Technologia w elektronice

Transkrypt

1 Technologia w elektronice Procesy technologiczne 1. Wytwarzanie Si 2. Domieszkowanie 3. Wytwarzanie i usuwanie warstw izolatora. Cienkie warstwy. 4. Litografia. 5. Montowanie kontaktów. 1

2 Litografia Fotolitografia Litografia rentgenowska Litografia wiązką elektronową Nanolitografia Fotolitografia Fotolitografia jest to jedna z technik używanych do otrzymywania ostatecznych struktur na krzemowych płytkach. 2

3 Fotorezyst Są dwa typy fotorezystów: pozytywny i negatywny. Pozytywny: Pozytywny fotorezyst jest dekomponowany przez promieniowanie ultrafioletowe. Wskutek tego staje się bardziej rozpuszczalny w wywoływaczu niż polimer nienaświetlony. Naświetlony fotorezyst może być zatem usunięty za pomocą roztworu wywoływacza. Pozostawia w ten sposób odsłonięty materiał podłoża. Odwzorowanie na płytce krzemowej jest identyczne (tylko pomniejszone) jak wzór na masce (pozytyw). Fotorezyst Negatywny Naświetlenie promieniowaniem UV powoduje polimeryzację polimeru. Staje się on zatem trudniejszy do rozpuszczenia w wywoływaczu, niż polimer nienaświetlony. Zatem, negatywny fotorezyst pozostaje w tych miejscach płytki, gdzie był naswietlony, natomiast wywoływacz usuwa go z miejsc nienaświetlonych. Wzór otrzymany na płytce jest negatywem wzoru na masce. 3

4 Fotolitografia A: warstwa SiO 2 na płytce krzemowej B: warstwa fotorezystu naniesiona na płytkę a C: światło naświetla fotorezyst poprzez maskę Fotolitografia D: wynik po wywołaniu; wzór z maski został przeniesiony na fotorezyst E: chemiczna lub inna metoda trawienia prowadzi do usunięcia tlenku w miejscu otworów w fotorezyscie. F: usunięcie fotorezystu z całej płytki 4

5 Maski Jest to kwadratowa płytka szklana z wzorem naniesionym po jednej stronie. Wzór jest to warstwa metalu (emulsja metalowa). Maska musi być idealnie równoległa do płytki. Każda następna maska musi być ustawiona odpowiednio do wzoru otrzymanego za pomocą poprzedniej maski. Maski Obraz maski jest często rzutowany na płytkę wiele razy, jeden przy drugim. Najczęściej : 5X Wzory maski 5X są zmniejszone 5-krotnie, gdy odwzorowywane są na płytce. To oznacza, że otwory maski są 5 razy większe niż otwory w produkcie końcowym. Stosuje się również inne maski (2X, 4X, i 10X). 5

6 Maski Przykład siatki 5X: Naświtlanie Po precyzyjnym ustawieniu maski względem płytki, fotorezyst jest naświetlany poprzez maskę intensywną wiązką promieniowania UV. Istnieją trzy główne metody naświetlania: 1. Maska może być w kontakcie z płytką. Wtedy wzór z maski jest przenoszony na płytkę w skali 1:1 6

7 Naświtlanie 2. Maska może być w niewielkiej odległości od płytki Radiazione UV Quarzo Cromo Ossido di silicio Fotoresist Wafer di silicio Naświtlanie 3. Maska może być rzutowana za pomocą układu optycznego. Radiazione UV Maschera N:1 Ottica Immagine Wafer con resist 7

8 Usuwanie fotorezystu. Ostatni etap fotolitografii polega na usunięciu całego fotorezystu. Najczęściej za pomocą mieszaniny rozpuszczalników organicznych. Litografia rentgenowska Polega na tym samym, co fotolitografia, tyle że wykorzystuje promienie rentgenowskie.. 8

9 Litografia rentgenowska Podstawowe elementy: źródło promieniowania. maska odpowiednia do promieni X. warstwa czuła na działanie promieni X (rezyst). Litografia rentgenowska: maski Absorber złoto, wolfram Substrat (o grubości 1-2 µm) Si azotek, węglik krzemu 9

10 Litografia rentgenowska: wady i zalety szybki proces duża rozdzielczość ~0.5 µm organiczne zanieczyszczenia nie mają wpływu na wynik wymaga czułych rezystów długi i skomplikowany proces wywoływania trudne wytwarzanie masek Litografia rentgenowska: wady i zalety Podstawowym ograniczeniem tej metody jest to ze nie można wykonać elementów mniejszych od długości fali promieniowania, jakiego używamy. Można używać fali o mniejszej długości, ale wiąże się to z większą energią, co może spowodować efekty uboczne jak zniszczenie wykonywanego elementu Alternatywą jest użycie elektronów zamiast światła. 10

11 Litografia wiązką elektronową Litografia wiązką elektronową LEICA VB6 38nm resist line Litografia wiązką elektronową jest metodą, którą można uzyskać struktury o rozmiarach poniżej 0.1 µm. 11

12 Innne, nietypowe metody litografii Wykorzystujące między innymi igły mikroskopu AFM Dip Pen Nanolithography 12

13 Nanosphere Liftoff Lithography W tej metodzie możną stosować wiele rodzajów podłoża jak i farby Jest stosunkowo szybka pozwala naraz nanieść duża ilość punktów Umożliwia nakładania kolejnych warstw na siebie 13

14 Nanolitografia Utlenianie krzemu Wytwarzanie warstw SiO 2 jest bardzo ważnym procesem w całym przemyśle elektronicznym. - grube (- 1µm) warstwy tlenku potrzebne są aby odizolować jedno urządzenie od drugiego; cienkie (-100 Å) są potrzebne w układach MOS; warstwy tlenku są również hodowane a następnie usuwane, aby oczyścić powierzchnię. Stabilność i łatwość tworzenia SiO 2 jest jedną z przyczyn, dlaczego Si wyparł Ge. 14

15 Najprostsza metoda: ogrzewania w atmosferze utleniającej ( o C). Utlenianie krzemu: suchy tlen Można stosować suchy, czysty tlen. Wtedy: Warstwa tlenku rośnie bardzo powoli. Jest bardzo jednorodna, Niewiele defektów występuje na granicy krzem tlenek Ma bardzo niewielki ładunek na powierzchni, co oznacza, że jest idealnym dielektrykiem dla tranzystorów MOS. 15

16 Utlenianie krzemu: mokry tlen Polega na utlenianiu w tlenie oraz w obecności gorącej pary. Wtedy: Warstwa rośnie szybko; Atomy wodoru uwolnione w czasie dekompozycji wody wytwarzają defekty obniżające Miscelatore jakość tlenku. F F F H 2 O N 2 O 2 O 2 Utlenianie krzemu: osadzanie tlenku krzemu na podłożu. Tlenek krzemu jest często potrzebny jako warstwa izolatora pomiędzy dwiema warstwami metalicznymi. W takim przypadku tlenak trzeba nanieść na warstwę, nie można go hodować. Nanoszony tlenek wytwarza się poprzez różne reakcje pomiędzy gazowymi związkami krzemu i gazowymi utleniaczami. Nanoszony tlenek ma przeważnie niską gęstośc i dużą ilość defektów. 16

17 Trawienie Trawienie jest to proces, w którym usuwa się niepotrzebne obszary warstw za pomocą albo rozpuszczania ich w rozpuszczalnikach, albo reakcje z gazami w obszarze plazmy, dzięki czemu tworzą się lotne produkty. Trawienie Trawienie mokre : wykorzystuje chemiczne środki Trawienie suche: wykorzystuje jony, atomy, rodniki,plazmę, laser,.. 17

18 Trawienie Trawienie może przebiegać izotropowo (równomiernie we wszystkich kierunkach). Nie jest to zbyt korzystne zjawisko. Może też być anizotropowe (tylko w tym kierunku, gdzie chcemy). Trawienie Skutek trawienia izotropowego Skutek trawienia anizotropowego 18

19 Mokre, chemiczne trawienie izotropowe (niekoniecznie) minimalny rozmiar 3 µm jest dość selektywne tanie można trawić prawie wszystko Anizotropowe trawienie Si Si(100) Si(110) 19

20 Mokre chemiczne trawienie Trawienie Si: Trawienie innych materiałów: SiO 2 : HF + NH 4 F + H 2 O Si 3 N 4 : HF, H 3 PO 4, Poly-Si: HF + HNO 3 + H 2 O (3 : 50 : 20) Al: H 3 PO 4 + HNO 3 Au i Pt: HCl + HNO 3 (3 : 1, aqua regia) W: KH 2 PO 4 + KOH + K 3 Fe(CN) 6 + H 2 O 20

21 Trawienie plazmowe Plazma jest to częściowo zjonizowany gaz składający się z i z dodatnich i z ujemnych ładunków (w równych ilościach, zatem jako całość plazma jest obojętna elektrycznie). Plazmę można wytworzyć np. gdy gaz przepływa w polu elektrycznym: Pole jonizuje niektóre molekuły gazu, a uwolnione elektrony są przyspieszane w polu elektrycznym; Elektrony o dużych prędkościach jonizują dalsze molekuły, uwalniając kolejne elektrony,... Trawienie plazmowe Trawienie przebiega poprzez różne mechanizmy: 1. Wybijanie atomów z powierzchni płytki przez padające jony (ion sputtering); 2. Oddziaływanie chemiczne (np. reactive ion sputtering) 21

22 Wytwarzanie złącz n-p 1. Najstarsza metoda: Atomy domieszek przeciwnego typu są dodawane naprzemiennie do stopionego krzemu w trakcie wzrostu kryształu (metodą Czochralskiego). Tworzą się w ten sposób wbudowane złącza n-p. Wadą tej metody jest niemożliwość tworzenia różnie domieszkowanych obszarów w różnych miejscach jednej płytki krzemowej. Także grubość i geometria złącza jest trudna do kontrolowania. Wytwarzanie złącz n-p Dyfuzja Jednorodnie domieszkowany monokryształ kwarcu jest cięty na płytki. Wytwarza się, następnie, warstwę tlenku krzemu na powierzchni płytkek. Kolejnym etapem jest naniesienie na płytkę odpowiedniego wzoru (jedną z metod litografii). Miejsca odsłonięte płytek doprowadza się do kontaktu ze źródłami domieszek odpowiedniego rodzaju (mogą być różne w różnych miejscach). Płytki ogrzewa się w piecu ( C) aby umożliwić dyfuzję domieszek do wnętrza krzemu. 22

23 Wytwarzanie złącz n-p dyfuzja Wytwarzanie złącz n-p Dyfuzyjne domieszkowanie może przebiegać na dwa sposoby: 1) stała koncentracja domieszek jest utrzymywana na ( w pobliżu) powierzchni krzemu w czasie całego procesu. Wtedy profil koncentracji domieszek jest taki: 23

24 Wytwarzanie złącz n-p Dyfuzyjne domieszkowanie może przebiegać na dwa sposoby: 2) ustalona ilość atomów domieszek jest wprowadzona do krzemu w krótkim czasie, a nstępnie dyfundują one do wnętrza materiału, podczas gdy źródło domieszek jest usuwanięte. Wtedy profil koncentracji domieszek jest taki: Wytwarzanie złącz n-p Implantacja jonów Wstępne etapy procedury są takie same, jak poprzednio opisane. Domieszki wprowadzane sa inaczej: akcelerator przyspiesza jony domieszek, tak że mogą one wniknąć do krzemu na odległość rzędu mikrometrów. Defekty strukturalne spowodowane implantacją sa następnie usuwane poprzez krótkie (kilka minut) wygrzewanie w średniej temperaturze. Oprócz implantacji domieszek n i p, prowadzi się również implantację protonami (który powoduje, że krzem staje się izolatorem). Cel: izolacja elektryczna sąsiadujących złącz. 24

25 Wytwarzanie złącz n-p Implantacja jonów Wytwarzanie złącz n-p Profil koncentracji domieszek 25

26 Wytwarzanie złącz n-p Prowadząc serię implantacji jonów o stopniowo zmieniającej się energii można otrzymać bardzo jednorodny profil koncentracji domieszek Wytwarzanie złącz n-p Dyfuzja: Tańsza i prostsza Może przebiegać tylko od strony powierzchni Domieszki dyfundują nierównomiernie, wpływaja jedne na drugie. Implantacja jonów: Droższa i skomplikowana Nie wymaga wysokiej temperatury Kontrolowany profil i ilość domieszek Proces anizotropowy 26

27 Rozwój technologii półprzewodnikowej i jej ograniczenia Minimum Feature Size 100 µm 10 µm 1 µm 100 nm 10 nm 1 nm 1 1K 1M 1G Year? 10 nm scale MOSFETs Miniaturyzacja? Rozwój technologii półprzewodnikowej i jej ograniczenia granice podstawowe granice materiałowe ograniczenia techniczne granice praktyczne J.D. Meindl, et al., Science, 293, 2044,

28 Granice podstawowe termodynamika mechanika kwantowa elektromagnetyzm Zaczyna odgrywać rolę zasada nieoznaczoności (stan układu bardzo małego i bardzo szybkiego nie może być znany) Bardzo małe układy nie sa stabilne. Granice materiałowe krzem metalowe połączenia warstwy dielektryczne różne dielektryk bramki 1.2 nm Minimalna grubość i rozmiar? 28

29 Ograniczenia techniczne 1000 µa 10 µa I D (on) I D (off) µa V T 1 N Wraz ze zmniejszaniem się rozmiarów różnica pomiędzy stanem włączonym i wyłączonym maleje. Ograniczenia techniczne: moc transistors/chip 1 kw 29

30 Ograniczenia praktyczne litografia trawienie domieszkowanie, itd wszystkie procesy technologiczne w skali atomowej < 1 Cena rośnie! 2016 MOSFET Wszystkie rozmiary w wielokrotnościachparametru sieci Si: 5.4Å Przyszłość mikroelektroniki: Nanoelektronika Elektronika molekularna... 30