Tenké vrstvy (TV ) Hybridní Integrované Obvody (HIO)

Transkript

1 Tenké vrstvy (TV ) (Thin Films) + Hybridní Integrované Obvody (HIO) (Hybrid Integrated Circuits) (3) Doc. Ing. Ivan Szendiuch, CSc., Fellow IMAPS Vysoké Učení Technické v Brně, FEKT, ÚMEL szend@feec.vutbr.cz

2 Obsah Úvod Substráty pro TV Růst tenkých vrstev Nanášení tenkých vrstev Materiály pro tenké vrstvy Realizace pasivních sítí Aplikace tenkých vrstev v elektronice Hybridní integrované obvody

3 Úvod Miniaturizace hardware Mikroelektronika Konstrukční (assembly) substráty (DPS, keram.) Obvodová Funkční Diskrétní prvky Optoelektronika Konstrukční prvky Polovodičové IO Vrstvové IO Mikrovlnná Moduly MCM Monolitické TV (Tenké vrstvy) Akustoelektronika Pouzdra Na izolačních podložkách CMOS, BiCMOS, CCD, BiCMOS. TLV... HIO LTCC HTCC polymerní Bioelektronika Senzorika Kvantová elektronika atd. Montážní technologie (Assembly Technologies) COIC, BGA, CSP MEMS, atd.

4 Moderní mikroelektronické technologie Polovodičové struktury čipy.. SoC vak... Tlusté vrstvy - sítotisk, dispenze nevak. LTCC - sítotisk, dispenze, lis, punch nevak. Polymerní vrstvy sítotisk, (E)C(V)D nevak./ vak. Tenké vrstvy - naprašování, napařování vak... HIO, SiP, SoP MCM, SOP, SiP pouzdřící technologie P O U Z D R O P A C K A G E. THT, SMT HDI

5 Co je to tenká vrstva? Tenké vrstvy jsou vytvořeny na nosném tělesu (substrátu) a mají tloušťky v rozmezí od několika desítek nanometrů až po několik mikrometrů Tenké vrstvy se používají k povrchovým úpravám materiálů (tvrdost, lom světla ) např.: - diamantové vrstvy na řezných nástrojích - antireflexní vrstvy na skla, čočky, filtry atd. ale také v elektrotechnickém/elektronickém průmyslu - pasivní struktury (vodivé, R, C) - kontakty na polovodičových čipech - funkční vrstvy (senzory, displeje, piezoelektrické vrstvy, magnetické vrstvy, polymerní elektronika )

6 Tenké vrstvy - struktura Tenké vrstvy tvoří struktury vznikající řízeným nanášením materiálů v uzavřeném vakuovém prostoru, v elektronice nejčastěji fyzikálními metodami napařováním nebo naprašováním. Mohou být obecně: - amorfní, - polykrystalické, - monokrystalické Tloušťka tenkých vrstev se pohybuje v rozmezí desítek/stovek nm až po jednotky m, v důsledku čehož neplatí tytéž fyzikální konstanty a vlastnosti jako u běžných objemů materiálů. To předurčuje jejich mimořádné elektrické vlastnosti (vrstvový odpor, teplotní součinitel odporu a pod.), což je právě v elektronice při realizaci struktur využíváno.

7 Co je to tenká vrstva? ~ 1 µm ~ 50 µm

8 Příklady využití tenkých vrstev - obecně Nanášení povlaku na displej vyrobený z plastu - 4 vrstvy - a to v jediném pracovním procesu: vrstva zajišťující přilnavost vrstva proti oděru vrstva antireflexní vrstva»očistná«, tzv.»easy-to clean«, která má i funkci estetickou. Povlakování sklíček u brýlí (3 vrstvy), kde první vrstva má funkci ochrany před poškrábáním, druhá je antireflexní Třetí opět easy-to clean. Vysoce tvrdé povlaky např. pro obráběcí nástroje ale tenké vrstvy mají široké využití i v elektronice, včetně výroby polovodičových čipů

10 Substráty pro TV Základním materiálem je Alumina (Al 2 O 3 ) s vysokou čistotou (> 99 %) U tohoto materiálu lze dosáhnout: - malou drsnost povrchu - definované elektrické vlastnosti - vysokou pevnost v ohybu

11 Substráty pro TV - rozměry Velikost (25,4mm x 25,4 mm 114,3 x 114,3 mm) Tloušťka (0,127 mm 1,524 mm) Průhyb ( < 0,1 mm)

12 Substráty pro TV - drsnost povrchu Substrát pro TV musí splňovat požadavky na drsnost povrchu CLA (Ra) ~ nm 5μ

13 Velikost zrn ~ 6 µm Drsnost substrátu Drsnost < 0,3 µm (pro TLV 1-3 µm)

15 Tenké vrstvy se nanáší na základní podložku substrát, jejíž drsnost musí být menší než vlastní tloušťka vrstvy Galvanické zesílení Funkční Nanesená tenká vrstva vrstva Difúzní bariéra Drsnost

16 Systém tenká vrstva - substrát Vrstva - Odolnost proti opotřebení, elektrické vlastnosti - Redukce tření - Korozní odolnost - Difúzní bariéra - Tepelná bariéra Rozhraní - Adheze - Bariéra rozvoje trhlin - Kompenzace dilatace a pnutí - Modifikace struktury a morfologie Substrát - Pevnost - Tuhost - Geometrie

17 Růst tenkých vrstev Čtyři hlavní stadia růstu tenké vrstvy: a. nanášení b. tvoření zárodků (difúze) c. narůstání ostrůvků d. nukleace do více vrstev e. vzájemná difúze v ose y f. spojování center g. vzájemná difúze v ose x h. vyplňování mezer (spojování ostrůvků) i. difúze Na keramických substrátech jsou tenké vrstvy využívány pro realizaci především pasivních sítí (vodivé, odporové a dielektrické vrstvy), i když u některých materiálů lze pozorovat i polovodičové vlastnosti (byl realizován i tenkovrstvý tranzistor TFT). Typickými materiály pro nanášení tenkých vrstev napařováním jsou Au, Al, CrNi, Ta a další vodivé i nevodivé materiály pro naprašování.

18 Jakost adhezního spojení - chemické a fyzikální vlastnosti vrstvy a substrátu určují schopnost vytvořit dostatečnou vazbu mezi oběma články - Dobrou adhezi lze dosáhnout: - správně zvolenou a nastavenou použitou technologií -předdepoziční přípravou + čistota procesu

20 Nanášení tenkých vrstev PVD (napařování a naprašování - není doprovázen žádnou chemickou reakcí) principem je kondenzace par na pevném povrchu CVD (grafitová, diamantová nebo polymerní struktura) principem je odpařování na základě rozkladných chemických reakcí nízkomolekulárních uhlovodíků (1500 o C) PECVD (plasma enhanced CVD) principem jsou rozkladné reakce inicializované plazmou (800 o C) MOVPE (metalorganic vapour phase epitaxy) principem je depozice z par spojená s chemickou reakcí MBE (molecular beam epitaxy - růst vysoce čistých monokrystalických vrstev) principem je ohřev ultračistých prvků v oddělených Knudsenových celách a jejich pomalá sublimace (Iontová implantace) Nevakuové (coating) technologie (spin-, spray-, dip-)

21 Tenké vrstvy způsoby nanášení V elektronice je důležité: Fyzikální vakuové nanášení - Physical vapor deposition (PVD) - postupná depozice atomů, molekul nebo iontů na substrát. Existuje několik různých způsobů depozice tenkých vrstev na principu kondenzace materiálu na substrát. Odpařování materiálu ve vakuu může probíhat teplotně, elektronovým paprskem, laserem, bombardováním ionty apod., nebo rozprašování materiálu ve výboji při nízkém tlaku. Tak lze nanášet kovy, slitiny i izolanty a to i ve více vrstvách. PVD techniky: - Teplotní napařování - Naprašování elektrickým polem (výbojem) - Laserové (pulzní) depozice

22 Tenké vrstvy vakuové napařování Vakuové napařování je nejjednodušší technologií výroby tenkých vrstev. Částice nanášeného materiálu jsou uvolňovány z materiálu jeho zahřívání v uzavřeném systému. V něm se ustaví rovnovážný tlak nazývaný tenze nasycených par. Je-li v tomto systému porušena rovnováha a v určitém místě je teplota nižší, dochází v tomto místě ke kondenzaci par. Tím jsou vytvořeny podmínky pro přenos materiálu z místa o vyšší teplotě /z výparníku/ do místa o teplotě nižší /na podložku, na níž roste tenká vrstva/. Ohřívání materiálu pro vypařování může být zajištěno odporovým ohřevem, iontovým svazkem, vysokofrekvenčním ohřevem atd. Celý proces napařování probíhá ve vakuu Pa z důvodu zvětšení střední volné dráhy molekul nanášeného materiálu. Vakuové napařování je používáno často k nanášení vrstev NiCr a SiO /zde se používá také označení chromniklová technologie), kdy je na podložku nanesena vrstva NiCr. Po jejím nanesení je vytvořena vrstva Ni tvořící difúzní barieru a adhezní podklad pro vodivou vrstvu Au.

23 Tenké vrstvy vakuové napařování Po nanesení vrstev obsahují tyto vrstvy značné množství strukturních nehomogenit a defektů. Ve vrstvě proto mohou probíhat děje projevující se dlouhodobými změnami elektrických parametrů a směřující k dosažení termodynamické rovnováhy systému. Proto probíhá následně stárnutím vrstvy za zvýšené teploty. Např. vrstvy NiCr se stabilizují při teplotě 300ºC po dobu 1 hodiny, pro docílení vysoké stability dále při teplotě 200ºC po dobu 24 hodin. Vrstvy TaN se stabilizují při teplotě 300ºC po dobu 16 hodin. Stabilizované vrstvy vykazují velmi dobré elektrické vlastnosti.

24 Vakuové napařování Počet částic Nv odpařených za jednotku času z jednotkové plochy je: Nv = 3, p/ (M.T) -1/2 kde p je rovnovážný tlak nasycených par M je molekulární hmotnost T je teplota Tlak Pa cm 0, , , p d 1 exp Tlak nasycené páry, rovnovážný tlak páry nad příslušnou kapalinou (viz též nasycené páry). Roste s teplotou až na hodnotu tlaku okolí (var kapaliny). Čím má kapalina při dané teplotě vyšší tlak nasycené páry, tím je těkavější

25 Zařízení pro vakuové napařování - Tepelné odpařování - Odporové odpařování - Elektronovým paprskem - Pulsní (Flash)

26 Princip (reaktivního) naprašování

27 Katodové naprašování Množství materiálu naprášené za jednotku času lze vyjádřit vztahem: Q = k. Ui / (p. d) kde k je konstanta úměrnosti Ui je pracovní napětí p je tlak d je vzdálenost mezi katodou a anodou

28 Princip katodového naprašování Katodové naprašování probíhá v pracovní komoře za sníženého tlaku 10-1 Pa. Pracovní komora obsahuje inertní plyn /např. dusík/. Nanášený materiál tvoří katodu elektrodového systému a substráty, na nichž má být vrstva vytvořena, jsou umístěny na anodě. V pracovním prostoru je vytvořen doutnavý výboj, jehož důsledkem je nerovnoměrné rozložení potenciálu v prostoru a tzv. katodový spád v oblasti katody. Kladné ionty vznikající ve výboji jsou unášeny směrem ke katodě a v oblasti katodového spádu urychleny tak, že po dopadu na katodu z ní vyrážejí částice naprašovaného materiálu. Částice se šíří prostorem a usazuje se na okolních tělesech, tedy i na anodě shodně umístěnými substráty na nichž vzniká tenká vrstva.

29 Katodové naprašování Různé targety pro katodu: slitiny kovů keramické a krystalové vzácné kovy keramické a safírové podložky

30 Magnetronové naprašování Magnetronové naprašování je založeno na rozprašování pevného terče katody, ionty pracovního plynu vznikajícími v plazmatu doutnavého výboje, který je umístěn s pomocí magnetického pole v těsné blízkosti katody. Elektrony plazmatu se zachycují v tunelu siločar magnetického pole a rotují tak, že se prodlouží jejich dráha, zvýší počet srážek a vytvoří se hustá plazma. Kladné ionty dopadají z plazmatu na terč (záporné napětí) a rozprašují ho tak, že částice terče procházejí směrem k substrátu (anodě).

31 Magnetronové naprašovací zařízení + pulzní laserové depoziční zařízení

33 Materiály pro TV Anorganické: - Čisté kovy (Al, Au, Pt, Cu ) - oxidy kovů a polovodiče (SnO 2, TiO 2, ZnO 2 ) Organické: -většina organických materiálů zavisející na způsobu nanášení od nejjednodušší odstřeďováním (rezisty) až po nanášení z plynné fáze a plazmatu

34 Materiály pro TV HIO Vodiče: NiCr + Au (tl. Do 1µm, galv.) Ta + Au tl. do 5 µm napař.) Dielektrika: SiO 2 Odpory NiCr, Ta 2 O 5

35 Tenké vrstvy - parametry Srovnání parametrů tenkých a tlustých vrstev Parametr Tenké vrstvy Tlusté vrstvy Rozlišení čára/mezera m 10 (5) 100 (50) Vrstvový odpor vodičů m 1 30, (5) Předhodnota pro rezistory , 100, 1000, 10 4, 10 5, 10 6 TCR ppm. K (30) Stabilita, 70 C, 1000 h % 0,1 0,5 P ztrátový W cm 2 0,2 1,5 Proudový šum V/V 0,05 0,3 (100 ) 3 (100 k )

36 Aktuální oblasti výzkumu TV materiálů Hot topics : - Thin film deposition aiming at high deposition rates and low temperature techniques - Thin film semiconductors and characterization techniques - Transparent conducting oxides - Poly and microcrystalline silicon materials and devices - Functional thin films - Thin film and hybrid solar cells - Flexible electronics and stretchable electronics, sensors - New processing techniques: micro and nano imprint, moulding - Organic materials and devices for large area electronics Zdroj: inemi, IMAPS

37

39 Vytváření struktury obvodu Vytváření tenkých vrstev může probíhat dvěma způsoby: aditivním s následným odleptáváním selektivním s pomocí masek Glazování substrátu Depozice odporové vrstvy Depozice vodivé (dielektrické) vrstvy Teplotní stabilizace vrstev Selektivní leptání Trimování rezistorů

40 Fotolitografie tenkých vrstev Fotolitografické zpracování je technologický postup, který umožňuje tvarovat vrstvy na substrátu do příslušných obrazců. Je složen ze dvou procesů - maskování pomocí fotorezistů a chemického leptání tenkých vrstev. Při vytváření přímé masky se fotorezist nanáší na celý povrch podložky. Fotorezist se exponuje přes fotomatrici pomocí ultrafialového záření. Účinkem UV záření dochází u fotorezistu ke změnám jeho rozpustnosti v určitých vývojkách. Následuje vyvolání fotorezistu, při němž je odstraněna část fotorezistu s velkou rozpustností ve vývojce. Nerozpuštěná část fotorezistu slouží jako ochranná vrstva při selektivním leptání, při němž je odstraněna část tenké vrstvy. Po leptání se fotorezistová maska odstraní. Fotolitografie se opakuje podle požadovaného motivu několikrát. Vodiče a pájecí plošky mohou být zesíleny zlatem pro zajištění dobré vodivosti.

41 Sendvičová TV struktura a postup vytváření pasivní sítě

43 Aplikace tenkých vrstev v elektronice Tenké vrstvy se používají k realizaci elektronických komponent a obvodů. Přitom se využívá jejich změn elektrických vlastností v tenké nanesené vrstvě (např. kovové vrstvy se v tenké vrstvě chovají jako odpory). Realizace pasivních sítí na keramických a skleněných substrátech (vodiče, odpory, dielektrika) Tenké vodivé a přitom průhledné vrstvy (In 2 O 3, SnO 2, ZnO..) k povrchové úpravě skla a fólií, odporové vrstvy pro vyhřívání Jouleovým teplem, pro svod elektrostatického náboje z nevodivých povrchů, transparentní elektrody k plochým zobrazovacím prvkům a k solárním článkům, přední elektrody v plochých displejích založených na kapalných krystalech (LCD), plazmatu (PD) nebo elektroluminescence (ELD) pro monitory, kalkulačky, digitální hodinky atd.. Dále také pro záznamová média.

44 Aplikace na keramice i křemíku

45 Aplikace TV v montážních technologiích Propojení s vysokou hustotou na organickém substrátu (MCM-SL/D) Zdroj: IMEC (Eric Beyne)

46 TV solární článek Výkonný solární článek realizovaný na flexibilním substrátu (Kapton) Tepelná oddolnost do 400 o C Efektivita až 20% Zdroj: NASA Glenn Research Center

47 TV obvody pro mikrovlny Mikrovlnné TV obvody Mikrovlnný modul GHz

48 Polymerní elektronika-heterosystémy na fóliovém substrátu široké možnosti využití (displeje, senzory ) vysoká flexibilita provedení (možnost kombinace s ostatními technologiemi) cenově výhodná Zdroj: Fraunhofer IZM

49 Polymerní (organická) elektronika Aktivní elektronické materiály Vodivé polymery PANI N H N H n PEDOT O S O n Polovodivé polymery Pentacene Poly-3 Hexyl-Thiophene P3HT C 6 H 13 C 6 H 13 S S S S C 6 H 13 C 6 H 13 n Semi-izolační polymery (electroluminescentní) Poly-Phenylene-Vinylene PPV n PP P n Poly-Vinyl-Phenol O O Izolující polymery PVP PI O N O O N n Zdroj: Fraunhofer IZM

50 PEDOT Označení PEDOT znamená složení (Poly(3,4-ethylenedioxythiophene) Paměťový čip složený z tenké Si vrstvy a polymeru má přinést nové možnosti v ukládání informací. Plastová paměť s objemem 1cm 3 pojme kolem 1 GB informací V jednom kubickém centimetru dokáže uchovat data o kapacitě kolem jednoho GB. Systém je poměrně levný, především v poměru k flash pamětem, které by mohl nahradit.

51 Organické solární články Zdroj: Fraunhofer IZM

52 Organický, světlo emitující transistor, OLET DH-4T Alq 3 :DCM DFH-4T Capelli, R. et al.,: Organic light-emitting transistors with an efficiency that outperforms the equivalent light-emitting diodes, Nature Materials, published online, 2 May, 2010, doi: /nmat2751

53 Tenkovrstvový transistor Základní architektura matrice TV tranzistorů pro displej z kapalných krystalů. S každým obrazovým prvkem resp. pixlem displeje je spojen jeden TV tranzistor. TV tranzistory generují různá napětí jež způsobují různou orientaci molekul v kapalné suspenzi. To ovládá také rozdílné množství světla procházejícího TV matricí a barevným filtrem, a zajiš tuje tak tvorbu obrazu na displeji.

54 Srovnání TLV a TV

56 Hybridní integrované obvody (HIO) Hybridní integrované obvody (HIO) spojují : dobré elektrické a mechanické vlastnosti vrstvových technologií při realizaci pasivních sítí (propojovací vodivá síť, rezistory, kondenzátory, induktory atd.) vysoký stupeň integrace na polovodičových čipech. Všechny pasivní i aktivní součástky včetně propojení jsou integrovány na společném substrátu, nejčastěji keramickém, a zapouzdřeny do jediného nedělitelného celku. Hybridní integrované obvody rozlišujeme z hlediska provedení: podle použité technologie na: - tenkovrstvové - tlustovrstvové podle způsobu montáže na obvody: - s holými čipy -se součástkami SMD

57 HIO První vodivá vrstva (tisk a výpal) První dielektrická vrstva (tisk a zasušení) Druhá dielektrická vrstva (tisk a zasušení) Druhá vodivá vrstva (tisk a výpal) Postupné nanášení rezistorů (tisk a výpal) Trimování rezistorů (laserem nebo pískováním) Pasivní síť HIO může být vytvořena tlustovrstvovou nebo tenkovrstvovou technologií a podle toho se jedná o HIO tenkovrstvový nebo tlustovrstvový. Návrhová pravidla se pro jednotlivé vrstvové technologie příliš neliší, neboť jejich společným znakem je planární uspořádání struktury realizované převážně aditivním postupem.

58 HIO Postup výroby HIO: realizace pasivní sítě vrstvovou technologií nanášení pájecí pasty nebo vodivého lepidla vsazování pasivních součástek (kondenzátory, induktory, trimry apod.) osazování polovodičů pro povrchovou montáž nebo holých polovodičových čipů pájení vývodů pouzdření

59 HIO

60 Topologie TLV HIO

61 Topologie TV HIO

62 HIO

63 Převod dat Návrh motivu síta lze provést např. v programu AutoCAD. Data ve formátu.dxf nelze přímým způsobem použít při práci s fotoplotrem, a proto je třeba je převést do jiného vhodného formátu (PostScript, Gerber Data) a to pomocí jiného programu (např. LinkCAD). Gerber data je formát dat určený pro přenos dat z navrhovacího systému na fotoplotr. Výhody Gerber formátu je především jeho jednoduchost. Databáze Gerber dat je složená ze čtyř základních příkazů a zápisu v souřadnicových osách. Pro jeho jednoduchost je Gerber formát v mnoha směrech kompatibilní a proto se často používá. PostScript byl uveden na trh společností Adobe v roce 1985, patří mezi tzv. jazyky pro popis stránky, které dokáží popsat vzhled a umístění nejrůznějších typů grafických objektů (text, čáry, křivky, bitmapy, apod.) v rámci dvourozměrného zobrazení. Tento popis se pak využívá k vykreslení stránek na různých typech výstupních zařízení, zejména tiskárnách a osvitových jednotkách. PostScript je specifický programovací jazyk (pracující na bázi tzv. postfixového zápisu s využitím tzv. zásobníků a slovníků). PostScriptový dokument je tedy vlastně programem, zajišťujícím vykreslení specifikovaných objektů na stránce. Hlavními vlastnostmi PostScriptu jsou především výborné vyjadřovací schopnosti (vlastní písmové technologie Type 1 a 3, podpora vektorových i rastrových grafických objektů, separací, atd.) a dále jeho nezávislost na zařízení (tentýž postscriptový soubor lze bez úprav zpracovat na různých zařízeních).

64 Polovodičové čipy

65 Kontaktování čipů a) UZ b) TK

66 HIO Pouzdření HIO povrchově montované s holými čipy pájení vývodů kovová plastová keramická pájení vývodů pouzdření fluidizací pouzdření máčením pouzdření zaléváním

67 Pouzdření fluidizací

68 HIO možné provedení

69 TLV HIO (Thick Film)

70 TV HIO (Thin Film )

71 LTCC (opakování)

72 Mikrovlnné obvody pro satelitní komunikaci - LTCC syntetizér (20 GHz)

73 HTCC

74 HTCC materiály pro pouzdra a čipy

75 HTCC Multilayer Process

76 Kontrolní otázky 1) Znázorněte a popište strukturu mikroelektronických technologií 2) Vysvětlete co je tenká vrstva a jaké jsou její aplikace v elektronice 3) Popište způsoby vytváření a materiály nanášené v mikroelektronice a objasněte jejich důležité vlastnosti 4) Vysvětlete princip vakuového napařování 5) Vysvětlete princip naprašování 6) Definujte postupy vytváření tenkovrstvových pasivních sítí 7) Definujte pojem HIO a navrhněte topologii jednoduchého obvodu 8) Vyjmenujte způsoby pouzdření HIO a vysvětlete jejich výhody a nevýhody 9) Popište realizaci polovodičů v HIO včetně jejich kontaktování 10) Uveďte zásady návrhu HIO 11) Vysvětlete co je to LTCC, materiály a parametry 12) Popište princip polymerní elektroniky a uveďte její aplikace