Mikro- und Nanofertigung
Die Mikro- und Nanofertigung erzeugt Strukturen, die weit kleiner sind als ein Haar: die Transistoren in einem Chip, die Zahnräder einer Uhr, die Fasern in einem Filter. Statt Vollmaterial zu schneiden oder zu quetschen, lassen diese Verfahren Materie in Schritten wachsen, ziehen, abscheiden oder entfernen sie, gemessen in Mikrometern (Tausendstel Millimetern) oder sogar einzelnen Atomen.
Die große Idee
In diesem Maßstab sind gewöhnliche Werkzeuge nutzlos: Kein Bohrer ist dünn genug und keine Hand ruhig genug. Die Arbeit erledigen daher Licht, Ionen, elektrische Felder und Chemie, die sich weit unterhalb dessen fokussieren oder steuern lassen, was das Auge sehen kann. Stellen Sie es sich vor wie Schreiben mit einem Strahl statt Schnitzen mit einem Messer: Je feiner der Strahl, desto feiner die Schrift.
Viele dieser Verfahren laufen in Reinräumen: Räumen, deren Luft so gefiltert wird, dass sie tausendfach weniger Staubpartikel enthält als normale Luft, mit Beschäftigten in Ganzkörperanzügen. Ein einzelnes Staubkorn ist weit größer als ein Transistor, daher kann ein Partikel, das auf einem Wafer landet, einen Chip ruinieren.
Die 9 Verfahren in diesem Kapitel
13.1Czochralski-Kristallzüchtung (Siliziumwafer)Zieht einen riesigen Silizium-Einkristall langsam aus einer SchmelzeLektion öffnen
13.2FotolithografieProjiziert ein Muster mit Licht auf eine lichtempfindliche Schicht und ätzt es dannLektion öffnen
13.3Molekularstrahlepitaxie (MBE)Lässt einen Kristall Atomlage für Atomlage aus Strahlen im Ultrahochvakuum wachsenLektion öffnen
13.4Atomlagenabscheidung (ALD)Beschichtet eine Oberfläche mit wechselnden Gasen, pro Zyklus eine AtomlageLektion öffnen
13.5Focused Ion Beam (FIB)Trägt Material ab oder fügt es hinzu, mit einem Ionenstrahl unter einem MikroskopLektion öffnen
13.6Femtosekundenlaser-BearbeitungTrägt Material mit ultrakurzen Laserpulsen ab, ohne zu schmelzenLektion öffnen
13.7LIGAZeichnet tiefe Schlitze mit Röntgenstrahlen oder UV, füllt sie mit Nickel und formt dann Kopien abLektion öffnen
13.8Zwei-Photonen-PolymerisationHärtet Harz nur im Laserfokus aus, um 3D-Mikroteile zu druckenLektion öffnen
13.9ElektrospinnenZieht einen Polymerstrahl mit Hochspannung zu NanofasernLektion öffnenIm direkten Vergleich
| Verfahren | In einer Zeile | Am besten für | Losgröße | Präzision |
|---|---|---|---|---|
| 13.1Czochralski-Kristallzüchtung (Siliziumwafer) | Zieht einen riesigen Silizium-Einkristall langsam aus einer Schmelze | Siliziumwafer für Chips und Solarzellen | Kontinuierliche Herstellung von Barren | Ein nahezu perfekter Kristall, in Wafer von bis zu 300 mm Durchmesser geschnitten |
| 13.2Fotolithografie | Projiziert ein Muster mit Licht auf eine lichtempfindliche Schicht und ätzt es dann | Computerchips, Sensoren, MEMS | Massenfertigung, Millionen Chips | Strukturen bis zu einigen zehn Nanometern |
| 13.3Molekularstrahlepitaxie (MBE) | Lässt einen Kristall Atomlage für Atomlage aus Strahlen im Ultrahochvakuum wachsen | Laser, LEDs, schnelle Transistoren, Forschung | Kleine Wafer-Chargen | Einzelne Atomlagen |
| 13.4Atomlagenabscheidung (ALD) | Beschichtet eine Oberfläche mit wechselnden Gasen, pro Zyklus eine Atomlage | Ultradünne Filme in Chips, Beschichtungen in tiefen Löchern | Chipfertigung in hohen Stückzahlen | Etwa ein Zehntel Nanometer pro Zyklus |
| 13.5Focused Ion Beam (FIB) | Trägt Material ab oder fügt es hinzu, mit einem Ionenstrahl unter einem Mikroskop | Chips reparieren, Proben präparieren, Prototypen | Einzelstücke | Bis etwa 10 Nanometer |
| 13.6Femtosekundenlaser-Bearbeitung | Trägt Material mit ultrakurzen Laserpulsen ab, ohne zu schmelzen | Stents, Glasschneiden, Mikrolöcher | Prototypen bis große Serien | Einige Mikrometer |
| 13.7LIGA | Zeichnet tiefe Schlitze mit Röntgenstrahlen oder UV, füllt sie mit Nickel und formt dann Kopien ab | Uhrenteile, Mikrozahnräder, Mikroformen | Klein bis mittel; Kunststoffkopien in großen Serien | Unter einem Mikrometer, sehr hohe gerade Wände |
| 13.8Zwei-Photonen-Polymerisation | Härtet Harz nur im Laserfokus aus, um 3D-Mikroteile zu drucken | Mikrooptiken, Zellgerüste, Prototypen | Einzelstücke und kleine Serien | Details unter einem Mikrometer |
| 13.9Elektrospinnen | Zieht einen Polymerstrahl mit Hochspannung zu Nanofasern | Filter, Wundauflagen, Gewebegerüste | Laborproben bis Rolle-zu-Rolle-Linien | Fasern von einigen zehn Nanometern bis zu einigen Mikrometern Dicke |
So wählen Sie innerhalb dieser Familie
- Das Grundmaterial für Chips herstellen? Siliziumkristalle stammen aus dem Czochralski-Verfahren, und die feinsten Kristallschichten aus MBE.
- Millionen identischer flacher Bauelemente strukturieren: Photolithografie; Filme von wenigen Atomen Dicke aufbringen: ALD.
- Eine winzige Stelle reparieren, schneiden oder prüfen: fokussierter Ionenstrahl; Mikrostrukturen in Metall oder Glas bearbeiten: Femtosekundenlaser.
- Hohe Metall-Mikroteile mit geraden Wänden: LIGA; echte 3D-Mikroformen: Zwei-Photonen-Polymerisation.
- Große Flächen feiner Fasergewebe, günstig: Elektrospinnen.
Schlüsselbegriffe
- Mikrometer (µm)
- ein Tausendstel Millimeter; ein Haar ist etwa 70 µm breit.
- Nanometer (nm)
- ein Tausendstel Mikrometer; einige Atome nebeneinander.
- Wafer
- eine dünne, polierte Kristallscheibe, meist aus Silizium, auf der Chips aufgebaut werden.
- Resist (Photolack)
- eine Beschichtung, die Licht, Röntgenstrahlen oder Elektronen chemisch verändern, verwendet als Schablone.
- Reinraum
- ein Raum mit stark gefilterter Luft, der fast staubfrei gehalten wird.
- Vakuumkammer
- ein dichter Kasten, aus dem die Luft abgepumpt wurde, sodass Atome und Strahlen sich frei bewegen.
- MEMS
- mikroelektromechanische Systeme, winzige Maschinen und Sensoren, die auf Chips aufgebaut werden.
- Voxel
- ein 3D-Pixel, das kleinste Volumen, das ein Verfahren auf einmal formen kann.
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