Μικροσυστήματα και Νανοτεχνολογία

Abstract

Στη σύγχρονη εποχή έχουμε στη διάθεσή μας ψηφιακούς επεξεργαστές και μνήμες με περίπου ένα δισεκατομμύριο τρανζίστορ ανά τετραγωνικό εκατοστό, που μπορούν να διαχειρίζονται δεδομένα με ασύλληπτη, για τις προηγούμενες δεκαετίες, ταχύτητα και χαμηλή κατανάλωση ισχύος. Ο συνδυασμός τους με αισθητήρες, ενεργοποιητές, συστήματα ενέργειας και κυματοδηγούς σε ολοκληρωμένη και συμπαγή μορφή προσφέρει πανίσχυρα, διασυνδεδεμένα φορητά συστήματα πληροφορίας, όπως τα κινητά τηλέφωνα. Οι συσκευές αυτές μπορούν να εκτελούν προηγμένο λογισμικό, προσφέροντας υπηρεσίες τόσο σύνθετες και ολοκληρωμένες που αποκαλούνται Τεχνητή Νοημοσύνη. Η διαθεσιμότητα αυτής της σταθερά αναπτυσσόμενης τεχνολογίας υλικού θεωρείται συχνά δεδομένη, με αποτέλεσμα τη μετατόπιση του ενδιαφέροντος και του ενθουσιασμού των νέων μηχανικών και επιστημόνων, προς το λογισμικό. Για παράδειγμα, η τεχνολογία επαυξημένης πραγματικότητας θεωρείται συνήθως επίτευγμα περισσότερο αλγορίθμων επεξεργασίας εικόνας και λιγότερο των προηγμένων καμερών, οπτικών μικροδιατάξεων και της ολοκλήρωσής τους με αισθητήρες κίνησης. Ωστόσο, η επινόηση και η ανάπτυξη νέων υπηρεσιών βασίζονται, ιδιαίτερα στα καθοριστικά βήματα εξέλιξης, σε καινοτομίες υλικού, δηλαδή στην πρωτοτυποποίηση και στην επίδειξη νέων και βελτιωμένων λειτουργιών. Για αυτό, η κατασκευή μικρο- και νανο-συστημάτων έχει σήμερα πρωτεύουσα γεωπολιτική σημασία. Το παρόν βιβλίο προσφέρει μια εισαγωγή στις βασικές τεχνικές κατασκευής μικροσυστημάτων και νανοτεχνολογίας, με στόχο την εκμάθησή τους από νέους επιστήμονες και μηχανικούς. Μετά από μια εισαγωγή στη σχετική έρευνα και στις σύγχρονες προκλήσεις, παρουσιάζονται η συμβατική τεχνολογία μικροηλεκτρονικής, τα απαιτούμενα εργαστήρια, τα υλικά, η μέθοδος της λιθογραφίας και τεχνικές τροποποίησης, προσθήκης και αφαίρεσης υλικών σε επίπεδο πλακιδίου. Κατόπιν, περιγράφονται ειδικότερες τεχνικές, όπως η βαθιά εγχάραξη, η κατασκευή τρισδιάστατων μικροδομών και προηγμένες λιθογραφικές μέθοδοι. Στο Κεφάλαιο 4 παρουσιάζεται μια συστηματική μέθοδος οργάνωσης των τεχνικών αυτών σε ακολουθίες κατεργασιών, για την υλοποίηση λειτουργικών διατάξεων, με κριτήρια σχεδίασης και παραδείγματα. Τέλος, παρουσιάζεται μια επισκόπηση των νανοτεχνολογιών που χρησιμοποιούνται σε σύγχρονες εμπορικές εφαρμογές. Συνολικά, η ύλη καλύπτει τις βασικές γνώσεις και μεθόδους που απαιτούνται για την πρωτοτυποποίηση μικροσυστημάτων και δομών νανοτεχνολογίας.

State-of-art microprocessors and memories with a density of around one billion transistors per square centimeter, can process data with unprecedented speed and power efficiency. Their combination with sensors, actuators, energy microsystems, and waveguides in an integrated and compact form offers powerful, interconnected, portable information systems, such as smartphones. These devices can run advanced software, providing complete services of such sophistication that they are often called Artificial Intelligence. The availability of this steadily growing hardware technology is usually taken for granted, resulting in a shift in the interest, and enthusiasm, of young engineers and scientists, towards software. For example, augmented reality technology is considered more to be an achievement of digital image processing algorithms, and less an achievement of the corresponding advances in camera and micro-optics, and their integration with motion microchips. However, the invention of new, and especially transformative, services typically emerges from hardware novelty, i.e. prototyping and demonstration of new and improved functionalities. Thus, the microsystems and nanostructure fabrication are currently a technology of primary geopolitical significance. This book offers an introduction to the basic microsystem and nanotechnology fabrication techniques, for young scientists and engineers. The general research and development environment and key challenges are discussed. The conventional microelectronic fabrication technology is presented, including laboratory specifications, materials, the method of lithography, and the main material addition, subtraction, and modification processes, at the wafer level. Subsequently, more specialised techniques are described, including deep etching, fabrication of three-dimensional structures, and advanced lithography methods. Chapter 4 presents a systematic method of organising processes into process flows, focusing on the fabrication of functional devices, including process flow design rules and examples. Finally, an overview of nanotechnologies currently used in commercial electronics is given. Overall, the book covers the basic topics and methods required for microsystem and nanostructure prototyping.