Mikroelektronske tehnologije Prof. dr Biljana Pešić Kabinet 346, tel. 529-346 1
Mikroelektronske tehnologije Cilj predmeta Fundamentalna znanja iz oblasti tehnologija mikrotalasnih komponenata (diskretnih komponenata i integrisanih kola) Sadržaj predmeta - Hibridne tehnologije i kola - Monolitne tehnologije i kola Literatura: skripta, www. elfak.ni.ac.yu 2
Mikroelektronske tehnologije - Uvod Faktori koji favorizuju mikrotalase Veličina antene emisija antene efikasna kada je njena veličina λ f, λ, veličina, efikasnost emisije Širina kanala f, širina kanala AM radio signal @ 1MHz daje kanal širine 10kHz signal za satelit @ 6GHz daje kanal širine 6GHz Prostiranje talasa kroz atmosferu LF signal (30-300kHz) putuje blizu površine Zemlje veliki apsorpcioni gubici HF signal (3-30MHz) se reflektuje od jonosfere mikrotalas (30MHz-300GHz) ima nisko atmosfersko slabljenje 3
Mikroelektronske tehnologije - Uvod Mikrotalasne frekvence i opsezi mikrotalasi V. Belitsky 4
Mikroelektronske tehnologije - Uvod Primena mikrotalasa u bežičnim komunikacijama Radarski sistemi (vojna i civilna primena) Satelitske komunikacije Mobilna telefonija Kompjuteri 5
Mikroelektronske tehnologije - Uvod Mikrotalasna tehnika i mikroelektronika Mikrotalasna tehnika veličina komponenata L<λ/6 Mikroelektronika dizajn, simulacija i modeliranje, tehnologija proizvodnje, pouzdanost komponenata 6
Mikroelektronske tehnologije - Uvod Mikrotalasna kola: Pojačivači Pojačavači niskog šuma (LNA) Pojačavači snage Širokopojasni pojačavači Mikseri Oscilatori Prekidači Modulatori Atenuatori Pomerači faze Filteri 7
Mikroelektronske tehnologije - Uvod Mikrotalasne komponente Pasivne komponente Elementi sa grupisanim parametrima (fizičke dimenzije <λ/10): otpornici, kondenzatori, kalemovi Elementi sa raspodeljenim parametrima: transmisione linije, direkcioni kapleri, hibridni prstenovi, rezonatori Aktivne komponente efekat spoja efekat polja transfer elektrona lavinski efekat BJT JFET Gunn-ova dioda IMPATT dioda HBT MESFET TRAPATT dioda Tunelska dioda HFET BARITT dioda PIN dioda 8
Mikroelektronske tehnologije - Uvod Mikrotalasna integrisana kola (MIC) Hibridna mikrotalasna integrisana kola (HMIC) Transmisione linije (u formi metalnih slojeva na dielektričnom supstratu) integrisane su sa nekim pasivnim komponentama. Aktivne komponente proizvode se posebnim poluprovodničkim (Si, GaAs, InP) tehnologijama i kao diskretne montiraju na metalnu šemu. Složeno HMIC kolo (modul) može da integriše više HMIC i/ili MMIC kola (primer T/R modula u radarskim sistemima). Monolitna mikrotalasna integrisana kola (MMIC) Sve aktivne i pasivne komponente integrisane su na/u poluprovodničkom (Si, GaAs, InP) supstratu koji ima ulogu i izolacionog i aktivnog materijala. Čitavo kolo je u formi jednog čipa. 9
Mikroelektronske tehnologije Hibridna mikrotalasna kola Tehnologije izrade aktivnih komponenata Komponenta Diode:PIN,IMPATT, Tunelska Bipolarni tranzistori (BJT) MOS tranzistori (MOSFET) Diode:PIN,IMPATT, Gunn-ova MESFET HFET (HEMT) HBT HFET (HEMT) HBT Tehnologija Silicijum, Si Galijum arsenid, GaAs (+Al) Indijum fosfid, InP (+Al,Ga) 10
Mikroelektronske tehnologije Hibridna mikrotalasna kola Tehnologije izrade transmisionih linija Tankoslojna tehnologija - Metod dodavanja metalnih slojeva - Metod oduzimanja metalnih slojeva Debeloslojna tehnologija - Postupak sito štampe 11
Mikroelektronske tehnologije Hibridna mikrotalasna kola Tankoslojna tehnologija Metod dodavanja slojeva 1. Početni materijal 2. Depozicija (naparavanje, spaterovanje) athezionog sloja supstrat supstrat 3. Depozicija (naparavanje, spaterovanje) tankog sloja Au supstrat 12
Mikroelektronske tehnologije Hibridna mikrotalasna kola Tankoslojna tehnologija Metod dodavanja slojeva 4. Fotolitografski postupak I a) Depozicija fotorezista (negativnog) b) Ekspozicija fotorezista c) Razvijanje fotorezista d) Nagrizanje fotorezista (neosvetljenih delova) 13
Mikroelektronske tehnologije Hibridna mikrotalasna kola Tankoslojna tehnologija Metod dodavanja slojeva 5. Depozicija (elektrolitičko nanošenje) debelog sloja Au 9. Nagrizanje athezionog sloja 7. Fotolitografski postupak II 8. Nagrizanje tankog sloja zlata 6. Skidanje fotorezista 10. Skidanje fotorezista 14
Mikroelektronske tehnologije Hibridna mikrotalasna kola Tankoslojna tehnologija Metod oduzimanja slojeva 3. Depozicija (naparavanje, spaterovanje) tankog sloja Au 1. Početni materijal supstrat supstrat 4. Depozicija (elektrolitičko nanošenje) debelog sloja Au 2. Depozicija (naparavanje, spaterovanje) athezionog sloja supstrat 15
Mikroelektronske tehnologije Hibridna mikrotalasna kola Tankoslojna tehnologija Metod oduzimanja slojeva 5. Fotolitografski postupak I a) Depozicija fotorezista (pozitivnog) b) Ekspozicija fotorezista c) Razvijanje fotorezista d) Nagrizanje fotorezista (osvetljenih delova) 16
Mikroelektronske tehnologije Hibridna mikrotalasna kola Tankoslojna tehnologija Metod oduzimanja slojeva 6. Nagrizanje Au 7. Nagrizanje athezionog sloja 10. Skidanje fotorezista 17
Mikroelektronske tehnologije Hibridna mikrotalasna kola Poredjenje metoda u tankoslojnoj tehnologiji Oblik transmisionih linija - Metod dodavanja slojeva daje pečurkast oblik - Metod oduzimanja slojeva daje podecovani oblik Utrošak Au -Veći kod metoda oduzimanja slojeva Naprezanje u slojevima -Veće kod metoda dodavanja slojeva Metod dodavanja slojeva Metod oduzimanja slojeva 18
Mikroelektronske tehnologije Hibridna mikrotalasna kola Debeloslojna tehnologija Metod sito štampe 1. Fotolitografski postupak na situ Nanošenje fotorezista Ekspozicija fotorezista preko maske Razvijanje fotorezista Nagrizanje fotorezista 2. Nanošenje mastila (ručno, automatski) 3. Pečenje mastila 19
Mikroelektronske tehnologije Hibridna mikrotalasna kola Supstrati: sinterovani Al 2 O 3 feriti (YIG) sinterovani BeO stopljeni kvarc (SiO 2 ) safir Provodnici: Tankoslojna tehn. Au, Cu Debeloslojna tehn. Au, Cu, Ag Athezionioni slojevi: Cr Ni-Cr Ta Ti Otpornici: Tankoslojna tehn. Ni-Cr, Ta, Ta 2 N, TaO x N y Debeloslojna tehn. RuO 2 + Pb-stakla RuO 2 + Nb-oksid RuO 2 + Th-oksid Pb 2 Ru 2 O 6 20
Mikroelektronske tehnologije Hibridna mikrotalasna kola Karakteristike transmisionih linija (w, oštrina ivica) w Karakteristike HMIC h ε r Karakteristike supstrata (h, ε r ) 21
Mikroelektronske tehnologije Hibridna mikrotalasna kola Odstupanje parametara transmisionih linija Tankoslojna tehnologija: fotolitografija (izrada maski, depozicija fotorezista, izvor svetlosti) depozicija metalnih slojeva nagrizanje metalnih slojeva Debeloslojna tehnologija: tehnika izrade sita postupak štampe postupak odžarivanja mastila 22
Mikroelektronske tehnologije Hibridna mikrotalasna kola Odstupanje parametara transmisionih linija Deformacija transmisione linije zbog neadekvatne temperature pečenja fotorezista (na T=100 o C nagib ivica je 40 o ) 23
Mikroelektronske tehnologije Hibridna mikrotalasna kola Odstupanje parametara transmisionih linija Deformacija transmisione linije kao posledica neadekvatne debljine fotorezista 24
Mikroelektronske tehnologije Hibridna mikrotalasna kola Odstupanje parametara transmisionih linija Hemijsko nagrizanje metala Nagrizanje metala procesom spaterovanja (ubrzanim jonima) 25
Mikroelektronske tehnologije Hibridna mikrotalasna kola Karakteristike transmisionih linija (w, oštrina ivica) w Karakteristike HMIC h ε r Karakteristike supstrata (h, ε r ) 26
Mikroelektronske tehnologije Hibridna mikrotalasna kola Schneider-ove relacije za mikrostrip Karakteristična impedansa: Z = Z ε 0 eff Talasna dužina: λ λ = 0 ε eff ε eff = εr + 1 ε 1 10 + r 1 2 2 + p ( 8/ p / 4) Z 0 60ln + p Z 0 = 1/ 2 p=w/h = p 1 120π p + 2.42 0.44/ p + ( 1 1/ p) 6 p>1 27
28 Mikroelektronske tehnologije Hibridna mikrotalasna kola Električni efekti nepreciznosti izrade na karakteristike kola - Uticaj w,h i ε r - r r Z Zh Zw S h h S w w S Z Z ε ε ε Δ + Δ + Δ = Δ r r h w eff eff S h h S w w S ε ε ε ε εε ε ε Δ + Δ + Δ = Δ Koeficijenti osetljivosti: r p Z Z p S Zw ε = r p Z Z p S Zh ε = p r r Z Z Z S = ε ε ε r p p S eff eff w ε ε ε ε = r p p S eff eff h ε ε ε ε = p r eff eff r S = ε ε ε ε εε
Mikroelektronske tehnologije Hibridna mikrotalasna kola S S Zw Zh f f ( ε r ) ( ε ) r -S Zε 0.5 za p S Zw,S Zh p=w/h S εw << S Zw S εε 1za p 29
Mikroelektronske tehnologije Hibridna mikrotalasna kola Montaža HMIC Montaža pasivnih komponenata Montaža aktivnih komponenata (dioda i tranzistora) Komponente u kućištu bez izvoda (Leadless-Inverted-Devices) sa zrakastim izvodima (Beem-Lead Devices) Komponente bez kućišta (poluprovodnički čipovi) Procesi montaže čipova: Eutektičko bondiranje Lepljenje Lemljenje Bondiranje žica i izvoda: Termokompresiono bondiranje Ultrazvučno bondiranje 30
Mikroelektronske tehnologije Hibridna mikrotalasna kola Procesi montaže čipova diskretnih komponenata Eutektičko bodiranje peleta (čipova) sistem Si-Au zagreva se do 370 o C Lepljenje peleta lepak - epoksi materijal sa dodatkom Ag ili Au Lemljenje peleta za Au-Au veze koriste se lemovi: PbInAg, InPb, AuSn 31
Mikroelektronske tehnologije Hibridna mikrotalasna kola Klinasto bondiranje Bondiranje žica i izvoda Termokompresiono bondiranje (pritisak i toplota) Ultrazvučno bondiranje (ultrazvuk i toplota) Loptasto bondiranje 32
Mikroelektronske tehnologije Hibridna mikrotalasna kola Primer HMIC kola: kriogeni pojačivač niskog šuma za opseg 4-7GHz Dizajn kola Fotografije kola i detalja GaAs HEMT 33
Mikroelektronske tehnologije Hibridna mikrotalasna kola Podešavanje karakteristika kola -Lasersko trimovanje otpornika- Povezivanje otpornika na merni sistem Topljenje materijala otpornika laserskim snopom (rezanje otpornika) Kada otpornik dostigne setovanu vrednost otpornosti, merni sistem stopira laserski snop 34
Mikroelektronske tehnologije Hibridna mikrotalasna kola Protok struje kroz otpornik pre i posle trimovanja 35
Mikroelektronske tehnologije Hibridna mikrotalasna kola Promena otpornosti sa dužinom trimovanja 36
Mikroelektronske tehnologije Hibridna mikrotalasna kola Dvostruki rez 37
Mikroelektronske tehnologije Hibridna mikrotalasna kola L- rez 38
Mikroelektronske tehnologije Hibridna mikrotalasna kola Oblici trimovanja 39
Mikroelektronske tehnologije Hibridna mikrotalasna kola Primeri trimovanih metalnih filmova 40
Mikroelektronske tehnologije Monolitna mikrotalasna kola Hibridna mikrotalasna integrisana kola (HMIC) Transmisione linije (u formi metalnih slojeva na dielektričnom supstratu) integrisane su sa nekim pasivnim komponentama. Aktivne komponente proizvode se posebnim poluprovodničkim (Si, GaAs, InP) tehnologijama i kao diskretne montiraju na metalnu šemu. Složeno HMIC kolo (modul) može da integriše više HMIC i/ili MMIC kola (primer T/R modula u radarskim sistemima). Monolitna mikrotalasna integrisana kola (MMIC) Sve aktivne i pasivne komponente integrisane su na/u poluprovodničkom (Si, GaAs, InP) supstratu koji ima ulogu i izolacionog i aktivnog materijala. Čitavo kolo je u formi jednog čipa. 41
Mikroelektronske tehnologije Monolitna mikrotalasna kola Prednosti MMIC kola: Širok frekventni opseg (eliminacija parazitnih efekata montaže diskretnih komponenata) Veća reproduktivnost (uniformno procesiranje svih delova kola) Veća pouzdanost (kontrola procesa tokom proizvodnje) Fleksibilni dizajn (baziran na tačnim modelima aktivnih i pasivnih komponenata i efektima tolerancija procesa proizvodnje; CAD - interaktivni softver za sintezu, analizu i layout kola kojim se dobijaju karakteristike kola bez njihove eksperimentalne verifikacije) Multifunkcionalnost (integracija RF i logičkih funkcija na jednom čipu) Male dimenzije i težina Niska cena (za srednji i veliki obim proizvodnje) Nedostaci MMIC kola: Nemogućnost podešavanja karakteristika po završenoj proizvodnji Poteškoće u otkrivanju uzroka otkaza Nemogućnost integracije izvora za napajanje 42
Mikroelektronske tehnologije Monolitna mikrotalasna kola Poluprovodnici za proizvodnju MMIC Metali Nemetali Poluprovodnici Si Ge SiGe Poluprovodnici IV grupe PS GaAs GaAlAs InP InAlP InGaP Poluprovodnička jedinjenja i legure tipa III-V 43
Mikroelektronske tehnologije Monolitna mikrotalasna kola Tehnologija Komponenta Silicijum, Si Galijum arsenid, GaAs (+Al) Diode:PIN,IMPATT, Tunelska Bipolarni tranzistori (BJT) MOS tranzistori (MOSFET) Diode:PIN,IMPATT, Gunn-ova MESFET HFET (HEMT) HBT Indijum fosfid, InP (+Al,Ga) HFET (HEMT) HBT 44
Mikroelektronske tehnologije Monolitna mikrotalasna kola Prednosti GaAs u odnosu na Si Veća pokretljivost elektrona μ n Veća driftofska brzina v d Brže punjenje/ pražnjenje parazitnih kapacitivnosti Veća transkonduktansa g m tranzistora Manji šum Karakteristika poluizolatorskog supstrata Samoizolacija aktivnih komponenata Manje parazitne kapacitivnosti 45
Mikroelektronske tehnologije Monolitna mikrotalasna kola Pokretljivost elektrona u GaAs Poluprovodnik 46
Mikroelektronske tehnologije Monolitna mikrotalasna kola Driftovska brzina elektrona u GaAs v d (GaAs) = (6-7) x v d (Si) za polja E<0.5 V/μm 47
Mikroelektronske tehnologije Monolitna mikrotalasna kola Poprečni presek dela MMIC kola u MESFET tehnologiji Smanjenje dužine metalnih veza GaAs 48
Mikroelektronske tehnologije Monolitna mikrotalasna kola 3D izgled tipičnog MMIC kola u MESFET tehnologiji GaAs 49
Mikroelektronske tehnologije Monolitna mikrotalasna kola Tehnološki niz proizvodnje MMIC kola u MEFET tehnologiji 50
Mikroelektronske tehnologije Monolitna mikrotalasna kola Prstasti MESFET kao deo MMIC kola 51
Mikroelektronske tehnologije Monolitna mikrotalasna kola Spiralni kalem MIM kondenzator Implantirani otpornik 52
Mikroelektronske tehnologije Monolitna mikrotalasna kola Procesi pripreme pločica Tehnološki procesi na pločicama Procesi montaže 53
Mikroelektronske tehnologije Monolitna mikrotalasna kola Procesi pripreme pločica Prečišćavanje GaAs Proces zonske rafinacije Rast monokristala GaAs LEC tehnika Dobijanje i obrada pločica Sečenje ingota Poliranje pločica 54
Mikroelektronske tehnologije Monolitna mikrotalasna kola Procesi pripreme pločica Prečišćavanje GaAs Proces zonske rafinacije 55
Mikroelektronske tehnologije Monolitna mikrotalasna kola Procesi pripreme pločica Rast monokristala GaAs LEC tehnika (Liquid Encapsulated Czochralski) A Rotirajuća šipka B Monokristalna klica C Formirani monokristal (ingot) D Rastopljeni GaAs E Kontejner B2O3 Tečni inkapsulant Ingot 56
Mikroelektronske tehnologije Monolitna mikrotalasna kola Procesi pripreme pločica Dobijanje i obrada pločica Sečenje ingota Poliranje pločica 57
Mikroelektronske tehnologije Monolitna mikrotalasna kola Procesi na pločicama Formiranje filmova Formiranje poluprovodnih filmova Procesi epitaksijalnog rasta MOCVD MBE Formiranje metalnih filmova Formiranje dielektričnih filmova Dopiranje primesa Jonska implantacija Nagrizanje (ecovanje) filmova 58
Mikroelektronske tehnologije Monolitna mikrotalasna kola Procesi na pločicama Formiranje filmova Formiranje poluprovodnih filmova? FET tehnologija MESFET HFET pločica 59
Mikroelektronske tehnologije Monolitna mikrotalasna kola Procesi na pločicama Formiranje filmova Formiranje poluprovodnih filmova? HBT tehnologija pločica 60
Mikroelektronske tehnologije Monolitna mikrotalasna kola Procesi na pločicama Formiranje filmova Formiranje poluprovodnih filmova Procesi epitaksijalnog rasta MOCVD (Metalo-organska depozicija iz gasne faze) Metalo-organsko jedinjenje Trimetilgalijum Simbol (CH3)3Ga Skraćenica TMG Reakcija za GaAs: (CH3)3Ga + AsH3 = GaAs + 3CH4 Trimetelaluminijum Trimetilindijum Trietilfosfin (CH3)3Al (CH3)3In (C2H5)3P TMAl TMI TEP Reakcija za AlGaAs: (CH3)3Al + (CH3)3Ga +AsH3 = AlGaAs + 3CH4 Arsin AsH3 61
Mikroelektronske tehnologije Monolitna mikrotalasna kola Procesi na pločicama Formiranje filmova Formiranje poluprovodnih filmova Procesi epitaksijalnog rasta MOCVD (Metalo-organska depozicija iz gasne faze) 62
Mikroelektronske tehnologije Monolitna mikrotalasna kola Procesi na pločicama Princip izvodjenja MBE Formiranje filmova Formiranje poluprovodnih filmova Procesi epitaksijalnog rasta MBE (Epitaksija snopom molekula) 63
Mikroelektronske tehnologije Monolitna mikrotalasna kola Procesi na pločicama Dopiranje primesa Jonska implantacija 64
Mikroelektronske tehnologije Monolitna mikrotalasna kola 65
Mikroelektronske tehnologije Monolitna mikrotalasna kola Procesi montaže Rezanje pločice na pelete Spajanje peleta za osnovu kućišta Bondiranje žica Pakovanje u kućišta 66
Mikroelektronske tehnologije Monolitna mikrotalasna kola Procesi montaže Rezanje pločica na pelete (čipove) 67
Mikroelektronske tehnologije Monolitna mikrotalasna kola Procesi montaže Spajanje peleta za osnovu kućišta Broj termičkih ciklusa 68
Mikroelektronske tehnologije Monolitna mikrotalasna kola Procesi montaže Pakovanje u kućišta Elementi tipičnog kućišta za MMIC Materijali za kućišta Legure metala: CuMo, CuW Kompoziti metala: Silvar (Fe-Ni), Kovar (Fe-Ni-Co) LTCC keramika Staklo Kvarc dijamant 69
Mikroelektronske tehnologije Monolitna mikrotalasna kola Metalna kućišta Vrste kućišta za MMIC kola Kućišta sa višeslojeva tankih filmova Keramička kućišta Plastilna kućišta 70
Mikroelektronske tehnologije Monolitna mikrotalasna kola Primeri MMIC kola Šema pojačivača (Adams-Russell Electronics Co.) Pojačivač niskog šuma (2-8GHz) (Adams-Russell Electronics Co.) 71
Mikroelektronske tehnologije Monolitna mikrotalasna kola Pojačivač snage (3W na 10GHz) u MESFET tehnologiji (Westinghouse Electric Co.) 72
Mikroelektronske tehnologije Monolitna mikrotalasna kola Šema pojačivača (Harris Microwave Semiconductor) Širokopojasni (6-18GHz) pojačivač u MESFET tehnologiji (Harris Microwave Semiconductor) 73
Mikroelektronske tehnologije Monolitna mikrotalasna kola D/A pomerač faze u MESFET tehnologiji (Hughes Aircraft Co.) 74
Šema pprekidača (Adams-Russell Electronics Co.) Prekidač u MESFET tehnologiji (Adams-Russell Electronics Co.) 75
Mikroelektronske tehnologije Pravci daljeg razvoja tehnologija monolitnih mikrotalasnih kola Komercijalni sistemi bežičnih komunikacija 76
Mikroelektronske tehnologije Pravci daljeg razvoja tehnologija monolitnih mikrotalasnih kola 77