微细加工

微细加工是制造微米级或更小的微型结构的过程。从历史上看，最早的微制造工艺用于集成电路制造，也称为“ 半导体制造 ”或“半导体器件制造”。在过去的二十年中，微机电系统、微系统、微机械及其子领域，微流体学片上实验室，光学MEMS、RF MEMS、PowerMEMS、BioMEMS及其扩展到纳米级（例如，用于纳米机电系统的NEMS）已经重新使用，调整或扩展了微制造方法。平板显示器和太阳能电池也正在使用类似的技术。

各种设备的小型化在科学与工程的许多领域提出了挑战：物理、化学、材料科学、计算机科学、超精密工程、制造工艺和设备设计。它也引起了各种各样的跨学科研究。微细加工的主要概念和原理是微光刻、掺杂、薄膜、 蚀刻、粘接和抛光。

微型设备包括：

• 集成电路（“微芯片”）
• 微机电系统（MEMS）和微光电系统（MOEMS）
• 微流体装置（喷墨打印头）
• 太阳能电池
• 平板显示器（请参阅AMLCD和薄膜晶体管）
• 传感器（微传感器）（生物传感器，纳米传感器）
• 功率MEMS，燃料电池，能量收集器/清除剂

微制造技术起源于微电子工业，即使使用玻璃，塑料和许多其他基材，该设备通常还是在硅晶片上制造的。微加工、半导体加工、微电子制造、半导体制造、MEMS制造和集成电路技术是代替微加工的术语，但微加工是广义的术语。

传统的加工技术（例如放电加工，火花腐蚀加工和激光钻孔）已从毫米尺寸范围扩展到微米范围，但它们并没有共享微电子起源的微加工的主要思想：复制和并行制造数百个或多个数百万个相同的结构。这种平行性存在于各种印记，铸造和模塑技术中，这些技术已成功应用于微区域。例如，DVD的注射成型涉及在光盘上制造亚微米尺寸的斑点。

微型制造实际上是在制造微型设备中使用的一系列技术。其中一些是非常古老的起源，与光刻或蚀刻之类的制造无关。抛光是从光学制造业借来的，许多真空技术都来自19世纪的物理学研究。电镀也是19世纪的一种技术，适用于生产微米级的结构，各种冲压和压花技术也是如此。

为了制造微器件，必须重复执行许多过程，一次又一次。这些过程通常包括沉积薄膜，对具有所需微特征的薄膜进行构图以及去除（或蚀刻）薄膜的某些部分。通常在每个单独的工艺步骤中使用薄膜计量，以确保薄膜结构在厚度（t）、折射率（n）和消光系数（k）方面具有所需的特性，以实现合适的器件性能。例如，在存储芯片制造中，大约有30个光刻步骤，10个氧化步骤步骤，20个蚀刻步骤，10个掺杂步骤以及许多其他步骤。微加工工艺的复杂性可以通过其掩膜数量来描述。这是构成最终器件的不同图案层的数量。现代微处理器由30个掩模制成，而几个掩模足以满足微流体设备或激光二极管的要求。微细加工类似于多次曝光摄影，其中许多图案彼此对齐以形成最终结构。

微细加工的设备通常不是独立式设备，而是通常形成在较厚的支撑基板之上或之中。对于电子应用，可以使用半导体衬底，例如硅晶片。对于光学设备或平板显示器，通常使用透明基板，例如玻璃或石英。通过许多制造步骤，基板使微设备的操作变得容易。通常，许多单独的器件在一个基板上一起制成，然后在制造快要结束时被分割成单独的器件。

微型设备通常使用一层或多层薄膜构成。这些薄膜的用途取决于设备的类型。电子设备可以具有薄膜，该薄膜是导体（金属），绝缘体（电介质）或半导体。光学装置可具有反射，透明，导光或散射的膜。膜还可以具有化学或机械目的以及用于MEMS应用。沉积技术的示例包括：

• 热氧化
• 硅的局部氧化
• 化学气相沉积（CVD）
  • 化学气相沉积
  • 低压化学气相沉积
  • 化学气相沉积
• 物理气相沉积（PVD）
  • 溅镀
  • 蒸发沉积
  • 电子束PVD
• 外延

通常期望将膜图案化为不同的特征或在一些层中形成开口（或通孔）。这些特征在微米或纳米级，而构图技术正是定义微细加工的要素。图案化技术通常使用“掩膜”来定义将被去除的薄膜部分。图案化技术的示例包括：

• 光刻技术
• 阴影遮罩

蚀刻是去除薄膜或衬底的某些部分。使基材暴露于蚀刻（例如酸或等离子体）中，该蚀刻以化学或物理方式侵蚀膜，直到将其除去。蚀刻技术包括：

• 干法蚀刻（等离子蚀刻），例如反应离子蚀刻（RIE）或深反应离子蚀刻（DRIE）
• 湿蚀刻或化学蚀刻

微成型是微系统或微机电系统（MEMS）“具有至少两维在亚毫米范围内的零件或结构” 的微加工过程。它包括诸如微挤压、微冲压和微切割等技术。至少从1990年开始就已经设想并研究了这些和其他微成型工艺，导致工业级和实验级制造工具的发展。但是，正如Fu和Chan在2013年最新技术审查中指出的那样，在更广泛地实施该技术之前，仍必须解决几个问题，包括变形载荷和缺陷，成形系统的稳定性，机械性能以及其他与晶粒结构和边界有关的尺寸影响：

在微成型中，晶界的总表面积之比随着试样尺寸的减小和晶粒尺寸的增加，材料体积减小。这导致晶界强化效果降低。与内部晶粒相比，表面晶粒的约束较小。流动应力随零件几何尺寸的变化部分归因于表面晶粒体积分数的变化。另外，随着工件尺寸的减小，每个晶粒的各向异性变得很明显，这导致不均匀的变形，不规则的几何形状以及变形载荷的变化。迫切需要建立起微成型的系统知识，以支持零件，工艺和工具的设计，同时考虑尺寸效应。

也可以执行用于清洁，平坦化或改变微细加工装置的化学性质的多种其他方法。一些示例包括：

• 通过热扩散或离子注入进行掺杂
• 化学机械平面化（CMP）
• 晶圆清洗，也称为“表面处理”
• 引线键合

微型制造是在洁净室中进行的，洁净室中的空气已经过滤掉了微粒污染，并且对温度、湿度、振动和电干扰进行了严格控制。烟雾、灰尘、细菌和细胞的尺寸为微米级，它们的存在会破坏微型设备的功能。

洁净室可提供被动清洁度，但在每个关键步骤之前也会主动清洁晶圆。RCA-1清洁在氨 -peroxide溶液去除有机污染物和颗粒; 在氯化氢-过氧化物混合物中进行RCA-2清洗可去除金属杂质。硫酸 - 过氧化物混合物可去除有机物。氟化氢从硅表面去除天然氧化物。这些都是溶液中的湿法清洁步骤。干洗方法包括氧气和氩气等离子体处理以去除不需要的表面层，或在高温下进行氢气烘烤以去除天然氧化物，然后再进行外延。栅极前清洁是CMOS制造中最关键的清洁步骤：它可以确保ca。可以有序地生长2 nm厚的MOS晶体管氧化物。氧化以及所有高温步骤都对污染非常敏感，因此清洁步骤必须先于高温步骤。

表面处理只是一个不同的观点，所有步骤都与上述相同：在开始处理之前，要使晶片表面处于受控且众所周知的状态。晶圆被先前的处理步骤所污染（例如，在离子注入过程中，高能离子从室壁轰击金属），或者它们可能已经从晶圆盒中收集了聚合物，并且根据等待时间的不同而不同。

晶圆清洗和表面准备工作与保龄球馆中的机器类似：首先清除所有不需要的碎片，然后重建所需的图案，以便游戏继续进行。