Materiály a technológie 09 Polovodičové materiály

Materiály a technológie 09 Polovodičové materiály
Tematické okruhy Základné metódy tvorby priechodu PN: Zlievanie Difúzia Epitaxia Iónová implantácia Princíp tvorby Vlastnosti Koncentračný profil Výrobné postupy a príprava polovodičových plátkov Výroba monokryštálov Czochralského metóda Zonálna rafinácia Rezanie, brúsenie, leštenie plátkov Litografia - fotolitografia Vrstvové technológie: Tenkovrstvové techniky naparovanie naprašovanie anodická oxidácia zrážanie z plynnej fáze Hrubovrstvové techniky sieťotlač

PN priechod PRIECHOD POLOVODIČ - POLOVODIČ Prieraz PN priechodu záverný smer - kritická hodnota záverného napätia lavínový prieraz tepelný prieraz prieraz elektrickým poľom - Zenerov, tunelový jav Zdroj elektrickej energie Potenciálová bariéra zabraňuje prechodu majoritných nosičov náboja. Odpor bariéry sa mení v závislosti od účinku elektrického poľa. Trvalý rozdiel potenciálov bariéry môžeme udržať: tepelnou energiou energiou žiarenia Priechod PN potom môže pracovať ako zdroj elektrickej energie = fotoelektrický článok (solárna batéria) = termoelektrický článok (ohrievanie, chladenie)

PN priechod PRIECHOD POLOVODIČ - POLOVODIČ Fotoelektrický článok svetelné kvantá pôsobia na oblasť N = generácia párov elektrón - diera vnútorné elektrické pole od seba oddeľuje elektróny a diery elektróny zostávajú v oblasti N po uzatvorení vonkajšieho elektrického obvodu: - + Ed P N h. R Vd WF elektróny týmto obvodom prechádzajú a vykonávajú prácu diery prechádzajú závernou vrstvou do oblasti P Požiadavky - čistota a dokonalosť materiálu (monokryštál) Účinnosť - teoretická 25 až 44% - praktická pohybuje sa okolo 25%

PN priechod PRIECHOD POLOVODIČ - POLOVODIČ Termoelektrický článok nie klasický priechod PN polovodiče typu P a N sú prepojené kovovou doštičkou M Princíp: ohrievaním spoja PN sa uvoľňujú v polovodiči N elektróny a v polovodiči P diery pohyb smerom ku chladnejšiemu koncu dôsledkom pohybu nosičov náboja z teplejšieho ku chladnejšiemu koncu je, že oblasť s vysokou teplotou má opačný náboj ako je náboj majoritných nosičov v danom type materiálu

PN priechod PRIECHOD POLOVODIČ - POLOVODIČ Termoelektrický chladič inverzný jav k predchádzajúcemu priechodom trvalého prúdu sa jeden priechod PN ohrieva a druhý ochladzuje Princíp: na teplejšom spoji existuje väčšia pravdepodobnosť zrážok voľných nosičov náboja s mriežkou (priepustný pre elektróny) na chladnejšom spoji je menšia pravdepodobnosť zrážok voľných nosičov náboja s mriežkou (priepustný pre diery – utlmujú tepelné kmity mriežky)

PN priechod PRIECHOD POLOVODIČ - POLOVODIČ P N M Th Tch CH G R

PN priechod PRIECHOD POLOVODIČ - POLOVODIČ Zdroj elektromagnetického žiarenia Prechod elektrónu z valenčného do vodivostného pásu = generácia páru elektrón – diera dodanie energie – tepelná, svetelná, elektrické pole, ... Prechod elektrónu z vodivostného do valenčného pásu = rekombinácia páru elektrón diera (zánik) uvoľnenie energie vo forme elektromagnetického žiarenia Rekombinácia prevažuje nad generáciou: vo vodivostnom páse je väčšia koncentrácia elektrónov ako odpovedá tepelnej generácii dochádza k injekcii elektrónov dochádza k vzniku inverzie v obsadení nosičov náboja vo vodivostnom a valenčnom páse v oblasti PN priechodu je množstvo nosičov náboja s vysokými energetickými stavmi

PN priechod PRIECHOD POLOVODIČ - POLOVODIČ WC WF WV P N E = 0 E h.  svietivosť Stimulovaná emisia Spontánna emisia

PN priechod PRIECHOD POLOVODIČ - POLOVODIČ Priepustný smer: trvalý tok elektrónov do oblasti P – rekombinácia s dierami trvalý tok dier do oblasti N – rekombinácia s elektrónmi dlhá doba života minoritných nosičov (elektróny v P, diery v N) = premena rekombinačnej energie na teplo krátka doba života minoritných nosičov (polovodiče typu AIIIBV) = uvoľňovanie žiarivej energie = elektroluminiscencia – injekčná luminiscencia, spontánna emisia indukovaná emisia = prechod elektrónu z vodivostného do valenčného pásu a uvoľnenie fotónu vyvolá primárny fotón = luminiscenčné javy LED – diódy so spontánnou emisiou nekoherentné žiarenie menšia účinnosť väčšia šírka svetelného spektra LASER – diódy so stimulovanou emisiou koherentné žiarenie – veľmi úzka šírka svetelného spektra energeticky účinnejšie

priechod pn Pásová štruktúra P N WF Vd WF _ + Ed d

priechod pn Pásová štruktúra WF Vd - U _ + Ed E - WF Vd - U _ + Ed E -

priechod pn Koncentračné, nábojové a potenciálové pomery ND - NA x Lineárny koncentračný profil -NA Skokový koncentračný profil n0n p0n n0p p0p n, p x -x1 x2 U -x1 x2 -d1 d2 dn dS dP dSn dSP Oblasť objemového odporu Oblasť priestorového náboja P N q x + - +q.ND -q.NA -x1 x2

priechod pn anóda katóda NA = ND = 1021 Koncentračný profil n, p pp nn NA = ND ni np pn x

priechod pn anóda katóda NA = 1022 ND = 1020 Koncentračný profil n, p NA ND ni x

priechod pn Volt-ampérová charakteristika -U U I -I

priechod pn Technológie vytvorenia zlievanie (legovanie) Postup: Presné množstvo (pilulka, pelety) dotovacieho (akceptorového) materiálu položíme na vopred dotovanú (N, P) polovodičovú platničku v mieste tvorby PN priechodu. Fixácia pomocou grafitovej masky. Vytvorené zoskupenie (polovodičová platnička, pilulka, maska) vložíme do legovacej pece vyhriatej na požadovanú teplotu. Akceptorová prímes sa na stykovej ploche čiastočne rozpustí spolu s polovodičovým kryštálom. Počas ochladzovania postupne klesá rozpustnosť polovodičového materiálu, roztok sa stáva presýteným a polovodičový materiál kryštalizuje. Rekryštalizácia prebieha monokryštalicky s rovnakou orientáciou, ako má neroztavený materiál. Rekryštalizovaný materiál je dotovaný prímesami a vzniká približne stupňovitý PN priechod. Na stanovenie hĺbky PN priechodu vytvorenej pri určitej teplote a geometrii usporiadania je dôležité spoznať rozpustnosť polovodičových materiálov v rôznych dotovacích látkach. Difúzne procesy hrajú pri legovaní významnú úlohu iba pri veľmi úzkych PN priechodoch.

priechod pn Technológie vytvorenia zlievanie (legovanie) Akceptorová prímes N Maska PN priechod P Akceptorová prímes

priechod pn Technológie vytvorenia zlievanie (legovanie) Germániová hrotová dióda Na povrch germániovej platničky (katóda diódy) sa pružne pritláča hrot tenkého volfrámového drôtu spojeného s druhým prívodom diódy. Wolfrámový drôt (anóda) má iba mechanický kontakt s povrchom polovodičovej platničky - systém je zatavený do skleného puzdra. PN priechod sa dosiahne formovaním: impulz prúdu (asi 1A) prejde diódou v priamom smere miesto dotyku hrotu a polovodiča sa veľmi zohreje niektoré atómy volfrámu prejdú do povrchovej vrstvy polovodiča vzniká miniatúrna oblasť s vodivosťou P tesne pod miestom dotyku hrotu výhodou je ak hrot obsahuje prímesí spôsobujúce v Ge vodivosť P (napr. In) Hrotová elektróda N P

priechod pn Technológie vytvorenia zlievanie (legovanie) Akceptorová prímes

priechod pn Technológie vytvorenia difúzia najpoužívanejšia dotovacia technika pri výrobe polovodičových štruktúr pri objemovej polovodičovej technike dobre reprodukuje vyhotovenie úzkej bázy, presne dodržiava geometrické rozmery, realizuje žiadaný profil koncentrácie prímesí a nízke náklady pri hromadnej výrobe. Principiálne rozlišujeme dva rozdielne spôsoby: difúziu z plynnej fázy - neobmedzená výdatnosť zdroja - konštantná koncentrácia prímesových atómov v povrchovej vrstve difúziu z povrchovej vrstvy - výdatnosť zdroja daná povrchovou vrstvou – koncentrácia prímesových atómov v povrchovej vrstve závisí od času (s časom klesá) Profily koncentrácie prímesí budú v uvedených prípadoch rozdielne - sú veľmi citlivé na teplotu a čas difúzie. Samotný difúzny proces prebieha v difúznej peci: polovodičové platničky, pokryté vrstvou alebo bez nej, sa vystavujú na určitý čas pôsobeniu zvýšenej teploty (1100 až 1300 °C) Materiály používané pri difúzii: B2O3, Ga2O3, P2O5, As2O3, Sb2O4, POCl, BBr3, ...

priechod pn Technológie vytvorenia difúzia Pec I Pec II Difúzny zdroj Ochranný plyn (N2) Prietokomer Kremenná podložka Si N(x,t) x NB xj N0 t1 t2 t3 t1  t2  t3

priechod pn Technológie vytvorenia difúzia Zdroj prímesí Maska Kremík

priechod pn [cm-3] NB N(x) Substrát PN priechod Technológie vytvorenia difúzia

priechod pn Technológie vytvorenia EPITAXIA Orientovaný rast monokryštalickej polovodičovej vrstvy z plynnej alebo tekutej fázy na monokryštalickej podložke (substráte) Podložka a narastená vrstva môžu mať: rovnakú kryštálovú štruktúru a kryštálové konštanty – homoepitaxia (Si vrstva na Si substráte) rôznu kryštálovú štruktúru a kryštálové konštanty – heteroepitaxia (Ge na GaAs) Epitaxná vrstva na vysokodotovaných substrátoch je základom planárno-epitaxných tranzistorov, zabezpečuje hlavne vysoké záverné kolektorové napätie

priechod pn Technológie vytvorenia EPITAXIA Definícia epitaxie: Epitaxia je definovaná ako depozícia monokryštalickej vrstvy na monokryštalickej podložke (substráte), pričom vrstva zachováva kryštalografickú štruktúru substrátu. V súčasnosti sa používajú nasledovné technológie pre prípravu epitaxných vrstiev: Epitaxný rast z kvapalnej fázy - LPE (liquid phase epitaxy, depozícia z kvapalnej fázy) Epitaxný rast z molekulárnych zväzkov - MBE (molecular beam epitaxy, PVD) Epitaxný rast z plynnej fázy - VPE (vapour phase epitaxy, CVD) (chloridová, hydridová) Epitaxný rast z plynnej fázy s použitím organokovových zlúčenín - OMCVD (organometallic chemical vapour phase deposition) (tiež nazývaný MOCVD, MOVPE, OMVPE)

priechod pn Technológie vytvorenia EPITAXIA Epitaxný rast z plynnej fázy (VPE - Vapour Phase epitaxy) Tepelno - pyrolytický rozklad silánu SiH4  Si + 2H2 teploty 600 až 1000°C Redukcia halogénových zlúčenín vodíkom SiCl4 + 2H2  Si + 4HCl teplota 1200°C, 1μm za minútu, prietoková pec, leptanie povrchu substrátu H2 + HCl -odstránenie porúch, nosný plyn H2, súčasné dotovanie epitaxnej vrstvy PH3 alebo B2H6 RF ohrev Si Kremenné sklo Lodička

priechod pn Technológie vytvorenia EPITAXIA Epitaxný rast z plynnej fázy (VPE - Vapour Phase epitaxy) ND - NA ND1 ND2 NA N P x xj ND = NA Si Cl H Koncentračný profil: je možné vytvoriť ľubovoľný koncentračný profil závisí od zloženia rastúcej vrstvy (P, N, heteroštruktúra, ...) Umiestnenie a odsun nesprávne umiestneného atómu Si

priechod pn Technológie vytvorenia EPITAXIA Modifikácia VPE je OMCVD – Organometallic Chemical Vapour Deposition - tiež nazývaná MOCVD, MOVPE, OMVPE vrstvy hrúbky jednotiek nm, veľmi tenké vrstvy používané v heteroštruktúrach depozíciu pri nižších teplotách realizácia za atmosférického tlaku (nie vysoké vákuum v aparatúre) organokovy sú jedy - tetrametyl Ga, etylén Ga, tetrametyl Zn Najrozšírenejšie aplikácie OMCVD v oblasti polovodičov. GaAs/AlGaAs: fotokatódy, slnečné články, lasery, vysokovýkonové LED diódy, HEMT tranzistory. InP/InGaAsP: lasery a detektory pre infračervenú oblasť spektra InP/InGaAs: štruktúry s kvantovou jamou, slnečné články, detektory. GaAs na Si substrátoch: integrácia optoelektroniky a VF elektroniky s kremíkovou technológiou GaAs/InGaP: heterobipolárne tranzistory GaAs/AlGaInP: lasery vo viditeľnej oblasti spektra, oranžové LED diódy HgCdTe: detektory

priechod pn Technológie vytvorenia EPITAXIA Technológie štruktúr nanometrových rozmerov EPITAXIA MOLEKULÁRNYCH ZVÄZKOV (MBE- Molecular Beam Epitaxy) princíp - rast vrstvy kondenzáciou pár danej látky (naparovanie) podmienky: tlak 10-8 Pa (ultravákuum) rýchlosť narastania vrstvy je funkciou: toku pár, stavu povrchu podložky, kryštalografickej orientácie podložky teploty podložky problémy - diagnostika počas procesu rastu je náročná, vysoká cena procesu hrúbka vrstvy pod 10nm - 1 monoatomárna vrstva za 1s periodické striedanie vertikálne narastajúcich vrstiev - vytvorenie tzv. supermriežky (usporiadaný tuhý roztok) - špecifické elektrické vlastnosti Epitaxia atomárnych vrstev - ALE – Atomic Layer Epitaxy Hrúbky vrstiev pod 1nm

priechod pn Epitaxia z kvapalnej fázy Epitaxia z plynnej fázy MBE MOCVD MOMBE Veľmi vysoká kvalita materiálu Rovnaká štruktúra pri podobných materiáloch Pomerne lacné Problémy pri raste strmých heteroštruktúr Nevhodné pre rast vzájomne nerozpustných zliatin Extrémne vysoká čistota materiálu Nepríliš vhodné pre heteroštruktúry Vysoká kvalita materiálu Strmé rozhranie na úrovni atómových vrstiev Umožňujú rast spoľahlivých úplne nerovnovážnych systémov „Drahá“ technológia výroby vyžadujúca vysokú starostlivosť + _ Technológie vytvorenia EPITAXIA Výhody a nevýhody jednotlivých mechanizmov

priechod pn Technológie vytvorenia iónová implantácia generácia iónov dotovacie plynné médium obsahujúce požadované druhy látok BF3, B2H6, PH3, ASH3, ASF5 plazma poskytujúca kladné ióny (B11)+, BF2 +, (P31)+, (P31)++ extrakcia iónov ióny sú extrahované zo zdroja účinkom vysokej intenzity elektrického poľa výber iónov magnetické pole hmotového analyzátora vyberie vhodné ióny (hmotnosť & náboj) urýchľovač iónov ďalšie urýchlenie iónov, ktoré im dodá konečnú energiu pohybu skenovanie a riadenie zväzku lúčov poskytne rovnomernú dávku iónov dopadajúcu na povrch doštičky (wafer surface). monitorovanie dávky na mieste dopadu (in situ)

priechod pn Technológie vytvorenia iónová implantácia zdroj iónov 25 kV 90° analyzačný magnet Rozlišovacia clona 2 Hmotový spektrometer 0 až 175 kV R C Urýchľovacia trubica 3 Vysokonapäťový urýchľovač častíc Zaostrovanie Neutralizačná tieniaca elektróda a brána Tieniaca elektróda Zväzok neutrálnych častíc Vychyľovací systém Snímanie v osi „y“ Snímanie v osi „x“ Polovodičový plátok 5 Cieľová komora

priechod pn Technológie vytvorenia iónová implantácia ióny sú extrahované zo zdroja a analyzované v magnetickom poli Lorentzova sila pôsobiaca na ióny zakriví ich dráhu v závislosti od hmotnosti pre každý použitý druh iónov pomocou nastavenia intenzity magnetického poľa len vyberáme ióny vstupujúce do stĺpcového urýchľovača častíc v B F Dostredivá sila + Triediaca štrbina Vybrané ióny Ťažké ióny Rýchlosť iónov „v“ zistíme zo vzťahu pre kinetickú energiu KE Vybrané ióny majú pomer hmotnosti a náboja:

priechod pn Technológie vytvorenia iónová implantácia Elektrostatické vychyľovanie – implantátor s malým (stredným) prúdom častíc (I  1 mA): Vy Vx Vertikálne vychyľovanie Horizontálne vychyľovanie Doštička Si (wafer) Y X Prúd častíc je možné nastaviť na realizáciu v čase t  10 s/doštičku. Je dosahovaná dobrá opakovateľnosť vzoru pri frekvencii skenovania okolo 100Hz.

priechod pn Technológie vytvorenia iónová implantácia N(x) povrch Rp xj xjmax x NB Profil bez kanálovania Kanálovanie – natočenie substrátov SiO2 Si N(x) Vplyv energie iónov Koncentračný profil po implantácii závisí od: Kryštalografickej orientácie substrátu Energie implantovaných iónov Stavu povrchu substrátu Uhla dopadajúcich iónov Typu iónov Nutnosť - teplotne žíhať vzorky po implantácii a tým elektricky aktivovať naimplantované ióny (prímesi)! Moderný spôsob žíhania – rýchle teplotné žíhanie - RTA - Rapid Thermal Annealing - profil sa rozdifunduje = treba nastaviť teplotný proces

priechod pn Technológie vytvorenia iónová implantácia Výhody iónovej implantácie vysoká kontrolovateľnosť a riadenie procesu implantácie iónov a tým aj parametrov naimplantovaných vrstiev vysoká reprodukovateľnosť výsledkov iónovej implantácie Nízka teplota implantačného procesu úprava dĺžky kanála a prahového napätia MOSFETov Nevýhody nutnosť teplotného žíhania implantovaných vzoriek, iónová implantácia je dvojstupňový proces radiačné poškodenie materiálu, vznik prídavných defektov

Výrobné postupy v polovodičovej technike Vrstvová technika Objemová polovodičová technika Nanášanie: dielektrických, polovodičových vodivých vrstiev na substrát z izolačného materiálu Vytváranie: vodivých spojení rezistorov kondenzátorov aktívnych prvkov rôznymi technikami. Tenkovrstvová technika: hrúbka sa pohybuje v rozsahu 10 až 1000 nm, čiže tie vrstvy sa nemôžu udržať bez podporného substrátu. Hrubovrstvová technika. Rôzne techniky spracúvania čistého polovodičového kryštálu – v ňom sa vytvárajú: vodivé dráhy rezistory kondenzátory aktívne prvky Metódy sa zakladajú na: dotovacích postupoch epitaxných postupoch úprave a štrukturalizácii povrchových vrstiev. Kombinovaná technika Štruktúry obsahujú prvky vrstvovej techniky aj prvky objemovej polovodičovej techniky.

Metódy tenkovrstvovej a hrubovrstvovej techniky naparovanie odporovým ohrevom zohriatie naparovanej látky odporovým ohrevom vlákna, lodičky alebo téglika z W, Mo, Ta. pre Al je vhodný najmä Ta, pre Au zase Mo. štruktúry sa získajú pomocou masiek zhotovených z kovu (mechanickým spracovaním, leptaním), alebo fotolaku (fotolitografia). substrát naparovaná látka výhrevné teleso Pa

Metódy tenkovrstvovej a hrubovrstvovej techniky Katóda Roztavená kvapka +(1  2) kV Vodné chladenie - (7  9) kV naparovanie s ohrevom pomocou bombardovania elektrónmi ťažkotaviteľné kovy, kovy, ktoré vstupujú do neželateľných chemických reakcií s výhrevným telesom naparovaný materiál slúži ako anóda zdrojom tepla je kinetická energia elektrónov možno využiť aj elektrónovú optiku - dosiahnutie lepšej koncentrácie elektrónového lúča

Metódy tenkovrstvovej a hrubovrstvovej techniky plazmové naprašovanie parciálny tlak asi 2 až 7Pa - zapálenie tlejivého výboja kladné ióny bombardujú terčík a vyrážajú z neho atómy atómy sa dostávajú na substrát možno nanášať aj ťažko naparovateľné izolanty, ak ich upevníme na kovovú podložku plyn Ar, O2 substrát terčík 2...6 kV  MHz - +

Metódy tenkovrstvovej a hrubovrstvovej techniky naprašovanie iónovým lúčom potrebné ióny sa dodávajú z materiálu terčíka - z iónového zdroja výhodou metódy je možnosť naprašovania vo vysokom vákuu zdroj iónového lúča sa môže napojiť na vysokovákuový odčerpávací systém keď sa okrem pracovného plynu pridá do vyčerpaného priestoru aj O2 = nastáva želaná chemická reakcia tieto metódy sa nazývajú reaktívne naprašovanie - dajú sa zhotoviť napr. vrstvy SiO2 a Ta2O5 iónový zdroj ohrievanie substrátu substrát maska terčík

Metódy tenkovrstvovej a hrubovrstvovej techniky e) anodická oxidácia v tlejivom výboji nosný kov sa umiestni do kladného plazmového kyslíkového tlejivého výboja na nastavenie správnych potenciálových pomerov má oxidačný materiál predpätie - Ua  1000V nosný kov + Ua oxidová blana Pt V 0,7 Pa

Metódy tenkovrstvovej a hrubovrstvovej techniky f) anodická oxidácia elektrochemickou cestou H2SO4 Pt Ta Ta2O5 UA 10 20 30 40 5 15 UA [V] d [nm] elektrolytické metódy sa hodia najmä na oxidáciu Nb, Ti, Ta, Al. hrúbka oxidu je určená formovacím napätím UA (pozri diagram). zvyškový prúd je mierou kvality oxidu (napr. voľnosti pórov). možno tak zhotoviť vrstvy s rovnomernou hrúbkou.

Metódy tenkovrstvovej a hrubovrstvovej techniky g) zrážanie z plynnej fázy pomocou chemickej reakcie transportný plyn (N2, H2) + reakčné látky v plynnom stave produkty reakcie (východiskové produkty) môžu vzniknúť aj naprašovaním, prípadne sublimáciou v piecke želaná zlúčenina vzniká chemickou reakciou v zmesi plynov alebo priamo na povrchu substrátu výhodou je jednoduché a exaktné dávkovanie reakčných látok pomocou prietokového meradla H2, N2 Východiskový produkt Substrát Te pl ot a T1 T2 ako východiskové produkty sa používajú najmä chloridy (požadované zlúčeniny zrážania sa vytvárajú ľahko pomocou redukcie) môžeme zhotoviť napr. aj monokryštalickú vrstvu kremíka na zafíre alebo na spineli (heteroepitaxia).

Metódy tenkovrstvovej a hrubovrstvovej techniky Magnetrónové naprašovanie terč vodné chladenie magnety prídržná doska terča siločiary magnetického poľa vákuová komora magnetové zariadenie so striedavou polaritou, doska materiálu na tvorbu celej (časti) povrchovej vrstvy - terč, vodné chladenie vákuová komora Princíp: bombardovanie povrchových vrstiev terča iónmi alebo neutrálnymi časticami vákuum rádovo menšie ako desať milióntin atmosféry presne riadený tok inertného plynu, napr. argón dodaná energia – napätie typicky 300V a väčšie - pôsobenie na terč

Metódy tenkovrstvovej a hrubovrstvovej techniky Magnetrónové naprašovanie Sekundárne elektróny Spätný rozptyl častíc Uvoľňovanie (desorpcia) častíc plynu Primárne ióny Rozprašované častice Amorfizácia Tvorba zlúčenín Kaskádové zrážky Šoková vlna Bodové poruchy Implantácia Teplotná špička Naprašovanie - energia & hybnosť žíhanie & zvýšená difúzia

Metódy tenkovrstvovej a hrubovrstvovej techniky Magnetrónové naprašovanie SUBSTRÁT Oblasť pokovovania Naprášená vrstva Povrchový atóm uvoľnený z terča Elektrické pole Primárne magnetické pole Ióny argónu (Ar+) urýchľované na terč Terč Usporiadanie magnetov Katóda magnetrónového naprašovania

Metódy tenkovrstvovej a hrubovrstvovej techniky Nanášanie impulzovým laserom (PLD - Pulsed Laser Deposition) Vlastnosti: vákuová technika tvorby povrchovej vrstvy pomocou PVD (Physics Vapor Deposition), spoľahlivá, pri izbovej teplote, široký okruh materiálov terča - vysoko teplotné supravodiče, feroelektriká, kovy, polyméry a keramika, mimoriadne drahá. Zariadenie: výkonný laser zaostrený na rotujúci terč vnútri vákuovej komory proces uvoľňovania: vzájomné pôsobenie medzi laserom a tuhým materiálom terča, vznik plazmy, prenos materiálu cez vákuum smerom k podložke (substrátu).

Metódy tenkovrstvovej a hrubovrstvovej techniky Nanášanie impulzovým laserom (PLD - Pulsed Laser Deposition) Princíp: energia zaostreného lúča je pohlcovaná malou povrchovou plochou terča - rozklad chemických väzieb vnútri oblasti terča, pôsobenie na niekoľko povrchových vrstiev terča a emitovanie častíc - "chochol", „chochol“ - ióny, elektróny, atómy, radikály alebo zhluky, pohyb mimoriadnou rýchlosťou cez vákuovú komoru na povrch rotujúcej podložky, zmena vlastností a zloženie „chochola“ = následok zrážok medzi časticami vnútri chochola a vzájomným pôsobením chochola a laseru, dopad na povrch substrátu (energia 100 eV) častice priľnú a sú stláčané, formujú súvislú vrstvu, postupne hrúbka vrstvy narastá z niekoľkých atómov na mikróny.

Metódy tenkovrstvovej a hrubovrstvovej techniky Metóda sieťotlače výroba hrubších (10-2 mm) vodivých, polovodivých, prípadne izolačných vrstiev sieťka z jemnej tkaniny umiestená vnútri určitej vrstvy - výroba požadovaného obrazca prebieha fotolitograficky. na osvetlených miestach sa leptaním odstráni príslušná vrstva a na týchto miestach bude pre pastu sieťka priepustná vodivá, polovodivá a izolačná vrstva sa nanáša vo forme pasty pomocou trecieho mechanizmu z gumy cez sieťku s vytvorenými obrazcami Sieťka (maska) Smer tlače Stierka Pasta Substrát po vysušení (100°C) nasleduje vypaľovanie (700 až 1050°C) v inertnej alebo oxidačnej atmosfére vyhladenie prvku sa môže robiť prúdom piesku, laserovým alebo elektrónovým lúčom

PRÍPRAVA MONOKRYŠTALICKÉHO KREMÍKA Príprava: čistenie kremenného piesku SiO2 uhlíkom v peciach pri teplote 1600°C SiO2 + 2C  Si + 2CO hutnícky metalurgický Si prášok je čistý na 98% - zvyšky kovov Al, Fe = prísada do ocelí a zliatin. pre polovodičový priemysel Si prášok sa chemicky čistí - pôsobenie HCl pri teplote 300°C. získa sa trichlórsilan SiHCl3 - tekutý už pri teplote 32°C, ľahko sa môže čistiť ďalšou procedúrou Si + 3HCl ↔ SiHCl3 + H2 reakciou s vodíkom pri teplote 1100 °C sa získa čistý polykryštalický kremík

PRÍPRAVA MONOKRYŠTALICKÉHO KREMÍKA Rast monokryštálu: zárodok na rast monokryštálu sa pripravuje laboratórne v potrebnej kryštalografickej rovine Czochralského metóda rastu monokryštálu - ingot do taveniny Si sa pridáva prímes na získanie požadovaného typu vodivosti a veľkosti merného odporu ingot váži desiatky kg a priemer dosahuje 30 cm. Rezanie ingotov na plátky Brúsenie plátkov (waferov) Leštenie a leptanie plátkov (waferov)

PRÍPRAVA MONOKRYŠTALICKÉHO KREMÍKA Kremenná trubica v tvare zvonu Dusík Malý zárodok kryštálu materiálu, ktorý má byť vypestovaný, je spustený smerom k povrchu taveniny a potom ťahaný pomaly hore. Ako je zárodok ťahaný z taveniny, vyťahuje so sebou vrstvu roztaveného materiálu. Materiál postupne chladne a prijíma tú istú kryštalickú štruktúru ako zárodočný kryštál. Pri príprave prímesového polovodiča pridáme do taveniny tabletu materiálu legovacej latky. Tvorba takéhoto polovodičového kryštálu je však obtiažnejšia, pretože tlak pary materiálov zložiek je rozdielny. Pri teplota požadovanej k roztaveniu materiálu s vysokou teplotou tavenia sa materiál s nízkym bodom tavenia vyparí. Vyparovaniu vieme zabrániť pomocou použitia kvapalného viečka alebo uzatvorením. Uzatvorenie musí byť vytvorené z materiálu, ktorý má menšiu hustotu ako materiál téglika a nesmieť byť absorbovaný do taveniny. Napr. pri tvorbe kryštálov z indium fosfidu je k zapuzdreniu použitý oxid boritý (B2O3), ktorý spolu s vysokým tlakom inertného plynu v komore zamedzuje unikaniu fosforu z výparov taveniny. Dvojcestný ventil Obal z Pyrexu (teplotne odolný) Vákuum RF ohrev Uzatváracia šachta Uzatvorenie kvapalinou Ťahaný kryštál RF ohrev Tavenina Nepohyblivá kremenná trubica Grafitová lodička

Zonálna rafinácia Základná metóda fyzikálneho čistenia a zdokonaľovania štruktúry Princíp metódy spočíva v rozdielnej rozpustnosti prímesí v kvapalnej a pevnej fáze. Pomer koncentrácie nečistôt na solidu a likvidu pri určitej teplote = rozdeľovací koeficient k (k = CS / CL) Väčšina nečistôt v polovodiči má väčšiu rozpustnosť v kvapalnej fáze  k  1.  [°C] C [%] S L CS CL

Zonálna rafinácia smer postupu tepelnej zóny CS C0 x C vysokofrekvenčný ohrev tavený materiál v grafitovej lodičke kremenná trubka

REZANIE INGOTOV NA PLÁTKY orezaná a obrúsená časť kremíkového ingotu s vybrúsenou orientačnou plochou sa v ďalšej technologickej operácii rozčlení – rozreže na dosky (doštičky, plátky, wafery, hovorovo - salámky) požadovanej hrúbky. polovodičové materiály (osobitne kremík) sú veľmi tvrdé a krehké, nie je možné s nimi pracovať obvyklými metódami trieskového obrábania = všetky metódy členenia ingotu Si na dosky sú založené na prebrusovaní jemnými zrnami veľmi tvrdého brusiva najpoužívanejšie metódy členenia sú: rezanie pásovou pílkou alebo drôtom s brúsnou suspenziou rezanie kotúčovou pílou s brúsnymi zrnami s vonkajším rezom Kotúčová píla Diamantový brit Ingot používa sa kotúčová píla s diamantovým hrotom - reže sa vnútorným obvodom píly monokryštál sa reže v požadovaných kryštalografických rovinách narezané plátky obsahujú trhlinky, ryhy, chýba planparalelnosť strán, nehomogénnosť hrúbky pri rezaní vzniká odpad – cca polovica ingotu

BRÚSENIE, LEŠTENIE A LEPTANIE PLÁTKOV (WAFEROV) BRÚSENIE Volí sa veľkosť a tvrdosť brúsneho zrna, rýchlosť brúsenia a tlak Postupuje sa od hrubšieho po jemnejšie brúsne zrno, od 25 μm do 2μm Ako brusivo sa používa korund alebo SiC Dosiahne sa drsnosť povrchu s výškou 0,15 μm Plátky sa oplachujú deionizovanou vodou a sušia LEŠTENIE A LEPTANIE PLÁTKOV (WAFEROV) Mechanické - leštiacimi práškami priemeru 1μm suspenziou Cr2O3 Chemické – oxidácia + leptanie HF Mechanicko-chemické – tlakom iónmi Cr Záver: Leptanie v HCl do vysokého lesku Plátky sa oplachujú deionizovanou vodou a sušia

LITOGRAFIA FOTOLITOGRAFIA ELEKTRÓNOVÁ LITOGRAFIA IÓNOVÁ LITOGRAFIA LITOGRAFIA – technologický postup, pri ktorom sa pomocou citlivého materiálu – rezistu, vymedzujú alebo kreslia na povrchu polovodičového plátku obrazce, plôšky), na ďalšie spracovanie – difúziu, implantáciu, leptanie, atď. LITOGRAFIA má hlavné využitie v planárnej technike. Najčastejšie je používaná fotolitografická a elektrónová technika Základný princíp fotolitografickej techniky – využíva expozíciu UV svetlom alebo iným žiarením

LITOGRAFIA Príprava fotografickej matrice alebo masky Vytváranie prvkov v polovodičovom substráte musí byť plošne selektívny proces, aby rôzne časti povrchu plátku mali rôzne typy a rôzne hodnoty mernej vodivosti – N, N+, P, P+ typ Dosiahneme to použitím masky pre danú dotáciu: Maska sa skladá väčšinou zo skla a Cr tvarovanej vrstvy. Maska musí zniesť mechanické a teplotné namáhanie a musí mať veľmi presné rozmery motívov na nej Maska je fotografická doska, na ktorej je fotografickou technikou vytvorený negatívny obraz budúcich otvorov v maskovacej technike Maska sa skladá z materiálu, ktorý zabráni prenikaniu prímesí tam, kde ich nechceme mať a naopak umožní ich prienik do miest, ktoré chceme dotovať Maska sa prikladá k polovodičovému plátku pod mikroskopom, v súbore masiek sa musí zabezpečiť geometrická nadväznosť a pri jednotlivých expozíciách aj súkryt, t.j. vzájomná poloha masky a spracovávaného polovodičového Si plátku Masky sa vyrábajú pomocou počítačov- automatizovaný proces Používajú sa generátory obrazcov (pohyblivá štrbina) Originálne masky sa kopírujú a používajú sa pracovné masky

LITOGRAFIA Prenesenie a vytvorenie obrazu masky na vrstvu fotocitlivého materiálu (fotorezistu) negatívny fotorezist - látka, ktorá pôsobením svetla polymerizuje, čím sa stáva nerozpustnou: pozitívny fotorezist – pôsobením svetla sa stáva rozpustnou na maskovanie sa využíva na Si vrstva SiO2 spolu s fotorezistom tvorí dvojvrstvu - po vyvolaní (expozícii) fotorezistu sa tvaruje leptaním Vlastnosti a funkcia vrstvy SiO2 na kremíku Podstata planárnej techniky Maskovacia vrstva pre litografiu Izolačná vrstva pre polovodičové prvky Funkčná vrstva - napr. MOSFETy Pasivačná vrstva - ochranná vrstva

LITOGRAFIA Vytváranie vrstiev SiO2 Termickou oxidáciou Si+O2  SiO2 - teploty oxidácie v oxidačnej peci okolo 1000°C, suchý alebo vlhký O2 Anodickou oxidáciou Chemickou depozíciou Pri oxidácii sa spotrebováva aj pôvodný povrch substrátu Výhody použitia SiO2 SiO2 tvorí na povrchu Si súvislé, dobre priľnavé vrstvy s rovnakým koeficientom teplotnej rozťažnosti Hrúbka SiO2 vrstvy sa dá dobre ovládať teplotou a časom oxidácie SiO2 sa voči Si dá selektívne leptať Rozhranie Si- SiO2 má málo defektov

LITOGRAFIA Selektívne leptanie spracovaných častí povrchu polovodičového plátku fotorezist sa cez masku exponuje UV svetlom fotorezist sa vyvolá alebo vystaví účinkom selektívneho rozpúšťadla neexponovaný rezist sa a vymyje deionizovanou vodou - vzniknú miesta, otvory, na povrchu polovodičového plátku takto upravený povrch sa vystaví pôsobeniu leptadla, ktoré odstráni obnaženú vrstvu SiO2 vo vrstve SiO2 sa vytvoria otvory, odpovedajúce tmavým miestam pôvodnej masky, tam budú prenikať prímesi zostávajúci rezist sa z povrchu plátku odstráni a takto spracovaný povrch substrátu sa pripraví k ďalšiemu spracovaniu

Polovodičová doštička (wafer), na ktorej je vytvorená oxidová – SiO2 (nitridová – Si3N4) vrstva a nanesená vrstva fotorezistu (fotolaku). Fotorezist SiO2 Si - substrát LITOGRAFIA Na povrch polovodičovej doštičky s dopadá cez sveteľnú masku s vytvorenou požadovanou štruktúrou UV alebo iné žiarenie a osvetľuje vrstvu fotorezistu na priepustných miestach. Sveteľná maska – matrica, fotošablóna UV žiarenie (iné žiarenie) Si - substrát Si - substrát Po vyvolaní sa z neosvetlených (osvetlených) miest (podľa typu fotorezistu – pozitívny, negatívny) odstráni jeho vrstva, zatiaľ čo inde ostáva – polymerizuje. Si - substrát Štruktúra sa vystaví pôsobenie leptacieho média, ktoré odstráni vrstvu SiO2 (Si3N4) z miest nechránených fotorezistom a vytvoria sa „difúzne okná“ pre realizáciu selektívnej difúzie prímesí a vytvorenie daného typu vodivosti.

Materiály a technológie 09 Polovodičové materiály

Παρόμοιες παρουσιάσεις

Παρουσίαση με θέμα: "Materiály a technológie 09 Polovodičové materiály"— Μεταγράφημα παρουσίασης:

Παρόμοιες παρουσιάσεις

Σχετικά με το έργο

Σχόλια

Είσοδος

Σύνδεση μέσω των κοινωνικών δικτύων:

Materiály a technológie 09 Polovodičové materiály

Παρόμοιες παρουσιάσεις

Παρουσίαση με θέμα: "Materiály a technológie 09 Polovodičové materiály"— Μεταγράφημα παρουσίασης:

Παρόμοιες παρουσιάσεις

Σχετικά με το έργο

Σχόλια