加工学

2005年 後期

Introduction to Microfabrication

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1.1 Microfabrication disciplines

• Microfabrication technologies– IC industry and related industries

• MEMS, solar cells, flat-panel displays, optelectronics…– In-plane dimension: ~1um (0.1~100um)

– Out of plane dimension: 10nm~1um (0.1nm~100um)

– 1947: Invention of transistor• 微細加工技術の適用により1つの基板上に多数のトランジスターを集積可能となる

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技術領域 材料

機能デバイス要素技術 加工

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MEMS技術の特徴• 小型化

– エレメントサイズ： 1μm～1mm、 チップサイズ： 10μm～20 mm

• バッチプロセス– １枚の基板上に同じ大きさの物が同時に大量生産可能

• 動作環境の変化、新しい機能性の付加– 微小流路内での層流 （低レイノルズ数）

– 重力の影響減少，面積効果の増加（拡散・摩擦）– ナノテクノロジーとの融合

• CNT、生体分子モータ等の応用

• 低消費電力、省資源

eUL ULR ρµ ν

= =

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MEMSの要素技術MEMS Interdisciplinary technology

電子工学電磁気学回路技術

半導体加工技術

機械工学材料力学流体力学熱力学機械加工

材料工学半導体材料

金属・誘電体材料有機材料ナノテク

化学・生物学・医学

μ-TAS(micro Total Analysis Systems

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• Microelectronics / Optelectronic devices

–シリコンを中心とした半導体材料の性質を利用• ドーピングを行うことで，伝導機構・電気抵抗の制御が可能

– GaAs (III-V族 化合物半導体）

• レーザ，LEDとして利用• GaN, ZnO等の新材料開発

– Ｓｉの光学的応用• 平滑な表面を利用したミラーデバイス

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• Ｓｉを用いたMechanical devices

– 大きなヤング率 (~150GPa)， 脆性材料

– Cantilever, Diaphragm structures• Pressure sensors• Resonators• Gyroscopes• Switches

– Micromachines : micro-sensors & actuators• 圧電材料 (Piezoelectric materials)• 形状記憶合金 (Shape memory alloy : SMA)

– Siを基板として機能性材料を薄膜化，微細加工を行う

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• Nanotechnology– ナノメートルサイズの材料・構造制御により，新材料・デバイスを創出する

• electron-beam lithography: drawing and fabrication of nanometer-sized structure

• Atomic Force Microscopy (AFM): characterization and manipulation of atomic structure.

• Superlattices for optelectronics– GaAs / AlxGa1-xAs

• nano-machines of biological cells (molecular motors)

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• 1.2 Substrates• Base materials for deposition and etching

– Very convenient for microfabrication: Si– variety of sizes, shapes : ~300mm – variety of resistivities: 1m~20kΩ-cm– stable insulator layer : SiO2– smooth surface– single crystal with various orientations– cheap– strong (but fragile)

– Other substrates– quartz– gallium arsenide (GaAs)– sapphire, alumina (Al2O3)– glass– metal

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• 1.3 Materials–各種薄膜材料を基板上に形成

• 微細加工と共にデバイスの機能を決定づける– crystalline structure– Deposition process

• 材料の機能と共に加工性がデバイス化の可否を左右

• 1.4 Surface and Interface– Structure： multi-layered structure

• surface layer： roughness，reflectivity，chemical stability

• interlayer: internal stress, adhesion

・・・・

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• 1.5 Process– Microfabrication process

1. High temperature process– Thermal oxidation– dopant diffusion

2. Thin-film deposition3. Patterning

– Photolithography» simple CMOS 6 steps; 0.18umCMOS 25 steps

4. Layer transfer and bonding– microfluidic channel– packaging of MEMS devices

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MEMSデバイスの製造工程

• 半導体プロセスをもとにした代表的なMEMSプロセス– 一般にウェハーの状態で素子を作り込む前工程(Frontend)と、チッ

プ化した状態から製品までの後工程(Backend)の工程に分けられるFrontend

1. 洗浄： ダストの除去、クリーンルーム等につて2. 成膜： スパッタ法、CVD法3. レジストコーティング： 感光性樹脂（保護層）のスピンコート4. 露光： マスクを通して紫外線露光装置による露光5. 現像： マスクパターン転写6. エッチング： 露出部分を除去7. レジスト除去： 有機溶媒，アッシング

Backend1. ダイシング： 超精密切断機（ダイシングソー）でチップ状に切断2. ワイヤーボンディング： チップ状の電極とリードフレームの電極の接続3. パッケージング： 樹脂等で封止4. 検査

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微細パターン形成プロセス

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Si substrate SiAl thin film

SiAl thin filmphotoresist

Si基板洗浄 電極薄膜形成 レジスト塗布

SiAl thin filmphotoresist

photo mask

SiAl thin film

Si

電極エッチング レジスト現像 紫外線露光

– 1.5.1 Arrhenius behaviour

• Many microfabrication processes show Arrhenius-type dependence

– Etching

– Oxidation

– CVD

• 温度依存性を示す化学反応過程– 活性化エネルギーの大きさが支配因子

( ) exp aErate z TkT

⎛ ⎞= −⎜ ⎟⎝ ⎠

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• 1.6 Lateral dimensions• Device structure : 0.1~100um

– 外部回路との接続により全体のシステムは大きくなる• 電気接続： wire bonding, bump• Microfluidics : capillaries, reservoirs

• 1.7 Vertical dimension– Aspect ratio が2:1以上の素子は特別なプロセスが必要

• 微細加工プロセスにおいて，レジストの厚みがデバイスの解像度に大きく影響する

– 一般的には1um程度，MEMSでは10um以上の厚膜も利用

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1.8 Devices

• 1.8.1 Volume devices– Currents are generated and transported through the wafer– Device structures extend through the wafer

• Power transistor, thyristror, radiation detector, solar cell

• 1.8.2 Surface devices– Utilizing surface layer in the wafer

• IC, MOS, CCD» CMOS : only the top 5um layer is used

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• 1.8.3 Thin-film devices• Devices which are built by depositing and patterning thin

films on wafers– TFT (Thin Film Transistor)– Surface micromechanical devices (switch, microfluidics)

• 1.8.4 Membrane devices• Devices on membrane structure

– Thermal isolation– acoustic devices such as filter

• 1.8.5 Stacked devices• Devices which are made by layer transfer and bonding

techniques– vacuum cavity : pressure sensors, accelerometers,– microfluidics : micropumps, microvalves, microchannels,

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1.9 MOS transistor

– MOS : metal-oxide-semiconductor– 半導体デバイスの中心的存在– 半導体微細化技術はMOSの高集積化が牽引

• ソースからドレーンへの電子の流れをゲート電圧で制御する

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1.10 Cleanliness and yield

• 微細加工： 通常クリーンルーム内で作業を行う• 空気中のパーティクル，温度，湿度を管理

– クリーンルーム： 室内全体を清浄雰囲気に管理– クリーンブース： 装置周辺部のみ– クリーンベンチ： 作業を行う局所領域

• 洗浄等に超純水を使用

– 工数に対して指数関数的に歩留まりが低下するため，製造においては作業環境の管理が非常に重要となる

– 歩留まりの要因• 偶発的要因： ピンホール，パーティクル付着• 系統的要因： 操作ミス，材料内の不純物，設計ミス

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クリーンルーム

• クリーンルーム内は天井に設けたHEPA（high efficiency particular air）フィルターを通した空気を送り込み、クリーン度を保つ

• ダストの他，温度，湿度，送風量も制御する

• クリーン度は「クラス～」で示され、1ft3(30cm3)の空気中に存在する直径0.5um以上の粒子の総数．

• メートル表示では10を底数とする対数で表すclass100=log(100*(100/30)3)=M3.5

• 発塵源の主要因は人間

• クリーンルームの設置ができない箇所はクリーンブース、クリーンベンチを用いて作業を行う事が多い

• 感光性レジスト等を取り扱う場合は、室内を黄色／オレンジ色の電球で照明をしたイエロールームで作業を行う。

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1.11Industries

• The electronics industry is based on Sisemiconductor devices

• 2002: 1018 transistors were shipped, the cost was $10-7 a piece.

– 1968: 108 transistors, $1 a piece

• Device density : Moore’s law

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半導体デバイスの微細化

• Moore’s Law– Gordon Moore: Former chairman of Intel– ICの最小線幅は１８ヶ月で半分になる （現在では0.18μm）

→１８ヶ月ごとに容量は倍になる

• Critical dimension ∝ (1/2)T/18 months

• DRAM ∝ (2)T/18 months

– 線幅が30nmを切る頃に限界• ドーパントの原子密度増加による導電性異常

• ドーピングの均一性が確保できない

• ゲートサイズの減少によりトンネル電流発生

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DRAMの記憶容量と最小線幅の推移