Félvezetők.

Az előadások a következő témára: "Félvezetők."— Előadás másolata:

1 Félvezetők

2 Az 1. IC: Jack Kilby 1958

3 tiszta alapanyag előállítása:
kohászati minőségű Si, félvezető tisztaságú Si. egykristály húzás, szelet készítés, elemgyártás: fotolitográfia, maszkolás, maratás, adalékolás, epitaxia, fémezés. chip készítés: darabolás, kivezető készítés, tokozás, csomagolás. mérés ellenőrzés

4 Félvezető alapanyagok:
nyersanyag: kvarchomok: SiO2 redukció szénnel: ~2000oC-on, 99% tisztaságú, tisztítás: cél: szer tisztább.

5 polikristályos Si rúd előállítása, egykristály húzás:
Czochralski módszer: kívánt orientáció  magkristály, hibátlan egykristály  nagyon lassú, pontos hőmérsékletű húzás (1414oC), rúd és tégely forgatása. Év 1950 1956 1967 1980 1992 1997 Átmérő ½ inch 1 inch 2 inch 100mm 200mm 300mm Tömeg (kg) 0,05 0,4 2,5 24 110 200

6 Félvezető egykristály előállítás:
Czochralski-módszer : szilárd – olvadék határon pontosan az op. mag indítja a kristálykiválást, meghatározza az orientációt, rúd lassú húzás, forgatás.

7 A nyak elvékonyodása során válik diszlokáció-mentessé az egykristály

8 Zónás tisztítás: polikristályos rúdból:
átkristályosítás, orientáció. szegregáció: a szennyezőanyagnak nagyobb az oldhatósága az olvadékban, mint a szilárd fázisban  feldúsul a rúd végén (lehet fordított is), Csak 200 mm-nél vékonyabb rúdnál lehet.

9 feszültségcsökkentő hőkezelés, él lekerekítés, polírozás,
szeletelés: kb 4 –600 µm feszültségcsökkentő hőkezelés, él lekerekítés, polírozás, szelet vékonyítás, szelet polírozás: CMP: chemical-mechanical polishing Mechanikai: kvarcpor szuszpenzió, Kémiai: savas (HNO3, HF) és lúgos (NaOH) maratás felváltva. Napelemhez használható ultravékony szelet

10 Hátoldali hőkezeléssel az aktív zónából eltávoznak a kristályhibák
Si szelet minőségi jellemzői: Villamos tul: vezetés típusa, vezetőképesség (). Mechanikai: átmérő, vastagság (0,25 – 075mm). Kémiai: adalék koncentráció (db/cm3) (tiszta Si: 5·1022 cm–3  1 ppm: 5·1016 cm-3) Szennyezőanyagok: oxigén szén, stb. Felületi: laposság, érdesség.

11 IC elemek technológiája:
fotolitográfia, oxidáció, oxidmarás, diffúzió, implantáció, epitaxiális rétegnövesztés, vákuumtechnikai rétegleválasztások, PVD.

12 fotolitográfia: folyékony reziszt felvitele, nagyított maszk, ablaknyitás az adalékoláshoz, 2. oxidáció, oxidmarás: oxidréteg véd, oxidmarással ablaknyitás az adalékoláshoz, 3. - adalékolás diffúzióval: a diffúzáns atomok (B, P) kb oC-on bediffundálnak a felületi rétegbe, szilárd, folyadék vagy gáz fázisból, - adalékolás implantációval: gyorsított ionok belövése az anyag felületi rétegébe,

13 4. epitaxiális rétegnövesztés:
az alaprács egykritályos szerkezetét, orientációját folytatja az új réteg, homoepitaxia: azonos anyagból, de pl. más adalékolással, heteroepitaxia: más anyag, de nagyon hasonló rácsállandóval pl: GaAlAs réteg GaAs hordozón, módszerek: gázfázisú ~ CVD (Chemical Vapor Deposition) folyadékfázisú ~ molekulanyaláb ~ MBE 5. PVD: Physical Vapor Deposition hagyományos” vákuumtechnikai rétegleválasztások katódporlasztás, vákuumpárologtatás, elektronsugaras gőzölés. főképp a kontaktus fémrétegek kialakítására: Al, Cu.

14 Kötés, tokozás huzalkötés szerelőlemezre, Au, Al-Au, Si-Au huzal,
termokompressziós (ultrahangos) kötés, méretkülönbségek áthidalására, chip: ~ 1 µm, NYHL: 100 µm Lead-frame

15 Flip Chip kivezetések száma nő chip/tok méret csökken,
egész terület használata tokon belül és kívül, belső kontaktusok kivezetése többrétegű NYHL-el, forraszgömbök / a kontaktusfelület nagyobb, mint a lábkivezetésnél.

16

17

18

19

20

21

22

23

24

25 Hibrid IntegráltÁramkörök, HIC
Az alábbi bemutató egyes ábráit a Dr. Illyefalvi Vitéz Zsolt – Dr. Ripka Gábor – Dr. Harsányi Gábor: Elektronikai technológia, ill. Dr Ripka Gábor: Hordozók, alkatrészek és szereléstechnológiák c könyvek CD mellékleteiből vettem át, a szerzők hozzájárulásával.

26 A szigetelőalapú hibrid IC-k típusai, fő jellemzői
szigetelőanyag hordozón, integrált passzív hálózat, beültetett aktív (diszkrét passzív) elemek. Rugalmas gyártás, kis sorozatokban is gazdaságos, elsősorban berendezés-orientált eszközként.

27 Azonos (hasonló) beültethető elemkészlet
Vékonyréteg: n x 10 … n x 100 nm, vákuumtechnikai eljárások: gőzölés, porlasztás, hordozó: üveg, min. vonalszélesség: 25-50 m. Vastagréteg: 10…50 m, szitanyomtatással felvitt paszták hordozó: kerámia (Al2O3, AlN, BeO), min. vonalszélesség: m. Azonos (hasonló) beültethető elemkészlet

28 Hordozók feladatai tulajdonságai:
mechanikai : tartást biztosítsa, szilárdság, darabolhatóság, villamos: jó szigetelés, hőtechnikai: hőelvezetés, hőtágulási együttható, felületi tisztaság. Pl.: üveg, kerámia, zafír, kvarc…

29 Vékony réteg HIC: Réteganyagok: - vezetőrétegek (jól tapad, forrasztható, zajszegény, stb.), - ellenállásrétegek (stabil értékek), - szigetelőréteg (kondenzátor dielektrikum, kereszteződések közötti szigetelés), - átlátszó vezetőbevonat (kijelzők nézeti oldalán).

30 Vákuumpárologtatás vákuumtechnológiák előnye: tisztaság,
forrástól adott távolságra a hordozón a részecskék kondenzálódnak, ha p ~ 10-5 mbar, az átlagos szabad úthossz  ~ 1m, a részecskék egyenes vonalban (ütközés, szennyeződés nélkül) érik el a hordozót.

31 Vákuumgőzölő: Anyag felfűtése, hogy a gőznyomása 10-4…10-3 mbar legyen
Közvetlen fűtés Közvetett fűtés: W csónak (magas op, nem ötvöződik) Hordozók gömbfelületen, forgatva. Rétegvastagság számítható, mérhető Ötvözet gőzölés: figyelemmel a gőznyomás-különbségre vagy flash gőzölés búra kupola forgatás áram szivattyú forrás hordozók

32 Elektronsugaras gőzölés
Magasabb hőmérséklet  nagyobb op-ú anyagok is gőzölhetők Kisebb felületről Csak a saját anyaggal érintkezik,  tisztább Nagyobb réteg-növekedési sebesség Elektron-sugár tégely Hűtő-víz

33 Katódporlasztás Nagyvákuum térbe Ar gáz 0, mbar nyomásig, elektronok ütköznek az Ar atomokkal  Ar+ ionok létrehozása Gázkisülés Target nagy negatív potenciálon, Ar+ beleütközik, bevonó anyag részecskéit löki ki  lerakódik a hordozón Nagyobb rétegépülési sebesség, Nem kell magas hőm. + anód target (- kV) katód szivattyú hordozó szelep Triódás katódporlasztás - - Ar

34

35 Rajzolat kialakítása fotolitográfia: folyékony reziszt, felvitel centrifugálással, a rétegek nagy része nehezen maratható, lift-off technika =fordított rezisztmaszkos eljárás: a tiszta hordozón fotorezisztből alakítják ki a negatív ábrát, erre gőzölik (porlasztják) a réteget. Gőzölt réteg Reziszt Hordozó

36 Értékbeállítás: gyakorlatilag csak ellenállások esetében,
utólag R csak növelhető: Lézerese értékbeállítás: R pálya hosszának növelése, folyamatos: bevágás az R felületbe, szakaszos: rövidzárak átvágása, Nd:YAG lézer, beállítás alatt folyamatos R mérés. Vezető Ellenállás Vezető Ellenállás

37 Vastagréteg hibrid IC Az alábbi bemutató egyes ábráit a Dr. Illyefalvi Vitéz Zsolt – Dr. Ripka Gábor – Dr. Harsányi Gábor: Elektronikai technológia, ill. Dr Ripka Gábor: Hordozók, alkatrészek és szereléstechnológiák c könyvek CD mellékleteiből vettem át

38

39 VHIC-k felépítése kerámia hordozó Al2O3, AlN
Paszták komponensei: funkcionális anyag, végleges kötőanyag (üvegkerámia), átmeneti kötőanyag, szerves oldószer (viszkozitás, tixotrópia), speciális adalékok. kerámia hordozó Al2O3, AlN nyomtatott vezetőhálózat, passzív elemek

40 Paszta típusok: vezetőpaszták, ellenálláspaszták,
szigetelőpaszták (szigetelőréteg, kondenzátor dielektrikum, védőréteg).

41 Gyártási technológia:
Szitanyomtatás: rétegvastagság: 10 – 20 – (200)m, rajzolatfinomság: m. Beégetés: alagútkemencében tervezett hőprofil szerint.

42 Multichip modulok Önálló egység: Típusok: MCM-L
közös hordozón több IC chip, integrált vezetőhálózat, többrétegű hordozó, beágyazott passzív elemek. Típusok: MCM-L: (laminált), főképp NYÁK technológiával, MCM-C: (kerámia), vastagréteg technológia (magas és alacsony hőmérsékleten égetett), MCM-D: (deposited) vékonyréteg technológiával. MCM-L