Capítulo 13Micro y nano
Micro y nanofabricación
La micro y nanofabricación hace estructuras mucho más pequeñas que un cabello: los transistores de un chip, los engranajes de un reloj, las fibras de un filtro. En lugar de cortar o comprimir material macizo, estos procesos hacen crecer, estiran, depositan o eliminan materia en pasos medidos en micras (milésimas de milímetro) o incluso en átomos sueltos.
La idea principal
A esta escala, las herramientas normales no sirven: ninguna broca es lo bastante fina y ninguna mano es lo bastante firme. Así que el trabajo lo hacen la luz, los iones, los campos eléctricos y la química, que se pueden enfocar o controlar mucho por debajo de lo que el ojo puede ver. Piénsalo como escribir con un haz en lugar de tallar con un cuchillo: cuanto más fino es el haz, más fina es la escritura.
Muchos de estos procesos se realizan en salas blancas: salas cuyo aire se filtra hasta que contiene miles de veces menos partículas de polvo que el aire normal, con operarios con trajes de cuerpo entero. Una sola mota de polvo es mucho más grande que un transistor, así que una partícula que caiga sobre una oblea puede arruinar un chip.
Los 9 procesos de este capítulo
13.1Crecimiento de cristales por el método Czochralski (obleas de silicio)Extrae lentamente de un baño fundido un cristal único gigante de silicioAbrir la lección
13.2FotolitografíaProyecta un patrón con luz sobre un recubrimiento fotosensible y luego lo atacaAbrir la lección
13.3Epitaxia de haces moleculares (MBE)Hace crecer un cristal una capa atómica cada vez a partir de haces en ultra alto vacíoAbrir la lección
13.4Deposición de capas atómicas (ALD)Recubre una superficie con una capa atómica por ciclo mediante gases alternosAbrir la lección
13.5Haz de iones focalizado (FIB)Mecaniza o añade material con un haz de iones bajo un microscopioAbrir la lección
13.6Mecanizado con láser de femtosegundosElimina material con pulsos láser ultracortos, sin fundirAbrir la lección
13.7LIGADibuja ranuras profundas con rayos X o UV, las rellena de níquel y luego moldea copiasAbrir la lección
13.8Polimerización de dos fotonesEndurece resina solo en el foco de un láser para imprimir micropiezas 3DAbrir la lección
13.9ElectrohiladoEstira un chorro de polímero hasta nanofibras con alta tensiónAbrir la lecciónCara a cara
| Proceso | En una línea | Ideal para | Tamaño de serie | Precisión |
|---|---|---|---|---|
| 13.1Crecimiento de cristales por el método Czochralski (obleas de silicio) | Extrae lentamente de un baño fundido un cristal único gigante de silicio | Obleas de silicio para chips y células solares | Producción continua de lingotes | Un cristal casi perfecto, cortado en obleas de hasta 300 mm de diámetro |
| 13.2Fotolitografía | Proyecta un patrón con luz sobre un recubrimiento fotosensible y luego lo ataca | Chips de ordenador, sensores, MEMS | Producción en masa, millones de chips | Detalles de hasta decenas de nanómetros |
| 13.3Epitaxia de haces moleculares (MBE) | Hace crecer un cristal una capa atómica cada vez a partir de haces en ultra alto vacío | Láseres, LED, transistores rápidos, investigación | Pequeños lotes de obleas | Capas atómicas individuales |
| 13.4Deposición de capas atómicas (ALD) | Recubre una superficie con una capa atómica por ciclo mediante gases alternos | Películas ultrafinas en chips, recubrimientos dentro de agujeros profundos | Producción de chips en gran volumen | Aproximadamente una décima de nanómetro por ciclo |
| 13.5Haz de iones focalizado (FIB) | Mecaniza o añade material con un haz de iones bajo un microscopio | Reparación de chips, preparación de muestras, prototipos | Piezas únicas | Hasta unos 10 nanómetros |
| 13.6Mecanizado con láser de femtosegundos | Elimina material con pulsos láser ultracortos, sin fundir | Stents, corte de vidrio, microagujeros | De prototipos a grandes series | Unas pocas micras |
| 13.7LIGA | Dibuja ranuras profundas con rayos X o UV, las rellena de níquel y luego moldea copias | Piezas de reloj, microengranajes, micromoldes | De pequeñas a medias; copias de plástico en grandes series | Submicrométrico, paredes rectas muy altas |
| 13.8Polimerización de dos fotones | Endurece resina solo en el foco de un láser para imprimir micropiezas 3D | Microóptica, andamios celulares, prototipos | Piezas únicas y series pequeñas | Detalle submicrométrico |
| 13.9Electrohilado | Estira un chorro de polímero hasta nanofibras con alta tensión | Filtros, apósitos, andamios de tejido | De muestras de laboratorio a líneas rollo a rollo | Fibras de decenas de nanómetros a unas pocas micras de grosor |
Cómo elegir dentro de esta familia
- ¿Fabricar el material base de los chips? Los cristales de silicio vienen del crecimiento Czochralski, y las capas cristalinas más finas, de la MBE.
- Dibujar millones de dispositivos planos idénticos: fotolitografía; añadir películas de unos pocos átomos de espesor: ALD.
- Reparar, cortar o inspeccionar un punto diminuto: haz de iones focalizado; mecanizar microdetalles en metal o vidrio: láser de femtosegundos.
- Micropiezas metálicas altas con paredes rectas: LIGA; microformas 3D de verdad: polimerización de dos fotones.
- Grandes superficies de tela de fibra fina, a bajo coste: electrohilado.
Palabras clave
- Micra (µm)
- una milésima de milímetro; un cabello mide unas 70 µm de ancho.
- Nanómetro (nm)
- una milésima de micra; unos pocos átomos uno al lado de otro.
- Oblea
- un disco fino y pulido de cristal, normalmente de silicio, sobre el que se construyen los chips.
- Resina fotosensible
- un recubrimiento que la luz, los rayos X o los electrones cambian químicamente, usado como plantilla.
- Sala blanca
- una sala con aire muy filtrado, mantenida casi libre de polvo.
- Cámara de vacío
- una caja sellada de la que se bombea el aire, para que los átomos y los haces viajen libremente.
- MEMS
- sistemas microelectromecánicos, diminutas máquinas y sensores construidos sobre chips.
- Vóxel
- un píxel 3D, el menor volumen que un proceso puede formar de una vez.
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