Capítulo 13Micro e nano
Micro e nanofabricação
A micro e a nanofabricação fazem estruturas muito menores que um fio de cabelo: os transistores de um chip, as engrenagens de um relógio, as fibras de um filtro. Em vez de cortar ou comprimir material maciço, esses processos fazem crescer, puxam, depositam ou removem matéria em etapas medidas em mícrons (milésimos de milímetro) ou até em átomos isolados.
A ideia central
Nessa escala, as ferramentas comuns são inúteis: nenhuma broca é fina o bastante e nenhuma mão é firme o bastante. Então o trabalho é feito por luz, íons, campos elétricos e química, que podem ser focados ou controlados muito abaixo do que o olho vê. Pense nisso como escrever com um feixe em vez de entalhar com uma faca: quanto mais fino o feixe, mais fina a escrita.
Muitos desses processos acontecem em salas limpas: salas cujo ar é filtrado até conter milhares de vezes menos partículas de poeira que o ar comum, com trabalhadores em macacões de corpo inteiro. Um único grão de poeira é muito maior que um transistor, então uma partícula que pouse em uma lâmina (wafer) pode arruinar um chip.
Os 9 processos deste capítulo
13.1Crescimento Czochralski (wafers de silício)Puxa lentamente um cristal único gigante de silício para fora de um banho fundidoAbrir a lição
13.2FotolitografiaProjeta um padrão com luz sobre um revestimento sensível à luz e depois o corróiAbrir a lição
13.3Epitaxia por feixe molecular (MBE)Faz crescer um cristal uma camada atômica por vez a partir de feixes em ultra-alto vácuoAbrir a lição
13.4Deposição de camada atômica (ALD)Reveste uma superfície uma camada atômica por ciclo, com gases alternadosAbrir a lição
13.5Feixe de íons focalizado (FIB)Desbasta ou adiciona material com um feixe de íons sob um microscópioAbrir a lição
13.6Usinagem a laser de femtossegundosRemove material com pulsos de laser ultracurtos, sem fundirAbrir a lição
13.7LIGADesenha ranhuras profundas com raios X ou UV, as preenche com níquel e depois molda cópiasAbrir a lição
13.8Polimerização por dois fótonsEndurece resina só no foco de um laser para imprimir micropeças em 3DAbrir a lição
13.9Eletrofiação (electrospinning)Puxa um jato de polímero até virar nanofibras com alta tensãoAbrir a liçãoLado a lado
| Processo | Em uma linha | Ideal para | Tamanho do lote | Precisão |
|---|---|---|---|---|
| 13.1Crescimento Czochralski (wafers de silício) | Puxa lentamente um cristal único gigante de silício para fora de um banho fundido | Lâminas (wafers) de silício para chips e células solares | Produção contínua de lingotes | Um cristal quase perfeito, fatiado em lâminas de até 300 mm de diâmetro |
| 13.2Fotolitografia | Projeta um padrão com luz sobre um revestimento sensível à luz e depois o corrói | Chips de computador, sensores, MEMS | Produção em massa, milhões de chips | Detalhes de dezenas de nanômetros |
| 13.3Epitaxia por feixe molecular (MBE) | Faz crescer um cristal uma camada atômica por vez a partir de feixes em ultra-alto vácuo | Lasers, LEDs, transistores rápidos, pesquisa | Pequenos lotes de lâminas | Camadas atômicas individuais |
| 13.4Deposição de camada atômica (ALD) | Reveste uma superfície uma camada atômica por ciclo, com gases alternados | Películas ultrafinas em chips, revestimentos dentro de furos profundos | Produção de chips em alto volume | Cerca de um décimo de nanômetro por ciclo |
| 13.5Feixe de íons focalizado (FIB) | Desbasta ou adiciona material com um feixe de íons sob um microscópio | Reparo de chips, preparação de amostras, protótipos | Peças únicas | Até cerca de 10 nanômetros |
| 13.6Usinagem a laser de femtossegundos | Remove material com pulsos de laser ultracurtos, sem fundir | Stents, corte de vidro, microfuros | De protótipos a grandes séries | Alguns mícrons |
| 13.7LIGA | Desenha ranhuras profundas com raios X ou UV, as preenche com níquel e depois molda cópias | Peças de relógio, microengrenagens, micromoldes | De pequenas a médias; cópias de plástico em grandes séries | Submicrométrico, paredes retas muito altas |
| 13.8Polimerização por dois fótons | Endurece resina só no foco de um laser para imprimir micropeças em 3D | Micro-óptica, estruturas de suporte para células, protótipos | Peças únicas e pequenas séries | Detalhe submicrométrico |
| 13.9Eletrofiação (electrospinning) | Puxa um jato de polímero até virar nanofibras com alta tensão | Filtros, curativos, estruturas de suporte para tecidos | De amostras de laboratório a linhas rolo a rolo | Fibras de dezenas de nanômetros a alguns mícrons de espessura |
Como escolher dentro desta família
- Fazer o material de base para chips? Cristais de silício vêm do crescimento Czochralski, e as camadas cristalinas mais finas vêm da MBE.
- Padronizar milhões de dispositivos planos idênticos: fotolitografia; adicionar películas de poucos átomos de espessura: ALD.
- Consertar, cortar ou inspecionar um único ponto minúsculo: feixe de íons focado (FIB); usinar microdetalhes em metal ou vidro: laser de femtossegundos.
- Micropeças metálicas altas com paredes retas: LIGA; microformas 3D de verdade: polimerização por dois fótons.
- Grandes áreas de manta de fibras finas, de forma barata: eletrofiação.
Palavras-chave
- Mícron (µm)
- um milésimo de milímetro; um fio de cabelo tem cerca de 70 µm de largura.
- Nanômetro (nm)
- um milésimo de mícron; alguns átomos lado a lado.
- Lâmina (wafer)
- um disco fino e polido de cristal, geralmente de silício, no qual os chips são construídos.
- Resiste (fotorresiste)
- um revestimento que a luz, os raios X ou os elétrons mudam quimicamente, usado como estêncil.
- Sala limpa
- uma sala com ar fortemente filtrado, mantida quase livre de poeira.
- Câmara de vácuo
- uma caixa selada da qual o ar foi bombeado, para átomos e feixes viajarem livremente.
- MEMS
- sistemas microeletromecânicos, minúsculas máquinas e sensores construídos em chips.
- Voxel
- um pixel 3D, o menor volume que um processo consegue formar de uma vez.
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