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