Uploaded by mikicar33

Tehnologije-mikrosistema -predavanja

advertisement
MS tehnologije-Uvod.pdf
MS tehnologije-2.pdf
MS tehnologije-3.pdf
MS tehnologije-4.pdf
MS tehnologije-5.pdf
MS tehnologije-6.pdf
MS tehnologije-7.pdf
MS tehnologije-8.pdf
MS tehnologije-9.pdf
MS tehnologije-10.pdf
MS tehnologije-11.pdf
MS tehnologije-12.pdf
Tehnologije
mikrosistema
Prof. dr Biljana Pešić
Prof. dr Vesna Paunović
Definicije
Mikrosistem (Microsystem) - Evropa
MEMS (Micro-ElectroMechanical System) – USA
Mikromašina (Micromachine) - Japan
Definicije
Mikrosistem je minijaturni inteligentni sistem u kome su senzori,
elektronika, aktuatori i/ili mikrostrukture integrisani na jednom čipu
(monolitna integracija) ili više čipova (hibridna integracija) korišćenjem
mikroelektronskih tehnologija.
Komponente mikrosistema
Aktuatori
Senzori
Mikrostrukture
Elektronika
Definicije
Senzori mere okolinu bez njenog modifikovanja. Konvertuju fizičke i
•
•
•
•
•
•
hemijske veličine u električne signale. Merene veličine mogu biti :
Termičke (temperatura, toplota, protok toplote)
Mehaničke (sila, pritisak, brzina, ubrzanje, pozicija)
Hemijske (koncentracija nekog materijala, sastav, brzina reakcije)
Magnetne (intezitet magnetnog polja, gustina fluksa, magnetizacija)
Radijacione (intezitet, talasna dužina, polarizacija, faza)
Električne (napon, struja, naelektrisanje)
Senzor pritiska
Senzor gasova
Senzor ubrzanja
Definicije
Aktuatori interaguju sa okolinom.
•
•
•
•
•
•
•
Konvertuju električnu energiju
(signale) u mehaničko dejstvo (kretanje).
Primeri:
Mikromotori
Mikropumpe
Ventili
Glave termičkih štampača
Pojačavači mikrofluida
Optički komunikationi elementi
Skanirajuća mikroogledala
Definicije
Senzori i aktuatori su pretvarači energije
(aktivni elementi sistema).
Ulazni pretvarač
(senzor)
Procesiranje
signala
Izlazni pretvarač
(aktuator)
Definicije
Mikrostrukture su objekti koji ne pripadaju niti senzorima niti
•
•
•
•
•
•
aktuatorima (pasivni elementi sistema). Predstavljaju niz jednostavnih
oblika kao što su žlebovi, otvori, brizgalice, rešetke, itd.
Primeri:
Mikrosita
Optički elementi
Mikroelektronske komponente za hladjenje
Elektronski ventili
Separatori tečnih izotopa
Mikrokonektori (električni i optički)
Definicije
Elektronska kola su u funkciji procesiranja električnih signala.
Senzori
OP
Mix
ADC
DAC
Demix
OP
MIKROKOMPJUTERSKA KONTROLA
Procesiranje digitalnih signala / Kompenzacija sekundarnih
parametara / Rukovanje podacima
VIŠI NIVO KONTROLE
Aktuatori
Definicije
Kategorije mikrosistema
ELEKTRIČNI
MOES
OPTIČKI
MOEMS
MEMS - MikroElektroMehanički Sistemi
MOEMS – MikroOptoElektroMehanički Sistemi
MOES – MikroOptoElektronski Sistemi
MOMS – MikroOptoMehanički Sistemi
MOMS
MEMS
MEHANIČKI
Mikrosistemi su razvijeni zahvaljujući revoluciji
mikroelektronskih komponenata
Razvoj mikroelektronskih komponenata
1947
Prvi transistor
2002
IK sa 400
miliona
tranzistora
1958
Prvo integrisano kolo (IK)
1999
IK sa 10 miliona
tranzistora
Moore-ov zakon:
Broj tranzistora u IK raste eksponencijalno
sa vremenom (udvostručuje se svake 2-3
godine)
Mikrosistemi su razvijeni zahvaljujući revoluciji
mikroelektronskih komponenata
Razvoj mikrosistema
1980
Senzor pritiska
1999
Digital Micromirror Device
(DMD)
1.3 milion mikroogledala
Istorijat razvoja mikrosistema
1954 – Piezootporni efekat u poluprovodnicima (S.C. Smith)
1964 – Si integrisani piezo-aktuator (Tufte, Chapman, Long)
1965 – FET akcelerometar dobijen tehnologijom površinskog mikromašinstva
(Nathanson, Wickstrom)
1967 – Anizotropno dubinsko nagrizanje Si (Waggner et al.)
1977 – Si elektrostatički akcelerator (Stanford)
1979 – Integrisani gasni hromatograf (Terry, Jerman, Angell)
1982 – “Si kao mehanički materijal” (K. Petersen)
1983 – Integrisani senzor pritiska (Honeywell)
1985 – LIGA tehnologija (W. Ehrfield et al.)
1988 – Serijska proizvodnja senzora pritiska tehnologijom bondiranja pločica
(Nova Sensor)
1992 – Zapreminsko mikromašinstvo – SCREAM proces (Cornell)
1993 – Displej sa digitalnim ogledalima (Texas Instruments)
1994 – Komercijalni akcelerometri realizovani tehnologijom površinskog
mikromašinstva (Analog Devices)
1999 –Prekidači za optičke mreže (Lucent)
Primena mikrosistema
Automobilska
industrija
Elektronika
Biomedicina
Komunikacije
Vojna primena
Senzori za internu Glave u drajvovima
navigaciju
diskova
Senzori pritiska
krvi
Komponente fiberoptičkih mreža
Navodjenje
projektila
Senzori stanja
vazduha u kabini
Glave inkjet printera
Stimulatori mišića
i sistemi za
uvodjenje lekova
RF releji, prekidači i
filteri
Sistemi za
osmatranje
Senzori kočionih
sila
Televizijski
projekcioni ekrani
Implantirani
senzori pritiska
Projekcioni displeji u
mobilnim komunik.
komponentama i
instrumentima
Ručni sistemi
Senzori nivoa
goriva i pritiska
pare
Senzori za detekciju
zemljotresa
Protetika
Spliteri i kapleri
Ugradivi
senzori
Senzori za
vazdušne jastuke
Senzori pritiska u
avionima
Minijaturni
analitički
instrumenti
Oscilatori
kontrolisani
naponom (VCO)
Memorisanje
podataka
“Inteligentne
gume”
Sistemi za masovno
Pejsmejkeri
memorisanje podataka
Podesivi laseri
Kontrola letilica
Tržište mikrosistema
CAGR – Compounded Annual Growth Rate
Tržište mikrosistema prema primeni
Primeri mikrosistema
Žiroskop
MEMS mikrofon
Rotacioni motor
MEMS za mikrofluide
3-osni akcelerometar
Mikrotalasni prekidač
Primeri mikrosistema
RF MEMS
Primeri mikrosistema
Integrisana mikro optika: laser, spliter snopa,
Fresnolova sočiva, ogledalo, fotosenzor
Digital Light Processing (DLP)
DMD
Primeri mikrosistema
Mikropincete
Neuronske mikroprobe
Realizacija mikrosistema
Tok dizajniranja i simulacije (zelena horizontalna osa) i proizvodnje
(crvena vertikalna osa) mikrosistema
Softverski alati
• Dizajn komponenata
– Cadence, LEdit, Spice, MATLAB
• Dizajn procesa
– TSuprem, IntelliSuite, AnisE
• Analiza
– FEM sistemi, MEMCAD,
IntelliSuite, ANSYS
Poredjenje proizvodnje
mikrosistema i IK
Materijali u proizvodnji mikrosistema
• Supstrati:
– Silicijum (Si)
– Galijum-arsenid (GaAs)
– Drugi elementarni
poluprovodnici i poluprovod.
jedinjenja
– Metali
– Stakla
– Kvarc
– Safir
– Keramika
– Plastika, polimeri i drugi
organski materijali
• Aditivni materijali:
– Si (amorfni, polikristalni,
epitaksijalni)
– Jedinjenja Si (oksidi, nitridi,
karbidi)
– Metali i njihova jedinjenja
– Stakla
– Keramika
– Polimeri i drugi organski
materijali
– Biomaterijali
Tehnologije mikrosistema
Tehnologije IK
Tehnologije mikromašinstva
• Površinsko mikromašinstvo
•MUMPS i SUMMiT tehnologije
• Zapreminsko mikromašinstvo
• HARM tehnologije
• DRIE
• LIGA
• Bondiranje pločica
Procesi u tehnologiji IK
Procesi na pločicama
1.
2.
3.
Depozicija/rast tankih filmova
Patterning tankih filmova
Dopiranje primesa
Procesi u tehnologiji IK
1.
Procesi depozicije/rasta tankih filmova
•
Spin-on
- Fotorezist
- Poliamidni filmovi
PVD (Physical Vapour Deposition)
- Naparavanje (evaporation)
- Katodno raspršavanje (sputtering)
CVD (Chemical Vapour Deposition)
- Oksidacija
- LPCVD (Low Preassure CVD)
- PECVD (Plasma Enhanced CVD)
•
•
Procesi u tehnologiji IK
2.
Patterning tankih filmova
•
Litografija
- Optička (UV svetlost)
- Snopom elektrona
- Snopom X-zraka
Nagrizanje (etching)
- Vlažno (wet)
- Suvo (dry)
- RIE (Reactive Ion Etching)
•
Procesi u tehnologiji IK
2.
Dopiranje (uvodjenje primesa)
•
•
Termička difuzija
Jonska implantacija
Površinsko mikromašinstvo
• Aditivni procesi
• Strukturni i pomoćni slojevi
Šematski prikaz površinskog mikromačinstva. (a) Depozicija
pomoćnog (sacrificial) sloja, (b) patterning pomoćnog sloja,
(c) depozicija i patterning strukturnog sloja, (d) nagrizanje
pomoćnog sloja i dobijanje samodržeće strukture
MUMPS i SUMMiT tehnologije
Zapreminsko mikromašinstvo
• Procesi oduzimanja materijala
• Vlažno i suvo nagrizanje
• Izotropno i anizotropno nagrizanje
Akcelerometar realizovan tehnologijom
zapreminskog mikromašinstva
Strukture realizovane anizotropnim nagrizanjem silicijuma.
(a) Donja strana pločice sa šupljinama, dijafragmom and
otvorom; (b) Gornja strana pločice sa kantiliverom
formiranim etch-stop tehnikom; (c) poprečni presek AA‘ i
(d) poprečni presek BB'.
HARM tehnologije
High Aspect Ratio Micromachining (HARM)
– veliki odnos visine i širine struktura -
• DRIE – (Deep Reactive Ion Etching)
- Duboko RIE nagrizanje -
HARM tehnologije
• LIGA - LIthographie Galvanoformung Abformung
(Lithography, Electroplating, Molding)
LIGA tehnologija. (a) patterning rezista X-zracima,
(b) elektro-depozicija metala, (c) nagrizanje
rezista, i (d) formiranje plastičnih komponenata.
HARM tehnologije
• Bondiranje pločica
- Anodno bondiranje
Spajanje Si sa staklom i dr. materijalima
- Fuziono bondiranje
Spajanje dve Si pločice
Senzor pritiska.
Silicijum (Si)
Zašto Si?
• Osnovni materijal u tehnologiji IK
• Jeftin
• Kompatibilan sa postojećim
poluprovodničkim tehnologijama (laka
integracija)
• Pogodan za hibridne strukture
Vrste: monokristalni, polikristalni, amorfni
Interesantne činjenice vezane za
proizvodnju čipova
• Za proizvodnju 2 grama Si čipa potrebno j 1.6 kilograma
fosilnog goriva, 72 grama hemikalija i 32 kilograma vode.
• Da bi proizveli tzv. high-grade silicijum koji se koristi za
proizvodnju čipova potrebno je 160 puta više energije nego za
proizvodnju raw silicijuma,što predstavlja skoro polovinu
ukupne energije potrbne za proizvodnju čipa.
Broj tranzistora po IC
Koncentracija nosilaca u intrinsičnom Si
Primese u Si
•
•
•
•
EC – dno provodne zone
EV – vrh valentne zone
ED – donorski energetski nivo
EA – akceptorski energetski nivo
Na sobnoj temperaturi
sve primese su
jonizovane
Uslov elektroneutralnosti
Važi za homogeno dopiran
poluprovodnik u uslovima
termičke ravnoteže
Kako se izračunava koncentracija elektrona i šupljina?
•
•
•
•
n – koncentracija elekrona (cm-3)
p – koncentracija šupljina (cm-3)
ND – koncentracija donora (cm-3)
NA – koncentracija akceptora (cm-3)
1)
2)
Uslov elektroneutralnosti:
Termička ravnoteža:
Koncentracija nosilaca zavisi
od net koncentracije (ND-NA) !
n-tip i p-tip poluprovodnika
• Ako je ND >> NA (to znači da je ND-NA>>ni)
– n>>p i poluprovodnik je n-tipa
• Ako je NA >> ND (to znači da je NA-ND>>ni)
– p>>n i poluprovodnik je p-tipa
Pokretljivost nosilaca m
Električna provodnost s
• gustina struje elektrona:
• gustina struje šupljina:
• ukupna gustina struje:
• provodnost:
Električna otpornost r
Dodavanjem 100 primesnih
atoma na 106 atoma Si menja
se njegova otpornost
8 redova veličina
Otpornost
:
R (=) W
Amorfni
materijali
Monokristal
ni
materijal
Tipovi kristalne rešetke i kristalografske ravni
Kristalografske ravni
Kristalne ravni u Si
Kristalne ravni u Si
Čistoća “Device-Grade Si wafer”
• 99.9999999 %
(jedanaest devetki)
• 1mg šećera u
olimpijskom bazenu
• jedna loptica za tenis u
nizu loptica za stoni
tenis od Zemlje do
Meseca
Dobijanje Si
• Tačke topljenja
- Si: 1420oC
- Kvarc (SiO2): 1732oC
• Prečišćavanje u gasovitoj fazi
- T~ 600oC
- Si + 3HCl = SiHCl3 + H2 + toplota
• Si metalurške čistoće
- Redukcija SiO2 u peći (T>1780oC)
SiO2 + SiC = Si + SiO + CO
Koncentracija nečistoća
(1ppm=5x1016 cm3)
•
•
•
•
Al: 1600 ppm
B: 40 ppm
Fe: 2000 ppm
P: 30 ppm
– SiHCl3 (trihlorsilan) tečan na sobnoj T,
dalje prečišćavanje frakcionom
destilacijom
• Si elektronske čistoće
- Redukcija vodonikom
2SiHCl3 + 2H2 = 2Si + 6HCl
Koncentracija nečistoća
(1ppb=5x1013 cm3)
•
•
•
•
Al: ispod detekcije
B: < 1 ppb
Fe: 4 ppm
P: < 2 ppb
Polikristalni Si
25
Mikroelektronske tehnologije Dobijanje monokristalnog silicijuma
Narastanje kristala
• Si koji se koristi za proces narastanja
(raw Si) dobija se prečišćavanjem
SiO2.
• Raw Si sadrži < 1 ppb primesa.
Izvučeni kristal sadrži O (» 1018 cm-3)
i C (» 1016 cm-3), kao i primese koje
se eventualno dodaju u rastop.
• Si pločice koje se koriset u
proizvodnji IC se uglavnom dobijaju
metodom Czochralski
• Polisilicijumski materijal se topi na
1417 °C, a monokristalna klica se
koristi na početku procesa izvlačenja.
• Brzina izvlačenja, temperatura i
brzina rotacije su najvažniji
parametri pomoću kojih se ovaj
proces kontroliše.
Monokristalna klica
Monokristalni Si u vidu ingota
Kvarcna posuda
Komora sa vodenim hladjenjem
Zaštitnik toplote
Grejač
Grafitna posuda
Držač posude
Elektroda
Czochralski metoda
Metoda lebdeće zone
• Alternativni proces za
dobijanje
monokristalnog Si je
metoda lebdeće zone.
• Ovaj proces se takoĎe
koristi i za
prečišćavanje
monokristalnog Si
30
Flats
PF
Czochralski (CZ) and float-zone (FZ)
techniques
CZ
Poly-Si
Single crystal Si
FZ
Bridgman-ova metoda
Sand to silicon wafer
Sand
(SiO2)
Quartzite
Arc
furnace
Metallurgical
grade Si ($ 2 /kg)
95~98% pure
Polished Si wafer
($ 1300 /kg)
SiHCl3
($ 20 /kg)
Fluidized
bed reaction
w/HCl and
distillation
34
Electronic grade
Si (poly-Si)
(> $ 80 /kg)
Pure Si crystal
($ 400 /kg)
Crystal
growth
Wafering &
polishing
11-04-2005
Vapor
deposition
Ingot to wafer
Slicing
CZ
FZ
Ingot
Wafers for IC
manufacturing
Polishing
Lapping
300mm Si wafer
Sečenje ingota i priprema pločica
• Formiranje zaravnjenja, merenje
orijentacije
• Sečenje pločica
• Lapovanje pločica
– Grindovanje pločica sa obe strane do
glatkoće 2-3 mm
• Nagrizanje pločica
– Hemijsko nagrizanje da bi se uklonio
oštećeni povrčinski sloj
• Poliranje pločica
– Hemo-mehaničko poliranje,
SiO2/NaOH
• Čišćenje i inspekcija pločica
Indentifikacija pločica
LITOGRAFIJA
LITOGRAFIJA
• Termin litografija potiče od od grčkih reči λιθoσ i γραϕειν, čto
bukvalno prevedno znači ”pisati u kamenu”.
• Od svih planarnih procesa, najveći doprinos razvoju mikroelektronike
dala je litografija.
• Od ukupnih troškova izrade integrisanih kola, jedna trećina se odnosi
na litografiju.
• Proces litografije predstvlja osnovu savremenih tehnoloških procesa za
proizvodnju IC. Mogućnost štampanja paterna poluprovodničkih
komponenata submikronskih dimenzija i njihovog prenosa na
poluprovodničku pločicu sa tačnošću koja je bolja od 0.1µm je uticala
na razvoj novih tehnologija i proizvodnju čipova sa karakteristikama
koje oni danas imaju.
• Praktično, sva IC se proizvode korišćenjem optičke litografije
LITOGRAFIJA
• Litografija označava metod generacije lika (otiska) privremene strukture na
površini poluprovodničke pločice. Ove strukture se koriste za ecovanje ili
jonsku implantaciju, na primer.
• Sistem za litografiju se sastoji od:
– 1. izvora zračenja;
– 2. uzorka prekrivenog rezistom;
– 3. sistema za kontrolu osvetljaja
• Suština litografije je da se osvetljenjem menjaju osobine rezista, zbog čega se
osvetljeni ili neosvetljeni delovi (u zavisnosti od tipa rezista) uklanjaju sa
površine poluprovodničke pločice, pri čemu se formira otisak maske.
• Polazi se od podataka o strukturi (šari na maski) koju treba preneti na
površinu pločice. To se realizuje korišćenjem odgovarajućeg zračenja.
LITOGRAFIJA
• U zavisnosti od talasne dužine upotrebljene svetlosti kojom se osvetljava maska,
moguće je razlikovati:
– duboku ultravioletnu litografiju (DUV; 157-250 nm);
– ekstremnu UV litografiju (EUV; 11-14 nm);
– litografiju X zracima (X-ray, < 10 nm);
– elektronsku;
– jonsku litografiju.
• Sistem za kontrolu osvetljaja je najčešće maska, koja se sastoji od nosača
transparentnog za upotrebljeno zračenje. Maske se prave od fuziranog stakla
(silicijum dioksid), na koje se deponuje sloj hroma i (ponekad) sloj hrom oksida
kao antirefleksioni sloj.
• Drugi način da se kontroliše osvetljaj je računarski kontrolisani sistem za
pomeranje laserskog, elektronskog ili jonskog snopa, pri čemu se lik direktno
(bez maske) upisuje u rezist.
Optička litografija
• Optička litografija (fotolitografija) je najznačajnija i najkorišćenija
vrsta litografije. Rezolucija litografskog sistema odreduje minimalnu
širinu linije u integrisanom kolu (CD). Rezolucija litografskog
sistema, odnosno širina linije zavisi od
– 1. metoda za osvetljavanje (u savremenim sistemima to je
projekcioni metod);
– 2. maske (modulacija maske) i optičkog sistema za projekciju
(modulacija sistema za projekciju, numerička apertura i dubina
žiže);
– 3. talasne dužine upotrebljene svetlosti;
– 4. upotrebljenog rezista (mogu se pojaviti efekti stojećih talasa).
• Sistem za fotolitografiju se sastoji iz: sistema
za osvetljavanje, maske, projekcionog
sistema i Si- pločice
Rezisti
• Rezist (fotorezist) je materijal koji je osetljiv na zračenje određene talasne
dužine. Rastvorljivost rezista u odredenom rastvaraču se menja posle
delovanja zračenja. Proces rastvaranja rezista se naziva razvijanje. Rezisti se
klasifikuju na:
–
–
pozitivne
negativne
• Rastvorljivost pozitivnog rezista se povećava posle osvetljavanja rezista
(ekspozicija). Po delovanju svetlosti, uklonjaju seoni delovi rezista koji su bili
izloženi svetlosti. Na taj način lik formiran na rezistu identičan je (ako se ne
uzme u obzir uticaj nesavrešenosti maske i optičkog sistema za projekciju)
liku na maski.
• Kod negativnih rezista, rastvorljivost se smanjuje posle ekspozicije, tako da
se uklanjaju delovi koji nisu bili izloženi svetlosti. Dobijeni lik na rezistu
predstavlja negativ lika na maski.
• Pozitivni rezisti se sastoje od tri komponente:
– smole, koja služi kao vezivo;
– fotoaktivne komponente;
– rastvarača koji održava rezist u tečnom stanju.
Teorijski pregled
• FOTOLITOGRAFIJA:
proces
kojim se definišu šabloni (pattern)
na površini materijala.
• Površina pločice se najpre prekrije
slojem fotoosetljivog materijala koji
se naziva fotorezist.
• Fotorezist se zatim prekrije
fotomaskom na kojoj se nalaze
otvori koji predstavljaju šablone.
• Sledi
ekspozicija,
odnosno
izlaganje
maskirane
površine
pločice ultraljubičastoj svetlosti ili
fokusiranom mlazu elektrona.
• Fotorezist
menja
svoj
hemijski sastav pod dejstvom
svetlosti (polimerizuje se) na
površinama kroz koje svetlost
prodire kroz masku.
• Nakon toga se fotomaska
uklanja, a fotorezist izlaže
hemijskom
nagrizanju
(ecovanje).
• Nagrizanje je selektivno,
ukljanjaju
se
samo
polimerizovani
delovi
fotorezista.
• Sledi nagirazanje SiO2, tako
da se stvaraju otvori do
površine supstrata.
• Na kraju se fotorezist uklanja,
pločica je spremna za dalje
procesiranje.
• REZOLUCIJA
FOTOLITOGRAFSKOG POSTUPKA
predstavlja
najmanju
dimenziju
otvora koja se može ostvariti na
fotomasci (danas par desetina nm)!
• Kamen temeljac mikro- i nanoelektronike – najbitniji proces.
Najkomplikovaniji,
najskuplji
i
najkritičniji proces u IC fabrikaciji...
• Bitni parametri: rezolucija, polje
prilikom izlaganja svetlosti, tačnost
postavljanja
maske,
gustina
defekata, protok procesiranja...
• Najčešće korišćen projekcioni sistem je stepper sistem:
osvetli se jedan čip na pločici, pločica se pomeri na novu
poziciju, a onda se izloži svetlosti drugi čip. Ovaj pristup
se naziva step-and-repeat. Fotomaske se nazivaju
reticles.
• Proces je sporiji nego kada se odjednom svetlosti izlaže
cela pločica (1X projekcioni optički sistem): 30 pločica/sat
u odnosu na 100 pločica/sat...
• Prednosti: manja površina koja se izlaže, lakše se postiže
za
(20x20)mm2,
nego
(200x300)mm2;
moguće
poravnanje
svakog
čipa
posebno;
lakše
eksperimentisanje (svi čipovi mogu da budu izlagani
različito sa ciljem da se odredi optimalna doza zračenja,
uslovi fokusa, proveri stabilnost procesa); moguća je
promena maske između izlaganja - moguće je na istoj
pločici napraviti različite čipove.
• Izvor svetlosti daje svetlosne talase različitih talasnih dužina koji
kada prođu kroz masku se preko projekcione optike
preslikavaju na Si- pločicu.
• Minimalne karakteristične dimenzije struktura koje se mogu
postići fotolitografskim procesom, zavise od efekata talasne
dužine svetlosti, interferencije i difrakcije zraka...
• Veza između numeričke aperture (NA), talasne
dužine svetlosti (λ) i rezolucije (R) data je kroz
proširenu Rayleigh-ovu rezoluciju i deep of focus
(DoF):
gde k1 zavisi od optičkog sistema i fotorezistnog
materijala, k2=1, n je indeks prelamanja (n=1 za
vazduh, n=1.44 fluida za potapanje). Maksimalni ugao
prelamanja θ određuje NA= n·sinθ.
• Faktor delimične koherencije (σ) se definiše kao
odnos efektivne dimenzije izvora (s) i dimenzije
sočiva u sistemu za osvetljenje (d) ili kao odnos NAC
za sočivo u sistemu osvetljenja i NA za sočivo u
projekcionom sistemu.
• σ definiše meru osveteljenosti: veća vrednost σ jača
osvetljenost i manji ugao koherencije svetlosnog
izvora.
• Tok procesa: nanošenje fotorezista, pečenje (soft
bake), poravnanje, izlaganje svetlosti, pečenje,
razvijanje, pečenje (hard bake).
Proces jonske
implantacije
Jonska implantacija je tehnološki proces koji se primenjuje više od 50 godina, kojim
se naelektrisani i ubrzani atomi ili molekuli direktno ubacuju u poluprovodnički
supstrat, pri čemu se energije implantiranih jona kreću u intervalu od nekoliko keV, pa
sve do nekoliko MeV.
U tehnologijama za proizvodnju mikroelektronskih komponenata i integrisanih kola,
proces jonske implantacije se koristi za selektivno dopiranje supstrata. Ovaj proces je
patentirao Shockley 1957 godine, ukazujući i na činjenicu da je posle procesa jonske
implantacije neophodno izvršiti dodatno odžarivanje poluprovodnika kako bi se
redukovala koncentracija defekata i električno aktivirali implantirani primesni joni.
3
Karakteristike procesa
Zbog mnogobrojnih prednosti koje proces jonske implantacije
ima u odnosu na druge procese dopiranja, kao što su
predepozicija, difuzija, itd., u tehnološkim nizovima za
proizvodnju savremenih integrisanih kola jonska implantacija
je gotovo potisnula klasične metode dopiranja.
Osnovne prednosti procesa jonske implantacije su:
 precizna kontrola količine primesa (doze) koja se implantira u
poluprovodnički supstrat;
11 do 1016 /cm2
 Širok opseg doza 10
 smanjuje se lateralno prostiranje primesnih atoma, tako da postoji
mogućnost za proizvodnju komponenata manjih lateralnih dimenzija;
 primesni atomi se mogu implantirati u poluprovodnik i kroz slojeve koji
se nalaze na površini supstrata (veliki broj materijala koji se koriste kao
maska);
 mogu se formirati veoma strmi p-n spojevi;
 proces jonske implantacije je niskotemperaturni proces;
 Mogućnost formiranja ukopanih spojeva
4
 profili implantiranih primesa su uniformni;



postoji mogućnost da se u supstrat korišćenjem jednog implantera implantira
više različitih vrsta primesnih atoma;
Pogodan za podešavanje VT MOS tranzistora
proces jonske implantacije se veoma uspešno modelira, pri čemu se dobija
veoma dobro slaganje sa eksperimentalno određenim profilima primesa.
Postoje i određeni problemi i ograničenja koja prate proces jonske
implantacije, i to:

proces jonske implantacije prouzrokuje oštećenja kristalne poluprovodničke
strukture, pa je zbog toga potrebno kratkotrajno termičko odžarivanje kako bi
se defekti eliminisali;

maksimalna dubina implantiranih jona je relativno mala, naročito kod
implantacije "teških" jona, za energije manje od 300 keV. Primenom većih
energija, reda nekoliko MeV, mogu se dobiti i veće dubine;

lateralno rasejavanje primesnih jona, iako mnogo manje, nije zanemarljivo;

pri implantaciji većih doza proces jonske implantacije je dugotrajan;

oprema potrebna za realizaciju procesa jonske implantacije je veoma složena i
skupa.
5
6
7
8
9
10
11
12
U osnovi procesa
jonske implantacije je
random proces.
Visokoenergetski joni
(1-1000keV)
bombarduju supstrat i
gube svoju energiju
usled sudara sa
jezgrima atoma Si
(nuclear stopping) i
interakcije sa
elektronima (electronic
stopping).
13
Dobijeni profili primesa se veoma često opisuju
Gaussian raspodelom koja ima dva parametra:
projektovani domet Rp i standardnu devijaciju DRp
(200keV implantirani profili B, P, As i Sb su prikazani
na slici gore).
14
Zaustavljanje implantiranih jona usled sudara sa
jezgrima atoma i usled interakcije sa elektronima
ukupna izgubljena energija implantiranog jona po jedinici predjenog
puta može se odrediti kao:
Ukupni predjeni put implantiranog jona, tj. domet R, se može odrediti kao:
Efektivni presek zaustavljanja usled interakcije sa elektronima
Se (E) je proporcionalan brzini jona, tj. kvadratnom korenu
energije:
15
gde je C(x) – vršna vrednost koncentracije (=0.4N/ΔRp) i određena je za
srednju dubinu prodiranja (x=Rp), a ne na površini Si supstrata.
Q-Doza: ukupni broj implantiranih jona*
*Jednačina je korisna veza između doze i vršne vrednosti koncentracije
za energije u opsegu (100-200) keV.
* Za veće energije koristi se Dual Pearson model.
16
17
18
Doza implantacije
Doza –broj atoma unet po jedinici površine, u celoj zapremini
Koncentracija – broj atoma po jedinici zapremine
19
20
21
22
Projektovani domet Rp i standardna devijacija DRp za
najčešće korišćene primese u opsegu od 0 do 200keVsu
date na slikama.
23
Kanalovanje – implantacija u monokristalnom Si
Silicijum koji se koristi za proizvodnju čipova i IC je kristalni materijal.
Efekat kanalovnja kao rezultat daje profile čija je dubina veća od
očekivane.
Kada se primese implantiraju u monokristalni Si i pravac prodiranja
snopa jona se poklapa sa kristalografskom orijentacijom supstrata,
dopanti prodiru dublje od teorijski predvidivih dubina.
Tunelovanje se sprečava tako što se primese implantiraju pod
određenim uglom u odnosu na normalu supstrata. U praksi je ugao
24
implantacije od 7° do 10° za orijentacije kristala (100) ili (111).
The two-dimensional distribution is often assumed to be
composed of just the product of the vertical and lateral
distributions.
Now consider what happens at a mask edge – if the mask is
thick enough to block the implant, the lateral profile under the
mask is determined by the lateral straggle. (35keV and 120keV
As implants at the edge of a poly gate from Alvis et al.)
25
26
Realni implantirani profili su daleko kompleksniji
nego što se to može predstaviti Gaussian
distribucijom:



Light ions backscatter to skew the profile upwards.
Heavy ions scatter deeper.
4 moment descriptions of these profiles are often used (with
tabulated values for these moments).
27
28
3D Monte Carlo simulacija putanja implantiranih jona
(1000 P jona energije 35 keV.)
29
Izgleda kao izdužena elipsa jer je većina visokoenergetskih
jona podvrgnuta malim uglovima sudara.
Bočni pogled pokazuje Rp i DRp, dok direktni pokazuje
lateralno rasipanje
.
Proces oksidacije
•
•Silicijum je jedini poluprovodnički materijal čija se površina može lako
formiranjem oksidnog sloja.
pasivizirati
•Međupovršina Si/SiO2 je svakako najviše i najdetaljnije ispitivana međupovršina od
svih materijala, i njene električne i mehaničke osobine su, kao i osobine formiranog
oksidnog sloja, skoro idealne.
•SiO2 slojevi se veoma lako formiraju na površini Si termičkim procesima koji se
odvijaju u oksidacionom ambijentu, ili se još lakše deponuju na različite supstrate.
Dobro se vezuju za podlogu, blokiraju difuziju primesa, otporni su na veliki broj
hemikalija koje se koriste u poluprovodničkoj tehnologiji, fotopostupcima se lako na
oksid može preneti patern kola ili komponente, lako se uklanja (nagriza) specifičnim
hemikalijama, odličan je izolator i ima stabilne i reproduktibilne osobine.
•Ove osobine silicijuma i oksida su značajno doprinele razvoju celokupne
poluprovodničke industrije, s obzirom da je postalo veoma jednostavno realizovati
MOS strukturu na silicijumu, pri čemu su dobijene veoma pouzdane komponente
stabilnih električnih karakteristika.
• Sve ostale kombinacije poluprovodnik/izolator imaju nedostatke, zbog čega su njihove
primene ograničene.
• Dobre karakteristike SiO2 i medjupovršine Si/SiO2 su osnovni razlozi
zbog kojih silicijum dominira kao poluprovodnik u IC industriji.
• SiO2:
– može se lako i selektrivno nagrizati
– predstavlja pouzdanu masku u procesu jonske implantacije za najveći
broj primesa koje se koriste (B, P, As, Sb)
– odličan je izolator (r > 1016 Wcm, Eg > 9 eV)
– Visoka vrednost probojnog električnog polja (107 Vcm-1)
– Odličan je za pasivizaciju spojeva
– Ima stabilne električne karakteristike
– Stabilna i reprobuktibilna međupovršina sa Si
Formiranje tankih filmova
• Rast filmova
– Formiranje tankog filma iz materijala
supstrata
• Primer: formiranje SiO2 termičkom oksidacijom
• Depozicija filmova
– Nanošenje tankog filma na materijal
supstrata
• Primer: formiranje SiO2 procesom CVD
Procesi rasta filmova
• Oksidacija
– Termička oksidacija
– Anodizacija
Procesi depozicije filmova
• CVD - Hemijska depozicija iz gasovite faze
– APCVD (Atmospferic Pressure CVD)
– LPCVD (Low Pressure CVD)
– PECVD (Plasma Enhanced CVD)
• PVD – Fizička depozicija iz gasovite faze
– Termičko naparavanje
– Spaterovanje
• Elektro-depozicija
• Spin-on
Silicijum oksid: SiO2
• Upotreba:
–
–
–
–
Maska u procesima nagrizanja i difuzije
Pasivizacija površine
Dielektrik gejta MOSFET-a
Izolacija
• Formiranje:
– Rast
• Termička oksidacija
(daje najbolji kvalitet)
• Anodizacija
– Depozicija
• CVD
• Naparavanje
• Spaterovanje
Struktura oksida
Kristalni
Amorfni
Bridging
oxygen atom
8
12-23-2005
Termička oksidacija Si
• Visokotemperaturni proces (900-1200oC)
• Dve vrste procesa:
– Suva (dry) oksidacija
Si (č) + O2 = SiO2
– Vlažna (wet) oksidacija
Si (č) + 2H2O = SiO2 + 2H2
Suva oksidacija daje okside većih gustina:
r(dry)=2.25 g/cm3 , r(wet)=2.15 g/cm3
Početna površina Si
Si
Oksidacione peći
Oksidacione reakcije i širenje zapremine
Kinetika procesa oksidacije
Kinetika rasta termičkog oksida
• Osnovni model: Grove&Deal-ov model
– Prisustvo oksidanta na medjupovršini
ograničeno je njegovom difuzijom kroz oksid
• Prvi Fick-ov zakon: fluks J = -D dN/dx
• Aproksimacija: dN/dx = - (N0 –N1)/x
Kinetika rasta termičkog oksida
– N0 predstavlja graničnu rastvorljivost oksidanta u oksidu
• N0O2 = 5x1016 cm-3 na 1000oC
• N0H2O = 3x1019 cm-3 na 1000oC
– Fluks J’na medjupovršini SiO2-Si formira novi oksid
J’= k N1
• k je konstanta hemijske reakcije
– U ravnoteži je J’=J
Kinetika rasta termičkog oksida
– Fluks: br molekula oksidanta koji prolazi kroz medjupovršinu
– Brzina pomeranja medjupovršine:
dx /dt
– n: br molekula oksidanta u jedinici zapremine oksida:
– Onda je:
– Uzimajući:
i
– Integracija pri početnom uslovom
daje:
Kinetika rasta termičkog oksida
– gde je t “offset” vreme kojim se uzima u obzir prisustvo
prirodnog oksida na površini u trenutku t=0
– n: br molekula oksidanta u jedinici zapremine oksida
Kinetika rasta termičkog oksida
• Granični slučaj Grove&Deal-ovog modela:
– Kratka vremena
• Debljina oksida se povećava linearno sa vremenom
• B/A je konstanta linearne brzine:
• Konstanta linearne brzine zavisi od:
– Brzine reakcije oksidanta i Si (k)
– Rastvorljivosti oksidanta u oksidu (N0)
– Temperaturna zavisnost je uglavnom zbog brzine reakcije
Kinetika rasta termičkog oksida
• Granični slučaj Grove&Deal-ovog modela:
– Duga vremena
• Zavisnost je parabolična: (debljina)2 ~ vreme
• B je konstanta parabolične brzine:
• Konstanta parabolične brzine zavisi od:
– Difuzivnosti oksidanta u oksidu (D)
– Rastvorljivosti oksidanta u oksidu (N0)
– Temperaturna zavisnost je uglavnom zbog difuzivnosti
Debljina termičkog oksida
• Suva oksidacija
• Vlažna oksidacija
Efekti dopiranja Si na kinetiku rasta
termičkog oksida
• Bor
– k = Cox /CSi ~ 3
– Primese se nagomilavaju u oksidu
• Imaju mali uticaj na konstantu linearne brzine B/A
• Povećavaju konstantu parabolične brzine B
– Efekat značajan tek pri NB > ~1020 cm-3
• Fosfor
– k = Cox /CSi ~ 0.1
– Primese se nagomilavaju na površini Si
• Imaju mali uticaj na konstantu parabolične brzine B
• Povećavaju konstantu linearne brzine B/A
– Efekat značajan tek pri NP > ~1020 cm-3
Parametri koji utiču na oksidaciju
•
•
•
•
•
Temperatura
Ambijent (Dry O2, Wet, Steam, HCl)
Pritisak
Orijentacija supstrata
Nivo dopiranja u supstratu
• Na brizinu rasta utiču i: kristalografska orijentacija, nivo
dopiranja Si-supstrata, procenat hlorovodonične kiseline (HCl)
ili hlorina (Cl )
• HCl i Cl2 štite od kontaminacije metala i sprečavaju
ugradnju defekata u oksidni sloj
• Jako dopirani supstrati brže oksidišu u odnosu na slabo dopirane
(3-4 puta), efekat je izraženiji kod n - nego kod p + i to
pri niskim temperaturama oksidacije
• Brži je rast na (111) nego na (100) supstratima, sem pri rastu
tankih oksida pri niskim pritiscima pri suvoj oksidaciji i na
vrlo visokim pritiscima i niskim temperaturama pri vlažnoj
oksidaciji
• Različito oksidišu ravne i hrapave (oblikovane) strukture
Uticaj pritiska
B i B/A rastu približno
linearno sa povećanjem
pritiska Pg
Pg   C*  
oxidation rate 
Orijentacija kristala
Nivo dopiranja u supstratu
CVD (Chemical Vapor Deposition) procesi
• Osnovno obeležje: hemijska reakcija gasovitih reaktanata
– Pitisak: atmosferski - 50 mTora
– Pobuda reakcije:
• Termička: T u opsegu 100 – 1000oC
– Pri višim temperaturama povećava se migracija i pokretljivost
molekula reaktanata na površini supstrata
• Plazmom
• Optička
• Materijali:
–
–
–
–
–
SiO2
Polikristalni Si (poli)
Si3N4
Metali
Fosfosilikatna, borosilikatna, borofosfosilikatna stakla (PSG, BSG,
BPSG)
Vrste CVD procesa
• APCVD - Atmospheric Pressure CVD
• LPCVD – Low Pressure CVD
• PECVD – Plasma Enhanced CVD
Koraci CVD procesa
•
•
•
•
•
Uvodjenje gasova u reaktor
Kretanje molekula gasova ka supstratu
Adsorpcija reaktanata na supstratu
Formiranje filma putem hemijske reakcije
Desorpcija i izvodjenje gasova produkata reakcije
CVD i LPCVD METODE
CVD i LPCVD METODE
32
Schematic of CVD Transport and Reaction
Steps
1) Mass transport
of reactants
CVD Reactor
Gas delivery
2) Film precursor
reactions
3) Diffusion of
gas molecules
4) Adsorption of
precursors
7) Desorption of
byproducts
By-products
5) Precursor diffusion
6) Surface reactions
into substrate
Substrate
8) By-product
removal
Exhaust
Continuous film
Gas Flow in CVD
Gas flow
Diffusion of
reactants
Reaction product
Deposited film
Silicon substrate
Gas Flow Dynamics at the Wafer
Surface
Gas flow
Gas flow
Boundary layer
Stagnant layer
Osnovne konfiguracije CVD reaktora
• Reaktori sa vrućim zidovima
– Zagreva se ceo sistem
• Termička pobuda reakcija
• Pritisak:
– Atmosferski: veća brzina
depozicije
– Nizak (LPCVD): manja
brzina depozicije, bolja
uniformnost filma
• Pobuda reakcija plazmom
(PECVD)
• Reaktori sa hladnim zidovima
– Zagreva se samo supstrat:
• otporno ili induktivno
CVD silicijum dioksid
• Reakcije:
– SiH4 +O2 -> SiO2 + 2H2
– SiH4 + N2O -> SiO2 + nus-produkti
– SiCl2H2 + N2O -> SiO2 + nus-produkti
– Si(OCl2H5)4 -> SiO2 + nus-produkti
• Si(OCl2H5)4 – tetraetil ortosilikat (TEOS)
• Uslovi depozicije:
– APCVD, hladni zidovi, T~500oC
– LPCVD, vrući zidovi, T~500oC
– PECVD, T~250oC za silan i T~700oC za TEOS
CVD polisilicijum
• SiH4 -> Si + 2H2
– Piroliza silana (SiH4)
• APCVD, hladni zidovi, 5% silana u vodoniku
• LPCVD (~ 1 Tor), vrući zidovi, 20-100% silana
• Veličina zrna:
– zavisi od T depozicije i uslova procesa koji slede
• Dopiranje tokom depozicije:
– P-tip: diboran (B2H6) – r~0.005 Wcm
– N-tip: arsin (AsH3), fosfin (PH3) - r~0.02 Wcm
• Dopiranje posle depozicije:
– Implantacijom ili difuzijom
CVD silicijum nitrid
• Stehiometrijska formulacija: Si3N4
– U praksi Si/N varira od 0.7 (obogaćen N) do 1.1
(obogaćen Si)
• Uslovi depozicije:
– LPCVD: 700-900oC
• 3SiH4 + 4NH3 -> Si3N4 +12H2
• 3Si2Cl2H2 +4NH3 -> Si3N4 + 6HCl +6H2
Si/N oko 0.75, 4-8% H
 r~3 g/cm3, n~2.0, k~6-7
– PECVD: 250-350oC
• SiH4 + NH3 -> SixNyHz + H2
• SiH4 + N2 -> SixNyHz + H2
Si/N od 0.8-1.2, ~20%H
r~2.4-2.8 g/cm3, n~1.8-2.5, k~6-9
CVD metali
• Volfram:
– WF6 + 3H2 -> W + 6HF
– 2WF6 + 3SiH4 -> 2W + 3SiF4 + 6H2
T~ 300oC, hladni zidovi
Athezija sa SiO2 slaba pa se koristi TiN kao medjusloj
• Aluminijum:
– Tri-izobutil-aluminijum (TIBA)
– LPCVD, T~ 200-300oC
• Bakar:
– Cu b-diketon, T~ 100-200oC
Depozicija
• Depozicija je proces nanošenja tankih slojeva (filmova) na
površinu supstrata.
• Pri izradi integrisanog kola ili elektronske komponente, deponuje
se više različitih slojeva na površini silicijuma.
• Neki od ovih slojeva ostaju kao sastavni deo kola, dok se drugi
skidaju po obavljanju pojedinih procesa izrade integrisanog kola
ili komponente.
Tanki sloj koji se deponuje mora imati sledeće karakteristike:
• dobro pokrivanje strmih otvora na površini pločice (konformno pokrivanje),
•
pokrivanje otvora koji imaju veliki odnos aspekta (visine i širine);
• uniformnu debljinu;
• visoku čistoću;
• kontrolisan sastav;
• dobru strukturu;
• dobre električne osobine;
• dobro prijanjanje (adheziju) za podlogu.
Sve tehnike depozicije mogu se klasifikovati na:
• tehnike fizičke depozicije (bez hemijskih procesa) -PVD
• • tehnike hemijske depozicije (pomoću hemijskih reakcija ili termičke
dekompozicije)- CVD
Postupak depozicije se sastoji iz nekoliko faza:
• 1. nukleacija atoma koji se deponuju, pri čemu se stvaraju klasteri jezgara;
• 2. aglomeracija (sjedinjavanje) formiranih klastera, što predstavlja rast ostrva;
• 3. aglomeracija ostrva u kontinualni sloj.
Depozicijom se mogu formirati tanki slojevi dielektrika i metala.
PVD (Physical Vapor Deposition) procesi
• Vrste PVD procesa:
– Termičko naparavanje
– Spaterovanje
Termičko naparavanje
• Materijal za depoziciju prevodi se u gasovito stanje grejanjem
• Proces se izvodi u visokom vakuumu (~ 5x107 tor) da bi se
izbegla kontaminacija
• Prednosti:
- Velika brzina depozicije (0.5 mm/min)
- Atomi niskih energija (~ 0.1 eV) ne oštećuju površinu supstrata
- Nije potrebno grejanje supstrata
• Nedostaci:
- Loše prekrivanje stepenika
- Varijacije debljine deponovanog materijala kod velikih supstrata
- Oštećenja izazvana X-zracima
Termičko naparavanje
• Mehanizmi zagrevanja:
– Otporno zagrejavanje ladjice sa materijalom koji
treba deponovati
• Najčešći materijali za grejače: W (3410oC), Ta (2996oC) i Mo
(2670oC)
• Potencijalni problem: reakcija sa materijalom ladjice
– Zagrevanje snopom elektrona
• Materijal za depoziciju se bombarduje elektronima
• Generišu se X-zraci koji oštećuju substrat/komponentu
– Induktivno zagrevanje materijala za depoziciju
• Usled gubitaka vihornih struja
Termičko naparavanje
• Otporno zagrevanje:
– Najednostavniji i široko zastupljen metod
– Koristi se za temperature do 1800oC
– Supstrati se izlažu vidljivom i IR zračenju
– Tipična brzina depozicije 0.1-2 nm/s
– Materijali koji se mogu deponovati:
• Au, Ag, Al, Sn, Cr, Sb, Ge, In, Mg, Ga
• CdS, PbS, CdS, NaCl, KCl, AgCl, MgF2, CaF2, PbCl2
Termičko naparavanje
• Zagrevanje snopom elektrona:
– Složeniji metod
– Koristi se za temperature preko 3000oC
– Tipični emisioni naponi 8-10 kV
– Supstrati se izlažu zračenju sekundarnih elektrona i Xzraka
– Tipična brzina depozicije 1-10 nm/s
– Materijali koji se mogu deponovati:
• Svi koji se deponuju otpornim zagrevanjem
• Ni, Pt, Ir, Rh, Ti, V, Zr, W, Ta, Mo
• Al2O3, SiO, SiO2, SnO2, TiO2, ZrO2
Termičko naparavanje
• Zagrevanje snopom elektrona:
Termičko naparavanje
• Adsorpcija:
– Adsorpcija je proces pričvršćavanja čestica (atoma ili
molekula) za supstrat
– Fizisorpcija:
• Molekul koji udara u substrat gubi kinetičku (toplotnu)
energiju. Zbog manje energije molekul ne može da preskoči
prag energije potreban za njegovo oslobadjanje
– Hemisorpcija:
• Molekul koji udara u supstrat gubi kinetičku energiju tako što
se odvija hemijska reakcija kojom se formira hemijska veza
izmedju molekula i drugih atoma supstrata
Spaterovanje
•Za dislokaciju atoma sa površine izvora materijala za
deponovanje koriste se joni velikih energija
•Može se deponovati bilo koji materijal
• Proces se izvodi u niskom-srednjem vakuumu (~ 10 tor)
• Prednosti:
- Uniformna debljina deponovanog filma po celoj površini supstrata čak
i kada su oni veliki
- Laka kontrola debljine filma merenjem vremena
- Laka depozicija legura
- Dobro prekrivanje stepenica
- Bez oštećenja X-zracima
Spaterovanje
• Šta je spaterovanje?
– Incidentne jone visokih energija generiše plazma
• Magnetno polje se koristi za ograničavanje plazme,
električno polje za ubrzanje čestica
• DC plazma za metale
• Rf plazma za dielektrike
Spaterovanje
• Nedostaci:
- Brzina depozicije nekih materijala je suviše mala
- Organski materijali degradiraju zbog bombardovanja jona
- Laka ugradnja nečistoća zbog niskog-srednjeg vakuuma
Procesi vlažnog nagrizanja
(wet etching)
• Glavni koraci procesa vlažnog nagrizanja:
– Transport reaktanata do površine
– Hemijska reakcija na površini
– Transport produkata reakcije sa površine
• Glavni sastojci sredstva za nagrizanje:
– Oksidujuće sredstvo
• Primer: H2O2, HNO3
– Kiselina ili baza za rastvaranje oksidovane površine
• Primer: H2SO4, NH4OH
– Rastvarač za transport reaktanata i produkata reakcije
• Primer: H2O, CH3COOH
Procesi vlažnog nagrizanja
• Profili: izotropni i anizotropni
• Primena: Si, SiO2, Si3N4, metali
• Kontrola: maskirajući materijali, dopiranje, elektrohemijska
Vlažno nagrizanje
Procesi vlažnog nagrizanja
• Izotropno nagrizanje:
– Jednaka brzina nagrizanja u svim pravcima
– Lateralna brzina nagrizanja je skoro ista kao vertikalna
– Brzina nagrizanja ne zavisi od orijentacije ivice maske
• Anizotropno nagrizanje:
– Brzina nagrizanja zavisi od orijentacije kristalnih ravni
– Lateralna brzina nagrizanja može biti mnogo veća ili mnogo manja
od vertikalne, što zavisi od orijentacije ivice maske u odnosu na
kristalografske ose
– Orijentacija ivice maske i detalji šeme na maski odredjuju konačan
oblik nagrizanja
• Može biti korisno u stvaranju kompleksnih oblika
• Može biti čudno kada nije dobro osmišljeno
• Samo su standardni oblici rutinski
Procesi vlažnog nagrizanja
Nagrizanje Si
• Izotropno:
– HF:HNO3:CH3COOH (Hydrofluoric+Nitric+Acetic acids – HNA)
– HF
– HF:NH4F
• Anizotropno:
– KOH
– EDP
(Ethylene Diamine Pirochatechol)
– (CH3)4NOH
(TetraMethyl Ammonium Hydroxide – TMAH)
– CsOH
– NaOH
– N2H4-H2O (Hydrazine)
• Maskirajući materijali:
– Fotorezist
– Si3N4
– SiO2
Anizotropno nagrizanje Si pomoću KOH
• Brzina nagrizanja varira sa T i koncentracijom:
• (110):(100):(111)=600:400:1
Anizotropno nagrizanje Si
Slojevi za stopiranje anizotropnog nagrizanja Si
• Kontrola apsolutne dubine nagrizanja je teška
• Slojevi za stopiranje nagrizanja drastično smanjuju brzinu nagrizanja
• Za nagrizanje Si koriste se slojevi dopirani B
• Primeri:
- Brzina nagrizanja KOH se redukuje 20x za NB>1020 cm-3
- Brzina nagrizanja NaOH se redukuje 10x za NB>3x1020 cm-3
- Brzina nagrizanja EDP se redukuje 50x za NB>7x1019 cm-3
- Brzina izotropnog nagrizanja HNA se povećava sa NB
Slojevi za stopiranje anizotropnog nagrizanja Si
Elektrohemijsko nagrizanje Si
• Pozitivnim polarisanjem Si pločice, šupljine
se injektuju iz spoljašnjeg kola, oksidišu Si i
formiraju hidroksid koji se rastvara u HF
• Ovo nagrizanje se koristi za poliranje Si
pločica
• Efikasno se maskira filmovima Si3N4
Vlažno nagrizanje filmova
Metalni filmovi
Dielektrični filmovi
• Si3N4
– 1% HF, brzina 60 nm/min
– 10% HF, brzina 500 nm/min
– BHF, brzina 0.5-1 nm/min
• SiO2
– BHF, brzina 100-250 nm/min
– HF, brzina velika
• Cu i Ni
– 30%FeCl3
– 30%H2O2:70%H2SO4
– KJ:J2:H2O
• Cr
– 75%HCl:25%HNO3
– HCl:Glicerin
• Au
– 75%HCl:25%HNO3
– Alkalni cijanid / H2O2
• Ag
– HNO3
Procesi suvog nagrizanja
(dry etching)
• Sredstva za izotropno nagrizanje uklanjaju
materijal istom brzinom u svim pravcima
Procesi suvog nagrizanja
• Selektivnost nagrizanja: odnos brzine nagrizanja materijala
koga treba ukloniti prema brzini nagrizanja drugih materijala
• Selektivnost maskirajućih materijala i slojeva za stopiranje
nagrizanja je od izuzetnog značaja
Procesi suvog nagrizanja
• Suvo nagrizanje - uklanjanje materijala reakcijama
koje se odvijaju u gasovitoj fazi
• Vrste suvog nagrizanja:
– Nagrizanje bez plazme – koristi spontanu reakciju
odgovarajuće smeše reaktivnih gasova
– Nagrizanje sa plazmom – koristi RF snagu za pobudu
hemijske reakcije
Suvo nagrizanje bez plazme
• Odvija se u gasovima koji sadrže fluor - fluoridima i
interhalogenima
• Obezbedjuje izotropno nagrizanje Si
• Visoka selektivnost maskirajućih filmova
• Kontrola putem temperature i parcijalnih pritisaka reaktanata
Nagrizanje ksenon-difluoridom (XeF2)
• 2XeF2 + Si = 2Xe + SiF4
• Izotropno nagrizanje Si
• Visoka selektivnost za SiO2, Si3N4, fotoreziste, PSG, Al
• Tokom egzotermne reakcije generiše se toplota
Nagrizanje interhalogenima (BrF3 i ClF3)
• Gasovi reaguju sa Si i formiraju SiF4
• Skoro izotropan profil nagrizanja
• Maskirajući materijali: SiO2, Si3N4, fotorezist, Al, Cu Au i Ni
Suvo nagrizanje sa plazmom
• Koristi RF snagu za pobudu hemijske reakcije
• Vrste :
–
–
–
–
Fizičko nagrizanje
Hemijsko nagrizanje
Nagrizanje reaktivnim jonima (RIE)
Duboko nagrizanje reaktivnim jonima (DRIE)
Plazma
• Plazma je delimično jonizovani gas koji sadrži jednak broj
pozitivnog (jone) i negativnog (elektrone) naelektrisanja i
odredjen broj neutralnih (nejonizovanih) molekula
• Uporedo sa jonizacijom molekula (formiranjem parova jonelektron) odvija se rekombinacija naelektrisanja
• Tipična kinetička energija elektrona u plazmi je 2-8 eV
Formiranje plazme
• Iz komore se evakuiše vazduh a zatim
napuni potrebnim gasovima
• Elektrode se priključe na RF napajanje
• Električno polje ubrzava elektrone
povećavajući njihovu kinetičku energiju
• Elektroni se sudaraju sa neutralnim
molekulima gasa i kada nastaju joni i još
veći broj elektrona
• Ravnoteža (plazma) se uspostavlja pri
jonizacija=rekombinacija
Fizičko plazma-nagrizanje
• Bazira se na fizičkom bombardovanju jona ili atoma
• Plazma se koristi za energizaciju hemijski inertnih čestica kako bi
velikim brzinama udarale u supstrat
• Pri udaru čestice predaju energiju atomima supstrata
• Ukoliko je ta energija veća od energije veze atomi supstrata se
dislociraju
• Nagrizanje je anizotropno
• Kao izvor jona najčešće se koristi Ar
Hemijsko plazma-nagrizanje
• Plazma se koristi za stvaranje
hemijski reaktivnih čestica (atoma,
radikala i jona) iz inertnog
molekulskog gasa
• Nagrizanje se odvija u 6 koraka:
• Generacija reaktivnih čestica
(npr. slobodnih radikala)
• Difuzija do površine
• Adsorpcija na površini
• Hemijska reakcija
• Desorpcija produkata reakcije
• Difuzija produkata
Chemical and Physical Dry Etch
Mechanisms
Physical Etching
Chemical Etching
Sputtered surface
material
Reactive +ions
bombard surface
Anisotropic etch
Desorption of
by-products
Surface reactions of
radicals + surface film
Isotropic etch
Plasma Etch Process of a Silicon Wafer
RF generator
Anode
1) Etchant gases
enter chamber
Electric field
Etch process chamber
Gas delivery
By-products
l
2) Dissociation of
reactants by
electric fields
8) By-product
removal
3) Recombination of
electrons with atoms
creates plasma
Exhaust
l
4) Reactive +ions
bombard surface
Anisotropic
etch
5) Adsorption of
reactive ions
on surface
6) Surface reactions of
radicals and surface film
Isotropic etch
Substrate
Cathode
7) Desorption of
by-products
Nagrizanje reaktivnim jonima (RIE)
• RIE je kombinacija fizičkog i
hemijskog plazma-nagrizanja
• Proces u kome se hemijsko
nagrizanje vrši zajedno sa
bombardovanjem jona
• Bombardovanje otvara oblasti za
obavljanje hemijskih reakcija
• Osobine:
• Ne postoji podecovanje jer
bočne strane nisu izložene
• Veća brzina nagrizanja
• Manja selektivnost
Parallel Plate RIE Reactor
Grounded
electrode
(anode)
Ar+
(physical etch
component)
Powered
electrode
(cathode)
F
(chemical etch
component)
RF generator
Wafer
Primer RIE nagrizanja
• SCREAM proces (Single Crystal Reactive Etching And Metallization)
• Višestruko anizotropno i izotropno suvo nagrizanje
• Niskotemperaturno nagrizanje i depozicija
Primer RIE nagrizanja
RIE nagrizanje posle CMOS procesiranja za oslobadjanje strukture tankih filmova
Duboko nagrizanje reaktivnim jonima
(DRIE)
• Primenjuje se magnetno polje za poboljšanje transfera
energije rezonirajućih elektrona
•DRIE proces koristi jone manjih energija, što ima za
posledicu manja oštećenja i bolju selektivnost materijala
• Gustina reaktivnih jona i njihova kinetička energija
kontrolišu se odvojeno
Primer DRIE nagrizanja
• Bosch-ov proces – kombinacija DRIE nagrizanja i postupaka pasivizacije
• Koristi plazmu velike gustine za naizmenično nagrizanje Si i depoziciju
polimera (otpornih na nagrizanje) na bočnim stranama
Primeri struktura realizovanih Bosch-ovim
procesom
Applications for Wafer Etch in CMOS
Technology
Photoresist
mask
Film
to be etched
(a) Photoresist-patterned substrate
Photoresist
mask
(b) Substrate after etch
Protected
film
Površinsko mikromašinstvo
Procesiranje na površini supstrata (silicijuma) kojim se formiraju
slojevi tankih filmova:
• Strukturni slojevi (polisilicijum, silicijum nitrid i aluminijum)
• Pomoćni slojevi (oksidi)
Proizvodni koraci
(a) Depozicija pomoćnog sloja
(sacrificial or spacer layer)
(b) Fotolitografija i nagrizanje
pomoćnog sloja
(c) Depozicija, fotolitografija i
nagrizanje strukturnog sloja
(d) Nagrizanje pomoćnog sloja i
dobijanje samodržeće (slobodne)
strukture
Prednosti površinskog mikromašinstva
•
Kompatibilnost sa CMOS tehnologijom
•
Procesiranje jedne strane pločice
•
Male dimenzije komponenata
•
Efektna cena
Nedostaci površinskog mikromašinstva
Lepljenje samodržećih struktura za
supstrat ili strukturni sloj
•
Nagrizanje pomoćnog sloja
je obično u rastvoru
•
Zaostala voda za ispiranje
•
Površinski napon vuče
strukturu naniže
Nedostaci površinskog mikromašinstva
Naprezanje samodržećih struktura
U tankim filmovima postoji naprezanje na
sabijanje (compressive stress) i istezanje
(tensile sress)
Uzroci:
• Spoljašnji (primenjeno naprezanje,
termičko širenje, plastična
deformacija)
• Unutrašnji (rast, nekompatibilnost
rešetki, fazna transformacija)
Efekti gradijenta naprezanja tankih
filmova na MEMS strukturu
Top more tensile
Top more compressive
Ingot monokristalnog Si
Primeri mkrosistema dobijenih
tehnologijom površinskog mikromašinstva
Mikro pinceta
Mikro optika
DMD
Akcelerometar
MUMPS i SUMMiT tehnologije
MUMPS – Multi-User MEMS Process
SUMMiT – Sandia Ultra-planar Multi-level MEMS Technology
Tehnologije površinskog mikromašinstva što je moguće
opštijeg dizajna kako bi se ispunili zahtevi različitih
korisnika.
Za strukturne slojeve (ima ih 3) koriste poli-Si, za pomoćne
slojeve oksid silicijuma, a za električnu izolaciju
silicijumskog supstrata njegov nitrid.
Primeri mkrosistema dobijenih MUMPS
i
SUMMiT tehnologijama
Linear Comb Resonator
Rotary Side Drive Motor - TopView
Closeup of Comb Drive Fingers
Rotary Side Drive Motor - Side View
Primeri mkrosistema dobijenih MUMPS
i
SUMMiT tehnologijama
Rotary Comb Drive
Resisitive Fuse Link
Primeri mkrosistema dobijenih MUMPS
i
SUMMiT tehnologijama
Micro Relay
Closeup Sideview of Hinge
Zapreminsko mikromašinstvo
Podrazumeva uklanjanje dela zapremine supstrata. Koristi procese
vlažnog (za silicijum i kvarc) ili suvog nagrizanja (za silicijum,
metale, plastiku i keramiku). Formiraju se strukture u vidu rupa,
žlebova, kanala...
Vlažno nagrizanje Si
Izotropno nagrizanje (HF:HNO3:CH3COOH)
Anizotropno nagrizanje (KOH)
(110)
(100)
Primer: Elektrohemijski senzor
Formiranje niza elektrohemijskih senzora u
kateteru za merenje pH, O2 i CO2 u krvi
Suvo nagrizanje Si pomoću XeF2
DRIE nagrizanje Si
DRIE nagrizanje pogodno za
materijale deblje od 1mm
Neplanarne tehnologije bez Si
Za proizvodnju mikrosistema razvijene su netradicionalne
tehnologije na bazi polimera, metala i keramike.
Njima se mogu dobiti HARM strukture (2.5-D i 3-D).
LIGA
LI thographie
G alvanoformung
A bformung
Lithography
Electroforming
Molding
Rezist od polimernog materijala (PMMA-Poly
Methyl Metha Acrylate) izlaže se X-zracima
kroz unapred pripremljenu masku.
Eksponirane oblasti imaju oslabljene veze i
rastvaraju se pogodnim razvijačem. Dobijaju se
strukture sa aspektnim odnosom 20:1 i visinom
od nekoliko mm.
U medjuprostor polimera nanosi se metal
electroplating postupkom.
Metalni deo se koristi kao deo veće matrice za
operaciju daljeg kalupljenja (molding).
Kalupljenje injekcijom plastike (injection
molding).
Oslobadjanje kalupa čime se dobija polimerna
komponenta
PMMA struktura
Ni - struktura
Maske u LIGA tehnologijama
proizvode se tehnikama
mikromašinstva jer moraju da
budu neprozirne za X-zrake
Prednosti i nedostaci LIGA tehnologija
Prednosti:
• Jeftinije HARM mikrostrukture
• Osim polimera u upotrbi su metali i
keramika
Nedoataci:
• Zahtevaju sinhrotron kao izxor X-zraka
• Skupe maske
• Veoma teška integracija
LIGA: primeri u metalu
Merač protoka gasova
Mikromehanički kapacitivni aktuator
LIGA: primer u plastici
Najmanji helikopter na svetu kostruisan iz delova proizvedenih LIGA
tehnologijom. Sa visinom od 24 mm i težinom od 0.4 g helikopter poleće pri
40 000 obrtaja u minuti.
SU-8 LIGA tehnologija
IBM je razvio novi fotoosetljivi epoksi rezist SU-8 kojim mogu da
se dobiju HARM strukture.
Tokom procesiranja koristi se standardna oprema za litografiju:
izvor UV svetlosti i standardne maske.
Realizovane strukture su visoke nekoliko mm i imaju aspektni
odnos ~15:1.
SU-8: primeri
Bondiranje
Zašto?
– Kreiranje kanala i šupljina
– Kreiranje izolacionih slojeva
– Smanjenje složenosti čipa
– Pakovanje
Tehnike:
– Anodno bondiranje
– Fuziono bondiranje silicijuma
– Eutektičko bondiranje
– Epoksi bondiranje
– Ostale
Termokompresiono bondiranje
Ultrazvučno bondiranje
Šavno zavarivanje
Lasersko zavarivanje
Anodno bondiranje
• Naziva se još i elektrostatičko bondiranje.
• Povezuje se Si i staklo.
• Vrši se natemperaturi od oko 400oC.
• Si se polariše pozitivno, a staklo negativno.
• Pozitivni joni u staklu diftuju daleko od Si čime se na
medjupovršini formira visoko polje.
• Koristi se staklo sa termičkim koeficijentom širenja sličnim Si
• Kroz spoj mogu da prodju tanke metalne linije
Fuziono bondiranje Si
• Ostvaruju se Si-Si i Si-oksid
veze.
• Daje visoku čvrstoću veze.
• Na površini su potrebne OH
grupe
• Vrši se natemperaturi od 300800oC.
Eutektičko bondiranje
• Koriste se legure Si i metala
kao Si-Au, Si-Ag, Si-Al i druge.
• Na 370oC Si se rastvara u Au i
prodire dublje u Au.
• Dobijaju se jake veze sa
visokom termičkom stabilnošću
• Mogući su problemi kod većih
površina bondiranja.
Epoksi ili poliamidno bondiranje
• Može biti provodno i neprovodno.
• Jednostavan i jeftin postupak.
• Jačina veze slaba.
• Može da se formira izolujući sloj.
• Dekompozija česta.
Ostale tehnike mikromašinstva
Formiranje hermetičkih šupljina
• Površinska modifikacija
• Štampanje
• Stereolitografija (3-D)
• Formiranje oštrih vrhova
• Hemo-mehaničko poliranje (CMP)
• Mašinstvo električnim pražnjenjem
• Precizno mehaničko mašinstvo
• Termomigracija
• Obrada fotoosetljivih stakala
• Snop fokusiranih jona
• SCREAM
Cena materijala za mikrosisteme
Pakovanje mikrosistema
Pakovanjem se ostvaruju veze mikrosistema sa spoljnim svetom
Nivoi pakovanja:
– L0: Oblici na čipu
– L1: Čip
– L2: Nosač čipa
– L3: Kartica
– L4: Ploča
– L5: Kablovi
Mikrosistem se montira (pakuje) u kućište zbog:
– Zaštite komponente od radne sredine
– Zaštite sredine od materijala i rada komponente
Zaštita od sredine:
– Električna izolacija ili pasivizacija od elektrolita i vlage
– Mehanička zaštita za obezbedjenje strukturnog integriteta
– Optička i termička zaštita da bi se izbegli neželjeni efekti na
karakteristike
– Hemijska izolacija od grubog hemijskog okruženja
Zaštita od komponente:
–Pravilan izbor materijala za eliminaciju uticaja komponente
– Rad komponente kojim se onemogušavaju toksični proizvodi
– Sterilizacija komponente
Osnovno o kućištu
• Kućište je jedan od poslednje istraženih elemenata mikrosistema
• Ne postoji opšte primenljiv metod pakovanja mikrosistema
• Svaka komponenta radi u specifičnom okruženju
• Svaka komponenta ima jedinstven način rada
• Električna zaštita:
– Elektrostatičko oklopljavanje
– Penetracija vlage (glavni uzrok otkaza za biosenzore)
– Adhezija na nedjupovršini
– Naprezanje na nedjupovršini
– Korozija materijala supstrata
• Mehanička zaštita:
– Krutost; kućište mora biti mehanički stabilno tokom života komponente
– Težina, veličina i oblik kućišta moraju obezbediti ugodno rukovanje i
ispravan rad komponente
Glavni problemi u pakovanju mikrosistema
• Kućište čini 75% ukupne cene mikrosistema
• Mikrosistem često mora da bude u direktnom kontaktu sa okolinom
• Kućište se specijalno dizajnira za datu komponentu
• Pouzdanost
• Kompatibilnost medijuma
• Modularnost
• Male veličine
• Sečenje pločice i oslobadjanje čipova
• Stres
• Odvodjenje gasova iz kućišta
• Testiranje komponente
• Zatvaranje kućišta
• Integracija
Osnovne operacije pri pakovanju
• Priprema donje strane čipova na pločici
• Razdvajanje čipova
• Odabiranje čipova
• Pričvršćivanje čipa (a)
• Inspekcija
• Bondiranje žica (b)
• Inspekcija
• Zatvaranje kućišta (c)
• Odsecanje izvoda
• Markiranje
• Finalno testiranje
Osnovni tipovi kućišta
Dual inline package (DIP)
Chip Carrier
Pin Array
Odvajanje čipova sa pločica
Pričvršćivanje čipova za osnovu kućišta
•Bondiranjem žica mikrostrukture se
povezuju sa makro svetom
– Koriste se različiti metali, najčešće
Au i Al
•Flip chip postupak
– Za pričvršćivanje čipova koristi
metalizirana ispupčenja (bumps)
– Brza konekcija
– Dopušta individualnu optimizaciju
čipova
– Povezuju se različiti materijali
Zatvaranje kućišta
• Hermetičko:
– Zavarivanje
– Lemljenje
– Zatapanje staklom
• Nehermetičko
– Kalupljenje epoksi materijalom
Pakovanje mikrosistema – Lead Frame
Poprečni presek senzora zvuka upakovanog u Lead Frame kućište
zajedno sa čipom predpojačivača
Pakovanje mikrosistema – Surface Mount
Poprečni presek senzora pritiska upakovanog sa čipom za
podešavanje signala
Pakovanje mikrosistema – keramičko
kućište
Tačkasta ogledala za kosmičku primenu
Pakovanje mikrosistema – Software Design
Pakovanje mikrosistema – Software Design
3D geometrija i modeliranje kućišta
Pakovanje mikrosistema – termičko
modeliranje
Pakovanje mikrosistema – Embedded
Interconection
Pakovanje mikrosistema – Cap Wafers
Pakovanje mikrosistema – Cavity Packs
Pakovanje mikrosistema – PWB i MCM
Integracija mikrosistema – povezivanje
elektronike sa senzorom/aktuatorom
Monolitna integracija
Integracija hemijskih, mehaničkih, biohemijskih i optičkih mikrosistema sa
elektronikom
Monolitna integracija
– Pre proizvodnje IK
– Tokom proizvodnje IK
– Nakon proizvodnje IK
Integracija mikrosistema nakon proizvodnje IK
zahteva:
– Niskotemperaturno (<450oC) procesiranje
– Hemijski benigno okruženje
Hibridna ili modularna integracija
Download