technologie tlustých vrstev technologie tenkých vrstev základy … · 2007-02-14 · technologie...

Základy mikroelektronických technologií

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

Mikrosenzory a mikroelektromechanickésystémy

Mikroelektronické technologie

• polovodičové– Si technologie (oxidace, fotolitografie, epitaxe,

iontová implantace, metalizace)– GaAs technologie (aplikace nad 150°C)

• vrstvové (planární)– Tenkovrstvá technologie (monokrystalických,

polykrystalických i amorfních vrstev o tloušťce 1 nm až 1µm)

– Tlustovrstvová technologie (využívá sítotiskovépasty, vrstvy 1 až desítky µm silné)

Technologie tlustých vrstev(TLV)

• pasivní sítě, vodivé cesty, odpory a kondenzátory

• speciální (hybridní) integrované obvody(HIO)

• levný, nevakuový způsob vytváření vrstev• dobré elektrické a mechanické vlastnosti• dnes pro nekonvenční aplikace (senzory,

vojenské aplikace, aplikace s vysokou spolehlivostí a životností, displeje, pojistky, atd.)

Technologie tlustých vrstev

Tlustovrstvé senzory rozlišujeme na:

– senzory založené na obvodovém principu –využívá se změn parametrů elektrického prvku v obvodu (pasty rezistivní, vodivé, dielektrické)

– senzory založené na vlastnostech past – využíváse změn parametrů elektrického prvku tvořený pastou speciální (termorezistivní, piezorezistivní, enzymové atd.) nebo pastou standardní, která je výrazně citlivá na snímanou veličinu


Materiály past• Cermetové - vysokoteplotní vypalovací proces

– kovy (Pt, Pd, Ag, Au, atd.) – oxidy kovů (odporové pasty - RuO2, Bi2Ru2O7),

(dielektrické složky - Al2O3, WO3, Y2O3, Bi2O3, CuO2, BaTiO3)

– skelné frity (PbO2, B2O3, SiO2)⇒ vzájemná vazba částic a se substrátem

– skelná– reaktivní (např. CuAlO2)– smíšená (malé množství skla, reaktivní oxidy a

sloučeniny funkční složky)


• Organický nosič– rozpouštědlo (terpineol,….)– tixotropní příměs– surfaktant (snížení povrchových napětí)– celulosa (pro určení vizkozity)

• Polymerní - nízkou vytvrzovací teplotou (100-150°C)

– Ag, Ni, Cu, C s pojivou složkou (polyester, epoxid, acrylic, vinyl)

– Termosety pro dielektrické vrstvy

Třecí mlýn pro homogenizaci pasty


• výroba– sítotisk– drop-coating

Na korundové, nitridové, zirkoniové nebo beriliovékeramiky, sklo, ocel, polymerní nebo polyimidové fólie

Vlastnosti past: pseudoplastické – tixotropní


1

2

3

4

čas

D η

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

• Vlastnosti pasty

newtonský

s omezeným tokem

gelový


• Proces vytváření tlustých vrstev– přizpůsobení pasty teplotě okolí– tisk (síta kovová, polyesterová,.. – MESH 280÷325)– doba ustálení pasty (cca. 10 min)– sušení (125 nebo 150°C/ 10 min)– výpal (obvykle 850°C/ 10 min) – tloušťka až15 µm

vodivé, 12 µm odporové, až 55 µm dielektricképozn. každá pasta (vrstva) se obvykle vypaluje zvlášť, odpory se vypalují většinou až nakonec

Některé využitelné vlastnosti jsou u komečníchpast parazitní – termorezistivní, piezorezistivní


• běžný profil výpalu sítotiskových past

t (min)

T (°C)

10 min

-60°C/ min 60°C/ min

850

0 10 20 30 40

±1°C


podložka

sklo

kov prázdnýprostor

keramika -sklo

kov

oxidy kovů

podložka

• struktura vrstev

– skelná vazba

– reaktivní vazba

Technologie tlustých vrstevSpeciální pasty• Termorezistivní

– NTC (oxidy Mn, Co, Cu, Ni, Fe, Ti, Zn, Mg, Cr, Li)– PTC (na bázi BaTiO3, TiO2, VO2, V2O3)

• Magnetorezistivní– Na bázi Ni

• Feromagnetické• Pyroelektrické

– Na bázi LiTaO3– Polymerní - PVDF

• Piezorezistivní– Cermetové piezorezistivní pasty – (SiC, AlAs, RuO2)– PTF: C a Ag polymerní sloučeniny

Technologie tlustých vrstevSpeciální pasty• Piezoelektrické

– na bázi BaTiO3– na bázi PZT (Pb, Zr, Ti)– piezoelektrické polymery - PVDF

• Citlivé na vlhkost– polymerní sloučeniny– hydrotalcitní protonické vodiče– cermetové pasty: SnO2

• Chemicky citlivé– pevné elektrolyty: ZrO2, ……– na bázi polovodivých oxidů kovů: SnO2, WO3, TiO2,….– polymery: polyelektrolyty, uhlíkové polymerní vrstvy,

polyetheruretan,….


Speciální pasty• Biocitlivé

– polymerní lože s receptorovými částicemi

obecněVyrábí se pro daný typ aplikace záměrným přidáním funkčních látek, nových materiálů nebo technologickým zpracováním. (Ag/AgCl pro referentní elektrodu, teplota výpalu ovlivňuje konečnou velikost zrn, využití nanoprášků nebo mesoporézních nanoprášků).

V řadě aplikací je důležitá čistota – velmi obtížně splnitelné u TLV

Drop coating

• pasta s podobnými plastickými vlastnostmi jako u sítotiskových past

• malé množství (10-ky µL až 1-ky mL) prochází trubičkou pod tlakem → kapka

• vrstva nemá homogenní tloušťku –kulovitý tvar

Fotolitografická technologie

• Kombinace sítotisku a leptání• Využívá speciálních fotocitlivých past• Pomocí fotolitografie (osvit přes masku) je

vyleptán motiv ⇒ výpal• Zvýšení rozlišení klasické technologie ze

100 µm na 10 µm

Technologie tlustých vrstev• Aplikace a vlastnosti

– kapacitní, odporové senzory– chemické senzory – roztoků i plynů– funkce při vysokých teplotách – až 800°C– vytváření kanálků, membrán – obtížné know how– vysoká odolnost proti korozi, teplotním výkyvům,

stabilita – spolehlivost – snadné vytváření polymerních i biologicky

aktivních vrstev– malý odpor vodivých cest, vysoká proudová

hustota ve vrstvě – vytváření topných elementů


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


Technologie tenkých vrstev(TNV)

• PVD – naprašování, vakuové napařování• Chemické depozice

– CVD – chemické napařování– Spin- a drop-coating techniky – Elektro-chemická depozice – redukce kovů ,

anodizace

Technologie tenkých vrstev

• pasivní sítě, vodivé cesty, odpory a kondenzátory

• techniky mikroobrábění (micromachining)• vakuový způsob vytváření vrstev• rozměry pod 1 µm – litografie • spolu s polovodičovou technologií se užívá

pro výrobu integrovaných obvodů

Technologie tenkých vrstev• NaprašováníDefinice: Kinetické energie, které převyšují vazební

energie atomů způsobují zatlačení atomové mřížky do nové pozice, atomy jsou tlačené k povrchu a migrujív povrchových vrstvách kde dochází k defektům. Energie převyšující 4H způsobí dislokace atomů a jejich vypuzení do plynové fáze (odpaření). Naprašování je výsledek posloupných binárních kolizíiontů s atomy plynů takto odpařených.

DC naprašování• atom uvolněný do plynové fáze

vytvoří iont interakcí s elektrony• vzniká plazma unášené od

targetu k substrátu elektrostatickým polem

• kladné ionty plynu vznikající ve výboji jsou unášeny směrem ke katodě a dopadají na ní téměřrychlostí, kterou získaly v prostoru katodového spádu

• nejjednodušší naprašování(DC sputtering)

Magnetronové naprašování• target s naprašovacím materiálem je během

procesu umístěn v silném magnetickém poli• dociluje se mnohem koncentrovanější depozice

díky směrováním částic vlivem magnetického pole do středu

• nedochází k neefektivnímu rozptylu částic do krajůdepoziční komory

Vysokofrekvenční naprašování(RF sputtering)

• Systém obsahuje třetí elektrodu, jež je nevodivá.• Mezi katodou a anodou je DC pole a vytváří se

plasma jako u DC metody.• Mezi anodou a izolační elektrodou je přivedeno

vysokofrekvenční (RF) napětí (řádově MHz).• Povrch izolačního materiálu je v půlperiodách

negativně nabit oproti plasmě a docházík naprašování na povrch izolantu.

• RF magnetron sputtering.

Napařování – PVD × CVD

• vakuové napařování (PVD)nejjednodušší technologie výroby tenkých vrstev dekompozice pyrolýzou

×• chemické (CVD)

disproporce (tepelná), redukce, oxidace, nitridace (chemická reakce), polymerizace

Dekompozice

• Dochází při pyrolýze v uzavřeném systému, kde se ustálí rovnovážný tlak nazývaný tenze nasycených par.

• Je-li v určitém místě teplota nižší, dochází zde ke kondenzaci par, tj. materiál je přenášen z místa o vyšší teplotě (z výparníku) do místa o teplotěnižší (na podložku, na níž roste tenká vrstva).

• Rychlost depozice závisí na teplotě substrátu.

Dekompozice• vakuum 10-4 ÷ 10-6 Pa z důvodu zvětšení střední

volné dráhy• K nanášení vrstev kovů i sloučenin (Al, Cu, Au, aj.,

NiCr a SiO)

Disproporční napařování

• patří k chemickým napařováním z par (plynů) –CVD, LPCVD, PECVD

• vychází z využití plynu o dvou prvcích AB (prekursor) přicházejícího do studené oblasti, kde pouze A (precipitátor) je deponován na studenějšísubstrát.

• využívá se např. pro epitaxi křemíku nebo germania, ale i dalších vrstev kovů i jejich sloučenin.

SiH4 → Si+2H2

Další způsoby chemického napařování

• Redukce, oxidace a nitridace je založena na chemické reakci směsi plynů. Správnou volbou plynůdochází k určeným reakcím za přítomnosti plynůhydrogenů, chloridů, kyslíku nebo dusíku. Vznikají vrstvy kovů, oxidů nebo nitridů.

WF6+ 3H2 → W+6HFSiH4 +2O2 → SiO2+H2O

3SiH4 +4NH3 → Si3N4+2H2

• Polymerizace - Anorganické i organické polymery lze připravit z monomerní páry elektronovým svazkem, UV zářením nebo doutnavým výbojem.

dip- a spin-coating

• Sol-gel (vysrážení z roztoku) – roztoky kationtů kovů nebo organokovů (chloridy, acetáty nebo ethoxidy, isopropoxidy)

• rozpustné v kyselinách, butanolech a isopropyl alkoholu – precurzor (sol)

• při působení vody nebo amonných par docházík vysrážení nanočástic –precipitátor (gel) → kalcinace nad 300°C → oxidy kovů

kyselý roztok rozpuštěných kationtů kovů

zásaditý roztok

roztok vysrážených nanočástic

silné míchání

dip- a spin-coating• depozice vnořením substrátu do roztoku

(dip-coating) nebo na roztočený substrát (spin-coating) – velmi tenká vrstva (monovrstva)

• nanočástice lze i odfiltrovat a použít pro přípravu past

Spin-coater

Rotační depoziční deska

Elektro-chemická depozice

• depozici v kapalných a nekapalných médiích• chemická metoda – umožňuje pokovovat

nevodivé materiály• elektrochemická metoda – výhodná právě

pro depozici pomocí masky, odpadáselektivní leptání

• jednoduchá a levná• Faradayův zákon

][ 1−⋅= scmJEtd

ρα

Elektrochemická depozice

• Galvanické (katodové) pokovování– vytváření kovových vrstev redukcí

kationtů na katodě z roztoků solí (NiCl2, apod.), sulfidů (CuSO4, apod.), kyselin (kys. platiničitá), acetátů a dalších sloučenin

+−−+ +++→+ HOHClNiOHNiCl 2222 222

Elektrochemická depozice

• Anodizace– řízená elektrochemická oxidace anody –

vytváření tenkých vrstev oxidů kovů(SnO2, CuO, Al2O3, TiO2 atd.)

– samouspořádání některých materiálů(Al→Al2O3, Ti→TiO2) za určitých podmínek → hexagonálníbuňky od 20 do 500 nm

Polovodičové technologie

• monokrystal polovodiče - tažení, řezání na salámky, leštění

• elektronová litografie - výroba masek• fotolitografie (světlo, UV, rentgenová litografie)• selektivní leptání (přes masku, izotropní,

anizotropní, iontové)• termická oxidace• difúze příměsí• iontová implantace• naprašování a napařování vrstev• montážní techniky – pouzdření, propojování

Litografie

• Přenášení topografie struktury do materiálu pomocí masky– Vytvoření masky pro mnohonásobné použití –

elektronová litografie a leptání– využití hotové masky za pomocí fotolitografie

– motiv je přenášen osvitem UV nebo rentgenovým zářením pro hromadnou výrobu

Elektronová litografie (EBL)

• realizace masek s motivy mikronových i submikronových rozměrů

• inspirováno rastrovacím elektronovým mikroskopem

• počítačový návrh topografie masky - snadnásyntéza funkčních celků, zavádění změn a úprav

• expozicí přímo na substrátu umožňuje v relativněkrátké době vyvinout funkčně nový obvod nebo ověřit novou technologii

• „kreslí“ do polymerního rezistu (PMMA)

Elektronový litografÚstav přístrojové techniky AVČR

Elektronová litografie (EBL)

• elektronová litografie umožňuje vytvořit fotolitografickou předlohu s vysokým stupněm koncentrace funkčních prvků pro různé druhy projekční litografie

• vysoká cena• pro velmi vysoká

rozlišení se používái jiných materiálů

rezist

Kovová maska po leptání a odstranění rezistu

Kovový plech

Fotolitografie

• fotoresist – pozitivní, negativní• osvitové záření – světelné, UV, RTG

záření polymerizuje fotorezist –rozpouštění ve vývojce

• leptání motivu v rezistu do SiO2 –odolná maska pro další procesy

Oxid

Negativní fotorezist

Fotolitografie a leptání je ta část technologie, která umožňuje tvarovánívrstev na povrchu křemíkové desky. Na obrázku vlevo je křemíková deska s vrstvou termického oxidu.

Na desku se nanese lak citlivý na světlo -fotorezist. Během nanášení fotorezistu se rýchlou rotací lakované desky dosáhne jeho rovnoměrné rozvrstvení po celé ploše.

Projekčním systémem se na desku promítne obraz celé masky (je to vzor vytvářené struktury) - deska se ozáříultrafialovým světlem, nebo-li naexponovuje. Osvětlené části fotorezistu polymerizují a stanou se nerozpustné ve vývojce.

Vývojkou se z desky odstraní neosvětlený fotorezist a pak se deska opláchne - proces vyvolávání. Ve vrstvě laku se vytvoří detaily.

Ponořením desky do leptadla (POL) docházík vyleptání odkrytého oxidu v oknech fotorezistu až po povrch křemíku - mokréleptání. Exponovaný fotorezist je vůči leptadlu odolný.

Ponořením desky do směsi kyseliny sírové a peroxidu vodíku se odstraní fotorezist.Na připojeném videu jsou zachyceny jednotlivé fáze fotolitografického procesu.

Projekční systém

Zdroj UV světla (výbojka)

Fotolitografickámaska

VývojkaOplachovadlo

VIDEO 320 x 240

Fotolitografie

A – vytvoření oxidu na Si substrátu s vodivostí NB – nanesení fotorezistu (spin-coating)C – osvětlení přes masku UV zářením, maska vytvořena pomocí EBLD – vymytí osvětlených částí (pozitiv)E – vyleptání motivu do SiO2F – připraveno pro další procesy např. nanášení vrstev nebo difúze

příměsí do Si

Vrstvení v planární technologii

• rezistor

Odpor na čtverec

R [Ω/]

R = R [Ω]

maska

maska

substrát

kontakty

odporová vrstva

l w

1

2

3

4

5

ka'tlouštρ

=

wl

Vrstvení v planární technologii

• kondenzátor

C [pF/ ]

C = C ·a · b [pF/]maska

maska

substrát

kontakt (elektroda)

dielektrická vrstva

kontakt (2 elektroda)

a b

maska

7

6

5

4

3

2

1

ka'tloušt. rε08850=

Příklad vytvoření TNV rezistorů• odporová vrstva je nanesena na substrát, na něj adhezní vrstva (např. Ti) a nakonec vodivá vrstva Au

• nanesení fotorezistu, exponování přes masku a odstranění exponovaného fotoresistu

• elektrodepozice Au do určitétloušťky

• odstranění fotorezistu, odleptánízlata a adhezní vrstvy

• vyleptání odporové vrstvy

Selektivní leptání

• leptání za využití masky• druhy leptacích reakcí

– rozpouštění vysokomolekulárních krystalů v organických rozpouštědlech

– rozpouštění iontových krystalů polárním rozpouštědlem

– rozpouštění provázené chemickou změnou (kovy a polovodiče)


• Technologie leptání (mokré, suché)– chemické – přímé působení na povrch materiálu

pouze difúzí částic (krystalických a amorfních tenkých vrstev – tvarování a leštění)Ag – HNO3+H2O (1:1)Cu, Au – KJ+J2+H2OAl2O3 – H3PO4

SiO2 – HNO3+HF+H2O

Selektivní leptání– elektrochemické – anodické rozpouštění

působením aniontů elektrolytu pod vlivem elektrického pole (oxidačně-redukční reakce, převádění produktů do roztoku) např. HNO3 –oxidační činidloužívá se u polovodičů, liší v závislosti na orientaci krystalové mřížky

– iontové – leptání (odprašování) v doutnavém výboji ve vakuu ionty inertních plynů (iontovým svazkem, vysokofrekvenčním odpařováním)

Selektivní leptání• leptání Si

– všesměrové leptání na základě rozpustnosti a plochy leptaných látek – izotropní leptání

– tvar leptané jámy závisí na orientaci Si substrátu (krystalová mřížka) – anizotropní leptání

– orientace substrátu(využívaná v polovodičovétechnologii)

100111110


• Poloha krystalové mřížky orientovaného substrátu

<100> <111>

Termická oxidace

44%

56%

Původní povrch

SiSi SiSi Si Si Si

SiSi SiSi Si Si Si

SiSi SiSi Si Si Si

SiSi SiSi Si Si Si

OO

OO OO

OO

O

O

O

O O Si

SiSi

Si

Si

Si O

O

O

OO

OOO O

O O OH

OH

300 600

500

1000

Čas [min]

Tlou

šťka

[nm

]

KyslíkVoda

1000°C1100°C

Si

1000°C

SiO2

Pouzdření

• keramická, plastová, kovová pouzdra• lepení vodivým, nevodivým organickým

(nízké teploty) nebo anorganickým lepidlem (vysoké teploty)

• nebo přípájení ke kovarovému pouzdru (AuSn)

Pouzdření• svařování – ultrazvukem Al drátek,

termokompresí Au drátek (25 µm ÷ 300 µm)• zdvojování drátků

technologie tlustých vrstev technologie tenkých vrstev základy … · 2007-02-14 · technologie...

Documents