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

5. Technologia procesów fotolitografii

2

Odwzorowanie kształtu - fotolitografia

Odwzorowanie kształtu - fotolitografia

Fotolitografia - proces umo

ż

liwiaj

ą

cy selektywne trawienie

warstw (strukturyzacj

ę

) i uzyskanie po

żą

danych kształtów np.

obszarów dyfuzyjnych,

ś

cie

ż

ek przewodz

ą

cych

Fotolitografia wykorzystuje:
• pozytywowy lub negatywowy fotorezyst (emulsj

ę

ś

wiatłoczuł

ą

)

• maski fotolitograficzne definiuj

ą

ce kształt struktur

• urz

ą

dzenia do na

ś

wietlania (mask-aligner, stepper)

Fotorezyst - materiał polimerowy, którego wła

ś

ciwo

ś

ci (w

szczególno

ś

ci odporno

ść

chemiczna) zmieniaj

ą

si

ę

pod wpływem

o

ś

wietlenia promieniowaniem UV.

5. Technologia procesów fotolitografii

3

Odwzorowanie kształtu - fotolitografia

Odwzorowanie kształtu - fotolitografia

Metody odwzorowywania kształtów

Wzór przenoszony

za pomoc

ą

emulsji

Wzór przenoszony

bez udziału emulsji

Metoda subtraktywna

litografia + trawienie

Metoda addytyna

litografia + odrywanie

Bezpo

ś

rednie trawienie

skanuj

ą

c

ą

wi

ą

zk

ą

jonow

ą

R

.

B

e

c

k

T

e

c

h

n

o

lo

g

ia

k

rz

e

m

o

w

a

,

P

W

N

1

9

9

1

5. Technologia procesów fotolitografii

4

Odwzorowanie kształtu - fotolitografia

Odwzorowanie kształtu - fotolitografia

emulsja

pozytywowa

emulsja

negatywowa

obszar naświetlany

naświetlanie

emulsji

maska

wywolywanie

wywolana emulsja

wywolana emulsja

5. Technologia procesów fotolitografii

5

Odwzorowanie kształtu - fotolitografia

Odwzorowanie kształtu - fotolitografia

TWORZENIE WARSTWY

TWORZENIE

WARSTWY

emulsja

TRAWIENIE

PO

FOTOLITOGRAFII

nieciąglość

USUWANIE

EMULSJI

Metoda

substraktywna

Metoda

substraktywna

Metoda

addytywna

Metoda

addytywna

podloże

5. Technologia procesów fotolitografii

6

Emulsja

ś

wiatłoczuła

Emulsja

ś

wiatłoczuła

Wymagania:
• du

ż

a czuło

ść

na promieniowanie o wybranej długo

ś

ci fali (np.

λ

= 436,

405, 365, 248, 193 nm)

• du

ż

y kontrast zapewniaj

ą

cy ostre kraw

ę

dzie (efekty dyfrakcyjne przy

odtwarzaniu małych struktur)

• kompatybilno

ść

z technologi

ą

krzemow

ą

(łatwo

ść

nakładania /

wywoływania / usuwania, brak zanieczyszcze

ń

)

• mała absorpcja

ś

wiatła (fotorezyst musi jednakowo na

ś

wietla

ć

si

ę

w

ró

ż

nych odległo

ś

ciach od powierzchni)

• minimalne odbicie

ś

wiatła, szczególnie od powierzchni fotorezyst-

podło

ż

e

• odporno

ść

na działanie roztworów trawi

ą

cych warstwy (np. HF) oraz

bombardowanie jonowe podczas implantacji

2

5. Technologia procesów fotolitografii

7

Wymiar krytyczny (critical dimension, CD)

Wymiar krytyczny (critical dimension, CD)

Wymiar krytyczny (CD) to wielko

ść

najmniejszej struktury mo

ż

liwej do odtworzenia,

np. odległo

ść

pomi

ę

dzy dwoma liniami metalizacji

CD

≈≈≈≈ λλλλ

/ 2·N

A

Gdy

λ

= 0,4

µ

m i N

A

= 0,6

⇒

CD = 0,33

µµµµ

m

λ

- długo

ść

fali

ś

wiatła

N

A

- apertura układu optycznego (rz

ę

du 0,6 - 1)

5. Technologia procesów fotolitografii

8

Algorytm procesu fotolitografii

Algorytm procesu fotolitografii

R

.

B

e

c

k

T

e

c

h

n

o

lo

g

ia

k

rz

e

m

o

w

a

,

P

W

N

1

9

9

1

Nakładanie

emulsji

Wst

ę

pne

suszenie emulsji

Centrowanie

i na

ś

wietlenie

Wywołanie

emulsji

Kontrola wywołania

pod mikroskopem

Usuwanie

emulsji

Czy płytka

przeszła kontrol

ę

Suszenie

ko

ń

cowe emulsji

Kontrola wywołania

pod mikroskopem

Czy płytka

przeszła kontrol

ę

Usuwanie

emulsji

Ko

ń

cowa ocena

skutków trawienia

Czy płytka

przeszła kontrol

ę

Pocz

ą

tek

procesu

Koniec

procesu

Odrzuty

Trawienie warstwy

TAK

TAK

TAK

NIE

NIE

NIE

5. Technologia procesów fotolitografii

9

Urz

ą

dzenia do na

ś

wietlania - mask aligner

Urz

ą

dzenia do na

ś

wietlania - mask aligner

Układ optyczny w urz

ą

dzeniu

mask-aligner

Urz

ą

dzenie do na

ś

wietlania typu mask-aligner

5. Technologia procesów fotolitografii

10

Urz

ą

dzenia do na

ś

wietlania - wafer stepper

Urz

ą

dzenia do na

ś

wietlania - wafer stepper

Układ optyczny w

urz

ą

dzeniu wafer stepper

Urz

ą

dzenie do na

ś

wietlania typu wafer

stepper

5. Technologia procesów fotolitografii

11

Maski do fotolitografii

Maski do fotolitografii

Maska stosowana w urz

ą

dzeniu typu

mask-aligner - jednoczesne na

ś

wietlenie

całej płytki

Maska stosowana w urz

ą

dzeniu typu

wafer stepper - na

ś

wietlanie kolejnych

chipów krok po kroku

5. Technologia procesów fotolitografii

12

Przykład procesu fotolitografii

Przykład procesu fotolitografii

Materiał wyj

ś

ciowy: warstwa SiO

2

na podło

ż

u Si

Zadanie: wytrawienie okien w warstwie SiO

2

Metoda: fotolitografia i trawienie SiO

2

3

5. Technologia procesów fotolitografii

13

Przykład procesu fotolitografii

Przykład procesu fotolitografii

• rozprowadzenie fotorezystu (wirówka, 3000 - 5000 min

-1

)

• suszenie wst

ę

pne (ok. 90°C)

5. Technologia procesów fotolitografii

14

Przykład procesu fotolitografii

Przykład procesu fotolitografii

• na

ś

wietlanie fotorezystu przez mask

ę

w mask-alignerze

5. Technologia procesów fotolitografii

15

Przykład procesu fotolitografii

Przykład procesu fotolitografii

• wywołanie fotorezystu w roztworze

wywołuj

ą

cym (emulsja negatywowa)

• suszenie ko

ń

cowe (ok. 120

o

C)

5. Technologia procesów fotolitografii

16

Przykład procesu fotolitografii

Przykład procesu fotolitografii

• trawienie odsłoni

ę

tej warstwy SiO

2

za pomoc

ą

kwasu fluorowodorowego (HF)

5. Technologia procesów fotolitografii

17

Przykład procesu fotolitografii

Przykład procesu fotolitografii

• usuni

ę

cie fotorezystu (rozpuszczalnik zale

ż

ny od

rodzaju fotorezystu)

Rezultat: warstwa SiO

2

jest cz

ęś

ciowo usuni

ę

ta zgodnie

ze struktur

ą

maski fotolitograficznej

5. Technologia procesów fotolitografii

18

Lay-out pojedynczego inwertera CMOS

Lay-out pojedynczego inwertera CMOS

Lay-out zawiera informacje o strukturze

wszystkich warstw

4

5. Technologia procesów fotolitografii

19

Lay-out komórki pami

ę

ci

Lay-out komórki pami

ę

ci

Projektowanie i optymalizacja struktur

półprzewodnikowych realizowane jest z u

ż

yciem

specjalizowanego oprogramowania (np. programu

Cadence, Electric)

5. Technologia procesów fotolitografii

20

Electric VLSI Design System

Electric VLSI Design System

http://www.staticfreesoft.com

• sprawdzanie

poprawno

ś

ci

technologicznej i

elektrycznej

• symulacje

• generacja layout’u

• technologie nMOS,

CMOS, Bipolar, BiCMOS

5. Technologia procesów fotolitografii

21

Schemat inwertera – oprogramowanie Cadence

Schemat inwertera – oprogramowanie Cadence

5. Technologia procesów fotolitografii

22

Layout inwertera – oprogramowanie Cadence

Layout inwertera – oprogramowanie Cadence

5. Technologia procesów fotolitografii

23

Layout modułu układu scalonego

Layout modułu układu scalonego

5. Technologia procesów fotolitografii

24

Layout układu scalonego

Layout układu scalonego

5

5. Technologia procesów fotolitografii

25

Układ scalony w obudowie

Układ scalony w obudowie