תהליך ציפוי רכיבים מיקרו-אלקטרונים

תקציר העבודה:

שיטות יצור נוכחיות אימצו לייצר מבנים תלת ממדיים הדורשים שימוש של דיוק של נקודה יחידה, ע"י עיבוד מכני ביהלום ליצור של המבנה. מחרטות המשמשות ליצור את הדיוק הגבוה ואת הגימור הנדרש ליצירת המבנה נשלטות ומבוקרות ע"י מחשב.
טכניקה זו שהוכחה כנאמנה בעבודה מוגברת, יכולה להתבצע על יחידה אחת בזמן ולא על כמה בו זמנית (איור 1).
כדי לייצר מספר רב של רכיבים בו זמנית, טכניקה מקובלת דורשת הרכבה מהבסיס ומעלה ותסבול עיוות רציני של 10 מיקרון.
תהליך חדש שנחקר, בא להתגבר באופן חלקי על בעיה זו שמציע פתרון למבנים של עד 100 מיקרון. פתרון מלא לבעיה נימצא ע"י שימוש במצע תלת ממדית דקה במיוחד ומלוטשת ברמה גבוהה.
גליל חלק במיוחד של דו תחמוצת הצורן ניבחר עם על פי דרישות לשמש כמצע. פתרון זה יאפשר ייצור בו זמני של מספר רב של רכיבים גלילים.
ההגבלה לטכניקה זו היא כאשר מנסים לייצר בהבלטה כגון עוגן, מכסים וחורי כניסה ללייזר. ההצעה לייצור פתרונות לתקנים של מצע סטטי ע"י מיקרואלקטרוניקה, תיחקר בעתיד הקרוב.

תוכן עניינים:
הקדמה
מבוא
מסיכה פיזיקלית
תהליך הציפוי
תהליך הייצור
מבנה ומורפולוגיה
דיון
סיכום ומסקנות
מושגים

ביבליוגרפיה:
1. כתבי עת ומאמרים של מגזין VACUUM. (אין פירוט)
2. חומר הקורס שנלמד בשיעור.

קטע מהעבודה:

מקורות:

חומרים ותהליכים במיקרואלקטרוניקה
תהליך ציפוי רכיבים מיקרו-אלקטרונים
תוכן עניינים
הקדמה
אחד מהמאפיינים של התעשייה האלקטרונית בימינו הוא תכנון התקנים לפני יישומם. כל התקן מיוצר למבנהו ולממדיו הסופיים לפי דרישות המעגל בו הוא יוצב. השיפורים האחרונים בביצועי ההתקנים המודרניים באו על חשבון דיוק מרבי של המבנה והקטנת ממדים של התקנים. כל זאת ניתן ליישם על ידי טכניקות שונות, אך אחת הטכניקות
השימושיות היא יצור שכבות דקות של חומרים על מצע קיים. לשכבות דקות יש תפקיד חשוב ביותר בתעשייה המודרנית. להלן מספר דוגמאות לשימושם הרחב והמגוון:
ציפויים המונעים קורוזיה - מנוצלים בענפים רבים בתעשייה. שכבה שמונעת שיכוך יכולה להיות בעלת עובי מינימלי, אך חשוב לשמור על רציפותה המלאה כידי לא ליצור אזורים בעלי פוטנציאלים חשמליים שונים על פני השטח.
ציפויים המונעים החזר אור - מנוצלים בתעשייה אופטית. כאשר עובי השכבה הוא כרבע אורך הגל של הקרינה האלקטרומגנטית השימושית, אז הקרינה תחדור ברובה דרך הציפוי ולא תוחזר. הפרמטר החשוב במקרה זה הוא עוביה האחיד של השכבה, על מנת לשמור על תכונותיה האופטיות.
מוליכים חשמליים - בתעשיית המיקרואלקטרוניקה חיבורי הולכה בין חלקי המעגל החשמלי נעשים על ידי שכבות דקות של חומר מוליך (חמרן, נחושת). על מנת להשיג תפקוד יעיל של המעגל יש להקפיד על פרמטרים רבים בעת ייצור החומר, כמו רציפות , אחידות, צפיפות אחידה וכו'.
בסיס לגלאים ולטרנזיסטורים - חומרים בעלי מבנה פסים מוגדר יכולים לשמש כגלאיי קרינה, חום או מאמצים מכניים. כל אלה בתנאי שיש להם מבנה גבישי אידיאלי (גביש אחיד). ריכוז הפגמים גבוה בחומר מוריד בצורה דרסטית ביעילות של ההתקן. לכן פרמטרים חשובים במקרה זה הם ריכוז פגמים מבניים נמוך ומבנה אידיאלי של החומר.
מבנים של סריגי אל - מבוססים על מחזוריות של שכבות דקות בעלות הרכב כימיה ולעתים גם מבנה משתנה. מבנים אלה הם בעלי תכונות קוונטיות להעברת מטענים חשמליים, והם גם מהווים בסיס להתקנים מודרניים מסובכים.
אלו הם השימושים הבסיסיים של שכבות דקות בתעשייה, אך יש אחרים כגון ציפויים המשפרים את תכונות ההדבקה (adhesion) בין השכבות האחרות, ציפויים מונעים הדבקה (abhesion), ציפויי פסיבציה וכו'.
טכניקות הפוטוליטוגרפיה וציפוי בוואקום נחקרו רבות, בעיקר כאמצעים ליצור מבנה התלת ממד. שימוש במצע הבנויה מצינורות זכוכית חלקים מאוד ובמערכת הינע סיבובית, יכולים להיבנות ולהיווצר על פני השטח צילינדרים (גלילים) מרובים שלא קשורים זה לזה. אלה נוצרים ע"י שילוב של מתכתיות ופוטוליתוגרפיה להגדרה מדויקת של
המבנה שאנו רוצים שהוא בעל קצוות (שפות) מדויקות.
בשל התנועה הסיבובית של טכניקת הפוטוליטוגרפיה, נמצא שע"י שינוי המבנה הפיזיקלי של המסכה, משתנה ישירות משך החשיפה בנקודות שונות ומתווצרים מבנים עם טופוגרפיות של משטח שניתנות להגדרה. היתרונות וההגבלות לטכניקות אלו הם להדגיש את תהליך הייצור שכיום מפותח להגשמת המבנה החדש.
מבוא
שיטות יצור נוכחיות אימצו לייצר מבנים תלת ממדיים הדורשים שימוש של דיוק של נקודה יחידה, ע"י עיבוד מכני ביהלום ליצור של המבנה. מחרטות המשמשות ליצור את הדיוק הגבוה ואת הגימור הנדרש ליצירת המבנה נשלטות ומבוקרות ע"י מחשב.
טכניקה זו שהוכחה כנאמנה בעבודה מוגברת, יכולה להתבצע על יחידה אחת בזמן ולא על כמה בו זמנית (איור 1).
כדי לייצר מספר רב של רכיבים בו זמנית, טכניקה מקובלת דורשת הרכבה מהבסיס ומעלה ותסבול עיוות רציני של 10 מיקרון.
תהליך חדש שנחקר, בא להתגבר באופן חלקי על בעיה זו שמציע פתרון למבנים של עד 100 מיקרון. פתרון מלא לבעיה נימצא ע"י שימוש במצע תלת ממדית דקה במיוחד ומלוטשת ברמה גבוהה.
גליל חלק במיוחד של דו תחמוצת הצורן ניבחר עם על פי דרישות לשמש כמצע. פתרון זה יאפשר ייצור בו זמני של מספר רב של רכיבים גלילים.
ההגבלה לטכניקה זו היא כאשר מנסים לייצר בהבלטה כגון עוגן, מכסים וחורי כניסה ללייזר. ההצעה לייצור פתרונות לתקנים של מצע סטטי ע"י מיקרואלקטרוניקה, תיחקר בעתיד הקרוב.

איור 1
מסיכה פיזיקלית
ניסיון ראשוני לייצר רכיבים ייחודיים ע"י שימוש במצע הגלילית דרש ייצור של מסיכה פיזיקלית. תהליך זה הושלם ע"י שימוש בסטנדרטים ותהליכים הנדסיים ע"י ניצול רדידי אלומיניום בעובי של 20 מיקרון כתומכי המצע.
מרכיבים חרוטים אלו מוקמו על המצע המסתובבת במרווחים של 20 - 2 מיקרון, כדי למנוע נזק חיכוך. לאחר מכן חלקים אלו שימשו כמסכה חלקית של אזורים שרצינו להשאיר כחשופים במשך הזמן של תהליך הדיפוזיה (איור 2).
 
Figure 2 Schematic of Physical Masking Process
מספר תכנונים של פתחים (חורים),התאחדו כדי אפשור מספר רב של רכיבים עם טופוגרפיה משתנה להיווצר, כמתואר באיור 3. איור 4 מדגים את היווצרות הפרופיל המשתנה של צידי המשטח ע"י טכניקה זו.
Figure 3 Aluminium Physical Mask with Various Apertures
למרבה הצער, טכניקה זו סובלת מאפקט הצל, המזוהה ע"י הגדרה של שפות משטח דלות כל זאת נגרם עקב מקור אי כיווני מוצהר שאפשר לחומר להיצפות מתחת לשפת המסכה, כיוון שההפרדה מנקודת המקור למסכה הייתה רק 30 ס"מ (הגבלה שמוגדרת ע"י הציוד).
הפקט זה יכול להיות מצומצם ע"י מיקום המסכה והמצע קרובים יותר זה לזה, אך עקב האילוצים הנגרמים עקב תזוזת המצע היה קשה להשיג חיבור בין המצע והמסכה מבלי לגרום נזק כלשהו.
 

Figure 4 Cylinder Wall Profile Formed through Apertures (shown above)
תהליך הציפוי
כאלטרנטיבה לציפוי דרך מסכה פיזיקלית, נחקרת טכניקה הפולימר הרגיש לאור, שנקראת: פוטורזיסט עם כיוון אור אולטרה-סגול.
טכניקה זו מזכירה תהליך דומה של פוטוליתוגרפיה שהינה תהליך שיגרתי במיקרואלקטרוניקה להעברת דמות על פני משטח דק (מצע). היתרונות המיידים הינם, אורך גל קצר של האור האולטרה-סגול אשר במידה גבוהה מצמצם את בעיית ההצללה שנוצרה מתהליך הדיפוזיה. יש ליזכור שחציצה בין המסכה האופטית למצע חייבת לשאוף למינימום.
הבעיה העיקרית לתהליך זה מתעוררת כאשר אנו מעונינים להשיג ציפוי אחיד של הפוטורזיסט על המצע הגלילית. דבר זה מושג בד"כ ע"י סיבובים מהירים מאוד של החומר הנוזלי על המשטח הדק (המצע).
אם מסובבים את המצע בצנטרפוגה, הנוזל מתפשט עליו באופן אחיד. יתרון של תהליך זה הוא במהירות, אך השכבה המתקבלת היא פחות איכותית מבחינה מבנית כי במקרה זה יש לחלקיקים פחות זמן להתארגן למבנה מסודר. יישומים אפשריים של שיטה זו יכולים להיות ייצור חומרים נקבוביים כמו ממברנות שאינם חייבים לעמוד בדרישות מבניות
חריפות. עבור המצע הגלילית בכל מיקרה, אימצנו שיטת ציפוי בטבילה עם בקרה על משיכה איטית של הגליל של 10 מילימטר לדקה (איור 5).
בשיטה זו טובלים את מצע בתמיסה קולואידית, משהים אותו במשך זמן מוקצב ומושכים בקצב מוגדר. בעת המשיכה בין הנוזל למוצק נוצר המניסקוס כתוצאה ממתח הפנים של הנוזל; וכך בנקודת המפגש של שלושת הפאזות (גז, נוזל ומוצק), שקיימת בטופ של המניסקוס, מתרחש שיקוע של חלקיקים הנמצאים בתמיסה קולואידית וכך ניתן לקבל שכבה
דקה בעלת עובי אחיד. קצב המשיכה של המצע מן התמיסה קובע גם את איכות
המבנית של השכבה שנוצרת. להלן השלבים העיקריים של תהליך הטבילה.
איור 5: ציפוי בטבילה (dip coating)
ברגע שהמצע צופתה, מכניסים במאונך את המצע לתנור ב - 90?C למשך זמן של 2 דקות ואז הופכים אותה ב - 180 מעלות ומשאירים אותה בתנור לעוד 8 דקות, כדי לאפשר לפולימר להתייבש באופן מלא.
תהליך זה נותן לנו במידה ניכרת, ציפוי אחיד של 1.5?0.1 מיקרון, וכן מראה לנו כי הכללה של מערכת רוטציונית (סיבובית) בתוך התנור אינה הכרחית. לאחר מכן הדוגמית ממוקמת במגע מקורב עם הפוטו-מסכה האופטית, שנתונה לחשיפה אולטרה סגולית דרך המסכה.
האזורים הנחשפים לקרינה מוסרים ע"י פיתוח שמתבצע לאחר מכן. בשלב זה מעקב אחר הגדרת השפה עולה מטכניקת המסכה הפיזיקלית שנוסתה בתחילה (איור 6).




Figure 6 3D Photolithography Edge Definition (above) compared to Physical Masking (below).
תהליך הייצור
ליצור מרכיב עצמאי בלתי תלוי כגון גליל מתכת, יש לשלב בין כל הטכניקות שהראנו.
בתחילה, מצע (1 מ"מ) מסתובבת של דו תחמוצת הצורן (Silica) מצופה בוואקום עם שכבת המתכת הרצויה ( 1 - 0.5 מיקרון אלומיניום או זהב), לאחר מכן מצופה באופן מעמיק עם פוטורזיסט (Shipley S1813 positive photoresist).
לאחר הייבוש, מיישרים קו עם הפוטו-מסכה האופטית והגליל כדי לתאר שורה של פתחים מלבניים קבועים ולהגדיר את האורך של הגלילים (200 מיקרון שורות למרווח
שאומצו לעזור בניתוח של המשטח).
אחרי סידרה של משך חשיפות (שנקבע על ידי הכפלת זמן התהליך ב - ? ), והתפתחות שבאה לאחר-מכן, ניתן לראות את הגליל המצופה בשכבת המגן באיור 7.
Figure 7 Photoresist Cylinders (200micron) Patterned onto Silica Tube
הרובד של המתכת המגולה הנשאר, מגולף (נחרט) ע"י שימוש בכימיקל רטוב חורט (חומצה זרחנית עבור חמרן או אשלגן יודי עבור זהב) עד שהתת שכבה של דו תחמוצת הצורן היסודית נצפתה.
לאחר הסרת מסכת שכבת הפוטורזיסט, המצע הגלילית של דו תחמוצת הצורן ניתנת להסרה ע"י חריטה רטובה סלקטיבית ( בשימוש הפניום) ועוזבת את הגליל המתכתי ללא תמיכה.
גימור המשטח על מבנים אלו, לפי שעה, נמדד על גלילים של דו תחמוצת הצורן הנתמכים בגלל הטבע השביר של במרכיב הבלתי תלוי.
גימור משטח זה מושווה דווקא עם גליל דו תחמוצת הצורן ההתחלתי של 20 ננו-מטר
ויכול להיות משופר יותר ע"י שימוש בתת שכבות (מצע) עם תכונות גבוהות יותר.
מבנה ומורפולוגיה
המשטחים החלקים שצופו במשך 60 דקות בוצעו בהם סדקים וצופו בזהב כדי לאפשר אנליזה של המבנה והמורפולוגיה ע"י סריקת אלקטרונים מיקרוסקופית. איורים a1 ו-b1הם ברזולוציה נמוכה (SEM) מיקרוגרפים של מקטעי השבר של התחמוצת, שהם דוגמאות טיפוסיות לכל מקבץ של ציפויים.
כמו שניתן לראות, לציפויים יש מבנים קוויים דחוסים, משטחים חלקים ללא פגמים ויזואליים. ברזולוזציה נמוכה שום שינויים מורפולוגיים נראו לעין בציפויים אחרי החישול. לעומת זאת, ברזולוציה גבוהה נראה שגדילה גרעינית משמעותית קרתה בציפויים שחושלו בטמפרטורות גבוהות למשך זמנים ארוכים. דוגמה לאפקט זה מאויירים
באיורים a2 ו- b2, אשר בהשוואה ברזולוציית משטח גבוה SEM מיקרוגרפים של תחמוצת הנחושת CO1 שחושלה ב350 מעלות צלזיוס למשך שעה ו - 550 מעלות צלזיוס ארבע שעות בהתאמה, קצב השיקועים נאמדו מסדקי המקטעים במיקרוגרפים נמצאו להיות מסדר של 12 ננומטר לדקה עבור תחמוצת הנחושת ששוקעה בגז ארגון בלבד, ו- 5-6 ננומטר
לדקה עבור אלו ששוקעו באווירת ארגון וחמצן. במילים אחרות, במה שהוא למעשה תהליך נתיזה הקצבים עבור ציפויי תחמוצת נחושת אלומיניום היו נמוכים בהיותם רק 4 ו- 1.6 ננומטר לדקה, בהתאמה.

דיון
התהליכים שתיארנו עד עתה, במידה רבה תלויים בבחירה של החומרים המשתמשים במרכיב הסופי. פתרונות של חריטה כימית חייבים להתבסס גם שהם נבחרים בין חומרים ותת שכבות (מצע).
במקרה של חומרים נדרשים אשר לא יכולים בקלות להיות מעובדים עקב אי תאימות מהסביבה שלהם, תהליך אלטרנטיבי אחר יכול להיות מותאם יותר טוב.
אחת מטכניקות אלו היא "תהליך ההמראה". בטכניקה זו הפוטורזיסט בתחילה מתייחס למצע ולאחר קביעת התצורה המתכת הסופית מונחת על המצע (איור 8).
כפי שניתן לראות משיטה זו, המתכת מצפה ישירות על פני חומר בסיס המצע על החלקים המגולים של הפוטורזיסט, ועל הפוטורזיסט בשארית המצע.
במקום מתכת רטובה חורטת שנדרשת, ממיס רגיל יכול להתייחס להמסת חומר המגן של הפולימר וכן לקחת עמו את שכבת המתכת שנוצרה מעליו.
כל זאת עם כך משאיר גלילים מתכתיים כמו קודם על גלילי דו תחמוצת הצורן מבלי הצורך לחשיפת הדוגמית לחריטה בכימיקל המתכת הקשה.
 
Figure 8 Schematic of Lift Off Process
אם בכל אופן, סלקטיביות בזמן תזוזת המצע התומכת הנה בעיה, אז תזוזה מדו תחמוצת הצורן לחומר אחר יותר מתאים, כגון פלסטיק יכול להתאים ליישום.
בשימוש בממיס במקום בחומצה, חריטה תסיר את המצע התומכת בצורה יותר מבוקרת ללא פגיעה במבנה.
יש עניין שאם גז נוצר כתגובה לשני תהליכים אזי יכול להשמיד את המבנה החיצוני של הגליל.
סיכום ומסקנות
רבים מרכיבי המיקרו שנבחרו לייצור ע"י טכניקה זו, נדרשים ע"י תכנון להיות בעלי עובי דפנות של מעל 20 מיקרון כדי לאפשר להם להיות עצמאיים.
עקב הבעיות הטבעיות בשיתוף עם החריטה הקונבנציונלית וכן "תהליך ההמראה" במבנים עבים אלה, שיטה אלטרנטיבית יכולה להיות מאומצת.
ע"י החלה והשמה של שכבות עבות יותר של פוטורזיסט שיתנהגו כמעניקי צורה, הטכניקה של ציפוי מתכת באמצעות אלקטרוליזה יכולה להפיק תועלת ליצור שכבות דקות יותר של מתכת וגלילים וכן לסייע בהיווצרות המבנה הסופי.
הטכניקות החדשות שדנו בהם, פתחו תחום חדש של מיקרו הנדסה טכנולוגית.
כמו כן את האפשרות של יצור המוני של רכיבי התלת ממד, היכולת לייצור מרכיבים קומפלקסים, מבנים רבי שכבות תוך שימוש בתהליך זה היינו מובן.
מושגים
פוטורזיסט - פולימר נוזלי רגיש-אור אשר הופך להיות בלתי מסיס אחרי חשיפתו לאור (משמש להדפסת תבניות על מעגלים משולבים לפני הצריבה הכימית
פולימר - פרודה מורכבת, חיבור מחזורי של מונומרים.
 
ביבליוגרפיה
1. כתבי עת ומאמרים של מגזין VACUUM.
2. חומר הקורס שנלמד בשיעור.
12

תגים:

דקות · מסיכות · ציפויים · שכבות

אפשרויות משלוח:

ניתן לקבל ולהזמין עבודה זו באופן מיידי במאגר העבודות של יובנק. כל עבודה אקדמית בנושא "תהליך ציפוי רכיבים מיקרו-אלקטרונים", סמינריון אודות "תהליך ציפוי רכיבים מיקרו-אלקטרונים" או עבודת מחקר בנושא ניתנת להזמנה ולהורדה אוטומטית לאחר ביצוע התשלום.

אפשרויות תשלום:

ניתן לשלם עבור כל העבודות האקדמיות, סמינריונים, ועבודות המחקר בעזרת כרטיסי ויזה ומאסטרקרד 24 שעות ביממה.