突破局限：MEMS技术驱动芯片的微型化


© Fraunhofer / Piotr Banczerowski
荣获约瑟夫·冯·弗劳恩霍夫奖，以表彰其开发的微芯片进一步小型化技术在世界范围内无与伦比：Martin Witt、Jacqueline Atanelov 博士和 Michael Kampmann（从左到右）

 

就其尺寸而言，微芯片的发展似乎已然达到极限。 然而将这些零件变得更小、更强大至关重要，以便进一步开发包括智能手机在内的许多设备。 位于伊策霍的弗劳恩霍夫硅技术研究所 ISIT 和 IMS 纳米加工 GmbH 成功地突破了电子束掩模写入器关键设备的加工局限——微系统开关元件 MEMS ——这是生产新一代微芯片的关键。 他们的努力为他们赢得了 2021 年约瑟夫·冯·弗劳恩霍夫奖。

 

约瑟夫·冯·弗劳恩霍夫奖

自 1978 年以来，弗劳恩霍夫协会每年都会向其员工颁发奖项，以表彰其解决实际问题的杰出科学成就。 今年将颁发三个奖项，每项价值 50,000 欧元。 获奖者还将获得一枚刻有约瑟夫·冯·弗劳恩霍夫 (Joseph von Fraunhofer) 个人资料的银别针。

 

智能手机等电子设备的不断发展可以概括为“更小、更快、更强大”。微芯片是这些设备的核心，而作为发展的一部分，它们也需要变得更小、更优越。虽然在过去这项技术难题已取得很好进展，但如今许多制造技术已达到极限。

 

世界上唯一的解决方案

世界上唯一改变现有限制的解决方案源于一项创新技术：由总部位于维也纳的 IMS 纳米加工 GmbH 开发的电子多光束掩模写入器。该设备的关键元件来自弗劳恩霍夫硅技术研究所 ISIT。 “以前，只能在芯片上实现不到 10 纳米的工艺尺寸——一个原子是 0.1 纳米——但新的制造方法使工艺尺寸达到 7 纳米甚至更小，”来自 弗劳恩霍夫 ISIT 的 Martin Witt 说。这在世界范围内是无与伦比的，因为电子多光束掩模写入器是目前唯一能够使芯片进一步小型化的技术。 “这项技术使 IMS 纳米加工 GmbH 实现了其市场领先地位”这一事实也得到了 2021 年约瑟夫·冯·弗劳恩霍夫奖的评审团的称赞，评审团将奖项授予了来自弗劳恩霍夫 ISIT 的 Michael Kampmann 和 Martin Witt 以及来自 IMS 有限公司的 Jacqueline Atanelov 博士。

 

在传统的芯片生产中，半导体材料硅晶片被均匀地涂上光刻胶，通过将其暴露在目标光下而硬化；未硬化的区域被移除，并在暴露区域处理硅；在去除光刻胶的硬化部分后重新开始该过程。通过这种方式，芯片是逐层创建的——对于复杂的芯片，需要多达 70 个曝光阶段。为了确保光线瞄准需要硬化光刻胶的地方，使用各种掩膜让其他区域同时处于黑暗中。它们的生产方式与芯片类似，不同在于使用电子束来硬化光刻胶。

 

这种新方法的主要特点是什么？ “我们使用 512 乘以 512 束，而不是用单束在电子敏感光刻胶上写入掩模结构，因此超过 262,000 束。”Kampmann 解释道。 弗劳恩霍夫 ISIT 的微机电系统 (MEMS) 开关元件使这成为可能：该元件基本构成新型多光束掩模写入器的核心。简而言之，微系统开关元件就像一个薄膜，其上有超过 262,000 个允许电子束通过的开口。但与淋浴喷头喷出的水流不同，这些光束并不平行。相反，它们可以通过特殊的控制电极单独控制和重定向。

 

无与伦比的优势

“电子多光束掩模写入器使我们能够在短短几个小时内创建高质量和高分辨率的复杂结构，”Atanelov 补充道。目前没有任何技术可以与创新的电子多光束掩模写入器相媲美，因此市场需求巨大。这些设备为 IMS 带来了 4 亿美元的年收入，而在弗劳恩霍夫 ISIT 也可以看到这种影响——当前行业年收入远超 100 万欧元。这项获奖技术在实现进一步小型化的基础上取得了出色的商业成功。

 

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闫贝贝

 

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