Otrzymywanie nanomateriałów i nanostruktur
Technology Services  National Institute of Standards and Technology
Nanostruktury można otrzymywać wieloma
sposobami.
1. Metody bottom-up  budowanie od podstaw, czyli
atom po atomie;
- synteza chemiczna,
- ściśle kontrolowane osadzanie i wzrost materiału.
2. Metody top-down  budowanie poprzez
redukowanie rozmiarów;
- mielenie (gruboziarnisty materiał w formie
proszku zostaje rozdrobniony pomiędzy dwoma
obracającymi siężarnami wykonanymi ze stali
bądz
węglika wolframu);
- litografia.
Technology Services  National Institute of Standards and Technology
Osadzanie z fazy gazowej może zostać użyte
do tworzenia cienkich warstw, układów
wielowarstwowych, nanorurek i in.
Techniki stosowane w tym celu można podzielić
na dwie grupy:
na podłożu produktów reakcji w wysokich temperaturach (500-1000C) substancji znajdujących się w fazie gazowej.
-osadzanie fizyczne PVD (physical vapour
deposition), np. termiczne odparowanie,
ablacja laserowa, obróbka elektroiskrowa, ...
- osadzanie chemiczne CVD ( chemical
vapour deposition), np. z fazy gazowej.
Technology Services  National Institute of Standards and Technology
Procesy osadzania wspomagane plazmą
(czyli zjonizowanego gazu)
- staProcesy osadzania wspomagane plazmą (czyli zjonizowanego gazu)
łoprądowe wyładowania jarzeniowe,
- stałoprądowe wyładowania jarzeniowe,
- rozpylanie magnetronowe,
- próżniowe osadzanie z łuku elektrycznego.
- rozpylanie magnetronowe,
- próżniowe osadzanie z łuku elektrycznego.
Technology Services  National Institute of Standards and Technology
Metody koloidalne  wytrącanie z roztworu cząstek
o wielkości nanometrycznej, które tworzą zol.
Metody zol-żel  ciąg reakcji chemicznych, które w
sposób nieodwracalny doprowadzają do
homogenicznego roztworu substratów (zolu) w
nieskończony trójwymiarowy polimer (żel), który
zajmuje tę samą objętość, co zol, z którego
powstał.
Osadzanie elektrolityczne  wywoływanie reakcji
chem. między elektrolitami przez przyłożenie
zewnętrznego napięcia.
Technology Services  National Institute of Standards and Technology
Epitaksja z fazy gazowej (VPE),
Epitaksja z fazy ciekłej (LPE),
Epitaksja z wiązki molekularnej MBE (molecular
beam epitaxy).
Technology Services  National Institute of Standards and Technology
Technology Services  National Institute of Standards and Technology
Technology Services  National Institute of Standards and Technology
Technology Services  National Institute of Standards and Technology
Technology Services  National Institute of Standards and Technology
Technology Services  National Institute of Standards and Technology
Technology Services  National Institute of Standards and Technology
Tranzystor polowy MOS
Tranzystor polowy MOS
Jest podstawowym elementem konstrukcyjnym
współczesnych układów scalonych.
W wersji komplementarnej układy oparte na technologii
CMOS (Complementary MOS) stanowią około 90% całej
mikroelektroniki wytwarzanej na świecie.
Technology Services  National Institute of Standards and Technology
Układ CMOS
Układ CMOS
PMOS
NMOS
G (bramka)
S (z
ródło)
G (bramka)
D (dren)
D (dren)
S (z
ródło)
VDD
p+
p+
n+ n+
wyspa n
Si, p
NA=const.
B (podłoże)
Technology Services  National Institute of Standards and Technology
Rozwój mikroelektroniki - na przykładzie
mikroprocesora Pentium Intel
długość bramki liczba zegar
długość bramki liczba zegar
(GHz)
(GHz)
tranzystora (nm) tranzystorów (mln)
tranzystora (nm) tranzystorów (mln)
4 0.08
1993
900
Pentium
1995
350
0.40
Pentium II
9
1997
1998
250
Pentium III
1999
150 35
0.80
1.15
Pentium IV
50
2000
80
Technology Services  National Institute of Standards and Technology
Operacje technologiczne w produkcji układów
Operacje technologiczne w produkcji układów
scalonych
scalonych
projekt
układu
pręt krzemu
scalonego
monokrystalicznego
maski
technologiczne
płytka pdłożowa
testowanie metodą
sondy ostrzowej
kropka oznacza
układy uszkodzone
Układ scalony stanowi
pojedynczą płytkę krzemu
(chip) o grubości około 0. 2 mm
cięcie
i wymiarach 10 x 10 mm,
zawierającą elementy aktywne,
pasywne oraz połączenia
obudowanie
między nimi.
(układ do sprzedaży)
Technology Services  National Institute of Standards and Technology
Clean Room
Clean Room
Najważniejszą przyczyną uszkodzeń w układach
scalonych są drobne pyłki w powietrzu. Zatem hala
do produkcji układów scalonych musi się
odznaczać wyjątkową czystością - clean room.
Klasę clean room określa liczba pyłków w metrze
sześciennym:
f& 10 000
f& 1 000
f& 100
f& 10
f& 1
Fabryka układów scalonych VLSI jest inwestycją bardzo
Technology Services  National Institute of Standards and Technology
drogą (kilka mld USD).
Technologia planarna
Technologia planarna
Elementy układu scalonego są zbudowane z obszarów (wysp)
krzemu podłożowego o zmodyfikowanych właściwościach
elektrycznych oraz naniesionych na podłoże warstw.
W technologii planarnej te elementy powstają w wyniku
zastosowania zestawu operacji technologicznych wykonywanych
na górnej płaszczyz
nie płytki podłożowej powtarzanych kilkanaście
razy.
Wytwarzanie warstw
wewnątrz lub na
płytce
Litografia
Trawienie
Technology Services  National Institute of Standards and Technology
Operacje technologiczne
Operacje technologiczne
" Powstają nowe warstwy
" utlenianie powierzchni krzemu
" wzrost epitaksjalny
" metalizacja
Modyfikacja właściwości elektrycznych
" dyfuzja jonów domieszek
" implantacja jonów
Odwzorowanie kształtów
" fotolitografia
" procesy trawienia
Technology Services  National Institute of Standards and Technology
Każdą warstwę charakteryzuje:
Każdą warstwę charakteryzuje:
" skład chemiczny
" struktura i orientacja krystalograficzna
" adhezja warstwy do podłoża
" grubość warstwy
" współczynnik załamania światła
" stała dielektryczna
" rezystywność
" współczynnik rozszerzalności termicznej
" naprężenia mechaniczne
" jednorodność
" wytrzymałość na przebicie.
Współczesne układy scalone MOS mają kanały o
minimalnej długości 0.13 źm, tzn. 13 nm - kilkaset
milionów tranzystorów na jednej płytce krzemu.
Technology Services  National Institute of Standards and Technology
Wytwarzanie czystego krzemu o
Wytwarzanie czystego krzemu o
budowie monokrystalicznej
budowie monokrystalicznej
Krzem monokrystaliczny do produkcji układów
scalonych:
" ma koncentrację atomów około 5 x 1022 w cm3
" koncentracja atomów zanieczyszczeń musi być
mniejsza niż 1013 atomów/cm3,
" koncentracja domieszek - kontrolowana w
granicach 1015 - 1020 atomów/cm3
Czystość wykonania - jeden atom zanieczyszczeń
(obcych atomów, nie będących domieszką) na
10 miliardów atomów pierwiastka krzemu Si.
Technology Services  National Institute of Standards and Technology
Wyciąganie kryształumetodą Czochralskiego
Zarodek kryształu Wyciąganie
walec
krzemu w czasie
krzemowy,
kilkunastu
średnica
godzin
do
kilkunastu
cm i
długości
100 cm
tygiel kwarcowy roztopiony krzem,
0
temp. 1420 C
b)
a)
Technology Services  National Institute of Standards and Technology
Po zakończeniu procesu wyciągania kryształu walec
tnie się specjalną piłą z ostrzem diamentowym na
płytki (wafle) o grubości 0.5 - 1 mm.
W wyniku pocięcia powierzchnia płytki jest
uszkodzona, dlatego wykonuje się następnie
chemiczne i mechaniczne wielokrotne polerowanie.
W rezultacie otrzymuje się znacznie cieńszą płytkę
podłożową gotową do wykonania operacji
technologicznych układu scalonego.
Technology Services  National Institute of Standards and Technology
Wytwarzanie nowych warstw
Wytwarzanie nowych warstw
domieszkowanych
domieszkowanych
Na płytce podłożowej wykonuje się następujące
procesy:
" utlenianie, dyfuzja i implantacja jonów, w wyniku
których określone obszary ulegają modyfikacji
" osadzanie, naparowywanie oraz rozpylanie
jonowe; dla tych procesów podłoże jest tylko
nośnikiem mechanicznym nowej warstwy.
Technology Services  National Institute of Standards and Technology
Utlenianie termiczne
Utlenianie termiczne
Metoda grubość tlenku zastosowania
tlenki:
w suchym tlenie 2 - 6 nm tunelowe
 15 - 50 nm bramkowe
w parze wodnej 200 - 500 nm maskujące i pasywujące
 300 - 1000 nm polowe
d
Grubość tlenku zależy od temperatury (700 - 1200 0C) i czasu
utleniania.
Utlenianie suche - długi czas procesu, ale otrzymuje się warstwy o
najlepszych właściwościach elektrofizycznych.
Utlenianie mokre - proces szybszy, ale otrzymuje się warstwy o
Technology Services  National Institute of Standards and Technology
gorszych parametrach.
Epitaksja
Epitaksja
Proces polegający na wytworzeniu monokrystalicznej
warstwy krzemu na monokrystalicznym podłożu
krzemowym z zachowaniem orientacji
krystalograficznej podłoża i przy kontrolowanym
poziomie i rodzaju domieszek.
Można otrzymać w ten sposób kombinacje typu N/N+,
N/N-, P/N, itp.
Heteroepitaksja polega na wytworzeniu warstwy
krzemu na materiale podłoża innym niż krzem, np. na
szfirze. Jest to podstawowy proces technologii SOS
warstwa epitaksjalna
(Silicon-on-Sapphire)
Technology Services  National Institute of Standards and Technology
Chemiczne osadzanie z fazy lotnej
Chemiczne osadzanie z fazy lotnej
CVD - Chemical Vapor Deposition
CVD - Chemical Vapor Deposition
Polega na nakładaniu cienkiej warstwy ciała stałego ze
zwiazków reagujących ze sobą w fazie lotnej.
Można otrzymać w ten sposób SiO2 w ciągu kilku
minut. Nie jest to warstwa tak dobrej jakości jak w
przypadku utleniania termicznego, dlatego stosuje się
do wykonywania warstw pasywacyjnych, zwykle na
wierzchu płytek po metalizacji.
Technology Services  National Institute of Standards and Technology
Fizyczne osadzanie z fazy gazowej
Fizyczne osadzanie z fazy gazowej
PVD - Physical Vapor Deposition
PVD - Physical Vapor Deposition
Polega na odparowywaniu termicznym atomów ze
z
ródła w warunkach wysokiej próżni i osadzaniu ich na
płytkach podłożowych.
Ten proces jest stosowany do wytworzenia warstw
metalizacyjnych ścieżek połączeniowych.
Technology Services  National Institute of Standards and Technology
Modyfikacja właściwości warstw - dyfuzja
Modyfikacja właściwości warstw - dyfuzja
donory: F, As, Sb
akceptory: B
Log N(x)
SiO2
Temperatura: 900 - 1200 0C
x
Dyfuzja ze z
ródła (stałego, ciekłego, lotnego)
nieskończonego skończonego
N(x) N(x)
czas
czas
x [źm] x [źm]
Technology Services  National Institute of Standards and Technology
0.2 0.4 0.2 0.4
Proces implantacji jonów
Proces implantacji jonów
Log N(x)
SiO2
x
Polega na  wbijaniu przyspieszonych w polu
elektrycznym jonów domieszki w materiał podłoża na
głębkość od 0.1 do 1 źm. Temu procesowi towarzyszy
powstawanie defektów w sieci krystalicznej na skutek
zderzeń z węzłami sieci. W celu odbudowy wiązań , po
zakończeniu domieszkowania stosuje się wygrzewanie.
Technology Services  National Institute of Standards and Technology
Operacje technologiczne odwzorowujące
Operacje technologiczne odwzorowujące
kształty
kształty
Litografia
Litografia jest procesem polegającym na przekopiowaniu
na powierzchni całej płytki motywu przedstawiającego
każdy poziom maski jednocześnie na całej powierzchni
płytki.
Etapy procesu fotolitografii:
" pokrycie płytki podłożowej równomierną warstwą
fotorezystu
" centrowanie i naświetlanie poprzez maskę
" rozpuszczenie obszaru naświetlonego lub
nienaświetlonego
" operacje technologiczne na odkrytych obszarach
Technology Services  National Institute of Standards and Technology
" usunięcie utwardzonego fotorezystu.
fotorezyst
SiO2
płytka podłożowa
naświetlanie
maska z wzorem
do odtworzenia
polimeryzacja
obszarów
naświetlonych
Technology Services  National Institute of Standards and Technology
Emulsja: pozytywowa negatywowa
Technology Services  National Institute of Standards and Technology
Układ CMOS
Układ CMOS
PMOS
NMOS
G (bramka)
S (z
ródło)
G (bramka)
D (dren)
D (dren)
S (z
ródło)
VDD
p+
p+
n+ n+
wyspa n
Si, p
NA=const.
B (podłoże)
Technology Services  National Institute of Standards and Technology
Technology Services  National Institute of Standards and Technology