2. YSD 11.00 מבוא לתהליכי מזעור - טכנולוגיות ייצור מערכות מיקרו וננו 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

3. YSD 11.00 Micro and Nano technologies - status nMicro technologies n1/1,000,000 of a meter Devices dimensions today in the Microelectronics industry ~0.18  m The dimensions will reach 0.1  m in 2010 n~1000 million devices on a chip nNano technologies n1/1,000,000,000 of a meter n1000 Billion devices on a chip nAtomic scale devices nNot in production……... yet.

4. YSD 11.00 Top-down evolution of Micro-System Technologies Semiconductor microelectronics, (1960 -), 140B$ (@1998), 17% CAGR Micro-Electro- Mechanical Systems (1985 - )  Electro-Opto Mechanical Systems (1980 - )  -Bio-  Chemical (1995 - ) Micro-System-Technology (MST) - System on a chip - Integrated electronics, MEMS,  Bio,  Chemistry &  Electro-optics

5. YSD 11.00 MEMS Market and Industry 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 Sales ($B) SPC Study 0100200300 Germany Japan USA France UK Scandinavia Korea China Switzerland Taiwan Australia Singapore Number of Organizations Universities/Federal Labs Companies SPC and ATIP Studies Projected Growth of Worldwide MEMS Market 0 2 4 6 8 10 12 14 1993 Year 1994199519961997199819992000

6. YSD 11.00 Source: Research & Development (July 1998) MEMS Market and Industry Studies

7. YSD 11.00 There are two ways to build a house…... Top- down Bottom -up

8. YSD 11.00 There are two ways to make tools... Top- down Bottom -up

9. YSD 11.00 Structure of microchips Silicon substrate (600-800  m) Active devices layer ( 1-2  m) Interconnect network - 6-7 layers of metallization

10. YSD 11.00 Micro-technology - Similar to painting & carving - just on a much smaller scale Add layers of paint or other matter - remove excess matter

11. YSD 11.00 Chip vertical cross section אינטל 2000 מתכת מבודד מתכת סיליקון

12. YSD 11.00 Top down approach nDevelop micron scale disciplines: Mechanical, biological, chemical and integrate them on a chip with microelectronics nBuild “ a system on a chip” nKeep miniaturizing it - the evolutionary methodology

13. YSD 11.00 What can we put on a silicon chip ? nMEMS - Micro Electro Mechanical Systems nMEOMS - Micro Electro Optical Mechanical Systems nMicro-biological systems nMicro-Chemistry, and nMicroelectronics…..

14. YSD 11.00 Nanotechnology on Si: MEMS, pollen and red blood cells Drive gear chain and linkages a grain of pollen coagulated red blood cells

15. YSD 11.00

17. 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 בטכנולוגיות MEMS, MEOMS,  BIO,  CHEMISRY מערכות מיקרוסקופיות יכולות ליצור אפקטים הן ברמה המיקרוסקופית והן ברמה המקרוסקופית.

18. YSD 11.00 טכנולוגיות מערכות ממוזערות ( טכמ ” מ ) nמהן מערכות ממוזערות ? –מערכות עם התקנים אלקטרונים, מכנים, כימים וביולוגים בממדים קטנים. nמה 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. nמערכות ממוזערות יכולות לחוש, לחשב ולפעול באופן שישנה את תפישתנו לגבי יכולתנו לקלוט ולשלוט בעולמנו. Micro Systems Technologies (MST)

19. YSD 11.00 מדוע לשלב מערכות על אותו שבב ? 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

20. YSD 11.00 איך מייצרים מערכות ממוזערות ? nהמערכות מיוצרות על בסיס טכנולוגיות מיקרואלקטרוניקה קיימות לייצור המוני של מעגלים משולבים (IC) nהמערכות נמצאות על פני השטח של מצעי מוליכים למחצה, זכוכית, חומרים אורגנים או בנפח שלהם. nייצור הרכיבים נעשה בעזרת תהליכים כימים או פיזיקילים: –הוספת שכבות או אלמנטים בודדים (תאים, מולקולות..) –הורדת שכבות - איכול חומר –שינוי תכונות של שכבות - שינוי מוליכות, תכונות אופטיוות...

21. YSD 11.00 מיקרו - עיבוד חומר - MICROMACHINING Single crystal Bulk Micromachining

22. YSD 11.00 מיקרו - עיבוד חומר - MICROMACHINING Non-crystalline Bulk Micromachining surface Cantilevers Bridge Trench Nozzle Cavity Membrane

23. YSD 11.00 Surface Micromachining עיבוד מכני של שכבות דקות על שבב

24. YSD 11.00 טכנולוגיות ייצור רכיבים מכנים LIGA *, Deep UV * Lithographie, Galvanoformung, Abformung Irradiation Development Electroforming Mold Separation Synchrotron Resist Mask membrane Substrate Resist structure Plastic mold material Plastic structure Metal Substrate Source: IMM (Mainz Institute for Microtechnology) Mold cavity Mold Filling Absorber structure Mold Insert

25. YSD 11.00 Wafer-to-Wafer Bonding Create etch stops and gap in back Fuse silicon Process top and etch mass Etch beam and bond Pyrex Pyrex Air gap for squeeze film damping Device wafer Mass wafer Built-in over- acceleration stops Sensing elements and interconnections Mass wafer

26. YSD 11.00 MEMS - Micro-Electro-Mechanical-Systems BUILDING THE MACHINE TOOL FOR THE MICROWORLD

27. YSD 11.00 תהליכי ייצור במיקרואלקטרוניקה - מבוא

28. YSD 11.00 דוגמה א ’ - מערכת קשר ממוזערת

29. YSD 11.00 Off-chip high-Q mechanical components present bottlenecks to miniaturization replace them with  mechanical versions Univ. of Michigan MEMS for Signal Processing Wrist Communicator Electrode Anc Micromechanical Filter Coupling Resonators Spring 0 -10 -20 -30 -40 -50 -60 358359360361362 Frequency [kHz] Transmission [dB] Single-Chip Version VCO Xstal Osc. Receiver Block Diagram Baseband Electronics Antenna LNA Mixer MEMS Board-Level Implementation Transistor Electronics IF Filter (Xstal) IF Filter (SAW) RF Filter (ceramic)

30. YSD 11.00 Wrist Communicator SEM micrograph showing the high aspect ratio feature of the MEM tunable cap. Single Crystal Silicon Superior Mechanical Properties High Aspect Ratio (20 to 1) Higher Linearity Large Tuning Ratio (> 6.5 to 1) Highlights of the Rockwell MEMS Tunable Capacitor אתגרים טכנולוגים : אנטנה, מעגלים לברירת תדרים, גודל, משקל, הספק פתרון בטכמ ” מ : החלף אלקטרוניקה ברכיבים מכנים למימוש מסננים, מתנדים, מאפננים וממצי אפנון (DEMODULATORS)

31. YSD 11.00 Wrist Communicator Balanced Electrodes Coupling Springs Resonators Balanced Electrodes Sixth-Order Bandpass Filter in MEMS Technology (200 x 700  m) Univ. of Michigan MEMS for Signal Processing

32. YSD 11.00 דוגמה ב ’ - חיישן משולב

33. YSD 11.00 Micro Airborne Sensor/Communicator MEMS-Based Power Generation & Energy Conversion MEMS Actuator Inertial Measurement Unit Whip Antenna MEMS Mass Data Storage MEMS Microphone MEMS Uncooled IR Sensor MEMS Optical Communicator MEMS Structural Material

34. YSD 11.00 40  m Lancet width = 170  m Needle width = 150  m דוגמה ג ’ - מיקרומחטים

35. YSD 11.00 ננוטכנולוגיות - השלב הבא... שילוב בין טכנולוגיות מיקרו לננו - אפשרי כיום טכנולוגיות ננו מתקדמות - עדיין לא קיימות טכנולוגיות ננו מתקדמות - עדיין יצטרכו ממשק (INTERFACE) לעולם החיצון, לאלקטרוניקה, אופטיקה, מכניקה. קרוב לוודאי שהממשק יהיה בטכנולוגיות מזעור הדומות לטכנולוגיות מיקרואלקטרוניקה ומיקרו - אלקטרו - מכניקה כיום.

36. YSD 11.00 What is Nanotechnology ? nThe 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 biological system 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.”

37. YSD 11.00 nWith 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 nNanotechnology: An art and science that has evolved to arrange conditions so that atoms spontaneously assemble into particular molecular structures. nNew terms such as “self assembly”, “molecular machines”, represent a new “bottom up” approach: building structures from atoms and molecules. What is Nanotechnology ?

38. YSD 11.00 nMolecular 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 n Biochemical systems exhibit a "microtechnology" quite different from ours: they are not built down from the macroscopic level but up from the atomic. n 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 מבני ננו ?

39. YSD 11.00 דוגמה לפוטנציאל העתידי של טכנולגיות ננו

40. YSD 11.00 nMolecular technology has obvious application to the storage and processing of information nMolecular devices can interact directly with the ultimate molecular components of the cell and thus serve as probes in studying processes within the cell nDevelopment 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 ?

41. YSD 11.00 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. YSD 11.00

43. Nanomachines

44. YSD 11.00 Large scale industrial nanotechnology nDevelop new techniques to produce food, medicine, etc. nBuild 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 nEnergy production. nReplace / complement microelectronics as leading enabling technology

45. YSD 11.00 Nano self-replicated machines