מבוא לתהליכי מזעור - טכנולוגיות ייצור מערכות מיקרו וננו Yosi Shacham-Diamand

1. מבוא לתהליכי מזעור - טכנולוגיות ייצור מערכות מיקרווננו Yosi Shacham-Diamand Department of Physical Electronics Tek-Aviv University, Ramat-Aviv, 69978 yosish@eng.tau.ac.il Introduction to Nano bio technologies, TAU 2000

2. Micro technologies 1/1,000,000 of a meter Devices dimensions today in the Microelectronics industry ~0.18 mm The dimensions will reach 0.1 mm in 2010 ~1000 million devices on a chip Nano technologies 1/1,000,000,000 of a meter 1000 Billion devices on a chip Atomic scale devices Not in production……... yet. Micro and Nano technologies - status

3. Top-down evolution of Micro-System Technologies Semiconductor microelectronics, (1960 -), 140B$ (@1998), 17% CAGR Micro-Electro-Mechanical Systems (1985 - ) mElectro-Opto Mechanical Systems (1980 - ) m-Bio- m-Chemical (1995 - ) Micro-System-Technology (MST) - System on a chip - Integrated electronics, MEMS, mBio, mChemistry & mElectro-optics

4. Projected Growth of Worldwide MEMS Market 1 4 1 2 1 0 8 Universities/Federal Labs 6 Companies 4 2 0 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 Year MEMS Market and Industry Studies Singapore Australia Taiwan Switzerland China Korea Scandinavia Sales ($B) UK France USA Germany Japan 0 100 200 300 Number ofOrganizations SPC Study SPC and ATIP Studies • Not dominated by traditional defense contractors • In FY97 there were 95 U.S. companies active in MEMS • In FY97 15 U.S. companies represented 90% of the market • In FY98 U.S. MEMS program supported 50 small businesses

5. MEMS Market and Industry Studies Source: Research & Development (July 1998)

6. Top-down Bottom-up There are two ways to build a house…...

7. Top-down Bottom-up There are two ways to make tools...

8. Interconnect network - 6-7 layers of metallization Silicon substrate (600-800 mm) Active devices layer ( 1-2 mm) Structure of microchips

9. Micro-technology - Similar to painting & carving - just on a much smaller scale Add layers of paint or other matter - remove excess matter

10. Chip vertical cross section מתכת מבודד מתכת סיליקון אינטל 2000

11. Develop micron scale disciplines: Mechanical, biological, chemical and integrate them on a chip with microelectronics Build “ a system on a chip” Keep miniaturizing it - the evolutionary methodology Top down approach

12. MEMS - Micro Electro Mechanical Systems MEOMS - Micro Electro Optical Mechanical Systems Micro-biological systems Micro-Chemistry, and Microelectronics….. What can we put on a silicon chip ?

13. Nanotechnology on Si: MEMS, pollen and red blood cells a grain of pollen Drive gear chain and linkages coagulated red blood cells

16. מה היתרון של מערכות על שבב ? ניתן לממש מערכות בחוג סגור על שבב: בקרה על מערכות אלקטרוניות, חומניות, מכניות, עם נוזלים, מגנטים, אופטיות וזרימת מסה שימוש בטכנולוגיותMEMS, MEOMS, mBIO, mCHEMISRY מערכות מיקרוסקופיות יכולות ליצור אפקטים הן ברמה המיקרוסקופית והן ברמה המקרוסקופית.

17. מהן מערכות ממוזערות ? מערכות עם התקנים אלקטרונים, מכנים, כימים וביולוגים בממדים קטנים. מה מאפיין מערכות אלו ? מערכת על שבב (System on a chip-SOC) כוללת מספר תת-מערכות ומשלבת מספר פעולות. למשל ניתן לשלב חישה, חישוב, הפעלה ( ACTUATION ), תקשורת, ובקרה על אותות שבב. מערכות ממוזערות יכולות לחוש, לחשב ולפעול באופן שישנה את תפישתנו לגבי יכולתנו לקלוט ולשלוט בעולמנו. טכנולוגיות מערכות ממוזערות (טכמ”מ) Micro Systems Technologies (MST)

18. 1. שיפור ביצועים - הגדלת מהירות, הורדת הספק (הגדלת זמן שימוש) 2. הקטנת נפח, שטח - יותר ניידות, גישה ונוחות. 3. הקטנת מחיר - חסכום בזיווד ואריזת מספר רכיבים ביחד. 4. הגדלת אמינות - פחות חיבורים, נפח קטן, 5. קלות תכנון - יצירת מערכים גדולים עם אותם תאי-יחידה 6. הקטנת פרמטרים פרזיטים - קיבוליות, השראות. 7. חסכון בנפח מגיבים בתהליכים כימים מדוע לשלב מערכות על אותו שבב ?

19. המערכות מיוצרות על בסיס טכנולוגיות מיקרואלקטרוניקה קיימות לייצור המוני של מעגלים משולבים (IC) המערכות נמצאות על פני השטח של מצעי מוליכים למחצה, זכוכית, חומרים אורגנים או בנפח שלהם. ייצור הרכיבים נעשה בעזרת תהליכים כימים אופיזיקילים: הוספת שכבות או אלמנטים בודדים (תאים, מולקולות..) הורדת שכבות - איכול חומר שינוי תכונות של שכבות - שינוי מוליכות, תכונותאופטיוות... איך מייצרים מערכות ממוזערות ?

20. Wafer Surface Cavity Cantilevers Nozzle Bridge Trench Membrane מיקרו-עיבוד חומר - MICROMACHINING Single crystal Bulk Micromachining

21. surface Cavity Cantilevers Bridge Nozzle Trench Membrane מיקרו-עיבוד חומר - MICROMACHINING Non-crystalline Bulk Micromachining

22. Surface Micromachining עיבוד מכני של שכבות דקות על שבב

23. LIGA*, Deep UV Mold Insert Irradiation Synchrotron Absorber structure Resist Mask membrane Mold cavity Substrate Mold Filling Development Resist structure Plastic mold material Mold Separation Electroforming Plastic structure Metal Substrate Source: IMM (Mainz Institute for Microtechnology) *Lithographie, Galvanoformung, Abformung טכנולוגיות ייצור רכיבים מכנים

24. Mass wafer Create etch stops and gap in back Device wafer Mass wafer Fuse silicon Sensing elements and interconnections Process top and etch mass Built-in over- acceleration stops Pyrex Air gap for squeeze film damping Etch beam and bond Pyrex Wafer-to-Wafer Bonding

25. MEMS - Micro-Electro-Mechanical-SystemsBUILDING THE MACHINE TOOL FOR THE MICROWORLD

26. Thicker films deeper etches fewer steps Removal of underlying materials to release mechanical structures Multiple Processing Cycles DEPOSITION REMOVAL PATTERN OF OF TRANSFER MATERIAL MATERIAL PROBE INDIVIDUAL ASSEMBLY PACKAGE FINAL SECTIONING TESTING DIE INTO PACKAGE SEAL TEST Special probing, sectioning and handling procedures to protect released parts Encapsulate some parts of device but expose others Test more than just electrical functions תהליכי ייצור במיקרואלקטרוניקה - מבוא

27. דוגמהא’ - מערכת קשר ממוזערת

28. 0 -10 -20 Transmission [dB] -30 -40 -50 -60 358 359 360 361 362 Frequency [kHz] Wrist Communicator Antenna Receiver Block Diagram LNA Mixer LNA Mixer Baseband Electronics VCO VCO Micromechanical Filter Electr ode Xstal Osc. IF Filter (Xstal) Transistor Electronics IF Filter (SAW) Coupling RF Filter (ceramic) Resonators Spring Anc MEMS Single-Chip Version Board-Level Implementation Off-chip high-Q mechanical components present bottlenecks to miniaturization replace them with mechanical versions Univ. of Michigan MEMS for Signal Processing

29. Highlights of the Rockwell MEMS Tunable Capacitor • Single Crystal Silicon • Superior Mechanical Properties • High Aspect Ratio (20 to 1) • Higher Linearity • Large Tuning Ratio (> 6.5 to 1) Wrist Communicator • אתגרים טכנולוגים: • אנטנה, מעגלים לברירת תדרים, • גודל, משקל, הספק • פתרוןבטכמ”מ: • החלף אלקטרוניקה ברכיבים מכנים למימוש מסננים, • מתנדים, מאפנניםוממציאפנון(DEMODULATORS) SEM micrograph showing the high aspect ratio feature of the MEM tunable cap.

30. Coupling Springs Balanced Electrodes Balanced Electrodes Resonators Wrist Communicator Sixth-Order Bandpass Filter in MEMS Technology (200 x 700 m) Univ. of Michigan MEMS for Signal Processing

31. דוגמה ב’ - חיישן משולב

32. Micro Airborne Sensor/Communicator MEMS Microphone MEMS Actuator MEMS Uncooled IR Sensor MEMS Structural Material MEMS Optical Communicator MEMS Mass Data Storage Inertial Measurement Unit Whip Antenna MEMS-Based Power Generation & Energy Conversion

33. דוגמה ג’ - מיקרומחטים 40 m Lancet width = 170 m Needle width = 150 m

34. ננוטכנולוגיות - השלב הבא... • שילוב בין טכנולוגיות מיקרולננו - אפשרי כיום • טכנולוגיותננומתקדמות - עדיין לא קיימות • טכנולוגיותננומתקדמות - עדיין יצטרכו ממשק (INTERFACE) לעולם החיצון, לאלקטרוניקה, אופטיקה , מכניקה. קרוב לוודאי שהממשק יהיה בטכנולוגיות מזעור הדומות לטכנולוגיות מיקרואלקטרוניקה ומיקרו-אלקטרו-מכניקה כיום.

35. The classic talk, “There's Plenty of Room at the Bottom” was given by Richard Feynman on December 29th 1959 at the annual meeting of the American Physical Society at the California Institute of Technology (Caltech) “Why cannot we write the entire 24 volumes of the Encyclopedia Brittanica on the head of a pin?” “Biology is not simply writing information; it is doing something about it. A biologicalsystem can be exceedingly small.” “I want to build a billion tiny factories, models of each other, which are manufacturing simultaneously,drilling holes, stamping parts, and so on.” What is Nanotechnology ?

36. With the tools of the nanotechnology trade becoming better defined, the ability to create new materials and devices by placing every atom and molecule in the right place is moving closer to reality. Ralph C. Merckle, Xerox Nanotechnology: An art and science that has evolved to arrange conditions so that atoms spontaneously assemble into particular molecular structures. New terms such as “self assembly”, “molecular machines”, represent a new “bottom up” approach: building structures from atoms and molecules. What is Nanotechnology ?

37. Molecular engineering: An approach to the development of general capabilities for molecular manipulation K. Eric Drexler, Proc. Natl. Acad. Sci. USA Vol. 78, No. 9 pp. 5275-5278, September 1981 Chemistry section Biochemical systems exhibit a "microtechnology" quite different from ours: they are not built down from the macroscopic level but up from the atomic. Biochemical microtechnology provides a beachhead at the molecular level from which to develop new molecular systems by providing a variety of "tools” and "devices" to use and to copy. כיצד לממש מבניננו ?

38. דוגמה לפוטנציאל העתידי שלטכנולגיות ננו

39. Molecular technology has obvious application to the storage and processing of information Molecular devices can interact directly with the ultimate molecular components of the cell and thus serve as probes in studying processes within the cell Development of the ability to design protein molecules will make possible the construction of molecular machines. These machines can build second-generation machines able to perform extremely general synthesis of three-dimensional molecular structures, thus permitting construction of devices and materials to complex atomic specifications. This capability has implications for technology in general and in particular for computation and characterization, manipulation, and repair of biological materials What is Nanotechnology ?

40. What is Nanotechnology ? • Wet nanotechnology: • Similar to living cell technology: • assembly of carbon based molecules in a liquid environment • Dry nanotechnology: • Technology of organic and inorganic molecules in air or vacuum environment

42. Nanomachines

43. Develop new techniques to produce food, medicine, etc. Build machines, materials, and devices with the ultimate finesse that life has always used: atom by atom, on the same nanometer scale as the machinery in living cells Energy production. Replace / complement microelectronics as leading enabling technology Large scale industrial nanotechnology

44. Nano self-replicated machines