Elementy technologii mikroelementów i mikrosystemów. USF_3 Technologia_A M.Kujawińska, T.Kozacki, M.Jóżwik 3-1

Transkrypt

1 Elementy technologii mikroelementów i mikrosystemów USF_3 Technologia_A M.Kujawińska, T.Kozacki, M.Jóżwik 3-1

2 Elementy technologii mikroelementów i mikrosystemów Typowe wymagania klasy czystości: 1000/100 (technologie 3 μm) np. pamięci: 64k 1000/100 >1M 100/10 USF_3 Technologia_A M.Kujawińska, T.Kozacki, M.Jóżwik 3-2

3 Elementy technologii mikroelementów i mikrosystemów - wytwarzanie (nanoszenie) warstw - fotolitografia - trawienie - bonding USF_3 Technologia_A M.Kujawińska, T.Kozacki, M.Jóżwik 3-3

4 Procesy technologiczne, w wyniku których powstają nowe warstwy Parametry warstw: -skład chemiczny - struktura krystalograficzna - orientacja krystalograficzna - adhezja warstwy do podłoża - grubość warstwy - współczynnik załamania warstwy -stała dielektryczna - rezystywność (lub jej rozkład) - współczynnik rozszerzalności termicznej - naprężenia mechaniczne - jednorodność (lub jej rozkład) - profil (sposób pokrycia uskoków) USF_3 Technologia_A M.Kujawińska, T.Kozacki, M.Jóżwik 3-4

5 Procesy technologiczne, w wyniku których powstają nowe warstwy Kryteria klasyfikacji procesów technologicznych: - temperatura procesu (procesy nisko-, średnioi wysokotemperaturowe) -ciśnienie - typ reakcji chemicznej (rozkład związków złożonych, utlenianie, azotkowanie, reakcje złożone, ) - fakt konsumowania lub nie atomów podłoża USF_3 Technologia_A M.Kujawińska, T.Kozacki, M.Jóżwik 3-5

6 Utlenianie termiczne - utlenianie w atmosferze tlenu suchego: Si + O 2 SiO 2 - utlenianie w atmosferze pary wodnej: Si + H 2 O SiO 2 + H 2 Dodatkowe efekty: redyfuzja domieszek, lokalne utlenianie USF_3 Technologia_A M.Kujawińska, T.Kozacki, M.Jóżwik 3-6

7 Chemiczne osadzanie z fazy lotnej CVD CVD (Chemical Vapour Deposition) procesy, w trakcie których na podłożu następuje wytwarzanie warstw ciała stałego z reagentów, które reagują ze sobą w fazie lotnej Typy reakcji chemicznej: - heterogeniczne, reakcje zachodzące bezpośrednio na powierzchni podłoża lub w jej pobliżu - homogeniczne, reakcje zachodzące w fazie gazowej - niepożądane Specjalnie przystosowane reaktory mogą być wykorzystywane do epitaksji USF_3 Technologia_A M.Kujawińska, T.Kozacki, M.Jóżwik 3-7

8 APCVD APCVD (Atmospheric Pressure CVD) osadzanie w warunkach ciśnienia atmosferycznego USF_3 Technologia_A M.Kujawińska, T.Kozacki, M.Jóżwik 3-8

9 LPCVD LPCVD (Low Pressure CVD) osadzanie pod obniżonym ciśnieniem (T do 900ºC, p = Tr) USF_3 Technologia_A M.Kujawińska, T.Kozacki, M.Jóżwik 3-9

10 PECVD PECVD (Plasma Enhanced CVD) osadzanie wspomagane plazmą - obniżenie temperatury osadzania -większa liczba parametrów do kontroli Reaktor planarny USF_3 Technologia_A M.Kujawińska, T.Kozacki, M.Jóżwik 3-10

11 CVD: Podsumowanie USF_3 Technologia_A M.Kujawińska, T.Kozacki, M.Jóżwik 3-11

12 Fizyczne osadzanie z fazy lotnej - naparowanie próżniowe - rozpylanie jonowe Najnowsze technologie wytwarzania warstw MOCVD (Metaloorganic CVD) MBE (Molecular Beam Epitaxy) - warstwy o ekstremalnie cienkich grubościach (1-100 nm) - struktury o obniżonej wymiarowości (2D studnie kwantowe,1d druty kwantowe, 0D kropki kwantowe) USF_3 Technologia_A M.Kujawińska, T.Kozacki, M.Jóżwik 3-12

13 Procesy technologiczne odwzorowania kształtów Metody odwzorowywania kształtów Wzór przenoszony na płytkę za pośrednictwem emulsji Wzór przenoszony na płytkę bez pośrednictwa emulsji Metoda substraktywna (litografia + trawienie) Metoda addytywna (litografia + odrywanie) Bezpośrednie trawienie skanującą wiązką jonową USF_3 Technologia_A M.Kujawińska, T.Kozacki, M.Jóżwik 3-13

14 Techniki litograficzne Fotolitografia Elektronolitografia maska skanująca wiązka elektronów + tańsza od innych - ograniczenia dyfrakcyjne (0.5μm) - wymaga maski + nie wymaga maski -długie czasy naświetlania - rozproszenie elektronów Jonolitografia USF_3 Technologia_A M.Kujawińska, T.Kozacki, M.Jóżwik 3-14

15 Trawienie Procesy trawienia można podzielić na: - mokre - realizowane w wodnych roztworach kwasów i ługów - suche - realizowane w plazmie aktywnych chemicznie i szlachetnych gazów lub przy zastosowaniu wiązki jonowej USF_3 Technologia_A M.Kujawińska, T.Kozacki, M.Jóżwik 3-15

16 Trawienie mokre Trawienie mokre w wodnych roztworach kwasów cechuje się dużą izotropią. Wyjątkiem jest proces trawienia monokrystalicznych materiałów np. krzemu w wodnych roztworach ługów. Poszczególne płaszczyzny krystalograficzne mają różne szybkości trawienia (np.: V<100>:V<111>=100:1) i dlatego można uzyskać dużą anizotropię. Trawienie izotropowe Trawienie anizotropowe USF_3 Technologia_A M.Kujawińska, T.Kozacki, M.Jóżwik 3-16

17 Trawienie mokre Trawienie elektrochemiczne Parametry: -skład kąpieli - temperatura kąpieli - czas trwania Jedna z najbardziej popularnych technik trawienia anizotropowego krzemu jest trawienie wodorotlenkiem potasu (KOH) USF_3 Technologia_A M.Kujawińska, T.Kozacki, M.Jóżwik 3-17

18 Trawienie suche Technika suchego trawienia została opracowana dla potrzeb mikroelektroniki i umożliwia uzyskiwanie wzorów o większej rozdzielczości niż w przypadku trawienia mokrego (obecnie standardowo wytwarza się tą techniką wzory o szerokości linii nawet mniejszej niż 100nm). Suche trawienie wykonuje się technikami jonowymi i plazmowymi, które wykorzystują zjawiska zachodzące w plazmie lub oddziaływanie wiązki jonów z materiałem trawionym. Główne mechanizmy suchego trawienia to reakcje chemiczne i fizyczne: Mechanizm chemiczny polega na reakcji wolnych rodników z materiałem trawionym, wytworzeniu lotnych produktów tej reakcji i odpompowaniu ich z reaktora Mechanizm fizyczny polega na wybijaniu atomów lub cząsteczek trawionego materiału przez wysokoenergetyczne jony USF_3 Technologia_A M.Kujawińska, T.Kozacki, M.Jóżwik 3-18

19 Trawienie suche Urządzeniem realizującym trawienie plazmowe jest reaktor planarny, który może pracować w modzie trawienia plazmowego PE (ang. Plasma Etching) albo w modzie reaktywnego trawienia jonowego RIE (ang. Reactive Ion Etching) PE udział jonów w procesie trawienia jest nieznaczny, dominuje chemiczne oddziaływanie rodników z materiałem trawionym duże szybkości wysoka selektywność RIE duże energie jonów > od 50eV mechanizm fizyczny ma duży wpływ na proces trawienia, który jest bardziej anizotropowy i mniej selektywny kompromis pomiędzy szybkością a anizotropią USF_3 Technologia_A M.Kujawińska, T.Kozacki, M.Jóżwik 3-19

20 Trawienie suche Zastosowanie procesu plazmowego trawienia w technologii mikroelementów ma następujące zalety: wymiary trawionych wzorów mogą być mniejsze niż 1mm i zależą praktycznie tylko od zastosowanej maski, uzyskiwane profile formowanych struktur nie zależą od krystalografii podłoża, profil trawienia można dobierać w zależności od konstrukcji przyrządu, możliwe jest selektywne usunięcie tzw. warstwy poświęcanej (ang. sacrificial layer) celem uwolnienia ruchomej struktury, plazma nie wywiera nacisku na mikrostruktury przestrzenne Zalety te okupione są skomplikowaniem próżniowego urządzenia do trawienia oraz samego procesu trawienia, który zależy od wielu parametrów. Podstawowe z nich to: ciśnienie tła próżniowego w reaktorze oraz konieczność stosowania bezolejowego systemu pompowego, odpornego na działanie chemicznie aktywnych gazów, rodzaj gazu roboczego, który może być również mieszaniną wielu gazów, przepływ gazu roboczego (cm 3 /min), ciśnienie gazu roboczego, temperatura podłoża, rodzaj i wielkość powierzchni trawionego podłoża, materiałścian bocznych i elektrod reaktora, geometria reaktora, elektromagnetyczne parametry wzbudzania wyładowania jarzeniowego USF_3 Technologia_A M.Kujawińska, T.Kozacki, M.Jóżwik 3-20

21 Przykład procesu technologicznego membrany krzemowej USF_3 Technologia_A M.Kujawińska, T.Kozacki, M.Jóżwik 3-21

22 Przykład procesu technologicznego czujnika ciśnienia USF_3 Technologia_A M.Kujawińska, T.Kozacki, M.Jóżwik 3-22