Elementy technologii mikroelementów i mikrosystemów

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

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

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)

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

Dodatkowe efekty: redyfuzja domieszek, lokalne utlenianie 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

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

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

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

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

CVD: Podsumowanie

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)

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

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

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

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

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

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

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

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

Przykład procesu technologicznego membrany krzemowej

Przykład procesu technologicznego czujnika ciśnienia