Глава 13Микро и нано

Микро- и нанопроизводство

Микро- и нанопроизводство создаёт структуры гораздо меньше волоса: транзисторы в чипе, шестерёнки часов, волокна в фильтре. Вместо того чтобы резать или сжимать цельный материал, эти процессы выращивают, вытягивают, осаждают или удаляют вещество шагами, измеряемыми в микронах (тысячных долях миллиметра) или даже в отдельных атомах.

Главная идея

В таком масштабе обычные инструменты бесполезны: нет достаточно тонкого сверла и достаточно твёрдой руки. Поэтому работу выполняют свет, ионы, электрические поля и химия, которые можно сфокусировать или контролировать в масштабах, далеко недоступных глазу. Представьте, что вы пишете лучом, а не вырезаете ножом: чем тоньше луч, тем тоньше письмо.

шкала размеров · от атомов до волоса, в логарифмическом масштабеКаждая отметка в десять раз больше предыдущей слева, так что волос в несколько сотен тысяч раз шире атома.

Многие из этих процессов проходят в чистых помещениях: комнатах, воздух в которых фильтруют, пока в нём не станет в тысячи раз меньше частиц пыли, чем в обычном, а работники одеты в комбинезоны с головы до ног. Одна пылинка гораздо больше транзистора, поэтому единственная частица, упавшая на пластину, может погубить чип.

Процессов в этой главе: 9

13.1Выращивание кристаллов по методу Чохральского (кремниевые пластины)Медленно вытягивает гигантский монокристалл кремния из расплаваОткрыть урок

13.2ФотолитографияПроецирует рисунок светом на светочувствительное покрытие, затем травитОткрыть урок

13.3Молекулярно-лучевая эпитаксия (MBE)Выращивает кристалл по одному атомному слою из пучков в сверхвысоком вакуумеОткрыть урок

13.4Атомно-слоевое осаждение (ALD)Покрывает поверхность по одному атомному слою за цикл с помощью чередующихся газовОткрыть урок

13.5Фокусированный ионный пучок (FIB)Обрабатывает или наращивает материал пучком ионов под микроскопомОткрыть урок

13.6Обработка фемтосекундным лазеромУдаляет материал сверхкороткими лазерными импульсами, без плавленияОткрыть урок

13.7LIGAПрорисовывает глубокие пазы рентгеном или УФ, заполняет их никелем, затем формует копииОткрыть урок

13.8Двухфотонная полимеризацияОтверждает смолу только в фокусе лазера и печатает 3D-микродеталиОткрыть урок

13.9ЭлектроспиннингВытягивает струю полимера в нановолокна высоким напряжениемОткрыть урок

Сравнение

Процесс	Одной строкой	Лучше всего для	Размер партии	Точность
13.1Выращивание кристаллов по методу Чохральского (кремниевые пластины)	Медленно вытягивает гигантский монокристалл кремния из расплава	Кремниевые пластины для чипов и солнечных элементов	Непрерывное производство слитков	Почти идеальный кристалл, нарезанный на пластины диаметром до 300 мм
13.2Фотолитография	Проецирует рисунок светом на светочувствительное покрытие, затем травит	Компьютерные чипы, датчики, MEMS	Массовое производство, миллионы чипов	Элементы размером до десятков нанометров
13.3Молекулярно-лучевая эпитаксия (MBE)	Выращивает кристалл по одному атомному слою из пучков в сверхвысоком вакууме	Лазеры, светодиоды, быстрые транзисторы, исследования	Малые партии пластин	Отдельные атомные слои
13.4Атомно-слоевое осаждение (ALD)	Покрывает поверхность по одному атомному слою за цикл с помощью чередующихся газов	Сверхтонкие плёнки в чипах, покрытия внутри глубоких отверстий	Крупносерийное производство чипов	Около десятой доли нанометра за цикл
13.5Фокусированный ионный пучок (FIB)	Обрабатывает или наращивает материал пучком ионов под микроскопом	Ремонт чипов, подготовка образцов, прототипы	Единичные изделия	До около 10 нанометров
13.6Обработка фемтосекундным лазером	Удаляет материал сверхкороткими лазерными импульсами, без плавления	Стенты, резка стекла, микроотверстия	От прототипов до больших серий	Несколько микрон
13.7LIGA	Прорисовывает глубокие пазы рентгеном или УФ, заполняет их никелем, затем формует копии	Детали часов, микрошестерни, микроформы	От малых до средних; пластиковые копии большими сериями	Субмикронная точность, очень высокие прямые стенки
13.8Двухфотонная полимеризация	Отверждает смолу только в фокусе лазера и печатает 3D-микродетали	Микрооптика, каркасы для клеток, прототипы	Единичные изделия и малые серии	Субмикронная детализация
13.9Электроспиннинг	Вытягивает струю полимера в нановолокна высоким напряжением	Фильтры, раневые повязки, каркасы для тканей	От лабораторных образцов до линий рулонного производства	Волокна толщиной от десятков нанометров до нескольких микрон

Как выбирать внутри этого семейства

Нужен исходный материал для чипов? Кремниевые кристаллы получают выращиванием по Чохральскому, а самые тонкие кристаллические слои — методом MBE.
Нанесение рисунка на миллионы одинаковых плоских приборов: фотолитография; нанесение плёнок толщиной в несколько атомов: ALD.
Исправление, резка или контроль одной крошечной точки: сфокусированный ионный пучок; обработка микроэлементов в металле или стекле: фемтосекундный лазер.
Высокие металлические микродетали с прямыми стенками: LIGA; настоящие 3D-микроформы: двухфотонная полимеризация.
Большие площади тонкой волоконной сетки, недорого: электропрядение.

Ключевые слова

Микрон (мкм): тысячная доля миллиметра; волос имеет ширину около 70 мкм.
Нанометр (нм): тысячная доля микрона; несколько атомов, лежащих рядом.
Пластина: тонкий полированный диск из кристалла, обычно кремния, на котором строят чипы.
Резист: покрытие, которое свет, рентгеновские лучи или электроны химически изменяют; используется как трафарет.
Чистое помещение: комната с тщательно отфильтрованным воздухом, почти свободным от пыли.
Вакуумная камера: герметичный бокс, из которого откачан воздух, так что атомы и пучки движутся свободно.
MEMS: микроэлектромеханические системы, крошечные машины и датчики, построенные на чипах.
Воксель: 3D-пиксель, наименьший объём, который процесс может сформировать за раз.

Попробуйте

Пусть ИИ работает в вашей САПР.

Моделируйте детали, создавайте чертежи и автоматизируйте рутину в вашей CAD-системе.

Скачать (бесплатно)Записаться на демо