Μικροσυστήματα και Τεχνολογία

Transcript

1 Σχολή Εφαρμοσμένων Μαθηματικών και Φυσικών Επιστημών Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο Μικροσυστήματα και Τεχνολογία Κεφάλαιο 3: Διαδικασίες Κατασκευής Μικροηλεκτρικών και Μικρομηχανικών Διατάξεων Τσουκαλάς Δημήτριος

2 Άδεια Χρήσης Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό υπόκειται σε άδειες χρήσης Crea%ve Commons. Για εκπαιδευτικό υλικό, όπως εικόνες, που υπόκειται σε άδεια χρήσης άλλου τύπου, αυτή πρέπει να αναγράφεται ρητώς.

3 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3: ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΕΣ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗΣ ΜΙΚΡΟΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΜΙΚΡΟΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΔΙΑΤΑΞΕΩΝ Σκοπός Σκοπός του παρόντος κεφαλαίου είναι να παρουσιάσει τις βασικές τεχνολογικές διαδικασίες που χρησιμοποιούνται στην κατασκευή των μικροηλεκτρομηχανικών συστημάτων. Οι ίδιες διαδικασίες χρησιμοποιούνται στην πλειονότητά τους και για την κατασκευή των ολοκληρωμένων κυκλωμάτων πάνω στο πυρίτιο. Για τον λόγο αυτό το κεφάλαιο αυτό μπορεί να χρησιμοποιηθεί σαν συμπληρωματικό της ενότητας περί ημιαγωγικών διατάξεων. Οι διαδικασίες που θα παρουσιάσουμε είναι οι θερμικές διεργασίες, η ιοντική εμφύτευση, η εναπόθεση μονωτικών στρωμάτων, η επιμετάλλωση, η λιθογραφία και η εγχάραξη. Εν συνεχεία παρουσιάζονται οι διαδικασίες που είναι ιδιαίτερες για μικρομηχανικές κατασκευές. Προσδοκώμενα αποτελέσματα Όταν θα έχετε μελετήσει αυτό το κεφάλαιο θα μπορείτε να : Περιγράψετε τις βασικές τεχνολογικές διαδικασίες που χρησιμοποιούνται στην κατασκευή των ολοκληρωμένων κυκλωμάτων Περιγράψετε τις επι πλέον τεχνολογικές διαδικασίες που χρησιμοποιούνται για την κατασκευή μικρομηχανικών διατάξεων Να κατανοήσετε καλύτερα την περιγραφή της κατασκευής ενός ολοκληρωμένου κυκλώματος καθώς και την φυσική που διέπει τις διαδικασίες κατασκευής. Να κατανοήσετε την κατασκευή ενός μικρομηχανικού αισθητήρα. Εννοιες κλειδιά Θερμικές διεργασίες Ιοντική εμφύτευση Λιθογραφία Ανισοτροπική εγχάραξη 43

4 Μικρομηχανικές τεχνικές Εισαγωγικές παρατηρήσεις Η τεχνογνωσία που αναπτύχθηκε τα τελευταία 30 χρόνια σχετικά με την επεξεργασία του πυριτίου ως του κυρίαρχου υλικού κατασκευής ολοκληρωμένων κυκλωμάτων καθιστά συμφέρουσα και την χρησιμοποίησή του και ως μηχανικού υλικού. Το θέμα αυτό το συζητήσαμε στο 1ο Κεφάλαιο της παρούσας ενότητας. Δεδομένου ότι οι περισσότερες διαδικασίες για κατασκευή ολοκληρωμένων κυκλωμάτων και μικρομηχανικών δομών πυριτίου είναι κοινές το παρόν κεφάλαιο μπορεί να χρησιμοποιηθεί και ως συμπληρωματικό της ενότητας περί ηλεκτρονικών διατάξεων. Πέραν των κοινών τεχνολογικών διαδικασιών στην κατασκευή μικρομηχανικών διατάξεων απαιτούνται και επι πλέον διαδικασίες τις οποίες επίσης περιγράφουμε στο παρόν κεφάλαιο. Οι τίτλοι των παραγράφων του κεφαλαίου 3 είναι 3.1 Περιγραφή κατασκευαστικών διεργασιών για την παραγωγή ολοκληρωμένων κυκλωμάτων 3.2 Θερμικές διεργασίες 3.3 Οξείδωση Το Μοντέλο Deal-Grove 3.4 Διάχυση Βασικές αρχές Ανακατανομή προσμίξεων κατά την οξείδωση 3.5 Ιοντική εμφύτευση Βασικές έννοιες Κατανομή των προσμίξεων Ανόπτηση μετά την εμφύτευση 3.6 Χημική εναπόθεση ατμών (CVD) 3.7 Επιμετάλλωση Τεχνικές εναπόθεσης 3.8 Λιθογραφία Η οπτική λιθογραφία Η ηλεκτρονική λιθογραφία Η λιθογραφία αχτίνων Χ 3.9 Εγχάραξη 44

5 3.9.1 Η υγρή εγχάραξη Η ξηρή εγχάραξη Χαρακτηριστικά εγχάραξης 3.10 Βασικές τεχνικές μικρομηχανικής Εγχάραξη πυριτίου Συγκόλληση δισκιδίων πυριτίου Τεχνολογία LIGA Επιφανειακές μικρομηχανικές τεχνικές Διαδικασία πακεταρίσματος αισθητήρων 3.1 Περιγραφή κατασκευαστικών διεργασιών για την παραγωγή ολοκληρωμένων κυκλωμάτων. Για την παραγωγή ολοκληρωμένων κυκλωμάτων (Integrated Circuits, ICs) σε μονολιθικά υποστρώματα πυριτίου γίνεται κατασκευή πολλών επαλλήλων επιπέδων μονωτικών, αγώγιμων και ημιαγώγιμων υλικών. Κάθε στρώμα υλικού διαμορφώνεται με διαδικασίες λιθογραφίας, εμπλουτισμού με προσμίξεις, εγχάραξης κλπ. με τρόπο ώστε να έχει τις επιθυμητές ηλεκτρικές και μηχανικές ιδιότητες και να σχηματίζει δομές, συνήθως συνδεδεμένες με γειτονικές περιοχές και με υπερκείμενα ή υποκείμενα στρώματα υλικών, που εκτελούν συγκεκριμένες λειτουργίες. Για την επίτευξη του πολύπλοκου αυτού αντικειμενικού σκοπού τα απαραίτητα κατασκευαστικά βήματα για την παραγωγή ενός ολοκληρωμένου κυκλώματος πρέπει να εκτελεσθούν με μία συγκεκριμένη και αυστηρά καθορισμένη σειρά, που αποτελεί μία ακολουθία ή ροή διεργασιών κατασκευής ολοκληρωμένου κυκλώματος (IC process flow). Αφού μία διαδικασία ροής διεργασιών παραγωγής έχει πλήρως διαμορφωθεί, καταγράφεται ένα σύνολο διαδοχικών λεπτομερών οδηγιών για την κατασκευή ενός συγκεκριμένου ολοκληρωμένου κυκλώματος. Αυτές οι εντολές περιλαμβάνουν τις κατάλληλες εργαστηριακές συνθήκες όπως θερμοκρασίες, ροές και πιέσεις αερίων, χρονικά διαστήματα, επίπεδα ισχύος κλπ. που απαιτούνται για κάθε κατασκευαστικό βήμα ώστε να παραχθούν οι επιθυμητές δομές. Οι οδηγίες επίσης καταγράφουν τις απαιτήσεις τιμών παραμέτρων που αναφέρονται στις παραγόμενες δομές και που πρέπει να έχουν επιτευχθεί κατά το τέλος κάθε κατασκευαστικής διεργασίας (π.χ. εύρος γραμμών, ειδική αντίσταση, πάχος υμενίων, υψομετρικές διαφορές στα στρώματα υλικών κλπ.) καθώς και το τι είδους μετρήσεις και έλεγχοι πρέπει να γίνουν για να καταστεί 45

6 βέβαιο ότι οι απαιτήσεις αυτές έχουν πραγματοποιηθεί. Αυτή η λίστα οδηγιών (lot traveler) συνοδεύει την ομάδα δισκιδίων πυριτίου στα οποία πραγματοποιείται η κατασκευή των ολοκληρωμένων κυκλωμάτων καθώς η διαδικασία παραγωγής τους προχωρεί. Καθώς η κατασκευή ολοκληρωμένων κυκλωμάτων γίνεται σε ομάδες δισκιδίων πυριτίου (batches ή lots), συνήθως κάθε κατασκευαστική διεργασία πραγματοποιείται σε όλα τα δισκίδια της ομάδας πριν αυτή προχωρήσει στο επόμενο βήμα. Με την συμπλήρωση κάθε διεργασίας ο υπεύθυνος αυτής σημειώνει ότι το κατασκευαστικό αυτό βήμα πραγματοποιήθηκε και καταγράφει στην λίστα οδηγιών τον χρόνο ολοκλήρωσης της διαδικασίας, διάφορα δεδομένα που αφορούν τις εργαστηριακές συνθήκες, δεδομένα τιμών παραμέτρων που μετρήθηκαν μετά την κατασκευαστική διεργασία και οποιαδήποτε σχετικά σχόλια χρειάζονται. Έτσι, με την συμπλήρωση όλων των κατασκευαστικών βημάτων για μία ομάδα δισκιδίων, όλα τα δεδομένα για τις λεπτομέρειες των διεργασιών και τις επακόλουθες τιμές παραμέτρων περιέχονται στην αντίστοιχη λίστα (lot traveler). Αρχικά οι λίστες αυτές για κάθε ομάδα δισκιδίων συνίστατο σε τυπωμένες σελίδες χαρτιού, όμως σήμερα στις βιομηχανίες κατασκευής ολοκληρωμένων κυκλωμάτων αποθηκεύονται σε ηλεκτρονική μορφή σε υπολογιστές, όπου εισάγονται απ ευθείας τα αντίστοιχα δεδομένα για τις κατασκευαστικές λεπτομέρειες και τις μετρούμενες τιμές παραμέτρων. 3.2 Θερμικές διεργασίες Η οξείδωση και η διάχυση των προσμίξεων είναι οι βασικές θερμικές διεργασίες που χρησιμοποιούνται στην τεχνολογία κατασκευής ολοκληρωμένων κυκλωμάτων. Κατά την διάρκεια της οξείδωσης σχηματίζεται στην επιφάνεια του πυριτίου οξείδιο του πυριτίου που χρησιμοποιείται είτε ως μάσκα είτε ως διηλεκτρικό. Διάχυση είναι η μέθοδος της εισαγωγής προσμίξεων εντός του κρυσταλλικού πλέγματος του πυριτίου μέσω παραθύρων που ανοίγονται στην μάσκα του διοξειδίου του πυριτίου. Και οι δύο παραπάνω διαδικασίες γίνονται σε υψηλή θερμοκρασία εντός φούρνων που θερμαίνονται από αντιστάσεις (Σχ. 3.1). 46

7 Σχήμα 3.1 Η διαδικασία της οξείδωσης και της διάχυσης σε υψηλές θερμοκρασίες. 3.3 Οξείδωση Όταν το πυρίτιο εκτίθεται σε ατμόσφαιρα οξυγόνου η παρακάτω αντίδραση λαμβάνει χώρα : Si + O2 SiO2 Σε θερμοκρασία περιβάλλοντος στην ατμόσφαιρα ο σχηματισμός ενός λεπτού στρώματος οξειδίου του πυριτίου πάχους 2nm είναι θέμα δευτερολέπτων. Το οξείδιο αυτό είναι αρκετά πυκνό ώστε να εμποδίζει το οξυγόνο της ατμόσφαιρας να το διασχίσει και να αντιδράσει εκ νέου με το υποκείμενο πυρίτιο, αυξάνοντας εκ νέου το πάχος του οξειδίου. Όταν όμως αυξήσουμε την θερμοκρασία τοποθετώντας το δισκίδιο του πυριτίου εντός φούρνου που διαρρέεται από οξυγόνο η διαχυτότητα του οξυγόνου εντός του λεπτού στρώματος οξειδίου αυξάνεται με αποτέλεσμα το οξυγόνο να φθάνει γρήγορα στο υποκείμενο πυρίτιο, να αντιδρά με αυτό σύμφωνα με την παραπάνω χημική αντίδραση και το πάχος του οξειδίου να αυξάνεται. Η θερμική οξείδωση του πυριτίου στην πράξη γίνεται ανάμεσα στους 600 C και τους 1200 C. Το στοιχείο που προκαλεί την οξείδωση είναι είτε ξηρό οξυγόνο είτε υγρό οξυγόνο. Λέγοντας ξηρό οξυγόνο εννοούμε καθαρό οξυγόνο, λέγοντας υγρό οξυγόνο εννοούμε καθαρό οξυγόνο το οποίο πριν εισέλθει στον φούρνο διέρχεται μέσω υδρατμών ύδατος θερμοκρασίας 90 C. Το αποτέλεσμα της διαδικασίας της οξείδωσης του πυριτίου φαίνεται στο (Σχ. 3.2). Η φυσική της διαδικασίας της οξείδωσης περιγράφεται ικανοποιητικά από το μοντέλο Deal-Grove. 47

8 Σχήμα 3.2 Το πάχος του πυριτίου που καταναλίσκεται κατά την οξείδωση είναι το 0.44 του πάχους του οξειδίου που σχηματίζεται Το Μοντέλο Deal-Grove To γραμμικό - παραβολικό μovτέλo των Deal-Grove (D-G) περιγράφει τηv κιvητική της θερμικής oξείδωσης τόσο για την ξηρή όσο και για την υγρή οξείδωση του πυριτίου. Τo μovτέλo αυτό συμφωνεί με τα πειραματικά δεδομένα για μία μεγάλη περιοχή τιμών οξειδίων (από 30nm μέχρι 2μm), για θερμoκρασίες από 700 C o C, και για μερικές πιέσεις από 0.2Atm μέχρι 25 Atm. Η βασική υπόθεση του μοντέλου D-G είναι ότι τα μόρια του οξειδωτικού μέσου διαλύονται σε ενδοπλεγματικές θέσεις μέσα στο οξείδιο και διαχέονται προς την διεπιφάνεια οξειδίου / πυριτίου, όπου και αντιδρούν, ακόμα και αν αλληλεπιδρούν σε κάποιο βαθμό με το πλέγμα του οξειδίου. Το μοντέλο D-G θεωρεί ότι η οξείδωση λαμβάνει χώρα σαν αποτέλεσμα τριών ροών, όπως φαίνεται στο Σχ. 3.3 : α) Της ροής F 1 των ατόμων του οξειδωτικού μέσου από το όγκο του αερίου, όπου βρίσκονται στην αέρια φάση, προς τη διεπιφάνεια αερίου / οξειδίου, όπου και προσροφούνται από αυτή, β) Της ροής F 2 των μορίων του οξειδωτικού μέσου διαμέσου του ήδη υπάρχοντος οξειδίου προς την διεπιφάνεια πυριτίου / οξειδίου και γ) της ροής F 3 των ατόμων που αντιδρούν στην διεπιφάνεια του πυριτίου-οξειδίου. 48

9 Σχήμα 3.3 Διάγραμμα ροών κατά την θερμική οξείδωση του πυριτίου με βάση το μοντέλο Deal-Grove. Τα μόρια του οξειδωτικού μέσου εισάγονται στον αντιδραστήρα υπό μορφή αερίου και μεταφέρονται από τον όγκο του αερίου προς την επιφάνεια του δισκίου με μία διαδικασία μεταφοράς μάζας. Η ροή F 1, είναι το αποτέλεσμα της διαφοράς της συγκέντρωσης του οξειδωτικού μέσου στο όγκο του αερίου, C g και πολύ κοντά στην επιφάνεια του οξειδίου C s. Αν υποθέσουμε ότι η ροή είναι ανάλογη με την μεταβολή της συγκέντρωσης του οξειδωτικού μέσου, μπορούμε να γράψουμε ότι, F = hg ( Cg C ) (3.1) 1 S Όπου h g είναι ο συντελεστής μεταφοράς μάζας (mass transfer coefficient). Ο συντελεστής μεταφοράς μάζας συνδέεται με την διαχυτότητα των μορίων του οξειδωτικού μέσου και το πάχος του οριακού στρώματος που σχηματίζεται στην επιφάνεια του οξειδίου. Επειδή στην μόνιμη ροή οι ροές θα εξισωθούν καθώς υποθέτουμε ότι δεν υπάρχει συσώρευση μάζας εντός του υλικού, είναι σκόπιμο να τις εκφράσουμε χρησιμοποιώντας τις τρεις παραμέτρους, και ειδικότερα τις συγκεντρώσεις μέσα στο οξείδιο και όχι στο όγκο του αερίου. Για να το επιτύχουμε αυτό χρησιμοποιούμε τον νόμο του Herny, ο οποίος μας λέει ότι η συγκέντρωση των μορίων του οξειδωτικού μέσου που διαλύονται στο οξείδιο σε συνθήκες θερμοδυναμικής ισορροπίας θα είναι ανάλογη με τη μερική πίεση των μορίων του οξειδωτικού μέσου στην επιφάνεια του οξειδίου: 49

10 και C o = H P S (3.2) C * = H P g (3.3) όπου Η είναι η σταθερά του νόμου του Herny, C o είναι η συγκέντρωση ισορροπίας των μορίων του οξειδωτικού μέσου στο οξείδιο, στην εξωτερική του επιφάνεια, P S είναι η μερική πίεση του οξειδωτικού μέσου στην επιφάνεια του οξειδίου, C* είναι η συγκέντρωση ισορροπίας του οξειδωτικού μέσου στο όγκο του οξειδίου και P g είναι η μερική πίεση του οξειδωτικού μέσου στο όγκο της αέριας φάσης. Θεωρώντας το νόμο των ιδανικών αερίων (PV=kT), σε συνδυασμό με το νόμο του Ηerny, μπορούμε να εκφράσουμε τις συγκεντρώσεις G g και C S σα συνάρτηση των μερικών πιέσεων P g και P S : και Pg Cg kt (3.4) PS CS kt (3.5) Συνδυάζοντας τις εξισώσεις γράφουμε ότι: όπου * F1 = h( C Co ) (3.6) hg h = HkT (3.7) Αξίζει να επισημάνουμε ότι η χρησιμοποίηση του νόμου του Herny υποδηλώνει ότι το είδος του σωματιδίου που διαχέεται μέσα από το οξείδιο είναι τα μόρια του οξειδωτικού μέσου, καθώς ο νόμος του Herny δεν ισχύει ότι λαμβάνουν χώρα φαινόμενα διάσπασης των μορίων. 50

11 Από τη στιγμή που τα μόρια του οξειδωτικού μέσου θα βρεθούν μέσα στο οξείδιο θα διαχυθούν προς τη διεπιφάνεια Si/SiO 2. Στη μόνιμη κατάσταση η ροή διάχυσης εκφράζεται από τη σχέση: F 2 dc ( C C ) o i = D = D (3.8) dx ox X ox σε αναλογία με το νόμο του Fick, όπου D είναι η διαχυτότητα των μορίων του οξειδωτικού μέσου στο οξείδιο, C i και C o, είναι οι συγκεντρώσεις του οξειδωτικού μέσου στη διεπιφάνεια Si/SiO 2 και στην επιφάνεια του οξειδίου, αντίστοιχα και Xox είναι το πάχος του αναπτυσσόμενου οξειδίου. Επιπλέον, μπορούμε να εκφράσουμε το ρυθμό με τον οποίο αντιδρούν τα μόρια του οξειδωτικού μέσου στην διεπιφάνεια Si/SiO 2, από τη σχέση. F 3 = K S C i (3.9) Στη μόνιμη κατάσταση οι τρεις ροές θα πρέπει να είναι ίσες, δηλαδή θα ισχύει ότι: F 1 = F2 = F3 (3.10) Χρησιμοποιώντας αυτή την συνθήκη και σε συνδυασμό με τις εξισώσεις 3.6, 3.8, 3.9 καταλήγουμε ότι: και C C 1 2 x 1 + x 2 x = x x 1 1 x out 1 out 1 2 x = 1 + x out 1 (3.11) * K + S X ox C 1 D C 0 = (3.12) K S K S X ox 1+ + h D Ασκηση αυτοαξιολόγησης

12 Αναζητήστε τα όρια των εξισώσεων (3.11) και (3.12) όταν (α) η τιμή της διαχυτότητας D είναι (α) πολύ μικρή και (β) πολύ μεγάλη Εάν συμβολίσουμε με Ν 1 τη συγκέντρωση των μορίων του οξειδωτικού μέσου που ενσωματώνονται στην μονάδα όγκου του οξειδίου, μπορούμε να γράψουμε για το ρυθμό ανάπτυξης του οξειδίου * dx ox K S C N1 = F3 = (3.13) dt K S K S X ox h D Σημειώνουμε σε αυτό το σημείο, ότι καθώς υπάρχουν 2, μόρια SiO 2 ανά cm 3 οξειδίου, και καθώς υπάρχουν 2 άτομα οξυγόνου σε κάθε μόριο SiO 2, η τιμή του Ν 1 είναι 2, για την ξηρή οξείδωση (O 2 ) και 4, για την υγρή οξείδωση (H 2 O). Η διαφορική εξ μπορεί να λυθεί χρησιμοποιώντας την αρχική συνθήκη X ox =X i για t=0, όπου Χ i είναι το πάχος του οξειδίου που προϋπάρχει στην επιφάνεια του δισκίου πριν από την οξείδωση. Η λύση της εξ είναι: 2 X ox + AX ox = B( t + τ ) (3.14) όπου R p R R = T (3.15) RT + R και 1 * 2 D C B = (3.16) N 2 X i + AX i τ = (3.17) B 52

13 Η εξ ισχύει σε μία μεγάλη περιοχή θερμοκρασιών, πιέσεων και για διαφορετικά οξειδωτικά μέσα.. Χρησιμοποιώντας την σχέση αυτή μπορούμε να υπολογίσουμε το πάχος του οξειδίου σε δεδομένη θερμοκρασία και χρόνο οξείδωσης. Τιμές για τις σταθερές Α και Β μπορούν να βρεθούν στην ανφορά [ Sze p. 104] Συχνά αντί των σταθερών Β και B/A χρησιμοποιείται και ο συμβολισμός k L και k P για την γραμμική και την παραβολική σταθερά της οξείδωσης. Με την χρήση αυτών των σταθερών η εξ μπορεί να γραφτεί στην ισοδύναμη μορφή X ox 2 X ox + = t + τ (3.18) kp kl Στο (Σχ. 3.4) φαίνονται πειραματικά αποτελέσματα από το πάχος του οξειδίου για ξηρή και για υγρή οξείδωση σε διάφορες θερμοκρασίες σαν συνάρτηση του χρόνου οξείδωσης (έχει γίνει κανονικοποίηση για την θερμοκρασία και το οξειδωτικό μέσο. Παρατηρούμε ότι το μοντέλο D-G περιγράφει με αρκετά καλή ακρίβεια τα πειραματικά δεδομένα. Επίσης στην ίδια γραφική παράσταση μπορούμε να δούμε τις δύο οριακές περιπτώσεις : τη γραμμική περιοχή για μικρούς χρόνους οξείδωσης και την παραβολική περιοχή για τους μεγαλύτερους χρόνους οξείδωσης. 53

14 Σχήμα 3.4 Σύγκριση πειραματικών δεδομένων με τις προβλέψεις του μοντέλου D-G για διάφορες θερμοκρασίες και οξειδωτικά περιβάλλοντα. Άσκηση Αυτοαξιολόγησης 3.2 Αναζητήστε τα όρια της εξίσωσης (3.14) για (α) μεγάλους και (β) μικρούς χρόνους οξείδωσης. Τι μορφή έχουν οι προκύπτουσες εξισώσεις σε κάθε περίπτωση? Άσκηση Αυτοαξιολόγησης 3.3 Ενα δισκίδιο πυριτίου οξειδώνεται στους 1100 C για να σχηματισθεί οξείδιο πάχους 5000 Ε σε συνθήκες υγρής οξείδωσης και στην συνέχεια λιθογραφείται όπως στο σχήμα. Στην συνέχεια οξειδώνεται στους 1000 ΊC σε συνθήκες υγρής οξείδωσης για να σχηματίσει 2500 Ε διοχείδιο πυριτίου στις λιθογραφημένες περιοχές. α) Περιγράψτε τις διαδικασίες της υγρής και ξηρής οξείδωσης β) Αν οι σταθερές της κινητικής της οξείδωσης στο μοντέλο Deal-Grove είναι Α=0.11 μm και Β=0.51 μm 2 /hr για τις συνθήκες της υγρής οξείδωσης και Α=0.165 μm και Β= μm 2 /hr για τις συνθήκες της ξηρής οξείδωσης ξανασχεδιάστε το σχήμα μετά το πέρας όλων των διαδικασιών. 3.4 Διάχυση Μία βασική διεργασία διάχυσης φαίνεται στο (Σχ.3.5). Στην περίπτωση αυτή η διαδικασία επιτρέπει στις προσμίξεις οι οποίες θα νοθεύσουν τον ημιαγωγό να εισέλθουν εντός του όγκου του μόνο στις περιοχές που δεν καλύπτονται από την μάσκα διοξειδίου του πυριτίου. Η διάχυση είναι μια βασική φυσική ιδιότητα της ύλης αποτέλεσμα της τυχαίας κίνησης Brown των ατόμων. Η κίνηση των διαχεομένων ατόμων εκφράζεται από τον συντελεστή διάχυσης D, ο οποίος έχει διαστάσεις επιφάνειας ανά μονάδα χρόνου. Γνωρίζοντας τον συντελεστή διάχυσης μπορούμε να προβλέψουμε την συνολική κίνηση αυτών των ατόμων επιλύνοντας τις κλασσικές διαφορικές εξισώσεις της διάχυσης. Μερικά κλασσικά παραδείγματα θα δώσουμε στην επόμενη παράγραφο. 54

15 Σχήμα 3.5 Η διαδικασία της διάχυσης Βασικές αρχές Ο νόμος του Fick Ο πρώτος νόμος του Fick συνδέει την ροή F των υπό διάχυση σωματιδίων με την κλίση της συγκέντρωσής τους. F( x) = D N x (3.19) όπου D είναι ο συντελεστής διάχυσης, Ν η συγκέντρωση των ατόμων της πρόσμιξης που διαχέεται (σε άτομα ανά μονάδα όγκου) και x η απόσταση από την επιφάνεια του πυριτίου. Θεωρώντας επιπλέον την εξίσωση συνέχειας: F x N( x, t) = t (3.20) που υποθέτει ότι δεν υπάρχει συσσώρευση των διαχεομένων ατόμων εντός του όγκου του πυριτίου, καταλήγουμε στον δεύτερο νόμο του Fick. N t = 2 N D x 2 (3.21) 55

16 Στις παραπάνω σχέσεις υποθέσαμε ότι έχουμε διάχυση προς μόνο την κατεύθυνση x. Βέβαια στην πραγματικότητα η διάχυση λαμβάνει χώρα προς τις τρεις κατευθύνσεις του χώρου. Συνήθως το πρόβλημα επιλύεται στις δύο διατάσεις θεωρώντας ότι η τρίτη διάσταση είναι παρόμοια με την δεύτερη μια και οι δύο είναι παράλληλες προς την επιφάνεια. Θεωρώντας την παραπάνω εξίσωση διάχυσης και τις ανάλογες οριακές συνθήκες μπορούμε να επιλύσουμε αναλυτικά ορισμένα κλασσικά προβλήματα διάχυσης προσμίξεων. Ένα τέτοιο πρόβλημα προϋποθέτει ότι η συγκέντρωση της πρόσμιξης παραμένει σταθερή στην επιφάνεια καθ' όλη την διάρκεια της διαδικασίας. Στην πράξη αυτό προϋποθέτει ότι η πηγή της πρόσμιξης παρέχει αυτήν την σταθερή συγκέντρωση στην επιφάνεια του υλικού. Η διαδικασία ονομάζεται εναπόθεση. Η λύση της εξίσωσης διάχυσης στην περίπτωση αυτή είναι : N( x) = N0erfc 2 x Dt (3.22) όπου Ν 0 είναι η σταθερή συγκέντρωση στην επιφάνεια και erfc η συμπληρωματική συγκέντρωση σφάλματος. Μια άλλη περίπτωση όπου μπορούμε να προσεγγίσουμε το πρόβλημα αναλυτικά είναι η περίπτωση που έχουμε εναποθέσει καταρχήν μια σταθερή ποσότητα πρόσμιξης Q εντός του πυριτίου και στην συνέχεια αφήνουμε την ποσότητα αυτή να διαχυθεί για ένα χρόνο t και σε μια ορισμένη θερμοκρασία. Το αποτέλεσμα σε αυτή την περίπτωση είναι μια κατανομή Gauss : N( x) = Q Dt e x 2 4 Dt (3.23) π Η περίπτωση αυτή ταιριάζει στην θερμική διεργασία που ακολουθεί το στάδιο της ιοντικής εμφύτευσης όπου μπορούμε με ακρίβεια να ρυθμίσουμε την εμφυτευμένη ποσότητα. Ο συντελεστής διάχυσης της πρόσμιξης ακολουθεί μια σχέση Arhenius με την θερμοκρασία: 56

17 E A D = D0 exp( Δ kt ) (3.24) Η σχέση αυτή μπορεί να ευρεθεί πειραματικά μετρώντας την κατανομή της πρόσμιξης μετά από ορισμένη θερμική διεργασία και συγκρίνοντας τα πειραματικά με τα αναλυτικά αποτελέσματα (χρησιμοποιώντας π.χ. την εξ. 3.22). Στο (Σχ. 3.5) φαίνονται οι τιμές των συντελεστών διάχυσης διαφόρων προσμίξεων με την θερμοκρασία. Ο συντελεστής διάχυσης εξαρτάται μόνον από την θερμοκρασία όπως στην παραπάνω περίπτωση εάν το επίπεδο συγκέντρωσης της πρόσμιξης είναι σχετικά χαμηλότερο της ενδογενούς συγκέντρωσης ηλεκτρονίων ή οπών ανάλογα με τον τύπο του ημιαγωγού. Στην αντίθετη περίπτωση ο συντελεστής διάχυσης της πρόσμιξης εξαρτάται και από την συγκέντρωση της πρόσμιξης με αποτέλεσμα οι εξ και 3.23 να μην αποδίδουν ορθά την λύση του προβλήματος. Η λύση στην περίπτωση αυτή ευρίσκεται χρησιμοποιώντας αριθμητικές μεθόδους για την επίλυση της διαφορικής εξίσωσης της διάχυσης με την προϋπόθεση ότι γνωρίζουμε την συνάρτηση D(Ν). Σχήμα 3.6 Διάγραμμα των συντελεστών διάχυσης διαφόρων προσμίξεων σε συνάρτηση με την θερμοκρασία Ανακατανομή προσμίξεων κατά την οξείδωση Οι προσμίξεις αντικατάστασης (B, P, As, Sb) που χρησιμοποιούνται για την νόθευση του πυριτίου, όταν βρίσκονται κοντά στη επιφάνεια του πυριτίου ανακατανέμονται κατά την θερμική οξείδωση. Αυτή η ανακατανομή των προσμίξεων είναι πολύ σημαντική γιατί η επιφανειακή συγκέντρωση της πρόσμιξης στο πυρίτιο επηρεάζει τα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά των διατάξεων. Η ανακατανομή των προσμίξεων επηρεάζεται από τρεις 57

18 παράγοντες. Ο πρώτος από αυτούς τους παράγοντες είναι ο συντελεστής ανακατανομής της πρόσμιξης ο οποίος ορίζεται από τη σχέση: eq C m = Si (3.25) eq C SiO 2 eq eq όπου C Si και C είναι οι συγκεντρώσεις θερμοδυναμικής ισορροπίας της πρόσμιξης στο SiO 2 πυρίτιο και στο οξείδιο αντίστοιχα. Η ανακατονομή εξαιτίας αυτού του παράγοντα οφείλεται στο ότι οι προσμίξεις έχουν διαφορετικές συγκεντρώσεις ισορροπίας στις δύο φάσεις (πυρίτιο και οξείδιο). Ο δεύτερος παράγοντας είναι η διαχυτότητα της πρόσμιξης στο οξείδιο. Γιατί ακόμα και εάν οι προσμίξεις συσσωρεύονται στο οξείδιο (m<1), τελικά θα εξω-διαχυθούν από την επιφάνεια του προς το περιβάλλον, εάν έχουν την ικανότητα να διαχυθούν γρήγορα μέσα από αυτό. Ο τρίτος παράγοντας που επηρεάζει την ανακατανομή των προσμίξεων είναι ο ρυθμός με τον οποίο κινείται η διεπιφάνεια Si/SiO 2 προς τον όγκο του πυριτίου. Ο όγκος του οξειδίου είναι διπλάσιος του από τον αντίστοιχο όγκο του πυριτίου που καταναλώνεται. Επομένως ακόμα και στην περίπτωση που το οξείδιο έχει την ίδια συγκέντρωση με το πυρίτιο, θα πρέπει να μετακινηθούν προσμίξεις από το πυρίτιο για να αντισταθμιστεί αυτή η αύξηση του όγκου, οπότε το πυρίτιο θα απογυμνωθεί από τις προσμίξεις. Μια εικόνα που αναπαριστάνει τις τέσσερις περιπτώσεις για την ανακατανομή των προσμίξεων στην διεπιφάνεια, φαίνεται στο (Σχ. 3.7). Θα αναλύσουμε τα δεδομένα του σχήματος θεωρώντας δύο περιπτώσεις. α) η πρόσμιξη συγκεντρώνεται στο οξείδιο (m<1) και β) η πρόσμιξη συγκεντρώνεται στο πυρίτιο. Το προφίλ των προσμίξεων μετά την ανακατανομή εξαρτάται από το πόσο γρήγορα διαχέεται η πρόσμιξη μέσα στο οξείδιο. Στη πρώτη περίπτωση, (Σχ. 3.7α), m<1 και η διάχυση της πρόσμιξης στο οξείδιο είναι μικρή (π.χ. Βόριο). Σαν αποτέλεσμα η επιφάνεια του πυριτίου απογυμνώνεται από το βόριο. Ωστόσο, σε μία κατοπινή θερμική διεργασία του οξείδιου σε περιβάλλον H 2 η διαχυτότητα του Βορίου αυξάνει και το πυρίτίο απογυμνώνεται περισσότερο από το βόριο (Σχ. 3.7β). Στην τρίτη περίπτωση, όπου το οξείδιο απορρίπτει τις προσμίξεις (m>1), και η πρόσμιξη διαχέεται αργά στο οξείδιο, παρατηρούμε μία συσσώρευση της πρόσμιξης στο πυρίτιο (P pile-up). Στην τελευταία περίπτωση, όπου m>1 αλλά η πρόσμιξη διαχέεται γρήγορα στο 58

19 πυρίτιο γρήγορα μέσα στο οξείδιο (π.χ. Ga), βρίσκουμε ότι η συγκέντρωση της πρόσμιξης στο υπόστρωμα ελαττώνεται. Σχήμα 3.7 Ανακατανομή προσμίξεων στη διεπιφάνεια οξειδίου-πυριτίου κατά την θερμική οξείδωση του πυριτίου. Οι τιμές των συντελεστών ανακατανομής μπορούν υπολογιστούν πειραματικά τόσο έμμεσα (από τη διάχυση της πρόσμιξης και με τη χρήση κάποιου μοντέλου), όσο και άμεσα από μετρήσεις SIMS στη διεπιφάνεια. Στη περίπτωση αυτή μπορούμε να μετρήσουμε πειραματικά τη συγκέντρωση της πρόσμιξης τόσο στο οξείδιο όσο και στο πυρίτιο. Ασκηση Αυτοαξιολόγησης 3.4 Θεωρούμε υπόστρωμα πυριτίου το οποίο είναι ομοιόμορφα νοθευμένο με φώσφορο σε συγκέντρωση cm -3. Θεωρούμε ότι νοθεύουμε το υλικό με τέτοιο τρόπο ώστε μία δόση cm -2 βορίου που ευρίσκεται στην επιφάνεια να διαχυθεί εντός του υλικού για 1hr στους 1000 ΊC. Υπολογίστε την συγκέντρωση στην επιφάνεια καθώς και το βάθος επαφής μετά το πέρας της θερμικής διαδικασίας. Δίδεται ο συντελεστής διάχυσης του βορίου 0.037e(-3.46/kΤ) όπου k η σταθερά Boltzmann 3.5 Ιοντική εμφύτευση 59

20 Η εμφύτευση ιόντων είναι μία μέθοδος εισαγωγής προσμίξεων σε έναν ημιαγωγό. Η τεχνολογία αυτή χρησιμοποιεί ιόντα τα οποία επιταχύνονται ηλεκτροστατικά για να βομβαρδίσουν τα ημιαγώγιμα υλικά. Η επιλογή του προς εμφύτευση ιόντος γίνεται μέσω ενός μαγνήτη ο οποίος αποκλίνει την πορεία ενός ιόντος ανάλογα με το ατομικό του βάρος. Μία τυπική συσκευή εμφύτευσης φαίνεται στο (Σχ. 3.8). Σχήμα 3.8 Η συσκευή ιοντικής εμφύτευσης. Τα κύρια πλεονεκτήματα της ιοντικής εμφύτευσης έναντι της διαδικασίας της εισαγωγής προσμίξεων μέσω διάχυσης με εναπόθεση είναι ότι το βάθος διείσδυσης των προσμίξεων στην εμφύτευση μπορεί να καθορισθεί με ακρίβεια με βάση την ενέργεια της εμφύτευσης η δε ποσότητα της εισαγόμενης πρόσμιξης με βάση το μετρούμενο ρεύμα. Για μερικούς ημιαγωγούς η ιοντική εμφύτευση είναι η μόνη δυνατή διαδικασία εισαγωγής προσμίξεων μια και οι υψηλές θερμοκρασίες εισαγωγής προσμίξεων με εναπόθεση θα είχαν σαν αποτέλεσμα διάλυση του σύνθετου ημιαγωγού όπως π.χ. το GaAs. Επίσης η ιοντική εμφύτευση βοηθάει στην σμίκρυνση των διαστάσεων των διατάξεων με την ελαχιστοποίηση των φαινομένων δύο διαστάσεων. 60

21 3.5.1 Βασικές έννοιες Ο συνολικός αριθμός των ατόμων της πρόσμιξης που περνάει στον ημιαγωγό από την επιφάνεια (δηλ. η δόση) είναι ανάλογη του ρεύματος της δέσμης σε όλη την εμφυτευμένη επιφάνεια. Η κατανομή της συγκέντρωσης των προσμίξεων είναι συνάρτηση του εμφυτευμένου είδους, του υποστρώματος και της ενέργειας. Οι συγκρούσεις μεταξύ του εμφυτευμένου ιόντος και των ατόμων του κρυστάλλου καθορίζουν την πορεία του ιόντος. Συνήθως θεωρούμε ότι το εισαγόμενο άτομο αλληλεπιδρά μόνο με ένα κρυσταλλικό άτομο σε κάθε του σύγκρουση ακολουθώντας μία πορεία που φαίνεται στο (Σχ. 3.9). Σχήμα 3.9 Η πορεία που ακολουθεί το εισαγόμενο άτομο σε κάθε σύγκρουσή του με ένα κρυσταλλικό άτομο. Πιο αναλυτικά η κατανομή των προσμίξεων κατά την εμφύτευση ελέγχεται κυρίως από μηχανισμούς απώλειας ενέργειας των ιόντων μέσω αλληλεπιδράσεων τόσο με τα άτομα του πλέγματος του υποστρώματος όσο και με τα ηλεκτρόνια. Υπάρχουν δύο κυρίως μηχανισμοί : Απώλεια ενέργειας λόγω συγκρούσεων με τους πυρήνες των ατόμων. Τέτοιου είδους συγκρούσεις έχουν σαν αποτέλεσμα μεγάλη απώλεια ενέργειας του εμφυτευμένου ιόντος, μεγάλες αποκλίσεις τροχιάς αλλά και καταστροφή του κρυσταλλικού πλέγματος του ημιαγωγού. Ο μηχανισμός αυτός είναι κυρίαρχος για μικρές ενέργειες και βαριά ιόντα. Απώλεια ενέργειας λόγω συγκρούσεων με τα ηλεκτρόνια. Τέτοιου είδους συγκρούσεις έχουν σαν αποτέλεσμα μικρή απώλεια ενέργειας του εμφυτευμένου ιόντος, μικρές αποκλίσεις τροχιάς αλλά και αμελητέα καταστροφή του κρυσταλλικού πλέγματος του ημιαγωγού. Ο μηχανισμός αυτός είναι κυρίαρχος για μεγάλες ενέργειες και ελαφριά ιόντα. Μπορούμε να γράψουμε ότι : 61

22 de de S = ( ) + dx πυρην ( ) dx ηλεκτρον (3.26) όπου S είναι η ανασχετική ισχύς του στόχου, που ορίζεται ως η απώλεια ενέργειας (Ε) ανά μονάδα μήκους της τροχιάς κίνησης του προσπίπτοντος ιόντος. Αν γνωρίζουμε το S μπορούμε να ολοκληρώσουμε όλες τις απώλειες ενέργειας μέχρις ότου το ιόν απολέσει όλη την αρχική του ενέργεια και να υπολογίσουμε το μήκος που θα έχει μέχρι τότε διανύσει. Αναλυτικές εκφράσεις για τους όρους της εξ μπορεί να βρει ο ενδιαφερόμενος στην βιβλιογραφία [1] Κατανομή των προσμίξεων Θεωρώντας τους φυσικούς μηχανισμούς ανάσχεσης που περιγράψαμε παραπάνω ένα προσπίπτον ιόν κάθετα στην επιφάνεια του ημιαγώγιμου υποστρώματος διανύει απόσταση ίση με R που θα την ονομάσουμε βεληνεκές. Η απόσταση αυτή έχει τόσο μία κάθετη προς την επιφάνεια συνιστώσα όσο και μια οριζόντια. Η διαδικασία όμως της εμφύτευσης περιλαμβάνει ένα σύνολο ιόντων σε δόση που είναι συνήθως μεγαλύτερη από ατ / cm -2. Το μέσο λοιπόν μήκος κατά την διεύθυνση του βάθους που διανύουν τα ιόντα αυτά ονομάζεται προβεβλημένο βεληνεκές R p και η κατανομή των ιόντων γύρω από το βάθος αυτό η οποία είναι τύπου Gauss έχει μια τυπική απόκλιση σ p. Γράφουμε λοιπόν για την συγκέντρωση των ιόντων N(x): ( x R p ) 2 N( x) = N exp 0 2σ 2 p (3.27) Εάν η συνολική δόση των εμφυτευμένων ιόντων Q τότε ολοκληρώνοντας την παραπάνω εξίσωση βρίσκουμε για το μέγιστο της συγκέντρωσης: N0= Q 2πσp (3.28) 62

23 3.5.3 Ανόπτηση μετά την εμφύτευση Επειδή τα εμφυτευθέντα ιόντα σπανίως ευρίσκονται σε θέσεις του πλέγματος όπου θα είναι ηλεκτρικά ενεργά, συνεισφέρουν δηλ. στην ηλεκτρική αγωγιμότητα του ημιαγωγού, μετά την εμφύτευση θερμαίνουμε τον κρύσταλλο έτσι ώστε να τοποθετήσουμε τα εμφυτευθέντα ιόντα σε θέσεις του πλέγματος και να αποκαταστήσουμε τις καταστροφές που προκάλεσε η εμφύτευση στο κρυσταλλικό πλέγμα. Ανάλογα με την ποσότητα της εμφυτευθείσας δόσης είναι και η καταστροφή που έχει προκληθεί στον κρύσταλλο. Η αποκατάσταση των καταστροφών αρχίζει απο χαμηλές θερμοκρασίες, περί τους 500 C, αλλά ολοκληρώνεται συνήθως σε θερμοκρασία των 900 C και για λίγα λεπτά θέρμανση. Η μελέτη των ατελειών και της κινητικής της αποκατάστασής τους γίνεται με Ηλεκτρονικό Μικροσκόπιο Διερχόμενης Δέσμης. Ο αριθμός των ατόμων της πρόσμιξης που είναι σε ενεργές θέσεις ευρίσκεται μετρώντας την κατανομή των ελευθέρων φορέων σε σχέση με το βάθος με μεθόδους όπως συνδυασμένες μετρήσεις ειδικής αντίστασης και τάσης Hall. Ο συνολικός αριθμός των ατόμων (δηλ. ενεργών και ανενεργών) ευρίσκεται κυρίως με την μέθοδο της δευτερογενούς ιοντικής φασματοσκοπίας (αναφορά). Ο συνδυασμός των δύο μετρήσεων μας δίδει πληροφορία για την κινητική της αποκατάστασης των προσμίξεων σε κρυσταλλικές θέσεις. Κατά την διάρκεια της ανόπτησης εκτός από την ενεργοποίηση των προσμίξεων και την αποκατάσταση των καταστροφών της εμφύτευσης λαμβάνει χώρα και διάχυση των προσμίξεων. Ο έλεγχος της διάχυσης στην περίπτωση αυτή είναι δύσκολος γιατί οι προσμίξεις διαχέονται τάξεις μεγέθους ταχύτερα από ότι σε κατάσταση ισορροπίας. Βασική αιτία είναι η διάλυση εκτεταμένων ατελειών που προκαλούν σημαντική αύξηση του αριθμού των σημειακών ατελειών μέσω των οποίων γίνεται η διάχυση της πρόσμιξης. Για όσο το δυνατόν ακριβέστερο έλεγχο έχουν αναπτυχθεί συσκευές ταχείας ανόπτησης του υλικού στις οποίες η θέρμανση διαρκεί λίγα δευτερόλεπτα. Ασκηση αυτοαξιολόγησης 3.5 α) Η μέθοδος της ιοντικής εμφύτευσης για νόθευση των ημιαγωγών επικράτησε αυτής της διάχυσης μετά τα μέσα της δεκαετίας του '70. Αναφέρατε τις αιτίες που κατά την γνώμη σας συνέβη αυτό. 63

24 Β) Θεωρούμε εμφύτευση βορίου σε ενέργεια 30 kev εντός δισκιδίου πυριτίου που καλύπτεται στην επιφάνεια από 150 Ε οξειδίου του πυριτίου. Υπολογίστε το ποσοστό της δόσης του βορίου που παγιδεύεται στο οξείδιο. Θεωρείστε προσεγγιστικά ότι το διοξείδιο του πυριτίου και το πυρίτιο παρόμοια ανασχετική ισχύ και για την ενέργεια εμφύτευσης των 30 kev είναι R p ==1000 Ε και ΔR p =325 Ε 3.6 Χημική εναπόθεση ατμών (CVD) Η εναπόθεση υμενίων με την μέθοδο της χημικής εναπόθεσης βασίζεται στη χημική αντίδραση αερίων τα οποία βρίσκονται σε συγκεκριμένη πίεση στην επιφάνεια του δισκιδίου του πυριτίου το οποίο βρίσκεται σε συγκεκριμένη θερμοκρασία. Η χημική αντίδραση έχει σαν αποτέλεσμα την ανάπτυξη πάνω στην επιφάνεια του πυριτίου λεπτού στρώματος υμενίου συγκεκριμένης χημικής σύστασης. Με τη χρήση στη μικροηλεκτρονική εναποτιθέμενων υμενίων γίνεται εφικτή η κατασκευή πολύπλοκων κυκλωμάτων. Το κρυσταλλικό πυρίτιο με το θερμικό οξείδιο αποτελούν το πρώτο βασικό επίπεδο για την κατασκευή των ηλεκτρονικών στοιχείων. Στην συνέχεια η εναπόθεση μονωτικών και αγώγιμων υμενίων, κατάλληλης γεωμετρίας το καθ ένα, επιτρέπει την διασύνδεσή των ηλεκτρονικών στοιχείων του πρώτου βασικού επιπέδου. Τα συνηθέστερα υλικά που εναποτίθενται με την τεχνική αυτή είναι: Το πολυκρυσταλλικό πυρίτιο (polysilicon), το οποίο χρησιμοποιείται κυρίως εμπλουτισμένο με προσμίξεις αντί μετάλλου ως ηλεκτρόδιο πύλης στην τεχνολογία MOS. Το πλεονέκτημά του είναι η αντοχή σε υψηλές θερμοκρασίες, διευκολύνοντας έτσι την τεχνολογία κατασκευής των κυκλωμάτων. Το διοξείδιο του πυριτίου, το οποίο δεν έχει την χημική αντοχή και τις ηλεκτρικές ιδιότητες του θερμικού οξειδίου, αλλά χρησιμοποιείται σαν μονωτικό όπου δεν είναι δυνατή η ανάπτυξη θερμικού. Το νιτρίδιο του πυριτίου (σε διάφορες στοιχειομετρίες) το οποίο είναι ένα μονωτικό υλικό υψηλής χημικής αντοχής σε οξειδωτικά μέσα. Οι συνηθέστερες τεχνικές εναπόθεσης είναι: Η χημική εναπόθεση ατμών σε ατμοσφαιρική πίεση (APCVD), η πλέον απλή διαδικασία εναπόθεσης εφόσον απαιτείται μόνο ένας φούρνος και ένα σύστημα μίξης και ελέγχου ροής αερίων. Με την μέθοδο αυτή μπορεί να εναποτεθεί οξείδιο του 64

25 πυριτίου σε θερμοκρασίες 300 o C 500 o C, για χρήση του ως μονωτικού ή για αδρανοποίηση (passivation) των ηλεκτρονικών κυκλωμάτων. Το μειονέκτημα της μεθόδου αυτής είναι η κακή επικάλυψη βημάτων (step coverage). Η χημική εναπόθεση ατμών σε χαμηλή πίεση (LPCVD), διαδικασία παρόμοια με την προηγούμενη, με βασική όμως διαφορά ότι η αντίδραση πραγματοποιείται υπό μερικό κενό (~200mtorr). Με αυτή τη μέθοδο εναποτίθεται οξείδιο σε θερμοκρασία 300 o C 500 o C με παρόμοια χαρακτηριστικά όπως το APCVD. Σε θερμοκρασίες 500 o C 900 o C μπορεί να εναποτεθεί τόσο πολυκρυσταλλικό πυρίτιο όσο και οξείδιο ή νιτρίδιο με πολύ καλή επικάλυψη βημάτων (Σx. 3.10). Η χημική εναπόθεση ατμών με πλάσμα (PECVD), διαδικασία χημικής εναπόθεσης ατμών οι οποίοι βρίσκονται σε κατάσταση πλάσματος. Μ αυτή τη μέθοδο εναποτίθεται οξείδιο του πυριτίου σε πολύ χαμηλή θερμοκρασία 100 o C 350 o C. Η ποιότητα των υμενίων δεν είναι πολύ καλή, αλλά η πολύ χαμηλή θερμοκρασία εναπόθεσης καθιστά την διεργασία πολύ χρήσιμη σε ορισμένες εφαρμογές. Σχήμα Επιμετάλλωση 65

26 Η επιμετάλλωση στη κατασκευή των ολοκληρωμένων κυκλωμάτων εξυπηρετεί την διασύνδεση των επί μέρους ηλεκτρονικών στοιχείων. Οι γενικές απαιτήσεις των μετάλλων που χρησιμοποιούνται είναι οι ακόλουθες: Να έχουν υψηλή αγωγιμότητα. Να εναποτίθενται με απλές διεργασίες, καθώς και να εγχαράσσονται εύκολα, ώστε να μορφοποιούνται στα γεωμετρικά σχήματα που απαιτείται. Να μην οξειδώνονται. Να έχουν καλή μηχανική σταθερότητα και λεπτή υφή (να μην σχηματίζονται δηλαδή μεγάλοι κόκκοι). Να παραμένουν σταθερά από τις διαδικασίες που υπολείπονται μετά την εναπόθεση τους, ιδίως τις θερμικές. Να μην αποτελούν πηγή μόλυνσης για το δισκίδιο του πυριτίου ή για τα μηχανήματα επεξεργασίας του (όπως για παράδειγμα ο χρυσός) Τεχνικές εναπόθεσης Οι τεχνικές εναπόθεσης αγώγιμων στρωμάτων είναι τρεις: 1. Η εξάχνωση (evaporation), η πιο κοινή μέθοδος επιμετάλλωσης κατά την οποία εξαχνώνεται μια ποσότητα υλικού εντός θαλάμου κενού, το οποίο επικάθηται στο δισκίδιο του πυριτίου. Για να πραγματοποιηθεί εναπόθεση υμενίου με καλές ιδιότητες απαιτείται η χρήση υψηλού κενού (>10-6 mtorr) για την αποφυγή οξείδωσης του εξαχνώμενου υλικού. Η εξάχνωση πραγματοποιείται είτε με θέρμανση του προς εξάχνωση υλικού από την διέλευση ηλεκτρικού ρεύματος, είτε με τον βομβαρδισμό του υλικού με ηλεκτρόνια, από μία κατευθυνόμενη δέσμη ηλεκτρονίων (e-gun). 2. Εναπόθεση (sputtering). Τεχνική κατά την οποία το δισκίδιο του πυριτίου τοποθετείται έναντι στόχου αποτελούμενου από το προς εναπόθεση υλικό. Στο ενδιάμεσο χώρο δημιουργείται πλάσμα αδρανούς υλικού (συνήθως αργό), το οποίο μέσω των κρούσεων του με το στόχο, αποκολλά μόρια του στόχου που επικάθηνται πάνω στο δισκίδιο. Μ αυτή τη μέθοδο εναποτίθενται πολλά μέταλλα αλλά και πυριτίδια (κράματα πυριτίου μετάλλου). 3. Χημική εναπόθεση ατμών, η μέθοδος που περιγράφτηκε στην 3.6 με την οποία εκτός του πολυκρυσταλλικού μπορούν να εναποτεθούν Mo, W, αλλά και πυριτίδια (ενώσεις του πυριτίου με μέταλλα). 66

27 Ασκηση αυτοαξιολόγησης 3.6 Θεωρούμε το παρακάτω σχήμα όπου φαίνεται μία σειρά βημάτων SiO 2 ύψους 1000 nm έκαστο. Θέλουμε να κατασκευάσουμε ένα αγώγιμο λεπτό στρώμα υλικού πάχους 50 nm που να διασχίζει την δομή συνεχώς απο το σημείο Α μέχρι το σημείο Β. Ποιό υλικό και ποιά διαδικασία εναπόθεσης θα προτιμούσαμε να χρησιμοποιήσουμε? Σχήμα 3.8 Λιθογραφία Οι τεχνολογικές διαδικασίες στην μικροηλεκτρονική, γίνονται στην συνολική επιφάνεια του πυριτίου και στην συνέχεια τα υλικά απομακρύνονται από τις περιοχές που δεν είναι επιθυμητό να υπάρχουν. Για παράδειγμα η εναπόθεση ενός υμενίου πολυκρυσταλλικού πυριτίου πραγματοποιείται στο σύνολο της επιφάνειας του δισκιδίου, ενώ η κατασκευή ενός κυκλώματος απαιτεί την εναπόθεση σε ορισμένες περιοχές, συγκεκριμένης γεωμετρίας. Ομοίως μετά την οξείδωση θα πρέπει να ανοιχτούν πάνω στο οξείδιο τα παράθυρα εκείνα, μέσω των οποίων θα πραγματοποιηθούν οι υπόλοιπες διεργασίες. Η διαδικασία με την οποία καθορίζουμε ποιές περιοχές θα απομακρυνθούν ή όχι δηλαδή την γεωμετρία ονομάζεται λιθογραφία ενώ η διαδικασία με την οποία αφαιρείται ένα υλικό ονομάζεται εγχάραξη (etching). Λιθογραφία είναι λοιπόν η διαδικασία αποτύπωσης γεωμετρικών σχημάτων πάνω σε κάποια επιφάνεια. Η λιθογραφία είναι δυνατόν να πραγματοποιηθεί, είτε με οπτική ακτινοβολία, είτε με ηλεκτρόνια, είτε με ακτίνες Χ Η οπτική λιθογραφία Κατά την οπτική λιθογραφία η αποτύπωση γίνεται μέσω της διέλευσης φωτός από την μάσκα στην οποία έχουν αποτυπωθεί τα γεωμετρικά σχήματα, με σκοτεινές (μη διαπερατές στο φως) και φωτεινές (διαπερατές στο φως) περιοχές. Η φωτεινή ακτινοβολία 67

28 διαπερνάει μόνο τις φωτεινές περιοχές και ενεργοποιεί αντίστοιχα μια φωτοευαίσθητη πολυμερική ρητίνη (resist), η οποία έχει εναποτεθεί επί του δισκιδίου. Ακολουθεί η επεξεργασία του δισκιδίου με την ενεργοποιημένη τοπικά ρητίνη στο τέλος της οποίας έχουν απομακρυνθεί (development) οι περιοχές της ρητίνης που επιθυμούμε. Υπάρχουν δύο γενικές κατηγορίες ρητινών: η θετική ρητίνη, στην οποία μετά την εμφάνιση αφαιρείται η ρητίνη από της περιοχές που έχουν εκτεθεί στο φως, και η αρνητική ρητίνη κατά την επεξεργασία της οποίας απομένει ρητίνη μόνο στις περιοχές που αντιστοιχούν στις φωτεινές περιοχές της μάσκας. Η έκθεση της ρητίνης πραγματοποιείται με υπεριώδη ακτινοβολία (<400nm), ώστε να εκμεταλλευτούμε το μικρότερο μήκος κύματος και να γίνει εφικτή η εμφάνιση όσο το δυνατών μικρότερων δομών. Στη σύγχρονη βιομηχανία χρησιμοποιείται έκθεση με μήκος κύματος 193nm, με το οποίο είναι δυνατή η επίτευξη δομών με μικρότερη διάσταση 0.15μm. Στο μέλλον προβλέπεται η επέκταση προς μήκη κύματος 157nm και στο απώτερο μέλλον στα 13 nm (Extreme UV). Η αποτύπωση πραγματοποιείται με δύο τρόπους. Ο απλούστερος πραγματοποιείται φέρνοντας σ επαφή την μάσκα με την ρητίνη (contact printing). Αυτή η μέθοδος χρησιμοποιείται περισσότερο σε εργαστήρια με μικρό όγκο παραγωγής. Ο δεύτερος γίνεται με προβολή του ειδώλου της μάσκας πάνω στο δισκίδιο (projection), και διαδοχική επανάληψη της έκθεσης (step and repeat). Κάθε μηχανή λιθογραφίας είναι εξοπλισμένη με δυνατότητα ευθυγράμμισης της μάσκας με το δισκίδιο του πυριτίου, ώστε να συμπίπτουν τα διάφορα επίπεδα κατασκευής μεταξύ τους. 68

29 Σχ Διαδικασία αποτύπωσης σχήματος Η ηλεκτρονική λιθογραφία Στην ηλεκτρονική λιθογραφία η αποτύπωση γίνεται με κατευθυνόμενη δέσμη ηλεκτρονίων πολύ μικρής διαμέτρου η οποία βομβαρδίζει την ρητίνη. Μ αυτό τον τρόπο είναι εφικτή η επίτευξη πολύ μικρών δομών (<0.1μm), αλλά η όλη διαδικασία είναι χρονοβόρα και απαιτεί ακριβό εξοπλισμό. Η κύρια χρήση της είναι η κατασκευή των μασκών που χρησιμοποιούνται στην οπτική λιθογραφία, εφόσον είναι ο πλέον ακριβής τρόπος αποτύπωσης ενός γεωμετρικού σχήματος στην μάσκα Η λιθογραφία αχτίνων Χ Η λιθογραφία ακτίνων Χ αποτελεί επέκταση της οπτικής λιθογραφίας σε μικρότερα μήκη κύματος, ώστε να γίνει εφικτή η κατασκευή όλο και μικρότερων δομών. Απαιτεί την χρήση ειδικών μασκών (λεπτές μεμβράνες Si που σαν σκοτεινές περιοχές έχουν παχύ στρώμα χρυσού), αλλά και πολύ ακριβού εξοπλισμού, όπως ένα σύνγχροτρο μέσω του οποίου παράγονται οι ακτίνες Χ. Ασκηση αυτοαξιολόγησης 3.7 Αν οι αποστάσεις μεταξύ των βημάτων του σχήματος της άσκησης 3.6 είναι 1000 nm τί είδους λιθογραφία θα χρησιμοποιούσαμε? Η ίδια ερώτηση όταν η απόσταση είναι μόνον 50 nm. 3.9 Εγχάραξη Με τη λιθογραφία αποτυπώνεται το γεωμετρικό σχέδιο της μάσκας (pattern) επάνω στην ρητίνη όπως περιγράψαμε στις προηγούμενες παραγράφους. Μετά την λιθογραφία ακολουθεί η αφαίρεση ή εγχάραξη (etching) του υμενίου που βρίσκεται κάτω από την ρητίνη. Οι περιοχές του υμενίου που έχουν ρητίνη προστατεύονται από την διαδικασία της εγχάραξης, ενώ οι περιοχές που είναι εκτεθειμένες (δεν έχουν ρητίνη) εγχαράσσονται. Το λιθογραφημένο υμένιο της ρητίνης λειτουργεί ως μάσκα προστασίας των περιοχών εκείνων που δεν θέλουμε να υποστούν εγχάραξη. Περισσότερα για την εγχάραξη θα 69

30 έχουμε την ευκαιρία να αναφέρουμε στην παράγραφο για τις μικρομηχανικές τεχνικές Η υγρή εγχάραξη Στην υγρή εγχάραξη το μέσο πραγματοποίησης της εγχάραξης είναι ένα χημικό υγρό το οποίο δεν προσβάλει την μάσκα της εγχάραξης (ρητίνη), αλλά εγχαράσσει το υμένιο που επιλεκτικά θέλουμε να αφαιρεθεί. Υποπερίπτωση της υγρής εγχάραξης είναι η εγχάραξη μέσω ατμών, κατά την οποία το χημικό εγχάραξης είναι σε αέρια μορφή Η ξηρή εγχάραξη Στην περίπτωση αυτή το μέσο εγχάραξης είναι κάποιο αέριο σε συνθήκες πλάσματος. Τα ιόντα του αερίου προσκρούουν στην επιφάνεια του δισκιδίου και αφαιρούν το εγχαρασσόμενο υλικό, είτε λόγω κρούσης (Ion Etching), είτε λόγω χημικής αντίδρασης των ιόντων του αερίου με το εγχαρασσόμενο υλικό (Reactive Ion Etching). Η πραγματοποίηση ξηρής εγχάραξης προϋποθέτει την ύπαρξη ειδικού εξοπλισμού (μηχανή εγχάραξης πλάσματος etcher, σχ.3.12α), όπως θα δούμε όμως έχει σημαντικά πλεονεκτήματα σε σχέση με την υγρή εγχάραξη. Στο σχημα 3.12β φαίνεται λοιπόν μια απλουστευμένη μορφή ενός αντιδραστήρα πλάσματος. Αποτελείται απο δύο παράλληλες μεταλλικές πλάκες (ηλεκτρόδια) στα οποία εφαρμόζεται εναλασσόμενη τάση. Το δισκίο προς επεξεργασία ευρίσκεται επάνω στο ένα 70

31 ηλεκτρόδιο. Το σύστημα ευρίσκεται μέσα σε ένα θάλαμο κενού εντός του οποίου διοχετεύεται αέριο. Με την εφαρμογή της τάσεως μεταξύ των ηλεκτροδίων ξεσπά ηλεκτρική εκκένωση στο αέριο και δημιουργείται πλάσμα. Με τον όρο πλάσμα εννοούμε αέριο που περιέχει ηλεκτρόνια καθώς και ιόντα θετικά και αρνητικά. Τα ηλεκτρόνια είναι υπεύθυνα για την διάσπαση του αερίου σε ενεργές ρίζες. Οι ενεργές ρίζες είναι αυτές που μεταφέρονται στο δισκίδιο του πυριτίου και εγχαράσσουν το υλικό. Στο πλάσμα που δημιουργήθηκε διακρίνουμε την περιοχή του ηλεκτρικά ουδέτερου πλάσματος και την περιοχή των οριακών στρωμάτων ή φραχτών ηλεκτρονίων. Τα Σχ. 3.12α Συσκευή πλάσματος φράγματα ηλεκτρονίων δημιουργούνται πλησίον επιφανειών και η δημιουργία τους εξηγείται με επιχειρήματα ανάλογα με αυτά της θεωρίας απογύμνωσης μιάς ημιαγωγικής διόδου. Επειδή τα ηλεκτρόνια είναι σαφώς πιο κινητικά απο τα ιόντα του πλάσματος η ροή τους είναι πολύ μεγαλύτερη αυτής των ιόντων με αποτέλεσμα οποιαδήποτε επιφάνεια εντός του πλάσματος να φορτίζεται καταρχήν απο τα ηλεκτρόνια αρνητικά. Το φορτίο αυτό δημιουργεί δυναμικό το οποίο εμποδίζει σχ. 3.12β Αντιδραστήρας πλάσματος και βασικά φαινόμενα μέσα σε αυτόν. Ν συμβολίζουμε τα ουδέτερα μόρια, R τις ενεργές ρίζες και Ι+ θετικά ιόντα [2] καινούργια ηλεκτρόνια να επιπέσουν στην επιφάνεια, λειτουργεί δηλαδή σαν φράχτης δυναμικού. Το ηλεκτρικό πεδίο που δημιουργείται κάθετα στην επιφάνεια εμποδίζει τα ηλεκτρόνια να την βομβαρδίσουν αλλά έλκει θετικά ιόντα τα οποία με τον βομβαρδισμό επιταχύνουν τις χημικές αντιδράσεις που λαμβάνουν χώρα στην επιφάνεια απο την αντίδραση των ενεργών ριζών με το υλικό. 71

32 Επειδή η κατεύθυνση των ιόντων είναι κατακόρυφη ο ρυθμός εγχάραξης αυξάνεται μόνον στην κατεύθυνση αυτή γεγονός που οδηγεί σε αύξηση της ανισοτροπίας κατα την εγχάραξη με πλάσμα. Το πλεονέκτημα αυτό της ξηρής εγχάραξης έναντι της υγρής την καθιστά απαραίτητη διαδικασία για την μικρομηχανική και την μικροηλεκτρονική τεχνολογία Χαρακτηριστικά εγχάραξης Όσον αφορά την εγχάραξη θα πρέπει να αναφέρουμε ορισμένα χαρακτηριστικά που την καθορίζουν: (α) Η επιλεκτικότητα Για να εγχαραχθεί επιλεκτικά ένα υμένιο θα πρέπει το μέσο το οποίο θα το εγχαράξει να μην επιτίθεται στο υλικό της μάσκας που το προστατεύει, όσο και στα υπόλοιπα στρώματα υλικών που έχουν δημιουργηθεί στα προηγούμενα τεχνολογικά στάδια.. Κατά την υγρή εγχάραξη αυτό είναι τις περισσότερες φορές δυνατό, όχι όμως πάντα. Για παράδειγμα τα χημικά που εγχαράσσουν το οξείδιο του πυριτίου (διαλύματα υδροφθορίου) εγχαράσσουν επίσης, αλλά σε μικρότερο ρυθμό, και το νιτρίδιο, ενώ αφήνουν άθικτη την ρητίνη της λιθογραφίας. Έτσι εγχάραξη οξειδίου το οποίο βρίσκεται πάνω από νιτρίδιο, προϋποθέτει τον χρονικό έλεγχο της εγχάραξης, ώστε όταν τελειώσει η εγχάραξη του οξειδίου να σταματήσει η όλη διαδικασία πριν αυτή προσβάλει και το νιτρίδιο. Η επιλεκτικότητα λοιπόν ορίζεται ως ο λόγος του ρυθμού του εγχάραξης ενός ως προς ένα άλλο υλικό. Όσο μεγαλύτερη είναι η επιλεκτικότητα τόσο περισσότερο ελεγχόμενη είναι η διαδικασία της εγχάραξης. Κατά την ξηρή εγχάραξη λόγω της φύσης της διαδικασίας ταχεία πρόσκρουση των ιόντων του πλάσματος και βίαιη αφαίρεση του εγχαρασσόμενου υλικού, τα περισσότερα υλικά που χρησιμοποιούνται στην μικροηλεκτρονική προσβάλλονται. Η εφαρμογή της ξηρής εγχάραξης προϋποθέτει την ακριβή γνώση των ρυθμών της στα διάφορα υλικά που υπάρχουν (ρητίνη, εγχαρασσόμενο υλικό και υπόστρωμα), ώστε να καταστεί δυνατός ο χρονικός προγραμματισμός της και να αποφευχθεί πιθανή καταστροφική υπέρ-εγχάραξη (over-etching). Το σημαντικότερο πλεονέκτημα της ξηρής έναντι της υγρής εγχάραξης είναι η ανισοτροπικότητα. 72

33 (β) Ανισοτροπικότητα Τα περισσότερα υμένια που χρησιμοποιούνται στη μικροηλεκτρονική, εκτός φυσικά του υποστρώματος, είναι άμορφα ή πολυκρυσταλλικά, κατά συνέπεια είναι επίσης ομογενή και ισότροπα. Το γεγονός αυτό έχει σαν συνέπεια ότι κατά την εγχάραξη τέτοιων υλικών από ένα ισοτροπικό επίσης μέσο θα προκληθεί ισότροπη αφαιρεσή τους, δηλαδή όσο θα εγχαραχθούν κατά βάθος, άλλο τόσο θα εγχαραχθούν και σε πλάτος. Συνέπεια τούτου είναι η παραμόρφωση των γεωμετρικών δομών της λιθογραφίας, λόγω ανεπιθύμητης εγχάραξης κάτω από την μάσκα της ρητίνης (under cutting). Η συμπεριφορά της ισότροπης εγχάραξης ομοιάζει μ αυτή της πλευρικής διάχυσης και όπως αυτή είναι πολύ κρίσιμη σε δομές μικρότερες του 1μm. Για να αποφευχθεί η ανεπιθύμητη πλευρική εγχάραξη, μόνος δυνατός τρόπος είναι η εφαρμογή ενός ανισοτροπικού μέσου εγχάραξης, δηλαδή ενός μέσου που εγχαράσσει λιγότερο στην οριζόντια διεύθυνση απ ότι στη κάθετη. Τέτοιο ακριβώς ανισοτροπικό χαρακτήρα, έχει η ξηρή εγχάραξη, υπό ορισμένες όμως συνθήκες. Το ιονισμένο αέριο που εγχαράσσει βρίσκεται σε κατάσταση πλάσματος και ταλαντώνεται στην κάθετη διεύθυνση, σ αυτή δηλαδή που επιθυμούμε να γίνει η εγχάραξη. Εάν η πίεση του νέφους είναι αρκετά χαμηλή (π.χ. 10mtorr) και η μέση ελεύθερη διαδρομή των ιόντων μεγάλη, θα υπάρχει μεγαλύτερη πιθανότητα κάθετης κρούσης των ιόντων με το εγχαρασσόμενο υλικό παρά πλευρικής. Αποτέλεσμα αυτού είναι η δημιουργία μιας προεξάρχουσας διεύθυνσης (της κάθετης), ως προς την οποία ο ρυθμός εγχάραξης θα είναι μεγαλύτερος. Ανάλογα τέλος του είδους των ιόντων και του πόσο δραστικά αυτά είναι αυτή η κατευθυντικότητα μπορεί να αυξηθεί ή να μειωθεί. Ασκηση αυτοαξιολόγησης 3.8 Με ποιά μέθοδο εγχάραξης πιστεύετε ότι κατασκευάσθηκαν τα βήματα του σχήματος της άσκησης 3.6? 3.10 Βασικές τεχνικές μικρομηχανικής Εισαγωγή Η μικρομηχανική αποτελεί ένα ανεξάρτητο υποσύνολο της μικροηλεκτρονικής και αφορά την μελέτη και κατασκευή μικρομηχανικών δομών. Οι δομές αυτές μπορούν να 73

34 χρησιμοποιηθούν κατάλληλα ώστε να μετατρέψουν ένα εξωτερικό μακροσκοπικό μέγεθος σε κάποιο άλλο ηλεκτρικά μετρήσιμο (αισθητήρες) ή να μετατρέψουν ένα ηλεκτρικό σήμα σε κίνηση (ενεργοποιητής). Χρησιμοποιεί κοινές ή παρόμοιες τεχνικές με την μικροηλεκτρονική, όπως λιθογραφία, εγχάραξη, εμφύτευση ιόντων κλπ. Στην μικρομηχανική ενδιαφέρον έχει η δημιουργία τρισδιάστατων δομών με καλές μηχανικές ιδιότητες και με μέγεθος που κυμαίνεται από μερικές εκατοντάδες μικρόμετρα, έως και μερικά χιλιοστά. Συνήθως το πυρίτιο χρησιμοποιείται σαν ένα αγώγιμο υλικό του οποίου εκμεταλλευόμαστε τις μηχανικές του ιδιότητες. Αντίθετα στην μικροηλεκτρονική ενδιαφέρον έχει η κατασκευή υπομικρονικών (συνήθως δυσδιάστατων) δομών με συγκεκριμένη ημιαγωγική συμπεριφορά. Συνέπεια αυτών είναι ότι στη μικρομηχανική δεν χρησιμοποιείται η τεχνολογία αιχμής (state of the art) της μικροηλεκτρονικής, όπως υπομικρονική λιθογραφία, η ανάπτυξη οξειδίων μερικών δεκάδων Αngstrom. Αντίθετα η λιθογραφία με ελάχιστη διάσταση μερικά μικρόμετρα είναι επαρκής, και τα οξείδια είναι συνήθως ικανού πάχους. Στη μικρομηχανική απαιτείται η χρήση επιπλέον τεχνικών επεξεργασίας, όπως η εγχάραξη μεγάλου όγκου πυριτίου σε τρεις διαστάσεις ή η συγκόλληση δύο δισκιδίων. Έτσι για την εξυπηρέτηση των αναγκών της μικρομηχανικής, έχουν αναπτυχθεί νέες τεχνικές και μηχανήματα επεξεργασίας πυριτίου ή έχουν μετασκευαστεί παλαιότερες τεχνικές της μικροηλεκτρονικής. Το γεγονός αυτό δίνει ουσιαστικά στη μικρομηχανική την οντότητα μιας νέας, ταχύτατα αναπτυσσόμενης τεχνολογίας, η οποία ανεξαρτητοποιείται ολοένα και περισσότερο από την μικροηλεκτρονική. Τις διαδικασίες της μικρομηχανικής που σκοπό έχουν να επεξεργασθούν τον όγκο του δισκιδίου του πυριτίου για τον σχηματισμό 3-διάστατων κατασκευών, ονομάζουμε τεχνικές όγκου σε αντίθεση με τις επιφανειακές τεχνικές [3]. Στην συνέχεια παρουσιάζουμε πρώτα τις τεχνικές όγκου Εγχάραξη πυριτίου Στη μικροηλεκτρονική η εγχάραξη εφαρμόζεται στα διάφορα υμένια υλικών που αναπτύσσονται στην επιφάνεια του πυριτίου (τα οποία έχουν πάχος μερικών χιλιάδων Angstrom), ώστε το καθ ένα από αυτά να μορφοποιηθεί σύμφωνα με το καθορισμένο γεωμετρικό σχήμα (pattern) που έχει προσχεδιαστεί. Αντίθετα σε πολλές μικρομηχανικές τεχνικές με την εγχάραξη μορφοποιείται μεγάλος όγκος πυριτίου, ώστε να καταστεί δυνατή η υλοποίηση σύνθετων τρισδιάστατων γεωμετρικών κατασκευών. Όπως είναι φυσικό σε τέτοιου είδους εφαρμογές απαιτείται η χρήση ειδικών μεθόδων ή ειδικών 74

35 μηχανημάτων που να επιτρέπουν την εγχάραξη μεγάλης ποσότητας υλικών, με ελεγχόμενο και καθορισμένο τρόπο. Οι μέθοδοι εγχάραξης για την μικρομηχανική είναι η υγρή εγχάραξη, η ηλεκτροχημική εγχάραξη και τέλος η ξηρή εγχάραξη. Υγρή εγχάραξη πυριτίου Η εγχάραξη του πυριτίου είναι μια αρκετά πολύπλοκη διαδικασία. Υπάρχουν αρκετά διαλύματα τα οποία μπορούν να χρησιμοποιηθούν, τα οποία χωρίζονται σε δύο γενικές κατηγόριες, με διαφορετικά χαρακτηριστικά η κάθε μία. Αυτές είναι: 1. Οι ισοτροπικοί εγχαράκτες, με τυπικό εκπρόσωπο το διάλυμα HF:HNO 3 :H 2 O (HNA), το οποίο μπορεί να πραγματοποιηθεί με μεγάλη ποικιλία στοιχειομετρίας και διαφορετικά χαρακτηριστικά. 2. Οι ανισοτροπικοί εγχαράκτες, οι οποίοι είναι αλκαλικά ή οργανικά διαλύματα όπως τα διαλύματα KOH, EDP και TMΑH. (α) Ισοτροπική υγρή εγχάραξη πυριτίου Κατά την ισοτροπική εγχάραξη δεν υπάρχει κάποια ιδιαίτερη επιλεκτικότητα ως προς τις κρυσταλλογραφικές διευθύνσεις του πυριτίου, κατά συνέπεια το διάλυμα εγχαράσσει ισοτροπικά (Σχ. 3.10), δηλαδή όσο σε βάθος, άλλο τόσο θα εγχαραχθεί και σε πλάτος, κάτω από την εφαρμοζόμενη μάσκα (under cutting). Ανάλογα με το εάν αναδεύεται το διάλυμα ή όχι, η εγχάραξη γίνεται με διαφορετικό τρόπο. Η μη ανάδευση του διαλύματος δημιουργεί μια επιτάχυνση του ρυθμού εγχάραξης κάτω από την εφαρμοζόμενη μάσκα, λόγω της αύξησης της συγκέντρωσης του υγρού σ αυτές της περιοχές. Αντίθετα η ανάδευση οδηγεί σε περισσότερο καμπύλες δομές. Ισοτροπική εγχάραξη με ανάδευση Ισοτροπική εγχάραξη χωρίς ανάδευση Βάθος εγχάραξης Μάσκα Βάθος εγχάραξης Μάσκα Δισκίδιο πυριτίου Πλευρική εγχάραξη Δισκίδιο πυριτίου Πλευρική εγχάραξη 75

36 Σχήμα 3.13 Διαδικασία ισοτροπικής εγχάραξης στην επιφάνεια πυριτίου. Αξίζει να σημειωθεί ότι όταν το πυρίτιο είναι εμπλουτισμένο με βόριο ή φώσφορο σε συγκεντρώσεις μικρότερες από ατ./cm 3, τότε ο ρυθμός εγχάραξης μειώνεται κατά 150 φορές περίπου. (β) Ανισοτροπική υγρή εγχάραξη πυριτίου Το πυρίτιο σαν κρυσταλλικό υλικό έχει κρυσταλλογραφικές διευθύνσεις οι οποίες δεν έχουν όλες τον ίδιο ρυθμό εγχάραξης σε ορισμένα διαλύματα. Έτσι τα επίπεδα που είναι παράλληλα στην κρυσταλλογραφική διεύθυνση [100] έχουν παρόμοιο ή μικρότερο ρυθμό εγχάραξης απ αυτά που είναι παράλληλα στην [110], ενώ αυτά που είναι παράλληλα με την [111] εγχαράσσονται με πολύ μικρότερο ρυθμό (από 40 έως 400 φορές ανάλογα το διάλυμα). Έτσι όταν εγχαράσσετε ένα τετράγωνο παράθυρο στην επιφάνεια ενός δισκιδίου πυριτίου με προσανατολισμό [100] ή [110] ο ρυθμός εγχάραξης θα μειωθεί μόλις αποκαλυφθούν τα επίπεδα [111], δίνοντας έτσι κοιλότητες σχήματος V (δισκίδια [100]) (Σχ. 3.14). Σε περίπτωση που το εγχαρασσόμενο παράθυρο δεν έχει τετράγωνο σχήμα, αλλά πολυπλοκότερο, εκμεταλλευόμενοι τον μειωμένο ρυθμό εγχάραξης στα επίπεδα [111], μπορούν να κατασκευαστούν ακόμα πιο σύνθετες δομές, (Σχ. 3.15). [100] [110] [111] Μάσκα [111] Δισκίδιο πυριτίου επιφανειακού προσανατολισμού [100] Δισκίδιο πυριτίου επιφανειακού προσανατολισμού [110] Σχήμα 3.14 Η διαδικασία εγχάραξης ενός τετράγωνου παράθυρου στην επιφάνεια ενός δισκιδίου πυριτίου. 76

37 ( α ) ( β ) ( γ ) ( δ ) Σχήμα 3.15 α) Ανισοτροπική εγχάραξη ενός τετράγωνου ανοίγματος, (β) ανισοτροπική εγχάραξη ενός ανοίγματος σχήματος Π, (γ) το ίδιο άνοιγμα αλλά με εγχαράκτη μικρότερης ανισοτροπικότητας, (δ) η εγχάραξη της περίπτωσης (γ) εάν συνεχιστεί για μεγάλο χρονικό διάστημα θα οδηγήσει στη κατασκευή ενός προβόλου από το υλικό της μάσκας. (γ) Εξάρτηση των αλκαλικών εγχαρακτών από την συγκέντρωση του βορίου εντός κρυσταλλικού πυριτίου Όλοι οι αλκαλικοί εγχαράκτες παρουσιάζουν μείωση στο ρυθμό της εγχάραξης του πυριτίου, όταν αυτό είναι εμπλουτισμένο με υψηλή συγκέντρωση βορίου. Αυτή η μείωση παρουσιάζεται για συγκεντρώσεις βορίου μεγαλύτερες των ατ./cm 3 και φτάνει μέχρι και τον μηδενισμό της εγχάραξης. Για το ΚΟΗ ο μηδενισμός επιτυγχάνεται για συγκεντρώσεις μεγαλύτερες των ατ./cm 3, ενώ στο διάλυμα EDP ο μηδενισμός επιτυγχάνεται στα ατ./cm 3. Ο λόγος ύπαρξης αυτής της συμπεριφοράς δεν είναι απόλυτα κατανοητός, αλλά ως πιθανότερη αιτία αναφέρεται η ανάπτυξη ενός αδρανοποιητικού στρώματος (passivation layer) το οποίο μειώνει ή ακόμα και μηδενίζει την εγχάραξη. Την ιδιότητα αυτή του υλικού την εκμεταλλευόμαστε για να κατασκευάσουμε μεβράνες πυριτίου υψηλά νοθευμένες με βόριο. Το πάχος των μεμβρανών καθορίζεται απο το βάθος στο οποίο η συγκέντρωση του βορίου είναι μικρότερη απο τις συγκεντρώσεις που δόθηκαν παραπάνω. Για παράδειγμα αναφέρουμε την κατασκευή της διάταξης του σχήματος 4.7 για την οποία δίνουμε μια αναλυτική περιγραφή της διαδικασίας κατασκευής της στο παράδειγμα 3.1. Στο παρακάτω σχήμα 3.16 φαίνεται επίσης η κατασκευή μιάς μεμβράνης πυριτίου νοθευμένης π.χ με βόριο μετά 77

38 απο επεξεργασία σε διάλυμα ΚΟΗ. Η επιφάνεια καθώς και η περιοχή του δισκιδίου του πυριτίου που επιθυμούμε να παραμείνει άθικτη καλύπτεται απο οξείδιο ή νιτρίδιο που αποτελεί μάσκα στο διάλυμα ΚΟΗ. Σχήμα 3.16 Τρόπος απομάκρυνσης του υποστρώματος του πυριτίου με βάση τις τεχνικές που περιγράφθηκαν. Ηλεκτροχημική εγχάραξη πυριτίου Η φύση της ηλεκτροχημική εγχάραξης είναι παρόμοια με την φύση της υγρής εγχάραξης με την έννοια ότι και εδώ οξειδώνεται το πυρίτιο μέσω ριζών υδροξυλίου ή πρωτονίων (H + ), έχει όμως δύο σημαντικές διαφορές: 1. Πρώτον η όλη διαδικασία υποβοηθείται από την εφαρμογή ηλεκτρικού δυναμικού, με αποτέλεσμα την αύξηση τις συγκέντρωσης των οξειδωτικών μέσων στην επιφάνεια του πυριτίου. 2. Δεύτερον με την κατασκευή μιας ανάστροφα πολωμένης περιοχής p-n (ανάστροφα πολωμένης διόδου) είναι δυνατόν να επιτευχθεί το σταμάτημα της εγχάραξης (etch stop) στην περιοχή απογύμνωσης της περιοχής p-n. Με τον τρόπο αυτό είναι δυνατή η κατασκευή υμενίων πυριτίου, χωρίς να χρησιμοποιηθεί ο υψηλός εμπλουτισμός που απαιτείται στην απλή υγρή εγχάραξη. Ο ρυθμός της εγχάραξης εξαρτάται από την συγκέντρωση του διαλύματος, αλλά κυρίως από το ρεύμα που το διαρρέει. Όπως και στην υγρή εγχάραξη έτσι και στην ηλεκτροχημική υπάρχει η ισοτροπική ηλεκτροχημική εγχάραξη και η ανισοτροπική ηλεκτροχημική εγχάραξη. Ξηρή εγχάραξη πυριτίου Όπως και στην μικροηλεκτρονική έτσι και στη μικρομηχανική για την πραγματοποίηση ξηρής εγχάραξης απαιτείται η χρήση μιας μηχανής ξηρής εγχάραξης 78

39 (etcher), με την οποία θα έρθει σε κατάσταση πλάσματος το δραστικό αέριο και θα εγχαράξει το πυρίτιο. Λόγω όμως των διαφορετικών αναγκών της μικρομηχανικής απαιτείται η χρήση μηχανών εγχάραξης ειδικών απαιτήσεων, όπως μεγάλο ρυθμό εγχάραξης (έως και 10μm/min) και υψηλής ανισοτροπικότητας. Κατά τα άλλα η φύση της εγχάραξης παραμένει η ίδια όπως περιγράφηκε Ασκηση αυτοαξιολόγησης 3.9 Αναφέρατε τους χημικούς εγχαράκτες τους οποίους χρησιμοποιούμε για εγχάραξη του πυριτίου α) ανισοτροπικά και β) ισοτροπικά. Ποιοί παράγοντες μπορούν να επηρεάσουν τον ρυθμό εγχάραξης? Συγκόλληση δισκιδίων πυριτίου Μια πολύ αποτελεσματική τεχνική δημιουργίας τρισδιάστατων μηκρομηχανικών δομών είναι η συγκόλληση δύο δισκιδίων πυριτίου ή η συγκόλληση ενός δισκιδίου πυριτίου και ενός δισκιδίου quartz. Με την τεχνική αυτή αφού δημιουργηθούν κάποιες δομές στην επιφάνεια δύο δισκιδίων, αυτά συγκολλούνται μεταξύ τους στην συνέχεια εγχαράσσεται το ένα εκ των δύο από την πίσω πλευρά χρησιμοποιούνται ανισοτροπικό εγχαράκτη ώστε τελικά να προκύψει μια τρισδιάστατη μικρομηχανική δομή, (Σχ. 3.17). Αρχικά η μέθοδος χρησιμοποιήθηκε για την κατασκευή δομών πυριτίου πάνω σε μονωτή (Silicon On Insulator SOI), τεχνική κατά την οποία η δομή 2 του (Σχ. 3.17) είναι οξείδιο, ενώ η δομή 1 είναι ένα στρώμα πυριτίου πάχους λίγων μικρών. Στην συνέχεια όμως χρησιμοποιήθηκε με επιτυχία στην μικρομηχανική για την κατασκευή δομών όπως, αισθητήρες πίεσης, αισθητήρες επιτάχυνσης κ.α. Οι συνηθέστερες τεχνικές συγκόλλησης είναι: η θερμική συγκόλληση πυριτίου με ή χωρίς οξείδιο ενδιάμεσα (Silicon Fusion Bonding και Direct Silicon Bonding), η ανοδική συγκόλληση πυριτίου σε γυαλί (Anodic Bonding) και τέλος η συγκόλληση δύο δισκιδίων μέσω ενός στρώματος μετάλλου ή πολυμερούς. Θερμική Συγκόλληση Πυριτίου Η τεχνική χρησιμοποιείται στη κατασκευή τόσο μικρομηχανικών δομών όσο και δισκιδίων SOI. Eπιτυγχάνεται δε σε τρία στάδια. 79

40 1. Αρχικά επεξεργαζόμαστε τα δύο δισκίδια με χημικό τρόπο, ώστε να καταστεί υδροφιλική η επιφανειά τους και ακολούθως τα εμβαπτίζουμε για αρκετή ώρα σε απιονισμένο νερό. Κατά το στάδιο αυτό στους ακόρεστους επιφανειακούς δεσμούς του οξειδίου, προσκολλώνται πολικά μόρια νερού, (με τα άτομα οξυγόνου προς στην επιφάνεια του δισκιδίου και τα άτομα του υδρογόνου προς τα εξωτερική πλευρά). 2. Κατόπιν φέρονται σε επαφή οι δύο επιφάνειες του πυριτίου και τα δύο δισκίδια συγκολλούνται μέσω της γέφυρας των υδρογόνων. 2. Ακολουθεί θέρμανση των δύο δισκιδίων, κατά την οποία τα μόρια το νερού που υπάρχουν ενδιάμεσα διασπώνται σχηματίζοντας δεσμούς Si-O-Si μεταξύ των δύο δισκιδίων και Η 2 το οποίο διαχέεται μέσω του πυριτίου. Ο κύκλος της θέρμανσης μπορεί να διαφέρει από 300 ο C έως και 1000 ο C με σημαντική διαφοροποίηση όμως στην δύναμη συγκόλλησης των δισκιδίων. Δομή 1 Δομή 2 Δισκίδιο 1 Δισκίδιο 1 + = Δισκίδιο 2 Δισκίδιο 2 Δισκίδιο 2 (α) (β) (γ) Σχήμα Αφού κατασκευαστούν δύο διαφορετικές δομές σε δύο δισκίδια (α), αυτά συγκολλούνται (β) και τέλος μετά από ανισοτροπική εγχάραξη προκύπτει μια νέα δομή από τον συνδυασμό των δομών 1 και 2 (γ). Ανοδική συγκόλληση πυριτίου σε γυαλί Τεχνική η οποία χρησιμοποιείται κύρια στη κατασκευή μικρομηχανικών δομών, μπορεί όμως να χρησιμοποιηθεί και για κατασκευή πυριτίου (πάχους λίγων χιλιάδων Angstrom) πάνω σε γυαλί, για την κατασκευή επίπεδων οθονών (Flat Panel Display). Τα βήματα που ακολουθούνται σ αυτή είναι : 1. Αρχικά καθαρίζονται οι επιφάνειες με χημικό τρόπο, ώστε να μην υπάρχουν ενδιάμεσα ξένες προσμίξεις, π.χ. οργανικές ενώσεις. 2. Μετά φέρονται σε επαφή οι δύο επιφάνειες και εξασκείται ανάμεσα τους διαφορά δυναμικού της τάξης των 1000 Volts, ενώ ταυτόχρονα θερμαίνονται σε θερμοκρασία 400 ο C 500 ο C. Κατά το στάδιο αυτό οι δύο επιφάνειες έλκονται 80

41 και λόγω τόσο του δυναμικού όσο και της θέρμανσης σχηματίζονται δεσμοί Si-O, οι οποίοι πραγματοποιούν και τη συγκόλληση. Συγκόλληση μέσω ενδιάμεσου στρώματος Η τεχνική αυτή δεν είναι τίποτε άλλο από την συγκόλληση δύο δισκιδίων (οποιουδήποτε τύπου) μέσω ενός ενδιάμεσου στρώματος που παίζει τον ρόλο της κοινής κόλλας. Υλοποιείται με την εφαρμογή πίεσης μεταξύ των δύο δισκιδίων και ταυτόχρονης θέρμανσης τους για να ρευστοποιηθεί το ενδιάμεσο στρώμα και να συγκολλήσει τα δύο δισκίδια. Σαν ενδιάμεσο στρώμα συνήθως χρησιμοποιείται ένα πολυμερές (π.χ. πολυιμίδιο). Παράδειγμα Αισθητήρας πίεσης Στο σχήμα 3.18, παρουσιάζονται τα κατασκευαστικά στάδια της διαδικασίας για την κατασκευή αισθητήρων πίεσης τύπου χωρητικότητας (Σχ. 4.7) με τεχνικές όγκου. Παρακολουθώντας με λεπτομέρεια την τεχνολογία κατασκευής του αισθητήρα όπως παρουσιάζεται παρακάτω πιστεύουμε ότι θα είναι ευκολότερη η εμπέδωση της χρήσης των τεχνολογιών που αναφέρθηκαν στις προηγούμενες παραγράφους. Μέρος Α. Επεξεργασία δισκιδίου μεμβράνης (στάδια Α1-Α4 σχήματος 1). Α1. Αρχικά οξειδώνεται σε υγρή ατμόσφαιρα το δισκίδιο της μεμβράνης ώστε να σχηματιστεί ένα παχύ υμένιο οξειδίου του πυριτίου. Α2. Στην συνέχεια με φωτολιθογραφία ανοίγεται ένα παράθυρο στο οξείδιο του πυριτίου κάνοντας χρήση διαλύματος HF. Το παράθυρο που ανοίγεται σ αυτό το στάδιο καθορίζει την επιφάνεια και το σχήμα της μεμβράνης που θα σχηματιστεί, ενώ ταυτόχρονα παίζει τον ρόλο της κοιλότητας του αισθητήρα. Α3. Μέσω του ανοιγμένου παραθύρου που σχηματίστηκε στο προηγούμενο βήμα, εμπλουτίζεται το εκτεθειμένο πυρίτιο με βόριο σε υψηλή συγκέντρωση. Η περιοχή η οποία είναι εμπλουτισμένη με υψηλή συγκέντρωση βορίου θα αποτελέσει στο τέλος την μεμβράνη του αισθητήρα. Συνεπώς σ αυτό το στάδιο καθορίζεται το πάχος της προς σχηματισμό μεμβράνης. 81

42 Α4. Τέλος κάνοντας χρήση φωτολιθογραφίας ανοίγεται ένα δεύτερο παράθυρο στο οξείδιο μέσω του οποίου στο τέλος θα δημιουργηθεί η ηλεκτρική επαφή με το υπόστρωμα. Μέρος Β. Επεξεργασία δισκιδίου υποστρώματος (στάδια Β1-Β2 σχήματος 1). Β1. Αρχικά εμπλουτίζεται με φώσφορο η επιφάνεια του δισκιδίου ώστε να καταστεί αγώγιμη. Η επιφάνεια του υποστρώματος παίζει τον ρόλο του ακίνητου οπλισμού του πυκνωτή που θα κατασκευαστεί. Β2. Τέλος αναπτύσσεται ένα λεπτό υμένιο οξειδίου του πυριτίου, του οποίο παίζει το ρόλο του μονωτικού διηλεκτρικού μεταξύ των οπλισμών του πυκνωτή, ώστε αυτός να μην βραχυκυκλώσει σε πιθανή επαφή μεμβράνης και υποστρώματος. Μέρος Γ. Κοινή επεξεργασία και των δύο δισκιδίων (στάδια Γ1-Γ4 σχήματος 1). Γ1. Μετά την χωριστή επεξεργασία των δύο δισκιδίων αυτά συγκολλούνται, κάνοντας χρήση της θερμικής συγκόλλησης πυριτίου. Σ αυτό το στάδιο πραγματοποιείται και η σφράγιση της κοιλότητας του πυκνωτή, της οποίας η πίεση αναφοράς καθορίζεται από την πίεση του περιβάλλοντος την στιγμή που φέρνουμε σ επαφή τα δύο δισκίδια. Γ2. Ακολουθεί η αφαίρεση του πυριτίου το οποίο είναι χαμηλά εμπλουτισμένο με βόριο. Αυτό πραγματοποιείται με ανισοτροπική εγχάραξη πυριτίου, επιλεκτική ως προς τον εμπλουτισμό του σε βόριο. Μετά την απομάκρυνση του μή εμπλουτισμένου πυριτίου απομένει μόνο το παχύ οξείδιο, το οποίο δημιουργεί την κοιλότητα του πυκνωτή, και η μεμβράνη πυριτίου, η οποία σφραγίζει ερμητικά αυτή την κοιλότητα. Γ3. Ακολουθεί η εμβάπτιση του δισκιδίου σε διάλυμα HF, ώστε να αφαιρεθεί από το παράθυρο επαφής με το υπόστρωμα (στάδιο Α4) το λεπτό υμένιο οξειδίου του πυριτίου. Τέλος ακολουθεί η εναπόθεση αλουμινίου, το οποίο εγχαράσσεται κάνοντας χρήση του τρίτου επιπέδου λιθογραφίας. Σ αυτό το στάδιο ολοκληρώνεται η κατασκευή του αισθητήρα με την πραγματοποίηση των ηλεκτρικών επαφών, α) με την μεμβράνη (κινούμενος οπλισμός του πυκνωτή) και β) με το υπόστρωμα (ακίνητος οπλισμός του πυκνωτή. 82

43 Σχήμα Η κατασκευαστική διαδικασία του αισθητήρα πίεσης χωρίζεται σε τρία μέρη. Α) Την επεξεργασία του δισκιδίου 1, το οποίο είναι το δισκίδιο της μεμβράνης, Β) την επεξεργασία του δισκιδίου 2, το οποίο είναι το δισκίδιο του υποστρώματος και Γ) την επεξεργασία των συγκολλημένων δισκιδίων 1&2. Η όλη διαδικασία είναι αυτοευθυγραμιζόμενη και απαιτεί μόνο τρία επίπεδα λιθογραφίας. 83

44 Τεχνολογία LIGA Η τεχνολογία αυτη της οποίας το ακρώνυμο οφείλεται στις γερμανικές λέξεις lithographe, galvanoformung, abformung επιδείχθηκε για πρώτη φορά στην Γερμανία το Σκοπός της διεργασίας είναι ο σχηματισμός μικροαντικειμένων για διάφορες χρήσεις (αισθητήρες, ενεργοποιητές) απο μεταλλικά υλικά. Το πάχος των υλικών αυτών είναι μερικών εκατοντάδων μm και τα βασικά βήματα της τεχνολογίας φαίνονται στο σχήμα Καταρχήν ένα στρώμα πολυιμιδίου εναποτίθεται επι υποστρώματος πυριτίου ή γυαλιού και λιθογραφείται έτσι ώστε να παραμείνει μόνο σε επιλεγμένες περιοχές. Στην συνέχεια εναποτίθεται λεπτό στρώμα μετάλλου (π.χ. 150 Α Τi) που καλύπτει τόσο το πολυιμίδιο όσο και το υπόστρωμα. Η διαδικασία αυτή ακολουθείται απο εναπόθεση παχέος στρώματος ρητίνης τύπου PMMA (poly-methylmethacrylate). Η ρητίνη στην συνέχεια λιθογραφείται με ακτίνες X οι οποίες και εισχωρούν σε όλο το πάχος της. Στην συνέχεια η ρητίνη απομακρύνεται απο τις περιοχές που βομβαρδίσθηκαν. Στην συνέχεια εναποτίθεται ηλεκτρολυτικά στρώμα μετάλλου (Ni στην παρούσα περίπτωση) το οποίο λόγω της ηλεκτρολυτικής φύσης της εναπόθεσης εναποτίθεται στην περιοχή μόνον όπου υπάρχει το λεπτό στρώμα του Ti εκεί δηλαδή που έχει απομακρυνθεί η ρητίνη. Στην συνέχεια απομακρύνουμε την παραμένουσα ρητίνη καθώς και το στρώμα του πολυιμιδίου το οποίο χρησίμευσε μόνον ώστε η περιοχή που καταλάμβανε να παραμείνει με την απομακρυνσή του ελεύθερη (sacrificial layer). Είναι λοιπόν δυνατό με την τεχνολογία LIGA να κατσκευάσουμε μικροαντικείμενα μιάς κάποιας μάζας δεδομένου ότι το στρώμα του Νi είναι ικανού πάχους. Η κατασκευή μικροκινητήρων ή μικροαντλιών είναι οι πλέον διαδεδομένες εφαρμογές της τεχνολογίας αυτής. 84

45 Σχ Τα βήματα της τεχνολογίας LIGA Επιφανειακές μικρομηχανικές τεχνικές Η μικρομηχανική επιφάνειας είναι μια τεχνολογία που άρχισε να αναπτύσσεται ραγδαία στα τέλη της δεκαετίας του 80. Σκοπός της είναι η κατασκευή 3-σδιάστατων δομών χρησιμοποιώντας διαδοχικά επίπεδα από διαφορετικά υλικά τα οποία τοποθετούνται διαδοχικά το ένα επί του άλλου. Η βασική ιδέα που χαρακτηρίζει την τεχνολογία αυτή φαίνεται στο σχήμα Καταρχήν τοποθετούμε στην επιφάνεια του πυριτίου (ή άλλου υποστρώματος) ένα μονωτικό στρώμα νιτριδίου με κύριο σκοπό να προστατεύσουμε την επιφάνεια απο τις διαδικασίες που θα ακολουθήσουν. Για την αποφυγή μηχανικών τάσεων απο το στρώμα του νιτριδίου επί του πυριτίου της εναπόθεσης του νιτριδίου συνήθως προηγείται οξείδωση του υποστρώματος. Στην συνέχεια επι του στρώματος 85

46 3.20 Σχηματική περιγραφή της επιφανειακής μικρομηχανικής τεχνολογίας νιτριδίου εναποτίθεται στρώμα οξειδίου η ύπαρξη του οποίου είναι προσωρινή μιά και ο κύριος ρόλος του είναι να απομακρυνθεί σε μία επόμενη φάση. Για τον λόγο αυτό το στρώμα αυτό το ονομάζουμε 'προσωρινό'. Αφού λιθογραφήσουμε τα παραπάνω στρώματα χρησιμοποιώντας οπτική λιθογραφία και εγχάραξη με πλάσμα για την κατασκευή κάθετων τοιχωμάτων στο επόμενο βήμα τοποθετούμε επί του 'προσωρινού' στρώματος πολυκρυσταλλικό πυρίτιο το οποίο θα είναι το ενεργό στρώμα της μικρομηχανικής δομής. Στην συνέχεια απομακρύνουμε το προσωρινό στρώμα οριστικά χρησιμοποιώντας χημικά διαλύματα που επιτίθενται μόνο σε αυτό αφήνοντας ανέπαφα τόσο το ενεργό στρώμα πολυκρυσταλλικού πυριτίου όσο και το στρώμα νιτριδίου απομόνωσης με το υπόστρωμα. Η δομή ολοκληρώνεται με την επιμετάλλωση για επαφή του αισθητήρα με τον εξωτερικό κόσμο. Τα υλικά που αναφέραμε παραπάνω μπορεί στο μέλλον να αλλάξουν η φιλοσοφία όμως τής επιφανειακής τεχνικής θα παραμείνει η ίδια. 86

47 Σχήμα 3.21 Μικροδοκοί πολυκρυσταλλικού πυριτίου κατασκευασμένοι με επιφανειακές τεχνικές Ενα σημαντικό πρόβλημα της επιφανειακής μικρομηχανικής τεχνολογίας είναι η ανεπιθύμητη επικόλληση, κατα την διάρκεια υγρής επεξεργασίας του υλικού, των υπερκείμενων δομών (π.χ. πολυκρυσταλλικού πυριτίου) με τα υποκείμενα στρώματα (π.χ. νιτρίδιο) κατά την διάρκεια της απομάκρυνσης του ενδιαμέσου στρώματος (π.χ. διοξειδίου του πυριτίου) είτε κατά την διάρκεια υγρού καθαρισμού αφού το 'προσωρινό' στρώμα έχει ήδη απομακρυνθεί. Το πρόβλημα της επικόλλησης οφείλεται σε ελκτικές επιφανειακές δυνάμεις συνοχής μεταξύ των υλικών και ο τρόπος να το αποφύγουμε είναι να αποτρέψουμε την επαφή μεταξύ των υλικών. Διάφορες μεθοδολογίες έχουν προταθεί που στηρίζονται είτε στην απομάκρυνση του προσωρινού στρώματος με ξηρή εγχάραξη οπότε και αποφεύγεται πλήρως η χρήση υγρού διαλύματος είτε στην χρησιμοποίηση μίγματος κυκλοεξανίου με νερό στην διαδικασία τελικού καθαρισμού του δισκιδίου μετά την απομάκρυνση του προσωρινού στρώματος. Το παραπάνω μίγμα έχει την ιδότητα ότι στερεοποιείται στους 0 C και στην συνέχεια εξαχνώνεται εύκολα υπό κενό. Το θέμα της επικόλλησης είναι πάντως υπό έρευνα μια και υπάρχουσες τεχνικές παρουσιάζουν προβλήματα. Στην φωτογραφία του σχ που έχει ληφθεί με Ηλεκτρονικό Μικροσκόπιο Σάρωσης φαίνονται διάφοροι πρόβολοι πολυκρυσταλλικού πυριτίου που έχουν κατασκευασθεί με μικρομηχανικές τεχνικές. Στην φωτογραφία του σχ. 4.2 φαίνονται για επίδειξη μικροκατασκευές που έχουν γίνει με την επιφανειακή μικρομηχανική τεχνολογία. 87

48 3.22 Φωτογραφίες απο δομές που κατασκευάσθηκαν με επιφανειακή μικρομηχανική Το πολυκρυσταλλικό πυρίτιο Επειδή το υλικό αυτό χρησιμοποιείται ευρύτατα στην κατασκευή των ενεργών μερών στην επιφανειακή μικρομηχανική θα αναφερθούμε στην παράγραφο αυτή στον τρόπο παρασκευής του καθώς και στις κύριες ιδιότητές του που επηρεάζουν την συμπεριφορά μιάς μικρομηχανικής δομής. Το πολυκρυσταλλικό πυρίτιο εναποτίθεται κυρίως με την μέθοδο της χημικής εναπόθεσης ατμών χρησιμοποιώντας σιλάνη σαν αέριο. Η θερμοκρασία εναπόθεσης είναι στην περιοχή των C και η πίεση απο torr. Ανάλογα με τις συνθήκες εναπόθεσης το εναποτιθέμενο πυρίτιο μπορεί να είναι άμορφο ή πολυκρυσταλλικό. Το άμορφο πυρίτιο μπορεί εν γένει να μετατραπεί εύκολα σε πολυκρυσταλλικό με θέρμανση του υλικού πάνω απο τους 600 C. Το πολυκρυσταλλικό πυρίτιο αποτελείται απο κόκκους κρυσταλλικού πυριτίου των οποίων το μέγεθος ποικίλλει απο μερικές δεκάδες νανομέτρων μέχρι μερικές χιλιάδες νανομέτρων ανάλογα με την επεξεργασία του υλικού. Οι μηχανικές ιδιότητες του πολυκρυσταλλικού πυριτίου καθορίζονται εν πολλοίς απο τις μικροσκοπικές ιδιότητες του υλικού και κατά συνέπεια απο τον τρόπο εναπόθεσης και την εν συνεχεία θερμική του επεξεργασία. Μακροσκοπικά το πολυκρυσταλλικό πυρίτιο μετά απο εναπόθεση εμφανίζεται συνήθως υπό εντατική κατάσταση γεγονός που έχει π.χ σαν αποτέλεσμα δοκοί που κατασκευάζονται από το υλικό αυτό να μην είναι επίπεδοι αλλά να παρουσιάζουν την εικόνα που φαίνεται στο σχ Η ομογενοποίηση των 88

49 μικροσκοπικών τάσεων σε όλο το πάχος του υλικού που επιτυγχάνεται συνήθως με θέρμανση αρκετά υψηλότερη της θερμοκρασίας εναπόθεσης, εξαφανίζει την παραπάνω συμπεριφορά των μικροδοκών. Το πολυκρυσταλλικό πυρίτιο συνήθως εμπλουτίζεται με προσμίξεις οι οποίες έχουν ως αποτέλεσμα αφενός την μεταβολή τη ηλεκτρικής του αγωγιμότητας αλλά και επιδρούν παράλληλα και στις μηχανικές ιδιότητες του υλικού. Η διαδικασία του εμπλουτισμού του πολυκρυσταλλικού πυριτίου με προσμίξεις γίνεται είτε κατα την διάρκεια της διαδικασίας εναπόθεσης (in situ) είτε στην συνέχεια (ex situ) χρησιμοποιώντας ιοντική εμφύτευση ή διάχυση προσμίξεων. Προκειμένου να ανιχνεύσουμε μακροσκοπικά τις μηχανικές ιδιότητες των στρωμάτων πολυκρυσταλλικού πυριτίου έχουν εφευρεθεί ιδιοκατασκευές μικροδοκών κατασκευασμένων απο το προς μελέτη υλικό που στηρίζονται στον υπολογισμό της ελαστικής σταθεράς του πολυκρυσταλλικού πυριτίου π.χ μέσω της μέτρησης της συχνότητας συντονισμού τους της ελαστικής σταθεράς του πολυκρυσταλλικού πυριτίου. 89

50 Διαδικασία συσκευασίας αισθητήρων Η διαδικασία συσκευασίας ή πακεταρίσματος (packaging) αναλαμβάνει την τοποθέτηση του αισθητήρα στην μορφή στην οποία θα χρησιμοποιηθεί ακριβώς στην πράξη. Η διαδικασία αυτή είναι παρόμοια με την τεχνολογία συσκευασίας των ολοκληρωμένων κυκλωμάτων, η οποία περιλαμβάνει τα στάδια : (α) της κοπής του ολοκληρωμένου κυκλώματος απο το δισκίδιο πυριτίου σε ψηφίδα (β) της επικόλλησης της ψηφίδας εντός του πακέτου και (γ) της ηλεκτρικής διασύνδεσης της ψηφίδας με τους ακροδέκτες του πακέτου. Η ιδιαιτερότητα του πακεταρίσματος των αισθητήρων σε σχέση με τα ολοκληρωμένα κυκλώματα είναι στο ότι σε πολλές περιπτώσεις στην πράξη ο αισθητήρας θα πρέπει να ευρίσκεται και να λειτουργεί σε εχθρικά περιβάλλοντα τα οποία απαιτούν και την λήψη ιδιατέρων μέτρων προστασίας του αισθητήρα. Μερικές γενικές παρατηρήσεις στον σχεδιασμό της πλέον κατάλληλης συσκευασίας του αισθητήρα αφορούν την ηλεκτρική, μηχανική και θερμική συμπεριφορά του πακεταρισμένου αισθητήρα. Οι ηλεκτρικές απαιτήσεις για την σωστή λειτουργία του αισθητήρα εστιάζονται στην χρησιμοποίηση αγώγιμων συρμάτων μικρής ειδικής αντίστασης καθώς και αποφυγή αύξησης των επαγωγών και των χωρητικοτήτων ακολουθώντας σωστό σχεδιασμό. Η αύξηση της θερμοκρασίας του αισθητήρα λόγω φαινομένου Joule μπορεί να συντελέσει σε άμεσες ή μακροχρόνιες βλάβες του αισθητήρα. Για τον λόγο αυτό στον σχεδιασμό του αισθητήρα λαμβάνουμε υπόψη την απαγωγή θερμότητας απο τον πακεταρισμένο αισθητήρα. Η μηχανική συμπεριφορά του πακεταρίσματος είναι επίσης σημαντική τόσο για την μακροχρόνια σταθερότητα της διάταξης όσο και για την ορθή λειτουργία της. Μηχανικές τάσεις που είναι δυνατόν να προκληθούν απο διαφορετικούς θερμικούς συντελεστές υλικών του πακεταρίσματος επηρεάζουν στην συνέχεια την μέτρηση ιδιαίτερα άν πρόκειται για αισθητήρες πίεσης ή δύναμης. Το γεγονός ότι τόσο διαφορετικοί παράμετροι πρέπει να ληφθούν υπόψη για τον σωστό σχεδιασμό του πακεταρίσματος ενός αισθητήρα, ανάλογα με την εφαρμογή του, καθιστά την διαδικασία αυτή σημαντικό παράγοντα αύξησης του κόστους του αισθητήρα και πρέπει να λαμβάνεται έγκαιρα υπόψη στον συνολικό σχεδιασμό του αισθητήρα. 90

51 Σύνοψη Στο κεφάλαιο 3 παρουσιάσαμε τις διαδικασίες κατασκευής ολοκληρωμένων ηλεκτρονικών κυκλωμάτων και μικροσυστημάτων δηλ. συστημάτων κατασκευασμένων σε μικρσκοπική κλίμακα που εκτός απο ηλεκτρονικές λειτουργίες περιλαμβάνουν μηχανικές, χημικές ή οπτικές λειτουργίες. Η τεχνολογία των μικροσυστημάτων χρησιμοποιεί τις διαδικασίες κατασκευής των ολοκληρωμένων κυκλωμάτων οι οποίες είναι προσαρμοσμένες για την κατασκευή δυδιάστατων δομών και επι πλέον ένα νέο σύνολο διαδικασιών οι οποίες επιτρέπουν την κατασκευή τρισδιάστατων δομών που απαιτούνται σε μικρομηχανικές διατάξεις για χρήση σε μηχανικές ή οπτικές διατάξεις. Καθώς η τεχνολογία της μικροηλεκτρονικής του πυριτίου φθάνει σε κόρο μια και το κόστος κατασκευής αυξάνεται δραματικά με την περαιτέρω σμίκρυνση των διαστάσεων των ηλεκτρονικών διατάξεων -κυρίως λόγω αύξησης του κόστους κατασκευής και αγοράς μηχανημάτων μεγάλης ακρίβειας- την σκυτάλη της ανάπτυξης παίρνει η τεχνολογία των μικροσυστημάτων. Αναμένεται λοιπόν τα επόμενα χρόνια νέες τεχνολογίες να προστεθούν στον κατάλογο της τεχνολογίας των μικροσυστημάτων. Νέα υλικά θα χρησιμοποιηθούν σε συνδυασμό με το πυρίτιο για την κατασκευή τους και νέοι τομείς εφαρμογών θα προκύψουν σαν αποτέλεσμα της έρευνας στην περιοχή αυτή της επιστήμης και τεχνολογίας. ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ [1] S. Sze, VLSI Technology, McGraw-Hill [2] Ε. Γογγολίδης Διεργασίες πλάσματος στην Μικροηλεκτρονική Επιθεώρηση Φυσικής [3] L. Ristic 'Sensor Technology and devices', Artech House ΠΕΡΑΙΤΕΡΩ ΜΕΛΕΤΗ SILICAPOLIS, The Microelectronics Universe, ST University. Στο video αυτό μπορείτε να δείτε τις τεχνολογικές διαδικασίες κατασκευής ολοκηρωμένων κυκλωμάτων. Μπορείτε να το βρείτε στην ιστοσελίδα Θα ήταν επιπλέον χρήσιμο αφού συννενοειθείτε με τον διδάσκοντα, να επισκεφθείτε είτε το Ινστιτούτο Μικροηλεκτρονικής του Κέντρου Φυσικών 91

52 Επιστημών 'Δημόκριτος είτε το Εργ. Μικροηλεκτρονικής του Ινστ. Ηλεκτρονικής Δομής και Laser στο Ηράκλειο όπου μπορείτε να δείτε τα μηχανήματα που απαιτούνται για τη πραγματοποίηση των διαδικασιών που περιγράφηκαν στο παρόν κεφάλαιο. Στο τεύχος της Επιθεώρησης Φυσικής που ευρίσκεται και η αναφορά [2] μπορείτε να βρείτε αναλυτική περιγραφή στα ελληνικά σχεδόν όλων των τεχνολογικών διαδικασιών κατασκευής ολοκληρωμένων κυκλωμάτων, τις οποίες συνιστούμε να διαβάσετε. ΔΡΑΣΤΗΡΙΟΤΗΤΕΣ Δ1/Κεφ3 Αναφέρατε υλικά τα οποία χρησιμοποιούνται σαν ηλεκτρικά αγώγιμα στρώματα καθώς και υλικά που χρησιμοποιούνται ως μονωτικά στην τεχνολογία του πυριτίου. Δ2/Κεφ3 Σε ποιές δύο βασικές κατηγορίες διακρίνονται οι μικρομηχανικές τεχνικές? Ποιά τα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά της κάθε μιάς? Απαντήσεις ασκήσεων αυτοαξιολόγησης Ασκηση 3.1 Μπορούμε να εντοπίσουμε δύο σημαντικές οριακές καταστάσεις από τις παραπάνω εξισώσεις. (α) Στην περίπτωση που η σταθερά της διάχυσης D είναι πολύ μικρή, και κατά συνέπεια η ροή του οξειδωτικού μέσου είναι μικρή συγκριτικά με την ροή στη διεπιφάνεια Si/SiO2. Στην περίπτωση αυτή ο ρυθμός της οξείδωσης εξαρτάται από την διάχυση του οξειδωτικού μέσου μέσα από το θερμικό οξείδιο (Diffusion controlled) και σε αυτές τις συνθήκες ισχύει ότι C i 0 και C ο C *. 92

53 (β) Η δεύτερη περίπτωση, όταν η διαχυτότητα των μορίων του οξειδωτικού μέσου είναι μεγάλη, όποτε η οξείδωση ελέγχεται από το ρυθμό με τον οποίο αντιδρούν τα μόρια του οξειδωτικού μέσου στη διεπιφάνεια (Reaction controlled). Σε αυτή την περίπτωση ισχύει: Ci = Co * C = K S (1 + h Κάτω από αυτές τις συνθήκες υπάρχει μία συνεχή τροφοδοσία της διεπιφάνειας με τα μόρια του οξειδωτικού μέσου και ο ρυθμός της οξείδωσης καθορίζεται από τις παραμέτρους K S και C i. Ασκηση 3.2 Η εξ μπορεί να απλοποιηθεί σε δύο οριακές περιπτώσεις. (α) Για μεγάλους χρόνους οξείδωσης (t>>τ), 2 X ox = B t, t >>τ Στη περίπτωση αυτή λέμε ότι η οξείδωση είναι στη παραβολική περιοχή και η σταθερά Β ονομάζεται παραβολική σταθερά της οξείδωσης (parabolic constant). Από την εξ βλέπουμε ότι η σταθερά Β είναι ανάλογη με την διαχυτότητα των μορίων του οξειδωτικού μέσου μέσα από το υπάρχον οξείδιο. Αυτό υπονοεί ότι στην παραβολική περιοχή, η οξείδωση ελέγχεται από την διάχυση του οξειδωτικού μέσου μέσα από το οξείδιο. Με άλλα λόγια, καθώς το οξείδιο αυξάνει σε πάχος, τα μόρια του οξειδωτικού μέσου πρέπει να διανύσουν μεγαλύτερη απόσταση προκειμένου να φτάσουν στη διεπιφάνεια με το πυρίτιο, όπου και θα αντιδράσουν με αυτό. (β) Από την άλλη πλευρά, για πολύ μικρούς χρόνους οξείδωσης (t+τ) <<Α 2 /4Β, η εξ γίνεται: B Xox = ( t + τ ), ( t + τ ) << A 2 A 4B Στη περίπτωση αυτή λέμε ότι η οξείδωση είναι στη γραμμική περιοχή και η σταθερά Β/Α ονομάζεται γραμμική σταθερά την οξείδωσης (linear constant). Συνδυάζοντας τις εξ και 3.17 βρίσκουμε ότι: 93

54 B A = K S h C K + h S N * 1 Παρατηρούμε ότι η γραμμική σταθερά της οξείδωσης είναι ανεξάρτητη από τη διαχυτότητα D των μορίων του οξειδωτικού μέσου και εξαρτάται μόνο από τη σταθερά K S της επιφανειακής αντίδρασης. Ασκηση 3.3 Χρησιμοποιούμε την σχέση (3.14) θεωρώντας τ=0 και βρίσκουμε t = 0.6 hrs για την υγρή οξείδωση. Στην συνέχεια στην περίπτωση της ξηρής οξείδωσης χρησιμοποιώντας τον ίδιο τύπο βρίσκουμε για τις περιοχές που το οξείδιο έχει απομακρυνθεί t = 8.13 hrs. Στην διάρκεια όμως της ξηρής οξείδωσης δεν οξειδώνονται μόνον οι ελέυθερες οξειδίου περιοχές αλλά και αυτές που έχουν οξείδιο ήδη. Στις περιοχές αυτές εφαρμόζουμε και πάλι την σχέση (3.14) όμως το τ δεν είναι μηδέν αλλά έχουμε τ=[(0.5 μm) 2 +Α(0.25 μm)]/β=28.42 hrs. Λόγω του μεγάλου αρχικού πάχους του οξειδίου μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε την σχέση που υπολογίσαμε στην άσκηση 2 και να βρούμε tοx= [Β(8.17 hrs hrs)] 0.5 = 0.6μm. Επομένως το πάχος του οξειδίου που φτιάχνουμε είναι μm-0.5 μm = μm επι πλέον απο το υπάρχον. Ασκηση 3.4 Εφόσον έχουμε σταθερή δόση η οποία διαχέεται κατά την υψηλή θερμοκρασία χρησιμοποιούμε την σχέση (3.23). Υπολογίζουμε καταρχή το Dt= cm. Η συγκέντρωση στην επιφάνεια μπορεί να υπολογισθεί αν στην (3.23) θέσουμε x=0 οπότε έχουμε N(0,t)=Q/ πdt Το βάθος επαφής είναι το σημείο όπoυ η συγκέντρωση του υποστρώματος (φώσφορος) γίνεται ίση με την συγκέντρωση του βορίου. Χρησιμοποιώντας και πάλι την (3.23) υπολογίζουμε το βάθος επαφής έτσι ώστε N(x,t=2 hrs)=10 14 cm -3 x=0.36 μm Το τελευταίο ερώτημα περί βάθους επαφής είναι πολύ πιθανόν να σας δυσκόλεψε λίγο μιά και απαιτεί μιά σχετική εξοικείωση με τις έννοιες. 94

55 Σχήμα Ασκηση 3.5 α) Η ιοντική εμφύτευση έχει το πλεονέκτημα να τοποθετεί ιόντα προσμίξεων στην ποσότητα που θέλουμε σε σχετικά ακριβή βάθη απο την επιφάνεια η δε κατανομή των προσμίξεων είναι τύπου Gauss. Αποφεύγονται κατά τον τρόπο αυτό μακριές ουρές των προσμίξεων που θα αύξαναν τα βάθη επαφής κατά πολύ όπως συμβαίνει σε μια διαδικασία διάχυσης. β)χρησιμοποιούμε την σχέση (3.27) που δίνει την κατανομή της πρόσμιξης μετά απο εμφύτευση και έχουμε για το μέρος της δόσης του βορίου που παγιδεύεται μέσα στο λεπτό οξείδιο Q150A = N x dx Q Q Total = 2 R 1 p x R 2 p 2 R 2 p dx Total ( ) / ( π Δ ) exp[ ( ) Δ ] 0 0 απο την οποία βρίσκουμε ότι 20% της δόσης μένει μέσα στο οξείδιο. Ασκηση αυτοαξιολόγησης 3.6 Επειδή τα βήματα είναι μεγάλου ύψους σε σχέση με το πάχος του υλικού που θέλουμε να εναποθέσουμε χρειαζόμαστε μέθοδο εναπόθεσης που να έχει καλή επικάλυψη βήματος. Απο τις τεχνικές των παρ. 3.6 και που αναπτύχθηκαν την καλύτερη επικάλυψη βήματος προσφέρει η Χημική εναπόθεση απο ατμούς κατά την οποία λόγω του ότι το εναποτιθέμενο φίλμ σχηματίζεται με χημική αντίδραση δεν εξαρτάται απο το σχήμα του υποβάθρου μιά και τα αντιδρώντα μόρια ευρίσκονται σε όλο τον όγκο του φούρνου εντός του οποίου γίνεται η αντίδραση. Προτιμότερο υλικό προς εναπόθεση είναι μέταλλο το οποίο είναι δυνατόν να εναποτεθεί με την παραπάνω τεχνική. Στην παρ αναφέραμε το W και το Mo. Σαν εναλλακτική λύση μπορεί να εναποτεθεί επίσης πολυκρυσταλλικό πυρίτιο το οποίο όμως για να γίνει αγώγιμο πρέπει να νοθευθεί (π.χ με διάχυση φωσφόρου ή βορίου). Ασκηση αυτοαξιολόγησης

56 Οι δυνατότητες της οπτικής λιθογραφίας φθάνουν σήμερα μέχρι τα 150 nm (χαρακτηριστικό μέγεθος συγκρίσιμο με το μήκος κύματος των 193 nm της οπτικής λιθογραφίας που χρησιμοποιείται) και πιθανόν και σε μικρότερα χαρακτηριστικά μεγέθη στο μέλλον. Επομένως χαρακτηριστικά μήκη 1000 nm είναι εύκολο να κατασκευασθούν με οπτική λιθογραφία. Για την κατασκευή χαρακτηριστικών μηκών 50 nm πρέπει να χρησιμοποήσουμε λιθογραφία ηλεκτρονικής δέσμης ή λιθογραφία ακτίνων χ οι οποίες έχουν πολύ μικρό μήκος κύματος. Ασκηση αυτοαξιολόγησης 3.8 Μπορούμε να παρατηρήσουμε ότι τα βήματα SiO 2 του σχήματος είναι κάθετα που μας οδηγεί στην σκέψη ότι χρειαζόμαστε μέθοδο εγχάραξης με μεγάλη ανισοτροπικότητα. Τέτοια μέθοδος είναι η μέθοδος ξηρής εγχάραξης πλάσματος (ion etching). Αν το αέριο του πλάσματος περιέχει ρίζες που αντιδρούν και χημικά με το υπόστρωμα τότε η εγχάραξη επιταχύνεται και μιλάμε για εγχάραξη μέσω χημικής αντίδρασης (reactive ion etching). Η χρήση αντίθετα υγρής εγχάραξης θα οδηγούσε σε σρογγυλεμένα τοιχώματα και οπωσδήποτε όχι κάθετα. Ασκηση αυτοαξιολόγησης 3.9 Οι ανισοτροπικοί εγχαράκτες οι οποίοι και δεν εγχαράσουν το πυρίτιο κατά την κρυσταλλογραφική κατεύθυνση <111> είναι το ΚΟΗ, ΕDP και ΤΜΗΑ. Αν ο πυρίτιο είναι ισχυρά νοθευμένο με πρόσμιξη τύπου-p τότε οι εγχαράκτες αυτοί έχουν πολύ μικρό ρυθμό εγχάραξης. Οι ισοτροπικοί εγχαράκτες είναι διάλυμα HNO 3 :HF:H 2 O. Ο ρυθμός εγχάραξης και αυτού διαλύματος αυτού εξαρτάται απο την συγκέντρωση του πυριτίου. Απαντήσεις Δραστηριοτήτων Δ1/Κεφ3 Ως αγώγιμα στρώματα χρησιμοποιούνται τα οποαδήποτε μέταλλα μπορούν να εναποτεθούν υπό την μορφή λεπτών στρωμάτων επί του υποστρώματος καθώς και φίλμ πολυκρυσταλλικού πυριτίου εμπλουτισμένου με υψηλή συγκέντρωση προσμίξεων. Ας μην παραλείψουμε βέβαια και το ίδιο το κρυσταλλικό πυρίτιο το οποίο όπως και το 96

57 πολυκρυσταλλικό όταν νοθευθεί σε υψηλή συγκέντρωση παρουσιάζει μεταλλικές ηλεκτρονικές ιδιότητες. Ως μονωτικά στρώματα χρησιμοποιούμε κυρίως το οξείδιο του πυριτίου και το νιτρίδιο του πυριτίου. Το οξείδιο σχηματίζεται είτε με θέρμανση του πυριτίου σε υψηλή θερμοκρασία σε παρουσία οξυγόνου (οξείδωση) είτε με εναπόθεση απο χημικούς ατμούς. Οι λιθογραφικές ρητίνες είναι επίσης μονωτικά στρώματα χρησιμοποιούνται όμως ως βοηθητικά ενδιάμεσα υλικά και αφού επιτελέσουν το έργο τους απομακρύνονται. Δ2/Κεφ3 Διακρίνονται στην τεχνολογία όγκου και τις επιφανειακές μικρομηχανικές τεχνικές. Η τεχνολογία όγκου είναι αυτή η οποία επιτρέπει την επεξεργασία του δισκιδίου του πυριτίου με τεχνικές όπως η ανισοτροπική εγχάραξη, η επικόλληση δισκιδίων πυριτίου με σκοπό τον σχηματισμό 3-διάστατων δομών μεγάλου πάχους. Συνήθως δεν πραγματοποιείται στο ίδιο δισκίδιο πυριτίου με τα ολοκληρωμένα κυκλώματα χωρίς αυτό και να αποκλείεται. Η επιφανειακή μικρομηχανική χρησιμοποιεί τα εναποτιθέμενα στρώματα υλικών (πολυκρυσταλλικό πυρίτιο, οξείδια, νιτρίδιο, μέταλλα) για την κατασκευή λεπτού σχετικά πάχους δομών (< 5 μm) και παρουσιάζει μεγαλύτερη ευελιξία στην ολοκλήρωση μή ηλεκτρονικών με ηλεκτρονικές λειτουργίες. 97

58 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 : ΔΙΑΤΑΞΕΙΣ ΑΙΣΘΗΤΗΡΩΝ Σκοπός Σκοπός του παρόντος κεφαλαίου είναι να δώσει παραδείγματα αισθητήρων που αφορούν την μέτρηση φυσικών μεγεθών όπως η θερμοκρασία, η πίεση, η επιτάχυνση, το μαγνητικό πεδίο. Προσδοκώμενα αποτελέσματα Όταν θα έχετε μελετήσει αυτό το κεφάλαιο θα μπορείτε να: Εξηγήσετε την αρχή λειτουργίας ενός αισθητήρα θερμοκρασίας, πίεσης, επιτάχυνσης, ή ακόμα ενός χημικού ή και μαγνητικού αισθητήρα Περιγράψετε έναν αισθητήρα κατάλληλο για την μέτρηση της θερμοκρασίας, της πίεσης, της επιτάχυνσης, του μαγνητικού πεδίου Έννοιες κλειδιά Αισθητήρες θερμοκρασίας Πίεσης Επιτάχυνσης Χημικοι Μαγνητικοί Εισαγωγικές παρατηρήσεις Στο παρόν κεφάλαιο ο σπουδαστής έχει την δυνατότητα να δεί σε συνθετική μορφή πως χρησιμοποιούνται οι φυσικές αρχές λειτουργίας αισθητήρων που αναφέρθηκαν στο 2ο Κεφάλαιο καθώς και πως είναι δυνατόν χρησιμοποιώντας τις τεχνολογικές διαδικασίες που περιγράφηκαν στο 3ο Κεφάλαιο να κατασκευάσει κανείς ένα μικροαισθητήρα. Στην συνέχεια δίνουμε τους τίτλους των παραγράφων του κεφαλαίου 4. 98

59 Χρηματοδότηση Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό έχει αναπτυχθεί στα πλαίσια του εκπαιδευτικόυ έργου του διδάσκοντα Το έργο «Ανοικτά Ακαδημαϊκά Μαθήματα Ε.Μ.Π.» έχει χρηματοδοτήσει μόνο την αναδιαμόρφωση του εκπαιδευτικού υλικού. Το έργο υλοποιείται στο πλαίσιο του Επιχειρησιακού Προγράμματος «Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθηση» και συγχρηματοδοτείται από την Ευρωπαϊκή Ένωση (Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταμείο) και από εθνικού πόρους.