एमईएमएस
एमईएमएस (सूक्ष्मविद्युतयान्त्रिकी प्रणाली), सूक्ष्म उपकरणों की ऐसी तकनीक है जिसमें विद्युतकीय और गतिशील, दोनों भाग सम्मिलित होते हैं। एमईएमएस आकार में 1 से 100 माइक्रोमीटर के बीच के घटकों से निर्मित होती हैं, और इन उपकरणों का आकार सामान्यतः 20 माइक्रोमीटर से एक मिलीमीटर अर्थात, 0.02 से 1.0 मिमी तक होता है। यद्यपि ऐरे में व्यवस्थित घटक, उदाहरण के लिए, डिजिटल माइक्रोमिरर उपकरण, 1000 मिमी से अधिक हो सकते हैं[1] उनमें सामान्यतः एक केंद्रीय इकाई होती है जो डेटा को संसाधित करती है।[2]
एमईएमएस के दीर्घ सतह क्षेत्र अनुपात के कारण, परिवेशीय वैद्युतिकी;जैसे कि विद्युतगतिकीय आवेशित और चुंबकीय आघूर्ण, और द्रवगतिकी; जैसे कि सतह तनाव और श्यानता, बड़े स्तर के यांत्रिक उपकरणों में, अधिक महत्वपूर्ण प्रारूप परिवेशन के लिए उपयोगी होते हैं। एमईएमएस प्रौद्योगिकी को आणविक अतिसूक्ष्म प्रौद्योगिकी या आणविक विद्युतकी से भिन्न किया जाता है क्योंकि इन दोनों के सतह रसायन को भी ध्यान में रखना आवश्यक होता है।
इन सूक्ष्म यंत्रों की क्षमता को तभी समझा जा चुका था, जब उन्हें निर्मित करने की तकनीक उपलब्ध नहीं थी। उदाहरण के लिए, रिचर्ड फेयनमैन के प्रसिद्ध 1959 के व्याख्यान "देयर इज प्लेन्टी ऑफ रूम ऐट दी बाटम" को देखें। जब एमईएमएस को संशोधित अर्द्धचालक उपकरण निर्माण तकनीकों का उपयोग करके निर्मित किया गया, तब वे व्यावहारिक हो गए। इन तकनीकों का उपयोग सामान्यतः विद्युतकी के निर्माण में होता है।[3] इसमें मज्जन और लेपन, आद्र रासायनिक उत्कीर्णन, और शुष्क रासायनिक उत्कीर्णन (आर.आई.ई. और डीआरआईई), विधुत विद्युत यंत्रण (ईडीएम), और छोटे उपकरण निर्माण मे सक्षम अन्य तकनीकें सम्मिलित हैं।
वे नैनोमाप के स्तर पर अतिसूक्ष्म विद्युतयान्त्रिकी प्रणाली (एनइएमएस) और अतिसूक्ष्म प्रद्योगिकी में मिल जाते हैं।
इतिहास
एमईएमएस उपकरण का एक प्रारंभिक उदाहरण अनुनादी-गेट ट्रांजिस्टर है, जो मॉस्फेट का एक अनुकूलन है, जिसे 1965 में हार्वे सी. नैथनसन द्वारा विकसित किया गया था।[4] एक अन्य प्रारंभिक उदाहरण रेज़ोनिस्टर है, जो 1966 और 1971 के मध्य रेमंड जे. विलफ़िंगर द्वारा एकस्व कराया गया एक विद्युतयान्त्रिकी एकाश्मीय अनुनादी यंत्र है।[5][6] 1970 से 1980 के दशक के समय, भौतिक, रासायनिक, जैविक और पर्यावरणीय मापदंडों को मापने के लिए कई मॉस्फेट सूक्ष्मसंकेतक विकसित किए गए थे।[7]
एमईएमएस शब्द, 1986 में प्रस्तुत किया गया था। एससी जैकबसेन (पाइ) और जे ई वुड (को-पाइ) ने डीएआरपीए (15 जुलाई 1986) को एक प्रस्ताव के माध्यम से "एमईएमएस" शब्द का प्रारंभ किया, जिसका शीर्षक माइक्रो इलेक्ट्रो-मैकेनिकल प्रणाली्स (एमईएमएस) था। यूटा विश्वविद्यालय को प्रदान किया गया। आईईईई माइक्रो रोबोट्स एंड टेलीऑपरेटर्स वर्कशॉप, हयानिस, एमए नवंबर 9-11, 1987 में "एमईएमएस" शब्द को एससी जैकबसेन द्वारा "माइक्रो इलेक्ट्रो-मैकेनिकल प्रणाली्स (एमईएमएस)" शीर्षक से एक आमंत्रित वार्ता के माध्यम से प्रस्तुत किया गया था। "एमईएमएस" शब्द का प्रकाशन एक पेपर के माध्यम से हुआ था, जिसके लेखक जे.ई. वुड, एस.सी. जेकॉबसन, और के.डब्ल्यू. ग्रेस थे। इस पेपर का शीर्षक था "स्कोफ़एसएस: एक सूक्ष्म ब्रैकट प्रकाशीय तन्तु सहायक प्रणाली", और यह आईईई प्रोसीडिंग्स माइक्रो रोबोट्स और टेलिओपरेटर्स वर्कशॉप, हायनिस, मासाचुसेट्स में, 9 से 11 नवंबर, 1987 को प्रकाशित हुआ था।[8]
प्रकार
एमईएमएस स्विच तकनीक के दो मूल प्रकार हैं: संधारित्र और ओमिक संपर्क। एक चलती प्लेट या सेंसिंग तत्व का उपयोग करके एक संधारित्रीय एमईएमएस स्विच विकसित किया जाता है, जो संधारित्र को परिवर्तित करता है।[9] ओमिक स्विच विद्युतस्थितिकी रूप से नियंत्रित कैंटिलीवर द्वारा नियंत्रित होते हैं।[10] ओमिक एमईएमएस स्विच एमईएमएस एक्ट्यूएटर (कैंटिलीवर) की धातु और संपर्क धारण से विफल हो सकते हैं, क्योंकि कैंटिलीवर समय के साथ ख़राब हो सकते हैं।[11]
सामग्री
अर्द्धचालक उपकरण रचना में प्रक्रिया तकनीक से एमईएमएस का निर्माण विकसित हुआ है, अर्थात मूल तकनीक सामग्री स्तरों का संकलन हैं, प्रकाश अश्ममुद्रण द्वारा संरूपण और आवश्यक आकृतियों का उत्पादन करने के लिए प्रारूप तैयार किया जाता है।[13]
- सिलिकॉन
- सिलिकॉन वह सामग्री है जिसको उपभोक्ता विद्युतकी उद्योग में उपयोग किए जाने वाले अधिकांश एकीकृत परिपथ बनाने के लिए किया जाता है। माप की अर्थव्यवस्था, सस्ती उच्च गुणवत्ता वाली सामग्री की तत्काल उपलब्धता, और विद्युतकीय कार्यक्षमता को सम्मिलित करने की क्षमता सिलिकॉन को विभिन्न प्रकार के एमईएमएस अनुप्रयोगों के लिए आकर्षक बनाती है। सिलिकॉन के अपने भौतिक गुणों के माध्यम से महत्वपूर्ण लाभ भी हैं। एकल क्रिस्टल रूप में, सिलिकॉन लगभग पूर्ण हूक का नियम पदार्थ है, जिसका अर्थ है कि जब इसे विधा़ा जाता है तो वास्तव में कोई हिस्टैरिसीस नहीं होता है और इसलिए लगभग कोई ऊर्जा अपव्यय नहीं होता है। अत्यधिक दोहराने योग्य गति बनाने के साथ-साथ, यह सिलिकॉन को बहुत विश्वसनीय बनाता है क्योंकि यह बहुत कम थकान सामग्री को धारण करता है और बिना टूटे 1000000000 से 1000000000000 चक्रों की सीमा में सेवा जीवनकाल हो सकता है। सिलिकॉन पर आधारित अर्द्धचालक नैनोस्ट्रक्चर विशेष रूप से माइक्रोविद्युतकीय और एमईएमएस के क्षेत्र में बढ़ते हुए महत्व प्राप्त कर रहे हैं। सिलिकॉन के तापीय ऑक्सीकरण के माध्यम से निर्मित सिलिकॉन नैनोवायर, नैनोवायर बैटरी और फोटोवोल्टिक प्रणाली सहित विद्युतरसायनीकी रूपांतरण और भंडारण रुचि रखते हैं।
- बहुलक
- भले ही विद्युतकी उद्योग सिलिकॉन उद्योग के लिए माप की अर्थव्यवस्था प्रदान करता है, क्रिस्टलीय सिलिकॉन अभी भी एक जटिल और अपेक्षाकृत महंगी सामग्री है। दूसरी ओर बहुलक को बड़ी मात्रा में भौतिक विशेषताओं की एक बड़ी विविधता के साथ उत्पादित किया जा सकता है। एमईएमएस उपकरणों को बहुलक से अंतः क्षेपण ढलाई , समुद्भरण या स्टीरियोअश्ममुद्रण जैसी प्रक्रियाओं द्वारा बनाया जा सकता है और विशेष रूप से डिस्पोजेबल रक्त परीआघूर्ण कारतूस जैसे सूक्ष्मद्रविक अनुप्रयोगों के लिए उपयुक्त हैं।
- धातुएँ
- एमईएमएस तत्वों को बनाने के लिए धातुओं का भी उपयोग किया जा सकता है। जबकि धातुओं में यांत्रिक गुणों के संदर्भ में सिलिकॉन द्वारा प्रदर्शित कुछ फायदे नहीं होते हैं, जब उनकी सीमाओं के भीतर उपयोग किया जाता है, तो धातु बहुत उच्च स्तर की विश्वसनीयता प्रदर्शित कर सकते हैं। धातुओं को इलेक्ट्रोप्लेटिंग, वाष्पीकरण और स्पटरिंग प्रक्रियाओं द्वारा जमा किया जा सकता है। सामान्यतः इस्तेमाल की जाने वाली धातुओं में सोना, निकल, एल्यूमीनियम, तांबा, क्रोमियम, टाइटेनियम, टंगस्टन, प्लैटिनम और चांदी सम्मिलित हैं।
- मृत्तिका
- सिलिकॉन, एल्यूमीनियम और टाइटेनियम के साथ-साथ सिलिकन कार्बाइड और अन्य सिरेमिक के नाइट्राइड भौतिक गुणों के लाभप्रद संयोजनों के कारण एमईएमएस निर्माण में तेजी से लागू होते हैं। एल्यूमीनियम नाइट्राइड वर्टज़ाइट संरचना में क्रिस्टलीकृत होता है और इस प्रकार तापविद्युत् और दाब वैद्युत् गुण प्रदर्शित करता है जो संकेतक को सक्षम करता है, उदाहरण के लिए, सामान्य और अपरुपण बलों की संवेदनशीलता के साथ सक्षम होता है।[14] दूसरी ओर, टाइटेनियम नाइट्राइड, एक उच्च विद्युत चालकता और बड़े लोचदार मापांक प्रदर्शित करता है, जिससे अल्ट्राथिन किरण के साथ इलेक्ट्रोस्टैटिक एमईएमएस एक्चुएशन योजनाओं को लागू करना संभव हो जाता है। इसके अलावा, बायोकोरोसियन के खिलाफ टीआईएन का उच्च प्रतिरोध बायोजेनिक वातावरण में अनुप्रयोगों के लिए सामग्री को योग्य बनाता है। चित्र एक TiN ग्राउंड प्लेट के ऊपर 50 एनएम पतली विधा़ने योग्य TiN किरण के साथ एक एमईएमएस जैवसंकेतक की इलेक्ट्रॉन-सूक्ष्म चित्र दिखाता है। दोनों को एक संधारित्र के विपरीत विद्युतग्र के रूप में संचालित किया जा सकता है, क्योंकि किरण विद्युत रूप से अलग-थलग दीवारों में तय किया जाता है। जब किसी तरल पदार्थ को गुहा में निलंबित किया जाता है तो इसकी श्यानता किरण को आधार प्लेट पर विद्युत आकर्षण से झुकने और झुकने के वेग को मापने से प्राप्त हो सकती है।[12]
आधारभूत प्रक्रियाएं
निक्षेपण की प्रक्रिया
एमईएमएस प्रसंस्करण में आधारभूत बिल्डिंग ब्लॉक्स में से एक एक माइक्रोमीटर से लगभग 100 माइक्रोमीटर के बीच कहीं भी मोटाई वाली सामग्री की पतली झिल्लीयों को जमा करने की क्षमता है। एनईएमएस प्रक्रिया समान है, यद्यपि झिल्ली निक्षेपण का माप कुछ नैनोमीटर से लेकर एक माइक्रोमीटर तक होता है। निक्षेपण प्रक्रियाएँ दो प्रकार की होती हैं, जो इस प्रकार हैं।
भौतिक निक्षेप
भौतिक वाष्प निक्षेपण में एक ऐसी प्रक्रिया होती है जिसमें एक सामग्री को लक्ष्य से हटा दिया जाता है, और सतह पर जमा कर दिया जाता है। ऐसा करने की तकनीकों में स्पटरिंग की प्रक्रिया सम्मिलित है, जिसमें एक आयन किरण एक लक्ष्य से परमाणुओं को मुक्त करता है, जिससे उन्हें मध्यवर्ती स्थान के माध्यम से स्थानांतरित करने और वांछित कार्यद्रव पर जमा करने की अनुमति मिलती है, और वाष्पीकरण (निक्षेपण), जिसमें एक पदार्थ से एक सामग्री वाष्पित हो जाती है। एक निर्वात प्रणाली में गर्मी (तापीय वाष्पीकरण) या एक इलेक्ट्रॉन किरण (ई-किरण वाष्पीकरण) का उपयोग करके लक्ष्य।
रासायनिक निक्षेपण
रासायनिक निक्षेपण तकनीकों में रासायनिक वाष्प निक्षेपण (सीवीडी) सम्मिलित है, जिसमें वांछित सामग्री को विकसित करने के लिए स्रोत गैस की एक धारा कार्यद्रव पर प्रतिक्रिया करती है। तकनीक के विवरण के आधार पर इसे और श्रेणियों में विभाजित किया जा सकता है, उदाहरण के लिए एलपीसीवीडी (कम दबाव वाला रासायनिक वाष्प निक्षेपण) और पीईसीवीडी (प्लाज्मा-वर्धित रासायनिक वाष्प निक्षेपण)। ऑक्साइड झिल्लीयों को तापीय ऑक्सीकरण की तकनीक से भी उगाया जा सकता है, जिसमें सिलिकॉन डाइऑक्साइड की एक पतली सतह परत विकसित करने के लिए (सामान्यतः सिलिकॉन) वेफर को ऑक्सीजन और/या भाप के संपर्क में लाया जाता है।
संरूपण
एमईएमएस में संरूपण एक सामग्री में किसी प्रारूप का स्थानांतरण है।
अश्ममुद्रण
एमईएमएस संदर्भ में अश्ममुद्रण सामान्यतः प्रकाश जैसे विकिरण स्रोत के चयनात्मक एक्सपोजर द्वारा एक सहज सामग्री में एक प्रतिरूप का स्थानांतरण है। एक सहज सामग्री एक ऐसी सामग्री है जो विकिरण स्रोत के संपर्क में आने पर अपने भौतिक गुणों में परिवर्तन का अनुभव करती है। यदि एक सहज सामग्री को विकिरण के लिए चुनिंदा रूप से प्रकाशित किया जाता है (उदाहरण के लिए कुछ विकिरण को मास्क करके) सामग्री पर विकिरण के प्रतिरूप को प्रकाशित सामग्री में स्थानांतरित कर दिया जाता है, क्योंकि प्रकाशित और अप्रकाशित क्षेत्रों के गुण भिन्न होते हैं।
इस प्रकाशित क्षेत्र को तब हटाया जा सकता है या अंतर्निहित कार्यद्रव के लिए एक मुखौटा प्रदान किया जा सकता है। फोटोअश्ममुद्रण का उपयोग सामान्यतः धातु या अन्य पतली झिल्ली निक्षेपण, गीली और शुष्क निक्षारण के साथ किया जाता है। कभी-कभी, किसी भी प्रकार की पोस्ट निक्षारण के बिना संरचना बनाने के लिए फोटोअश्ममुद्रण का उपयोग किया जाता है। एक उदाहरण SU8 आधारित लेंस है जहां SU8 आधारित वर्ग ब्लॉक उत्पन्न होते हैं। फिर फोटो प्रतिरोध करना को पिघलाकर एक अर्ध-गोला बनाया जाता है जो लेंस के रूप में कार्य करता है।
इलेक्ट्रॉन किरण अश्ममुद्रण (प्रायः ई-किरण अश्ममुद्रण के रूप में संक्षिप्त) एक झिल्ली के साथ आच्छादित सतह (प्रतिरोध कहा जाता है) पर प्रतिरूप वाले प्रारूप में इलेक्ट्रॉनों के किरण को स्कैन करने का अभ्यास है।[15] प्रतिरोध को प्रकाशित करना तथा प्रतिरोध के प्रकाशित या गैर-प्रकाशित क्षेत्रों को चुनिंदा रूप से हटाना भी इसका एक उदाहरण है। भाश्मलेखन की तरह इसका उद्देश्य अवरोध में बहुत छोटी संरचनाओं का निर्माण करना है, जिन्हें प्रायः निक्षारण द्वारा कार्यद्रव सामग्री में स्थानांतरित किया जा सकता है। यह एकीकृत परिपथों के निर्माण के लिए विकसित किया गया था, और इसका उपयोग नैनोटेक्नोलॉजी आर्किटेक्चर बनाने के लिए भी किया जाता है। इलेक्ट्रॉन किरण अश्ममुद्रण का प्राथमिक लाभ यह है कि यह प्रकाश की विवर्तन सीमा को पार करने और नैनोमीटर रेंज में विशेषताएं बनाने के तरीकों में से एक है। मुखौटा रहित अश्ममुद्रण के इस रूप में फोटोअश्ममुद्रण में उपयोग किए जाने वाले photomask बनाने, अर्द्धचालक घटकों के कम मात्रा में उत्पादन, और अनुसंधान एवं विकास में व्यापक उपयोग पाया गया है। इलेक्ट्रॉन किरण अश्ममुद्रण की प्रमुख सीमा थ्रूपुट है, यानी, पूरे सिलिकॉन वेफर या ग्लास कार्यद्रव को प्रकाशित करने में बहुत लंबा समय लगता है। एक लंबा एक्सपोजर समय उपयोगकर्ता को किरण बहाव या अस्थिरता के प्रति संवेदनशील बनाता है जो एक्सपोजर के समय हो सकता है। इसके अलावा, यदि प्रतिरूप दूसरी बार नहीं बदला जा रहा है, तो फिर से काम करने या फिर से डिजाइन करने के लिए टर्न-अराउंड समय अनावश्यक रूप से लंबा हो जाता है।
यह ज्ञात है कि फ़ोकस-आयन किरण अश्ममुद्रण में निकटता प्रभाव के बिना अत्यंत महीन रेखाएँ (50 एनएम से कम रेखा और स्थान प्राप्त किया गया है) लिखने की क्षमता है।[16] यद्यपि, क्योंकि आयन-किरण अश्ममुद्रण में लेखन क्षेत्र काफी छोटा है, छोटे क्षेत्रों को एक साथ जोड़कर बड़े क्षेत्र प्रतिरूप बनाए जाने चाहिए।
आयन ट्रैक तकनीक एक डीप कटिंग टूल है जिसकी रिज़ॉल्यूशन सीमा लगभग 8 एनएम है जो विकिरण प्रतिरोधी खनिजों, ग्लास और बहुलक पर लागू होती है। यह बिना किसी विकास प्रक्रिया के पतली झिल्लीयों में छिद्र उत्पन्न करने में सक्षम है। संरचनात्मक गहराई को या तो आयन रेंज या सामग्री मोटाई द्वारा परिभाषित किया जा सकता है। पहलू अनुपात कई 10 तक4 तक पहुंचा जा सकता है। तकनीक परिभाषित झुकाव कोण पर सामग्री को आकार और बनावट दे सकती है। रैंडम प्रतिरूप, सिंगल-आयन ट्रैक स्ट्रक्चर और अलग-अलग सिंगल ट्रैक्स से युक्त एक लक्षित प्रतिरूप उत्पन्न किया जा सकता है।
एक्स-रे अश्ममुद्रण एक प्रक्रिया है जिसका उपयोग विद्युतकीय उद्योग में एक पतली झिल्ली के कुछ भागों को चुनिंदा रूप से हटाने के लिए किया जाता है। यह कार्यद्रव पर एक ज्यामितीय प्रतिरूप को मास्क से हल्के-संवेदनशील रासायनिक फोटोरेसिस्ट में स्थानांतरित करने के लिए या बस विरोध करने के लिए एक्स-रे का उपयोग करता है। रासायनिक उपचारों की एक श्रृंखला फिर उत्पादित प्रतिरूप को फोटोरेसिस्ट के नीचे की सामग्री में उकेर देती है।
नैनोडायमंड्स की सतह पर उन्हें हानि पहुँचाए बिना प्रतिरूप बनाने या बनाने का एक सरल तरीका प्रकाशकीय उपकरणों की एक नई पीढ़ी को उत्पन्न कर सकता है।[17] हीरा संरूपण, हीरा एमईएमएस बनाने की एक विधि है। यह हीरे की झिल्लीयों के अश्म मुद्रीय अनुप्रयोग द्वारा सिलिकॉन जैसे कार्यद्रव के लिए प्राप्त किया जाता है। प्रतिरूप एक सिलिकॉन डाइऑक्साइड मास्क के माध्यम से चयनात्मक निक्षेपण द्वारा, या निक्षेपण के बाद सूक्ष्मयंत्रण या केंद्रित आयन मिलिंग मशीन द्वारा निर्मित किया जा सकता है।[18]
निक्षारण प्रक्रिया
निक्षारण प्रक्रियाओं की दो मूल श्रेणियां हैं: आद्र निक्षारण (माइक्रोफैब्रिकेशन) और शुष्क निक्षारण। पूर्व में, रासायनिक घोल में डुबोए जाने पर सामग्री घुल जाती है। उत्तरार्द्ध में, प्रतिक्रियाशील आयनों या वाष्प चरण वगैरह का उपयोग करके सामग्री को थूक या भंग कर दिया जाता है।[19][20]
आद्र निक्षारण
आद्र रासायनिक निक्षारण में एक कार्यद्रव को एक घोल में डुबो कर सामग्री को चयनात्मक रूप से हटाना होता है जो इसे घोल देता है। इस निक्षारण प्रक्रिया की रासायनिक प्रकृति एक अच्छी चयनात्मकता प्रदान करती है, जिसका अर्थ है कि लक्ष्य सामग्री की निक्षारण दर मास्क सामग्री की तुलना में काफी अधिक है यदि सावधानी से चुना गया हो। आद्र निक्षारण या तो आइसोट्रोपिक आद्र etchants या अनिसोट्रोपिक आद्र निक्षारक का उपयोग करके किया जा सकता है। लगभग समान दरों पर क्रिस्टलीय सिलिकॉन की सभी दिशाओं में आइसोट्रोपिक वेट वगैरह निक्षारण। अनिसोट्रोपिक वेट एच्चेंट्स अन्य विमानों की तुलना में तेज गति से कुछ क्रिस्टल विमानों के साथ अधिमानतः खोदते हैं, जिससे अधिक जटिल 3-डी माइक्रोस्ट्रक्चर को लागू किया जा सकता है। आद्र अनिसोट्रोपिक एच्चेंट्स का उपयोग प्रायः बोरॉन ईचेंट स्टॉप के संयोजन के साथ किया जाता है, जिसमें सिलिकॉन की सतह को बोरॉन के साथ भारी रूप से डोप किया जाता है, जिसके परिणामस्वरूप एक सिलिकॉन सामग्री परत होती है जो आद्र एच्चेंट्स के लिए प्रतिरोधी होती है। उदाहरण के लिए MEWS दाब संकेतक निर्माण में इसका उपयोग किया गया है।
निक्षारण सभी दिशाओं में समान गति से आगे बढ़ती है। एक मुखौटा में लंबे और संकीर्ण छेद सिलिकॉन में वी-आकार के खांचे का उत्पादन करेंगे। इन खांचों की सतह परमाणु रूप से चिकनी हो सकती है यदि निक्षारण सही ढंग से की जाती है, आयाम और कोण बेहद सटीक होते हैं।
कुछ एकल क्रिस्टल सामग्री, जैसे कि सिलिकॉन, में कार्यद्रव के क्रिस्टलोग्राफिक अभिविन्यास के आधार पर अलग-अलग निक्षारण दर होगी। इसे अनिसोट्रोपिक निक्षारण के रूप में जाना जाता है और सबसे आम उदाहरणों में से एक KOH (पोटेशियम हाइड्रॉक्साइड) में सिलिकॉन की निक्षारण है, जहाँ Si <111> विमान अन्य विमानों (क्रिस्टलोग्राफी) की तुलना में लगभग 100 गुना धीमी गति से खोदते हैं। इसलिए, एक (100)-सी वेफर में एक आयताकार छेद को निक्षारण करने से 54.7° दीवारों के साथ एक पिरामिड के आकार का निक्षारण का गड्ढा होता है, न कि आइसोट्रोपिक निक्षारण के साथ घुमावदार साइडवॉल वाले छेद के अतिरिक्त।
हाइड्रोफ्लुओरिक अम्ल सामान्यतः सिलिकॉन डाइऑक्साइड के लिए एक जलीय वशीकरण के रूप में प्रयोग किया जाता है (SiO
2, जिसे SOI के लिए BOX के रूप में भी जाना जाता है), सामान्यतः 49% केंद्रित रूप में, 5:1, 10:1 या 20:1 BOE (बफ़र्ड ऑक्साइड वगैरह) या BHF (बफ़र्ड HF)। वे पहली बार कांच की निक्षारण के लिए मध्ययुगीन काल में उपयोग किए गए थे। गेट ऑक्साइड को प्रतिरूप करने के लिए आईसी फैब्रिकेशन में इसका इस्तेमाल किया गया था जब तक कि आरआईई द्वारा प्रक्रिया चरण को बदल नहीं दिया गया। हाइड्रोफ्लोरिक अम्ल को क्लीनरूम में अधिक खतरनाक अम्ल में से एक माना जाता है। संपर्क में आने पर यह त्वचा में प्रवेश कर जाता है और सीधे हड्डी में फैल जाता है। इसलिए, जब तक बहुत देर नहीं हो जाती, तब तक हानि महसूस नहीं होती है।
सिलिकॉन के डोपेंट-चयनात्मक हटाने के लिए इलेक्ट्रोकेमिकल निक्षारण (ईसीई) स्वचालित करने बफर ऑक्साइड निक्षारण को नियंत्रित करने की एक सामान्य विधि है। एक सक्रिय पी-एन डायोड जंक्शन की आवश्यकता होती है, और किसी भी प्रकार का डोपेंट ईच-प्रतिरोधी (ईच-स्टॉप) सामग्री हो सकता है। बोरॉन सबसे आम ईच-स्टॉप डोपेंट है। जैसा कि ऊपर वर्णित है, आद्र अनिसोट्रोपिक निक्षारण के संयोजन में, ईसीई का उपयोग व्यावसायिक पीज़ोरेसिस्टिव सिलिकॉन दबाव संकेतक में सिलिकॉन डायाफ्राम मोटाई को नियंत्रित करने के लिए सफलतापूर्वक किया गया है। चुनिंदा रूप से डोप किए गए क्षेत्रों को या तो इम्प्लांटेशन, डिफ्यूजन या सिलिकॉन के एपीटैक्सियल निक्षारण द्वारा निर्मित किया जा सकता है।
शुष्क निक्षारण
ज़ेनॉन डाईफ्लोराइड (XeF
2) सिलिकॉन के लिए एक शुष्क वाष्प चरण आइसोट्रोपिक निक्षारण है जो मूल रूप से 1995 में कैलिफोर्निया विश्वविद्यालय, लॉस एंजिल्स में एमईएमएस के लिए लागू किया गया था।[21][22] XeF
2 प्रमुख रूप से सिलिकॉन को नीचे से उभारकर धातु और डाईइलेक्ट्रिक संरचनाओं को रिलीज़ करने के लिए प्रयोग किया जाता है। इसका एक लाभ यह है कि यह वेट एट्चेंट्स की तुलना में स्टिक्शन-मुक्त रिलीज़ प्रदान करता है। XeF
2 की सिलिकॉन के प्रति एट्च सेलेक्टिविटी बहुत उच्च होती है, जिससे यह फोटोरेसिस्ट, SiO2, सिलिकॉन नाइट्राइड, और विभिन्न धातुओं के साथ काम कर सकता है जो मास्किंग के लिए उपयुक्त होते हैं। सिलिकॉन के लिए इसकी प्रतिक्रिया प्लास्मलेस है, विशुद्ध रूप से रासायनिक और सहज है और प्रायः स्पंदित विधा में संचालित होती है। निक्षारण कार्रवाई के मॉडल उपलब्ध हैं,[23] और विश्वविद्यालय प्रयोगशालाएँ और विभिन्न व्यावसायिक उपकरण इस दृष्टिकोण का उपयोग करके समाधान प्रदान करते हैं।
आधुनिक वीएलएसआई प्रक्रियाएं आद्र निक्षारण से बचती हैं, और इसके अतिरिक्त प्लाज्मा निक्षारण का उपयोग करती हैं। प्लाज़्मा एचर्स प्लाज़्मा के मापदंडों को समायोजित करके कई विधा में काम कर सकते हैं। साधारण प्लाज्मा निक्षारण 0.1 और 5 टॉर के बीच संचालित होती है। (दबाव की यह इकाई, सामान्यतः निर्वात अभियांत्रिकी में उपयोग की जाती है, जो लगभग 133.3 पास्कल के बराबर होती है।) प्लाज्मा ऊर्जावान मुक्त कण उत्पन्न करता है, न्यूट्रली आवेशित होता है, जो वेफर की सतह पर प्रतिक्रिया करता है। चूंकि तटस्थ कण सभी कोणों से वेफर पर आक्रमण करते हैं, यह प्रक्रिया आइसोट्रोपिक है। प्लाज्मा निक्षारण आइसोट्रोपिक हो सकती है, यानी, एक प्रतिरूप वाली सतह पर एक लेटरल अंडरकट रेट का प्रदर्शन, लगभग इसकी डाउनवर्ड ईचिंग दर के समान, या अनिसोट्रोपिक हो सकता है, यानी, इसकी डाउनवर्ड ईच रेट की तुलना में एक छोटे लेटरल अंडरकट रेट का प्रदर्शन। इस तरह के अनिसोट्रॉपी को गहरी प्रतिक्रियाशील आयन निक्षारण में अधिकतम किया जाता है। प्लाज्मा निक्षारण के लिए अनिसोट्रॉपी शब्द का उपयोग अभिविन्यास-निर्भर निक्षारण का जिक्र करते समय उसी शब्द के उपयोग के साथ नहीं किया जाना चाहिए। प्लाज्मा के लिए स्रोत गैस में सामान्यतः क्लोरीन या फ्लोरीन से भरपूर छोटे अणु होते हैं। उदाहरण के लिए, कार्बन टेट्राक्लोराइड (CCl4) सिलिकन और एल्युमिनियम बनाता है, और ट्राइफ्लोरोमीथेन सिलिकन डाइऑक्साइड और सिलिकन नाइट्राइड बनाता है। ऑक्सीजन युक्त एक प्लाज्मा का उपयोग ऑक्सीकरण (राख) फोटोरेसिस्ट करने और इसे हटाने की सुविधा के लिए किया जाता है।
आयन मिलिंग, या स्पटरिंग, कम दबावों का उपयोग करता है, प्रायः 10 जितना कम होता है-4 टॉर (10 एमपीए)। यह महान गैसों के ऊर्जावान आयनों के साथ वेफर पर बमबारी करता है, प्रायः Ar+, जो संवेग स्थानांतरित करके कार्यद्रव से परमाणुओं को दस्तक देता है। क्योंकि निक्षारण आयनों द्वारा की जाती है, जो लगभग एक दिशा से वेफर तक पहुंचते हैं, यह प्रक्रिया अत्यधिक अनिसोट्रोपिक है। दूसरी ओर, यह खराब चयनात्मकता प्रदर्शित करता है। प्रतिक्रियाशील-आयन निक्षारण (आरआइई) स्पटर और प्लाज़्मा निक्षारण (10 के बीच–3 और 10-1 टोर्र)। डीप रिएक्टिव-आयन ईचिंग (डीआरआइई) गहरी, संकीर्ण विशेषताओं का उत्पादन करने के लिए आरआइई तकनीक को संशोधित करता है।
प्रतिक्रियाशील-आयन निक्षारण (आरआईई) में, कार्यद्रव को रिएक्टर के अंदर रखा जाता है, और कई गैसों को प्रस्तुत किया जाता है। एक आरएफ शक्ति स्रोत का उपयोग करके गैस के मिश्रण में एक प्लाज्मा मारा जाता है, जो गैस के अणुओं को आयनों में तोड़ देता है। आयन उत्कीर्णित की जा रही सामग्री की सतह की ओर गति करते हैं और उसके साथ प्रतिक्रिया करते हैं, जिससे एक और गैसीय पदार्थ बनता है। इसे प्रतिक्रियाशील आयन निक्षारण के रासायनिक भाग के रूप में जाना जाता है। एक भौतिक भाग भी है, जो स्पटरिंग डिपोजिशन प्रक्रिया के समान है। यदि आयनों में पर्याप्त उच्च ऊर्जा होती है, तो वे रासायनिक प्रतिक्रिया के बिना खोदी जाने वाली सामग्री से परमाणुओं को बाहर निकाल सकते हैं। रासायनिक और भौतिक निक्षारण को संतुलित करने वाली शुष्क निक्षारण प्रक्रियाओं को विकसित करना एक बहुत ही जटिल कार्य है, क्योंकि समायोजित करने के लिए कई पैरामीटर हैं। संतुलन को बदलकर निक्षारण के अनिसोट्रॉपी को प्रभावित करना संभव है, क्योंकि रासायनिक भाग आइसोट्रोपिक है और भौतिक भाग अत्यधिक अनिसोट्रोपिक है, संयोजन साइडवॉल बना सकता है जिसमें गोलाकार से लंबवत आकार होते हैं।
गहरी प्रतिक्रियाशील आयन निक्षारण (डीआरआइई) आरआइई का एक विशेष उपवर्ग है जो लोकप्रियता में बढ़ रहा है। इस प्रक्रिया में, लगभग ऊर्ध्वाधर साइडवॉल के साथ सैकड़ों माइक्रोमीटर की निक्षारण गहराई हासिल की जाती है। प्राथमिक प्रौद्योगिकी तथाकथित बॉश प्रक्रिया पर आधारित है,[24] जर्मन कंपनी रॉबर्ट बॉश के नाम पर रखा गया, जिसने मूल एकस्व दायर किया, जहां रिएक्टर में दो अलग-अलग गैस रचनाएं वैकल्पिक थीं। वर्तमान में, डीआरआइई के दो रूप हैं। पहली भिन्नता में तीन अलग-अलग चरण होते हैं (मूल बॉश प्रक्रिया) जबकि दूसरी भिन्नता में केवल दो चरण होते हैं।
पहले परिवर्तन में, निक्षारण चक्र इस प्रकार है:
(i) SF
6 आइसोट्रोपिक निक्षारण;
(ii) C
4F
8 पैसिवेशन;
(iii) SF
6 फर्श की सफाई के लिए विषमदैशिक निक्षारण।
दूसरी भिन्नता में, चरण (i) और (iii) संयुक्त हैं।
दोनों विविधताएं समान रूप से कार्य करती हैं। वह C
4F
8 कार्यद्रव की सतह पर एक बहुलक बनाता है, और दूसरी गैस संरचना (SF
6 और O
2) कार्यद्रव उकेरता है। बहुलक तुरंत निक्षारण के भौतिक भाग से दूर हो जाता है, लेकिन केवल क्षैतिज सतहों पर और न कि साइडवॉल पर। चूंकि बहुलक केवल निक्षारण के रासायनिक भाग में बहुत धीरे-धीरे विलयित होता है, यह किनारे की दीवारों पर बनता है और उन्हें निक्षारण से बचाता है। नतीजतन, 50 से 1 के निक्षारण पहलू अनुपात प्राप्त किया जा सकता है। प्रक्रिया आसानी से एक सिलिकॉन कार्यद्रव के माध्यम से पूरी तरह से खोदने के लिए इस्तेमाल की जा सकती है, और आद्र निक्षारण की तुलना में निक्षारण की दर 3-6 गुना अधिक होती है।
एक वेफर पर बड़ी संख्या में एमईएमएस उपकरण तैयार करने के बाद व्यक्तिगत डाई को अलग करना होता है, जिसे अर्द्धचालक तकनीक में डाई तैयारी कहा जाता है। कुछ अनुप्रयोगों के लिए, वेफर की मोटाई को कम करने के लिए वेफर बैकग्राइंडिंग द्वारा पृथक्करण से पहले किया जाता है। वेफर डाइसिंग तब या तो कूलिंग लिक्विड या वेफर डाइसिंग नामक शुष्क लेजर प्रक्रिया का उपयोग करके देखा जा सकता है।
विनिर्माण प्रौद्योगिकियां
सामुहिक सूक्ष्मयंत्रण, सिलिकॉन-आधारित एमईएमएस का सबसे प्राचीन प्रतिमान है। सूक्ष्म यांत्रिक संरचनाओं के निर्माण के लिए एक सिलिकॉन वेफर की पूरी मोटाई का उपयोग किया जाता है।[20]सिलिकॉन को विभिन्न #निक्षारण प्रक्रियाओं का उपयोग करके मशीनीकृत किया जाता है। 1980 और 90 के दशक में संकेतक उद्योग को बदलने वाले उच्च प्रदर्शन दबाव संकेतक और त्वरणमापी को सक्षम करने के लिए सामुहिक सूक्ष्मयंत्रण आवश्यक है।
भूतल सूक्ष्मयंत्रण कार्यद्रव की सतह पर जमा परतों का उपयोग संरचनात्मक सामग्री के रूप में करता है।[25] एक ही सिलिकॉन वेफर पर एमईएमएस और एकीकृत परिपथ के संयोजन के लक्ष्य के साथ, प्लेनर एकीकृत परिपथ प्रौद्योगिकी के साथ अधिक संगत सिलिकॉन की सूक्ष्मयंत्रण को प्रस्तुत करने के लिए 1980 के दशक के अंत में सरफेस सूक्ष्मयंत्रण बनाई गई थी। मूल सतह सूक्ष्मयंत्रण अवधारणा पतली पॉलीक्रिस्टलाइन सिलिकॉन परतों पर आधारित थी जो जंगम यांत्रिक संरचनाओं के रूप में प्रतिरूपित थी और अंतर्निहित ऑक्साइड परत के बलिदान निक्षारण द्वारा जारी की गई थी। इंटरडिजिटल कंघी विद्युतग्र का उपयोग इन-प्लेन बलों का उत्पादन करने और कैपेसिटिव रूप से इन-प्लेन मूवमेंट का पता लगाने के लिए किया गया था। इस एमईएमएस प्रतिमान ने उदाहरण के लिए कम लागत वाले एक्सेलेरोमीटर के निर्माण को सक्षम किया है। ऑटोमोटिव एयर-बैग प्रणाली और अन्य अनुप्रयोग जहां कम प्रदर्शन और/या उच्च जी-रेंज पर्याप्त हैं। एनालॉग उपकरण ने सरफेस सूक्ष्मयंत्रण के औद्योगीकरण का उत्तरदायित्व उठाया है और एमईएमएस और एकीकृत परिपथ के सह-एकीकरण को महसूस किया है।
वेफर बंधन में एक समग्र संरचना बनाने के लिए दो या दो से अधिक सबस्ट्रेट्स (सामान्यतः एक ही व्यास वाले) को एक दूसरे से जोड़ना सम्मिलित है। कई प्रकार की वेफर बंधन प्रक्रियाएं हैं जिनका उपयोग माइक्रोप्रणाली्स के निर्माण में किया जाता है, जिनमें सम्मिलित हैं: डायरेक्ट या फ्यूजन वेफर बंधन, जिसमें दो या दो से अधिक वेफर्स एक साथ बंधे होते हैं जो सामान्यतः सिलिकॉन या कुछ अन्य अर्द्धचालक सामग्री से बने होते हैं; धनाग्र बंधन जिसमें बोरॉन-डोप्ड ग्लास वेफर अर्द्धचालक वेफर, सामान्यतः सिलिकॉन से जुड़ा होता है; तापदाबन बंधन, जिसमें वेफर बंधन को सुविधाजनक बनाने के लिए एक मध्यस्थ पतली-झिल्ली सामग्री परत का उपयोग किया जाता है; और यूटेक्टिक बंधन, जिसमें दो सिलिकॉन वेफर्स को जोड़ने के लिए सोने की एक पतली-झिल्ली परत का उपयोग किया जाता है। इन विधियों में से प्रत्येक का परिस्थितियों के आधार पर विशिष्ट उपयोग होता है। अधिकांश वेफर बंधन प्रक्रियाएं सफलतापूर्वक बंधन के लिए तीन आधारभूत मानदंडों पर निर्भर करती हैं: बॉन्ड किए जाने वाले वेफर्स पर्याप्त रूप से फ्लैट होते हैं; वेफर सतहें पर्याप्त रूप से चिकनी होती हैं; और वेफर सतहें पर्याप्त रूप से साफ हैं। वेफर बंधन के लिए सबसे कड़े मानदंड सामान