Az előadás letöltése folymat van. Kérjük, várjon

Az előadás letöltése folymat van. Kérjük, várjon

ELEKTRONIKAI TECHNOLÓGIA 2. 1.Kristályos anyagok technológiája: gőz-, olvadék-, oldat-, Czochralski-, Bridgman-technológiák (Si technológiája az alapanyagtól.

Hasonló előadás


Az előadások a következő témára: "ELEKTRONIKAI TECHNOLÓGIA 2. 1.Kristályos anyagok technológiája: gőz-, olvadék-, oldat-, Czochralski-, Bridgman-technológiák (Si technológiája az alapanyagtól."— Előadás másolata:

1 ELEKTRONIKAI TECHNOLÓGIA 2. 1.Kristályos anyagok technológiája: gőz-, olvadék-, oldat-, Czochralski-, Bridgman-technológiák (Si technológiája az alapanyagtól a lapkáig). 2.Epitaxiális rétegnővesztés. 3.Rétegtechnológiák: Vákuumos párologtatás, porlasztás, CVD, MBE változatai. 4.Fém rétegek, Si termikus oxidációja, poliszilícium, amorf szilícium, vegyületfélvezetők.

2 Szilíciumkristály növesztése olvadékból Kiinduló anyag: SiO 2 kvarchomok (kvarcit). Ezt az anyagot tiszta szénnel keverve olvasztókemencébe helyezik. C(szilárd)+SiO 2 (szilárd)→ Si(szilárd) + SiO 2 (gáz) + CO (gáz).(1) Ilyen módon kb. 98% tisztaságú szilíciumot kapunk. A következő lépésben a szilíciumot sósavval (HCl) kezelik, minek eredményeként triklórszilánt (SiHCl 3 ) kapnak: Si(szilárd) +3HCl (gáz) →(300 C)→ SiHCl 3 (gáz) + H 2 (gáz). (2) A folyamat lehetséges változata a szilícium tetraklorid SiCl 4 előállítása majd annak hidrogénnel való redukciója, melynek során Si és HCl keletkezik. A folyadék triklórszilán desztillációjával (forráspontja 32 °C ) eltávolítható a szennyező anyagok nagy része. A tisztított SiHCl 3 -ból hidrogén redukcióval elektronikai tisztaságú szilíciumot állítanak elő (N imp ~ppm): SiHCl 3 (gáz) + H 2 (gáz) → Si (szilárd) + 3HCl (gáz).(3) A reakciókamrában egy melegített szilícium-rudat helyeznek el, amely nukleációs pontként szolgál a Si kristályok növekedéséhez. Ezt a polikristályos anyagot használják az egykristályok növesztésére. Germánium: barnaszén égési termék →GeO 2 →GeCl 4 →+H 2 →Ge →Czochralski (ezek egy tonnája kb. 0,1 kg germániumot tartalmaz, hasonlítsuk össze a SiO 2 -el l!).

3 Si egykristály növesztése Czochralski módszerrel GaAs esetében B 2 O 3 olvadékkal (~1 cm!) fedik le a GaAs olvadékot, hogy ne legyen bomlás. Bridgman módszer- T profil, mozgatás.

4

5 Szegregáció Az anyag komponensei, vagy inkább az adalék az olvadékba „vándorolnak” Az interfeisznél koncentráció-gradiens jön létre: az effektív szegregációs együttható k e = C s /C l,, C s -koncentráció a szilárd fázis határán, C l – a folyadékban. Egyensúly egyenlet: 0=v(dC/dx)+D(d 2 C/dx 2 ), ahol D az adalék diff.együtthatoja a folyadékban, v-akristalynövekedés sebessége, C-az adalék koncentrációja az olvadékban. Megoldás: C=A 1 exp(-vx/D) + A 2, A-a határparaméterekből kapott állandók. Végül: k e = C s /C l = k 0 / (k 0 + (1- k 0 )exp(-vδ/D), ahol δ- az egyensülyi távolság, tehát a szegregáció az exp. függvénye: nagy sebességnél és lassú forgatásnál (δ~fogássebesség ) egyenletes lesz a dopálás (vagy egyszerüen folyamatosan pótoljuk az adalékot….) δ sl ClCl CxCx C l,0 C s =k e C e x 0 (k 0 <1) növekvés k 0, GaAs: C=0,8, S=0,5, Zn= , Sn= ,….

6 Adalékok oldékonysága szilárd szilíciumban Si paraméterek ULSI követelmények ρ,ohm.cm n-tipus ρ,ohm.cm 0, p-tipus ,  s (kisebbségi) Karbon, ppma 1-5 0,1 Diszlokáció, cm -2 <500 <1 Görbület,  m <25 < 5 Egyenetlenség,  m <5 <1

7 Si megmunkálása: (wafer shaping) 1.Levágják a végeket. 2.Egy átmérőre esztergályozzák (125mm, !) +_1mm 3.Síkot (síkokat, árkot) metszenek az oldalra (jelölik az orientációt és vezetési típust) 4.Lemezre vágják 0,6-0,65mm 0,65-0,7 0,715- 0,755- 0,735 0,755mm (gyémánt tárcsa) 5. 4 fontos paraméter: -orientáció, -vastagság, - taper-vastagság változása széltől szélig (25-40mm), bow- felület görbülete a kozponntól a szélig(10  m). 6.Csiszolás (Al 2 O 3 ) +tisztítás, maratással is. 7.Polirozás

8 Primary (nagy)- térbeli helyezést szolgálják a további automatikus folyamatokban, Secondary- orientáció és vezetési típus.A 200 mm nagyobb kristályoknál nincs sík metszet, van vágat(árok).

9 Felületkezelések Mechanikai csiszolás, polirozás, vegyi maratás, mosás (plazma tisztitás, maratás) Si: Al 2 O 3, SiC, B 4 C 3, C (gyémánt) porok, Cr 2 O 3 paszták. Maratás: C 7 H 8 toluol, CCl 4. Oxidáló: HNO 3, sav,, oldószer: HF sav. Elektrokémiai maratás: NaF, vagy HF+etialkohol, glicerin. Szaraz maratás: Ar + plazma. Mosás: deionizált, desztillált víz. Ge: lásd Si. Jó marató (tisztitó) a H 2 O 2. Elektrokémia maratás: NaOH és KOH vizes oldatok. GaAs: H 2 O 2 felülettisztítás.

10

11 Technológiai ciklus:

12 A kvarc (SiO 2 ) (hegyikristály).  -kvarc: trigonális szerkezetű Optikai áteresztés: 180 – 4500 nm Törésmutató: 1,545 ( 550 nm-nél) Technológia: Czochralsky-módszer Alkalmazás: szinte minden területen (ablak, prizma, polarizátor, piezoelektromos elemek) A zafir (Al 2 O 3 ) - kiváló optikai és mechanikai tulajdonságokkal rendelkezik, de költséges az előállítása. Széles a tiltott sávja, áteresztési tartománya 0, ,5  m Előállítás: Czochralski, vagy Verneil- módszer. Mindkettő igen magas hőmérsékleteket igényelnek. Alkalmazás: ablak, hordozó lemez kék-LED-re, medicina (rubin lézer aktív közege, drágakő) Alkalmazás: ablak, hordozó lemez kék-LED-re, medicina Al 2 O 3 + Cr +3 = rubin (rubin lézer aktív közege, drágakő) A spinel (MgAl 2 O 4 ) - alaklamazása MgF 2 helyett mint ablakanyag az infravörös tartományban. – aktív dielektrikum, ferroelektromos tulajdonságokkal rendelkezik. Áteresztés 0,4 – 5.0 mikrométer tartományban.Holográfia. Lítiumniobát (LiNbO 3 ) – aktív dielektrikum, ferroelektromos tulajdonságokkal rendelkezik. Áteresztés 0,4 – 5.0 mikrométer tartományban.Holográfia. Báriumtitánát (BaTiO 3 ) – aktív dielektrikum, rezgőkörök. Növesztés – Chochralsky módszerrel

13 Kerámiák: szigetelők, hordozók, kondenzátor kerámiák, ferroelektrikum, optikai Kristályos és amorf fázisok keveréke+pórusok Osztályozás: frekvenciatartomány, ,  =f(T)(termostabil vagy instabil), tgδ, mechanika Szigetelő porcelán: 3Al 2 O 3 2SiO 2.  =7-8, tgδ= 0,025-0,30. Kondenzátorkerámiák: instabil: SrTiO 2 alapu,  = , stabil: LnAl 2 O 3, CaTiO 3,  =40-150, magasfrekvenciás kondenzatorok. Alacsonyfrekvenciás(f<10kHz): SrTiO 3 + Bi 4 Ti 3 O 12 (  =900, tgδ= ) Hordozók: steatit (zsirkő 3MgO.4SiO 2 H 2 O) krist.+ Ba 2 O 3,BaCO 3 üveg =MgO.SiO 2. Kicsiny a zsugorodás!!! Az optikai kerámiákat mint aktív dielektrikumokat alkalmazzák ( SrTiSnLa, SrTiPbLa,…) de készíthetők belőlük ablakok, hordozók, különlegesen a magas hőmérsékleti tartományokra PbZrLaTi (PZLT),

14 Üvegek Oxid üvegek: Az alkotó oxidok között elsősorban a SiO 2 kell megemlíteni, továbbá a B 2 O 3, GeO 2, P 2 O 5. Szilikát üvegek: alapanyagai a SiO 2, szóda Na 2 CO 3, hamuzsír K 2 CO 3, mészkő CaCO 3, dolomit CaCO 3.MgCO 3, nátriumszulfát Na 2 SO 4, bórax Na 2 B 4 O 7, földpát Al 2 O 3. 6SiO 2. K 2 O és más anyagok (CaO – kék szín, Cr 2 O 3 – zöld, MnO 2 – barna, UO 3 – sárga, A szilikát üvegek többségénél Tg = 400 – 600  C, és a Tl = 700 – 900  C, azaz a lágyulási tartomány kb. 300  C fokot tesz ki. Minél nagyobb ez a tartomány, annál könnyebb alakítani az üveg tulajdonságait, megmunkálni a készülő tárgyakat és bizonyos hőmérsékleteknél hosszabb ideig kitartva levezetni a felgyülemlő feszültségeket.

15 Az üvegek technológiája és viszkozitása közti összefüggést a következő diagram szemlélteti Jellegzetes hőmérsékletek lg , Pa.sTechnológiai folyamatok Szilárd állapot Hütés T g Üvegesedés Formálás 6 Húzás, 5 hengerelés 4 3Öntés A liquidus hőmérséklete 2

16 A szilikátüvegeket alkali-mentes, nehéz ionok nélküli alkaliszilikát és magas nehézion-tatalmú alkaliszilikát típusokra osztják. Az alkali-mentes üvegekből hiányoznak a nátrium és kálium oxidok, tehát ebbe a csoportba tartozik a tiszta SiO 2 kvarcüveg is. Ezek az üvegek magas hőmérsékleten lágyulnak, nehezen munkálhatók meg. A közönséges ablaküvegek alkaliszilikátok. Villamossági paramétereik nem a legjobbak, alacsony a lágyulási hőmérsékletük, viszont könnyen megmunkálhatók és nem utolsósorban olcsók. A nagy nehézion-tartalmú szilikátüvegek (ólom-üvegek, báriumos üvegek) aránylag jól megmunkálhatók és elfogadhatók az elektromos paramétereik. A szilikátüvegek ellenállnak a savaknak (kivéve az HF savat), viszont a lúgokra érzékenyebbek. Kalkogenideknek nevezik az AII (AIII, AIV, AV ) BVI –típusú bináris vagy még összetettebb vegyületeket, amelyek kalkogént, a VI-s csoportba tartozó S, Se vagy Te atomokat tartalmaznak( GeS 2, As 2 Se 3, Se x Te 1-x, Ge-As-S ) és hasonlók. Ezek között sok az olyan vegyület, vagy még inkább a lehető keverék, amelyek olvadékának kisebb vagy nagyobb sebességgel történő lehűtésével kalkogenid üvegek állíthatók elő.

17 Polimerek A polimer óriásmolekulái hosszú láncokból állnak, melyek viszont sok kis, egybekötött molekulából (monomerekből) alakulnak ki. Például, az etilénmolekulából alakul ki a vinilcsoport, amely a polietilén hosszú molekulaláncait alkotja. H H   C = C  C  C  N   H H

18 Felépítésük szerint a polimerek lehetnek lineárisak és térbeliek. A lineáris felépítésű polimerek hosszú molekulaláncai többé- kevésbé rendezetten fonódnak át az anyag szerkezetében, a térbeli polimerek molekulái viszont rendezetlenebbűl, de jobban kitöltik a teret. Hőkezelési szempontból a polimer lehet termoreaktív (hőre keményedő) vagy termoplasztikus (hőre lágyuló). A termoplasztikus polimereket (polietilén, polisztirol, polivinilklorid, stb.) A polimer szénhigrogének között a legismertebbek a polisztirol, polietilén és a poli(vinil-klorid). A mindennapi életünkben talán a legtöbbet a polietilén szerepel. Két fő típusát – magas- és alacsonynyomású polietilén – az előállításuk technológiája szerint különböztetik meg. A magasnyomású polietilént magas (több mint 200 MPa) nyomás alatt és kb.200  C fokon polimerizálják, az alacsonynyomásút – 0,3 –0,6 MPa és 80  C körülmények között. Tulajdonságaik abban különböznek, hogy a magasnyomású polietilénben 55 – 70% a kristályos fázis aránya, míg az alacsonynyomású polietilénben 85 – 90%, ami meghatározza a mechanikai szilárdságukat is. A polisztirol nem poláris dielektrikum, jók a szigetelő tulajdonságai, termoplasztikus ( lágyulási hőmérséklete egyenlő 110 – 120  C). Képlete : H H   C  C   H C 6 H 5

19 A polimetilmetakrilátot (szerves üveg, „plexi”) metakrilsav-észter polimerizációjával állítják elő. Jó optikai, elektromos és nem utolsó sorban mechanikai tulajdonságai miatt (  C –fokon már hajlik, de szobahőmérsékleten kemény) gyakran alkalmazzák különböző konstrukciós elemek, optikai alkatrészek, ablakok gyártásához. A fontosabb polimerek sorában meg kell említeni a fluorszerves anyagokat, közülűk is a poli(tertrafluor-etilén)(teflon) műanyagot, melynek képlete: FFF   C  C  C   FFF A teflon egy sor kiváló tulajdonsággal rendelkezik: vegyi ellenálló képessége jobb mint a nemesfémeké, nem ég, nem nedvesedik, aránylag hőálló ( +250  C fokig). Hátrányai közé tartozik az, hogy aránylag lágy anyag, érzékeny a részecske-sugárzásra. A piliimid műanyagok rendkívül széles (  C) hőmérsékleti tartományban stabilak.

20 A szilíciumszerves polimerek szerkezeti láncaikban szilíciumot tartalmaznak:      Si  O  Si  O  Si      A szabad szilícium-kötéséket különböző radikálokkal kötik le, minek köszönhetően a műanyag szerkezet lineáris vagy térbeli lesz. Az ilyen polimerek hő- és hidegállóak, vegyileg semlegesek Az epoxigyanták sajátossága az, hogy a molekuláiban epoxi-gyűrüket tartalmaznak: O / \ H 2 C  CH  Ezek az anyagok könnyen oldódnak különböző szerves oldószerekben (aceton, toluol) és keményítők hozzáadásánál gyorsan polimerizálódnak.

21 Rétegtechnológiák: fizikai és kémiai leválasztás Párologtatás, szublimáció. Elektronsugaras párologtatás.Diszkrét robbanás (flash gőzölés). Plazma, (magnetronos), lézer porlasztás. MBE CVD, PCVD MOCVD Δd =f(  )

22 Pillanat (flash) gőzölés rezgőadagoló előfűtött csónak

23 Elektronsugaras gőzforrás hűtővíz elektronsugár tégely (üres)

24 resonant caviti es anode filament leads cathode pickup loop a)slot- type b)vane- type c)rising sun- type d)hole-and- slot- type the electron path under the influence of different strength of the magnetic field The high-frequency electrical field (blue) Rotating space- charge wheel in an twelve-cavity magnetron Magnetron coupling

25

26 CVD (vagy vapor-phase epitaxy) Si: SiCl 4gáz +2H 2gáz  Si szilárd +4HCl gáz vagy :SiCl 4 +Si szilárd  2SiCl 2gáz GaAs: As 4 +4GaCl 3 +6H 2 →4GaAs+12HCl 4As 4 H 3 →As 4 +6H 2 Amorf Si rétegek, hidrogénezett amorf Si, a-Si:N,

27 MOCVD

28 Epitaxia:MBE

29 Si oxidáció Si solid + O 2 gas →SiO 2solid Si solid + H 2 O gas →SiO 2solid + 2H 2gas Si: cm 3 /mol, ρ=2,33 g/cm 3 a-SiO 2 : cm 3 /mol, ρ=2,21 g/cm 3 !!! C-SiO 2 :2,65 g/cm 3 vastagság Si/vastagság SiO 2 = =12,06/27,18=0,44 Példa:100nm SiO 2 kell 44 nm Si Tipikusan amorf SiO 2 kapunk ! CC0CC0 C1C1 d x Kezdetben a folyamat felületi reakció-limitált, később- diffúzió limitált. Kis t: d=C 0 k(t+  )/C 1, k=felül.oxidáció sebesség  =időelcsúszás a kezedi oxid vastagsága fűggvényében Nagy t: d=√2DC 0 (t+  )/C 1,, D-diff.O 2, H 2 O

30 T= C. p, T a szabályozó paraméterek. Lassan –jobban?! Aktivációs energiák: szaraz növesztés 1,24 eV, nedves-0,71 eV.

31 SiO 2 leválasztás: szigetelő és passziváló rétegek Technológia: CVD, low pesssure LPCVD, és plasma enhanced PECVD (nem helyettesíti az oxidációst, mert az jobb minőségű!) CVD: C, SiH 4 +O 2 →SiO 2 +2H 2, P-adalékolt: 4PH 3 +5O 2 →2P 2 O 5 +6H 2 LPCVD: tetraetilortosilicat bomlása C fokon: Si(OC 2 H 5 ) 4 →SiO 2 + melléktermékek PECVD: az előbbiek, vagy még diklórszilán SiCl 2 H 2 +2N 2 O→SiO 2 +2N 2 +2HCl. Alkalmazás: poliszilicíum befedése, jó fedőképesség az érdes felületen. SiO 2 rétegparaméterek: ρ=2,2 g/cm 3, törésmutató 1,46,  =10, maratási sebesség 100:1 H 2 O/HF 30 A/min, tisztább HF: 450 A/min. A SiH 4 +O 2 450C –puhányabb film, ρ=2,1 g/cm 3, törésmutató 1,44,  =8., felület (oldal) fedés roszabb. Polisilicíum : CVD módszer +paraméterek.: vezetés, gate, kontaktus a c-Si-hoz LPCVD: szilán SiH 4 →600C→Si +2 H 2. Adalékolható diffúzióval,… Si 3 N 4 : víz és oxidáció gát, SiO 2 maratási maszk, PECVD Si 3 N 4 -mechanikai védelem LPCVD: 3SiCl 2 H 2 +4NH 3 →750C→Si 3 N 4 +6HCl +6H 2. Nagy a beépített feszültség, ezért d<200nm. R=10 16 Ohm.cm,  =6. PECVD: ammonia és… SiH 4 +NH 3 →SiNH+3H 2

32 Low k dielektrikumok: csökkenteni kell az RC nagyságát az IC áramkörökben! R-nehezebb, C=  1 A/d,  1 diel.permittivitás, =k.  0, k - diel.állandó Interlayers: low k, low residual stress, high planarization, high gap filling, low dep. temperature, simple process, integrability. Polimerek: parilene, k=2,6, polyimide, k=2,7-2,9, xerogel(porózus SiO 2 )1,1-2,0 Szervetlen: hidrogénezett, fluorozott szén 2,0-3,0. High k dielektrikumok: ULSI, Dynamic RAM(for storage capacitor material) Technológia-CVD, laser,… Ta 2 O 5 – k= 25, TiO 2 -40, Si 3 N 4 – 7, PLZT (Pb 1-x La x )(Zr 1-y Ti y )O

33 Fémrétegek Fizikai leválasztás - labormunka CVD: jó fedés, produktivitás. W: WF 6 +3H 2 → W +6HF (hidrogén redukció) 2WF 6 +3Si→ 2W +3SiF 4 (sszilícium redukció) TiN:6TiCl 4 +8NH 3 →6TiN + 24HCl+N 2 Al: PVD vagy CVD. Probléma: eutektikum Si_Al(10%Si), tehát T-diffuzió függvény : elektromigráció –hibák-diffúzió-el.tér. Cu: PVD, CVD, elektrokémia. Hátrányok: nincs saját jó oxid, nncs jó száraz marató, rossz adhézió,… Demascene process: Cu „árokba” fektetése, TaN-antidiffúziós réteg.

34 Al-Si kontaktus: gát rétegek bevitele szükséges Sze395

35

36 Vegyi-mechanikai polirozás (CMP). Lehet tiszta csiszolás, mechanikai roncsolással kísért simítás. De lehet vegyszereket (marató anyagot) adni a csiszolóporba. Minta áll, csiszoló forog. Két folyamat egyesűl: fizikai és kémiai. Szilicidek: TiSi 2, CoSi 2, ….alakulási T: 800, ,…. Igéretesek az ULIC kontaktusaira is.


Letölteni ppt "ELEKTRONIKAI TECHNOLÓGIA 2. 1.Kristályos anyagok technológiája: gőz-, olvadék-, oldat-, Czochralski-, Bridgman-technológiák (Si technológiája az alapanyagtól."

Hasonló előadás


Google Hirdetések