MIKRO- ÉS NANOTECHNIKA I Dr. Pődör Bálint Óbudai Egyetem, KVK Mikroelektronikai és Technológia Intézet 6. ELŐADÁS 2009/2010 tanév 1. félév 1
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
AJÁNLOTT IRODALOM: MIKROTECHNOLÓGIA Mojzes Imre (szerk.): Mikroelektronika és elektronikai technológia, Műszaki Könyvkiadó, 1. kiadás1995, 2. kiadás 2005. 3. fejezet: A félvezető-alapú mikroelektronikai elemek fő gyártástechnológiai műveletei, 17-83 old. Harsányi Gábor (szerk.): Érzékelők és beavatkozók, Műegyetemi Kiadó, 1999. 2. fejezet: Az érzékelők technológiái, 14-24 old., II/2. fejezet: Mikro-elektromechnaikai eszközök, 196-207 old. Mojzes Imre, Pődör Bálint: Új anyagok és új szerkezetek a mikrohullámú félvezető eszközökben, Akadémiai Kiadó, 1993. 3 5. fejezet: Néhány technológiai művelet, 209-256 old.
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. 2003 (9) Nanotechnológia tematikai szám, szerk. Gyulai József Letölthető (!) cikkenként: www.matud.iif.hu/ 4
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
IRODALOM: MIKROTECHNOLÓGIA (ÉRZÉKELŐK, MEMS, STB.) Hiradástechnika 2007. 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
HÁTTÉRISMERETEK Háttérismeretek: Félvezető eszközök és mikroelektronika alapszinten Mikroelektronikai szenzorok alapszinten Anyagtudományi ismeretek Mikrofizikai és kvantummechanikai alapismeretek illetve alapfogalmak 7
6. ELŐADÁS 1. A mikrotechnológia alapjai, bevezető. 2. Félvezető technolgiák, áttekintés. 3. MEMS technológiák áttekintés. 8
MÉRETSKÁLÁK: MÉTERTŐL A NANOMÉTERIG m mm µm nm 9
MILLIMÉTERŐL A NANOMÉTERIG VIZUÁLIS OPTIKAI MIKROSZKÓP SZÓRÁS(RÖNTGE N, ELEKTRON, NEUTRON) KÖZELI TÉR MIKROSZKÓP, AFM, STM 10
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
Logic technology node and transistor gate length versus calendar year. Note mainstream Si technology is nanotechnology.
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
MM-ES TECHNOLÓGIA, FINOMMECHANIKA Kb. 500-600 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
A NANOTECHNOLÓGIA EVOLÚCIÓJA A csökkenő méretek tartományában lezajlott evolúció, amely napjainkban a "nanotechnológia" megszületéséhez vezetett.15
MIKROTECHNOLÓGIA ÉS MIKROELEKTRONIKA A világ technikai forradalmának kulcseleme: a számítástechnikában csúcsosodó mikroelektronika, annak a miniatűrizációja húzta az összes ipart Moore szabály 16
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
MÉRETCSÖKKENÉS BECSÜLT ÜTEME A Moore szabály ma: a méretcsökkenés becsült üteme 18
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
A KVANTUM HATÁR FELÉ 20 Kvantum technológia
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
A TRANZISZTOR SZABADALOM Lilienfeld 1925 (!) Shokley 1949 Nobel díj: Bardeen, Brattain, Shockley 195622
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.
AZ INTEGRÁLT ÁRAMKÖR Kilby 1959 (Nobel díj 2000) Noyce 1961 24
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
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
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
(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
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
TTL NAND LAYOUT Standard 2-bemenetű TTL NAND kapu áramköre Kettős 4-bementű TTL NAND kapu layout-ja 30
Buried Layer Implantation Betemetett réteg: ionimplantáció SiO2 P-silicon n+ 31
Epitaxy Growth N-Si epitaxiás réteg növesztése n-epi n+ buried layer P-silicon 32
Isolation Implantation Elválasztó/szigetelő (p-típus) implantáció p+ n-epi p+ n+ buried layer P-silicon 33
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
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
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
A MOS tranzisztor Fém gate elektródás kivitel 0,8 μm A korai MOS technika tranzisztora Problémák: gate átlapolás, VT, kevés vezeték sík
A MOS tranzisztor Önillesztő, poli-si gate technika 1. 1. Aktív Aktív zzó óna na vékonyoxid vékonyoxid 2.Bújtatott 2.Bújtatott kont kont ablaknyitás ablaknyitás 3. 3. Poli-Si Poli-Si felvitel, felvitel, maszkol maszkol 4. 4. Aktív Aktív zzó ónát nát nyit, nyit, n+ n+ diffúzió diffúzió 5. 5. Szigetelõ Szigetelõ bevonat bevonat (PSG) (PSG) 6. 6. Kontaktus Kontaktus ablakok ablakok Önillesztés 7. 7. Fémezés Fémezés CSAT = AKTÍV and POLI
A MOS tranzisztor Szubmikrono s MOS struktúra Vázlatrajz és elektronmikroszkóppa l készült metszeti kép
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
CMOS INVERTER AS A SWITCHING CIRCUIT Switch model of a CMOS inverter. a. input LOW, b. input HIGH.
A KOMPLEMENTER MOS: CMOS 42
CMOS TECHNOLÓGIA VÁZLATA SENSEDU animáció: ld. www.ett.bme.hu 43
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
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
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
MEMS SZENZOROK: MÉRETSKÁLA 47
MEMS TECHNOLÓGIA: ESETTANULMÁNY 48