1

Projekt współfinansowany przez Uni

ę

Europejsk

ą

w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

In

ż

ynieria wytwarzania

Dr in

ż

. Andrzej Kubiak

1.

Definicje mikro- i nanotechnologii

2.

Zagadnienia utrzymania czysto

ś

ci w procesach mikro- i

nanotechnologii

3.

Materiały półprzewodnikowe – własno

ś

ci, wytwarzanie,

obróbka mechaniczna

4.

Trawienie materiałów półprzewodnikowych

5.

Technologia procesów fotolitografii

6.

Domieszkowanie półprzewodników

7.

Wytwarzanie nowych warstw. Tlenek krzemu.

8.

Osadzanie pró

ż

niowe cienkich warstw.

9.

Osadzanie chemiczne z fazy lotnej

10. Monta

ż

i hermetyzacja struktur

11. Struktury mechatroniczne

In

ż

ynieria wytwarzania

Dr in

ż

. Andrzej Kubiak

1.

Definicje mikro- i nanotechnologii

2.

Zagadnienia utrzymania czysto

ś

ci w procesach mikro- i

nanotechnologii

3.

Materiały półprzewodnikowe – własno

ś

ci, wytwarzanie,

obróbka mechaniczna

4.

Trawienie materiałów półprzewodnikowych

5.

Technologia procesów fotolitografii

6.

Domieszkowanie półprzewodników

7.

Wytwarzanie nowych warstw. Tlenek krzemu.

8.

Osadzanie pró

ż

niowe cienkich warstw.

9.

Osadzanie chemiczne z fazy lotnej

10. Monta

ż

i hermetyzacja struktur

11. Struktury mechatroniczne

3. Materiały półprzewodnikowe –

własno

ś

ci i wytwarzanie

2

Półprzewodniki - substancje (najcz

ęś

ciej krystaliczne), których

przewodno

ść

wynosi 10

-8

…10

6

S/m (warto

ś

ci pomi

ę

dzy przewodnikami

a dielektrykami)

Podstawowe cechy:

-

bardzo silna zale

ż

no

ść

konduktywno

ś

ci od koncentracji domieszek

-

wyst

ę

powanie dwóch rodzajów no

ś

ników ładunku: elektronów i dziur.

Materiały półprzewodnikowe

3. Materiały półprzewodnikowe –

własno

ś

ci i wytwarzanie

3

Materiały półprzewodnikowe

Pierwiastki grupy IV:

- german (Ge)

- krzem (Si)
- w

ę

giel (C)

Zwi

ą

zki grupy IV:

- w

ę

glik krzemu (4H-SiC, 6H-SiC)

-krzemogerman (SiGe)

Zwi

ą

zki pierwiastków grup III – V:

- arsenek galu (GaAs)

- azotek galu (GaN)

- fosforek galu (GaP)

- fosforek Indu (InP)

- antymonek indu (InSb)

Zwi

ą

zki pierwiastków grupy II – VI:

- tellurek kadmu (CdTe)
- siarczek kadmu (CdS)

3. Materiały półprzewodnikowe –

własno

ś

ci i wytwarzanie

4

Materiały półprzewodnikowe

II III IV V VI

3. Materiały półprzewodnikowe –

własno

ś

ci i wytwarzanie

5

Materiały półprzewodnikowe

Parametr

Jednostki

Ge

Si

GaAs

4H/6H-

SiC

InP

GaN

GaP

Diament

Pasmo

wzbronione

[W

g

]

eV

0,67

1,11

1,43

3,2/2,9

1,35

3,45

2,24

5,45

Stała

dielektryczna

[

εεεε

r

]

-

16

11,8

12,9

9,7

12,5

9

11

5,5

Nat

ęż

enie pola

elektrycznego

E

max

⋅⋅⋅⋅

10

5

V/cm

1

3

6,0

35/20

~ 5

~ 10

4,5

~ 10

2

Maksymalna

pr

ę

dko

ść

unoszenia

elektronów

[V

s

]

⋅⋅⋅⋅

10

7

cm/s

1

1

1

2

1

2,2

1,5

2,7

Ruchliwo

ść

elektronów [

µµµµ

n

]

cm

2

/V

⋅

s

3900

1350

6000

800/380

4000

1250

250

2200

Ruchliwo

ść

dziur [

µµµµ

p

]

cm

2

/V

⋅

s

1900

450

330

120/95

540

850

150

1600

Przewodno

ść

cieplna [

λλλλ

]

W/cm

⋅

K

0,6

1,5

0,46

4,9

4,9

1,3

0,7

22

3. Materiały półprzewodnikowe –

własno

ś

ci i wytwarzanie

6

Materiały półprzewodnikowe

Półprzewodnik

Maksymalna temperatura

pracy

Si

~ 200

°

C

Si (SOI)

~ 400

°

C

GaAs

~ 400

°

C

6H-SiC

~ 800

°

C

GaN

~ 1000

°

C

Diament

> 1000

°

C

Ograniczenia temperatury pracy półprzewodników
wynikaj

ą

ce z koncentracji samoistnej no

ś

ników n

i

2

3. Materiały półprzewodnikowe –

własno

ś

ci i wytwarzanie

7

Otrzymywanie podło

ż

y monokrystalicznych

Dzisiaj wielkim pytaniem jest: w jaki sposób problem wysokiej
temperatury zostanie rozwiązany?
W co należy zainwestować?
Jedynym podejściem jest logiczna sekwencja, którą tu widzimy:
Ge, Si, SiC, C w tej kolejności ...
Sytuacja SiC cierpi z tego samego powodu, który robi go tak
dobrym materiałem. Wiązanie jest bardzo silne i dlatego wszystkie
procesy przeprowadzane są w bardzo wysokich temperaturach ...
Problemy materiałowe będą szeroko rozwiązywane.
Być może pewnego dnia ... Duże pojedyncze kryształy węglika
krzemu będą wzrastać łatwo ...

(Schockley, 1959)

3. Materiały półprzewodnikowe –

własno

ś

ci i wytwarzanie

8

Materiały półprzewodnikowe

Długo

ść

fali [nm]

Możliwości zastosowań różnych związków trój- i czteroskładnikowych do

konstrukcji diod LED w zależności od długości fali

3. Materiały półprzewodnikowe –

własno

ś

ci i wytwarzanie

9

Otrzymywanie podło

ż

y monokrystalicznych

Roczna

ś

wiatowa produkcja monokryształów w roku 2007 to około

25 000 ton (Si, Ge, GaAs, InP, GaP, CdTe, …). Ponad połowa tej

produkcji zu

ż

ywana jest przez przemysł półprzewodnikowy.

Metody otrzymywania kryształów:
- z fazy stałej - w wyniku przemiany fazowej w stanie stałym ( np. w

przemianach metamorficznych w procesach geologicznych)

- z fazy ciekłej - przez bezpo

ś

redni

ą

krystalizacj

ę

cieczy,

odparowanie, przez „wyci

ą

ganie” monokryształu ze stopionego

materiału (np. produkcja kryształów Si, Ge, GaAs metod

ą

Czochralskiego)

- z fazy pary - przez sublimacj

ę

, metod

ą

gazowego transportu

chemicznego (np. produkcja monokryształów SiC)

3. Materiały półprzewodnikowe –

własno

ś

ci i wytwarzanie

10

Krzem – podstawowy materiał mikroelektroniki

• tlenek krzemu (kwarc, krzemionka)
• kwasy krzemowe (krzemiany)
• zwi

ą

zki z wodorem (silany)

• zwi

ą

zki z metalami (krzemki)

• SiC (karborund)

Potrzeby:

monokryształy w postaci płytek

o najwy

ż

szym stopniu czysto

ś

ci

i doskonało

ś

ci strukturalnej

Zasoby:

Krzem stanowi 27% skorupy ziemskiej

3. Materiały półprzewodnikowe –

własno

ś

ci i wytwarzanie

11

Wytwarzanie podło

ż

y krzemowych

3. Materiały półprzewodnikowe –

własno

ś

ci i wytwarzanie

12

Otrzymywanie krzemu polikrystalicznego

Ekstrakcja krzemu z SiO

2

����

SiO

2

+ 2C

⇒

Si + 2CO @ 1800 °C

��

SiO

2

+ SiC

⇒

Si + SiO (gaz) + CO

��

- zu

ż

ycie energii ~13 kWh na kg

- krzem o czysto

ś

ci 98%

Oczyszczanie (destylacja)

��

Si + 3HCl

⇒

SiHCl

3

+ H

2

w 300°C

��

- temperatura wrzenia trichlorosilanu: 31.8°C.

- zanieczyszczenia s

ą

mniej lotne ni

ż

trichlorosilan (w

rezultacie otrzymuje si

ę

poziom zanieczyszcze

ń

< 1ppb).

��

Redukcja trichlorosilanu w wodorze:

��

SiHCl

3

+ H

2

⇒

Si + 3HCl @1000 °C

- redukcja odbywa si

ę

jednocze

ś

nie ze wzrostem polikrystalicznego substratu

-polikryształ ro

ś

nie na powierzchni pr

ę

ta ogrzanego do 1000 °C

-otrzymuje si

ę

superczysty Si 99.999999999%

3

3. Materiały półprzewodnikowe –

własno

ś

ci i wytwarzanie

13

Otrzymywanie krzemu polikrystalicznego

- redukcja trichlorosilanu w wodorze

powoduje osadzanie (CVD)
polikrystalicznego krzemu w postaci pr

ę

tów

- szybko

ść

procesu: ok. 1kg/h

- mo

ż

liwo

ść

domieszkowania przy u

ż

yciu

odpowiednich prekursorów gazowych
(najcz

ęś

ciej truj

ą

cych i/lub wybuchowych)

- wymagana b. wysoka czysto

ś

ci i

precyzyjna kontrola przepływu gazów

h

tt

p

:/

/r

e

fe

re

n

c

e

.f

in

d

ta

rg

e

t.

c

o

m

/s

e

a

rc

h

/c

ry

s

ta

lli

n

e

%

2

0

s

ili

c

o

n

/

3. Materiały półprzewodnikowe –

własno

ś

ci i wytwarzanie

14

Otrzymywanie monokrystalicznych podło

ż

y Si

Wyci

ą

ganie monokryształu Si

- metoda Czochralskiego

- metoda topienia strefowego

Obróbka mechaniczna:

- obróbka całego monokryształu

- ci

ę

cie na pojedyncze podło

ż

a

- szlifowanie, polerowanie powierzchni

Czyszczenie i charakteryzacja monokryształów Si
-usuni

ę

cie zanieczyszcze

ń

z powierzchni podło

ż

y

- charakteryzacja własno

ś

ci geometrycznych i elektrycznych

- pakowanie

3. Materiały półprzewodnikowe –

własno

ś

ci i wytwarzanie

15

Metoda Czochralskiego (CZ)

Cechy procesu:
- temperatura: ok. 1400 °C
- osłona: Ar
- domieszki: B, P, As, Sb
- orientacja krystalograficzna zarodka

- podstawowa metoda wytwarzania

du

ż

ych monokryształów Si na

potrzeby mikroelektroniki

- o

rientacja krystaliczna -

wyznaczona przez orientacj

ę

zarodka

-

ś

rednica kryształu – okre

ś

lona

przez temperatur

ę

,szybko

ść

obrotu i wyci

ą

gania

http://www.sumcosi.com/english/laboratory/laboratory1.html

3. Materiały półprzewodnikowe –

własno

ś

ci i wytwarzanie

16

Metoda Czochralskiego (CZ)

Etapy wytwarzania monokryształu

h

tt

p

:/

/w

w

w

.s

u

m

c

o

s

i.

c

o

m

/e

n

g

lis

h

/l

a

b

o

ra

to

ry

/l

a

b

o

ra

to

ry

1

.h

tm

l

3. Materiały półprzewodnikowe –

własno

ś

ci i wytwarzanie

17

Metoda wytapiania strefowego (FZ – Flat Zone)

Zastosowanie:

oczyszczanie oraz wytwarzanie

monokryształów krzemu

o

ś

rednicy do 150mm

Dzi

ę

ki zjawisku segregacji mo

ż

na

zebra

ć

atomy zanieczyszcze

ń

na jednym ko

ń

cu monokryształu

mocowanie

polikrzem lub
monokryształ
zanieczyszczony

punkt topnienia

płynny krzem

grzałka RF

punkt krystalizacji

oczyszczony
monokryształ

zarodek

szyjka

mocowanie
zarodka

stożek końcowy

h

tt

p

:/

/r

e

fe

re

n

c

e

.f

in

d

ta

rg

e

t.

c

o

m

/s

e

a

rc

h

/c

ry

s

ta

lli

n

e

%

2

0

s

ili

c

o

n

/

3. Materiały półprzewodnikowe –

własno

ś

ci i wytwarzanie

18

Monokryształ krzemu

Efekt ko

ń

cowy:

bezdefektowy monokryształ Si

zawieraj

ą

cy zanieczyszczenia na

poziomie ppb lub nawet ppt

ppb – particle per billion (1 000 000 000)

ppt – particle per trillion (1 000 000 000 000)

h

tt

p

:/

/r

e

fe

re

n

c

e

.f

in

d

ta

rg

e

t.

c

o

m

/s

e

a

rc

h

/c

ry

s

ta

lli

n

e

%

2

0

s

ili

c

o

n

/

4

3. Materiały półprzewodnikowe –

własno

ś

ci i wytwarzanie

19

Obróbka mechaniczna monokryształu

- Odci

ę

cie sto

ż

kowych zako

ń

cze

ń

kryształu przy u

ż

yciu piły o ostrzu pokrytym

warstw

ą

diamentu (a)

- Zeszlifowanie kryształu do postaci cylindrycznej o okre

ś

lonej

ś

rednicy (b)

- Okre

ś

lenie orientacji sieci krystalicznej (np. za pomoc

ą

zjawiska dyfrakcji

promieni rentgenowskich)

- Wykonanie

ś

ci

ęć

głównych i pomocniczych (c)

http://cnx.org/content/m16627/latest/

3. Materiały półprzewodnikowe –

własno

ś

ci i wytwarzanie

20

Oznaczenie kierunków krystalograficznych

Ś

ci

ę

cia (flats):

• główne (primary) – wskazuje kierunek krystalograficzny {110}
• pomocnicze (secondary) – okre

ś

la płaszczyzn

ę

krystalograficzn

ą

powierzchni

oraz typ przewodnictwa (pomyłki s

ą

bardzo kosztowne!)

• dla płytek wi

ę

kszych ni

ż

200mm stosuje si

ę

naci

ę

cia typu V (notches)

3. Materiały półprzewodnikowe –

własno

ś

ci i wytwarzanie

21

Podło

ż

a krzemowe – ci

ę

cie

Wymagania:

• minimalna ilo

ść

odpadu

• minimalne uszkodzenia powierzchni płytek

• maksymalna szybko

ść

– produkcja

dzienna jednej fabryki to 10 000 płytek!

Urz

ą

dzenia:

- piła z ostrzem pier

ś

cieniowym

pokrytym warstw

ą

diamentow

ą

- piła z oscyluj

ą

cym drutem tn

ą

cym

(stosowana zwłaszcza do
monokryształów o du

ż

ych

ś

rednicach)

3. Materiały półprzewodnikowe –

własno

ś

ci i wytwarzanie

22

Podło

ż

a krzemowe - szlifowanie

Wymagania:

• usuni

ę

cie warstwy uszkodzonej podczas ci

ę

cia (kilkadziesi

ą

t µm)

• zapewnienie nominalnej grubo

ś

ci płytek (400 - 600 µm)

• zapewnienie płasko-równoległo

ś

ci płytek

− ±

1 µm na powierzchni ok. 1000cm

2

dla płytek o

ś

rednicy 300mm!

Metoda:

szlifowanie planetarne zawiesin

ą

wodn

ą

lub olejow

ą

Al

2

O

3

3. Materiały półprzewodnikowe –

własno

ś

ci i wytwarzanie

23

Podło

ż

a krzemowe - polerowanie

Wymagania: zapewnienie chropowato

ś

ci powierzchni poni

ż

ej 0.01 µm

(powierzchnia lustrzana).

- 2-3 etapowe polerowanie chemiczno-

mechaniczne (CMP) - chemiczne
trawienie nierówno

ś

ci poł

ą

czone ze

ś

cieraniem mechanicznym

-

ś

rodek poleruj

ą

cy: SiO

2

, woda

destylowana, wodorotlenek sodu

- w zale

ż

no

ś

ci od wymaga

ń

procesu

technologicznego polerowanie mo

ż

e by

ć

przeprowadzane na jednej b

ą

d

ź

obu

powierzchniach płytki krzemowej

3. Materiały półprzewodnikowe –

własno

ś

ci i wytwarzanie

24

Podło

ż

a krzemowe – oczyszczanie powierzchni

Celem jest usuni

ę

cie zanieczyszcze

ń

powierzchniowych powstałych

podczas wcze

ś

niejszych etapów ci

ę

cia, szlifowania, polerowania

poprzez:
-

powierzchniowe

trawienie krzemu i płukanie mi

ę

dzy kolejnymi

etapami
- mycie ko

ń

cowe - procedura RCA

Odczynniki:
- woda dejonizowana (DI)
- NH

3

- H

2

O

2

- NaOH
- HF
- HCl
- rozpuszczalniki organiczne
- detergenty

5

3. Materiały półprzewodnikowe –

własno

ś

ci i wytwarzanie

25

Podło

ż

a krzemowe – oczyszczanie powierzchni

Zako

ń

czenie

powierzchni

Główne efekty

Metoda mokra

RCA

4-6 warstw SiO

2

Usuni

ę

cie zanieczyszcze

ń

organicznych, metalicznych i

innych cz

ą

stek

HF

H

-

Usuni

ę

cie cz

ą

stek tlenu

Metoda sucha

HF + H

2

O

F

-

Usuni

ę

cie cz

ą

stek tlenu

UV-Ozone Cleaning

OH

-

, SiO

-

Usuni

ę

cie cz

ą

stek CH

Plazma H

2

/Ar

H

-

Usuniecie cz

ą

stek C / O

Wygrzewanie

Usuni

ę

cie cz

ą

stek tlenu

3. Materiały półprzewodnikowe –

własno

ś

ci i wytwarzanie

26

Parametry podło

ż

y krzemowych

Najwa

ż

niejsze z nich to:

• typ przewodnictwa – n lub p oraz rodzaj domieszki (P, As, B...)

• rezystywno

ść

– od 100

Ω

cm do 0,001

Ω

cm

• koncentracja atomów zanieczyszcze

ń

(głównie metali) – poni

ż

ej 10

12

cm

-3

• koncentracja atomów w

ę

gla i tlenu – typowo 10

16

- 10

17

cm

-3

• g

ę

sto

ść

mikrodefektów sieci krystalicznej - poni

ż

ej granicy wykrywalno

ś

ci

najlepszymi narz

ę

dziami

• geometria, w szczególno

ś

ci parametry dotycz

ą

ce płasko

ś

ci powierzchni

• czysto

ść

powierzchniowa

Podło

ż

a krzemowe charakteryzuje ł

ą

cznie

ponad 30 parametrów