Technologie elektroniki

Transkrypt

1 Technologie elektroniki

2 Czynniki wpływające na procesy technologiczne Zanieczyszczenie powietrza drobinami Skład powietrza Ciśnienie Temperatura i wilgotność Poziom hałasu i wibracji Pole elektromagnetyczne Pole elektrostatyczne Clean-room: pełna kontrola warunków wytwarzania struktur 2

3 Rodzaje zanieczyszczeń - pojedyncze molekuły - zanieczyszczenia powierzchniowe - zanieczyszczenia pyłowe 3

4 Źródła zanieczyszczeń molekularnych - gazowanie (np. podczas stygnięcia) - pary oleju (np. z pomp dyfuzyjnych) - alkohol - farby, kleje, żywice - substancje aromatyczne (obecność wyczuwalnego zapachu jest równoznaczna z obecnością cząstek zanieczyszczających) 4

5 Źródła zanieczyszczeń powierzchniowych - odciski palców - pot - kremy do rąk, twarzy - puder - środki czyszczące - oleje i smary - wosk 5

6 Źródła zanieczyszczeń pyłowych - ludzie (skóra, włosy, oddech, włókna z odzieży) - materiały generujące pył (tekturowe pudełka, papier) - obróbka mechaniczna materiałów (wiercenie, cięcie, polerowanie) - przedmioty z niezabezpieczonego drewna 6

7 Rozmiary zanieczyszczeń Większość zanieczyszczeń jest zbyt mała, aby można je zaobserwować okiem nieuzbrojonym. najmniejsza cząstka widoczna okiem nieuzbrojonym (50µm) krytyczne zanieczyszczenie w clean-roomie (0,5µm) włos ludzki (100µm) 7

8 Definicja klasy czystości clean-roomu Clean-room klasy (n) jest zdefiniowany jako pomieszczenie, w którym powietrze zawiera nie więcej niż (n) cząstek zanieczyszczeń o rozmiarze równym lub większym od 0,5µm w jednej stopie sześciennej gdzie n = , 1000, 100, itd. Standardy stosowane na świecie: USA: FED STD 209E (1992) Japonia: B9920 (1989) Australia: AS1386 (1989) Francja: X44101 (1981) Wlk. Brytania: BS5295 (1989) Niemcy: VDI2083 (1990) Rosja: Gost R50766 (1995) zastąpione normą międzynarodową ISO (1997) 8

9 Normy ISO Klasa Liczba drobin w 1 m 3 powietrza 0.1 um 0.2 um 0.3 um 0.5 um 1 um 5 um ISO ISO ISO * * ISO * * * ISO * * * * ISO * * * * *10 2 ISO * * *10 3 ISO * * *10 4 ISO * * *10 5 9

10 Koncepcja pomieszczenia typu cleanroom ciągła, wielostopniowa filtracja wtłaczanego powietrza począwszy od filtrów wstępnych po filtry HEPA (High Efficiency Air Filters) bądź ULPA (Ultre Low Penetration Air) stałe nadciśnienie wewnątrz pomieszczeń (ok. 30Pa) brak możliwości przedostawania się zanieczyszczeń z zewnątrz śluza wejściowa w celu utrzymania stałego składu atmosfery dodawane jest od 2 do 10% świeżego powietrza 10

11 Materiały półprzewodnikowe Ograniczenia temperatury pracy półprzewodników wynikające z koncentracji samoistnej nośników n i Półprzewodnik Si Si (SOI) GaAs 6H-SiC GaN Diament Maksymalna temperatura pracy ~ 200 C ~ 400 C ~ 400 C ~ 800 C ~ 1000 C > 1000 C 11

12 Otrzymywanie podłoży monokrystalicznych Roczna światowa produkcja monokryształów w roku 2007 to około ton (Si, Ge, GaAs, InP, GaP, CdTe, ). Ponad połowa tej produkcji zużywana jest przez przemysł półprzewodnikowy. Metody otrzymywania kryształów: - z fazy stałej - w wyniku przemiany fazowej w stanie stałym ( np. w przemianach metamorficznych w procesach geologicznych) - z fazy ciekłej - przez bezpośrednią krystalizację cieczy, odparowanie, przez wyciąganie monokryształu ze stopionego materiału (np. produkcja kryształów Si, Ge, GaAs metodą Czochralskiego) - z fazy pary - przez sublimację, metodą gazowego transportu chemicznego (np. produkcja monokryształów SiC) 12

13 Krzem podstawowy materiał mikroelektroniki Zasoby: Krzem stanowi 27% skorupy ziemskiej tlenek krzemu (kwarc, krzemionka) kwasy krzemowe (krzemiany) związki z wodorem (silany) związki z metalami (krzemki) SiC (karborund) Potrzeby: monokryształy w postaci płytek o najwyższym stopniu czystości i doskonałości strukturalnej 13

14 Struktura materiału półprzewodnikowego musi mieć budowę monokrystaliczną, z jak najmniejszą liczbą defektów i kontrolowaną koncentracją domieszek ( m -3 )

15 Metoda Czochralskiego (CZ) - podstawowa metoda wytwarzania dużych monokryształów Si na potrzeby mikroelektroniki - orientacja krystaliczna - wyznaczona przez orientację zarodka - średnica kryształu określona przez temperaturę,szybkość obrotu i wyciągania Cechy procesu: - temperatura: ok C - osłona: Ar - domieszki: B, P, As, Sb - orientacja krystalograficzna zarodka 15

16 Metoda Czochralskiego (CZ) Etapy wytwarzania monokryształu 16

17 Metoda wytapiania strefowego (FZ Flat Zone) mocowanie Zastosowanie: oczyszczanie oraz wytwarzanie monokryształów krzemu o średnicy do 150mm Dzięki zjawisku segregacji można zebrać atomy zanieczyszczeń na jednym końcu monokryształu polikrzem lub monokryształ zanieczyszczony punkt topnienia grzałka RF płynny krzem punkt krystalizacji oczyszczony monokryształ stożek końcowy szyjka zarodek mocowanie zarodka 17

18 Monokryształ krzemu Efekt końcowy: bezdefektowy monokryształ Si zawierający zanieczyszczenia na poziomie ppb lub nawet ppt ppb particle per billion ( ) ppt particle per trillion ( ) 18

19 Obróbka mechaniczna monokryształu - Odcięcie stożkowych zakończeń kryształu przy użyciu piły o ostrzu pokrytym warstwą diamentu (a) - Zeszlifowanie kryształu do postaci cylindrycznej o określonej średnicy (b) -Określenie orientacji sieci krystalicznej (np. za pomocą zjawiska dyfrakcji promieni rentgenowskich) - Wykonanie ścięć głównych i pomocniczych (c) 19

20 Oznaczenie kierunków krystalograficznych Ścięcia (flats): główne (primary) wskazuje kierunek krystalograficzny {110} pomocnicze (secondary) określa płaszczyznę krystalograficzną powierzchni oraz typ przewodnictwa (pomyłki są bardzo kosztowne!) dla płytek większych niż 200mm stosuje się nacięcia typu V (notches) 20

21 Podłoża krzemowe cięcie Wymagania: minimalna ilość odpadu minimalne uszkodzenia powierzchni płytek maksymalna szybkość produkcja dzienna jednej fabryki to płytek! Urządzenia: -piła z ostrzem pierścieniowym pokrytym warstwą diamentową -piła z oscylującym drutem tnącym (stosowana zwłaszcza do monokryształów o dużych średnicach) 21

22 Podłoża krzemowe - szlifowanie Wymagania: usunięcie warstwy uszkodzonej podczas cięcia (kilkadziesiąt µm) zapewnienie nominalnej grubości płytek ( µm) zapewnienie płasko-równoległości płytek 1 µm na powierzchni ok. 1000cm 2 dla płytek o średnicy 300mm! Metoda: szlifowanie planetarne zawiesiną wodną lub olejową Al 2 O 3 22

23 Podłoża krzemowe - polerowanie Wymagania: zapewnienie chropowatości powierzchni poniżej 0.01 µm (powierzchnia lustrzana) etapowe polerowanie chemiczno-mechaniczne (CMP) - chemiczne trawienie nierówności połączone ze ścieraniem mechanicznym - środek polerujący: SiO 2, woda destylowana, wodorotlenek sodu -w zależności od wymagań procesu technologicznego polerowanie może być przeprowadzane na jednej bądź obu powierzchniach płytki krzemowej 23

24 Podłoża krzemowe oczyszczanie powierzchni Celem jest usunięcie zanieczyszczeń powierzchniowych powstałych podczas wcześniejszych etapów cięcia, szlifowania, polerowania poprzez: - powierzchniowe trawienie krzemu i płukanie między kolejnymi etapami - mycie końcowe - procedura RCA Odczynniki: - woda dejonizowana (DI) -NH 3 -H 2 O 2 -NaOH -HF - HCl - rozpuszczalniki organiczne - detergenty 24

25 Dyfuzja Epitaksja Implantacja Metody wytwarzania warstw domieszkowanych Schemat układu do dyfuzji: a-piec; b,cdozowniki z domieszkami 1-piec; 2-płytki krzemowe 3-komora wyciągu, 4-dozownik; 5-rura kwarcowa

26 Epitaksja wytwarzanie warstwy półprzewodnika monokrystalicznego na podłożu monokrystalicznym z zachowaniem ciągłości krystalicznej z podłożem. Homoepitaksja (epitaksja) warstwa jest z tego samego materiału, co podłoże, np. krzem na krzemie Heteroepitaksja warstwa epitaksjalna jest inna niż podłoże (np. krzem na szafirze)

27 Do narastającej w czasie epitaksji warstwy można wprowadzać domieszki donorowe lub akceptorowe ZALETA uzyskujemy ostry profil domieszkowania (chociaż trzeba uwzględnić rozmycie wskutek autodyfuzji) WADA procesy wciąż badane, często trudnopowtarzalne, kosztowne, powolne

28 IMPLANTACJA wszczepianie jonów Patent Shockleya z 1954r. Schemat implantatora Przykładowy rozkład 1-źródło jonów; 2 układ koncentracji akceptorów przyśpieszania; 3 pole magn. (bor w dawce m -2 i 4 układ odchylania; 5 komora 40keV

29 Schemat kolejnych faz procesu fotolitografii Produkcja struktury każdego przyrządu składa się z wielu procesów maskowania, wytwarzania okien w warstwie maskującej (fotolitografii), domieszkowania lokalnego, usuwania warstw maskujących...

30 Inne procesy technologiczne Wytwarzanie warstw pasywujących, dielektrycznych itd. Metalizacja (wytwarzanie ścieżek i kontaktów) Testowanie Cięcie Mocowanie struktur w obudowach Mikromontaż (połaczenie z wyprowadze-niami zewnętrznymi) Wykonanie obudowy

31 Technologie warstwowe cienkowarstwowe grubowarstwowe np. sitodruk 1 sito; 2 pasta; 3 rakla (urządzenie przeciskające); 4 podłoże; 5 nanoszona warstwa

32 Przykład standardowego (34 mm) modułu mocy, gdzie maksymalny prąd wyjściowy wynosi ok. 400A (firma SEMIKRON0 IGBT Insulated Gate Bipolar Transistor

33 Moduł IBM (mikro chip)

34 Wykonanie elementów biernych: Warstwy przewodzące dobra przewodność, przyczepność do podłoża, podatność na lutowanie i termokompresję złoto, aluminium, miedź, molibden... Rezystory cienkie napylane warstwy, lub nanoszone sitodrukiem pasty duża rezystancja powierzchniowa; korekcja odbywa się poprzez nacinanie laserem; rezystory dyfuzyjne zagłębione w strukturze krzemu Kondensatory złącze p-n lub struktura MOS; również cienkowarstwowe i grubowarstwowe poprzez naprzemienne nanoszenie warstw przewodzącej dielektryka - przewodzącej