La microfabricación es el proceso de fabricar estructuras en miniatura de escalas micrométricas y más pequeñas. Históricamente, los primeros procesos de microfabricación se utilizaron 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), microsistemas (uso europeo), micromáquinas (terminología japonesa) y sus subcampos han reutilizado, adaptado o ampliado los métodos de microfabricación. Estos subcampos incluyen microfluidos /lab-on-a-chip, MEMS ópticos (también llamados MOEMS), RF MEMS, PowerMEMS, BioMEMS y su extensión a nanoescala (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 materiales , informática , ingeniería de ultraprecisión, procesos de fabricación y diseño de equipos. También está dando lugar a diversos tipos de investigación interdisciplinaria. [1] Los conceptos y principios principales de la microfabricación son la microlitografía , el dopaje , las películas delgadas , el grabado , la unión y el pulido .
Los dispositivos microfabricados incluyen:
Las tecnologías de microfabricación se originan en la industria microelectrónica y los dispositivos generalmente se fabrican con obleas de silicio , aunque se utilizan vidrio , plástico y muchos otros sustratos . Micromecanizado, procesamiento de semiconductores, fabricación microelectrónica, fabricación de semiconductores , fabricación MEMS y tecnología de circuitos integrados son términos utilizados en lugar de microfabricación, pero microfabricación es el término general amplio.
Las técnicas de mecanizado tradicionales, como el mecanizado por electroerosión , el mecanizado por erosión por chispa y el taladrado con láser, se han ampliado desde el rango de tamaño milimétrico al rango de micrómetro, pero no comparten la idea principal de la microfabricación originada en la microelectrónica: 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.
La microfabricación es en realidad un conjunto de tecnologías que se utilizan para fabricar microdispositivos. Algunos de ellos tienen orígenes muy antiguos, no relacionados con la fabricación , como la litografía o el aguafuerte . El pulido se tomó prestado de la fabricación de ópticas 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 estampado .
Para fabricar un microdispositivo, se deben realizar muchos procesos, uno tras otro, muchas veces repetidamente. Estos procesos normalmente incluyen depositar una película , modelar la película con las microcaracterísticas deseadas y retirar (o grabar ) partes de la película. La metrología de película delgada se utiliza normalmente durante cada uno de estos pasos individuales del proceso, para garantizar 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 se realizan 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 puede describirse por su número 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 de microfluidos 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.
Los dispositivos microfabricados generalmente no son dispositivos independientes, sino que generalmente se forman sobre o dentro de un sustrato de soporte más grueso . Para aplicaciones electrónicas, se pueden utilizar sustratos semiconductores como obleas de silicio . Para dispositivos ópticos o pantallas planas, son comunes los sustratos transparentes como el vidrio o el cuarzo. El sustrato permite un fácil manejo del microdispositivo a través de los numerosos pasos de fabricación. A menudo, muchos dispositivos individuales se fabrican juntos sobre un sustrato y luego se singularizan en dispositivos separados hacia el final de la fabricación.
Los dispositivos microfabricados generalmente se construyen utilizando una o más películas delgadas (consulte Deposición de películas delgadas ). El propósito de estas películas delgadas depende del tipo de dispositivo. Los dispositivos electrónicos pueden tener películas delgadas que son conductoras (metales), aislantes (dieléctricos) o semiconductores. Los dispositivos ópticos pueden tener películas reflectantes, transparentes, que guían o dispersan la luz. Las películas también pueden tener un propósito químico o mecánico, así como aplicaciones MEMS. Ejemplos de técnicas de deposición incluyen:
A menudo es deseable modelar una película en características distintas o formar aberturas (o vías) en algunas de las capas. Estas características están en la escala micrométrica o nanométrica y la tecnología de patrones es lo que define la microfabricación. Esta técnica de modelado suele utilizar una "máscara" para definir las partes de la película que se eliminarán. Ejemplos de técnicas de modelado incluyen:
El grabado es la eliminación de una parte de la película delgada o sustrato. El sustrato se expone a un ataque (como un ácido o plasma) que ataca química o físicamente la película hasta que se retira. Las técnicas de grabado incluyen:
El microformado 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] microestampado , [6] y microcorte. [7] Estos y otros procesos de microformado han sido concebidos e investigados desde al menos 1990, [3] conduciendo al desarrollo de herramientas de fabricación de grado industrial y experimental. Sin embargo, como señalaron Fu y Chan en una revisión de tecnología de punta de 2013, aún se deben resolver varios problemas antes de que la tecnología pueda implementarse más ampliamente, 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 microformado, la relación entre el área de superficie total de los límites de los granos 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 de los límites de grano. Los granos superficiales tienen menores 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 resulta en una deformación no homogénea, una geometría formada irregular y la variación de la carga de deformación. Existe una necesidad crítica de establecer el conocimiento sistemático del microformado para respaldar el diseño de piezas, procesos y herramientas teniendo en cuenta los efectos del tamaño. [8]
También se puede realizar una amplia variedad de otros procesos para limpiar, planarizar o modificar las propiedades químicas de dispositivos microfabricados. Algunos ejemplos incluyen:
La microfabricación se lleva a cabo en salas blancas , donde el aire ha sido filtrado de partículas contaminadas y la temperatura , la humedad , las vibraciones y las perturbaciones eléctricas están bajo 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 limpieza pasiva, pero las obleas también se limpian activamente antes de cada paso crítico. RCA-1 limpia en amoníaco: la solución de peróxido elimina la contaminación orgánica y las partículas; La limpieza RCA-2 en una mezcla de cloruro de hidrógeno y peróxido elimina las impurezas metálicas. Ácido sulfúrico : la mezcla de peróxido (también conocida como Piraña) elimina las sustancias orgánicas. 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 oxígeno y plasma de 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 entrada es el paso de limpieza más crítico en la fabricación de CMOS: garantiza que ca. El óxido de 2 nm de espesor de un transistor MOS se puede cultivar de forma ordenada. La oxidación y todos los pasos a alta temperatura son muy sensibles a la contaminación y los pasos de limpieza deben preceder a los pasos a alta temperatura.
La preparación de la superficie es solo 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 a procesar. Las obleas están contaminadas por pasos previos del proceso (por ejemplo, metales bombardeados desde las paredes de la cámara por iones energéticos durante la implantación de iones ), o pueden haber recolectado polímeros de las cajas de obleas, y esto puede ser diferente dependiendo del tiempo de espera.
La limpieza de obleas y la preparación de superficies funcionan de manera similar a las máquinas de una bolera : primero eliminan todos los trozos y piezas no deseados y luego reconstruyen el patrón deseado para que el juego pueda continuar.
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