SŁAWOMIR WIAK (redakcja)

Transkrypt

1

2 SŁAWOMIR WIAK (redakcja) Akademicka Oficyna Wydawnicza EXIT

3 Recenzenci: Prof. Janusz Turowski Politechnika Łódzka Prof. Ewa Napieralska Juszczak University Lille Nord de France, LSEE, UA, Francja Autorzy rozdziałów: Prof. Sławomir Wiak (rozdz. 1, 2, 10) Dr inż. Krzysztof Smółka (rozdz. 1, 2, 10) Mgr inż. Anna Firych-Nowacka (rozdz. 2) Prof. Zbigniew Kołaciński (rozdz. 3, 5, 6, 13) Mgr inż. Andrzej Kubiak (rozdz. 4) Prof. Zbigniew Lisik (rozdz. 4) Dr hab. inż. Jacek Gołębiowski, prof. PŁ (rozdz. 7) Dr inż. Michał Szermer (rozdz. 8, 9) Dr inż. Przemysław Sękalski (rozdz. 8, 9) Prof. Andrzej Napieralski (rozdz. 8, 9) Dr hab. inż. Zbigniew Gmyrek (rozdz. 11) Dr hab. inż. Paweł Witczak, prof. PŁ (rozdz. 12) Podręcznik akademicki przygotowany w ramach projektu "Innowacyjna dydaktyka bez ograniczeń - zintegrowany rozwój Politechniki Łódzkiej - zarządzanie Uczelnią, nowoczesna oferta edukacyjna i wzmacniania zdolności do zatrudniania, także osób niepełnosprawnych", współfinansowanego przez Unię Europejską w ramach europejskiego Funduszu Społecznego - Programu Operacyjnego Kapitał Ludzki "Priorytet IV, poddziałanie Wzmocnienie potencjału dydaktycznego uczelni". Utwór w całości ani we fragmentach nie może być powielany ani rozpowszechniany za pomocą urządzeń elektronicznych, mechanicznych, kopiujących, nagrywających i innych, w tym również nie może być umieszczany ani rozpowszechniany w postaci cyfrowej zarówno w Internecie, jak i w sieciach lokalnych bez pisemnej zgody posiadacza praw autorskich. ISBN Copyright by EXIT, Politechnika Łódzka Łódź 2009

4 Andrzej Kubiak Zbigniew Lisik 4. Technologie mikroelektroniczne dla mechatroniki 4.1. Technologia krzemowa w realizacji projektów mechatronicznych Mikrotechnologia jest terminem obejmującym zagadnienia projektowanie i wytwarzania wszelkiego rodzaju materiałów i struktur charakteryzujących się bardzo małymi wymiarami, rzędu pojedynczych mikrometrów. Gwałtowny rozwój mikrotechnologii został zapoczątkowany w latach 50. XXw., kiedy budowa urządzeń elektronicznych napotkała bariery technologiczne i konstrukcyjne związane ze zwiększeniem masy i zapotrzebowania na energię urządzeń elektronicznych o coraz bardziej złożonej budowie i zróżnicowanych funkcjach. Spowodowało to rozwój badań nad miniaturyzacją elementów elektronicznych: rozwinięto technikę obwodów drukowanych, a następnie technologię wytwarzania złącz p-n w monokryształach półprzewodnikowych (głównie krzemowych), co doprowadziło do otrzymania pierwszych układów scalonych, składających się z wielu elementów elektronicznych umieszczonych wraz z połączeniami na wspólnym podłożu. Dalsze osiągnięcia z zakresu fizyki ciała stałego, a zwłaszcza fizyki półprzewodników oraz fizyki cienkich i grubych warstw, a także postępy w dziedzinie inżynierii materiałowej pozwalające na otrzymywanie niezwykle czystych materiałów o pożądanej strukturze stały się przyczyną intensywnego rozwoju mikrotechnologii. Sformułowane przez Gordona Moore a w roku 1965 twierdzenie, iż liczba tranzystorów umieszczonych w układach scalonych ulega podwojeniu co dwa lata jest do dziś aktualne (Rys. 4.1). Jednym z głównych powodów, dzięki któremu ten 107

5 wykładniczy wzrost jest możliwy, jest stosowanie coraz mniejszych elementów w procesie produkcji struktur półprzewodnikowych. Obecnie stosowane technologie pozwalają wytwarzać procesory składające się z miliardów tranzystorów o wymiarach 45nm (Intel, 2008), a nawet 32nm (2009). Należy jednak zauważyć, że w najbliższej przyszłości utrzymanie tak wysokiego tempa rozwoju technologii krzemowej nie będzie możliwe i prawo Moore a nie będzie już spełnione. Nie stanie się to nagle, będzie to raczej trwający proces spowalniania polepszania pewnych parametrów, jak szybkość czy pojemność. Wynika to z faktu, iż rozmiary elementarnych struktur półprzewodnikowych nie mogą zmniejszać się w nieskończoność: w pewnym momencie takie tranzystory musiałyby być mniejsze od atomów. Innym istotnym ograniczeniem jest skończona prędkość światła, stawiająca nieprzekraczalną barierę minimalnego czasu potrzebnego na nawiązanie komunikacji między oddalonymi od siebie elementami komputerów lub sieci komputerowych. 108 Rys. 4.1 Ilustracja prawa Moore a: wzrost liczby tranzystorów w procesorze od roku 1970 (źródło: Intel) Efektem doskonalenia technik wytwarzania układów wielkiej skali integracji jest obserwowane obecnie ewolucyjne przejście technologii krzemowej ze skali mikro- (mikrotechnologia) do skali nanometrycznej (nanotechnologia). Szeroko rozumiana nanotechnologia to termin obejmujący projektowanie i tworzenie materiałów i struktur, których co najmniej jeden wymiar jest zbliżony do wymiarów pojedynczych atomów. W literaturze najczęściej przyjmuje się, że granicą pomiędzy mikroi nanotechnologią jest wymiar 100nm. Ze względu na liczbę

6 wymiarów charakteryzowanych w nanometrach, nanostruktury można podzielić na ograniczone w trzech wymiarach (krzem nanoporowaty, kropki kwantowe, nanocząstki), w dwóch wymiarach (nanorurki, nanowłókna) oraz w jednym wymiarze (nanowarstwy, nanopłytki). Wszystkie te obiekty, oprócz zachowania właściwości charakterystycznych dla skali makro, posiadają unikalne własności wynikające z rozmiaru cząstek. Podlegają one zarówno prawom fizyki klasycznej, jak i regułom fizyki kwantowej. Dualizm charakteru nanoobiektów stanowi jedną z największych zalet tego rodzaju struktur. Techniki wytwarzania nanoobiektów obejmują dwie podstawowe metody: top-down i bottom-up, różniące się kierunkiem działań. Pierwsza z technik polega na miniaturyzacji większych struktur za pomocą rozdrabniania mechanicznego materiałów (mielenie, cięcie) bądź ich trawienia (z wykorzystaniem techniki litografii stosowanej m.in. w mikroelektronice). Metoda bottom-up oznacza tworzenie materiałów i urządzeń z pojedynczych atomów czy cząsteczek. Wykorzystuje ona takie techniki, jak osadzanie z fazy gazowej (osadzanie fizyczne, osadzanie chemiczne), osadzanie wspomagane plazmowo, epitaksja z wiązki molekularnej, synteza chemiczna z fazy ciekłej (metody strąceniowe, metody zolżel), osadzanie elektrolityczne. Obecnie nowe możliwości tworzenia nanostruktur dają zaawansowane techniki precyzyjnej kontroli i budowy substancji na poziomie pojedynczych atomów i cząstek (mikroskopy skali nano). Techniki te są intensywnie rozwijane ze względu na duże możliwości, jakie daje ich opanowanie. Mechatronika to nauka łącząca elementy innych dziedzin wiedzy: mechaniki, elektroniki, informatyki i robotyki. Interesującym przykładem struktur mechatronicznych są urządzenia MEMS (Micro Electro-Mechanical Systems) zawierające zintegrowane trójwymiarowe mikrostruktury elektroniczne i mechaniczne o wymiarach mikrometrowych, a nawet nanometrowych. MEMS-y wykonywane są z krzemu za pomocą typowych technologii mikroelektroniki wykorzystywanych przy wytwarzaniu przyrządów półprzewodnikowych i układów scalonych. Adaptacja krzemowej technologii mikroelektronicznej do wytwarzania mikrostruktur pozwala na budowę sensorów i aktuatorów zintegrowanych z obwodem elektronicznym na jednym fragmencie krzemu. Pozwala to na wyeliminowanie barier ekonomicznych związanych z opracowywaniem i wdrażaniem nowych technologii. 109

7 Istnieją trzy warianty wytwarzania struktur typu MEMS: Technologia powierzchniowa (surface micromachining), wykorzystująca procesy wytwarzania warstwy poświęconej (sacrified layer), osadzania i trawienia polikrzemu oraz trawienia warstwy poświęconej. Stosowana do budowy mikroczujników, Technologia objętościowa (bulk micromachining), wykorzystująca głębokie trawienie krzemu monokrystalicznego połączone z wytwarzaniem i usuwaniem warstw materiału. Stosowana m.in. do wytwarzania przełączników optycznych, Technologia wytłaczania litograficzno-galwanicznego (LIGA) - wykorzystująca fotolitografię i selektywne trawienie oraz wypełnianie za pomocą osadzania galwanicznego. Uzyskany trójwymiarowy wzorzec może stanowić produkt końcowy bądź może zostać wypełniony innym materiałem, np. metalem lub tworzywem organicznym. Stosowana do budowy miniaturowych anten wielkiej częstotliwości, mikromotorów, precyzyjnych dozowników odczynników chemicznych. Pożądanym parametrem technologii stosowanych do wytwarzania struktur MEMS jest wysoki współczynnik proporcji trawienia i osadzania (aspect ratio), oznaczający możliwość otrzymywania wysokich (bądź głębokich) i wąskich struktur o pionowych ścianach. Przykładem mikrosystemu jest zintegrowany mikrosystem przepływowy do analizy chemicznej i biochemicznej (µtas - micro Total Analysis System). Obecnie wiele analiz chemicznych i biochemicznych jest wykonywanych w układach przepływowych, w których wstrzykuje się próbkę substancji chemicznej lub bioaktywnej o określonej objętości. Próbka taka jest następnie transportowana wraz pompowaną cieczą za pomocą mikropompy, mikrozaworów i kanałów przepływowych do bloku detekcji, gdzie jest analizowana za pomocą czujników chemicznych. Obudowa mikrosystemu może mieć precyzyjne wykonane wejścia wyjścia dla sygnałów optycznych w postaci światłowodów, mikrogrzejnik, czujnik temperatury oraz układy przesyłające sygnały bezprzewodowo. Innym zastosowaniem mikrosystemów są coraz popularniejsze obecnie projektory multumedialne wykonywane w technologii DLP (Digital Light Processing). Sercem układu DLP jest chip DMD (Digital Micromirror Device), zawierający setki tysięcy kwadratowych 110

8 mikrolusterek o boku 16µm i przerwą między nimi 1µm. Lusterka umocowane są na mikrozawiasach, pod którymi znajdują się komórki pamięci RAM. Każde lusterko może się wychylać o 10 stopni od położenia 0. Elektroniczne adresowanie komórek pamięci cyfrowym sygnałem 0/1 wyznacza położenie każdego lusterka odpowiednio je wychylając. To decyduje czy lusterko znajduje się w pozycji włączonej bądź wyłączonej, czyli czy wyświetla dany piksel czy nie. Lusterka są zdolne do wychylania się pomiędzy pozycjami wł/wył ponad 1000 razy na sekundę. Tak duża prędkość z kolei umożliwia uzyskanie bardzo szerokiego pasma cyfrowo modulowanych odcieni szarości oraz zapewnia wierność odwzorowania kolorów. Zastosowania mikrosystemów obejmują również takie obszary, jak głowice drukarek atramentowych, akcelerometry (w samochodach, aparatach fotograficznych, komputerach), czujniki ciśnienia, elektrody do badania mózgu, endoskopię Infrastruktura technologiczna - clean-room Wytwarzanie wszelkich struktur w ramach mikrolub nanotechnologii rodzi szereg wymagań odnośnie czystości zarówno w odniesieniu do stosowanych materiałów i urządzeń, jak też pomieszczeń, w których odbywają się procesy technologiczne. Każdy rodzaj zanieczyszczeń fizyko-mechanicznych o wielkości porównywalnej do wymiarów powstających obiektów musi być eliminowany, ponieważ niesie ze sobą ogromne ryzyko niepowodzenia danego procesu, co w konsekwencji przekreśla szanse na uzyskanie funkcjonujących przyrządów. Stąd też warunkiem koniecznym prowadzenia procesów mikroi nanotechnologicznych jest zapewnienie odpowiedniej czystości otoczenia struktur, które obejmuje gazy, ciecze i ciała stałe, z którymi powstające struktury mogą mieć kontakt. Odpowiedzią na te wymagania jest budowa pomieszczeń typu clean-room, w których stosuje się przemyślaną politykę utrzymywania podwyższonej czystości poprzez dokładną, wielostopniową filtrację powietrza a także oczyszczanie mediów stosowanych w procesach technologicznych (gazy, odczynniki chemiczne), wprowadzenie specjalnych kombinezonów ochronnych dla personelu i stosowanie wyłącznie materiałów, które nie są potencjalnym źródłem zanieczyszczeń. 111

9 Technologię pomieszczeń typu clean-room należy rozpatrywać w trzech, ściśle powiązanych ze sobą, obszarach: projektowania, testowania oraz funkcjonowania. Pomieszczenie tego typu musi zostać właściwie zaprojektowane i zbudowane, następnie musi zostać przetestowane celem potwierdzenia, iż spełnia ono założenia projektowe, a wreszcie musi być właściwie wykorzystywane w sposób niepowodujący pogorszenia uzyskiwanej w nim czystości. Typowo, pomieszczenia typu clean-room projektowane są przy założeniu stałego nadciśnienia oraz wymiany powietrza w oparciu o wentylację turbulentną bądź też wentylację z przepływem laminarnym. W przypadku stosowania wentylacji turbulentnej przefiltrowane powietrze jest dostarczane do clean-roomu przez pojedyncze dyfuzory umieszczone w suficie. Czyste powietrze miesza się z powietrzem w pomieszczeniu i wraz z obecnymi w nim zanieczyszczeniami jest usuwane przez odpowiednie otwory w dolnej części ścian lub podłodze (Rys. 4.2). Liczba wymian powietrza w pomieszczeniu wynosi od 20 do 60 na godzinę. W przypadku wentylacji z przepływem laminarnym, filtry końcowe (absolutne) montowane są na całej powierzchni sufitu (w niektórych rozwiązaniach - ścian), skąd czyste powietrze wpływa do pomieszczenia z prędkością około 0,4m/s. Utrzymywany jest laminarny przepływ w kierunku pionowym przez całe pomieszczenie, po czym powietrze jest odbierane przez perforowaną podłogę. Ten system zużywa znacznie większe ilości powietrza niż system przepływu turbulentnego, jednak ze względu na uporządkowany ruch powietrza minimalizuje wtórne rozprowadzanie zanieczyszczeń i umożliwia ich usuwanie najkrótszą drogą, dzięki czemu uzyskuje się bardzo wysoką czystość pomieszczeń. Funkcjonowanie clean-roomu wymaga dużych ilości powietrza o ściśle określonej czystości, temperaturze i wilgotności. Ze względów ekonomicznych wymiana powietrza realizowana jest w obiegu zamkniętym w trybie ciągłym, przy czym w celu utrzymania stałego składu atmosfery dodawane jest od 2 do 10% świeżego powietrza. W zależności od potrzeb stosuje się różne typy filtrów, od wstępnych, eliminujących zanieczyszczenia o rozmiarach setek mikrometrów, do absolutnych, typu HEPA (High Efficiency Air Filters) lub ULPA (Ultre Low Penetration Air), wychwytujących zanieczyszczenia o rozmiarach rzędu setek nanometrów. 112

10 Rys. 4.2 Koncepcja pomieszczenia typu clean-room Filtry te podlegają oczywiście okresowej wymianie, co w przypadku większych pomieszczeń i potrzeby osiągania najwyższych poziomów czystości pociąga za sobą bardzo wysokie koszty eksploatacji clean-roomu. Oprócz oczyszczania powietrza konieczne jest stosowanie systemów ogrzewania, chłodzenia, osuszania i nawilżania. Już na etapie projektowania należy uwzględnić obecność dodatkowych źródeł ciepła znajdujących się w pomieszczeniu, np. pieców dyfuzyjnych, które mogą wpływać na bilans cieplny całego systemu. Praca poszczególnych urządzeń (klimatyzacja, nawilżacz, nagrzewnice) oraz parametry powietrza w różnych punktach systemu są nadzorowane i kontrolowane przez automatyczny układ sterowania, zapewniający utrzymanie zadanych warunków w całym pomieszczeniu. Obecnie najpopularniejszą koncepcją jest dwustrefowe laboratorium składające się ze strefy białej (właściwy clean-room) oraz strefy szarej (słabiej oczyszczanej), otaczającej strefę białą, w której ustawiane są wszystkie urządzenia technologiczne (lub ich części), które nie muszą znajdować się w strefie czystej. Są one jedynie ustawiane w ten sposób, że ich frontowa część jest dostępna ze strefy białej. Dzięki temu powierzchnia clean-roomu może być mniejsza, a utrzymywanie wysokiej klasy czystości w strefie białej jest łatwiejsze i tańsze. Materiały stosowane do budowy samych pomieszczeń, jak i urządzeń technologicznych, nie mogą wprowadzać zanieczyszczeń do atmosfery, jak również nie mogą zatrzymywać wszechobecnego kurzu na swoich powierzchniach. Personel natomiast może wchodzić do laboratorium o podwyższonej czystości jedynie przez specjalną śluzę wejściową po ubraniu się 113

11 w całościowy kombinezon specjalnego typu, który chroni atmosferę pomieszczenia przed przedostaniem się do niej zarówno wszelkiego typu naturalnych dla człowieka pyłów, jak też zanieczyszczeń magazynowanych na ubraniach. Praca w clean-roomie wymaga przestrzegania licznych wymogów, takich jak powstrzymanie się od czynności mogących powodować wzrost poziomu zanieczyszczeń czy zaburzających laminarny przepływ powietrza. Najważniejszym kryterium klasyfikacji pomieszczeń typu cleanroom jest poziom uzyskiwanej w nich czystości powietrza, wyrażanej jako dopuszczalna ilość zanieczyszczeń o rozmiarach z określonego przedziału w jednostce objętości powietrza. Obecnie obowiązującym i powszechnie stosowanym światowym standardem klasyfikacji tego typu pomieszczeń jest norma ISO , definiująca poziomy zanieczyszczeń pomieszczeń gotowych do pracy (as-built), funkcjonujących z założoną liczbą procesów, lecz bez personelu (as-rest) oraz funkcjonujących z założoną ilością procesów i personelu (operational) Podłoże krzemowe jako materiał wyjściowy dla mechatroniki Materiałem wykorzystywanym do produkcji przyrządów półprzewodnikowych są pierwiastki i związki pierwiastków IV grupy układu okresowego, przy czym od wielu lat najpowszechniej wykorzystywany jest krzem w postaci monokrystalicznej. Ze względu na wysoką reaktywność występuje on w przyrodzie wyłącznie w postaci związków z innymi pierwiastkami, stąd też otrzymywanie dużych ilości monokrystalicznych podłoży krzemowych o bardzo wysokiej czystości oraz minimalnym zdefektowaniu wymaga szeregu zaawansowanych procesów technologicznych. Obejmują one otrzymywanie oczyszczonego krzemu polikrystalicznego, wytwarzanie dużych bloków monokryształów, cięcie i obróbkę mechaniczną prowadzącą do uzyskania podłoży o kształcie płytek oraz szereg technik polerowania mechaniczno-chemicznego gwarantujących płaskość powierzchni na poziomie nanometrowym. Uzupełnieniem dojrzałej obecnie technologii wytwarzania podłoży krzemowych jest intensywnie rozwijający się obszar nowych materiałów półprzewodnikowych, takich jak SiC, GaAs, GaN. 114

12 W planarnej technologii mikroelektroniki krzem monokrystaliczny stosuje się w postaci podłoży krzemowych, czyli płaskich, jedno- lub dwustronnie wypolerowanych płytek o średnicy od 4 do 12 i grubości kilkuset mikrometrów. Materiałem wyjściowym jest polikrystaliczny krzem o wysokiej czystości otrzymywany z kwarcu. Do wytworzenia podłoża stosuje się najczęściej metodę Czochralskiego wyciągania monokryształu (Rys. 4.3). W metodzie tej do powierzchni czołowej wolno obracanego trzpienia przytwierdza się mały monokryształ krzemu, nazywany zarodkiem krystalizacji. Orientacja płaskiej powierzchni czołowej tego kryształu najczęściej jest zgodna z płaszczyzną (100), (111), lub (110). Zarodek opuszcza się na trzpieniu do wnętrza tygla, w którym znajduje się czysty krzem w postaci płynnej (temperatura powyżej 1410 o C). Po delikatnym zetknięciu czoła zarodka z powierzchnią cieczy, bardzo powoli podnosi się trzpień do obszaru o nieco niższej temperaturze, stale go obracając. zarodek narastający monokryształ Walec krzemowy stopiony krzem Rys. 4.3 Wyciąganie monokryształu metodą Czochralskiego Podnoszenie następuje w tempie krystalizowania się materiału. Monokryształ rozrasta się i zwiększa swą średnicę. Proces jest powolny (1-40 mm/h), a w jego wyniku powstaje w miarę regularny walec o długości do kilkuset centymetrów i ciężarze przekraczającym kilkaset kilogramów. Do płynnego krzemu często dodaje się pierwiastek domieszkujący (III lub V grupy układu okresowego), którego atomy wbudowując się w powstająca strukturę kryształu definiują typ przewodnictwa danego półprzewodnika. Pierwiastki te to bor, aluminium, gal, ind (domieszki akceptorowe - powstaje półprzewodnik typu p) oraz fosfor, arsen, antymon (domieszki donorowe - powstaje półprzewodnik typu n). Po ostudzeniu blok materiału poddaje się wieloprocesowej obróbce mechanicznej i chemicznej, aby podzielić go na cienkie płytki o polerowanej powierzchni. 115

13 Podłoża krzemowe charakteryzuje łącznie ponad 30 parametrów. Najważniejsze z nich to: typ przewodnictwa - n lub p oraz rodzaj domieszki (P, As, B...), orientacja krystalograficzna powierzchni (111, 110, 100), rezystywność - od 100 Ωcm do 0,001 Ωcm, koncentracja atomów zanieczyszczeń (głównie metali), koncentracja atomów węgla i tlenu, gęstość mikrodefektów sieci krystalicznej geometria, w szczególności parametry dotyczące płaskości powierzchni, czystość powierzchniowa. Rys. 4.4 Ścięcia główne i pomocnicze na podłożach krzemowych W celu jednoznacznego określenia typu przewodnictwa i orientacji krystalograficznej powierzchni roboczej podłoża wykonuje się tzw. ścięcie główne (bazowe) i ścięcie pomocnicze poprzez zeszlifowanie krawędzi płytek. Ścięcie główne jest zawsze dłuższe i wykonywane wzdłuż wybranej krawędzi krystalograficznej, natomiast ścięcie pomocnicze jest krótsze i umownie oznacza typ przewodnictwa podłoża (Rys. 4.4). Dla podłoży większych niż 200mm stosowany jest tylko jeden znacznik określający wybrany kierunek krystalograficzny Zmiana własności półprzewodników - domieszkowanie Typ przewodnictwa i koncentracja domieszek dla każdego podłoża krzemowego jest ustalany już w trakcie jego powstawania, czyli w procesie wyciągania monokryształu. Zmianę typu domieszkowania, warunkującą wykonanie nawet najprostszego 116

14 przyrządu półprzewodnikowego, można uzyskać poprzez kontrolowane wprowadzenie do sieci krystalograficznej domieszki przeciwnego typu niż ta, która się w nim już znajduje. Aby jednak doszło do zmiany typu przewodnictwa koncentracja nowo wprowadzanej domieszki musie być większa od tej, jaka była oryginalnie w podłożu, przy czym po wykonaniu takiego zadania efektywnie działa elektrycznie w podłożu jedynie różnica koncentracji obu typów domieszek. Oznacza to w praktyce, że niezależnie od sposobu praktycznej realizacji zmiana typu przewodnictwa w podłożu krzemowym jest związana ze wzrostem koncentracji domieszek w podłożu. Z tego powodu koncentracja domieszek w produkowanych podłożach jest niska i zawiera się najczęściej w granicach cm -3. Można wyróżnić dwa sposoby wprowadzania domieszek: poprzez dyfuzję termiczną, w której atomy domieszek przesuwają się w półprzewodniku wskutek chaotycznych ruchów cieplnych, oraz przez implantację jonów, w której jony domieszek rozpędzane są w silnym polu elektrycznym i wbijane do wnętrza sieci krystalograficznej podłoża. Obie te metody wzajemnie się uzupełniają i są stosowane w zależności od potrzeb. Metodą dyfuzji można wykonywać warstwy domieszkowane o szerokim zakresie grubości i koncentracji powierzchniowych domieszek oraz różnym rozkładzie koncentracji domieszek (w ograniczonym zakresie). Dyfuzja w ciele stałym jest to ruch atomów w sieci krystalicznej podłoża wywołany różnicą ich koncentracji w różnych obszarach tej sieci. Jeżeli rozkład atomów w sieci krystalicznej jest niejednorodny, to zachodzi proces dyfuzji. Proces ten jest silnie zależny od temperatury i im większa jest temperatura ciała stałego, tym szybciej ten ruch zachodzi. Aby w praktyce można było to zjawisko wykorzystać do wprowadzania do podłoża krzemowego atomów domieszek i zmiany ich rozkładu niezbędna jest temperatura z zakresu o C. Wykorzystując zjawisko maskowania dyfuzji domieszek przez warstwę dielektryczną można wykonywać obszary dyfuzyjne o wymaganym rozkładzie przestrzennym Ze względu na sposób dostarczania atomów domieszek do powierzchni podłoża, można wyróżnić dwa przypadki: źródło nieskończone (predyfuzja) - domieszka dostarczana jest do powierzchni podłoża bez przerwy, bez żadnych ograniczeń - 117

15 w konsekwencji koncentracja atomów na powierzchni jest w trakcie procesu stała, źródło skończone (redyfuzja)- całkowita liczba atomów domieszki (doza) w płytce i na jej powierzchni jest stała w ciągu całego procesu, a atomów na powierzchni podłoża ubywa w wyniku dyfuzji atomów w głąb płytki. Podstawowym zadaniem, jakie stawia procesom domieszkowania technologia jest w pełni kontrolowane wytwarzanie rozkładów domieszek w podłożu krzemowym, stąd też znajomość początkowej koncentracji domieszek w podłożu jest niezwykle istotna. W praktyce można sterować tylko trzema zależnymi od siebie parametrami procesu dyfuzji (koncentracją powierzchniową domieszki, dozą domieszki i głębokością złącza), stąd też poprzez dyfuzję można uzyskać jedynie charakterystyczny dla tej metody profil rozkładu domieszki w podłożu. Dopiero implantacja jonów daje możliwość sterowania niezależnie tymi parametrami i uzyskiwanie praktycznie dowolnych rozkładów domieszek w szerokim zakresie. Metodą implantacji jonów można wykonywać warstwy domieszkowane o szerokich możliwościach kształtowania głębokości i rozkładu koncentracji domieszki. Proces ten prowadzi się w implantatorze jonowym - stosunkowo skomplikowanym i kosztownym urządzeniu, wyposażonym m.in. w system pompowy (proces jest prowadzony w próżni), źródło jonów, układ analizatora masowego, układ ogniskujący wiązkę, układ odchylający wiązkę, stanowisko do implantacji. Parametrami procesu są rodzaj i ilość (dawka) pierwiastka domieszkowanego, energia jonów implantowanych, orientacja krystalograficzna powierzchni podłoża oraz kąt pochylenia podłoża względem padającej wiązki jonów. W celu uzyskania pożądanych profili możliwe jest stosowanie implantacji wielokrotnej, np. zastosowanie kilku procesów o zmiennych energiach jonów umożliwia uzyskanie profilu domieszkowania o kształcie zbliżonym do płaskiego lub liniowo opadającego. Sposób ten znacznie podnosi koszty realizacji struktury i dlatego stosowany jest jedynie w wyjątkowych sytuacjach. Istotnym problemem pojawiającym się podczas implantacji jest generacja licznych defektów sieci krystalicznej podłoża. Zjawisko to nasila się zwłaszcza w przypadku wytwarzania obszarów silnie domieszkowanych i w skrajnych sytuacjach może prowadzić 118

16 do całkowitej amorfizacji podłoża. Pociąga to za sobą konieczność zastosowania dodatkowego procesu wygrzewania w temperaturach rzędu o C. w celu odbudowania zniszczonej sieci krystalicznej. Dodatkowo proces ten umożliwia aktywację elektryczną domieszek, czyli wprowadzenie atomów domieszek w położenie węzłowe sieci krystalicznej, gdzie stają się one domieszkami czynnymi elektrycznie. Wygrzewanie poimplantacyjne można prowadzić w typowym piecu dyfuzyjnym, choć lepsze efekty uzyskuje się w specjalnym piecu o małej objętości reaktora i dużej dynamice nagrzewania i chłodzenia (RTP - Rapid Thermal Processsing). Dzięki stosowaniu techniki RTP wygrzewanie poimplantacyjne może zostać skrócone do kilku - kilkudziesięciu sekund, co znakomicie zmniejsza efekty redyfuzji domieszek w podłożu Trawienie izotropowe i anizotropowe. Obróbka przestrzenna krzemu Trawienie chemiczne to jeden z najczęściej spotykanych procesów mikro- i nanotechnologii. Jest ono stosowane w celu oczyszczenia powierzchni z zanieczyszczeń, przygotowania powierzchni do kolejnych procesów technologicznych, usuwania nałożonych warstw o różnych grubościach w całości bądź częściowo oraz wytrawiania różnorodnych struktur przestrzennych w materiale podłożowym. Pożądane cechy procesów trawienia to selektywność, czyli zdolność do wybiórczego trawienia jednego rodzaju materiału bez wpływu na inne materiały tworzące strukturę oraz zdolność do trawienia z różną intensywnością w różnych kierunkach (trawienie anizotropowe). Najprostszą techniką trawienia, stosowaną od początków technologii mikroelektronicznych, jest metoda mokra, polegająca na zanurzaniu podłoża w odpowiednim roztworze trawiącym. Może ona być stosowana zarówno w celu przygotowania podłoża do kolejnych procesów technologicznych (mycie, strawienie wierzchniej warstwy krzemu), jak i trawienia całych warstw lub ich wybranych obszarów w procesie fotolitografii (trawienie krzemu polikrystalicznego, tlenku krzemu, aluminium,). Parametrami metody mokrej są skład roztworu trawiącego, temperatura i czas procesu. Mieszanina musi być dobrana w taki sposób, aby zapewnić 119

17 możliwość kontroli procesu, pełną selektywność względem innych materiałów tworzących obrabianą strukturę oraz brak możliwości zanieczyszczenia struktury groźnymi pierwiastkami bądź związkami. Ze względu na czysto chemiczny charakter, trawienie mokre stosowane wobec praktycznie wszystkich materiałów stosowanych w technologiach mikroelektroniki cechuje się pełną izotropowością. Jest to istotne ograniczenie, ponieważ skutkuje podtrawianiem podczas realizacji procesu fotolitografii, szczególnie w przypadku małych struktur wytrawianych w stosunkowo grubych warstwach. Ważnym problemem technologicznym jest też utrzymanie czystości składu kąpieli trawiącej i stałej szybkości trawienia, co w warunkach produkcji masowej skutkuje dużym zużyciem odczynników chemicznych. Generuje to wysokie koszty, gdyż z reguły stosuje się odczynniki o bardzo wysokiej czystości, zaś ich utylizacja jest trudna i wymaga znacznych nakładów. Odpowiedzią na potrzebę anizotropowego trawienia są szybko rozwijające się techniki suchego trawienia. Obejmują one takie techniki, jak chemiczne trawienie w plazmie, chemiczne trawienie w plazmie wspomagane jonami (reaktory tunelowe i cylindryczne) rozpylanie wspomagane cząstkami neutralnymi lub jonami oraz rozpylanie fizyczne (reaktory typu planarnego). Metody te istotnie różnią się między sobą i wykorzystują różne mechanizmy fizyczne i chemiczne trawienia. Podstawowe mechanizmy zapewniające anizotropowość trawienia suchego to: rozpylanie materiału trawionego za pomocą ukierunkowanych jonów o dużej energii, niszczenie wiązań w warstwie przypowierzchniowej materiału trawionego za pomocą bombardowania jonami, dzięki czemu trawienie chemiczne staje się dużo bardziej efektywne. Parametrami procesów suchego trawienia są własności plazmy lub własności wiązki jonów, skład gazów roboczych oraz czas procesu. Dużą zaletą - obok anizotropowości - jest niskie zużycie odczynników, możliwość trawienia materiałów, których nie można usuwać metodą mokrą (np. azotek krzemu) oraz wysoka czystość procesu. Do wad metody suchej zaliczyć należy gorszą niż w metodzie mokrej selektywność (najczęściej tym mniejszą im wyższa jest anizotropowość procesu trawienia) oraz możliwość osadzania się warstwy pasożytniczej powstającej z produktów trawienia. Nie bez znaczenia jest również znacznie wyższy koszt 120

18 niezbędnej aparatury technologicznej do prowadzenia tego typu procesów Odwzorowywanie kształtów. Maskowanie w procesie głębokiego trawienia krzemu Fotolitografia jest podstawowym procesem wykorzystywanym do odwzorowywania kształtów w produkcji przyrządów półprzewodnikowych. W procesie tym kształty z przygotowanej uprzednio maski fotolitograficznej są odwzorowywane na cienkiej warstwie emulsji światłoczułej rozprowadzonej na powierzchni płytki krzemowej. W rezultacie możliwe jest selektywne prowadzenie takich procesów jak trawienie krzemu, domieszkowanie, tworzenie ścieżek przewodzących na powierzchni struktur. Najistotniejszymi parametrami klasycznego procesu fotolitografii są długość stosowanej fali promieniowania naświetlającego (od ultrafioletu do promieniowania X - zmniejszanie długości fali umożliwia odwzorowywanie mniejszych elementów) oraz odległość płytki z emulsją światłoczułą od maski fotolitograficznej (tryb zbliżeniowy lub kontaktowy). Warunkują one bezpośrednio wielkość najmniejszej struktury możliwej do odtworzenia, tzw. wymiar krytyczny (np. szerokość bramki tranzystora MOS) - obecnie osiągający wartość 45nm (Intel), co z kolei wiąże się z gęstością upakowania elementów półprzewodnikowych na powierzchni krzemu. Wymiar krytyczny (CD - critical dimension) w danej technologii w przybliżeniu można określić zależnością: λ CD = 2 N A gdzie: λ - długość fali promieniowania naświetlającego, N A - apertura układu optycznego (rzędu 0,6-1). Na jakość procesu duży wpływ mają stan maski fotolitograficznej oraz czystość podłoża, emulsji i otoczenia podczas procesu. Wszelkie zadrapania bądź zanieczyszczenia maski powodują błędy odwzorowania i w konsekwencji prowadzą do wykonania struktury wadliwej. Dlatego procesy fotolitografii prowadzi się zawsze w pomieszczeniach o najwyższym poziomie czystości. Jest to tym bardziej istotne, że wykonanie nawet układów 121

19 scalonych o niskim stopniu skomplikowania wymaga kilku - kilkunastu procesów fotolitografii z użyciem różnych masek, co znacznie zwiększa ryzyko pojawienia się krytycznych błędów w którymkolwiek z procesów. Dodatkowo zastosowanie więcej niż jednego procesu fotolitografii wymusza konieczność prowadzenia precyzyjnego centrowania masek z wykonanymi we wcześniejszych procesach fotolitografii strukturami na podłożu krzemowym. Klasyczny proces fotolitografii optycznej może być prowadzony dwiema metodami (Rys. 4.5): substraktywną (najpierw osadzana jest warstwa, w której ma być odtworzony wzór, a następnie nakładana i obrabiana jest emulsja światłoczuła) lub addytywną (emulsja światłoczuła jest nakładana i naświetlana przed osadzeniem warstwy). Metoda substraktywna jest szeroko stosowaną wobec warstw wytwarzanych różnymi technikami, a o jej powodzeniu decyduje możliwość przeprowadzenia trawienia selektywnego względem podłoża i emulsji. W metodzie addytywnej grubość nakładanej emulsji dobiera się tak, aby osadzona później warstwa była nieciągła. Dzięki temu zbędne fragmenty warstwy mogą być łatwo usunięte wraz z emulsją. Metoda ta wymaga mniejszej ilości operacji technologicznych (brak procesu trawienia), lecz jej stosowanie jest uzależnione od możliwości nakładania warstw w procesach bezpiecznych dla emulsji (temperatura nie wyższa niż 150 o C), takich jak fizyczne osadzanie próżniowe. Podobnie jak w fotografii popularnej, w procesie fotolitografii możliwe jest używanie dwóch rodzajów emulsji światłoczułej: pozytywowej i negatywowej. W przypadku używania emulsji pozytywowej naświetlone fragmenty emulsji zostają wypłukane podczas wywoływania, zaś zacienione fragmenty pozostają na płytce. Kształt na płytce jest identyczny ze wzorem na masce. Odwrotna sytuacja ma miejsce w przypadku użycia emulsji negatywowej: Zacienione obszary fotorezystu zostają wypłukane podczas wywoływania, zaś naświetlone - pozostają na płytce. Kształt na płytce jest odwrotny w stosunku do wzoru na masce. Własności fotorezystu decydujące o jego przydatności w technologii półprzewodnikowej to: duża czułość na promieniowanie o wybranej długości fali (np. λ= 436, 405, 365, 248nm), duży kontrast zapewniający ostre krawędzie (brak efektów dyfrakcyjnych przy odtwarzaniu małych struktur), 122

20 kompatybilność z technologią krzemową (łatwość nakładania, wywoływania, usuwania, brak zanieczyszczeń), mała absorpcja światła (fotorezyst musi jednakowo naświetlać się w różnych odległościach od powierzchni), minimalne odbicie światła, szczególnie od powierzchni fotorezyst - podłoże, odporność na działanie roztworów trawiących warstwy (np. HF) oraz bombardowanie jonowe podczas implantacji, dobra adhezja do różnych podłoży (krzem, tlenek krzemu, metalizacja). podloże Metoda Metoda substraktywna substraktywna Metoda Metoda addytywna addytywna TWORZENIE WARSTWY emulsja PO FOTOLITOGRAFII TWORZENIE WARSTWY nieciąglość TRAWIENIE USUWANIE EMULSJI Rys. 4.5 Porównanie procesu fotolitografii substraktywnej i addytywnej Odmianą procesu fotolitografii umożliwiającą uzyskiwanie bardzo dużych rozdzielczości (rzędu 0,1um i mniej) jest litografia w promieniach X. Ze względu na specyficzne własności tego promieniowania, proces ten jest znacznie bardziej skomplikowany od fotolitografii optycznej, a wynika to m.in. z dużo trudniejszej 123

21 technologii wytwarzania masek i braku możliwości stosowania układów optycznych do uzyskiwania równoległej wiązki promieniowania Wytwarzanie cienkich warstw dielektrycznych, półprzewodnikowych i przewodzących. Technologie utleniania termicznego, CVD i PVD Umiejętność wytwarzania nowych warstw jest współcześnie kluczowym etapem wytwarzania wszelkich struktur mikroelektronicznych. W zależności od roli, jaką pełnić ma dana warstwa musi ona spełniać liczne wymagania dotyczące składu chemicznego, struktury i orientacji krystalograficznej, grubości, jednorodności, adhezji, własności optycznych, elektrycznych, mechanicznych czy termicznych. Podstawowym kryterium podziału licznych technologii wytwarzania cienkich warstw jest uczestnictwo atomów podłoża w powstawaniu nowej warstwy (np. tlenek krzemu wytwarzany metodą termiczną) bądź jego brak (osadzanie chemiczne bądź fizyczne warstw). Wytwarzanie dielektrycznej warstwy tlenku krzemu (SiO 2 ) metodą utlenienia termicznego to jeden z najważniejszych procesów technologii półprzewodnikowej, wykorzystywany m.in. w celu pasywacji powierzchni półprzewodnika, maskowania w procesach dyfuzji, izolowania elektrycznego elementów składowych lub różnych obszarów w obrębie przyrządu, zabezpieczania przed oddziaływaniami zewnętrznymi, otrzymywania warstwy czynnej optycznie. Warstwy dielektryczne stosowane w technologii wytwarzania przyrządów półprzewodnikowych powinny spełniać następujące wymagania: Duża stabilność chemiczna - materiał warstwy dielektrycznych nie może wchodzić w reakcje z materiałami, z którymi się styka (podłoże, metalizacja, atmosfera otaczająca), Prostota i zgodność technologii wytwarzania warstw dielektrycznych z technologią wytwarzania przyrządów. Proces wytwarzania warstw dielektrycznych musi być dostatecznie prosty i łatwy, aby ograniczyć do minimum liczbę przyrządów 124

22 z warstwami wadliwymi, a jednocześnie proces ten musi przebiegać w warunkach, które nie wpływają niekorzystnie na te elementy, które wykonano wcześniej, Odpowiednie własności cieplne i mechaniczne układu dielektryk - podłoże. W warunkach pracy i przechowywania przyrządu powinna być zapewniona silna adhezja na całej powierzchni styku obu materiałów. Ponadto zmiany temperatury nie powinny powodować zbyt silnych naprężeń na granicy dielektryk - podłoże wynikających z niedopasowania współczynników rozszerzalności cieplnej, Jednorodność warstwy pod względem składu i struktury. Wymaganie to dotyczy stałości proporcji składników warstwy oraz jednorodności fizykochemicznej na całej jej powierzchni. Szczególnie istotne są tu wtrącenia i zanieczyszczenia atomami pierwiastków obcych, które mogą lokalnie zmieniać własności fizyczne warstwy, Kontrolowana grubość. Niemal we wszystkich zastosowaniach grubość oraz jednorodność grubości warstw stanowi bardzo istotny parametr technologiczny decydujący np. o napięciu przebicia warstwy izolacyjnej. Utlenianie termiczne przeprowadza się w piecu dyfuzyjnym w temperaturach o C. Reaktor takiego pieca wykonywany jest z kwarcu, dzięki czemu nie zachodzi niekontrolowana dyfuzja obcych pierwiastków. Płytki układa się w kwarcowej łódce, która jest wsuwana do wnętrza rozgrzanego pieca. Grubość otrzymanej warstwy tlenku krzemu jest ściśle uzależniona od temperatury i czasu wygrzewania. Ze względu na stosowane reagenty wyróżniamy dwa rodzaje procesu utleniania termicznego krzemu: utlenianie suche, gdzie płytka wystawiona jest na działanie czystego tlenu. W ten sposób uzyskuje się wysokiej jakości tlenek używany m.in. jako warstwa izolacyjna pod bramką tranzystora MOS; Si + O 2 SiO 2 utlenianie mokre, gdzie proces przeprowadza się w atmosferze pary wodnej powstałej ze spalania wysokiej czystości wodoru i tlenu również w temp. Tlenek otrzymany tą metodą ma gorsze 125

23 właściwości (może być używany np. do maskowania), natomiast znacznie większa jest szybkość jego wzrostu. Si + 2H 2 O SiO 2 + 2H 2 W trakcie utleniania termicznego podłoże jest konsumowane na potrzeby wytwarzanej warstwy tlenku. Powstały tlenek zużywa warstwę podłoża o grubości równej 44% swej grubości. Reakcja chemiczna pomiędzy krzemem i tlenem zachodzi na powierzchni granicznej SiO 2 -Si. Ma to istotne znaczenie, jeśli chodzi o parametry powstającego tlenku, ponieważ (w odróżnieniu od metod osadzania) właściwości warstwy granicznej SiO 2 -Si kształtują się w ostatnich chwilach procesu utleniania termicznego i istotnie wpływają na własności budowanych przyrządów półprzewodnikowych. Fizyczne procesy osadzania próżniowego (PVD - Physical Vapour Deposition) obejmują wiele różnych technologii odparowywania osadzanego materiału, np.: odparowanie termiczne z łódki rezystancyjnej, parowanie przy pomocy wiązki elektronowej (działo elektronowe), metoda łuku elektrycznego, rozpylanie magnetronowe i wiele innych. Technologie te są stosowane do osadzania powłok, pokryć, warstw jako konstrukcji zabezpieczających, uszlachetniających lub modyfikujących oryginalną powierzchnię. Grubość osadzanych warstw waha się od kilkudziesięciu angstremów [Å] do kilku mikrometrów. Pokrycia próżniowe maja zastosowanie w wielu dziedzinach techniki - od prostych zastosowań dekoracyjnych do złożonych aplikacji przemysłowych w przemyśle chemicznym, nuklearnym, inżynierii materiałów, medycynie, mikroelektronice i in. Obszary zastosowań tych technologii rozwijają się bardzo szybko, m.in. dlatego, że są to technologie czyste, ale także dlatego, że często ich stosowanie jest jedyną drogą pogodzenia sprzecznych wymagań stawianych przez współczesne konstrukcje i przyrządy - np. spełnienie kombinacji dwóch lub trzech warunków związanych z wysoką temperaturą pracy, naprężeniami mechanicznymi, specyficznymi właściwościami optycznymi, elektrycznymi lub magnetycznymi, twardością powierzchni, jej współczynnikiem tarcia, odpornością na ścieranie, biokompatybilnością, kosztem uzyskania pokrycia. Często pojedynczy materiał nie jest w stanie sprostać stawianym przed nim wymaganiom, stosuje się wtedy związki złożone i ich kombinacje, tworząc układy wielowarstwowe. Technologie PVD są bardzo wszechstronne, umożliwiają osadzanie wielu rodzajów materiałów, zarówno nieorganicznych 126

24 (metale, stopy, dielektryki) jak i niektórych organicznych. Prędkość osadzania waha się od 1 do nm na minutę. Rozróżnienie między pojęciem cienkiej i grubej warstwy nie jest jednoznaczne. Grubość rzędu Å (1μm) jest najczęściej uznawana za taką granicę. Ostatnio za kryterium rozróżnienia bierze się pod uwagę fakt, czy właściwości warstwy skupiają się w zewnętrznej naniesionej powłoce czy też wytworzona warstwa stanowi część masy obrabianego przedmiotu. Przedmiotem procesu osadzania próżniowego jest kontrolowany transfer atomów ze źródła parowania do elementu pokrywanego, gdzie następuje formowanie i wzrost danej warstwy. W czasie parowania atomy napylanej substancji są wyrywane ze źródła dzięki dostarczonej tam znacznej energii termicznej różnymi metodami (oporowo, za pomocą działa elektronowego, magnetronu). Procesy PVD wykonywane są w środowisku próżniowym. Uzyskiwana techniczne próżnia jest, wbrew pozorom, ośrodkiem złożonym - nie jest ani "pusta", ani obojętna chemicznie. Uwzględnienie wpływu tego środowiska na strumień napylanego materiału i osadzającą się warstwę jest niezbędne dla uzyskania produktu o pożądanej jakości. Podstawowym parametrem ośrodka próżniowego jest ciśnienie gazów resztkowych w nim obecnych - cząstkowe dla każdego z osobna i całkowite dla wszystkich. Parametr ten decyduje o średniej drodze swobodnej par napylanego materiału oraz możliwości wchodzenia przez nie w reakcje chemiczne. Typowo, próżnia wytwarzana jest przez dwustopniowy układ pompowy, składający się z pompy rotacyjnej (próżnia wstępna) i olejowej pompy dyfuzyjnej lub turbomolekularnej (próżnia wysoka). Pompowanie odbywa się za pośrednictwem podwójnej linii próżniowej z trzema zaworami. Ponadto komora próżniowa wyposażona jest w zawór zapowietrzający, co umożliwia jej otwarcie i załadowanie (wyładowanie) podłoży. Osadzanie cienkich warstw ze źródeł ogrzewanych oporowo było pierwszą użyteczną metodą otrzymywania takich struktur. Sercem układu jest tutaj jest tutaj wykonane z metalu źródło (source), w którym umieszcza się przeznaczony do naparowania materiał. Energia niezbędna do odparowania materiału dostarczana jest w formie ciepła wydzielającego się podczas przepływu prądu z przez źródło. Wybór właściwego źródła parowania jest decyzją o podstawowym znaczeniu dla poprawnego zaplanowania oporowej metody naparowania próżniowego. Kryteria doboru są następujące: 127

25 kompatybilność materiału źródła i materiału do naparowania (niektóre z nich mogą się w sobie rozpuszczać), pojemność źródła i dopuszczalny zakres dostępnych dla niego mocy. Źródła wykonuje się z molibdenu (Mo), tantalu (Ta) lub wolframu (W) - w postaci łódek, tygli, spiral lub innych o specjalnym przeznaczeniu. Naparowanie przy zastosowaniu działa elektronowego także polega na dostarczeniu do materiału energii cieplnej i jego odparowaniu. W odróżnieniu jednak od metody oporowej, ciepło dostarczane jest w wyniku uderzenia wiązki elektronów w materiał (tzw. target). Możliwe jest dzięki temu lokalne uzyskanie temperatur wyższych, niż w przypadku oporowym, ponadto umieszczenie targetu w chłodzonym wodą tyglu praktycznie uniemożliwia reakcje chemiczne między nimi. Daje nam to niemal uniwersalne źródło parowania. Układ do naparowania działem elektronowym składa się z zasilacza i źródła parowania. Zasilacz składa się z trzech niezależnych, połączonych ze sobą elementów zapewniających: wysokonapięciowe przyspieszanie wiązki elektronów, podgrzewanie włókna katody (źródła elektronów) oraz zasilanie magnesów ogniskujących i odchylających wiązkę. Źródło parowania składa się z działa elektronowego, cewek odchylających i ogniskujących (soczewki magnetyczne), tygla z materiałem do naparowania. Wiązka wytwarzana jest w dziale, przechodzi przez soczewki i jest skupiana w tyglu. W przypadku magnetronu stosuje się inną technikę uzyskiwania par materiału osadzanego: silne pole magnetyczne powoduje jonizację gazu (np. argonu) w pobliżu targetu przez elektrony. Jony te przyspieszane są w polu elektrycznym i z bardzo dużą energią bombardują go i powodują jego rozpylanie. W rozwiązaniu tym target ma najczęściej kształt płaskiego walca o powierzchni zbliżonej do powierzchni podłoża, dzięki czemu nie występują problemy wynikające z punktowego charakteru źródła parowania (rozpylanie odbywa się na całej powierzchni targetu). Dodatkową zaletą jest możliwość otrzymywania warstwy o ściśle określonym składzie chemicznym, zdefiniowanym przez skład chemiczny targetu. Technologia osadzania chemicznego z fazy lotnej (CVD - Chemical Vapour Deposition) obejmuje procesy, w których rozkład termiczny lotnych związków wyjściowych i reakcje pomiędzy nimi powodują osadzanie się produktów tych reakcji w postaci cienkich 128

26 warstw. W procesie tym podłoże jest tylko nośnikiem mechanicznym i nie bierze udziału w reakcji. Najważniejszymi parametrami procesu osadzania jest transport reagentów do powierzchni podłoża (wskutek zachodzenia reakcji odbywa się on w środowisku zubażanym w reagenty i wzbogacanym w jego produkty) oraz sama reakcja chemiczna na podłożu. Szybkość osadzania warstwy zawsze jest uzależniona od wolniejszego z wymienionych procesów, przy czym w niskich temperaturach krytyczna jest zazwyczaj szybkość reakcji, zaś w wysokich temperaturach - szybkość transportu reagentów. Dlatego konstruowanie urządzeń do prowadzenia procesów CVD musi uwzględniać, który z podanych czynników będzie dominujący w przypadku danej reakcji, co przekłada się na szczególny nacisk na jednorodność dostarczania reagentów bądź wysoką stabilizację temperatury procesu. Istnieje szereg typów reaktorów do prowadzenia procesów CVD, różniących się sposobem dostarczania energii i reagentów, ciśnieniem gazów roboczych, ułożeniem podłoży. Często reagentami są gazy toksyczne lub palne, dlatego stosuje się instalacje gazowe w wykonaniach specjalnych, zakończone urządzeniami do neutralizacji gazów poreakcyjnych (tzw. scrubbery). Technologie osadzania chemicznego są stosowane w mikroelektronice m.in. do otrzymywania warstw dielektrycznych (tlenek krzemu, azotek krzemu), niektórych metali (m.in. metale trudnotopliwe), a także półprzewodników (krzem w różnych formach, związki pierwiastków grupy III-V). Szczególnym zastosowaniem techniki osadzania jest wytwarzanie warstwy monokrystalicznej krzemu na podłożu krzemowym, zwana homoepitaksją. Uzupełniona o reakcje zapewniające obecność domieszek donorowych bądź akceptorowych, homoepitaksja jest chętnie stosowaną techniką otrzymywania warstw krzemu o bardzo dobrej jakości i wysokiej rezystywności. W niektórych przypadkach osadzanie chemiczne jest jedyną metodą otrzymywania cienkich warstw dostępną w mikrotechnologii (np. krzem, polikrzem). Ogromną zaletą tej techniki jest również duża szybkość wzrostu różnorodnych warstw osiągana przy niskiej temperaturze procesu, co jest szczególnie istotne w przypadku końcowych etapów wytwarzania struktur, gdzie możliwość redyfuzji domieszek w procesach wysokotemperaturowych musi być całkowicie wyeliminowana. 129

27 Pierwszymi urządzeniami stosowanymi do osadzania chemicznego były reaktory pracujące pod ciśnieniem atmosferycznym (APCVD - Atmospheric Pressure CVD). Konstrukcje te funkcjonują w oparciu o taśmociąg, na którym podłoża układane są ręcznie bądź automatycznie. Podłoża przesuwane są przez obszar o podwyższonej temperaturze, a następnie przemieszczają się pod dyszami doprowadzającymi gazy zapewniające zachodzenie pożądanych reakcji. Obszar wyloty gazów roboczych jest otoczony obszarami o intensywnym nadmuchu azotu w celu zapewnienia bezpieczeństwa obsługi tego typu reaktorów. W tego typu reaktorach kluczowym parametrem procesu jest jednorodność szybkości przesuwu taśmociągu oraz nadmuchu gazów roboczych. Jednorodność temperatury podczas procesu jest znacznie mniej istotna. Technika osadzania w warunkach ciśnienia atmosferycznego posiada szereg zalet (prostota konstrukcji, duża szybkość osadzania, niska temperatura procesu, niskie koszty eksploatacji), stąd jest ona chętnie wykorzystywane we współczesnych procesach technologicznych, m.in. do wytwarzania pasywującej warstwy tlenku krzemu w końcowym etapie produkcji. Do wad należą trudności w otrzymywania warstw o wysokiej czystości oraz słabe pokrywanie podłoży zawierających powierzchnie pionowe (uskoki wynikające z obecności innych warstw poddanych częściowemu usunięciu). W niektórych przypadkach metoda APCVD została zastąpiona techniką osadzania chemicznego pod obniżonym ciśnieniem (LPCVD- Low Pressure CVD). Reaktor jest tutaj elementem systemu próżniowego, a procesy osadzania prowadzone są przy ciśnieniu około 1mbara i w temperaturze ok. 900 o C. Są one ograniczone reakcjami powierzchniowymi, czyli dla dobrej kontroli procesu najistotniejsza jest stabilizacja temperatury podłoży. Reaktory tego typu charakteryzują się dużą wydajnością, wysoką czystością otrzymywanych warstw oraz dobrym pokryciem uskoków, natomiast wadą jest konieczność stosowania wysokiej temperatury oraz mała szybkość osadzania. Rozwinięciem idei osadzania plazmowego są konstrukcje do osadzania wspomaganego plazmą (PECVD - Plasma Enchanced CVD), występujące w formie reaktorów rurowych oraz planarnych. Wprowadzenie plazmy pozwala na prowadzenie wybranych reakcji chemicznych przy znacznie niższych temperaturach (rzędu 400 o C) niż w przypadku konwencjonalnego ogrzewania. Jest to bardzo 130