माइक्रोफैब्रिकेशन



माइक्रोफैब्रिकेशन माइक्रोमीटर स्केल और छोटे के लघु संरचनाओं को बनाने की प्रक्रिया है। ऐतिहासिक रूप से, एकीकृत परिपथ निर्माण के लिए सबसे पहले माइक्रोफैब्रिकेशन प्रक्रियाओं का उपयोग किया गया था, इसे "अर्धचालक निर्माण" या "अर्धचालक युक्ति निर्माण" के रूप में भी जाना जाता है। पिछले दो दशकों में माइक्रोइलेक्ट्रोमैकेनिकल प्रणाली (एमईएमएस), माइक्रोप्रणाली (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 प्रणाली 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 करते 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 (अर्धचालक), पतली फिल्में, नक़्क़ाशी, तार का जोड़ और घर्षण हैं।



उपयोग के क्षेत्र
माइक्रोफैब्रिकेटेड उपकरणों में सम्मलित हैं:


 * एकीकृत परिपथ ("माइक्रोचिप") (अर्धचालक निर्माण देखें)
 * माइक्रोइलेक्ट्रोमैकेनिकल प्रणाली (एमईएमएस) और माइक्रोऑप्टोइलेक्ट्रोमैकेनिकल प्रणाली (एमओईएमएस)
 * माइक्रोफ्लुइडिक उपकरण (स्याही जेट प्रिंट हेड) माइक्रोफ्लुइडिक उपकरण (इंक जेट प्रिंट हेड)
 * सौर कोशिकाएं
 * फ्लैट पैनल डिस्प्ले (एएमएलसीडी और पतली फिल्म वाला ट्रांजिस्टर देखें)
 * सेंसर (माइक्रोसेंसर) (बायोसेंसर, नैनोसेंसर)
 * पावर एमईएमएस, ईंधन सेल, एनर्जी हार्वेस्टर/स्कैवेंजर्स

उत्पत्ति
माइक्रोफैब्रिकेशन प्रौद्योगिकियां माइक्रोइलेक्ट्रॉनिक्स उद्योग से उत्पन्न होती हैं, और उपकरण सामान्यतः सिलिकॉन वेफर्स पर बने होते हैं, भले ही कांच, प्लास्टिक और कई अन्य सब्सट्रेट उपयोग में हों। माइक्रोमशीनिंग, अर्धचालक प्रसंस्करण, माइक्रोइलेक्ट्रॉनिक निर्माण, अर्धचालक निर्माण, माइक्रोफैब्रिकेशन के अतिरिक्त एमईएमएस फैब्रिकेशन और अन्तराक्रम परिपथ प्रौद्योगिकी का उपयोग किया जाता है, लेकिन माइक्रोफैब्रिकेशन व्यापक सामान्य शब्द है।

पारंपरिक मशीनिंग तकनीक जैसे इलेक्ट्रो-डिस्चार्ज मशीनिंग, स्पार्क अपरदन मशीनिंग,और लेजर ड्रिलिंग को मिलीमीटर आकार सीमा से माइक्रोमीटर सीमा तक बढ़ाया गया है, लेकिन वे माइक्रोइलेक्ट्रॉनिक-उत्पन्न माइक्रोफैब्रिकेशन के मुख्य विचार को साझा नहीं करते हैं: चाहे सैकड़ों या लाखों समान संरचनाओं की प्रतिकृति और समानांतर निर्माण हों। यह समानता विभिन्न मुद्रण, ढलाई और मोल्डिंग तकनीकों में सम्मलित है, जिन्हें सूक्ष्म शासन में सफलतापूर्वक लागू किया गया है। उदाहरण के लिए, जैसे डीवीडी के इंजेक्शन मोल्डिंग में डिस्क पर सबमाइक्रोमीटर-आकार के धब्बे का निर्माण सम्मलित है।

प्रक्रियाएं
माइक्रोफैब्रिकेशन वास्तव में प्रौद्योगिकियों का एक संग्रह है जिसका उपयोग माइक्रोउपकरण बनाने में किया जाता है। उनमें से कुछ ऐसे है जो बहुत पुराने मूल के हैं, जो निर्माण से जुड़े नहीं हैं, जैसे लिथोग्राफी या नक़्क़ाशी। पॉलिशिंग प्रकाशिकी निर्माण से उधार ली गई थी, और कई वैक्यूम तकनीकें 19वीं शताब्दी के भौतिकी अनुसंधान से आती हैं। इलेक्ट्रोप्लेटिंग माइक्रोमीटरर पैमाने संरचनाओं का उत्पादन करने के लिए अनुकूलित एक 19वीं शताब्दी की तकनीक है, विभिन्न मुद्रांकन और एम्बॉसिंग तकनीकों के रूप में।

माइक्रोउपकरण का निर्माण करने के लिए, कई प्रक्रियाएं एक के बाद कई बार बार निष्पादित होनी चाहिए। इन प्रक्रियाओं में सामान्यतः एक फिल्म जमा करना, फिल्म को वांछित सूक्ष्म विशेषताओं के साथ प्रतिरूपित करना, और फिल्म के हिस्सों को हटाना (या नक़्क़ाशी करना) सम्मलित है। इन व्यक्तिगत प्रक्रियाओं में प्रत्येक चरण के दौरान सामान्यतया पतली फिल्म मापविद्या का प्रयोग किया जाता है, ताकि फिल्म संरचना में मोटाई के संदर्भ में वांछित विशेषताएँ हों। (टी), अपवर्तक सूचकांक (एन) और विलोपन गुणांक (के), उपयुक्त उपकरण व्यवहार के लिए। उदाहरण के लिए, मेमोरी चिप निर्माण में कुछ 30 लिथोग्राफी चरण होते हैं, 10 ऑक्सीकरण कदम, 20 नक़्क़ाशी चरण, 10 डोपिंग कदम, और कई अन्य का प्रदर्शन किया जाता है। माइक्रोफैब्रिकेशन प्रक्रिया की जटिलता उनके आवरण संख्या द्वारा वर्णित की जा सकती है। यह विभिन्न पैटर्न परतों की संख्या है जो अंतिम उपकरण का गठन करते है। आधुनिक माइक्रोप्रोसेसरों को 30 मास्क के साथ बनाया जाता है जबकि कुछ मास्क माइक्रोफ्लुइडिक उपकरण या लेजर डायोड के लिए पर्याप्त होते हैं। माइक्रोफैब्रिकेशन कई अनावृत्ति फ़ोटोग्राफ़ी जैसा दिखता है, जिसमें अंतिम संरचना बनाने के लिए कई पैटर्न एक-दूसरे से जुड़े होते हैं।

सबस्ट्रेट्स
माइक्रोफैब्रिकेटेड उपकरण सामान्यतः फ्रीस्टैंडिंग उपकरण नहीं होते हैं, लेकिन सामान्यतः मोटे सपोर्ट सब्सट्रेट पर या उसके ऊपर बनते हैं। इलेक्ट्रॉनिक अनुप्रयोगों के लिए, सिलिकॉन वेफर्स 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 से अनेक संविचरण चरणों के माध्यम से माइक्रो उपकरण को सरलता से संभाला जा सकता है। अधिकांशतः कई व्यक्तिगत उपकरण एक सब्सट्रेट पर एक साथ बनाये जाते हैं और फिर फैब्रिकेशन के अंत की ओर अलग-अलग उपकरणों में चले जाते हैं।

निक्षेपण या वृद्धि
माइक्रोफैब्रिकेटेड उपकरण सामान्यतः एक या अधिक पतली फिल्मों का उपयोग करके बनाए जाते हैं (पतली फिल्म बयान देखें)। इन पतली फिल्मों का उद्देश्य उपकरण के प्रकार पर निर्भर करता है। इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों में पतली फिल्में हो सकती हैं जो चालक (धातु), विसंवाहक (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 सम्मलित हैं:


 * थर्मल ऑक्सीकरण
 * सिलिकॉन का स्थानीय ऑक्सीकरण
 * रासायनिक वाष्प जमाव (सीवीडी)
 * एपीसीवीडी
 * एलपीसीवीडी
 * पीईसीवीडी
 * भौतिक वाष्प जमाव (पीवीडी)
 * कणक्षेपण
 * बाष्पीकरणीय जमाव
 * इलेक्ट्रॉन बीम पीवीडी
 * एपीटैक्सी

पैटर्निंग
यह अधिकांशतः 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 अन्योन्यक्रिया पर हैं और पैटर्निंग तकनीक ही माइक्रोफैब्रिकेशन को परिभाषित करती है। यह पैटर्निंग तकनीक सामान्यतः फिल्म के उन हिस्सों को परिभाषित करने के लिए 'मास्क' का उपयोग करती है जिन्हें हटा दिया जाएगा। पैटर्निंग तकनीकों के उदाहरणों में सम्मलित हैं:


 * फोटोलिथोग्राफी
 * छाया मास्किंग

नक़्क़ाशी
नक़्क़ाशी पतली फिल्म या सब्सट्रेट के कुछ हिस्से को हटाना है। सब्सट्रेट (सब्सट्रेट) नक़्क़ाशी (जैसे कि एक एसिड या प्लाज्मा) के संपर्क में रहता है जो रासायनिक या शारीरिक रूप से फिल्म पर तब तक आक्रमण करता है जब तक कि इसे हटाया नहीं जाता। नक़्क़ाशी तकनीकों में सम्मलित हैं:


 * सूखी नक़्क़ाशी (प्लाज्मा नक़्क़ाशी) जैसे प्रतिक्रियाशील-आयन नक़्क़ाशी (आरआईइ) या गहरी प्रतिक्रियाशील-आयन नक़्क़ाशी (डीआरआईइ)
 * गीली नक़्क़ाशी या रासायनिक नक़्क़ाशी

माइक्रोफॉर्मिंग
माइक्रोफॉर्मिंग माइक्रोप्रणाली या माइक्रोइलेक्ट्रोमैकेनिकल प्रणाली (एमईएमएस) की एक माइक्रोफैब्रिकेशन प्रक्रिया है जो "सबमिलिमीटर सीमा में कम से कम दो आयामों वाले हिस्से या संरचनाएं" हैं।   इसमें माइक्रोएक्सट्रूज़न, माइक्रोस्टैम्पिंग, और माइक्रोकटिंग जैसी तकनीकें सम्मलित हैं। इन और अन्य माइक्रोफॉर्मिंग प्रक्रियाओं की परिकल्पना और शोध कम से कम 1990 के बाद से किया गया है, जिससे औद्योगिक और प्रायोगिक-ग्रेड निर्माण उपकरण का विकास हुआ। चूंकि, जैसा कि फू और चान ने 2013 की अत्याधुनिक प्रौद्योगिकी समीक्षा में बताया है, प्रौद्योगिकी को अधिक व्यापक रूप से लागू करने से पहले कई मुद्दों को अभी भी हल किया जाना चाहिए, विरूपण भार और दोषों सहित, प्रणाली स्थिरता, यांत्रिक गुण, और क्रिस्टलीय (अनाज) संरचना और सीमाओं पर अन्य आकार से संबंधित प्रभाव: माइक्रोफॉर्मिंग में, अनाज की सीमाओं के कुल सतह क्षेत्र का सामग्री मात्रा में 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 प्रवाह तनाव में परिवर्तन आंशिक रूप से सतह के अनाज के मात्रा अंश के परिवर्तन के कारण होता है। इसके अतिरिक्त प्रत्येक अनाज के एनीसोट्रोपिक गुण वर्कपीस आकार की कमी के साथ 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, भण्डारण या उनमें सुधार के लिए कई अन्य प्रक्रियाओं को भी निष्पादित किया जा सकता है। उदाहरण के तौर पर:


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

वेफर निर्माण में स्वच्छता
माइक्रोफैब्रिकेशन क्लीनरूम में किया जाता है जहां वायु को कण संदूषण और तापमान, आर्द्रता, कंपन और विद्युत विक्षोभ के निस्यंदित किया जाता है कड़े नियंत्रण में होता है। धुआं, धूल, जीवाणु और कोशिकाएं माइक्रोमीटर आकार में होती हैं और एक माइक्रोफैब्रिकेटिंग उपकरण की कार्यक्षमता को नष्ट कर देती हैं।

सफाई-कक्ष हर महत्वपूर्ण कदम के पहले निष्क्रिय सफाई उपलब्ध कराते हैं लेकिन वेफर्स की सक्रियता से सफाई की जाती है। अमोनिया-पेरोक्साइड समाधान में आरसीए-1 स्वच्छ कार्बनिक संदूषण और कणों को हटा देता है; हाईड्रोजन क्लोराईड-पेरोक्साइड मिश्रण में आरसीए-2 की सफाई धातु की अशुद्धियों को दूर करती है। सल्फ्यूरिक एसिड-पेरोक्साइड मिश्रण (उर्फ पिरान्हा) ऑर्गेनिक्स को हटाता है। हाइड्रोजन फ्लोराइड सिलिकॉन सतह से देशी ऑक्साइड को निकालता 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 सम्मलित हैं, या एपिटॉक्सी से पहले देशी ऑक्साइड को हटाने के लिए ऊंचे तापमान पर हाइड्रोजन बेक किया जाता है। सीएमओएस निर्माण में प्री-गेट सफाई सबसे महत्वपूर्ण सफाई कदम है: यह सुनिश्चित करता है कि सीऐ. एमओएस ट्रांजिस्टर के 2 एनएम मोटे ऑक्साइड को व्यवस्थित ढंग से विकसित किया जा सकता है। ऑक्सीकरण, और सभी उच्च तापमान चरणों संदूषण के प्रति बहुत संवेदनशील हैं, और सफाई चरणों में 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
 * अर्धचालक 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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