iii) wytrawianie anizoptropowe SF
6 do czyszczenia podłóg.
W drugim wariancie, kroki (i) i (iii) są połączone.
Oba warianty działają podobnie. C
4F
8 tworzy polimer na powierzchni podłoża, a druga kompozycja gazowa (SF
6 i O
2) wytrawia podłoże. Polimer zostaje natychmiast odpryśnięty przez fizyczną część trawienia, ale tylko na powierzchniach poziomych, a nie na ścianach bocznych. Ponieważ polimer rozpuszcza się bardzo powoli w chemicznej części trawienia, gromadzi się na ściankach bocznych i chroni je przed trawieniem. W rezultacie można osiągnąć współczynnik wytrawienia 50 do 1. Proces ten może być z łatwością wykorzystany do całkowitego wytrawienia podłoża krzemowego, a wydajność trawienia jest 3-6 razy większa niż trawienia na mokro.
Przygotowanie matrycyEdit
Po przygotowaniu dużej liczby urządzeń MEMS na płytce krzemowej, poszczególne matryce muszą zostać oddzielone, co w technologii półprzewodników nazywane jest przygotowaniem matrycy. W niektórych zastosowaniach separacja poprzedzona jest szlifowaniem wstecznym płytek w celu zmniejszenia ich grubości. Cięcie wafla może być następnie wykonane albo przez piłowanie z użyciem cieczy chłodzącej, albo przez suchy proces laserowy zwany stealth dicing.