1
Laboratóriumi gyakorlat az MTA TTK MFA MMS Laboratóriumában Ádám Antalné, Csikósné Dr Pap Andrea Edit
Cím: 1121 Budapest, Konkoly-Thege Miklós út 29-33, KFKI Campus 18/D épület http://www.kfki.hu/campus/index.html
Megközelíthető: a Széll Kálmán térről (Várfok utca megállóhelyről) induló 21-es buszokkal (végállomás, KFKI), közvetlenül a KFKI Telephely portája előtt áll meg a járat. Belépéshez szükséges: személyi igazolvány.
2
Bevezetés MEMS eljárások, technológiák 1. Kiindulási pont: Si egykristály szelet Elvárások: - nagy görbületi sugár - kristályrács-hiba mentes - egy vagy két oldalon polírozott, atomi simaságú - definiált orientációjú (leggyakrabban 100) 2. Felületkezelés, kémiai tisztítás: - füstölgő HNO3 és forró HNO3 (feloxidált felület) - RCA tisztítás két lépésben • szerves anyagok eltávolítása: NH4OH és H2O2 • fémszennyeződés eltávolítása: HCl és H2O2 3. Oxidáció Funkciói: - maszkoló réteg - szigetelő réteg - passziváló réteg Kialakítás: - termikus oxidáció, magas hőmérsékleten, száraz vagy nedves közegben - kémiai gőzfázisú leválasztás (CVD) - anódos oxidáció (elektrolízis pl KOH-ban) - plazma oxidáció (RF porlasztás) Minősítés (pl. C-V mérés, szivárgási áram mérése, stb.): - vastagság/homogenitás - tisztaság 4. Ionimplantáció (Adalékolás, felgyorsított részecskék - ionok, ioncsoportok – szilárd testekbe való belövése.) Funkciói: - elődiffúzió megelőzése – predepozíció - p-n átmenetek kialakítása - MOS tranzisztorok küszöbfeszültségének beállítása, forrás és nyelő területeinek önillesztett kialakítása - amorfizálás, getterezés - felületi réteg mechanikai, elektorom, kémiai, optikai tulajdonságainak megváltoztatása úgy, hogy azok „térfogati” tartományban nem változnak meg, de lokálisan homogének lesznek Megvalósítás: - nagy vákuumban - ionforrásból kilépő, gyorsított ionok tömegszeparátoron áthaladva érkeznek a Si felületre - kezelendő felületet „söpörtetik” az ionnyalábbal a homogenitás érdekében - gyorsító feszültség reprodukálható, precízen beállított - kontrollált minőségű target 5. Vékonyréteg leválasztás Elvárások: - egyenletes eloszlás a teljes szubsztráton - azonos összetétel, szerkezet - azonos fizikai, kémiai tulajdonságok - tömörség; szivacs vs. réteg, tűlyuk - jó tapadás - kis termomechanikai feszültség - lépcsőfedés - speciális követelmények, pl. súrlódás, nedvesítés, biokompatibilitás
3
- gazdaságosság Alkalmazás: - félvezető gyártástechnológia - Mikro-elektromechnaikai rendszerek (MEMS) - hővezető bevonatok - napelemek - optikai alkalmazások, pl. szűrők, rácsok, antireflexiós rétegek, stb. - kopásálló bevonatok, pl. szerszámok, optikai elemek, humán protézisek, stb. - korrózióálló bevonatok - dekorációs bevonatok Megvalósítás: - fizikai módszerek • szilárd forrásból; párologtatással, porlasztással (dc, rf, magnetron, Molecular Beam Epitaxy) • olvadékból (Liquide Phase Epitaxy) - kémiai módszerek • elektrolitból; galvanizálással • oldatból; szuszpenzióból lecsapással, szol-gél technikával • gázfázisból; Cemical Vapour Deposition (CVD), Vapor Phase Epitaxy, Metal Organic CVD, Low Pressure CVD, Plasma Enhanced CVD, Micro Wave CVD, Photon/Plasma Assisted CVD, Atomic Layer CVD 6. Si 3D megmunkálása Lásd később részletesebben! Felületi mikromechanikai eljárás: segédréteggel pl. oxid rétegen poliSi leválasztása, majd az oxid eltávolítása. Tömbi mikromechanikai eljárás: nedves kémiai (izotróp, anizotróp) vagy száraz kémiai marásokkal. 7. Fotólitográfia Lásd később részletesebben! Funkciói: - ábrakészítés, mintázat átvitel - védelem Elvárások: - méret és alakzat megtartása - reprodukálhatóság
4
6. Si 3D megmunkálása Mikromegmunkálás száraz és nedves kémiai maratással 6.1. Ábrakészítés vékonyrétegekben Ábra kialakítása vékonyrétegben történhet szubsztraktív módon (1.ábra), vékonyréteg marással vagy additív módon "lift-off" technikával (2.ábra). A vékonyréteg kémiai tulajdonságát figyelembe véve alkalmazzuk az egyik, vagy a másik módszert. A szubsztraktív eljárások során használunk folyadék halmazállapotú marószereket ("nedves marás"), ill. gázhalmazállapotú, plazmás eljárásokat. Amennyiben az a folyadék marószer, amelyben oldódik a vékonyréteg, nem korrozív az ábrát megadó lakkréteggel szemben, a marás sebessége nem kíván 80 °C-nál magasabb hőmérsékletet és a kialakítandó ábra mérete jóval nagyobb a vékonyréteg vastagságánál (min. 3-4-szerese), a technikailag legegyszerűbb nedves szubsztraktív módszert használjuk.
1. ábra: Szubsztraktív ábrakialakítás (marás, v. etch-back) lépései
2 ábra: Additív ábrakialakítás lépései: Lift-off technika
5
6.1.1. Szubsztraktív ábrakialakítás A szubsztraktív ábrakialakítás során különbséget teszünk az izotróp, ill. anizotróp jellegű marási profilok között (3. ábra). A kétféle marás között - különösen a fizikai és kémiai hatásokat ötvöző plazmás eljárások során - átmeneti állapotok is léteznek, ilyenkor a marás "anizotrópia fokát" határozzuk meg (marás mélysége/oldalirányú alámarás).
fotolakk y
alalámarás szubsztrát, v. egy másik vékonyréteg
3. ábra: Izotróp (x=y, bal oldalon) és ideálisan anizotróp (y>>x, jobb oldalon) marási profil. A középső ábra részlegesen anizotróp jelleget mutat.
A marószerekkel - marási eljárásokkal szemben támasztott általános követelmények: • egyenletes marási sebesség a teljes hordozó (szubsztrát) felületén • nagy szelektivitás a maszkoló rétegre (általában fotolakk, de más is lehet) • nagy szelektivitás a hordozó rétegre (vréteg/vhordozó >10..100) • a marandó vékonyrétegek tipikus méretének megfelelő marási sebesség (≈0,1-1µm/perc) • lehetőleg kémiai reakció által legyen kontrollált (nem transzportfolyamat által) 6.1.1.1. Nedves kémiai marások A nedves kémiai marások általában izotróp jellegűek, de egyes marószerek az egykristályokat anizotrópan marják. A Si félvezető ill. MEMS technológiákban leggyakrabban előforduló vékonyrétegek a SiO2, Si3N4, SiOxNy, polikristályos-szilícium, fémek: Ti, W, Mo, Pt, Pd és ezek szilicidjei, alumínium, arany, permalloy (Ni:Fe=81:19). Ezek marószerei a technológiai összefoglaló tankönyvekben megtalálhatók. Itt csak néhány példán mutatjuk be a szubsztraktív ábrakialakítás jellegzetes technikáit. Példák: Si - izotróp marása 3Si + 4 HNO3 +18HF → 3H2SiF6 +4NO +8H2O [ HNO3 oxidál, a HF az oxidot oldja ] • HF:HNO3:CH3COOOH = (3:5:3) 80µm/perc, ( 2:5:15) 5µm/perc • HF:HNO3:H2O = (3:50:20) polikristályos Si marása 0,8µm/perc Si - anizotróp marása szervetlen és szerves lúgokban Si3N4 • Si3N4 + 18HF → H2SiF6 + 2(NH4)2SiF6 - tömény HF-ban, (v = 5-6nm/perc) • 3Si3N4 +27H2O +4H3PO4 → 4(NH4)3PO4 + 9H2SiO3 (140-160oC)
6
SiO2 SiO2 +6HF → H2SiF6 +2H2O sebesség a HF ( H+, F-, HF2-) koncentrációtól függ NH4F:HF puffer oldatban, pH=4,5 T=24°C, v=0,1µm/perc Al • •
savban: 2Al +6H+ → 2Al3+ + 3H2 lúgban: 2Al +2OH- + 6H2O → 2[Al(OH)4]- + 3H2
6.1.1.2. Plazmamarások A plazmamarások során csökkentett nyomáson (1-10 mbar) rádiófrekvenciás (esetenként mikrohullámú) gerjesztéssel a marandó anyagnak alkalmasan megválasztott gázokban plazmakisülést hozunk létre. A plazmakisülés során a töltéssel bíró részecskék a változó tér irányának megfelelően gyorsulnak és a gáz egyéb alkotóival ütközések sorozatában vesznek részt, melyek eredményeként kémiailag aktív termékek széles skálája keletkezik. Ha sikerül olyan körülményeket beállítani, ahol a kémiailag aktív részecskék élettartama elegendően nagy ahhoz, hogy a munkatérben elhelyezett hordozó felületére is nagy számban eljussanak, akkor létrejön a kívánt marás - feltéve, hogy a heterogén reakció terméke is gázhalmazállapotú és deszorbeálódik a felületről. A gyakorlatban halogén: F , Cl , néha Br alapú plazmákat használnak. A marási profil izotróp, v. anizotróp jellegét a kémiai reagens minősége és az alkalmazott plazmamaró konfiguráció tulajdonságai határozzák meg. Általánosságban elmondható, hogy a marások többsége izotróp jellegű, de a szubsztrát megfelelő előfeszítésével az izotróp kémiai marás kombinálható egy irányított "porlasztással", így a fizikai-kémiai reakció különböző fokú anizotróp marási profilt eredményezhet. Ennek a technikának a mai áramkörök tized-mikrométeres méretei mellett különleges jelentősége van. Példák: Si és Si vegyülteinek marása A legelterjedtebben alkalmazott CF4 (és homológjaiból képzett) plazmában a képződő fluor atomok és CF3• játsszák a fő szerepet a Si és a Si vegyületeinek marásában. Általánosságban megfogalmazható, hogy a F atomok a Si és a Si3N4, a CF3• gyök pedig a SiO2 marószere. Ennek megfelelően a CF4 alapú plazmák marási tulajdonságai, a fenti rétegek marásakor mutatott szelektivitása a plazmák összetételével az változtatható, melyet az alábbiakban foglalunk össze. CF4 + e- → CF3• +F • + eSi + 4F • → SiF4
marás
(elektron ütközéses disszociáció) CF3• + F • → CF4 rekombináció: ez domináns
A gyökök rövid élettartama miatt a tiszta CF4 plazmában kicsi a Si és a SiO2 marási sebessége is. Si (és Si3N4) marása O2 hozzáadásával az alábbi reakciók miatt növelhető a F• (és csökken a CF3• tartalom). CF3• + O2 → COF2 + OF• CF3• + OF• → COF2 + 2F• OF• + OF• → [O2F2] → O2 + 2F•
7
A fluor tartalom növelésére 5-20% O2 -t keverünk a CF4 gázhoz. Hasonlóképpen alkalmazzák a SF6 + O2, elegyet, ill. az NF3 -ot. Ez utóbbi két gáz komoly előnye, hogy a bizonytalan összetételű és inhibitorként működő bizonytalan összetételű polimerek kialakulásának a veszélye nulla, ugyanakkor korrozív jellegük, mérgező tulajdonságuk, ill. az NF3 magas ára miatt használatuk nem feltétlenül ideális. SiO2 marása A SiO2 marásakor lejátszódó reakció: 4CF3• + 3SiO2 → 3SiF4 + 2CO + 2CO2 A fentiek alapján értelemszerűen a CF3• koncentrációt növelni, a F• tartalmat csökkenteni kell. Ennek legegyszerűbb útja, ha a rendszerbe H2 adagolunk, ugyanis a hidrogén a F atomokkal rendkívül stabil HF molekulát képez, így az egyensúly a szilícium-dioxidot maró CF3• képződésének irányába tolódik el. 2F• + H2 → 2HF stabil CFx (x=1-3) + SiO2 → SiF4 + CO + CO2 + COF2 CFx (x=1-3) + Si → Si Fx + C (CxSiyFz- polimer marás leáll) A leggyakrabban alkalmazott marógázok: CF4 +H2, CHF3, C2F6 + H2, C3F8 + H2 A legutolsó egyenlet nemcsak a reduktív jellegű CF plazmák Si-ra mutatott nagy szelektivitásának okát érzékelteti, de jelzi a polimer képződés nyújtotta lehetőségeket, ill. annak veszélyeit is. Ha nem sikerül a nemkívánatos polimerektől megszabadulni, a megmunkált minta használhatatlan lesz: pl. egy elektromos Si kontaktust beborító vékony szigetelő réteg az egész áramkört használhatatlanná teszi. Ugyanakkor jól definiált szubsztrát körülmények között egy hasonló jellegű polimer polimer képződés kiválóan felhasználható a marás anizotrópia fokának növelésére. Egy olyan rendszerben, ahol a fizikai és kémiai hatások egyszerre érvényesülnek (szubsztrát előfeszítés) a két lépés periodikus változtatásával előállítható egy meredek falú árok: az első lépésben irányított kémiai-fizikai marással kimarjuk a kívánt réteget, majd a másodikban olyan gázösszetételt (esetleg fizikai paramétereket) állítunk be, amely a kimart gödröt vékony rétegben polimerrel borítja. Ezután megint az első művelet következik, de itt az irányított marás már csak a gödör alján alkalmas arra, hogy a elporlassza vékony polimert és a marószer számára szabaddá tegye a felületet, 4. ábra: Mély árok készítése ciklikus marási ugyanakkor az oldalfal továbbra is védett marad. eljárással: Marás-polimerleválasztás-ionbombázásos anizotróp polimermarás-marás Ezeknek a lépéseknek az ismétlésével egészen mély, meredek falú gödrök marhatók, amelyeknek a bonyolult áramkörök több szinten elhelyezett fémvezetékeinek összekötésénél, ill. a 3D MEMS eszközök kialakításában van rendkívüli jelentőségük (4. ábra).
8
6.1.2. Additív ábrakialakítás Az additív („lift-off”) ábrakialakítás feltétele, hogy a leoldandó segédréteg oldalfalán a leválasztott vékonyréteg ne legyen folytonos, azaz a lépcsőfedés ne legyen ideális. Ez a geometriai méretek függvényében megvalósítható egyszerű lakkábrával és a rossz lépcsőfedést adó vákuumgőzöléssel, de két segédréteg alkalmazásával - ha a második réteget izotróp marással alakítjuk ki - szinte minden típusú lépcsőfedéshez előállíthatók a technika szükséges feltételei. (5. ábra) lakk
2. segédréteg
5. ábra: egyszerű és két segédréteges szerkezet a lift-off technikájú ábrakialakításhoz.
7. Fotólitográfia 7.1. Az optikai litográfia elméleti alapjai 7.1.1. Fotókémiai reakció A fotólitográfiás műveletek során egy fényérzékeny, többkomponensű polimer filmből egy lakkmintázat készül. Kémiai összetételét tekintve a polimerfilm, röviden lakk, vagy reziszt, három különböző komponensből áll, a novolakk filmképző polimerből, a fényérzékenyítőből és a két komponenst oldatban tartó oldószerelegyből. Szárazanyagának 30-40 tömegszázaléka a vízben nem oldódó diazonaftokinon (DQ) fényérzékenyítő, mely inhibitor hatása folytán korlátozza a másik komponens oldékonyságát a hívó oldatban.
6. ábra Pozitív fotólakk oldékonysága a hívó oldatban a fényérzékenyítő anyag koncentrációja függvényében az exponált és nem exponált lakk esetén.
Az exponálás során, a fénnyel megvilágított helyeken fotókémiai reakció játszódik le, a lakk naftokinondiazid (DQ) komponense átalakul, ennek reakcióterméke az indékarbonsav (ICA).
9
Az exponált lakk a hívó oldatban rendkívül jól oldódik, ha megfelelően nagy a DQ koncentráció, ezzel együtt nő a kontraszt is, azaz az exponált és nem exponált lakk oldékonyságának különbsége (6. ábra). Az exponáláshoz az u.v. fényforráson kívül egy ú.n. maszkra van szükség. A maszk egy speciális planparallel üveglemez, melynek egyik oldalán króm vékonyréteg mintázatot alakítottak ki. Az exponálás során az üveglemez átlátszó részén áthatoló fény okozta fotokémiai reakció a fentiek szerint megy végbe. A novolakk filmképző polimer nem fényérzékeny, illetve a vizsgált 365-436nm-es tartományban kémiailag stabil. Ez az a hullámhossz tartomány, amelyen belül használjuk az közeli u.v. tarományban érzékeny pozítív fotólakkokat. A fentiekben leírt fotólakk pozitív működésű, ami azt jelenti, hogy a maszkon levő átlátszatlan mitázat a lakkban azonos kontraszttal képződik le, vagyis a maszk mintázatnak megfelelő lakk mintázat alakul ki a szilícium szeleten. A pozitív fotólakkok előnyös tulajdonságai miatt elterjedtebbek, mint a negatív fotólakkok, mivel a pozitív lakk alkalmas nagyfelbontású, finom mintázat kialakítására, a finom minta megőrzi az alakját az előhívás folyamata alatt is, s ellenálló a plazma-műveletekkel szemben. 7.1.2. Az előhívás folyamata Az exponált lakk oldékonysága a hívó oldatban egy adott dózis küszöbértéknél Dmin hirtelen megváltozik, vagyis a fotokémiai reakció az exponált terület alatti teljes térfogatban lejátszódik megfelelő hatásfokkal. Az optimális dózis Dmin-nál mindig nagyobb, de közel esik a munkapont ehhez az értékhez (lásd 7. ábra).
7. ábra Az előhívás után meg maradó lakkvastagság az exponálás dózisa függvényében
7.1.3. A hőkezelés folyamata A maszk mintázatnak a fotólakkra történt exponálása és előhívása után kialakul egy olyan lakkmintázat a hordozón, melynél a mintázat topológiája szerint fedett és fedetlen területek vannak. A lakkal fedett részeken a fotólakk az erős ásványi savakkal szemben ellenállóvá válik, ha további hőkezelésnek vetik alá. A polimer háló kialakulása az alábbi reakció szerint megy végbe:
10
Az inhibítor molekula és a novolakk észter kötést hoz létre, s az így létrejött makromolekula nemcsak a szobahőmérsékleten, hanem egészen 60-80C˚-ig is stabil marad ásványi savak elegyében akár néhányszor 10 percig is. A salétromsav roncsolja a lakkot, így csak nagyon kis mennyiségben szabad tartalmaznia az alkalmazott marószernek (lásd Al maró oldat).
7.2. A fotólitográfiás maszkillesztő berendezések elvi működése, az optikai ábraleképzés 7.2.1 .Kontakt és proximity másolás A maszkillesztő és exponáló berendezések segítségével a szeleten már előzőleg kialakított mintázathoz egy következő maszkszintnek megfelelő ábrát lehet nagy pontossággal hozzáilleszteni. A berendezések egyik fő része, a mechanikus mozgató rendszer, mely képes a szelet x,y pozícióját, valamint a szögállását 1 mikronnál kisebb eltéréssel beállítani, még akkor is, ha maga a berendezés a higanygőzlámpa G vonalára van optimalizálva. A várható felbontóképesség a kontakt másolásnál: 2b = 3√0,5 λd ahol λ = exponáló fény hullámhossza, d = lakkréteg vastagsága, 2b = minimális periódus méret, s = maszk-lakk távolság, Kontakt másolás esetén a lakk és a maszk között közel optikai kontaktus alakul ki. Ha λ = 400 nm, d=1 µm, akkor 0,7 µm-os felbontást kapunk. Proximity másolásnál egy bizonyos rést alakítanak ki a lakkréteg és a maszk között, így a felbontóképesség ugyan romlik, de a maszk nem szennyeződik, mivel a lakkréteg és a maszk nem érinti egymást. A felbontóképesség egyenlete tartalmazza az s tagot is: 2b = 3√s+0,5 λd Ha λ = 400 nm, s = 10 µm és d = 1 µm, akkor b = 3.0 µm-os felbontást kapunk.
11
8. ábra A maszkillesztő berendezés elvi vázlatát és a lakkban kialakult intenzitás-eloszlást mutatja a következő ábra a maszkon levő átlátszó és átlátszatlan területek periodikus mintázata esetén:
A maszkillesztő berendezés optikája egy kollimátor lencserendszerrel biztosítja a párhuzamos fényt, melynek fényforrása a nagynyomású higanygőzlámpa. Emissziós spektruma az alábbi ábrán látható. Az üvegből készült optika a 365 nm-nél kisebb hullámhosszúságú fényt már szinte teljes mértékben elnyeli, ezért ha a felbontóképességet tovább akarjuk növelni az alkalmazott hullámhossz csökkentésével, az üveg optikát kvarc optikára kell lecserélni.
9. ábra. A nagynyomású higanygőzlámpa emissziós spektruma.
7.3. Technológiai lépések Általános megfogalmazásban optikai litográfiával mintázatokat lehet kialakítani egy hordozóra felvitt vékonyrétegben. Először a fényérzékeny polimert (fotólakk oldatot) terítik a mintára, ezt követően a lakkréteg szárítása történik két lépésben. A lakkal fedett mintára helyezett maszk
12
megvilágítása után az előhívás, azaz az exponált lakk szelektív kioldása következik. További hőkezelés után, a lakkal nem fedett helyeken kimarják a vékonyréteget. Ennek értelmében az alábbi technológiai lépések szükségesek a lakkmintázat, majd a vékonyréteg mintázat előállításához. 7.3.1. Dehidratálás A művelet célja, hogy a megmunkálandó vékonyréteg felülete hidrofób legyen. Általában, a frissen leválasztott fémrétegek, a szilícium-nitrid, poli-szilícium, valamint a magas hőmérsékleten készített szilícium-dioxid réteg felülete hidrofób, ezért a dehidratálásra nincs szükség. Ezzel szemben, minden vizes művelet után a szilícium-dioxid rétegen a felületre fizikailag kötött vizet 300 °C-os, egy órás szárítással távolítjuk el, a kémiailag kötött vizet 900 °C-os hőkezeléssel. Ha a magas hőmérsékletű hőkezelésre nincs lehetőség, a szilícium-dioxid felületére egy tapadásnövelő réteget, ú.n. primert vihetünk fel centrifugával. Nagy illékonysága miatt egy monomolekulás réteg alakul ki. A primer kémiai elnevezése: hexametil-diszilazán, röviden HMDS. Poláros csoportjai a kémiailag kötött vízhez, az -OH csoportokhoz kötődnek, míg az apoláros részek beborítják a felszínt, a hidrofóbbá vált felületén jó nedvesítés alakul ki a lakkréteg és a primerrel borított felület között. 7.3.2. Lakkfelvitel Centrifuga segítségével, két lépésben visszük fel az egyenletes vastagságú lakkréteget. Az első lépés a lakkterítés 600 rpm-en 2 másodpercig, a második lépés a szárítás 3-6000 rpm-en 30 másodpercig tart (10.a. és10.b. ábra). Fotólakk
A felesleges lakk lepereg a forgás alatt
Vákuum csatlakozó 10.a. ábra Lakkterítő centrifuga
Lakk adagoló
13
Fordulatszám Lakkszárítás,
Lakk terítés
10.b. ábra A lakk centrifugálás folyamata
A lakkréteg vastagságát a lakkoldat szárazanyag tartalma, viszkozitása, a centrifuga fordulatszáma és a környezet hőmérséklete határozza meg. Az oldószer illékonysága kisebb mértékben, de szintén hat a film vastagságára. Kiválasztásakor újabban a polimerek oldhatóságán és a filmképzési tulajdonságok optimalizálásán kívül a környezetre, az egészségre való káros hatást is figyelembe veszik. A lakkfelvitel hibái: - Striation (bordázat): sugárirányú színes vonalak, melyek vastagsága kb.20-30nm-el tér el a környezetétől - Lakkperem: Vastagság eltérés a kerület mentén , mely maximum 100-1000nm-el tér el a szelet közepén mért vastagságtól. - Ellipszis alakú mintázat radiális irányban. Szilárd részecskék, porszemek okozzák. 7.3.2. Lakkszárítás A művelet célja a lakkfilmben megkötött oldószerek eltávolítása, a réteg tömörítése. Pozitív lakk esetén a hőciklus tipikusan 90-95C°-on konvekciós kályhában történik, vagy 100-120Cº u.n. hot plate-en (11. ábra). Az iparban mikrohullámú és infravörös kályhás szárítást használnak. Hot plate használata előnyös, mert gyors, nem képződik a lakkfelszínen kéreg, így az nem zárja el az elpárologtatandó oldószer útját, a művelet jól ellenőrizhető. Jó a termikus kontaktus, mivel sík a felülete. A lakkvastagság kb. 25%-al csökken a lakkszárítás folyamata alatt. oldószer fotólakk
Si szelet
Hot plate chuck 11. ábra A hot plate-s szárítás
Pontos szárítási hőmérséklet-idő paraméter párok szükségesek a lakkábra geometriai méreteinek reprodukálására. Az előhívás ideje is függ a szárítási hőmérséklet-idő paraméterektől az exponált területen, de függ a sötét terület korróziója is a fenti paraméterektől. Az exponálatlan
14
területek oldódása rontja a kontrasztot (a lakk oldalfalak laposabbá válnak), valamint rontja a lakk kémiai ellenálló-képességét is. A 100 ºC-os szárítás már nagymértékben roncsolja a fényérzékenyítő komponenst, magasabb hőmérsékleten már a kioldás sem lehetséges (12. ábra). Oldási sebesség [nm/sec] 400 300 200 100 50
60
70
80
90 100
Hőmérséklet[ºC]
12. ábra Pozitív fotólakk oldási sebessége a szárítási hőmérséklet függvényében az exponálást követően.
7.3.3. Maszkillesztés, exponálás Többmaszkos technológia esetén, a szeleten levő, korábban kialakított ábrához illesztik maszkon levő ábrát egy mikroszkóppal felszerelt maszkillesztő-berendezés segítségével. Az illesztőberendezés exponáló része egy ultraibolya fényforrást tartalmaz, egy nagynyomású higanygőzlámpát, és egy kollimátor rendszert. Az intenzitás sűrűséget egy fényintegrátor állítja be automatikusan a maszkillesztő berendezésen. A kapott lakkábra kontrasztja a maszkhoz viszonyítva az alkalmazott lakk tulajdonságától függ (lsd 13. ábra).
A lakkban látens kép alakul
Maszk:üveg hordozón króm bevonat. Si Előhívás - nedves kémiai
NEGATÍV FOTÓLAKK A fény hatására a lakk polimerizálódik, így oldhatatlanná válik az előhívó oldattal szemben.
POZITÍV FOTÓLAKK A fény hatására elbomlik az inhibítor, a lakk így oldhatóvá válik az előhívó oldatban.
13. Exponálás UV fénnyel, egyenletes megvilágítás
15
7.3.5. Előhívás Az exponálással kialakított látszólagos képet az előhívó oldatba mártással, szelektív kioldással alakítjuk ki. Előhívás után lakkal fedett és fedetlen területek határán alakulnak ki a lakk oldalfalak. Ezek meredeksége adja az ábra kontrasztját, minél meredekebb a fal, annál jobb a kontraszt és annál nagyobb a felbontóképesség. A forgalomban levő előhívó oldatok koncentrátumok, így további hígításra kerülnek. Az előhívó oldat koncentrációja, a lakk réteg vastagsága és az exponáló dózis határozzák meg az előhívási időt. Az említett paramétereket úgy kell megválasztani, hogy az előhívás ideje 25-50 sec között legyen. A kontraszt ilyen hívási idők mellett lesz optimális. 7.3.6. Beégetés A művelet stabilizálja az előhívott mintázatot, kémiailag ellenállóvá teszi a polimer filmet, valamint eltávolítja az oldószer maradványokat. A fotólakk film plasztikus folyásának mértéke a hőmérséklettől függ, ezt mutatja a 14. ábra. A lakkábra magasság-szélesség arányától függően változik a lakkábra laterális mérete, bizonyos fokú stressz képződik a rétegben. Magasabb hőmérsékletű és hosszabb ideig tartó hőkezelés után nehezebb feloldani a lakkot az oldószerben.
14. A fotólakk folyásának hőmérséklet függése
A nem beégetett, vagy alacsony hőmérsékleten beégetett lakkréteget és maradványai általában az alábbi oldószerekben leoldhatók: aceton, triklóetilén, fenol alapú ú.n. sztripperek. Magas hőmérsékletű beégetés esetén az alábbi oldási módszerek állnak rendelkezésre: N-metil2pirolidon, füstölgő salétromsav, plazmás eltávolítás O2 plazmában.
A feladat Szubsztraktív ábrakészítés Al vékonyrétegen. Az izotróp marások okozta méretváltozások ellenőrzése optikai mikroszkóppal, okulár mikrométerrel és az eredmények értékelése.
16
MOS tranzisztor – Kialakítása, karakterizóciója 1. Elméleti összefoglaló 1.1. A MOS kapacitás
1. ábra: MOS kapacitás sematikus rajza (fenn), sávdiagrammja (középen), töltés eloszlása inverzióban (lenn) A struktúrán a térerősség hatására a fémen pozitív töltések jelennek meg, a p típusú félvezetőben •először egy kiürített réteg jön létre, •majd adott térerősségnél negatív mozgásképes töltéshordozók az ún. inverziós töltések. Az a feszültség, amit a struktúrára kell adni, hogy az inverziós csatorna létrejöjjön a VT küszöbfeszültség. VT értékét a következő tényezők befolyásolják: • az alkalmazott anyagok kilépési munkája, • az oxid vastagsága, töltései és permittivitása, • a Si adalékolása és permittivitása 1.2. MOS tranzisztorok A MOS tranzisztor egy source és egy drain elektródával kiegészített MOS kapacitás. n csatornás eszköz: p típusú szubsztráton, az inverziós csatornát elektronok alkotják, ezeket kontaktálja az n+ source és drain. p csatornás eszköz: n típusú szubsztrátban p+ source és drain, az inverziós csatorna lyukakból áll. Növekményes (enhancement mode) MOS tranzisztor: ha VGS= 0 esetén nincs áramvezető csatorna. Kiürítéses (depletion mode) MOS tranzisztor, ha VGS = 0 esetén van áramvezető csatorna.
17
2. ábra: A MOS tranzisztor szerkezetének sematikus rajza (a), áramköri jelölése (b) 1.3. Az n-csatornás MOS tranzisztor működése Ha a VGS gate feszültség nagyobb mint a VT küszöbfeszültség, a Si és SiO2 átmenetnél egy elektronokból álló inverziós réteg alakul ki, ld. 3.a ábra. Az n+ - source tartomány a MOS kapacitás inverziós töltéseinek gyors megjelenését biztosítja.
3a. ábra: Az inverziós réteg kialakulása A drain előfeszítésének hatásai VDS < VGS-VT esetén, ld. 3b. ábra: •Az n+ – drain tartomány pozitív előfeszítése hatására az inverziós csatornában a source-tól a drain felé áram folyik.
3b. ábra: A MOS tranzisztor működése kis drain feszültségnél (lineáris tartomány) •A pozitív feszültség a drain körüli p-n átmenetet záróirányban feszíti elő, ennek eredménye a széles kiürített réteg a drain körül. •Az inverziós csatorna töltéseinek számát VGS szabályozza. •A drain feszültség miatt az inverziós csatornán feszültség esik, ezért a csatorna a drain felé szűkül.
18
Egy adott drain feszültségnél (VDSsat, telítési feszültség) a csatorna a drain-nél elzáródik (pinch-off), ld. 3c. ábra. Ugyanis ha VDS > VGS-VT, a drain-nél nem tud inverziós csatorna kialakulni. A telítési, vagy szaturációs feszültség értéke: VDSsat = VGS - VT Az elzáródás bekövetkezte után a MOS tranzisztor un. telítéses üzemmódban dolgozik, a drain feszültség tovább nem befolyásolja a csatorna áramot.
3.c ábra: A MOS tranzisztor töltés viszonyai a telítési tartomány kezdetén 1.4. A MOS tranzisztor karakterisztikái Kimeneti karakterisztika: ID = f(UDS)
4. ábra: A kimeneti karakterisztika: ID=f(UDS). A paraméter: UGS Transzfer karakterisztika: ID=f(UGS)
5. ábra: A transzfer karakterisztika: ID=f(UGS)
19
1.5. A MOS tranzisztor egyenletei A MOS tranzisztor egyenlete a lineáris tartományban:
ahol w a gate szélessége, L a gate hosszúsága, εox az oxid permittivitása, tox az oxid vastagsága, µn a csatorna töltéshordozóinak mozgékonysága, VGS a gate-source feszültség, VT a tranzisztor küszöbfeszültsége, VDS a drain – source feszültség. A MOS tranzisztor egyenlete a lineáris tartományban: A MOS tranzisztor egyenlete a telítéses tartományban:
2. Mérési feladatok Az MFA Mikrotechnológiai Laboratóriumában készített technológia monitorozó chipeken a CMOS technológia folyamatainak ellenőrzésére és az eszközparaméterek vizsgálatára alkalmas szerkezetek vannak. A kialakított alakzatok rajzolatai ― köztük a különböző geometriájú n- és p-csatornás tranzisztorok ― a 6. ábrán láthatóak.
20
6. ábra: A technológia monitorozó chip rajzolata. A mérési gyakorlaton egy w/L = 1 –es geometriával jellemezhető n-csatornás MOS tranzisztor kimenő karakterisztikáját fogjuk felvenni. A görbesereg felvétele egy még felfűrészeletlen Si szelet egyik chipjéről, tűs mérő segítségével fog megtörténni. A méréshez használt műszer: Hewlett-Packard 4140B típusú pA mérő/DC feszültségforrás. A mérést számítógéppel vezéreljük, az adatokat szintén a PC gyűjti. Feladatok: 1. Vegye fel az előzőekben leírt tranzisztor kimeneti karakterisztikáját (ID=f(VDS) felvétele, különböző VGS feszültségeknél) 2. Ábrázolja a mért eredményeket! 3. Határozza meg a lineáris/telítési tartomány határát, rajzolja be a görbeseregbe! 4. A telítési tartomány egy adott VDS értékénél (pl. +5V) leolvasható ID-VGS érték párok alapján ábrázolja az ID 1/2 = f(VGS) görbét! 5. Határozza meg az eszköz küszöbfeszültségét az így kapott görbéből! 6. A görbe meredekségéből számítsa ki a mozgékonyságot! Adatok, kiegészítések a feladatokhoz:
21
ε0 = 8,854*10-12 F/m εr = 3,9 (SiO2) tox = 600 nm = 6*10-7 m w = 400 µm L = 400 µm A w/L = 1 –es geometriával jellemezhető tranzisztorok mérési eredményéből a mozgékonyság értéke egyszerűen kiszámítható, hiszen az ID 1/2 = f(VGS) görbe meredeksége az oxid jellemzőin kívül csak a mozgékonyságtól függ. A ilyen „nagy”, 400 µm*400 µm-es méret pedig azért célszerű, mert a fotolitográfiás és egyéb műveletek méret változtatása csak relatív kis hibát okoz a kalkulációban.
