Upload
others
View
4
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
Základy mikroelektronických technologií
• Technologie tlustých vrstev• Technologie tenkých vrstev • Základy polovodičových technologií
Mikrosenzory a mikroelektromechanickésystémy
Mikroelektronické technologie
• polovodičové– Si technologie (oxidace, fotolitografie, epitaxe,
iontová implantace, metalizace)– GaAs technologie (aplikace nad 150°C)
• vrstvové (planární)– Tenkovrstvá technologie (monokrystalických,
polykrystalických i amorfních vrstev o tloušťce 1 nm až 1µm)
– Tlustovrstvová technologie (využívá sítotiskovépasty, vrstvy 1 až desítky µm silné)
Základy mikroelektronických technologií
• Technologie tlustých vrstev• Technologie tenkých vrstev • Základy polovodičových technologií
Mikrosenzory a mikroelektromechanickésystémy
Technologie tlustých vrstev(TLV)
• pasivní sítě, vodivé cesty, odpory a kondenzátory
• speciální (hybridní) integrované obvody(HIO)
• levný, nevakuový způsob vytváření vrstev• dobré elektrické a mechanické vlastnosti• dnes pro nekonvenční aplikace (senzory,
vojenské aplikace, aplikace s vysokou spolehlivostí a životností, displeje, pojistky, atd.)
Technologie tlustých vrstev
Tlustovrstvé senzory rozlišujeme na:
– senzory založené na obvodovém principu –využívá se změn parametrů elektrického prvku v obvodu (pasty rezistivní, vodivé, dielektrické)
– senzory založené na vlastnostech past – využíváse změn parametrů elektrického prvku tvořený pastou speciální (termorezistivní, piezorezistivní, enzymové atd.) nebo pastou standardní, která je výrazně citlivá na snímanou veličinu
Technologie tlustých vrstev
Materiály past• Cermetové - vysokoteplotní vypalovací proces
– kovy (Pt, Pd, Ag, Au, atd.) – oxidy kovů (odporové pasty - RuO2, Bi2Ru2O7),
(dielektrické složky - Al2O3, WO3, Y2O3, Bi2O3, CuO2, BaTiO3)
– skelné frity (PbO2, B2O3, SiO2)⇒ vzájemná vazba částic a se substrátem
– skelná– reaktivní (např. CuAlO2)– smíšená (malé množství skla, reaktivní oxidy a
sloučeniny funkční složky)
Technologie tlustých vrstev
• Organický nosič– rozpouštědlo (terpineol,….)– tixotropní příměs– surfaktant (snížení povrchových napětí)– celulosa (pro určení vizkozity)
• Polymerní - nízkou vytvrzovací teplotou (100-150°C)
– Ag, Ni, Cu, C s pojivou složkou (polyester, epoxid, acrylic, vinyl)
– Termosety pro dielektrické vrstvy
Třecí mlýn pro homogenizaci pasty
Technologie tlustých vrstev
• výroba– sítotisk– drop-coating
Na korundové, nitridové, zirkoniové nebo beriliovékeramiky, sklo, ocel, polymerní nebo polyimidové fólie
Vlastnosti past: pseudoplastické – tixotropní
Technologie tlustých vrstev
1
2
3
4
čas
D η
• Vliv viskozity – chování tixotropní pasty při tisku (1 – viskozita po míchání, 2 – počátek tisku, 3 –protlačení sítem, 4 – vyrovnání)
• Vlastnosti pasty
newtonský
s omezeným tokem
gelový
Technologie tlustých vrstev
• Proces vytváření tlustých vrstev– přizpůsobení pasty teplotě okolí– tisk (síta kovová, polyesterová,.. – MESH 280÷325)– doba ustálení pasty (cca. 10 min)– sušení (125 nebo 150°C/ 10 min)– výpal (obvykle 850°C/ 10 min) – tloušťka až15 µm
vodivé, 12 µm odporové, až 55 µm dielektricképozn. každá pasta (vrstva) se obvykle vypaluje zvlášť, odpory se vypalují většinou až nakonec
Některé využitelné vlastnosti jsou u komečníchpast parazitní – termorezistivní, piezorezistivní
Technologie tlustých vrstev
• běžný profil výpalu sítotiskových past
t (min)
T (°C)
10 min
-60°C/ min 60°C/ min
850
0 10 20 30 40
±1°C
Technologie tlustých vrstev
podložka
sklo
kov prázdnýprostor
keramika -sklo
kov
oxidy kovů
podložka
• struktura vrstev
– skelná vazba
– reaktivní vazba
Technologie tlustých vrstevSpeciální pasty• Termorezistivní
– NTC (oxidy Mn, Co, Cu, Ni, Fe, Ti, Zn, Mg, Cr, Li)– PTC (na bázi BaTiO3, TiO2, VO2, V2O3)
• Magnetorezistivní– Na bázi Ni
• Feromagnetické• Pyroelektrické
– Na bázi LiTaO3– Polymerní - PVDF
• Piezorezistivní– Cermetové piezorezistivní pasty – (SiC, AlAs, RuO2)– PTF: C a Ag polymerní sloučeniny
Technologie tlustých vrstevSpeciální pasty• Piezoelektrické
– na bázi BaTiO3– na bázi PZT (Pb, Zr, Ti)– piezoelektrické polymery - PVDF
• Citlivé na vlhkost– polymerní sloučeniny– hydrotalcitní protonické vodiče– cermetové pasty: SnO2
• Chemicky citlivé– pevné elektrolyty: ZrO2, ……– na bázi polovodivých oxidů kovů: SnO2, WO3, TiO2,….– polymery: polyelektrolyty, uhlíkové polymerní vrstvy,
polyetheruretan,….
Technologie tlustých vrstev
Speciální pasty• Biocitlivé
– polymerní lože s receptorovými částicemi
obecněVyrábí se pro daný typ aplikace záměrným přidáním funkčních látek, nových materiálů nebo technologickým zpracováním. (Ag/AgCl pro referentní elektrodu, teplota výpalu ovlivňuje konečnou velikost zrn, využití nanoprášků nebo mesoporézních nanoprášků).
V řadě aplikací je důležitá čistota – velmi obtížně splnitelné u TLV
Drop coating
• pasta s podobnými plastickými vlastnostmi jako u sítotiskových past
• malé množství (10-ky µL až 1-ky mL) prochází trubičkou pod tlakem → kapka
• vrstva nemá homogenní tloušťku –kulovitý tvar
Fotolitografická technologie
• Kombinace sítotisku a leptání• Využívá speciálních fotocitlivých past• Pomocí fotolitografie (osvit přes masku) je
vyleptán motiv ⇒ výpal• Zvýšení rozlišení klasické technologie ze
100 µm na 10 µm
Technologie tlustých vrstev• Aplikace a vlastnosti
– kapacitní, odporové senzory– chemické senzory – roztoků i plynů– funkce při vysokých teplotách – až 800°C– vytváření kanálků, membrán – obtížné know how– vysoká odolnost proti korozi, teplotním výkyvům,
stabilita – spolehlivost – snadné vytváření polymerních i biologicky
aktivních vrstev– malý odpor vodivých cest, vysoká proudová
hustota ve vrstvě – vytváření topných elementů
Základy mikroelektronických technologií
• Technologie tlustých vrstev• Technologie tenkých vrstev• Základy polovodičových technologií
Mikrosenzory a mikroelektromechanickésystémy
Technologie tenkých vrstev(TNV)
• PVD – naprašování, vakuové napařování• Chemické depozice
– CVD – chemické napařování– Spin- a drop-coating techniky – Elektro-chemická depozice – redukce kovů ,
anodizace
Technologie tenkých vrstev
• pasivní sítě, vodivé cesty, odpory a kondenzátory
• techniky mikroobrábění (micromachining)• vakuový způsob vytváření vrstev• rozměry pod 1 µm – litografie • spolu s polovodičovou technologií se užívá
pro výrobu integrovaných obvodů
Technologie tenkých vrstev• NaprašováníDefinice: Kinetické energie, které převyšují vazební
energie atomů způsobují zatlačení atomové mřížky do nové pozice, atomy jsou tlačené k povrchu a migrujív povrchových vrstvách kde dochází k defektům. Energie převyšující 4H způsobí dislokace atomů a jejich vypuzení do plynové fáze (odpaření). Naprašování je výsledek posloupných binárních kolizíiontů s atomy plynů takto odpařených.
DC naprašování• atom uvolněný do plynové fáze
vytvoří iont interakcí s elektrony• vzniká plazma unášené od
targetu k substrátu elektrostatickým polem
• kladné ionty plynu vznikající ve výboji jsou unášeny směrem ke katodě a dopadají na ní téměřrychlostí, kterou získaly v prostoru katodového spádu
• nejjednodušší naprašování(DC sputtering)
Magnetronové naprašování• target s naprašovacím materiálem je během
procesu umístěn v silném magnetickém poli• dociluje se mnohem koncentrovanější depozice
díky směrováním částic vlivem magnetického pole do středu
• nedochází k neefektivnímu rozptylu částic do krajůdepoziční komory
Vysokofrekvenční naprašování(RF sputtering)
• Systém obsahuje třetí elektrodu, jež je nevodivá.• Mezi katodou a anodou je DC pole a vytváří se
plasma jako u DC metody.• Mezi anodou a izolační elektrodou je přivedeno
vysokofrekvenční (RF) napětí (řádově MHz).• Povrch izolačního materiálu je v půlperiodách
negativně nabit oproti plasmě a docházík naprašování na povrch izolantu.
• RF magnetron sputtering.
Napařování – PVD × CVD
• vakuové napařování (PVD)nejjednodušší technologie výroby tenkých vrstev dekompozice pyrolýzou
ו chemické (CVD)
disproporce (tepelná), redukce, oxidace, nitridace (chemická reakce), polymerizace
Dekompozice
• Dochází při pyrolýze v uzavřeném systému, kde se ustálí rovnovážný tlak nazývaný tenze nasycených par.
• Je-li v určitém místě teplota nižší, dochází zde ke kondenzaci par, tj. materiál je přenášen z místa o vyšší teplotě (z výparníku) do místa o teplotěnižší (na podložku, na níž roste tenká vrstva).
• Rychlost depozice závisí na teplotě substrátu.
Dekompozice• vakuum 10-4 ÷ 10-6 Pa z důvodu zvětšení střední
volné dráhy• K nanášení vrstev kovů i sloučenin (Al, Cu, Au, aj.,
NiCr a SiO)
Disproporční napařování
• patří k chemickým napařováním z par (plynů) –CVD, LPCVD, PECVD
• vychází z využití plynu o dvou prvcích AB (prekursor) přicházejícího do studené oblasti, kde pouze A (precipitátor) je deponován na studenějšísubstrát.
• využívá se např. pro epitaxi křemíku nebo germania, ale i dalších vrstev kovů i jejich sloučenin.
SiH4 → Si+2H2
Další způsoby chemického napařování
• Redukce, oxidace a nitridace je založena na chemické reakci směsi plynů. Správnou volbou plynůdochází k určeným reakcím za přítomnosti plynůhydrogenů, chloridů, kyslíku nebo dusíku. Vznikají vrstvy kovů, oxidů nebo nitridů.
WF6+ 3H2 → W+6HFSiH4 +2O2 → SiO2+H2O
3SiH4 +4NH3 → Si3N4+2H2
• Polymerizace - Anorganické i organické polymery lze připravit z monomerní páry elektronovým svazkem, UV zářením nebo doutnavým výbojem.
dip- a spin-coating
• Sol-gel (vysrážení z roztoku) – roztoky kationtů kovů nebo organokovů (chloridy, acetáty nebo ethoxidy, isopropoxidy)
• rozpustné v kyselinách, butanolech a isopropyl alkoholu – precurzor (sol)
• při působení vody nebo amonných par docházík vysrážení nanočástic –precipitátor (gel) → kalcinace nad 300°C → oxidy kovů
kyselý roztok rozpuštěných kationtů kovů
zásaditý roztok
roztok vysrážených nanočástic
silné míchání
dip- a spin-coating• depozice vnořením substrátu do roztoku
(dip-coating) nebo na roztočený substrát (spin-coating) – velmi tenká vrstva (monovrstva)
• nanočástice lze i odfiltrovat a použít pro přípravu past
Spin-coater
Rotační depoziční deska
Elektro-chemická depozice
• depozici v kapalných a nekapalných médiích• chemická metoda – umožňuje pokovovat
nevodivé materiály• elektrochemická metoda – výhodná právě
pro depozici pomocí masky, odpadáselektivní leptání
• jednoduchá a levná• Faradayův zákon
][ 1−⋅= scmJEtd
ρα
Elektrochemická depozice
• Galvanické (katodové) pokovování– vytváření kovových vrstev redukcí
kationtů na katodě z roztoků solí (NiCl2, apod.), sulfidů (CuSO4, apod.), kyselin (kys. platiničitá), acetátů a dalších sloučenin
+−−+ +++→+ HOHClNiOHNiCl 2222 222
Elektrochemická depozice
• Anodizace– řízená elektrochemická oxidace anody –
vytváření tenkých vrstev oxidů kovů(SnO2, CuO, Al2O3, TiO2 atd.)
– samouspořádání některých materiálů(Al→Al2O3, Ti→TiO2) za určitých podmínek → hexagonálníbuňky od 20 do 500 nm
Základy mikroelektronických technologií
• Technologie tlustých vrstev• Technologie tenkých vrstev • Základy polovodičových technologií
Mikrosenzory a mikroelektromechanickésystémy
Polovodičové technologie
• monokrystal polovodiče - tažení, řezání na salámky, leštění
• elektronová litografie - výroba masek• fotolitografie (světlo, UV, rentgenová litografie)• selektivní leptání (přes masku, izotropní,
anizotropní, iontové)• termická oxidace• difúze příměsí• iontová implantace• naprašování a napařování vrstev• montážní techniky – pouzdření, propojování
Litografie
• Přenášení topografie struktury do materiálu pomocí masky– Vytvoření masky pro mnohonásobné použití –
elektronová litografie a leptání– využití hotové masky za pomocí fotolitografie
– motiv je přenášen osvitem UV nebo rentgenovým zářením pro hromadnou výrobu
Elektronová litografie (EBL)
• realizace masek s motivy mikronových i submikronových rozměrů
• inspirováno rastrovacím elektronovým mikroskopem
• počítačový návrh topografie masky - snadnásyntéza funkčních celků, zavádění změn a úprav
• expozicí přímo na substrátu umožňuje v relativněkrátké době vyvinout funkčně nový obvod nebo ověřit novou technologii
• „kreslí“ do polymerního rezistu (PMMA)
Elektronový litografÚstav přístrojové techniky AVČR
Elektronová litografie (EBL)
• elektronová litografie umožňuje vytvořit fotolitografickou předlohu s vysokým stupněm koncentrace funkčních prvků pro různé druhy projekční litografie
• vysoká cena• pro velmi vysoká
rozlišení se používái jiných materiálů
rezist
Kovová maska po leptání a odstranění rezistu
Kovový plech
Fotolitografie
• fotoresist – pozitivní, negativní• osvitové záření – světelné, UV, RTG
záření polymerizuje fotorezist –rozpouštění ve vývojce
• leptání motivu v rezistu do SiO2 –odolná maska pro další procesy
Oxid
Negativní fotorezist
Fotolitografie a leptání je ta část technologie, která umožňuje tvarovánívrstev na povrchu křemíkové desky. Na obrázku vlevo je křemíková deska s vrstvou termického oxidu.
Na desku se nanese lak citlivý na světlo -fotorezist. Během nanášení fotorezistu se rýchlou rotací lakované desky dosáhne jeho rovnoměrné rozvrstvení po celé ploše.
Projekčním systémem se na desku promítne obraz celé masky (je to vzor vytvářené struktury) - deska se ozáříultrafialovým světlem, nebo-li naexponovuje. Osvětlené části fotorezistu polymerizují a stanou se nerozpustné ve vývojce.
Vývojkou se z desky odstraní neosvětlený fotorezist a pak se deska opláchne - proces vyvolávání. Ve vrstvě laku se vytvoří detaily.
Ponořením desky do leptadla (POL) docházík vyleptání odkrytého oxidu v oknech fotorezistu až po povrch křemíku - mokréleptání. Exponovaný fotorezist je vůči leptadlu odolný.
Ponořením desky do směsi kyseliny sírové a peroxidu vodíku se odstraní fotorezist.Na připojeném videu jsou zachyceny jednotlivé fáze fotolitografického procesu.
Projekční systém
Zdroj UV světla (výbojka)
Fotolitografickámaska
VývojkaOplachovadlo
VIDEO 320 x 240
Fotolitografie
A – vytvoření oxidu na Si substrátu s vodivostí NB – nanesení fotorezistu (spin-coating)C – osvětlení přes masku UV zářením, maska vytvořena pomocí EBLD – vymytí osvětlených částí (pozitiv)E – vyleptání motivu do SiO2F – připraveno pro další procesy např. nanášení vrstev nebo difúze
příměsí do Si
Vrstvení v planární technologii
• rezistor
Odpor na čtverec
R [Ω/]
R = R [Ω]
maska
maska
substrát
kontakty
odporová vrstva
l w
1
2
3
4
5
ka'tlouštρ
=
wl
Vrstvení v planární technologii
• kondenzátor
C [pF/ ]
C = C ·a · b [pF/]maska
maska
substrát
kontakt (elektroda)
dielektrická vrstva
kontakt (2 elektroda)
a b
maska
7
6
5
4
3
2
1
ka'tloušt. rε08850=
Příklad vytvoření TNV rezistorů• odporová vrstva je nanesena na substrát, na něj adhezní vrstva (např. Ti) a nakonec vodivá vrstva Au
• nanesení fotorezistu, exponování přes masku a odstranění exponovaného fotoresistu
• elektrodepozice Au do určitétloušťky
• odstranění fotorezistu, odleptánízlata a adhezní vrstvy
• vyleptání odporové vrstvy
Selektivní leptání
• leptání za využití masky• druhy leptacích reakcí
– rozpouštění vysokomolekulárních krystalů v organických rozpouštědlech
– rozpouštění iontových krystalů polárním rozpouštědlem
– rozpouštění provázené chemickou změnou (kovy a polovodiče)
Selektivní leptání
• Technologie leptání (mokré, suché)– chemické – přímé působení na povrch materiálu
pouze difúzí částic (krystalických a amorfních tenkých vrstev – tvarování a leštění)Ag – HNO3+H2O (1:1)Cu, Au – KJ+J2+H2OAl2O3 – H3PO4
SiO2 – HNO3+HF+H2O
Selektivní leptání– elektrochemické – anodické rozpouštění
působením aniontů elektrolytu pod vlivem elektrického pole (oxidačně-redukční reakce, převádění produktů do roztoku) např. HNO3 –oxidační činidloužívá se u polovodičů, liší v závislosti na orientaci krystalové mřížky
– iontové – leptání (odprašování) v doutnavém výboji ve vakuu ionty inertních plynů (iontovým svazkem, vysokofrekvenčním odpařováním)
Selektivní leptání• leptání Si
– všesměrové leptání na základě rozpustnosti a plochy leptaných látek – izotropní leptání
– tvar leptané jámy závisí na orientaci Si substrátu (krystalová mřížka) – anizotropní leptání
– orientace substrátu(využívaná v polovodičovétechnologii)
100111110
Selektivní leptání
• Poloha krystalové mřížky orientovaného substrátu
<100> <111>
Termická oxidace
44%
56%
Původní povrch
SiSi SiSi Si Si Si
SiSi SiSi Si Si Si
SiSi SiSi Si Si Si
SiSi SiSi Si Si Si
OO
OO OO
OO
O
O
O
O O Si
SiSi
Si
Si
Si O
O
O
OO
OOO O
O O OH
OH
300 600
500
1000
Čas [min]
Tlou
šťka
[nm
]
KyslíkVoda
1000°C1100°C
Si
1000°C
SiO2
Pouzdření
• keramická, plastová, kovová pouzdra• lepení vodivým, nevodivým organickým
(nízké teploty) nebo anorganickým lepidlem (vysoké teploty)
• nebo přípájení ke kovarovému pouzdru (AuSn)
Pouzdření• svařování – ultrazvukem Al drátek,
termokompresí Au drátek (25 µm ÷ 300 µm)• zdvojování drátků