Základy mikroelektronických technologií

Transkript

1 Mikrosenzory a mikroelektromechanické systémy Základy mikroelektronických technologií Technologie tlustých vrstev Technologie tenkých vrstev Základy polovodičových technologií

2 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)

4 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.)

5 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

6 Technologie tlustých vrstev Materiály past Cermetové - vysokoteplotní vypalovací proces kovy (Pt, Pd, Ag, Au, atd.) oxidy kovů (odporové pasty - RuO 2, Bi 2 Ru 2 O 7 ), (dielektrické složky - Al 2 O 3, WO 3, Y 2 O 3, Bi 2 O 3, CuO 2, BaTiO 3 ) skelné frity (PbO 2, B 2 O 3, SiO 2 ) vzájemná vazba částic a se substrátem skelná reaktivní (např. CuAlO 2 ) smíšená (malé množství skla, reaktivní oxidy a sloučeniny funkční složky)

7 Technologie tlustých vrstev Organický nosič rozpouštědlo (terpineol,.) tixotropní příměs surfaktant (snížení povrchových napětí) celulosa (pro určení vizkozity) Třecí mlýn pro homogenizaci pasty Polymerní - nízkou vytvrzovací teplotou ( C) Ag, Ni, Cu, C s pojivou složkou (polyester, epoxid, acrylic, vinyl) Termosety pro dielektrické vrstvy

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

9 Technologie tlustých vrstev Vliv viskozity chování tixotropní pasty při tisku (1 viskozita po míchání, 2 počátek tisku, 3 protlačení sítem, 4 vyrovnání) Vlastnosti pasty η D newtonský s omezeným tokem 3 gelový čas

10 Technologie tlustých vrstev Proces vytváření tlustých vrstev přizpůsobení pasty teplotě okolí tisk (síta kovová, polyesterová,.. MESH ) 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

11 Technologie tlustých vrstev běžný profil výpalu sítotiskových past T ( C) 10 min 850 ±1 C 60 C/ min -60 C/ min t (min)

12 Technologie tlustých vrstev struktura vrstev prázdný prostor kov skelná vazba sklo keramika - sklo podložka kov reaktivní vazba oxidy kovů podložka

13 Technologie tlustých vrstev Speciální pasty Termorezistivní NTC (oxidy Mn, Co, Cu, Ni, Fe, Ti, Zn, Mg, Cr, Li) PTC (na bázi BaTiO 3, TiO 2, VO 2, V 2 O 3 ) Magnetorezistivní Na bázi Ni Feromagnetické Pyroelektrické Na bázi LiTaO 3 Polymerní - PVDF Piezorezistivní Cermetové piezorezistivní pasty (SiC, AlAs, RuO 2 ) PTF: C a Ag polymerní sloučeniny

14 Technologie tlustých vrstev Speciální pasty Piezoelektrické na bázi BaTiO 3 na bázi PZT (Pb, Zr, Ti) piezoelektrické polymery - PVDF Citlivé na vlhkost polymerní sloučeniny hydrotalcitní protonické vodiče cermetové pasty: SnO 2 Chemicky citlivé pevné elektrolyty: ZrO 2, na bázi polovodivých oxidů kovů: SnO 2, WO 3, TiO 2,. polymery: polyelektrolyty, uhlíkové polymerní vrstvy, polyetheruretan,.

15 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

16 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

17 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

18 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

20 Technologie tenkých vrstev (TNV) PVD naprašování, vakuové napařování Chemické depozice CVD chemické napařování Spin- a drop-coating techniky Elektro-chemická depozice redukce kovů, anodizace

21 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

22 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.

23 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)

24 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

25 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.

26 Napařování PVD CVD vakuové napařování (PVD) nejjednodušší technologie výroby tenkých vrstev dekompozice pyrolýzou chemické (CVD) disproporce (tepelná), redukce, oxidace, nitridace (chemická reakce), polymerizace

27 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.

28 Dekompozice vakuum Pa z důvodu zvětšení střední volné dráhy K nanášení vrstev kovů i sloučenin (Al, Cu, Au, aj., NiCr a SiO)

29 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. SiH 4 Si+2H 2

30 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. WF 6 + 3H 2 W+6HF SiH 4 +2O 2 SiO 2 +H 2 O 3SiH 4 +4NH 3 Si 3 N 4 +2H 2 Polymerizace - Anorganické i organické polymery lze připravit z monomerní páry elektronovým svazkem, UV zářením nebo doutnavým výbojem.

31 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 dochází k vysrážení nanočástic precipitátor (gel) kalcinace nad 300 C oxidy kovů kyselý roztok rozpuštěných kationtů kovů zásaditý roztok roztok vysrážených nanočástic silné míchání

32 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

33 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 1 = [ cm s ] t ρ

34 Elektrochemická depozice Galvanické (katodové) pokovování vytváření kovových vrstev redukcí kationtů na katodě z roztoků solí (NiCl 2, apod.), sulfidů (CuSO 4, apod.), kyselin (kys. platiničitá), acetátů a dalších sloučenin NiCl H 2O Ni + 2Cl + 2OH + H

35 Elektrochemická depozice Anodizace řízená elektrochemická oxidace anody vytváření tenkých vrstev oxidů kovů (SnO 2, CuO, Al 2 O 3, TiO 2 atd.) samouspořádání některých materiálů (Al Al 2 O 3, Ti TiO 2 ) za určitých podmínek hexagonální buňky od 20 do 500 nm

37 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

38 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

39 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)

40 Elektronový litograf Ústav přístrojové techniky AVČR

41 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

42 Fotolitografie fotoresist pozitivní, negativní osvitové záření světelné, UV, RTG záření polymerizuje fotorezist rozpouštění ve vývojce leptání motivu v rezistu do SiO 2 odolná maska pro další procesy

43 Fotolitografie Zdroj UV světla (výbojka) VIDEO 320 x 240 Fotolitografická maska Projekční systém Vývojka Oplachovadlo Negativní fotorezist Oxid Fotolitografie Na Projekčním Vývojkou Ponořením desku se desky systémem z nanese a desky leptání do odstraní lak leptadla směsi se je citlivý na část kyseliny desku (POL) neosvětlený na světlo sírové dochází - a promítne technologie, fotorezist. k peroxidu vyleptání vodíku obraz a Během odkrytého pak která celé se nanášení umožňuje deska odstraní masky oxidu opláchne (je v fotorezistu fotorezist. tvarování oknech vzor - proces se vytvářené vrstev rýchlou vyvolávání. fotorezistu Na připojeném na rotací povrchu struktury) až Ve lakované videu vrstvě povrch křemíkové -jsou deska laku desky křemíku zachyceny se se desky. vytvoří dosáhne ozáří - mokré Na detaily. jeho obrázku rovnoměrné ultrafialovým leptání. jednotlivévlevo Exponovaný fáze rozvrstvení světlem, je fotolitografického křemíková fotorezist nebo-li po celé deska naexponovuje. ploše. procesu. vůči s vrstvou termického Osvětlené leptadlu odolný. části oxidu. fotorezistu polymerizují a stanou se nerozpustné ve vývojce.

44 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 SiO 2 F připraveno pro další procesy např. nanášení vrstev nebo difúze příměsí do Si

45 Vrstvení v planární technologii rezistor 1 substrát Odpor na čtverec 2 maska R ρ [Ω/ ] = tloušt' ka R = R [Ω] l w 3 4 maska kontakty l w 5 odporová vrstva

46 Vrstvení v planární technologii kondenzátor 1 2 maska C [pf/ ] ε r = tloušt' ka C = C a b [pf/] 3 4 substrát kontakt (elektroda) maska b a 5 dielektrická vrstva 6 maska 7 kontakt (2 elektroda)

47 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

48 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)

49 Selektivní leptání Technologie leptání (mokré, suché) chemické přímé působení na povrch materiálu pouze difúzí částic (krystalických a amorfních tenkých vrstev tvarování a leštění) Ag HNO 3 +H 2 O (1:1) Cu, Au KJ+J 2 +H 2 O Al 2 O 3 H 3 PO 4 SiO 2 HNO 3 +HF+H 2 O

50 Selektivní leptání elektrochemické anodické rozpouštění působením aniontů elektrolytu pod vlivem elektrického pole (oxidačně-redukční reakce, převádění produktů do roztoku) např. HNO 3 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)

51 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)

52 Selektivní leptání Poloha krystalové mřížky orientovaného substrátu <100> <111>

53 1000 Tloušťka [nm] Termická oxidace 1100 C 1000 C O Si O Si 1000 C O H O H O O O O O Si O 500 Voda Kyslík Čas [min] O O O O O Si O O Si O O O Si O O Si Si O Si Si O Si Si O Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si SiO 2 Si Původní povrch 56% 44% Si Si Si Si Si Si Si

54 Pouzdření keramická, plastová, kovová pouzdra lepení vodivým, nevodivým organickým (nízké teploty) nebo anorganickým lepidlem (vysoké teploty) nebo přípájení ke kovarovému pouzdru (AuSn)

55 Pouzdření svařování ultrazvukem Al drátek, termokompresí Au drátek (25 µm 300 µm) zdvojování drátků