1. Definicje mikro- i nanotechnologii - uzupełniony [tryb zgodności]

Projekt współfinansowany przez Uni

Europejsk

w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

Mikro- i nanotechnologie

1. Definicje mikro- i nanotechnologii

dr in

. Andrzej Kubiak

Mikro- i nanotechnologie

1. Definicje mikro- i nanotechnologii

dr in

. Andrzej Kubiak

Politechnika Łódzka, ul.

eromskiego 116, 90-924 Łód

, tel. (042) 631 28 83

www.kapitalludzki.p.lodz.pl

Projekt współfinansowany przez Uni

Europejsk

w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

1. Definicje mikro- i nanotechnologii

Mikrotechnologia jest terminem obejmuj

cym zagadnienia

projektowanie i wytwarzania wszelkiego rodzaju materiałów i
struktur charakteryzuj

cych si

bardzo małymi wymiarami,

du pojedynczych mikrometrów.

Mikrotechnologia jest

le zwi

zana z rozwojem przemysłu

elektronicznego na bazie struktur półprzewodnikowych
(mikroelektronika). Historycznie wyrosła ona z radiotechniki,
w której punktem zwrotnym było pojawienie si

pierwszego

tranzystora bipolarnego w roku 1947.

Mikrotechnologia

Projekt współfinansowany przez Uni

Europejsk

w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

1. Definicje mikro- i nanotechnologii

Mikroelektronika

Mikroelektronika obejmuje nast

puj

ce obszary:

- teori

i konstrukcj

przyrz

dów i układów, których działanie oparte jest na

zjawiskach zachodz

cych w półprzewodnikach, dielektryka i magnetykach, w

spektrum cz

stotliwo

ci a

do sygnałów mikrofalowych

- metody wytwarzania przyrz

dów i układów elektronicznych

- tworzenie i stosowanie metod i narz

dzi in

ynierii komputerowej stosowanych do

analizy i projektowania przyrz

dów elektronicznych, układów scalonych

(cyfrowych, analogowych, VLSI, hybrydowych) oraz zaawansowanych technologii
mikroelektronicznych

- konstruowania i wykorzystywania skomputeryzowanych systemów pomiarowych

w zakresie bada

materiałowych, testowania przyrz

dów, układów i technologii

oraz miernictwa mikrofalowego

Projekt współfinansowany przez Uni

Europejsk

w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

1. Definicje mikro- i nanotechnologii

Historia mikroelektroniki

- XII. 1947 – uruchomienie pierwszego

germanowego tranzystora bipolarnego w
Bell Labs (William Shockley, John
Bardeen, Walter Brattain)

1953 - na rynku pojawia si

pierwsze

komercyjne urz

dzenie wykorzystuj

tranzystor - aparat słuchowy

- X.1954 - na rynku pojawia si

pierwsze radio

tranzystorowe, Regency TR1, zawieraj

cztery tranzystory germanowe

Projekt współfinansowany przez Uni

Europejsk

w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

1. Definicje mikro- i nanotechnologii

Historia mikroelektroniki

1960 – pierwszy tranzystorowy telewizor Sony TV8-
301

IV 1961: Pierwszy patent na obwód scalony

1962 - Steven Hofstein i Frederic Heiman wytwarzaj

pierwszy tranzystor polowy – MOSFET

VII 1968: Robert Noyce i Gordon Moore zakładaj

now

firm

o nazwie Intel (skrót od: integrated

electronics).

VII 1969: Pierwsza tranzystorowa technologia
krzemowej bramki PMOS. Tranzystory te u

ywaj

tradycyjnego dielektryka bramki w postaci dwutlenku
krzemu (SiO2), ale wprowadzaj

nowe, polikrzemowe

elektrody bramki

ródło: Intel

Projekt współfinansowany przez Uni

Europejsk

w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

1. Definicje mikro- i nanotechnologii

Historia mikroelektroniki

1971: Intel wprowadza do sprzeda

y swój

pierwszy mikroprocesor – 4004. Miał on wymiary
0,32 cm na 0,16 cm, zawierał nieco ponad 2000
tranzystorów i był produkowany w 10-mikronowej
technologii PMOS.

1978: 16-bitowy procesor 8088 (29 000
tranzystorów i działa z szybko

5 MHz, 8 MHz

lub 10 MHz). Kluczowa umowa z działem
komputerów osobistych IBM podpisana w 1981
roku przewiduje,

e mikroprocesor Intel 8088

dzie mózgiem nowego, przebojowego produktu

IBM — IBM PC. Dzi

ki sukcesowi procesora 8088

Intel trafia na list

Fortune 500, a magazyn

Fortune zalicza firm

do „triumfów biznesowych lat

siedemdziesi

tych”.

ródło: Intel

Projekt współfinansowany przez Uni

Europejsk

w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

1. Definicje mikro- i nanotechnologii

Historia mikroelektroniki

1982: Na rynku pojawia si

mikroprocesor 286,

znany równie

jako 80286, który mo

wykonywa

całe oprogramowanie napisane z

o jego poprzedniku. Procesor 286

zawiera 134 000 tranzystorów i działa z
szybko

6 MHz, 8 MHz, 10 MHz lub 12,5

MHz.

1985: Intel wprowadza do sprzeda

mikroprocesor 386 który zawiera 275 000
tranzystorów — ponad 100 razy wi

cej ni

4004.

Jest to układ 32-bitowy, który obsługuje
wielozadaniowo

ść

, co znaczy,

e mo

wykonywa

wiele programów jednocze

nie.

ródło: Intel

Projekt współfinansowany przez Uni

Europejsk

w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

1. Definicje mikro- i nanotechnologii

Historia mikroelektroniki

1993: Na rynku pojawia si

procesor Intel

Pentium, który zawiera 3 miliony tranzystorów i
jest produkowany w technologii 0,8µm

II 1999: Wprowadza do sprzeda

y procesor

Pentium III — struktury o boku 2,5 cm, która
zawiera ponad 9,5 miliona tranzystorów i jest
wytwarzana w technologii 0,25 µm

I 2002: Pojawia si

procesor Intel Pentium 4,

który działa z szybko

2,2 miliarda cykli na

sekund

i jest przeznaczony do wydajnych

komputerów stacjonarnych. Procesor jest
produkowany w technologii 0,13µm i zawiera 55
milionów tranzystorów.

ródło: Intel

Projekt współfinansowany przez Uni

Europejsk

w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

1. Definicje mikro- i nanotechnologii

Historia mikroelektroniki

V 2005: Debiutuje pierwszy dwurdzeniowy procesor
Intela przeznaczony na rynek masowy, Intel Pentium
D. Zawiera on 230 milionów tranzystorów i jest
wytwarzany w procesie produkcyjnym 90 nm

VII 2006: Do sprzeda

y trafia dwurdzeniowy Dual-

Core Intel Itanium 2 o (jak dotychczas) najbardziej
skomplikowanej konstrukcji, zawieraj

cy ponad 1,72

miliarda tranzystorów. Procesory te s

produkowane

w technologii 90 nm.

I 2007: Czterordzeniowy procesor Quad-Core Intel
Xeon taktowane sygnałem o cz

stotliwo

ci 3Ghz,

zawieraj

cy 820 mln tranzystorów, wykonany w

technologii 45nm

ródło: Intel

Projekt współfinansowany przez Uni

Europejsk

w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

1. Definicje mikro- i nanotechnologii

Nanotechnologia to termin obejmuj

cy projektowanie i tworzenie materiałów i

struktur, których co najmniej jeden wymiar jest zbli

ony do wymiarów

pojedynczych atomów.

Granic

pomi

dzy mikro- i nanotechnologi

jest wymiar 100nm.

Ze wzgl

du na liczb

wymiarów charakteryzowanych w nanometrach,

nanostruktury mo

na podzieli

na ograniczone:

- w trzech wymiarach (krzem nanoporowaty, kropki kwantowe, nanocz

stki)

- w dwóch wymiarach (nanorurki, nanowłókna)

- w jednym wymiarze (nanowarstwy, nanopłytki)

Nanotechnologia

Projekt współfinansowany przez Uni

Europejsk

w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

1. Definicje mikro- i nanotechnologii

Nanotechnologia

NANOMETR:

1/1 000 000 000 metra (10

-9

)

1/1 000 000

rednicy łebka od szpilki

1/1 000 długo

ci bakterii

10 atomów wodoru uło

onych jeden za drugim

ró

ło

ll_

Projekt współfinansowany przez Uni

Europejsk

w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

1. Definicje mikro- i nanotechnologii

Historia nanotechnologii

- 1959 – dr Richar Feynman przedstawia
koncepcj

miniaturyzacji oraz mo

liwo

tkwi

cych w wykorzystaniu technologii

mog

cej operowa

na poziomie

nanometrowym

- 1981 – pierwszy mikroskop skaningowy
(SPM Scanning Probe Microscopes),
pozwalaj

cy obserwowa

pojedyncze atomy

•- 1985 odkrycie fulerenów – stabilnych
molekuł w kształcie zamkni

tej, pustej w

rodku kuli zbudowanej z w

gla

Projekt współfinansowany przez Uni

Europejsk

w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

1. Definicje mikro- i nanotechnologii

Historia nanotechnologii

- IV 1990 – udane pozycjonowanie atomów

na powierzchni metalu za pomoc

STM

przez naukowców z IBM

- 1992 - odkrycie nanorurek w

glowych -

pustych w

rodku, walcowych struktur o

niezwykłych własno

ciach fizycznych

- XXI w. – intensywne badania dotycz

ró

nych obszarów nauki, m.in.dotycz

DNA, in

ynierii materiałowej,

Projekt współfinansowany przez Uni

Europejsk

w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

1. Definicje mikro- i nanotechnologii

- Techniki informacyjne (struktury elektroniczne i fotoniczne, wy

wietlacze);

- Systemy rozprowadzania leków (poł

czenia lek-polimer, nanocz

stki, liposomy i polimerowe

micele, dendrymery organiczne);

- In

ynieria tkankowa, implanty i urz

dzenia medyczne (w tym zewn

trzne implanty tkankowe,

urz

dzenia do testów in vivo itp.);

- Szeroko pojmowana in

ynieria materiałowa (nanomateriały, nanokompozyty, warstwy bioczułe);

- Instrumenty i oprzyrz

dowanie do realizacji nanotechnologii (np. ró

nego rodzaju mierniki

wielko

ci nano-);

- Sensory i aktuatory (w tym diagnostyka medyczna i implanty),

- Ochrona

rodowiska

- Badania kosmiczne

- Energetyka

- …

Obszary zastosowa

nanotechnologii

Obszary zastosowa

nanotechnologii

Projekt współfinansowany przez Uni

Europejsk

w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

1. Definicje mikro- i nanotechnologii

Top-down (klasyczna) - miniaturyzacja wi

kszych struktur za pomoc

rozdrabniania mechanicznego materiałów (mielenie, ci

cie) b

ich

trawienia

wykorzystaniem

techniki

litografii

stosowanej

m.in.

mikroelektronice)

Bottom-up (przyroda) - tworzenie materiałów i urz

dze

z pojedynczych

atomów czy cz

steczek. W metodzie tej wykorzystuje takie techniki, jak

osadzanie z fazy gazowej (osadzanie fizyczne, osadzanie chemiczne),

osadzanie wspomagane plazmowo, epitaksja z wi

zki molekularnej,

synteza chemiczna z fazy ciekłej (metody str

ceniowe, metody zol-

el),

osadzanie elektrolityczne.

Techniki wytwarzania nanoobiektów

Projekt współfinansowany przez Uni

Europejsk

w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

1. Definicje mikro- i nanotechnologii

Klasyczne, wynikaj

ce z reguł skalowania (przyrz

dowe, materiałowe,

układowe, systemowe – dotycz

w głównej mierze przyrz

dów

elektronicznych);

Fundamentalne
- manifestacja zjawisk i oddziaływa

nie obserwowanych w wi

kszych

skalach,

- efekty kwantowe (ziarnisto

ść

materii, termodynamika),

- efekty obserwowane zarówno w mikro-, jak i w makro

wiecie.

Problemy z redukcj

wymiarów

Problemy z redukcj

wymiarów

Projekt współfinansowany przez Uni

Europejsk

w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

1. Definicje mikro- i nanotechnologii

1965r. - Prawo Moore’a

„Liczba tranzystorów umieszczonych w układach scalonych

ulega podwojeniu co dwa lata”

- coraz mniejsze elementy w procesie produkcji struktur półprzewodnikowych

ródło: Intel

Projekt współfinansowany przez Uni

Europejsk

w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

1. Definicje mikro- i nanotechnologii

Prawo Moore’a obecnie

W najbli

szej przyszło

ci utrzymanie tak wysokiego tempa rozwoju technologii

krzemowej nie b

dzie mo

liwe i prawo Moore’a nie b

dzie ju

spełnione. Nie

stanie si

to nagle, b

dzie to raczej trwaj

cy proces spowalniania polepszania

pewnych parametrów, jak szybko

ść

czy pojemno

ść

Przyczyny:

- rozmiary elementarnych struktur półprzewodnikowych nie mog

zmniejsza

w niesko

czono

ść

: w pewnym momencie takie tranzystory musiałyby by

mniejsze od atomów

- sko

czona pr

dko

ść

wiatła, stawiaj

ca nieprzekraczaln

barier

minimalnego czasu potrzebnego na nawi

zanie komunikacji mi

dzy oddalonymi

od siebie elementami struktur mikroelektronicznych

Projekt współfinansowany przez Uni

Europejsk

w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

1. Definicje mikro- i nanotechnologii

Rozwój mikroelektroniki

Charakterystyczne dla rozwoju
mikroelektroniki s

dwa trendy:

- Zwi

kszanie rozmiarów podło

y (płytek)

krzemowych, na których produkowane s

struktury półprzewodnikowe

- Zmniejszanie wymiaru pojedynczych
struktur elementarnych (np. tranzystorów
MOS), pozwalaj

ce na wi

ksze

upakowanie elementów
półprzewodnikowych na tej samej
powierzchni podło

Projekt współfinansowany przez Uni

Europejsk

w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

1. Definicje mikro- i nanotechnologii

Zwi

kszanie rozmiarów podło

Zwi

kszanie rozmiarów podło

- koszt pojedynczego procesu

technologicznego nie jest

zwi

zany ze

rednica podło

- wi

ksze podło

a -> ni

szy

jednostkowy koszt wytwarzania
struktur półprzewodnikowych

Projekt współfinansowany przez Uni

Europejsk

w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

1. Definicje mikro- i nanotechnologii

Zwi

kszanie rozmiarów podło

Zwi

kszanie rozmiarów podło

1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000

…

300mm

(706mm

)

200mm

(314mm

)

150mm

(176mm

)

50mm

(19mm

)

75mm

(44mm

)

100mm

(78mm

)

125mm

(122mm

)

pierwsze podło

a –

rednica 1, 1.5, 2 cale

systematyczny wzrost rozmiarów podło

obecnie stosowane s

podło

a o

rednicy

200 mm (8”) i 300 mm (12”) - > 3B$/Fab

planowana produkcja podło

y 450mm w

roku 2012

Projekt współfinansowany przez Uni

Europejsk

w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

1. Definicje mikro- i nanotechnologii

Zmniejszanie wymiaru krytycznego

Pami

ęć

RAM

1967 - 64 bit
1984 - 1Mb
1995 - 1Gb

Procesory:
1971 - 2000 tranzystorów
1988 - 1M tranzystorów
1998 - 100M tranzystorów

- co 2 – 3 lata pojawia si

nowa generacja układów (technologii)

- ka

da nowa generacja umo

liwia 4-krotnywzrost pojemno

ci pami

ci i 2-, 3-

krotny wzrost liczby elementów w układach logicznych
- co dwie generacje (5 – 6 lat) wymiar krytyczny zmniejsza si

dwukrotnie

- co dwie generacje podwaja si

m.in.. szybko

ść

bramek logicznych, powierzchnia

struktur, liczba wyprowadze

sygnałowych

- nast

puje przej

cie od mikro- do nanotechnologii – obecnie wymiar krytyczny to

65 - 45 nm

ródło: http://www.tf.uni-kiel.de/matwis/amat/semitech_en/index.html

Projekt współfinansowany przez Uni

Europejsk

w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

1. Definicje mikro- i nanotechnologii

Technologie mikroelektroniki

Elementy układu scalonego s

zbudowane z obszarów (wysp) krzemu

podło

owego o lokalnie zmodyfikowanych wła

ciwo

ciach elektrycznych oraz

naniesionych na podło

e warstw dielektrycznych i przewodz

cych.

W technologii planarnej elementy te powstaj

w wyniku zastosowania

powtarzanych wielokrotnie zestawów operacji technologicznych
wykonywanych głównie na górnej płaszczy

nie płytki podło

owej.

Przykładowa struktura

wykonana w technologii

planarnej - tranzystor

MOS (Metal – Oxide -

Semiconductor)

ródło: http://www.tf.uni-kiel.de/matwis/amat/semitech_en/index.html

Projekt współfinansowany przez Uni

Europejsk

w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

1. Definicje mikro- i nanotechnologii

Technologie mikroelektroniki

Zamykanie

obudowy

i testy końcowe

Lutowanie

połączeń do

wyprowadzeń

Montaż

struktury

do obudowy

Cięcie płytki

na struktury

Pomiary

ostrzowe

Wyciąganie

monokryształu

Cięcie,

polerowanie

Domieszkowanie,

utlenianie,

osadzanie warstw

Odwzorowanie

kształtów

(fotolitografia)

Trawienie

Projekt współfinansowany przez Uni

Europejsk

w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

1. Definicje mikro- i nanotechnologii

Technologie mikroelektroniki

Dodawanie

Usuwanie

Ogrzewanie

Maskowanie

Implantacja jonowa

Dyfuzja

Utlenianie

Cienkie warstwy

CVD

PVD

Galwanizacja

Epitaksja Polisilikon

Dielektryki

Metale

Mycie

Trawienie

Polerowanie CMP

Zmywanie

Trawienie selektywne

Struktura

półprze-

wodnikowa

Wygrzewanie

Rozpływanie

Stapianie

Metalizacja

Suszenie

Poimplantacyjne

Fotolitografia

Nakładanie fotorezystu

wietlanie

Wywoływanie

Projekt współfinansowany przez Uni

Europejsk

w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

1. Definicje mikro- i nanotechnologii

Aspekt ekonomiczny

Mikro- i nanotechnologia słu

y wytwarzaniu produktów!

Fabryka (typowo >$1B 8”fab):

Clean-room,

sprz

t technologiczny (>$1M/szt),

logistyka

Materiały:

- krzem

- odczynniki

Gotowe struktury

Ludzie

know-how

X+?

Odpady

Energia

Zysk ?

Regulcje

prawne

Projekt współfinansowany przez Uni

Europejsk

w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

1. Definicje mikro- i nanotechnologii

Uzysk dla całych płytek:

Uzysk dla pojedynczych struktur :

Uzysk dla gotowych elementów :

Uzysk całkowity, Y

- decyduj

cy wska

nik rentowno

ci firmy:

Uzysk na poszczególnych etapach produkcji

total

good

Wafers

total

good

Dies

total

good

Chips

Projekt współfinansowany przez Uni

Europejsk

w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

1. Definicje mikro- i nanotechnologii

Koszty:

- podło

e 8” - ~$150/płytk

- processing - ~ $1200 ($2/płytk

/proces, 600 procesów)

- packaging - ~$5/struktur

Przychody:

- ~200 struktur/płytk

- ~ $50/struktur

(typowy mikroprocesor)

* koszt podło

y, processingu i pakowania w obudowy, warto

ść

mikroprocesora -

warto

ci orientacyjne

Kiedy firmy zarabiaj

, a kiedy trac

Kiedy firmy zarabiaj

, a kiedy trac

Projekt współfinansowany przez Uni

Europejsk

w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

1. Definicje mikro- i nanotechnologii

Koszty:

- uzysk 100%: 150 + 1200+1000 = $2350 / płytk

- uzysk 50%: 150 + 1200 + 500 = $1850 / płytk

uzysk 0%: 150 + 1200 = $1350 / płytk

Przychody:

- uzysk 100%: 200 x 50 = $10000 / płytk

- uzysk 50%: 100 x 50 = $5000 / płytk

uzysk 0%: 0x 50 = $0 / płytk

Zysk /

strata:

- uzysk 100%: 10000 - 2350 = $7650 / płytk

- uzysk 50%: 5000 - 185 = $3150 / płytk

uzysk 0%: 0 -1350 = - $1350 / płytk

Kiedy firmy zarabiaj

, a kiedy trac

Kiedy firmy zarabiaj

, a kiedy trac

Projekt współfinansowany przez Uni

Europejsk

w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

1. Definicje mikro- i nanotechnologii

• Wynosi on 99% razy 99% razy 99% razy 99% … -> 600 razy

• 0,99

600

= 0,024 = 0,24%

• praktycznie nie ma szans na działaj

cy układ!

Pytanie:

Uzysk

pojedynczego procesu

Uzysk całkowity

po 600 procesach

99,00%

0,24%

99,90%

54,86%

99,99%

94,17%

li uzysk dla ka

dego pojedynczego procesu wynosi 99%,

jaki jest całkowity uzysk po przeprowadzeniu 600 takich procesów?

Projekt współfinansowany przez Uni

Europejsk

w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

1. Definicje mikro- i nanotechnologii

Wpływ defektów na uzysk

Defekty krytyczne

Projekt współfinansowany przez Uni

Europejsk

w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

Istnieje szereg modeli pozwalaj

cych powi

uzysk z warunkami procesu:

• Model podstawowy (Poissona)

D –

rednia g

sto

ść

defektów na jednostk

powierzchni

A – powierzchnia struktury

• Model Murphy’ego

• Model dla n procesów (Bose-Einsteina)

1. Definicje mikro- i nanotechnologii

Wpływ defektów na uzysk

−

)

(













−

Projekt współfinansowany przez Uni

Europejsk

w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

1. Definicje mikro- i nanotechnologii

Model dwumianowy – pozwalaj

na uwzgl

dnienie grupowania

defektów

D –

rednia g

sto

ść

defektów na

jednostk

powierzchni

A – powierzchnia struktury

– clustering coefficient

ANF= D·A –

rednia ilo

ść

defektów

Wpływ defektów na uzysk











