MIKRO- ÉS NANOTECHNIKA I

Átírás

1 MIKRO- ÉS NANOTECHNIKA I Dr. Pődör Bálint Óbudai Egyetem, KVK Mikroelektronikai és Technológia Intézet 6. ELŐADÁS 2009/2010 tanév 1. félév 1

2 ÁLTALÁNOS BEVEZETÉS A mikro- és nanotechnika c. tárgy megkísérli áttekinteni a mikro-és nanotechnika alapjait, főbb alkalmazásait, és a várható fejlődési irányokat. A két-féléves kurzus egy teljesen új tárgy, ennélfogva a tárgy tematikája meglehetősen kiforratlan. Az anyag igen erősen támaszkodik a Magyar Tudományos Akadémia Műszaki Fizikai és Anyagtudományi Kutató Intézetében a nanotechnológia de méginkább a mikrotechnológia területén felhalmozott tapasztalatokra és ismeretanyagra, illetve az intézet saját kutatási és fejlesztési eredményeire. 2

3 AJÁNLOTT IRODALOM: MIKROTECHNOLÓGIA Mojzes Imre (szerk.): Mikroelektronika és elektronikai technológia, Műszaki Könyvkiadó, 1. kiadás1995, 2. kiadás fejezet: A félvezető-alapú mikroelektronikai elemek fő gyártástechnológiai műveletei, old. Harsányi Gábor (szerk.): Érzékelők és beavatkozók, Műegyetemi Kiadó, fejezet: Az érzékelők technológiái, old., II/2. fejezet: Mikro-elektromechnaikai eszközök, old. Mojzes Imre, Pődör Bálint: Új anyagok és új szerkezetek a mikrohullámú félvezető eszközökben, Akadémiai Kiadó, fejezet: Néhány technológiai művelet, old.

4 AJÁNLOTT IRODALOM: NANOTECHNOLÓGIA Mojzes Imre, Molnár László Milán: Nanotechnológia, Műegyetemi Kiadó, 2007 Az első magyarnyelvű, egyetemi oktatási célra készült összefoglaló könyv! könyvünket elsősorban a műszaki és természettudományos egyetemisták, PhD-hallgatóknak szánjuk. Példáink elsősorban az ő alapismereteire épülnek, megmutatva a szerves és élő világ fontos alkalmazásai közül néhányat. Magyar Tudomány, 48. köt (9) Nanotechnológia tematikai szám, szerk. Gyulai József Letölthető (!) cikkenként: 4

5 IRODALOM: MIKROTECHNOLÓGIA (ÉRZÉKELŐK, MEMS, STB.) Almási István, és tsai, Piezorezisztív szilícium nyomásérzékelők, Mérés és Automatika 32 (4) 132 (1984). Bársony István: Mikrogépészeti eljárásokkal a nanotechnológia felé, Magyar Tudomány, 48 (9) 1083 (2003). Cser László, Gyorsulásmérők alkalmazási lehetőségeinek kutatása, Hiradástechnika 55 (11) 24 (2001). Inzelt György, A mérőkőtől a nanomérlegig, Természet Világa 134 (9) 404 (2003). Minchev G., és tsai, GaAs rétegek növesztése molekulasugaras epitaxiával és a rétegek tulajdonságai, Finommechanika-Mikrotechnika 29 (7-8) 205 (1990). 5

6 IRODALOM: MIKROTECHNOLÓGIA (ÉRZÉKELŐK, MEMS, STB.) Hiradástechnika évi 10. szám: Vásárhelyi Gábor, és tsai, Tapintásérzékelő tömbök tervezés és jelfeldolgozás, Hiradástechnika 62 (10) 47 (2007). Riesz Ferenc és tsai, Makyoh-topográfia: egyszerű és hatékony eljárás félvezető szeletek simaságának vizsgálatára, Hiradástechnika 62 (10) 19 (2007). Rakovics Vilmos és tsai, GaInAsP/InP infravörös diódák és és lézerek, Hiradástechnika 62 (10) 12 (2007). 6

7 HÁTTÉRISMERETEK Háttérismeretek: Félvezető eszközök és mikroelektronika alapszinten Mikroelektronikai szenzorok alapszinten Anyagtudományi ismeretek Mikrofizikai és kvantummechanikai alapismeretek illetve alapfogalmak 7

8 6. ELŐADÁS 1. A mikrotechnológia alapjai, bevezető. 2. Félvezető technolgiák, áttekintés. 3. MEMS technológiák áttekintés. 8

9 MÉRETSKÁLÁK: MÉTERTŐL A NANOMÉTERIG m mm µm nm 9

10 MILLIMÉTERŐL A NANOMÉTERIG VIZUÁLIS OPTIKAI MIKROSZKÓP SZÓRÁS(RÖNTGE N, ELEKTRON, NEUTRON) KÖZELI TÉR MIKROSZKÓP, AFM, STM 10

11 TECHNOLÓGIAI MÉRETSKÁLÁK mm-es technológia: mili technológia µm-es technológia: mikrotechnológia nm-es technológia: nanotechnológia Általánosan elfogadott határ a mikro- és nanotechnológia között: jellemző méret < 0,1 µm (100 nm) A félvezető (IC) technológia (tömeggyártás!) már 2003ban átlépte ezt a küszöböt. 11

12 Logic technology node and transistor gate length versus calendar year. Note mainstream Si technology is nanotechnology.

13 NANOMÉRETES ESZKÖZÖK NANOTECHNOLÓGIA Utazás a törpék birodalmába (nanos = törpe) nanométer = 10-9 m = 10 Angström Minden olyan eszköz, amelynek jellemző hossza a nm tartományába esik. Nanotechnology - összefoglalóan a nm-es eszközökkel foglalkozó tudományágak angol elnevezése (benne van az elmélet, előállítás, alkalmazás is). Nanotechnológia - magyar terminológia, nm-es eszköz előállítási technológiája

14 MM-ES TECHNOLÓGIA, FINOMMECHANIKA Kb évvel ezelőtt élte világkorát a finommechanika, mely a maga korában a csúcstechnológiát jelentette. Az órásmesterek, ötvösök csipeszek, és nagyítók segítségével állítottak elő, a kor csúcstechnológiáját jelentő szerkezeteket; pl.: órákat, zenélő-mozgó szerkezeteket, programvezérelt robotokat. Az előállított termékek érdekességei, hogy egyediek, kézi gyártmányúak, és a gyártó mester kézügyességén múlott a pontossága, megbízhatósága, mivel komoly megmunkáló gépekkel nem rendelkeztek ekkor még. A finommechanika a millitechnológia korszaka volt. Fennmaradt eszközök precizitása a mai szemmel is bámulatos megoldásokat, és megmunkálásokat hordoz. 14

15 A NANOTECHNOLÓGIA EVOLÚCIÓJA A csökkenő méretek tartományában lezajlott evolúció, amely napjainkban a "nanotechnológia" megszületéséhez vezetett.15

16 MIKROTECHNOLÓGIA ÉS MIKROELEKTRONIKA A világ technikai forradalmának kulcseleme: a számítástechnikában csúcsosodó mikroelektronika, annak a miniatűrizációja húzta az összes ipart Moore szabály 16

17 MOORE SZABÁLY G. Moore (Fairchild/Intel) 1960-as években fogalmazta meg de még 2006-ban is működik (!): 90/130 nm csomópont Jellemző méretek 1,8-2 évente feleződnek 17

18 MÉRETCSÖKKENÉS BECSÜLT ÜTEME A Moore szabály ma: a méretcsökkenés becsült üteme 18

19 MOS SCALING Decrease in gate SiO2 thickness with device scaling (technology generation). Actual or expected year of implementation of each technology generation is indicated Fizikai határok: 0,07 µm 300 Si atom, MOS csatornában 19 egyszerre ~30 elektron

20 A KVANTUM HATÁR FELÉ 20 Kvantum technológia

21 A TRANZISZTOR ÉS AZ IC A 20. századot leginkább meghatározó találmány Kétféle tranzisztor elképzelés külső térrel vezérelni az elektronok áramát: térvezérlésű tranzisztor (FET, MOSFET, stb.) az anyag (félvezető) belsejében létrehozni a vezérlő elektródát bipoláris tranzisztor (BJT) 21

22 A TRANZISZTOR SZABADALOM Lilienfeld 1925 (!) Shokley 1949 Nobel díj: Bardeen, Brattain, Shockley

23 A FŐ MEGOLDÁS (MA): A MOS (METALOXIDE-SEMICONDUCTOR) TRANZISZTOR Kapu elektród "Vékony" SiO2 Forrás Csatorna Si Nyelő A kapuelektródra adott feszültség nyitja/zárja a Fból a Ny-be az áramot, attól függően, hogy milyen a Si vezetési típusa, ill. hogy az ún. többségi vagy kisebbségi "töltéshordozók" viszik az áramot. Azok töltésével azonos feszültség zár le. Működési elv: tér vezérlés, ld. Lilienfeld szabadalmát.

24 AZ INTEGRÁLT ÁRAMKÖR Kilby 1959 (Nobel díj 2000) Noyce

25 IC: Si BIPOLÁRIS TECHNOLÓGIA Technológia optimalizálása: Si npn tranzisztorhoz. Alkatrészválaszték: bipoláris tranzisztor, dióda, ellenállás, kondenzátor. Tranzisztor (és minden más alkatrész) síkba kiterítve - planáris technológia 25

26 Si NPN (PLANÁRIS) TRANZISZTOR Emitter p+ n+ Base p Collector n+ Al Cu Si SiO2 n-epi p+ Electron flow n+ buried layer P-substrate A Si npn tranzisztor a bipoláris IC-k igáslova. Síkba kiterített (planáris) elrendezés. 26

27 IC: Si BIPOLÁRIS TECHNOLÓGIA Tipikus méretek: emitter diffúzió (2-2,5) µm bázis diffuzió 4 µm n-epitaxiás réteg (kollektor) 10 µm emitter ablak (kisáramú, 1-2 ma tranzisztor) (10-15) x (10-15) µm Pl. a TTL áramkörben az emitter méret 16 x 16 µm, egy bemenet árama max. 1,6 ma (az áramsűrűség 6,25 A/mm2). 27

28 (KLASSZIKUS) TTL ALAPKAPU (NAND) VCC (+5V ) 4k A 1,6 k 130 T1 A B T4 T2 B D1 D2 D3 & Q Q T3 1k GND (0V) 28

29 TTL ALAPKAPU LAYOUT Egy chipen illetve egy IC tokban 4 db klasszikus kétbemenetű NAND kapu helyezkedik el. Egy NAND kapu helyigénye kb. 600 μm x 600 μm, a chip mérete durván milliméter nagyságú. Mind a négy kapu ellenállásai (összesen 12 db) egy közös szigeten helyezkednek el. Az egyetlen dióda emitter-bázis átmenettel van megvalósítva. 29

30 TTL NAND LAYOUT Standard 2-bemenetű TTL NAND kapu áramköre Kettős 4-bementű TTL NAND kapu layout-ja 30

31 Buried Layer Implantation Betemetett réteg: ionimplantáció SiO2 P-silicon n+ 31

32 Epitaxy Growth N-Si epitaxiás réteg növesztése n-epi n+ buried layer P-silicon 32

33 Isolation Implantation Elválasztó/szigetelő (p-típus) implantáció p+ n-epi p+ n+ buried layer P-silicon 33

34 Emitter/Collector and Base Implantation Emitter és bázistartomány, illetve kollektor kontaktustartomány kialakítása p+ n+ p n+ n-epi p+ n+ buried layer P-silicon 34

35 Metal Etch SiO2 p+ Emitter n+ Base Collector p Al Cu Si n+ n-epi p+ n+ buried layer P-silicon Kontaktusfémezés leválasztása, mintázat kialakítása 35

36 Passivation Oxide Deposition SiO2 p+ Emitter n+ Base Collector Al Cu Si CVD oxide p n+ n-epi p+ n+ buried layer P-silicon Passziváló oxidréteg leválasztása 36

37 A MOS tranzisztor Fém gate elektródás kivitel 0,8 μm A korai MOS technika tranzisztora Problémák: gate átlapolás, VT, kevés vezeték sík

38 A MOS tranzisztor Önillesztő, poli-si gate technika Aktív Aktív zzó óna na vékonyoxid vékonyoxid 2.Bújtatott 2.Bújtatott kont kont ablaknyitás ablaknyitás Poli-Si Poli-Si felvitel, felvitel, maszkol maszkol Aktív Aktív zzó ónát nát nyit, nyit, n+ n+ diffúzió diffúzió Szigetelõ Szigetelõ bevonat bevonat (PSG) (PSG) Kontaktus Kontaktus ablakok ablakok Önillesztés Fémezés Fémezés CSAT = AKTÍV and POLI

39 A MOS tranzisztor Szubmikrono s MOS struktúra Vázlatrajz és elektronmikroszkóppa l készült metszeti kép

40 BASIC CMOS CIRCUIT: THE INVERTER CMOS inverter: nmos/pmos transistor pair P-channel, ON when A is LOW N-channel, ON when A is HIGH

41 CMOS INVERTER AS A SWITCHING CIRCUIT Switch model of a CMOS inverter. a. input LOW, b. input HIGH.

42 A KOMPLEMENTER MOS: CMOS 42

43 CMOS TECHNOLÓGIA VÁZLATA SENSEDU animáció: ld. 43

44 INTEGRÁLT ÁRAMKÖRI TECHNOLÓGIA A mikroelektronikai (és MEMS) eszközök gyártástechnológiájsa Alapanyag: félvezető egykristály (Si) Processzálás: Additív módszerek: vékonyréteg leválasztás PVD, CVD, ábrakialakítás Módosító eljárások: fotoexpozíció, ionimplantációs adalékolás, termikus műveletek Szubtraktív módszerek: kémiai és fizikai marási lépések, lézeres és mechanikai rétegeltávolítás A fentiek és kombinációik szekvenciális alkalmazása az alapanyag-szeleten: szelettechnológia 44

45 ÉRZÉKELŐK ÉS BEAVATKOZÓK : MEMS MicroElectroMechanical Systems: MEMS Micro-(Opto-)ElectroMechanical Systems: MOEOMS A mikroelektronikai technológia - más területen, párhuzamos megmunkálás, olcsó, pontos Miniatürizálással a kezelhetőség megmarad, ha intelligenciát is belezsúfolunk - ez rendelkezésre áll Mesterséges szaglás, látás stb. szervetlen, ill. bio- és biomimetikus rendszerek (megbízhatóság?) Miniatűr gépek Orvosi alkalmazások esetén: biokompatibilitás 45

46 MEMS/MOEMS nagy rendszer-változások vezérlése kis erőkkel; minőségi előnyök a méretcsökkentés révén, új működési elvek realizálása; csoportos (batch) megmunkálás, az eszközök integrálása akár az IC-ben; tetszőleges funkciók társítása: érzékelés, számítás, aktuálás (beavatkozás), vezérlés és kommunikáció; különböző eszközök integrálása egy rendszerben: erőforrás (telep, tápegység), antenna, érzékelők, beavatkozók; alapvetően felületi-, rétegtechnológiai realizálás (ld. IC gyártás); 46

47 MEMS SZENZOROK: MÉRETSKÁLA 47

48 MEMS TECHNOLÓGIA: ESETTANULMÁNY 48