UNIVERSITATEA TEHNICĂ,,GHEORGHE ASACHI DIN IAŞI Facultatea de Electronică, Telecomunicaţii şi Tehnologia Informaţiei Metode de depunere a straturilor

Transcriere

1 UNIVERSITATEA TEHNICĂ,,GHEORGHE ASACHI DIN IAŞI Facultatea de Electronică, Telecomunicaţii şi Tehnologia Informaţiei Metode de depunere a straturilor subţiri Profesor: Sl. Dr. Ing. Ionescu Daniela Student: Patraș Dragoș

2 In prezent exista mai multe metode de depunere a straturilor subtiri. Acestea se pot împarti în doua mari categorii: depunere chimica din vapori (CVD) si depunere fizica din vapori (PVD). Depunerea chimica din vapori Aceasta metoda consta în trecerea peste suprafata pieselor metalice incalzite intr-o camera etansa a unui amestec de gaze care contine elemente chimice ale stratului sub forma de compusi chimici volatili. La depunerea CVD stratul rezulta în urma reactiilor chimice complexe care au loc la temperaturi ale procesului donatorul de metal, gazele din amestec si suprafata metalica a piesei. Cu ajutorul tehnicii CVD se poate produce aproape orice tip de material, dar de cele mai multe ori sunt necesare temperaturi ridicate si uneori gaze toxice care sunt ulterior dificil de îndepartat. Conditiile care se impun substratului sunt ca structura acestuia sa nu se modifice ireversibil la temperatura depunerii, sa prezinte o rezistenta suficienta la coroziune fata de gazele utilizate în proces si sa fie compatibil cu materialul stratului. Depunerea fizice din vapori Straturile (1-10 µm) se obtin prin condensarea pe suprafata substratului a unor specii atomice sau moleculare aflate in faza de vapori. Procesele PVD pot fi impartite dupa metodele de formare a vaporilor primari in: procese de vaporizare (termice) si procese de pulverizare (cinetice). In timpul depunerii PVD materialul care urmeaza sa fie depus este vaporizat sau pulverizat, se amesteca cu un gaz si apoi se condenseaza din starea de vapori sub forma unui strat (film) subtire pe piese. Cele mai utilizate tehnici de depunere PVD sunt: depunerea prin pulverizare magnetica (catodica), evaporarea termica si placarea ionica. Procesele de pulverizare ofera multe avantaje comparativ cu alte procedee PVD sau CVD, cum ar fi: imbunatatirea uniformitatii straturilor subtiri, depunerea unor materiale refractare, depunerea unor filme izolatoare, tinte de dimensiuni foarte mici, depuneri fine, fara microparticule ca în cazul depunerilor în arc.

3 Construirea oricarui dispozitiv mecanic complicat nu necesita numai prelucrarea componentelor individuale dar si ansamblarea componentelor pentru formarea setului complet. In microprelucrare, tehnici de imbinare sunt folosite pentru asamblarea partilor microprelucrate pentru a forma o structura completa. Imbinarea placutelor, cand este efectuata in conjuctura cu tehnici de microprelucrare, permite fabricarea structurilor tridimensionale mai groase decat o singura placuta. Mai multe tipuri de procese au fost create si dezvoltate pentru imbinarea placutelor de siliciu. Procesul Sol-Gel Acesta este un proces prin care nanoparticule solide dispersate dintr-o solutie lichida (sol) se aglomereaza formand o retea tridimensionala continua prin masa lichidului (gel). Metoda sol-gel implica o tehnica de producere a unui film anorganic subtire fara procesare in vid si ofera puritate si omogenitate ridicate a componentelor la nivel molecular. Metoda de depunere sol-gel ofera avantaje fata de alte tehnici datorita obtinerii unei mixari mai bune a precursorilor (nanoparticole ale diverselor substante solide din care se doreste constructia retelei tridimensionale finale), omogenitate, puritate de faza, control stoichiometric, procesare usoara si control asupra compozitiei. Tehnica sol-gel este una din cele mai promitatoare metode de sinteza si in momentul de fata este folosita extensiv pentru prepararea metal-oxizilor in straturi subtiri cat si in bulk (structuri masive) si formele monocristaline. In cazul metal-oxizilor avantajul principal este acuratetea ridicata cu care pot fi depusi pentru a schimba compozitia stoichiometrica deoarece precursorii sunt mixati la nivel molecular. Deci, in timp ce alte metode de depunere, cum ar fi ablatiunea laser, MOCVD si tratamentul hidro-termal, necesita multa munca, timp si costuri de instrumentatie ducand la un produs final cu cost ridicat, metoda sol-gel ofera un produs final relativ usor de realizat si ieftin. Exemplu practic: Un exemplu de aplicare a metodei pentru depunerea unui film subtire pe un substrat este explicat in continuare. Presupunem un substrat de siliciu platinizat sau un ceramic. Substratul este imersat in methanol si uscat cu gaz nitrogen pentru a indeparta orice particula de praf. Solutia precursoare (contine amestecul de precursori) este plasata intr-o cantitare mica, prestabilita, in centrul placii de substrat dupa care placa substrat este supusa unui proces de intindere prin rotire. Acesta se efectueaza folosind un spinner cu rotatia la o rata de aproximativ 3100rpm timp de 30s. Compozitia, cantitatea solutiei precursoare, rata de rotatie si timpul acesteia determina grosimea si calitatea filmului depus. Dupa intinderea pe substrat peste film este plasata o placa incinsa

4 timp de aproximativ 15 minute (functie de solutia precursoare) pentru a usca si piroliza substantele organice ale solutiei intinse. Pentru obtinerea unui film multistrat procesul poate fi reluat fiind necesara piroliza dupa fiecare process de intindere prin rotire pentru a asigura o buna cristalinitate si densitate a stratului colectiv. In final filmul unistrat sau multistrat este recopt la 700 C timp de o ora in aer. Temperatura si durata acesteia are un efect semnificativ in orientarea si proprietatile filmului. Imbinarea anodica (anodic bonding) Unirea (lipirea) anodica siliciu-siliciu este o tehnica de unire a doua parti de siliciu si a le izola in acelas timp printr-un strat de sticla depus prin pulverizare catodica. In figura 1 este prezentat echipamentul folosit pentru unirea anodica. Echipamentul este in principiu un element incalzitor cu un electrod capabil sa asigure o tensiune inalta prin structura ce urmeaza a fi imbinata. Sistemul poate controla automat temperatura si tensiunea de alimentare in timpul procesului de imbinare. Imbinarea se face de obicei intre doua bucati de siliciu, una superioara alta inferioara, la nivelul suprafetelor de contact dorite. Dupa curatarea si polizarea suprafetelor ce vor fi supuse imbinarii, pe una din suprafete este depusa initial un film subtire (cativa microni) de sticla prin procedeul de pulverizare catodica. In literatura de specialitate corpul de siliciu a carei suprafata de contact la imbinare a fost filmata cu sticla este referita ca fiind parte superioara, iar celalalt corp de siliciu ca fiind parte inferioara. Astfel partea supeioara este plasata deasupra partii inferioare, iar ansamblul plasat intre electrod si placa de aluminiu a dispozitivului. Un exemplu elocvent se poate observa in figura 2. Cele doua parti sudate impreuna prin lipire anodica la temperaturi sub 400 C cu un voltaj de curent continuu de 50 pana la 200 V. Electrodul negativ este conectat la partea superioara (cea filmata cu sticla pe suprafata de imbinare). Tensiunea trebuie aplicata un timp cat sa permita stabilizarea unui curent electric de nivel minimizat. Tipic imbinarea dureaza intre 10 si 20 de minute. Procesul de lipire se petrece de obicei in aer liber la presiunea atmosferica. Fig.1 Schema sectiune transversala a aparatului de lipire anodica

5 Fig.2 Partile superioara si inferioara intr-un proces de lipire anodica tipica Exemplu practic: Senzor de forfecare cu element mobil Obiectivul consta in a fabrica un senzor cu element mobil care consta dintr-o placa (120μm x 140μm) si patru pripoane (30μm x 10μm) asa cum se poate vedea in figura 3.a. Pripoanele au rol de suporturi mecanice pentru placa (elementul mobil) si ca rezistori in schema de transductie. Placa si pripoanele sunt fabricate dintr-un strat de siliciu usor dopat tip-n subtire de 5μm si sunt suspendate la 1.4μm deasupra suprafetei unui substrat de siliciu asa cum se poate vedea in figura 3.b. Intreaga structura este atasata la partea inferioara de siliciu doar prin pripoane utilizand un strat de SiO2 de 1.4μm. Fig.3 Privire din unghi (a) si sectiune transversala (b) a unui sensor cu element mobil bazat pe o placa rectangulara si patru pripoane

6 Decurgerea procesului: Fabricarea senzorului implica procesarea a doua placute din Si, una inferioara, numita si suport, si cea superioara (elementul mobil cu cu cei patru dinti ce vor deveni pripoane in urma lipirii acestora prin metoda anodica). Cele doua parti vor fi unite impreuna. Procesul are loc asa cum urmeaza : 1. Un strat de SiO2 de grosime 1.4μm este depus pe suprafata suport prin oxidare umeda la 950 C. Substratul de suport este tipic de 4, 10, 20 Ω cm siliciu tip-n (100). Folosind fotolitografia, oxidul de pe suprafata substratului suport este modelat ca in figura 4.a. Dispozitivul mobil este fabricat prin depunerea pe un substrat de siliciu a unui strat foarte subtire de sacrificiu puternic dopat p+ cu bor peste care se depune apoi un strat de siliciu epitaxial de grosime 5μm usor dopat tip-n (figura 4.a.). 2. Cele doua parti, superioara si inferioara, trec prin procesul de sudare anodica. Secventa de lipire include o precuratare de oxizi a celor doua parti, o hidratare a suprafetelor de imbinare cu o solutie 3:1 H2SO4 : H2O2 timp de 10 minute, o clatire cu apa deionizata, o uscare, punerea in contact fizic a celor doua suprafete de imbinare, si o calire la temperatura inalta (1000 C in O2 uscat) timp de 70 de minute. Partea superioara este apoi subtiata intr-o solutie KOH : O2 (20 procente KOH din greutate la 57 C) pana se ajunge la o grosime de 40μm. O solutie de CsOH:H2O (60 procente din greutate la 60 C) este folosita apoi pentru a opri procesul de corodare la stratul p+, din cauza caracteristicilor bune anti-corozive in contact cu siliciul puternic dopat cu bor in comparatie cu KOH. Stratul p+ este indepartat secvential utilizand o solutie 8:3:1 CH3COOH : HNO3 coroziv lichid. O pata maronie, indicand siliciu poros, rezultata de la coroziv este indepartata utilizand o solutie mixtura 97:3 HNO3 : HF pentru aproximativ 15 secunde lasand astfel stratul de siliciu epitaxial (Si epi) de 5μm lipit de oxidul modelat pe stratul support (fig. 4.b). 3. Un implant mascat urmat de o calire la 850 C in mediu cu O2 uscat sunt efectuate pentru un contact ohmic mai bun. Dupa calirea implantului se depoziteaza un strat de Al gros de 500nm prin bombardare cu electroni, modelat si sinterizat in mediu cu N2 la 375 C pentru 30 de minute (figura 4.c). 4. Un strat subtire de siliciu amorph (grosime 500nm) este depus prin depunere fortata cu plasma in vapori chimici (plasma-enhanced chemical vapour deposition PECVD) peste dispozitiv pentru a proteja stratul de Al in continuarea procesului. Apoi se depune tot prin PECVD un strat de oxid gros de 1μm si este modelat folosind o plasma gravura CF4/CHF3/He. Acest oxid va actiona ca o masca de corodare a santului din siliciu folosit sa defineasca conturul elementului mobil. Oxidul este gravat prin plasma si resistul este indepartat secvential (fig. 4.d). 5. O plasma coroziva pe baza de CCI4 este utilizata pentru corodarea santului delimitator in siliciu. O alta solutie BOE este folosita pentru corodarea oxidului PECVD ramas in urma procesului de formare a santului, astfel completand fabricarea elementului mobil. Contacte electrice sunt executate patrunzand prin stratul de siliciu amorph pana la stratul de Al, fie prin sondare mecanica fie prin lipire cu ultrasonice. Senzorul final este aratat in figura 4.e.

7 Fig. 4 Pasii procesului de fabricare a senzorului mobil aratat in figura 3

8 Silicon fusion bonding Silicon fusion bonding (SFB) este imbinarea a două placi de siliciu fara utilizarea adezivilor intermediari la temperatura camerei intr-o atmosfera ambianta, urmata de o etapa de recoacere la temperatura ridicata. Aceasta tehnologie a fost utilizata pe scara larga in fabricarea dispozitivelor de siliciu pe izolator, a dispozitivelor de alimentare cu siliciu, a senzorilor si a dispozitivelor de actionare precum si a sistemelor microelectromecanice. Pe scara larga, atat planeitatea macroscopica a suprafetei, cat si rugozitatea microscopica a suprafetei sunt esentiale pentru o lipire reusita a plachetelor. Placile de siliciu bine lustruite disponibile pe piata, cu sau fara un strat de oxid ingropat sau straturi epitaxiale bine dezvoltate, avand o variatie a planeitatii pot fi usor legate intr-un mediu curat. Deformarea plachetelor in timpul SFB este prezentata grafic în figura 5. Fig 5. Procesul de lipire pe bază de siliciu care arată deformarea plăcilor de siliciu Metoda pulverizarii Pulverizarea este metoda de depunere a straturilor subtiri in vid, in care materialul de depunere sub forma de atomi neutri sau grupari de atomi neutri, cu energii cuprinse intre 10 ev și 40eV, este obținut prin pulverizarea în vid a unui material de depunere, aflat în stare solida.

9 Metoda de depunere a chimicalelor la vaporii la presiune scazuta Este o metoda de depunere a straturilor subtiri în vid, la care materialul de depunere aflat la temperatura inalta sub forma de compusi gazosi (vapori), reactioneaza cu substratul incalzit si se depune selectiv pe aceasta.