माइक्रोफैब्रिकेशन

माइक्रोफैब्रिकेशन माइक्रोमीटर स्केल और छोटे की लघु संरचनाओं के निर्माण की प्रक्रिया है। ऐतिहासिक रूप से, प्रारंभिक माइक्रोफैब्रिकेशन प्रक्रियाओं का उपयोग एकीकृत सर्किट निर्माण के लिए किया जाता था, जिसे अर्धचालक निर्माण या अर्धचालक उपकरण निर्माण के रूप में भी जाना जाता है। पिछले दो दशकों में माइक्रोइलेक्ट्रॉनिक सिस्टम (एमईएमएस), माइक्रोसिस्टम्स (यूरोपीय उपयोग), माइक्रोमशीनरी (जापानी शब्दावली) और उनके उपक्षेत्र, माइक्रोफ्लुइडिक्स/लैब-ऑन-ए-चिप, ऑप्टिकल एमईएमएस (जिन्हें एमओईएमएस भी कहा जाता है), आरएफ एमईएमएस, पावरएमईएमएस, बायोएमईएमएस और नैनोस्केल में उनका विस्तार (उदाहरण के लिए एनईएमएस, नैनो इलेक्ट्रो मैकेनिकल सिस्टम के लिए) ने माइक्रोफैब्रिकेशन विधियों का पुन: उपयोग, अनुकूलित या विस्तारित किया है। फ्लैट-पैनल डिस्प्ले और सोलर सेल भी इसी तरह की तकनीकों का उपयोग कर रहे हैं।

माइक्रोफैब्रिकेशन माइक्रोमीटर स्केल और छोटे के लघु संरचनाओं को बनाने की प्रक्रिया है। ऐतिहासिक रूप से, एकीकृत सर्किट निर्माण के लिए सबसे पहले माइक्रोफैब्रिकेशन प्रक्रियाओं का उपयोग किया गया था, "अर्धचालक निर्माण" या "अर्धचालक युक्ति निर्माण" के रूप में भी जाना जाता है। पिछले दो दशकों में माइक्रोइलेक्ट्रोमैकेनिकल सिस्टम (एमईएमएस), माइक्रोसिस्टम्स (यूरोपीय उपयोग), माइक्रोमशीनरी (जापानी शब्दावली) और उनके उपक्षेत्र, माइक्रोफ्लुइडिक्स/लैब-ऑन-ए-चिप, ऑप्टिकल एमईएमएस (जिन्हें एमओईएमएस भी कहा जाता है), आरएफ एमईएमएस, पावरएमईएमएस, बायोएमईएमएस और नैनोस्केल में उनका विस्तार (उदाहरण के लिए एनईएमएस, नैनो इलेक्ट्रो मैकेनिकल सिस्टम के लिए) ने माइक्रोफैब्रिकेशन विधियों का पुन: उपयोग, अनुकूलित या विस्तारित किया है। फ्लैट-पैनल डिस्प्ले और सोलर सेल भी इसी तरह की तकनीकों का उपयोग कर रहे हैं।

विभिन्न उपकरणों का लघुकरण विज्ञान और इंजीनियरिंग के कई क्षेत्रों में चुनौतियां प्रस्तुत करता है: भौतिकी, रसायन विज्ञान, सामग्री विज्ञान, कंप्यूटर विज्ञान, अति-परिशुद्धता इंजीनियरिंग, निर्माण प्रक्रिया और उपकरण डिजाइन। यह विभिन्न प्रकार के अंतःविषय अनुसंधानों को भी जन्म दे रहा है। माइक्रोफैब्रिकेशन की प्रमुख अवधारणाएं और सिद्धांत माइक्रोलिथोग्राफी, डोपिंग (सेमीकंडक्टर), पतली फिल्में, नक़्क़ाशी, तार का जोड़ और घर्षण हैं।

विभिन्न उपकरणों का लघुकरण विज्ञान और इंजीनियरिंग के कई क्षेत्रों में चुनौतियां प्रस्तुत करता है: भौतिकी, रसायन विज्ञान, पदार्थ विज्ञान, कंप्यूटर विज्ञान, अतिसूक्ष्म अभियांत्रिकी, निर्माण प्रक्रिया, तथा उपकरण डिजाइन। यह विभिन्न प्रकार के अंतःविषय अनुसंधान को भी जन्म दे रही है। माइक्रोफैब्रिकेशन की प्रमुख अवधारणाएं और सिद्धांत माइक्रोलिथोग्राफी, डोपिंग (सेमीकंडक्टर), पतली फिल्में, नक़्क़ाशी, तार का जोड़ और घर्षण हैं।



उपयोग के क्षेत्र
माइक्रोफैब्रिकेटेड उपकरणों में शामिल हैं:


 * एकीकृत सर्किट ("माइक्रोचिप्स") (अर्धचालक निर्माण देखें)
 * माइक्रोइलेक्ट्रोमैकेनिकल सिस्टम (एमईएमएस) और माइक्रोऑप्टोइलेक्ट्रोमैकेनिकल सिस्टम (एमओईएमएस)
 * माइक्रोफ्लुइडिक डिवाइस (स्याही जेट प्रिंट हेड)
 * सौर कोशिकाएं
 * फ्लैट पैनल डिस्प्ले (AMLCD और पतली फिल्म वाला ट्रांजिस्टर देखें)
 * सेंसर (माइक्रोसेंसर) (बायोसेंसर, nanosensor)
 * पावर एमईएमएस, ईंधन सेल, एनर्जी हार्वेस्टर/स्कैवेंजर्स

उत्पत्ति
माइक्रोफैब्रिकेशन प्रौद्योगिकियां microelectronics उद्योग से उत्पन्न होती हैं, और उपकरण आमतौर पर सिलिकॉन वेफर्स पर बनाए जाते हैं, भले ही कांच, प्लास्टिक और कई अन्य वेफर (इलेक्ट्रॉनिक्स) उपयोग में हों। माइक्रोमशीनिंग, सेमीकंडक्टर प्रोसेसिंग, माइक्रोइलेक्ट्रॉनिक फैब्रिकेशन, अर्धचालक निर्माण, माइक्रोइलेक्ट्रॉनिक सिस्टम फैब्रिकेशन और इंटीग्रेटेड सर्किट टेक्नोलॉजी माइक्रोफैब्रिकेशन के बजाय इस्तेमाल किए जाने वाले शब्द हैं, लेकिन माइक्रोफैब्रिकेशन व्यापक सामान्य शब्द है।

इलेक्ट्रो-डिस्चार्ज मशीनिंग, स्पार्क अपरदन मशीनिंग, और लेजर ड्रिलिंग जैसी पारंपरिक मशीनिंग तकनीकों को मिलीमीटर आकार सीमा से माइक्रोमीटर रेंज तक बढ़ाया गया है, लेकिन वे माइक्रोइलेक्ट्रॉनिक-मूल माइक्रोफैब्रिकेशन के मुख्य विचार को साझा नहीं करते हैं: प्रतिकृति और सैकड़ों या समानांतर निर्माण लाखों समान संरचनाएं। यह समानता विभिन्न मुद्रण, ढलाई और मोल्डिंग (प्रक्रिया) तकनीकों में मौजूद है, जिन्हें सूक्ष्म व्यवस्था में सफलतापूर्वक लागू किया गया है। उदाहरण के लिए, डीवीडी के इंजेक्शन मोल्डिंग में डिस्क पर सबमाइक्रोमीटर-आकार के धब्बे का निर्माण शामिल है।

प्रक्रियाएं
माइक्रोफैब्रिकेशन वास्तव में प्रौद्योगिकियों का एक संग्रह है जिसका उपयोग माइक्रोदेविसेस बनाने में किया जाता है। उनमें से कुछ बहुत पुराने मूल के हैं, जो निर्माण से जुड़े नहीं हैं, जैसे लिथोग्राफी या नक़्क़ाशी। पॉलिशिंग को ऑप्टिकल इंजीनियरिंग से उधार लिया गया था, और कई वैक्यूम तकनीकें भौतिकी के इतिहास से आती हैं। विद्युत भी एक 19वीं सदी की तकनीक है जिसे 1 माइक्रोमीटर स्केल स्ट्रक्चर बनाने के लिए अनुकूलित किया गया है, जैसा कि विभिन्न स्टैम्पिंग (मेटलवर्किंग) और एम्बॉसिंग (निर्माण) तकनीकें हैं।

एक माइक्रोदेविस को गढ़ने के लिए, कई प्रक्रियाओं को एक के बाद एक, कई बार बार-बार किया जाना चाहिए। इन प्रक्रियाओं में आम तौर पर एक पतली फिल्म जमा करना, फिल्म को वांछित सूक्ष्म विशेषताओं के साथ पैटर्न करना और फिल्म के हिस्सों को हटाना (या नक़्क़ाशी (माइक्रोफैब्रिकेशन)) शामिल है। मोटाई (टी), अपवर्तक सूचकांक (एन) और विलुप्त होने के गुणांक (के) के मामले में फिल्म संरचना में वांछित विशेषताओं को सुनिश्चित करने के लिए पतली फिल्म मेट्रोलॉजी का उपयोग आमतौर पर इन व्यक्तिगत प्रक्रिया चरणों में से प्रत्येक के दौरान किया जाता है। उपयुक्त उपकरण व्यवहार के लिए। उदाहरण के लिए, इंटीग्रेटेड सर्किट फैब्रिकेशन में कुछ 30 फोटोलिथोग्राफी स्टेप्स, 10 रेडोक्स स्टेप्स, 20 ईचिंग स्टेप्स, 10 डोपिंग (सेमीकंडक्टर) स्टेप्स और कई अन्य स्टेप्स होते हैं। माइक्रोफैब्रिकेशन प्रक्रियाओं की जटिलता को उनके मास्क काउंट द्वारा वर्णित किया जा सकता है। यह अंतिम डिवाइस बनाने वाली विभिन्न नमूना परतों की संख्या है। आधुनिक माइक्रोप्रोसेसर 30 मास्क के साथ बनाए जाते हैं जबकि कुछ मास्क माइक्रोफ्लुइडिक्स डिवाइस या लेज़र डायोड के लिए पर्याप्त होते हैं। माइक्रोफैब्रिकेशन कई एक्सपोज़र फ़ोटोग्राफ़ी जैसा दिखता है, जिसमें अंतिम संरचना बनाने के लिए कई पैटर्न एक-दूसरे से जुड़े होते हैं।

सबस्ट्रेट्स
माइक्रोफैब्रिकेटेड डिवाइस आमतौर पर फ्रीस्टैंडिंग डिवाइस नहीं होते हैं, लेकिन आमतौर पर वेफर (इलेक्ट्रॉनिक्स) के ऊपर या मोटे सपोर्ट में बनते हैं। इलेक्ट्रॉनिक अनुप्रयोगों के लिए, सिलिकॉन बिस्किट्स जैसे सेमीकंडक्टिंग सबस्ट्रेट्स का उपयोग किया जा सकता है। ऑप्टिकल उपकरणों या फ्लैट पैनल डिस्प्ले के लिए, ग्लास या क्वार्ट्ज जैसे पारदर्शी सबस्ट्रेट्स आम हैं। सब्सट्रेट कई फैब्रिकेशन चरणों के माध्यम से माइक्रो डिवाइस को आसानी से संभालने में सक्षम बनाता है। अक्सर कई अलग-अलग उपकरणों को एक सब्सट्रेट पर एक साथ बनाया जाता है और फिर निर्माण के अंत में अलग-अलग उपकरणों में अलग किया जाता है।

निक्षेपण या वृद्धि
माइक्रोफैब्रिकेटेड डिवाइस आमतौर पर एक या अधिक पतली फिल्मों का उपयोग करके बनाए जाते हैं (पतली फिल्म बयान देखें)। इन पतली फिल्मों का उद्देश्य डिवाइस के प्रकार पर निर्भर करता है। इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों में पतली फिल्में हो सकती हैं जो कंडक्टर (धातु), इंसुलेटर (डाइइलेक्ट्रिक्स) या अर्धचालक हैं। ऑप्टिकल उपकरणों में ऐसी फिल्में हो सकती हैं जो परावर्तक, पारदर्शी, प्रकाश मार्गदर्शक या बिखरने वाली हों। फिल्मों में रासायनिक या यांत्रिक उद्देश्य के साथ-साथ एमईएमएस अनुप्रयोगों के लिए भी हो सकता है। निक्षेपण तकनीकों के उदाहरणों में शामिल हैं:


 * थर्मल ऑक्सीकरण
 * लोकोस
 * रासायनिक वाष्प जमाव (सीवीडी)
 * एपीसीवीडी
 * एलपीसीवीडी
 * पीईसीवीडी
 * भौतिक वाष्प जमाव (पीवीडी)
 * स्पटर डिपोजिशन
 * बाष्पीकरणीय जमाव
 * इलेक्ट्रॉन बीम पीवीडी
 * एपिटाक्सी

पैटर्निंग
यह अक्सर एक फिल्म को अलग-अलग विशेषताओं में या कुछ परतों में उद्घाटन (या विअस) बनाने के लिए वांछनीय होता है। ये विशेषताएं माइक्रोमीटर या नैनोमीटर स्केल पर हैं और पैटर्निंग तकनीक ही माइक्रोफैब्रिकेशन को परिभाषित करती है। यह पैटर्निंग तकनीक आमतौर पर फिल्म के उन हिस्सों को परिभाषित करने के लिए 'मास्क' का उपयोग करती है जिन्हें हटा दिया जाएगा। पैटर्निंग तकनीकों के उदाहरणों में शामिल हैं:


 * फोटोलिथोग्राफी
 * छाया मास्किंग

नक़्क़ाशी
नक़्क़ाशी पतली फिल्म या सब्सट्रेट के कुछ हिस्से को हटाना है। सब्सट्रेट एक नक़्क़ाशी (जैसे एक एसिड या प्लाज्मा) के संपर्क में है जो फिल्म को हटाए जाने तक रासायनिक या भौतिक रूप से हमला करता है। नक़्क़ाशी तकनीकों में शामिल हैं:


 * सूखी नक़्क़ाशी (प्लाज्मा नक़्क़ाशी) जैसे प्रतिक्रियाशील-आयन नक़्क़ाशी (RIE) या गहरी प्रतिक्रियाशील-आयन नक़्क़ाशी (DRIE)
 * नक़्क़ाशी (माइक्रोफैब्रिकेशन) या रासायनिक नक़्क़ाशी

माइक्रोफॉर्मिंग
माइक्रोफॉर्मिंग सबमिलीमीटर रेंज में कम से कम दो आयामों के साथ माइक्रोसिस्टम या माइक्रोइलेक्ट्रोमैकेनिकल सिस्टम (एमईएमएस) भागों या संरचनाओं की एक माइक्रोफैब्रिकेशन प्रक्रिया है।  इसमें microextrusion जैसी तकनीकें शामिल हैं, मुद्रांकन (मेटलवर्किंग)#माइक्रोस्टैंपिंग, और माइक्रोकटिंग। कम से कम 1990 के बाद से इन और अन्य माइक्रोफ़ॉर्मिंग प्रक्रियाओं की परिकल्पना और शोध किया गया है, औद्योगिक- और प्रायोगिक-श्रेणी के निर्माण उपकरणों के विकास के लिए अग्रणी। हालांकि, जैसा कि फू और चान ने 2013 की अत्याधुनिक प्रौद्योगिकी समीक्षा में बताया, तकनीक को अधिक व्यापक रूप से लागू करने से पहले कई मुद्दों को अभी भी हल किया जाना चाहिए, जिसमें विरूपण (इंजीनियरिंग), सिस्टम स्थिरता, यांत्रिक गुणों का गठन, और शामिल हैं। स्फटिक (अनाज) संरचना और सीमाओं पर आकार से संबंधित अन्य प्रभाव: माइक्रोफॉर्मिंग में, अनाज की सीमा के कुल सतह क्षेत्र का सामग्री की मात्रा से अनुपात नमूना आकार में कमी और अनाज के आकार में वृद्धि के साथ घटता है। इससे अनाज की सीमा को मजबूत करने के प्रभाव में कमी आती है। आंतरिक अनाज की तुलना में सतह के अनाज में कम बाधाएँ होती हैं। भाग ज्यामिति आकार के साथ प्रवाह तनाव में परिवर्तन को आंशिक रूप से सतह के अनाज के आयतन अंश के परिवर्तन के लिए जिम्मेदार ठहराया जाता है। इसके अलावा, वर्कपीस के आकार में कमी के साथ प्रत्येक अनाज के अनिसोट्रोपिक गुण महत्वपूर्ण हो जाते हैं, जिसके परिणामस्वरूप अमानवीय विरूपण, अनियमित गठित ज्यामिति और विरूपण भार की भिन्नता होती है। आकार प्रभावों के विचार के साथ भाग, प्रक्रिया और टूलींग के डिजाइन का समर्थन करने के लिए माइक्रोफॉर्मिंग के व्यवस्थित ज्ञान को स्थापित करने की एक महत्वपूर्ण आवश्यकता है। 

अन्य
माइक्रोफैब्रिकेटेड उपकरणों के रासायनिक गुणों की सफाई, योजना बनाने या संशोधित करने के लिए अन्य प्रक्रियाओं की एक विस्तृत विविधता भी की जा सकती है। कुछ उदाहरणों में शामिल हैं:


 * आण्विक प्रसार या आयन आरोपण द्वारा डोपिंग (अर्धचालक)।
 * रासायनिक-यांत्रिक समतलीकरण (सीएमपी)
 * वेफर की सफाई, जिसे सतह की तैयारी के रूप में भी जाना जाता है (नीचे देखें)
 * तार का जोड़

वेफर निर्माण में स्वच्छता
माइक्रोफैब्रिकेशन साफ कमरा में किया जाता है, जहां हवा को कण संदूषण और तापमान, आर्द्रता, कंपन और विद्युत गड़बड़ी से फ़िल्टर किया गया है, कड़े नियंत्रण में हैं। धुआँ, धूल, जीवाणु और कोशिका (जीव विज्ञान) आकार में माइक्रोमीटर हैं, और उनकी उपस्थिति एक माइक्रोफैब्रिकेटेड डिवाइस की कार्यक्षमता को नष्ट कर देगी।

क्लीनरूम निष्क्रिय सफाई प्रदान करते हैं लेकिन प्रत्येक महत्वपूर्ण कदम से पहले वेफर्स को भी सक्रिय रूप से साफ किया जाता है। RCA क्लीन|RCA-1 क्लीन इन अमोनिया-पेरोक्साइड सॉल्यूशन ऑर्गेनिक संदूषण और कणों को हटाता है; हाईड्रोजन क्लोराईड-पेरोक्साइड मिश्रण में RCA-2 की सफाई धातु की अशुद्धियों को दूर करती है। सल्फ्यूरिक एसिड-पेरोक्साइड मिश्रण (उर्फ पिरान्हा) ऑर्गेनिक्स को हटाता है। हाइड्रोजन फ्लोराइड सिलिकॉन की सतह से नेटिव ऑक्साइड को हटाता है। ये सभी समाधान में गीली सफाई के चरण हैं। ड्राई क्लीनिंग विधियों में अवांछित सतह परतों को हटाने के लिए ऑक्सीजन और आर्गन प्लाज्मा उपचार शामिल हैं, या एपिटॉक्सी से पहले देशी ऑक्साइड को हटाने के लिए ऊंचे तापमान पर हाइड्रोजन बेक किया जाता है। CMOS निर्माण में प्री-गेट सफाई सबसे महत्वपूर्ण सफाई कदम है: यह सुनिश्चित करता है कि ca. एमओएस ट्रांजिस्टर के 2 एनएम मोटे ऑक्साइड को व्यवस्थित तरीके से उगाया जा सकता है। ऑक्सीकरण, और सभी उच्च तापमान चरण संदूषण के प्रति बहुत संवेदनशील होते हैं, और सफाई के चरणों को उच्च तापमान चरणों से पहले होना चाहिए।

सतह की तैयारी सिर्फ एक अलग दृष्टिकोण है, ऊपर वर्णित सभी चरण समान हैं: यह प्रसंस्करण शुरू करने से पहले वेफर सतह को नियंत्रित और अच्छी तरह से ज्ञात स्थिति में छोड़ने के बारे में है। वेफर्स पिछले प्रक्रिया चरणों (जैसे आयन आरोपण के दौरान ऊर्जावान आयनों द्वारा कक्ष की दीवारों से बमबारी की गई धातु) से दूषित होते हैं, या वे वेफर बॉक्स से पॉलीमर एकत्र कर सकते हैं, और यह प्रतीक्षा समय के आधार पर भिन्न हो सकता है।

वेफर की सफाई और सतह की तैयारी गेंदबाजी गली में मशीनों के समान काम करती है: पहले वे सभी अवांछित बिट्स और टुकड़ों को हटाते हैं, और फिर वे वांछित पैटर्न का पुनर्निर्माण करते हैं ताकि खेल चल सके।

यह भी देखें

 * 3डी माइक्रोफैब्रिकेशन
 * नैनोफैब्रिकेशन
 * सेमीकंडक्टर निर्माण

अग्रिम पठन
Journals
 * Journal of Microelectromechanical Systems (J.MEMS)
 * Sensors and Actuators A: Physical
 * Sensors and Actuators B: Chemical
 * Journal of Micromechanics and Microengineering
 * Lab on a Chip
 * IEEE Transactions of Electron Devices,
 * Journal of Vacuum Science and Technology A: Vacuum, Surfaces, Films
 * Journal of Vacuum Science and Technology B: Microelectronics and Nanometer Structures: Processing, Measurement, and Phenomena

Books
 * Introduction to Microfabrication (2004) by S. Franssila. ISBN 0-470-85106-6
 * Fundamentals of Microfabrication (2nd ed, 2002) by M. Madou. ISBN 0-8493-0826-7
 * Micromachined Transducers Sourcebook by Gregory Kovacs (1998)
 * Brodie & Murray: The Physics of Microfabrication (1982),
 * Nitaigour Premchand Mahalik (2006) "Micromanufacturing and Nanotechnology", Springer, ISBN 3-540-25377-7
 * D. Widmann, H. Mader, H. Friedrich: Technology of Integrated Circuits (2000),
 * J. Plummer, M.Deal, P.Griffin: Silicon VLSI Technology (2000),
 * G.S. May & S.S. Sze: Fundamentals of Semiconductor Processing (2003),
 * P. van Zant: Microchip Fabrication (2000, 5th ed),
 * R.C. Jaeger: Introduction to Microelectronic Fabrication (2001, 2nd ed),
 * S. Wolf & R.N. Tauber: Silicon Processing for the VLSI Era, Vol 1: Process technology (1999, 2nd ed),
 * S.A. Campbell: The Science and Engineering of Microelectronic Fabrication (2001, 2nd ed)
 * T. Hattori: Ultraclean Surface Processing of Silicon Wafers : Secrets of VLSI Manufacturing
 * (2004)Geschke, Klank & Telleman, eds.: Microsystem Engineering of Lab-on-a-chip Devices, 1st ed, John Wiley & Sons. ISBN 3-527-30733-8.
 * Micro- and Nanophotonic Technologies (2017) eds: Patrick Meyrueis, Kazuaki Sakoda, Marcel Van de Voorde. John Wiley & Sons.ISBN 978-3-527-34037-8

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