ELEKTRONIKAI TECHNOLÓGIA 2.

Az előadások a következő témára: "ELEKTRONIKAI TECHNOLÓGIA 2."— 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: SiO2 kvarchomok (kvarcit) . Ezt az anyagot tiszta szénnel keverve olvasztókemencébe helyezik. C(szilárd)+SiO2 (szilárd) → Si(szilárd) + SiO2 (gáz) + CO (gáz). (1) Ilyen módon kb. 98% tisztaságú szilíciumot kapunk. A következő lépésben a szilíciumot sósavval (HCl) kezelik , minek eredményeként triklórszilánt (SiHCl3) kapnak: Si(szilárd) +3HCl (gáz) →(300 C)→ SiHCl3 (gáz) + H2 (gáz) (2) A folyamat lehetséges változata a szilícium tetraklorid SiCl4 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 SiHCl3-ból hidrogén redukcióval elektronikai tisztaságú szilíciumot állítanak elő (Nimp~ppm): SiHCl3 (gáz) + H2 (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 →GeO2 →GeCl4 →+H2 →Ge →Czochralski (ezek egy tonnája kb. 0,1 kg germániumot tartalmaz , hasonlítsuk össze a SiO2-el l!).

3 Si egykristály növesztése Czochralski módszerrel
GaAs esetében B2O3 olvadékkal (~1 cm!) fedik le a GaAs olvadékot, hogy ne legyen bomlás. Bridgman módszer- T profil, mozgatás.

4

5 k0 , GaAs: C=0,8, S=0,5, Zn=4.10-1, Sn= ,…. Szegregáció Az anyag komponensei, vagy inkább az adalék az olvadékba „vándorolnak” Az interfeisznél koncentráció-gradiens jön létre: az effektív szegregációs együttható ke= Cs/Cl, , Cs-koncentráció a szilárd fázis határán, Cl – a folyadékban. s l Cl Cx Cl,0 Cs=keCe x (k0<1) növekvés δ Egyensúly egyenlet: 0=v(dC/dx)+D(d2C/dx2), ahol D az adalék diff.együtthatoja a folyadékban, v-akristalynövekedés sebessége, C-az adalék koncentrációja az olvadékban. Megoldás: C=A1exp(-vx/D) + A2, A-a határparaméterekből kapott állandók. Végül: ke= Cs/Cl = k0/ (k0 + (1- k0 )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….)

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 Diszlokáció, cm-2 < <1 Görbület ,m < < 5 Egyenetlenség, m < <1

7 Si megmunkálása: (wafer shaping)
Levágják a végeket. Egy átmérőre esztergályozzák (125mm, !) +_1mm Síkot (síkokat, árkot) metszenek az oldalra (jelölik az orientációt és vezetési típust) Lemezre vágják ,6-0,65mm 0,65-0,7 0, ,755- 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 (Al2O3) +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: Al2O3 , SiC, B4C3 , C (gyémánt) porok, Cr2O3 paszták. Maratás: C7H8 toluol, CCl4. Oxidáló: HNO3,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 H2O2. Elektrokémia maratás: NaOH és KOH vizes oldatok. GaAs: H2O2 felülettisztítás.

10

11 Technológiai ciklus:

12 A kvarc (SiO2) (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 (Al2O3) - 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 Al2O3 + Cr+3 = rubin (rubin lézer aktív közege, drágakő) A spinel (MgAl2O4) - alaklamazása MgF2 helyett mint ablakanyag az infravörös tartományban. Lítiumniobát (LiNbO3) – aktív dielektrikum, ferroelektromos tulajdonságokkal rendelkezik. Áteresztés 0,4 – 5.0 mikrométer tartományban.Holográfia. Báriumtitánát (BaTiO3) – 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: 3Al2O32SiO2. =7-8, tgδ= 0,025-0,30. Kondenzátorkerámiák: instabil: SrTiO2 alapu, = , stabil: LnAl2O3, CaTiO3, =40-150, magasfrekvenciás kondenzatorok. Alacsonyfrekvenciás(f<10kHz): SrTiO3 + Bi4Ti3O12 (=900, tgδ= ) Hordozók: steatit (zsirkő 3MgO.4SiO2H2O) krist.+ Ba2O3 ,BaCO3 üveg =MgO.SiO2. 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 SiO2 kell megemlíteni, továbbá a B2O3, GeO2, P2O5. Szilikát üvegek: alapanyagai a SiO2, szóda Na2CO3, hamuzsír K2CO3, mészkő CaCO3, dolomit CaCO3.MgCO3, nátriumszulfát Na2SO4, bórax Na2B4O7, földpát Al2O3 . 6SiO2 . K2O és más anyagok (CaO – kék szín, Cr2O3 – zöld, MnO2 – barna, UO3 – 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.s Technológiai folyamatok 19 18 17 16 Szilárd állapot 15 14 13 Hütés Tg 11 10 Üvegesedés 9 8 Formálás Húzás, hengerelés 4 3 Öntés A liquidus hőmérséklete

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 SiO2 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( GeS2, As2Se3, SexTe1-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 H H     C = C  C  CN     H H 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 C6H5

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: F F F     C  C  C  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 / \ H2C  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
tégely (üres) elektronsugár hűtővíz

24 Magnetron coupling resonant cavities anode filament leads
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 Rotating space-charge wheel in an twelve-cavity magnetron The high-frequency electrical field (blue) Magnetron coupling resonant cavities anode filament leads                                                        cathode     pickup loop

25

26 CVD (vagy vapor-phase epitaxy)
Si: SiCl4gáz+2H2gázSiszilárd+4HClgáz vagy:SiCl4 +Siszilárd  2SiCl2gáz GaAs: As4+4GaCl3+6H2→4GaAs+12HCl 4As4H3→As4+6H2 Amorf Si rétegek, hidrogénezett amorf Si, a-Si:N,

27 MOCVD

28 Epitaxia:MBE

29 Sisolid+ O2 gas→SiO2solid
Sisolid+ H2O gas→SiO2solid +2H2gas Si: cm3/mol, ρ=2,33 g/cm3 a-SiO2: cm3/mol, ρ=2,21 g/cm3 !!! C-SiO2:2,65 g/cm3 vastagság Si/vastagság SiO2 = =12,06/27,18=0,44 Példa:100nm SiO2 kell 44 nm Si Tipikusan amorf SiO2 kapunk ! C C0 C1 d x Si oxidáció Kezdetben a folyamat felületi reakció-limitált, később- diffúzió limitált. Kis t: d=C0k(t+)/C1, k=felül.oxidáció sebesség =időelcsúszás a kezedi oxid vastagsága fűggvényében Nagy t: d=√2DC0(t+)/C1, , D-diff.O2, H2O

30 T=800-1000C. p, T a szabályozó paraméterek. Lassan –jobban?!
Aktivációs energiák: szaraz növesztés 1,24 eV, nedves-0,71 eV.

31 SiO2 leválasztás: szigetelő és passziváló rétegek
Technológia: CVD, low pesssure LPCVD, és plasma enhanced PECVD (nem helyettesíti az oxidációst, mert az jobb minőségű!) CVD: C, SiH4 +O2→SiO2+2H2, P-adalékolt: 4PH3+5O2 →2P2O5+6H2 LPCVD: tetraetilortosilicat bomlása C fokon: Si(OC2H5)4→SiO2 + melléktermékek PECVD: az előbbiek, vagy még diklórszilán SiCl2H2+2N2O→SiO2+2N2+2HCl. Alkalmazás: poliszilicíum befedése, jó fedőképesség az érdes felületen. SiO2 rétegparaméterek: ρ=2,2 g/cm3, törésmutató 1,46, =10, maratási sebesség 100:1 H2O/HF 30 A/min, tisztább HF: 450 A/min. A SiH4+O C –puhányabb film, ρ=2,1 g/cm3, törésmutató 1,44, =8., felület (oldal) fedés roszabb. Polisilicíum : CVD módszer +paraméterek.: vezetés, gate, kontaktus a c-Si-hoz LPCVD: szilán SiH4→600C→Si +2 H Adalékolható diffúzióval,… Si3N4: víz és oxidáció gát, SiO2 maratási maszk, PECVD Si3N4-mechanikai védelem LPCVD: 3SiCl2H2+4NH3→750C→Si3N4+6HCl +6H2. Nagy a beépített feszültség, ezért d<200nm. R=1016 Ohm.cm, =6. PECVD: ammonia és… SiH4+NH3→SiNH+3H2

32 Low k dielektrikumok: csökkenteni kell az RC nagyságát az IC áramkörökben!
R-nehezebb, C=1A/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 SiO2)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,… Ta2O5 – k= 25, TiO2 -40, Si3N4 – 7, PLZT (Pb1-xLax)(Zr1-yTiy)O

33 Fizikai leválasztás - labormunka CVD: jó fedés, produktivitás.
Fémrétegek Fizikai leválasztás - labormunka CVD: jó fedés, produktivitás. W: WF6 +3H2→ W +6HF (hidrogén redukció) 2WF6 +3Si→ 2W +3SiF4 (sszilícium redukció) TiN:6TiCl4+8NH3→6TiN + 24HCl+N2 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: TiSi2, CoSi2, ….alakulási T: 800 , ,…. Igéretesek az ULIC kontaktusaira is.