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