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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。

この章は、髪の毛の太さから原子の大きさまでの間で進む対数目盛:目盛りは左隣の 10 倍0.1 nm1 nm10 nm100 nm1 µm10 µm100 µm1 mm0.1 から 0.3 nm数十 nm約 10 µm約 70 µm原子トランジスタのフィーチャー典型的なセル人の髪の毛1 から 100 nm1 µm から 1 mmナノスケールマイクロスケール
サイズのはしご · 原子から髪の毛まで、対数目盛目盛りは、左隣のものより 10 倍ずつ大きくなります。髪の毛の太さは、原子の数十万倍です。

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。

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
13.7LIGAX 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。

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