Chương 13Vi mô và nano

Chế tạo vi mô và nano

Chế tạo vi mô và nano tạo ra các cấu trúc nhỏ hơn sợi tóc rất nhiều: các transistor trong chip, bánh răng của đồng hồ, sợi trong bộ lọc. Thay vì cắt hay ép vật liệu khối, các quy trình này nuôi, kéo, lắng đọng hoặc loại bỏ vật chất theo các bước đo bằng micron (phần nghìn milimet) hoặc thậm chí từng nguyên tử.

Ý tưởng chính

Ở quy mô này, dụng cụ thông thường vô dụng: không mũi khoan nào đủ mỏng và không bàn tay nào đủ vững. Vì vậy công việc được thực hiện bằng ánh sáng, ion, điện trường và hóa học, những thứ có thể được hội tụ hoặc kiểm soát ở mức nhỏ hơn nhiều so với mắt thường thấy. Hãy xem nó như viết bằng một chùm tia thay vì khắc bằng dao: chùm tia càng mảnh thì nét viết càng mịn.

thang kích thước · từ nguyên tử đến sợi tóc, theo thang logaritMỗi vạch lớn hơn vạch bên trái nó mười lần, nên một sợi tóc rộng hơn một nguyên tử vài trăm nghìn lần.

Nhiều quy trình trong số này chạy trong phòng sạch: những căn phòng có không khí được lọc đến mức chứa ít hạt bụi hơn không khí thông thường hàng nghìn lần, với công nhân mặc đồ bảo hộ kín toàn thân. Một hạt bụi đơn lẻ còn lớn hơn nhiều so với một transistor, nên chỉ một hạt rơi xuống tấm wafer cũng có thể làm hỏng một con chip.

9 quy trình trong chương này

13.1Phương pháp Czochralski (wafer silic)Kéo từ từ một đơn tinh thể silic khổng lồ ra khỏi khối nóng chảyMở bài học

13.2Quang khắcChiếu hoa văn bằng ánh sáng lên lớp phủ nhạy sáng, rồi ăn mònMở bài học

13.3Epitaxy chùm phân tử (MBE)Nuôi tinh thể từng lớp nguyên tử một từ các chùm tia trong chân không siêu caoMở bài học

13.4Lắng đọng lớp nguyên tử (ALD)Phủ bề mặt từng lớp nguyên tử mỗi chu kỳ bằng các khí luân phiênMở bài học

13.5Chùm ion hội tụ (FIB)Phay hoặc thêm vật liệu bằng chùm ion dưới kính hiển viMở bài học

13.6Gia công laser femto giâyLoại bỏ vật liệu bằng xung laser siêu ngắn, không làm chảyMở bài học

13.7LIGAVẽ rãnh sâu bằng tia X hoặc UV, lấp đầy bằng niken, rồi đúc bản saoMở bài học

13.8Polyme hóa hai photonChỉ làm cứng nhựa tại tiêu điểm laser để in các chi tiết vi mô 3DMở bài học

13.9Kéo sợi tĩnh điệnKéo tia polyme thành sợi nano bằng điện áp caoMở bài học

So sánh song song

Quy trình	Tóm tắt một dòng	Phù hợp nhất với	Cỡ lô	Độ chính xác
13.1Phương pháp Czochralski (wafer silic)	Kéo từ từ một đơn tinh thể silic khổng lồ ra khỏi khối nóng chảy	Tấm wafer silic cho chip và pin mặt trời	Sản xuất liên tục các thỏi tinh thể	Một tinh thể gần như hoàn hảo, được cắt thành các tấm wafer rộng đến 300 mm
13.2Quang khắc	Chiếu hoa văn bằng ánh sáng lên lớp phủ nhạy sáng, rồi ăn mòn	Chip máy tính, cảm biến, MEMS	Sản xuất hàng loạt, hàng triệu con chip	Chi tiết nhỏ đến hàng chục nanomet
13.3Epitaxy chùm phân tử (MBE)	Nuôi tinh thể từng lớp nguyên tử một từ các chùm tia trong chân không siêu cao	Laser, LED, transistor tốc độ cao, nghiên cứu	Lô wafer nhỏ	Từng lớp nguyên tử đơn lẻ
13.4Lắng đọng lớp nguyên tử (ALD)	Phủ bề mặt từng lớp nguyên tử mỗi chu kỳ bằng các khí luân phiên	Màng siêu mỏng trong chip, lớp phủ bên trong lỗ sâu	Sản xuất chip sản lượng lớn	Khoảng một phần mười nanomet mỗi chu kỳ
13.5Chùm ion hội tụ (FIB)	Phay hoặc thêm vật liệu bằng chùm ion dưới kính hiển vi	Sửa chip, chuẩn bị mẫu, mẫu thử	Chiếc đơn lẻ	Nhỏ đến khoảng 10 nanomet
13.6Gia công laser femto giây	Loại bỏ vật liệu bằng xung laser siêu ngắn, không làm chảy	Stent, cắt thủy tinh, lỗ siêu nhỏ	Từ mẫu thử đến loạt lớn	Vài micron
13.7LIGA	Vẽ rãnh sâu bằng tia X hoặc UV, lấp đầy bằng niken, rồi đúc bản sao	Chi tiết đồng hồ, bánh răng siêu nhỏ, khuôn siêu nhỏ	Nhỏ đến vừa; bản sao bằng nhựa với loạt lớn	Dưới micron, thành thẳng rất cao
13.8Polyme hóa hai photon	Chỉ làm cứng nhựa tại tiêu điểm laser để in các chi tiết vi mô 3D	Quang học vi mô, giàn đỡ tế bào, mẫu thử	Chiếc đơn lẻ và loạt nhỏ	Chi tiết dưới micron
13.9Kéo sợi tĩnh điện	Kéo tia polyme thành sợi nano bằng điện áp cao	Bộ lọc, băng vết thương, giàn đỡ mô	Từ mẫu phòng thí nghiệm đến dây chuyền cuộn-đến-cuộn	Sợi dày từ hàng chục nanomet đến vài micron

Cách chọn trong họ này

Làm vật liệu nền cho chip? Tinh thể silic đến từ phương pháp nuôi Czochralski, và các lớp tinh thể mịn nhất từ MBE.
Tạo hoa văn cho hàng triệu thiết bị phẳng giống hệt nhau: quang khắc; thêm các màng dày vài nguyên tử: ALD.
Sửa, cắt hoặc kiểm tra một điểm nhỏ xíu: chùm ion hội tụ; gia công chi tiết vi mô trên kim loại hoặc thủy tinh: laser femto giây.
Chi tiết vi mô bằng kim loại cao, thành thẳng: LIGA; hình vi mô 3D thực sự: quang trùng hợp hai photon.
Màng sợi mịn diện tích lớn, giá rẻ: kéo sợi tĩnh điện.

Từ khóa

Micron (µm): một phần nghìn milimet; sợi tóc rộng khoảng 70 µm.
Nanomet (nm): một phần nghìn micron; vài nguyên tử đứng cạnh nhau.
Wafer: một đĩa tinh thể mỏng, đã đánh bóng, thường là silic, trên đó chip được chế tạo.
Chất cản quang: lớp phủ mà ánh sáng, tia X hoặc điện tử làm thay đổi về mặt hóa học, dùng như khuôn in.
Phòng sạch: căn phòng có không khí được lọc kỹ, gần như không có bụi.
Buồng chân không: một hộp kín được hút hết không khí, để nguyên tử và chùm tia di chuyển tự do.
MEMS: hệ thống vi cơ điện tử, máy móc và cảm biến nhỏ li ti chế tạo trên chip.
Voxel: một điểm ảnh 3D, thể tích nhỏ nhất mà một quy trình tạo ra được cùng lúc.

Dùng thử

Đưa AI vào công việc CAD của bạn.

Dựng chi tiết, tạo bản vẽ và tự động hóa công việc lặp lại ngay trong phần mềm CAD của bạn.

Tải về (Miễn phí)Đặt lịch demo