Elementy technologii mikroelementów i mikrosystemów

1. Elementy technologii mikroelementów i mikrosystemów

2. Elementy technologii mikroelementów i mikrosystemów Typowe wymagania klasy czystości: 1000/100 (technologie 3 μm) np. pamięci: 64k – 1000/100 >1M – 100/10

3. Elementy technologii mikroelementów i mikrosystemów • wytwarzanie (nanoszenie) warstw • fotolitografia • trawienie • bonding

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)

5. Procesy technologiczne, w wyniku których powstają nowe warstwy • Kryteria klasyfikacji procesów technologicznych: • temperatura procesu (procesy nisko-, średnio- i wysokotemperaturowe) • ciśnienie • typ reakcji chemicznej (rozkład związków złożonych, utlenianie, azotkowanie, reakcje złożone,…) • fakt konsumowania lub nie atomów podłoża

6. Utlenianie termiczne • utlenianie w atmosferze tlenu suchego: Si + O2→ SiO2 • utlenianie w atmosferze pary wodnej: Si + H2O → SiO2 + H2 Dodatkowe efekty: redyfuzja domieszek, lokalne utlenianie

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

8. APCVD APCVD (Atmospheric Pressure CVD) – osadzanie w warunkach ciśnienia atmosferycznego

9. LPCVD LPCVD (Low Pressure CVD) – osadzanie pod obniżonym ciśnieniem (T do 900ºC, p = 0.25 – 2 Tr)

10. PECVD PECVD (Plasma Enhanced CVD) – osadzanie wspomagane plazmą • obniżenie temperatury osadzania • większa liczba parametrów do kontroli Reaktor planarny

11. CVD: Podsumowanie

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)

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

14. skanująca wiązka elektronów maska Techniki litograficzne Fotolitografia Elektronolitografia + tańsza od innych - ograniczenia dyfrakcyjne (0.5μm) - wymaga maski • + nie wymaga maski • długie czasy naświetlania • rozproszenie elektronów Jonolitografia

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

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

17. Trawienie mokre Trawienie elektrochemiczne Jedna z najbardziej popularnych technik trawienia anizotropowego krzemu jest trawienie wodorotlenkiem potasu (KOH) • Parametry: • skład kąpieli • temperatura kąpieli • czas trwania

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

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

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 (cm3/min), • ciśnienie gazu roboczego, • temperatura podłoża, • rodzaj i wielkość powierzchni trawionego podłoża, • materiał ścian bocznych i elektrod reaktora, • geometria reaktora, • elektromagnetyczne parametry wzbudzania wyładowania jarzeniowego

21. Przykład procesu technologicznego membrany krzemowej

22. Przykład procesu technologicznego czujnika ciśnienia