Základy mikroelektronických technologií

Mikrosenzory a mikroelektromechanické systémy

Základy mikroelektronických technologií • Technologie tlustých vrstev • Technologie tenkých vrstev • Základy polovodičových technologií

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 sítotiskové pasty, vrstvy 1 až desítky µm silné)



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 – využívá se 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,….) Třecí mlýn pro homogenizaci pasty 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

Technologie tlustých vrstev • výroba – sítotisk – drop-coating Na korundové, nitridové, zirkoniové nebo beriliové keramiky, sklo, ocel, polymerní nebo polyimidové fólie Vlastnosti past: pseudoplastické – tixotropní

Technologie tlustých vrstev • Vliv viskozity – chování tixotropní pasty při tisku (1 – viskozita po míchání, 2 – počátek tisku, 3 – protlačení sítem, 4 – vyrovnání) • Vlastnosti pasty D

η

newtonský

1 4

s omezeným tokem

2

gelový

3

čas

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 dielektrické pozn. každá pasta (vrstva) se obvykle vypaluje zvlášť, odpory se vypalují většinou až nakonec Některé využitelné vlastnosti jsou u komečních past parazitní – termorezistivní, piezorezistivní

Technologie tlustých vrstev • běžný profil výpalu sítotiskových past T (°C) 10 min ±1°C

850

-60°C/ min

60°C/ min

0

10

20

30

40

t (min)

Technologie tlustých vrstev • struktura vrstev prázdný prostor

– skelná vazba

kov sklo keramika sklo podložka kov

– reaktivní vazba oxidy kovů podložka

Technologie tlustých vrstev Speciální 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 vrstev Speciální 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

obecně Vyrábí 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



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 • Naprašování Definice: Kinetické energie, které převyšují vazební energie atomů způsobují zatlačení atomové mřížky do nové pozice, atomy jsou tlačené k povrchu a migrují v povrchových vrstvách kde dochází k defektům. Energie převyšující 4H způsobí dislokace atomů a jejich vypuzení do plynové fáze (odpaření). Naprašování je výsledek posloupných binárních kolizí iontů 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 téměř rychlostí, 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 krajů depoziční 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 dochází k naprašování na povrch izolantu. • RF magnetron sputtering.

Napařování – PVD × CVD • vakuové napařování (PVD) nejjednodušší technologie výroby tenkých vrstev dekompozice pyrolýzou

× • 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 teplotě nižší (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 studenější substrát. • 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 plynů dochází k určeným reakcím za přítomnosti plynů hydrogenů, chloridů, kyslíku nebo dusíku. Vznikají vrstvy kovů, oxidů nebo nitridů. WF6+ 3H2 → W+6HF SiH4 +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) kyselý roztok • při působení vody nebo rozpuštěných kationtů kovů amonných par dochází k vysrážení nanočástic – zásaditý roztok silné míchání precipitátor (gel) → kalcinace nad 300°C → oxidy kovů roztok vysrážených nanočástic

dip- a spin-coating • depozice vnořením substrátu do roztoku (dip-coating) nebo na roztočený substrát (spin-coating) – velmi tenká vrstva (monovrstva) Rotační depoziční deska

Spin-coater

• nanočástice lze i odfiltrovat a použít pro přípravu past

Elektro-chemická depozice • depozici v kapalných a nekapalných médiích • chemická metoda – umožňuje pokovovat nevodivé materiály • elektrochemická metoda – výhodná právě pro depozici pomocí masky, odpadá selektivní leptání • jednoduchá a levná • Faradayův zákon d JEα = [cm ⋅ s −1 ] ρ t

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 NiCl2 + 2 H 2O → Ni 2+ + 2Cl − + 2OH − + 2 H +

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 → hexagonální buňky od 20 do 500 nm



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 - snadná syntéza funkčních celků, zavádění změn a úprav • expozicí přímo na substrátu umožňuje v relativně krátké době vyvinout funkčně nový obvod nebo ověřit novou technologii • „kreslí“ do polymerního rezistu (PMMA)

Elektronový litograf Ústav 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 Kovový plech rezist rozlišení se používá i jiných materiálů

Kovová maska po leptání a odstranění rezistu

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

Fotolitografie Zdroj UV světla (výbojka)

VIDEO 320 x 240

Fotolitografická maska

Projekční systém Oplachovadlo Vývojka Negativní fotorezist Oxid

Fotolitografie Na Projekčním Vývojkou Ponořením desku se sedesky systémem znanese adesky leptání do odstraní lak leptadla směsi se jecitlivý ta načást kyseliny desku (POL) neosvětlený na světlo sírové dochází - a promítne technologie, k fotorezist. fotorezist peroxidu vyleptání vodíku obraz aBěhem odkrytého pak která celé se senanášení umožňuje deska odstraní masky oxidu opláchne (je vfotorezistu fotorezist. tvarování oknech to vzor - proces se vytvářené vrstev fotorezistu rýchlou vyvolávání. Na připojeném na rotací povrchu struktury) až Vepo lakované videu vrstvě povrch křemíkové - jsou deska laku desky křemíku zachyceny sese desky. vytvoří dosáhne ozáří - mokré Na detaily. jeho obrázku ultrafialovým leptání. rovnoměrné jednotlivé vlevo Exponovaný fáze rozvrstvení světlem, je fotolitografického křemíková fotorezist nebo-li po celé deska naexponovuje. jeploše. procesu. vůči s vrstvou termického Osvětlené leptadlu odolný. části oxidu. fotorezistu polymerizují a stanou se nerozpustné ve vývojce.

A – vytvoření oxidu na Si substrátu s vodivostí N B – nanesení fotorezistu (spin-coating) C – osvětlení přes masku UV zářením, maska vytvořena pomocí EBL D – vymytí osvětlených částí (pozitiv) E – vyleptání motivu do SiO2 F – připraveno pro další procesy např. nanášení vrstev nebo difúze příměsí do Si

Vrstvení v planární technologii • rezistor

1

substrát

2

Odpor na čtverec R□

=

[Ω/□]

ρ

maska

3 kontakty

tloušt' ka

R = R□

[Ω] l w

l w

4 maska

5

odporová vrstva

Vrstvení v planární technologii • kondenzátor

1

2 maska

C□

= 0.0885

εr

[pF/ □]

tloušt' ka C = C□ ·a · b [pF/]

3 substrát kontakt (elektroda)

4 maska b

5 dielektrická vrstva

6 maska

7

kontakt (2 elektroda)

a

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 určité tloušťky • odstranění fotorezistu, odleptání zlata 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+H2O Al2O3 – 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 činidlo užívá 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 polovodičové technologii) 100 111 110

Selektivní leptání • Poloha krystalové mřížky orientovaného substrátu <100>

<111>

Tloušťka [nm]

1000

Termická oxidace

1100°C 1000°C

500

H O H

1000°C

O O O O

Si

O O

O

Si

O

300

O

Si

O

O O Si O O

O Si OOO

Si O

Si

Si O

Si

Si

Si O O O Si O Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

O

Voda Kyslík

SiO2

56% Původní povrch

Si

44%

Čas [min] 600

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

Základy mikroelektronických technologií

Recommend Documents