第 13 章マイクロ・ナノ
マイクロ・ナノ加工
マイクロ・ナノ加工は、髪の毛よりはるかに小さな構造をつくります:チップの中のトランジスタ、腕時計の歯車、フィルターの繊維。塊の材料を切ったり圧縮したりする代わりに、これらの工程は、ミクロン(千分の 1 mm)、あるいは原子 1 つ単位の段階で、物質を成長させ、描き、堆積させ、取り除きます。
基本の考え方
このスケールでは、ふつうの工具は役に立ちません:十分に細いドリルの刃はなく、十分に安定した手もありません。そこで、光、イオン、電場、化学が仕事をします。それらは、目に見える範囲よりはるかに小さく集束、制御できるからです。ナイフで彫る代わりに、ビームで書くようなものと考えてください。ビームが細いほど、書く文字も細くなります。
これらの工程の多くは、クリーンルームで行われます。クリーンルームとは、空気を、ふつうの空気の数千分の 1 の量の塵しか含まないところまで濾過した部屋で、作業者は全身を覆う服を着ています。塵 1 粒はトランジスタよりはるかに大きいので、ウェハーに 1 粒落ちただけで、チップがダメになることがあります。
この章の 9 のプロセス
並べて比較
| プロセス | ひとことで | 向いている用途 | ロットサイズ | 精度 |
|---|---|---|---|---|
| 13.1チョクラルスキー法による結晶成長(シリコンウェハー) | 融液から、シリコンの巨大な単結晶をゆっくり引き上げる | チップや太陽電池用のシリコンウェハー | インゴットの連続生産 | ほぼ完璧な結晶を、直径最大 300 mm のウェハーにスライスする |
| 13.2フォトリソグラフィ | 光でパターンを感光性のコーティングに投影し、エッチングする | コンピューターチップ、センサー、MEMS | 量産、数百万個のチップ | 数十ナノメートルまでのフィーチャー |
| 13.3分子線エピタキシー(MBE) | 超高真空の中で、ビームから結晶を原子 1 層ずつ成長させる | レーザー、LED、高速トランジスタ、研究 | 少量のウェハー | 原子 1 層ずつ |
| 13.4原子層堆積(ALD) | 2種類のガスを交互に流し、1サイクルにつき原子1層ずつ表面をコーティングする | チップの超薄膜、深い穴の内側のコーティング | チップの大量生産 | 1 サイクルあたり約 10 分の 1 ナノメートル |
| 13.5集束イオンビーム(FIB) | 顕微鏡のもとで、イオンのビームにより材料を削り、または付け足す | チップの修理、試料の準備、プロトタイプ | 1 点もの | 約 10 ナノメートルまで |
| 13.6フェムト秒レーザー加工 | 超短パルスレーザーで、溶かさずに材料を除去する | ステント、ガラスの切断、微細穴 | プロトタイプから大規模シリーズまで | 数ミクロン |
| 13.7LIGA | X 線や UV で深い溝を描き、ニッケルで埋めてから、複製を成形する | 腕時計の部品、マイクロ歯車、マイクロ金型 | 小規模から中規模。プラスチックの複製は大規模シリーズ | サブミクロン、非常に高くまっすぐな壁 |
| 13.8二光子重合 | レーザーの焦点でだけ樹脂を硬化させ、3D のマイクロ部品をプリントする | マイクロ光学部品、細胞の足場、プロトタイプ | 1 点ものと小規模シリーズ | サブミクロンのディテール |
| 13.9エレクトロスピニング | 高電圧でポリマーの噴流を引き、ナノファイバーにする | フィルター、創傷被覆材、組織の足場 | 研究室のサンプルからロール・ツー・ロールのラインまで | 太さ数十ナノメートルから数ミクロンの繊維 |
このファミリー内での選び方
- チップの基板材料をつくりたいなら? シリコン結晶はチョクラルスキー法で育て、最も精細な結晶層は MBE でつくります。
- 同じ平面デバイスを数百万個、パターニングする: フォトリソグラフィ。数原子の厚さの膜を付ける:ALD。
- ごく小さな 1 か所を修理、切断、検査する: 集束イオンビーム。金属やガラスのマイクロフィーチャーを加工する:フェムト秒レーザー。
- 壁がまっすぐな、背の高い金属のマイクロ部品: LIGA。本物の 3D マイクロ形状:二光子重合。
- 細い繊維のウェブを、広い面積で安価につくる: エレクトロスピニング。
キーワード
- ミクロン(µm)
- 1 mm の千分の 1。髪の毛の幅は約 70 µm です。
- ナノメートル(nm)
- 1 ミクロンの千分の 1。数個の原子が並んだ程度。
- ウェハー
- 結晶、通常はシリコンの、研磨された薄い円板。その上にチップがつくられます。
- レジスト
- 光、X 線、電子で化学変化を起こす被膜で、ステンシルとして使われます。
- クリーンルーム
- 空気を厳重に濾過して、塵をほとんどなくした部屋。
- 真空チャンバー
- 空気を抜いた密閉容器で、原子やビームが自由に進めます。
- MEMS
- 微小電気機械システム。チップ上につくられる小さな機械やセンサー。
- ボクセル
- 3D のピクセル。工程が一度に形成できる最小の体積。