1
Projekt współfinansowany przez Uni
ę
Europejsk
ą
w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego
In
ż
ynieria wytwarzania
Dr in
ż
. Andrzej Kubiak
1.
Definicje mikro- i nanotechnologii
2.
Zagadnienia utrzymania czysto
ś
ci w procesach mikro- i
nanotechnologii
3.
Materiały półprzewodnikowe – własno
ś
ci, wytwarzanie, obróbka
mechaniczna
4.
Trawienie materiałów półprzewodnikowych
5.
Technologia procesów fotolitografii
6.
Domieszkowanie półprzewodników
7.
Wytwarzanie nowych warstw. Tlenek krzemu
8.
Osadzanie pró
ż
niowe cienkich warstw
9.
Osadzanie chemiczne z fazy lotnej
10. Monta
ż
i hermetyzacja struktur
11. Struktury mechatroniczne
In
ż
ynieria wytwarzania
Dr in
ż
. Andrzej Kubiak
1.
Definicje mikro- i nanotechnologii
2.
Zagadnienia utrzymania czysto
ś
ci w procesach mikro- i
nanotechnologii
3.
Materiały półprzewodnikowe – własno
ś
ci, wytwarzanie, obróbka
mechaniczna
4.
Trawienie materiałów półprzewodnikowych
5.
Technologia procesów fotolitografii
6.
Domieszkowanie półprzewodników
7.
Wytwarzanie nowych warstw. Tlenek krzemu
8.
Osadzanie pró
ż
niowe cienkich warstw
9.
Osadzanie chemiczne z fazy lotnej
10. Monta
ż
i hermetyzacja struktur
11. Struktury mechatroniczne
8. Osadzanie pró
ż
niowe cienkich warstw
2
Metalizacja
Metalizacja
Proces metalizacji ma na celu ł
ą
czenie poszczególnych przyrz
ą
dów układu
scalonego aby utworzy
ć
odpowiednie obwody elektroniczne. Poł
ą
czenia te s
ą
niezb
ę
dne do funkcjonowania układu jednak wprowadzaj
ą
paso
ż
ytnicz
ą
rezystancj
ę
i pojemno
ść
, które w znacz
ą
cym stopniu mog
ą
ogranicza
ć
szybko
ść
działania układu.
Wraz ze zmniejszaniem rozmiarów przyrz
ą
dów i zwi
ę
kszaniem ich osi
ą
gów
zjawiska paso
ż
ytnicze odgrywaj
ą
coraz wi
ę
ksz
ą
rol
ę
. Dla bardzo małych
rozmiarów charakterystycznych i zło
ż
onych układów (du
ż
e długo
ś
ci poł
ą
cze
ń
)
pojawia si
ę
problem zwi
ą
zany ze zjawiskami przesłuchu i linii długiej.
W zwi
ą
zku z tym zarówno proces projektowania jak i proces technologiczny
musz
ą
uwzgl
ę
dnia
ć
i minimalizowa
ć
niepo
żą
dane zjawiska.
8. Osadzanie pró
ż
niowe cienkich warstw
3
Metalizacja
Metalizacja
Warstwy metalizacji wytwarzane na warstwie izolacyjnej zapewniaj
ą
poł
ą
czenia elektryczne pomi
ę
dzy przyrz
ą
dami wykonanymi na tym samym
podło
ż
u
Wraz ze wzrostem liczby tranzystorów pojawia si
ę
problem
krzy
ż
uj
ą
cych si
ę
poł
ą
cze
ń
- ro
ś
nie liczba niezb
ę
dnych
warstw metalizacji (i towarzysz
ą
cych im warstw izolacyjnych)
8. Osadzanie pró
ż
niowe cienkich warstw
4
Pojemno
ść
paso
ż
ytnicza
Pojemno
ść
paso
ż
ytnicza
C
w
=
ε
ox
Lwk/d
L,w
długo
ść
i szeroko
ść
ś
cie
ż
ki
d
grubo
ść
warstwy tlenku pomi
ę
dzy
ś
cie
ż
k
ą
a podło
ż
em
k
geometryczny współczynnik korekcyjny
ś
cie
ż
ki (~3)
ε
ox
stała dielektryczna tlenku
Dla rozmiarów kontaktu w = d = 0.5µm => C
w
≈
1000 fF/cm.
Dla inwertera z tranzystorami MOS o szeroko
ś
ci 0.5 µm (typu n) i 1.0
µm (typu p) pojemno
ść
wewn
ę
trzna wynosi ok. 3.6fF.
Pojemno
ść
10 µm poł
ą
czenia wynosi ok. 1fF.
8. Osadzanie pró
ż
niowe cienkich warstw
5
Rezystancja paso
ż
ytnicza
Rezystancja paso
ż
ytnicza
R
w
=
ρ
L/S
ρ
rezystywno
ść
metalizacji
L
długo
ść
ś
cie
ż
ki
S
przekrój
ś
cie
ż
ki
Dla przekroju
ś
cie
ż
ki 0.5µm x 0.5µm i długo
ś
ci poł
ą
czenia 1mm R
w
= 120
Ω
.
Dla tranzystora pMOS o szeroko
ś
ci 1.0µm rezystancja kanału > 5k
Ω
.
8. Osadzanie pró
ż
niowe cienkich warstw
6
Metalizacja
Metalizacja
Aluminium - podstawowy materiał metalizacji
• omowe kontakty do krzemu
• dobra adhezja warstw Al do Si oraz SiO
2
• mała rezystywno
ść
cienkich warstw (
ρ
= 2,7 - 3
µΩ
cm)
• łatwo
ść
stapiania si
ę
ze złotem - łatwe poł
ą
czenia pól monta
ż
owych z
wyprowadzeniami
• niski koszt procesu nanoszenia warstwy
• dodatki poprawiaj
ą
ce parametry (0,5 - 1% Si, Cu, V, Ti)
• problemy wynikaj
ą
ce z łatwego utleniania si
ę
Al
• defekty w postaci pagórków (hilllocks) pojawiaj
ą
ce si
ę
podczas wygrzewania
glinu w temperaturze przekraczaj
ą
cej temperatur
ę
osadzania
• defekty w postaci dendrytów („ostrzy”) si
ę
gaj
ą
cych w gł
ą
b krzemu
Stała czasowa RC poł
ą
cze
ń
aluminiowych izolowanych tlenkiem krzemu
uniemo
ż
liwia prac
ę
układu scalonego z cz
ę
stotliwo
ś
ci
ą
wi
ę
ksz
ą
ni
ż
1GHz
- st
ą
d od roku 1998 zacz
ę
to wprowadza
ć
mied
ź
(
ρ
= 1,7
µΩ
cm)
2
8. Osadzanie pró
ż
niowe cienkich warstw
7
Metalizacja
Metalizacja
Wielopoziomowa metalizacja miedzi
ą
(wolfram słu
ż
y wypełnianiu nierówno
ś
ci)
– pojawiła si
ę
wraz z opracowaniem niskotemperaturowych metod nakładania
izolacyjnych warstw dielektryka i sposobów planaryzacji (wyrównywania)
powierzchni układu scalonego.
- pozwala na zwi
ę
kszenie zło
ż
ono
ś
ci projektowanych układów i redukcj
ę
kosztów dzi
ę
ki lepszej optymalizacji poł
ą
cze
ń
, wi
ę
kszemu upakowaniu
elementów i zmniejszeniu powierzchni układu.
8. Osadzanie pró
ż
niowe cienkich warstw
8
Fizyczne osadzanie pró
ż
niowe
Fizyczne osadzanie pró
ż
niowe
Fizyczne osadzanie pró
ż
niowe (Physical Vapour Deposition - PVD) - metoda
wytwarzania jednorodnych warstw metali (np. Al) na powierzchni struktur
Etapy procesu PVD
• odparowanie materiału
• transport par materiału w
obszarze obni
ż
onego ci
ś
nienia
• kondensacja par na
powierzchni podło
ż
a i
powstanie nowej warstwy
8. Osadzanie pró
ż
niowe cienkich warstw
9
Fizyczne osadzanie pró
ż
niowe
Fizyczne osadzanie pró
ż
niowe
Zastosowania pokry
ć
pró
ż
niowych - od prostych zastosowa
ń
dekoracyjnych
do zło
ż
onych aplikacji przemysłowych w przemy
ś
le chemicznym, nuklearnym,
in
ż
ynierii materiałów, medycynie, mikroelektronice i in.
Obszary zastosowa
ń
tych technologii rozwijaj
ą
si
ę
bardzo szybko, m.in.
dlatego,
ż
e s
ą
to technologie czyste, ale tak
ż
e dlatego,
ż
e cz
ę
sto ich
stosowanie jest jedyn
ą
drog
ą
pogodzenia sprzecznych wymaga
ń
stawianych
przez współczesne konstrukcje i przyrz
ą
dy
Przykład: spełnienie kombinacji dwóch lub trzech warunków zwi
ą
zanych z
wysok
ą
temperatur
ą
pracy, napr
ęż
eniami mechanicznymi, specyficznymi
wła
ś
ciwo
ś
ciami optycznymi, elektrycznymi lub magnetycznymi, twardo
ś
ci
ą
powierzchni, jej współczynnikiem tarcia, odporno
ś
ci
ą
na
ś
cieranie,
biokompatybilno
ś
ci
ą
, kosztem uzyskania pokrycia.
Cz
ę
sto pojedynczy materiał nie jest w stanie sprosta
ć
stawianym przed nim
wymaganiom, stosuje si
ę
wtedy zwi
ą
zki zło
ż
one i ich kombinacje, tworz
ą
c
układy wielowarstwowe.
8. Osadzanie pró
ż
niowe cienkich warstw
10
Fizyczne osadzanie pró
ż
niowe
Fizyczne osadzanie pró
ż
niowe
Przedmiotem procesu osadzania pró
ż
niowego jest kontrolowany transfer atomów
ze
ź
ródła parowania do elementu pokrywanego, gdzie nast
ę
puje formowanie i
wzrost danej warstwy. W czasie parowania atomy napylanej substancji s
ą
wyrywane ze
ź
ródła dzi
ę
ki dostarczonej tam znacznej energii termicznej ró
ż
nymi
metodami (oporowo, za pomoc
ą
działa elektronowego, magnetronu).
Procesy PVD wykonywane s
ą
w
ś
rodowisku pró
ż
niowym. Podstawowym
parametrem o
ś
rodka pró
ż
niowego jest ci
ś
nienie gazów resztkowych w nim
obecnych - cz
ą
stkowe dla ka
ż
dego z osobna i całkowite dla wszystkich. Parametr
ten decyduje o
ś
redniej drodze swobodnej par napylanego materiału oraz
mo
ż
liwo
ś
ci wchodzenia przez nie w reakcje chemiczne.
Ci
ś
nienie
Ś
rednia droga
swobodna cz
ą
stek
λ
:
Uwagi
760 Torr
10 nm
ci
ś
nienie atmosferyczne
10-2 Torr
0,5 cm
10-4 Torr
50cm
mo
ż
liwo
ść
naparowywania
10-7Torr
100cm
po
żą
dany poziom ci
ś
nienia w
zaawansowanych procesach PVD
8. Osadzanie pró
ż
niowe cienkich warstw
11
Fizyczne osadzanie pró
ż
niowe
Fizyczne osadzanie pró
ż
niowe
Typowo, pró
ż
nia wytwarzana jest
przez dwustopniowy układ pompowy,
składaj
ą
cy si
ę
z pompy rotacyjnej
(pró
ż
nia wst
ę
pna) i olejowej pompy
dyfuzyjnej lub turbomolekularnej
(pró
ż
nia wysoka). Pompowanie
odbywa si
ę
za po
ś
rednictwem
podwójnej linii pró
ż
niowej z trzema
zaworami. Ponadto komora
pró
ż
niowa wyposa
ż
ona jest w zawór
zapowietrzaj
ą
cy, co umo
ż
liwia jej
otwarcie i załadowanie
(wyładowanie) podło
ż
y.
http://privatewww.essex.ac.uk/~bolat/basicvacuumsystem.html
8. Osadzanie pró
ż
niowe cienkich warstw
12
Fizyczne osadzanie pró
ż
niowe
Fizyczne osadzanie pró
ż
niowe
punktowe
ź
ródło
parowania
podło
ż
e 1
(blisko
ź
ródła)
podło
ż
e 2
(daleko od
ź
ródła)
podło
ż
e 1
podło
ż
e 2
x
Grubo
ść
warstwy
Wpływ odległo
ś
ci
ź
ródła
parowania na jednorodno
ść
grubo
ś
ci otrzymanej warstwy:
- du
ż
a odległo
ść
= lepsza
jednorodno
ść
grubo
ś
ci
- mała odległo
ść
= wi
ę
ksza
efektywno
ść
procesu
3
8. Osadzanie pró
ż
niowe cienkich warstw
13
Fizyczne osadzanie pró
ż
niowe
Fizyczne osadzanie pró
ż
niowe
Parowanie ze
ź
ródła punktowego
– mo
ż
liwe powstawanie
nieci
ą
gło
ś
ci warstwy na
strukturyzowanej powierzchni
Parowanie ze
ź
ródła o du
ż
ej
powierzchni – zło
ż
enie wielu
ź
ródeł
punktowych – nie wyst
ę
puj
ą
nieci
ą
gło
ś
ci nakładanej warstwy
8. Osadzanie pró
ż
niowe cienkich warstw
14
Przykłady napylarek pró
ż
niowych
Przykłady napylarek pró
ż
niowych
Varian 3117
PVD Products
Kwarcowy system pomiaru grubo
ś
ci i szybko
ś
ci
naparowywanych warstw (Intellemetrics)
8. Osadzanie pró
ż
niowe cienkich warstw
15
System pomiaru grubo
ś
ci warstw
System pomiaru grubo
ś
ci warstw
Kwarcowy system pomiaru grubo
ś
ci i szybko
ś
ci naparowywanych warstw:
- sensorem jest płytka kwarcowa – element oscylatora elektronicznego
- cz
ę
stotliwo
ść
rezonansowa zale
ż
y od masy i temperatury kwarcu
- kwarc jest umieszczany w reaktorze urz
ą
dzenia do naparowywania warstw, w
pobli
ż
u podło
ż
a
- osadzaj
ą
cy si
ę
materiał powoduje wzrost masy kwarcu i zmniejszenie jego
cz
ę
stotliwo
ś
ci, co jest parametrem łatwym do kontroli
- grubo
ść
osadzanej warstwy jest wyznaczana w oparciu o parametry
parowanego materiału (dokładno
ść
na poziomie pojedynczych nm)
- w celu stabilizacji wskaza
ń
kwarc jest umieszczany w obudowie chłodzonej
ciecz
ą
- typowa cz
ę
stotliwo
ść
pocz
ą
tkowa kwarcu to 5 lub 6 MHz
Strona firmy INFICON:
http://www.inficonsemiconductor.com
8. Osadzanie pró
ż
niowe cienkich warstw
16
System pomiaru grubo
ś
ci warstw
System pomiaru grubo
ś
ci warstw
http://www.sycon.com
8. Osadzanie pró
ż
niowe cienkich warstw
17
System pomiaru grubo
ś
ci warstw
System pomiaru grubo
ś
ci warstw
Tooling={rzeczywista grubo
ść
warstwy}/{wskazywana grubo
ść
warstwy}100%
http://www.sycon.com
8. Osadzanie pró
ż
niowe cienkich warstw
18
Parowanie oporowe
Parowanie oporowe
Parowanie oporowe - materiał parowany topiony jest w łódkach wolframowych
rozgrzewanych przepływem du
ż
ego pr
ą
du
Cechy:
• rozgrzany metal reaguje z łódk
ą
(zanieczyszczenia)
• brak mo
ż
liwo
ś
ci parowania
materiałów trudnotopliwych
• brak mo
ż
liwo
ś
ci precyzyjnego
dawkowania dodatków (np.
0,5%Si)
• punktowe
ź
ródło parowania
4
8. Osadzanie pró
ż
niowe cienkich warstw
19
Działo elektronowe
Działo elektronowe
Działo elektronowe - stopienie materiału
zapewnia skoncentrowania wi
ą
zka elektronów
Cechy:
• brak reakcji materiału parowanego z tyglem
• mo
ż
liwo
ść
parowania materiałów
trudnotopliwych
• efekty radiacyjne zwi
ą
zane z promieniowaniem
X (gro
ź
ne dla struktur MOS)
• trudne parowanie materiałów
wieloskładnikowych
• punktowe
ź
ródło parowania
• du
ż
e fragmenty materiału wydobywaj
ą
ce si
ę
przy znacznych energiach mog
ą
powodowa
ć
porowato
ść
warstwy
8. Osadzanie pró
ż
niowe cienkich warstw
20
Rozpylanie jonowe (sputtering)
Rozpylanie jonowe (sputtering)
Rozpylanie jonowe: materiał b
ę
d
ą
cy
ź
ródłem atomów (target) jest bombardowany
jonami argonu wytworzonymi w plazmie. Wyrwane z powierzchni targetu atomy s
ą
kierowane w stron
ę
podło
ż
a i tworz
ą
now
ą
warstw
ę
Cechy:
• atomy docieraj
ą
do podło
ż
a pod ró
ż
nymi
k
ą
tami (
ź
ródło o du
ż
ej powierzchni)
• skład targetu okre
ś
la skład warstwy –
mo
ż
liwo
ść
parowania stopów o
ś
ci
ś
le
okre
ś
lonym składzie
• mo
ż
liwo
ść
kontroli sposobu pokrycia
uskoków, wielko
ś
ci ziaren poprzez dobór
parametrów procesu
• dobre pokrywanie uskoków
• nakładane warstwy musz
ą
by
ć
przewodnikami
elektrycznymi
• mo
ż
liwo
ść
czyszczenia powierzchni podło
ż
a
bezpo
ś
rednio przed osadzaniem nowej warstwy
8. Osadzanie pró
ż
niowe cienkich warstw
21
Rozpylanie magnetronowe
Rozpylanie magnetronowe
Magnetron - silne pole magnetyczne powoduje jonizacj
ę
gazu (np. argonu) w
pobli
ż
u targetu przez elektrony. Jony te przyspieszane s
ą
w polu elektrycznym
i z bardzo du
żą
energi
ą
bombarduj
ą
c go – rozpylaj
ą
.
Cechy:
-
du
ż
a efektywno
ść
-
mo
ż
liwa du
ż
a powierzchnia targetu
8. Osadzanie pró
ż
niowe cienkich warstw
22
Pokrywanie uskoków
Pokrywanie uskoków
CVD: ograniczeniem jest dost
ę
pno
ść
prekursorów gazowych;
mimo,
ż
e mo
ż
liwe jest uzyskiwanie warstw wieloskładnikowych (np.
domieszkowanego krzemu) nie udaje si
ę
uzyska
ć
ś
ci
ś
le
okre
ś
lonych zwi
ą
zków
Rozpylanie jonowe: ogranicza si
ę
do materiałów przewodz
ą
cych
(metali, półprzewodników); zwi
ą
zki wieloskładnikowe mog
ą
by
ć
uzyskiwane poprzez zastosowanie odpowiedniego targetu
Naparowanie pró
ż
niowe dotyczy materiałów, które mo
ż
na stopi
ć
i
wyparowa
ć
; podczas podgrzewania wiele zwi
ą
zków mo
ż
e ulec
rozkładowi; otrzymywanie warstw wieloskładnikowych jest trudne i
wymaga osobnych
ź
ródeł dla ka
ż
dego pierwiastka