Kiselsubstrat - tillverkning

Transkript

1 Additiva Tekniker

2 Kiselsubstrat - tillverkning Czochralski crystal pulling method Kiselkristall som seed Drar sakta upp från ultraren kiselsmälta Float-zone crystal growth Långsamt roterande polykristallin stav RF värme spiral smälter lokalt kislet återkristalliseras till monokristallin

3 Kiselsubstrat - tillverkning Cutting wafers Andra substrat Pyrex (borosilicate glass); Bulk insulator, SOI, transparent GaAs; Epitaxy III-V Semiconductors SiC: Epitaxy III-V Semiconductors Sapphire;Epitaxy III-V Semiconductors Ceramic;Automotive industry

4 Oxidering Två typer Torr oxidering Si + O 2 => SiO 2 Våt oxidering Si+ 2H 2 O => SiO 2 + 2H 2 Temperaturer (600) C Ett oxidskiktet av tjocklek d har konsumerat 0.46d kisel Oxidtillväxt: Si {100} B = (1050 C våt) Si {111} B = (1050 C våt)

5 Dopning av kiselsubstrat Ledningsförmågan:σ=e(nµ e + pµ p ) Två metoder: Implatation: Joner accelereras genom magnetfält och elektriskt fält mot ytan Diffusion: Från gasfas (LPCVD), våt fas (doppning, sprayning eller spinning), ångfas. Temperaturökning nödvändring för att få dopningen att vandra in i ytan ( C).

6 Två huvudgrupper av deponering från gasfas Fysika metoder PVD (Physical Vapor Deposition) Direkt beskjutning Sputtring Förångning Molecular beam epitaxy Kemiska metoder CVD (Chemical Vapor Deposition) Diffusionsmetod XCVD

7 Förångning Bra vakuum krävs för at få god kvalité på det förångade lagret. Vid 10-5 Torr bildas det 4,4 kontaminerande monolager/s. Minskning av trycket med en tiopotens ger en minskning av det kontaminerande lagret med tiopotens Kontinuerlig tjockleksmätning: Ex: piezokristall

8 Förångning - Uppvärmning Tre olika metoder för uppvärmning a) Resistiv: Metal med lågt ångtryck (ex W) värms upp resistivt runt degeln. b) Induktion: RF induktionsspole värmer upp degeln. c) Elektronstråle: en elektronstråle fokuseras på metallen som smälter och förångas.

9 Förångning Jämförelse av värmekällor Värmekälla Resistiv Elektronstråle RF induktion laser Fördel ingen röntgenstrålning låg kontaminering ingen röntgenstrålning låg kontaminering, ingen röntgenstrålning Nackdel kontaminering röntgenstrålning kontaminering dyr tabell 3.7 Kontaminering: - Främst genom den uppvärmd degelväggens kontakt med den smälta metall. - Elektronstråle mer fokuserad på enbart metallen och ger lägre kontaminering.

10 Förångning - Beläggningshastighet och tjocklek Vid ett ångtryck för den smälta metallen på 0,1 Torr avges ungefär 1000 atomlager per sekund Beräkning av tjocklek: Plan montering: d Lutande montering: = d m 2ρπr 3 = d plan cos Θ θ d: förångad tjocklek r: avståndet mellan metallsmältan och substratet m: förångade massan ρ: metallens densitet θ: vinkel på substratet

11 Förångning Litografi, Skuggmask och multilager a) b) c) skugga Litografi: elektronkälla Skydda vissa delar av substratet med mönstrad resist. Skuggmask: Genom att luta substratet kan en mönstrad resist eller etsad substrat användas förr att styra var lagret byggs upp. Multilager: Flera lager av metall kan förångas på en skiva utan att öppna burken och bryta vakuumet om det finns flera deglar på ett revolverbord. På så sätt kan undvika att metallerna får ett oxidskikt skikt innan nästa deponeringen sker.

12 Sputtring Ag plasma Samma typ av kammare som vid etsning (DC, RF, magnetiskt förstärkt, se kap 2). Argonjoner (eller annan inert gas, ex. Xe) accelereras mot ett target där targetatomerna slås ut och deponeras på substratet Treshold för att slå ut atomerna

13 Sputtring - Egenskaper Ger jämn beläggning över stora ytor Det mesta kan sputtras IFM: Cu, Ni, Al 1%Si, Cr, l(95%)si(01%)cu(04%), Al 100%, Ir, Au, Ta, Pd, Ni 2 P, TiSi 2, SiO 2, Pt, TaSi 2, Si, Al 2 O 3,Y 2 O 3. Hög ankomstenergi ger god vidhäftning Substratet värms upp Rengörning av substrat möjlig genom polvändning (etsning). Reactive sputtering: Det sputtrade materialet kan modifiera genom att tillsätta en reaktiv gas i plasman Ex: Tillsatt syre + Ir target ger IrO x (ph känsligt material).

14 Förångning och Sputtring En Jämförelse Egenskap Hastighet Tjocklekskontroll Deponeringsmaterial Renhet Substrat värmning Ytskador Rengöring Byte av material Vidhäftning på substrat Skuggeffekter Filmegenskaperna Kapital Förångning + tusentals atomlager/s ganska svårt begränsat urval bra + nej + sällan (ev. med röntgen) ej möjligt + enkelt ofta dålig stora svåra att kontrollera + Billig Sputtring ca 1 atomlager/s + lätt + nästan obegränsat bra ja Jonbombardemang + polvändning byte av target + god små + Kontrollerbart Dyrare Madou: tabell 3.8

15 Molecular Beam Epitaxy (MBE) Lagret får samma kristallmönster som substratet (epi=lika, taxi=ordning) Växer långsamt (1 µm/h) Hetta upp substratet i ultrahögvakuum C, Torr Ström av atomer från upphettade källa

16 Chemical Vapor Deposition (CVD) Ett ämne tillförs i gasfas (ofta utspätt i inert gas). Energi tillförs och reaktionsprodukten fälls ut på substratet i fast form. Tillväxthastigheten begränsas antingen av processerna i gasfas eller de associerade med ytan.

17 CVD - Viktiga parametrar Gassammansättningen: - Bestämmer flaskhalsar Energitillförsel: - Påverkar reaktionshastigheterna i gasfasen och på ytan - Temperatur, plasma, laser. Trycket: - Påverkat fri medelväglängd Flödet: - Påverkar diffusionen Exempel på reaktioner: Kisel SiHCl 3 + H 2 => Si(s) + 3HCl Kiseldioxid SiH 4 + 2O 2 => SiO 2 (s) + H 2 O C Kiselnitrid 3SiH 4 + 4NH 3 => Si 3 N 4 (s) + 12H C

18 CVD - Stegtäckning Exempel på hur deponerad film täcker strukturer a) Uniform täckning: Snabb ytmigration. b) Icke uniform täckning: Lång fri medelväglängd och ingen ytmigration. c) Icke uniform täckning: Kort fri medelväglängd och ingen ytmigration. Fig 3.16b

19 Plasma-Enhanced CVD RF-inducerad plasma Ytreaktionsbegränsad Låg temperatur på substratet, god vidhäftning och stegtäckning Brett användningsområde

20 APCVD Tryck runt eller strax under en atmosfär Används ofta för epitaxi (Si, GaAs, InP ) Masstransportbegränsad Dålig stegtäckning, problem med föroreningar

21 Tryck under 10 Pa LPCVD Ytreaktionsbegränsad Bättre och jämnare stegtäckning Låg deponeringshastighet och hög temperatur

22 CVD-metoder PECVD (Plasma Enhanced CVD APCVD (Atmospheric Pressure CVD) Används ofta för VPE (Vapour Phase Epitaxy) LPCVD (Low Pressure CVD) VLPCVD (Very Low Pressure CVD) ECRCVD MOCVD (Metal Organic CVD) Anvädns ofta för VPE Spray Pyrolysis Liquid and Solid Phase Epitaxy HPCVD (High Pressure CVD) LCVD (Laser Induced CVD)

23 Översikt - CVD

24 Tillverka tunna filmer Deponera Sprid ut Spinn till önskad tjocklek (Härda) Fördelar Upprepningsbart Spin Coating Variera många parametrar Multilager (Helst olika lösningsmedel)

25 Spin Coating - Tjocklek Parametrar som påverkar tjocklek: Spinnhastighet (acceleration, sluthastighet) Lösningsmedlet (ångtryck, viskositet) Tiden Substratet Interferens mönster

26 Spin Coating - Problem a. Luftbubblor b. Kometmönster c. Virvelmönster d. Annan tjocklek kring centrum e. Ej heltäckande film f. Pinnhål

27 Microspotting och ink-jetting Användbara tekniker för organisk elektronik.

28 Cambridge Display Technology (CDT) och Epson < 10 pl droppstorlek Ca 55 µm sub-pixelstorlek 40 TV baserad på organsik lysdiod teknik (OLED)

29 Papperselektronik Ink-jet Rotating printing press, 200 µm Acreo/ Liu, Norrköping

30 GeneChip från Affymetrix Över 1,3 miljoner unika sekvenser Vanligen 25 baser Bygger en bas i taget Ljuskänslig substans

31 Proteiner som mask

32 Electroplating Ledande substrat krävs Reaktionen sker i elektrolytisk cell T.ex NiCl 2 i KCl lösning Ni deponeras vid den negativa katoden och Cl 2 bildas vid den positiva anoden

33 Electroless Metal Deposition Kemiskt deponering av tjocka metallager Reduktion Ni e - Ni Oxidation H 2 PO 2- + H 2 0 H 2 PO H + + 2e - Sammanlagda reaktionen Ni +2 + H 2 PO 2- + H 2 0 Ni + H 2 PO H +

34 Andra additiva tekniker Dip Coating Screen printing/silk- Screening Casting Langmuir-Blodgett, SAM Elektrokemisk deponering (senare) Electroless deposition (senare) Printing techniques (senare) Med flera

35 Översikt - Anvädningsområden Additive Bonding techniques Casting Chemical vapor deposition Dip coating Droplet delivery systems Electrochemical deposition Electroless deposition Electrophoresis Electrostatic toning Ion cluster deposition Ion implantation and diffusion of dopants Ion plating Laser deposition Liquid phase epitaxy (CVD) Material transformation (oxidation, nitridation, etc.) Molecular beam epitaxy (PVD) Plastic coatings Screen printing Silicon crystal growth Spin on Spray pyrolysis (CVD) Sputter deposition (PVD) Thermal evaporation (PVD) Thermal spray deposition from plasmas or flames Thermomigration Application 7740 glass to silicon Thick resist ( µm) Tungsten on metal Wire type ion selective electrodes Epoxy, chemical sensor membranes Copper on steel Vias Coating of insulation on heater wires Xerography Boron into silicon Superconductor compounds GaAs Growth of SiO, on Si GaAs Electronics packages Planar ion selective electrodes (ISES) Primary process Thin resist (0.1-2 µm) CdS on metal Gold on silicon Aluniinum on glass Coatings for aircraft engine parts and Zro2 sensors Aluminum contacts through silicon