8/12/2019 Curs SMMN

1/95

8/12/2019 Curs SMMN

2/95

2

ABRAVIERI

AFM - microscop de fore atomice

COP amestec de polimetacrilat de glicid i acrilat de etilCVD -depunere chimic din stare de vaporiECR - rezonana ciclotronic a electronilorEEM - prelucrare elastic prin emisie IBACE - corodarea chimic asistat de fascicul ionic (IC - circuite integrate (LCVD - depunere chimic din stare de vapori, indus de laserLPCVD - depunere chimic din stare de vapori, la presiune joasMNS -micro i nanosisteme

MW-PECVD - depunere chimic din stare de vapori, asistat de plasm generatcu microundePBS - polisulfona de buten-1PE - corodare n plasmPECVD - depunere chimic din stare de vapori, stimulat cu plasmPMMA - polimetacrilatul de metilRF - radiofrecvenRIBE - corodarea cu fascicul de ioni reactiviRIE - corodare cu ioni reactiviRIE - corodarea cu ioni reactiviSEM - microscopie electronic cu baleiajSTM - microscopie prin baleiaj cu efect tunelTEM - microscopie electronic prin transmisieTEOS -tetraetilortosilicatTMNS -tehnologia micro i nanosistemelor

8/12/2019 Curs SMMN

3/95

3

CUPRINS

1. INTRODUCERE..5 1.1. Structura micro i nanosistemelor..6 1.2. Tehici TMNS..8 1.2.1. Micro i nanotehnici.8 1.2.2. Tehnici de sistem..10 1.2.3. Materiale i efecte10 1.3. Activiti TMNS n lume112. STRATURI SUBIRI DIN COMPONENA STRUCTURILOR MICROMECANICE...12 2.1. Depunerea chimic din vapori a bioxidului de siliciu dopat/nedopat16 2.2. Depunerea chimic din vapori a nitrurii de siliciu.19 2.3. Depunerea chimic din stare de vapori a siliciului policristalin20 2.4. Depunerea chimic din vapori a diamantului sintetic21 2.5. Homo i heteroepitaxia...23 2.6. Oxidarea termic24 2.7. Pulverizarea24 2.8. Implantarea ionic..25 2.9. Evaporare termic n vid27 2.10. Depunere autocatalitic28

2.11. Polimerizare n plasm.29 2.12. Controlul straturilor subiri..303. PROCESE TIPICE DE PRODUCERE A STRUCTURILOR MICROMECANICE..31 3.1. Litografia31 3.2. Reziti.33 3.3. Fotolitografia..34 3.3.1. Tehnologia procesului fotolitografic34 3.3.2. Fotomti..35 3.3.3. Tehnici de expunere.35 3.4. Electronolitografia..35 3.4.1. Principiul procesului.36 3.4.2. Electronoreziti.37 3.4.3. Tehnici de expunere.38 3.4.4. Efectul de proximitate..38 3.5. Rntgenolitografia..40 3.5.1. Principiul procesului.40 3.5.2. Reziti pentru raze X41 3.6. Ionolitografia..41 3.7. Tehnici de corodare42 3.7.1. Corodarea chimic n soluie42 3.7.2. Corodarea uscat..44 3.8. Doparea..46 3.9. Tehnica lift-off...46 3.10. Microprelucrarea de suprafa i n volum...48 3.10.1. Microprelucrarea n volum.48

8/12/2019 Curs SMMN

4/95

4

3.10.2. Microprelucrarea de suprafa50 3.11. Procedeul LIGA...52 3.11.1. Descrierea procedeului pentru structuri spaiale 2 1/2D i 3 D.52 3.11.2. Masca pentru radiaie X sincrotronic54 3.11.3. Depunerea galvanic pentru obinerea microstructurilor...57

3.11.4. Celula de microgalvanizare58 3.11.5. Microinjectarea...59 3.11.6. Aplicaii ale procedeului LIGA..594. METODE DE PRELUCRARE CU UNITI DE PRELUCRARE ATOM CU ATOMI CLUSTERI DE ATOMI..67 4.1. Prelucrarea cu microscopul cu efect tunel cu baleiaj (stm)............................................73 4.2. Formarea cu fascicul ionic.............................................................................................745. PROCESAREA NANOFIZIC A UNITILOR ATOMICE..79 5.1. Evaporarea n cmp electric a atomilor specificai........................................................79 5.2. Procesarea cu fascicul de fotoni dirijat...........................................................................79 5.3. Procesarea cu fascicul electronic dirijat.........................................................................82 5.4. Procesarea cu fascicul ionic dirijat.................................................................................84 5.4.1. Formarea cu fascicul de fotoni sau laser..................................................................86 5.4.2. Procesele de ndeprtare a materialului....................................................................88 5.4.3. Formarea bi- sau tridimensional.............................................................................89 5.4.4. Formarea cu fascicul de electroni.............................................................................90 5.4.5. Procesul de ndeprtare a materialului-mecanism....................................................91 5.5. Procesarea suprafeei cu plasm.....................................................................................93 5.6. Procesarea suprafeei cu fascicul molecular...................................................................94

8/12/2019 Curs SMMN

5/95

5

1. INTRODUCERE

n ultimii ani, tehnologia micro i nanosistemelor (TMNS) a devenit o sursimportant pentru senzori, actuatori i module de control general. Pn n prezentnu exist o definiie general acceptat pentru aceast tehnologie. Marea majoritatea cercetrilor din domeniu descriu un microsistem ca integrarea senzorilorminiaturizai i a unitilor de actuatori i de procesare a semnalelor ntr-un sistem

complex capabil s simt, s decid i s reacioneze. TMNS poate fi definit caintegrarea funcional a unor elemente mecanice, electronice, optice i a altorelemente funcionale, folosind tehnici speciale.

Scopul acestei tehnologii este fabricarea cip-urilor inteligente, monoliticesau integrate capabile s simt (cu senzori), s planifice, s ia decizii (uniti de procesare a semnalului) i s acioneze (cu actuatori). n comparaie cu sistemeleconvenionale aceste microsisteme de nalt siguran ofer utilizatorului funciunianterior de nebnuit. Figura 1.1 prezint n linii mari modul n care este structuratTMNS. Aceasta ofer nenumrate aplicaii practice. De exemplu, ntregul domeniual roboticii ar putea fi revoluionat prin dezvoltarea actuatorilor i a senzorilorsuperminiaturizai.

De asemenea, nu exist nici un consens general privind dimensiunilemicrosistemelor sau nanosistemelor. De exemplu, unii cercettori se refer la unmicrosistem ca avnd dimensiuni de civa centimetri, alii consider c numaiacele sisteme cu dimensiuni de ordinul micrometrilor pot fi numite microsisteme.Printr-un compromis putem defini un micro sau nanosistem ca fiind un sistem ncare sunt realizate ct mai multe funcii ntr-un spaiu foarte mic i care conine cel puin o component micro sau nanomecanic.

Unul din scopurile principale ale TMNS este s creeze copii tehnice alefiinelor din lumea noastr. De exemplu, cercettorii de la Toyota se concentreazasupra reproducerii funcionalitii unui nar un microsistem natural care cautcelulele sanguine folosind senzori, neap pielea i extrage i pompeaz sngele.Teoretic, un astfel de dispozitiv ar putea fi folosit ca un microaparat pentrudiagnosticarea sngelui. n viitor nanotehnologia va ncerca s realizeze dispozitive(sisteme) chiar mai mici i s construiasc sisteme electronice i mecanice atom cuatom. ntr-o zi, nanodispozitivele vor controla manipulatori, actuatori i senzori.De exemplu, imagineaz nanoroboi invizibili care acioneaz n tapieria unuifotoliu controlat pneumatic pentru ca acesta s ia forma proprietarului, sau ntr-o

alt aplicaie, asemenea nanoroboi sunt trimii prin jetul unui spray de gur sndeprteze tartrul dentar.

8/12/2019 Curs SMMN

6/95

6

TEHNOLOGIA MICRO I NANOSISTEMELOR

Figura 1.1. Prezentare general a TMNS (tehnologia micro i nanosistemelor).

Numeroase inovaii tehnice i economice sunt din ce n ce mai influenate deTMNS va juca un rol decisiv pentru competitivitatea industriei n mai multedomenii, ca: medicin, biotehnologie, tehnologia mediului, produse pentruautomobile, instalaii.

Multe micro i nanocomponente, pot fi deja realizate pentru aplicaiispecifice, dar ele sunt foarte scumpe. Acestea vor putea nlocui sistemeleconvenionale cnd vor fi disponibile la preuri de cost mai sczute. Totui, acestlucru nu se va ntmpla pn cnd ele nu vor fi produse n mas i vor fidisponibile n cantiti ridicate, ceea ce, pe de alt parte, presupune largi piee dedesfacere. Aceasta necesit gsirea de tehnici micro i nanomecanice speciale, n principal a celor bazate pe siliciu. Cu aceste tehnici, care permit producerea maimultor componente identice n acelai timp pe un cip (proces de lot), va fi posibilscderea preului de cost pentru fiecare element singular.

1.1. Structura micro i nanosistemelor

Un asemenea sistem complet ar trebui s detecteze, proceseze i evalueze

semnale externe, ar trebui s ia decizii bazndu-se pe informaia obinut i n finals transforme aceste decizii n comenzi de acionare corespunztoare. Micro inanosistemul (MNS) poate executa n acest caz manipulri condiionate de

TEHNICI DESISTEM

MICRO I NANOTEHNICI

MATERIALE IEFECTE

SENZORIINTEGRA-BILI

ACTUATORIINTEGRA-BILI

MICRO I NANOSISTEM

COMPONENTE DEPROCESARE ASEMNALULUI

INGINERIA

PROCESELORTEHNOLOGIE

MEDICAL

TEHNOLOGIA MEDIULUI

I DESECURITATE

ROBOTIC

TEHNOLOGIA

BUNURILORCASNICE IDE BIROU

8/12/2019 Curs SMMN

7/95

7

anumite sarcini. Principalele componente ale unui asemenea sistem sunt prezentaten figura 1.2.

Figura 1.2.Componentele unei uniti a microsistemului.

Senzorii individuali, care formeaz un modul senzor, nu mai suntcompensai fiecare n parte, ci pot fi produi n mas pe un substrat mic cu costuride producie relativ joase. Mai muli micro i nanosenzori pot fi integrai mpreun pentru a forma o matrice de senzori. Acest lucru mrete considerabil fiabilitateasistemului i o defectare a unuia dintre senzori nu mai este o problem critic. Deasemenea, domeniul de msur poate fi proiectat n mod optim. Dependent deaplicaie, aceti senzori pot folosi principii mecanice, termice, magnetice, chimicesau biologice.

Actuatorii sunt componentele active ale micro i nanosistemului care permitacestuia s reacioneze la un stimul. Ei sunt mici motoare, pompe, valve, cleti,ntreruptoare, relee i actuatori speciali de sistem, care n mod obinuit sunt

INTERFEE CU PROCESUL IALTE SISTEME

PROCESAREASEMNALULUI

MICRI I NANOSENZOR

MICROACTUATOR MICROSENZOR

MICROACTUATOR MICROSENZOR

COMPONENTEELECTRONICE DE

PUTERECONVERSIE A/D

CONVERSIE D/A

MICRO I NANOACTUATOR

PROCESAREA INFORMAIEI ICONTROLUL SISTEMULUI

8/12/2019 Curs SMMN

8/95

8

produi micro i nanomecanici. n comparaie cu miniaturizarea actuatorilor,miniaturizarea senzorilor este destul de avansat. Marea majoritate a micro inano-produselor aflate azi la ndemn sunt senzori.

Multe dintre problemele nerezolvate ale TMNS sunt legate de interfee.Micro i nanosistemele trebuie s menin contactul cu mediul nconjurtor pentru

a fi capabile s schimbe energie, informaie i substan cu alte sisteme.Posibilitatea de realizare i vnzare a micro i nanosistemelor viitorul depinde nmare msur de dezvoltarea interfeelor practice micro-macro. Pn acum, celemai avansate sunt interfeele electrice pentru transmiterea informaiei i a energiei.Sunt studiate diverse posibiliti de realizare a interfeelor de natur optic, termici acustic. Pn la ora actual numai substanele pot fi transportate folosindmetode microfluidice. Exemple de acest fel sunt eliberarea de medicamente nsisteme de transport al medicamentelor sau aspirarea materialului organic naplicaii medicale.

Convertorii A/D i D/A fac parte adesea dintr-o interfa electric. Ei permitconversia semnalelor senzoriale analoge pentru procesarea digital i controlulactuatorilor analogi folosind comenzi de control digital care sunt generate de unmicrocontroler. ntr-un MNS structurat descentralizat, convertorii A/D i D/A potfi integrai direct pe cip-ul micro sau nanosenzor sau nanoactuator.

Componentele electronice de putere sunt eseniale pentru aproape oriceMNS; ele determin adesea probleme de natur termic sau electromagnetic. Deaceste probleme trebuie inut seama nc din faza de proiectare a sistemului.

1.2. Tehici TMNS

Micro i nanosistemele (MNS) pot fi proiectate cu tehnici speciale folosindmateriale i efecte fizice potrivite. Au fost elaborate tehnici i metode variate careadesea pot fi folosite n legtur cu altele (figura 1.3.).

1.2.1. Micro i nanotehnici- Tehnici de depunere de straturi : Metode de producere de straturi din diferitemateriale pe suprafaa unui substrat. Dependent de metoda de depunere, grosimeastratului poate varia de la cteva sute de microni pn la civa nanometri.- Micro i nanomecanica : Aceast tehnic cuprinde, n general, toate metodelede structurare tridimensional a solidelor, cu cel puin o dimensiune n domeniulmicro i nanometrilor. Materialele utilizate includ siliciul monocristalin, polisiliciul, metalele, materialele plastice i sticla.- Optica integrat : Definete tehnica pentru dezvoltarea i producerea decomponente optice planare miniaturizate, cum ar fi: modulatori, ntreruptoareoptice, opto-cuptoare etc. Scopul este integrarea tuturor componentelor opticeenumerate pe un singur substrat, cum ar fi sticla, un material semiconductor sau

niobatul de litiu.- Fibrele optice : Folosite pentru transmisia semnalelor optice prin mediiconductoare de lumin. Principalele aplicaii ale fibrelor optice sunt n primul

8/12/2019 Curs SMMN

9/95

9

rnd, tehnologia de comunicare, folosind un transfer de semnal aproape lipsit dezgomot i n al doilea rnd, tehnologia de detectare a modificrilor unui semnalluminos pentru a determina diferii parametri fizici, chimici i biochimici.

Figura 1.3. Tehnici fundamentale TMNS.

- Micro i nanooptica : Aceast tehnic se ocup cu proiectarea i producerea deelemente miniaturizate pentru procesarea imaginii optice cum ar fi: oglinzi, lentile,filtre optice etc. care sunt necesare n microsisteme hibride cu funcii optice.

TEHNICI TMNS

TEHNICI DESISTEM

MICRO I NANOTEHNICI

MATERIALE IEFECTE

CONCEPTE DESISTEM

PROCESAREASEMNALULUI I A

INFORMAIEI

PROIECTAREA ISIMULAREA

SISTEMULUI

DIAGNOSTICAREAI TESTAREASISTEMULUI

TEHNOLOGIE DEINTERCONECTARE

TEHNOLOGIE DENCAPSULARE

STANDARDIZARE

CMPURIELECTROMAGNETICE

MICRO I NANOMECANIC

MICRO I NANOELECTRO

NIC

OPTICINTEGRAT I

MICRO I NANOOPTIC

FIBRE OPTICE

MICRO I NANOMODELARE

MICRO I NANOFLUIDE

METALE, POLIMERI,CERAMIC, STICL,

CUAR ETC.

FOREELECTROSTATICE

EFECTPIEZOELECTRIC

TEHNICI DEDEPUNERE DE

STRATURI

MAGNETO IELECTROSTRIC IUNI

EFECTUL DEREMANEN

EFECTE BIOLOGICEI CHIMICE

8/12/2019 Curs SMMN

10/95

10

- Micro i nanomodelarea : Include modelarea din pulbere plastic i metalic.- Micro i nanohidromecanica : Tehnic pentru dezvoltarea i producereaelementelor hidraulice pentru diverse aplicaii. Ele au performane ridicate, nu seuzeaz i sunt relativ rezistente la poluanii din mediile de curgere.

1.2.2. Tehnici de sistem- Conceptul sistemului : Definete conceptele de arhitectur i interfa alemicrosistemlui pentru diferitele tehnici ale TMNS.- Procesarea semnalului i a informaiei : Descrie primirea i procesareasemnalelor senzoriale electrice primare, execuia algoritmilor, transformareainformaiei de ieire n semnale de control. Aceasta se refer, de asemenea, lamanagementul stocrii i recuperrii datelor.- Instrumentele de proiectare i simulare . Instrumentele pentru analiza,simularea i proiectarea MNS pe calculator.

-

Testarea i diagnosticarea MNS : Metode i instrumente pentru testareafuncionrii MNS.- Tehnologia de interconectare : Se ocup de operaiile tehnologice necesare pentru integrarea fizic a componentelor ntr-un spaiu restrns.- Tehnica de ncapsulare : Proiectarea ncapsulrii unui MNS, care este, deobicei, o component esenial a sistemului i poate influena ntreaga funcionarei mrime a acestuia.

1.2.3. Materiale i efecte- Standardizarea : Ca i multe alte ramuri ale industriei, standardizarea estefoarte important pentru dezvoltarea MNS. Adesea, ea poate conduce la succesuleconomic al rezultatului unei cercetri.- Materiale i efecte biologice : n general, folosite n biosenzori pentru a msuraselectiv concentraiile de substane n fluide i pentru a determina parametrii biologici, cum ar fi toxicitatea i efectul alergenelor.- Materiale i efecte chimice : Folosite aproape exclusiv n senzorii chimici.Aceti senzori pot detecta o component specific ntr-o substan strin, precumi concentraia ei n aceast substan.- Efectul piezoelectric : Schimbarea geometriei (dimensiunilor) unui piezocristalatunci cnd i se aplic o tensiune electric. Acest efect este folosit la actuatori.- Fora electrostatic : Apare ntre dou plci metalice paralele atunci cnd esteaplicat ntre ele o tensiune electric.- Cmpul electromagnetic : Generat atunci cnd curentul se deplaseaz printr-unconductor sau bobin. Acest efect este folosit adesea la actuatori magnetici.- Efectul magneto i electrostrictiv : Magnetostriciunea (electrostriciunea) estedeformarea unui material feromagnetic (feroelectric) sub influena unui cmpmagnetic (electric).- Efectul de memorie a formei : descrie proprietatea unui aliaj cu memorie a

formei. Dac sub o anumit temperatur aliajul se deformeaz permanent atuncicnd este nclzit peste respectiva temperatur, aliajul i amintete forma originari se ntoarce la aceasta.

8/12/2019 Curs SMMN

11/95

11

1.3. Activiti TMNS n lume

Toate rile industrializate au recunoscut semnificaia major a TMNS. n

Germania, Japonia i Statele Unite au fost implementate multe programe TMNS,dar elurile individuale ale acestor ri sunt foarte diferite. n 1991, n ntreaga lumeaproximativ 300 de companii i institute lucrau activ n proiecte TMNS. Acumacest numr a fost depit de cteva ori, deoarece multe institute academice i decercetare precum i companii din Europa s-au alturat diverselor activiti TMNS.n 1995 mai mult de 8000 de companii au participat la dezvoltarea i producerea de produse TMNS. Alte 11000 doresc s nceap n urmtorii civa ani. Mareamajoritate a proiectelor TMNS (innd seama de numrul institutelor icompaniilor participante) se desfoar n Statele Unite urmate de Japonia i

Germania. Volumul de vnzri pe piaa mondial a produselor TMNS i a produselor bazate pe aceast tehnologie este de peste 1 miliard de milioane dedolari.

8/12/2019 Curs SMMN

12/95

12

2. STRATURI SUBIRI DIN COMPONENA STRUCTURILORMICROMECANICE

Cum siliciul i compuii si sunt materiale ideale pentru fabricareadispozitivelor semiconductoare, ele au nceput s fie folosite i n micromecanic.Folosind metode din microelectronic au putut fi fabricate numai componente bidimensionale, de aceea au fost dezvoltate alte tehnologii pentru structurarea

tridimensional; aceste tehnologii vor fi prezentate n continuare.Puine materiale au n acelai timp proprieti electrice i mecanice bune;multe microcomponente cer, ns, ndeplinirea ambelor proprieti. Siliciulndeplinete aceste cerine mai bine ca oricare alt material, la modul aproape ideali este foarte potrivit pentru fabricarea componentelor TMNS. Proprietilesiliciului au fost deja pe larg cercetate i de zeci de ani siliciul este folosit pentru producia de mas a circuitelor semiconductoare, fcnd posibil realizarea unor produse complexe foarte puternice aa cum ar fi procesoarele cu peste 3 milioanede componente.

Proprietile fizice ale siliciului permit realizarea unei largi varieti deelemente senzoriale bazate pe efecte termice, magnetice sau optice. De asemenea, proprietile mecanice ale monocristalului de siliciu permit realizarea unei structuriminiaturizate de precizie, rezistente. O structur cristalin perfect asigurreproducerea exact a dimensiunilor, ceea ce este adesea imposibil atunci cnd sefolosesc metode de prelucrare mecanic precise. Monocristalele pot fi crescute subform de bar prin metode bine controlate. Barele sunt apoi tiate n plachete, caresunt lustruite i procesate micromecanic. Elasticitatea siliciului este comparabil cucea a oelului dar datorit densitii joase a siliciului, de 2,3 kg/dm3, este mai taredect oelul.

Unii compui ai siliciului, aa cum ar fi nitrura de siliciu i, n special,dioxidul de siliciu, prezint proprieti fizice i chimice care sunt excelente pentrumicroprelucrarea suprafeelor.

Structurile de siliciu sunt, de asemenea, folosite n microactuatori. Cu toateacestea, principiile de dezvoltare ale TMNS solicit adesea alte materiale Cr, Ge,Al, Silan.

Deoarece aceleai metode de fabricaie pe siliciu pot fi folosite pentrucomponente electronice i mecanice, se pot realiza senzori de siliciu care aucircuitul electronic i microactuatorul integrate mpreun, pentru a forma un sistem

complet pe acelai substrat de siliciu. Aceast proiectare monolitic face posibilfabricarea unor dispozitive mici, uoare, la costuri sczute i cu fiabilitate ridicat.Integrarea unei varieti de elemente funcionale pe siliciu poate fi realizat, de

8/12/2019 Curs SMMN

13/95

13

asemenea, prin folosirea unor tehnici hibride avansate. Fabricarea microsistemuluintr-o manier monolitic sau hibrid depinde de disponibilitatea tehnologiei demicrosistem i de costurile de producie implicate.

Plachetele de siliciu constituie substratul pentru majoritatea structurilormicromecanice.

Siliciul necesar pentru realizarea structurilor micromecanice trebuie sndeplineasc urmtoarele condiii:- puritate foarte nalt (10-9 10-10 coninutul de impuriti naturale, adic unatom de corp strin la mai mult de 1 miliard atomi de siliciu);- structur monocristalin.

n natur siliciul se gsete cu precdere sub form de bioxid de siliciu.Cuarita, o form relativ pur a bioxidului de siliciu, este redus prin topire ncombinaie cu crbunele la siliciul metalurgic, avnd o puritate de cca. 98%.Acesta este pulverizat i combinat cu acid clorhidric gazos,fiind obinut o

halogenur-triclorsilan (SiHCl3) care este purificat prin distilri succesive.Siliciul de puritate electronic rezult din triclorsilan printr-un proces de depunerechimic din faz gazoas, ntr-o atmosfer de hidrogen foarte pur, pe suprafaaunei bare de siliciu de mare puritate. Din acest material policristalin se obinesiliciul monocristalin prin tragere (cretere) din topitur (metoda Czochralski ceamai rspndit pentru obinerea siliciului utilizat n micromecanic) sau prin topire(flotare) zonar (metoda Float Zone bazat pe controlul formei unei regiunitopite a lingoului de siliciu policristalin de ctre tensiunea superficial n cmpulcreat prin inducie de radiofrecven).

Rezultatul este un lingou de siliciu monocristalin cu proprieti mecanice(diametru, suprafa), fizice (perfeciune cristalin, rezistivitate) i chimice(coninutul de oxigen, carbon i metale grele) perfect controlate. El reprezintsemifabricatul de la care ncepe procesul de prelucrare a plachetelor de siliciu.Acesta const din urmtoarele operaii:- lefuire cilindric exterioar (de rotunjire) monocristal la diametrul necesar,realizat pe principiul rectificrii cilindrice exterioare cu sau fr materializareacentrelor i folosind ca scul un disc diamantat. n cazul transportului i manevrriiautomate ale plachetelor, tolerana la diametrul prelucrat este limitat la

m5,1T .- Prelucrarea , n lungul cilindrului obinut,a uneia sau mai multor teituri (tieturi secante sau flats) plasate la un unghi bine determinat fa de anumite plane cristalografice de interes funcional. Tietura principal (mai mare) are roltehnologic de orientare mecanic a plachetelor, cu sisteme automate, ndispozitivele de lucru. Tieturile secundare servesc la identificarea vizual rapid aorientrii cristalografice i tipului de conductibilitate ale materialului. Prelucrareaeste o lefuire plan realizat cu o scul diamantat, pe principiul rectificriisuprafeelor plane. Operaia de lefuire a esuturilor este intercalat cu operaii decontrol al poziiei fa de reeaua cristalin (control realizat prin difracieelectronic) i de orientare n dispozitivul de prindere, cu care, apoi bara dematerial este montat pe masa mainii. Tolerana la limea esuturilor este limitat

8/12/2019 Curs SMMN

14/95

14

la m5,1Tl , iar pe conturul semifabricatului lefuit nu sunt admise sprturi imicroondulaii.- Tierea lingoului de siliciu (debitare) n plachete cu ajutorul unui discdiamantat. Lingoul este blocat cu rin epoxidic pe un suport plan de grafit,material preferat datorit avantajelor sale: uor i precis de prelucrat mecanic,

coeficient mic de dilatare termic. n timpul tierii, orientarea cristalografic asuprafeei plachetelor este monitorizat cu un sistem cu raze X. lingoul i sculasunt rcite cu jet de ap, att pentru a mpiedica supranclzirea local, ct i pentrua ndeprta reziduurile rezultate n urma tierii.- Desprinderea plachetelor de pe suportul de grafit sub jet de ap cald indeprtarea urmelor de rin prin degresare-decapare. Plachetele, introduse ncoulee de propilen, sunt imersate n bi succesive, cu urmtorul coninut:

- detergent cald ultrasonat; urmeaz o splare cu jet de ap cald;- amestec sulfocromic (acid sulfuric + anhidrid cromic) la 80C; urmeaz

o splare cu ap deionizat;- acid azotic ultrasonat; urmeaz o splare cu ap deionizat;- alcool; urmeaz uscarea n vapori de freon.nainte de a se trece la urmtoarea operaie de prelucrare mecanic, este

realizat o selecie a plachetelor, respectiv clasarea lor pe grosimi abateri nintervalul 10 m.- lefuirea plan-paralel , realizat pe principiul lepuirii plane mecanice.Operaia are drept scop: reducerea grosimii pn la valoarea dorit i ncadrarea eintr-o anumit toleran, ndeprtarea stratului ecruisat n timpul tierii, obinerea paralelismului dintre suprafeele plachetei i a unei planiti uniforme a acestora nlimitele 3 5 m, asigurarea acurateei suprafeelor (eliminarea defectelor desuprafa zgrieturi ce ar reprezenta imperfeciuni nedorite n placheta desiliciu). Pentru obinerea plan-paralelismului, plachetele sunt prelucrate simultancu dou scule, tip platan, iar construcia mainii trebuie s asigure poziia reciproccorect dintre ele. Mainile cu ciclu de lucru automat sunt prevzute cu undispozitiv de control activ al dimensiunii prelucrate (grosimea necesar a plachetelor).

Prelucrarea este realizat n mai multe etape, n funcie de granulaia icalitatea materialului abraziv (carbur de siliciu 4016 m pentru primele treceri,electrocorund 810 m pentru ultimele treceri), concentraia acestuia n suspensiade lucru (ulei, ap deionizat), viteza relativ scul-piese i presiunea aplicat.- lefuirea contur , respectiv profilarea (rotunjirea) marginii plachetelor pe ntregconturul, operaie necesar din urmtoarele considerente:

- evitarea ciobirii n timpul proceselor de manevrare, transport i fabricaie,ciobiri generatoare de minuscule achii (praf) de siliciu care contamineazsuprafaa plachetelor degradnd-o i afectnd desfurarea proceselor termice, precum i sistemele de transport i dispozitivele de prindere (pensete cu vacuum)ale plachetelor, afectnd precizia de poziionare n timpul alinierii mtilor, laoperaia de expunere;- pe plachete cu margini neprofilate, fotorezistul tinde s acumuleze pecontur sub form de coroan, ceea ce duce la apariia unui interstiiu nedorit ntre

8/12/2019 Curs SMMN

15/95

15

mti i plachete la expunerea prin contact, la expunerea prin proiecie i proximitate, traductorii de poziionare vin n contact cu aceast coroan defotorezist, n locul suprafeei plane a plachetelor, ceea ce conduce la erori de poziionare;

- evitarea fenomenului nedorit de cretere n coroan pe conturul

plachetelor a straturilor epitaxiale.- cu un disc diamantat profilat dup negativul suprafeei prelucrate, cuurmrirea conturului plachetei;

- prin corodare chimic plachetele, introduse n casete speciale, suntantrenate cu ajutorul unor role n micare de rotaie pentru a lua contact cu agentulcorosiv; metoda are avantajul de a ndeprta tensiunile mecanice induse n zonaconturului de prelucrrile anterioare.- Plachetele lefuite sunt supuse unei operaii de degresare-decapare similarcelei anterioare, de data aceasta fr detergent.

nainte de a se trece la urmtoarea operaie este realizat o selecie a plachetelor, respectiv clasarea lor pe grosimi cu abateri n intervalul 3 m.- Corodare chimic . Operaia are drept scop ndeprtarea stratului de pesuprafeele i muchia plachetelor, deteriorat pe o adncime de civa m n urmalefuirii. Este folosit o soluie 4:1:3 HNO3 70% (agent reductor), HF 49% (agentoxidant) i CH3 COOH (acid acetic agent complexant sau stabilizator, cu rol de ampiedica formarea produilor de precipitare). Este realizat, apoi, o selecie a plachetelor, respectiv clasarea lor pe grosimi cu abateri de cel mult 1 m.- Polizare mecano-chimic , constnd din lustruirea unei fee a plachetelor(aceea pe care vor fi procesate microstructurile), astfel nct s rezulte o suprafaoptic polizat (oglind), foarte plan (n limita a 2 3 m) i paralel cusuprafaa de baz. Este utilizat un polizor de fetru. Plachetele sunt rcite cu ap pentru a asigura o temperatur constant de 20C. soluia de lucru este o suspensiede aproximativ 10% pudr foarte fin (100 ) de gel de silice n ap, n care seadaug o soluie de NaOH pn la obinerea unui pH=10,5 11,5. De pe suprafaa plachetelor este ndeprtat un adaos de prelucrare tipic de 25 m de siliciu.- Deblocarea plachetelor pe plit cald i ndeprtarea impuritilor rmasedup operaia de polizare.

naintea oricrei operaii, plachetele de siliciu trebuie curate chimic pentrua ndeprta contaminanii organici i anorganici ajuni pe suprafaa lor n timpul proceselor anterioare sau pe parcursul manipulrii. Dac plachetele au fost severcontaminate organic (de exemplu cu acizi grai prin atingerea accidental cumna), nainte de curirea obinuit (standard) ele trebuie degresate prin fierberen tricloretilen i apoi aceton. Particulele existente pe plachete pot fi ndeprtate prin periere sau atingere ultrasonic.- Curirile chimice standard se execut prin imersie sau sub jet.

Dup polizare plachetele sunt curate chimic n bi succesive cutricloretilen cald i rece, alcool, acid sulfuric, acid fluorhidric, amestec

sulfocromic la 80C, acid azotic ultrasonat. ntre aceste etape, precum i n finalul procesului de curire, plachetele de siliciu se cltesc abundent n ap deionizat derezistivitate nalt, n bi (cascade) succesive. Ultima cltire se execut mai nti

8/12/2019 Curs SMMN

16/95

16

n baie i apoi n centrifuga de cltire-uscare, cu ap deionizat, urmat de uscarecu azot cald. Eficiena cltirilor este mult mbuntit dac apa deionizat estenclzit la 30 - 45C, deoarece, solubilitatea majoritii contaminanilor crete decteva ori prin creterea temperaturii apei fa de domeniul uzual 20 - 25C. n niciun moment pe parcursul procesului de curire, plachetele nu trebuie lsate s se

usuce, deoarece chiar apa de cea mai nalt puritate conine particulesubmicrometrice, care risc s adere la suprafaa plachetelor i s nu mai poat findeprtate n etapele urmtoare de curire. ntr-o alt variant de curire final, plachetele splate n ap deionizat ultrasonat, sunt trecute prin bi succesive dealcool metilic pentru ndeprtarea apei i apoi, uscate n vapori de freon.

Plachetele lustruite i curate chimic sunt controlate, acoperite cu un stratsubire protector de SiO2 crescut prin oxidare termic i ambalate sub vid.

2.1. Depunerea chimic din vapori a bioxidului de siliciu dopat/nedopatStraturile de SiO2 depuse chimic din stare de vapori (CVD Chemical

Vapour Deposition) prezint cteva avantaje importante: posibilitatea obineriiunor grosimi mai mari (de interes n tehnica stratului de sacrificiu), la temperaturimai joase i n timpi mai scuri, fr consumarea substratului de siliciu i frafectarea semnificativ a distribuiei impuritilor de la suprafaa acestuia ca ncazul oxidrii termice, precum i posibilitatea formrii lor peste alte materialedect siliciul, ca de exemplu metale.

Straturile de SiO2 pot fi depuse prin mai multe metode, difereniate dupintervalul de temperaturi, gazele, reaciile utilizate i presiunea de lucru (presiuneatmosferic sau presiune joas). Alegerea unei anumite metode se face n funciede proprietile cerute stratului respectiv: oxizii destinai izolrii altor straturi, pasivrii i proteciei dispozitivelor sunt depui uzual la temperaturi joase (300 -500C) sau medii (500 - 800C) i sunt densificai prin tratament termic ulterior:straturile de SiO2 utilizate exclusiv ca masc de difuziune, de implantare ionic, decorodare selectiv a altui strat sau ca strat de oprire a corodrii chimice sunt depusela temperaturi nalte (800 - 1100C).

Pentru depunerea la temperaturi joase, straturile sunt formate prin reaciasilanului cu oxigenul:

22C450400

24 H2SiOOSiH + + o

Pentru depunerea la temperaturi medii, SiO2 poate fi format prindescompunerea termic a tetraetilortosilicatului (TEOS):

( ) OH2HC4SiOHOCSi 2422C750600452 ++ o

Pentru depunerea la temperaturi nalte, SiO2 este format prin reaciadiclorsilanului cu protoxidul de azot:

HCl2 N2SiOO N2HSiCl 22C900850222 ++ + o

8/12/2019 Curs SMMN

17/95

17

Prin depunerea la temperaturi medii sau nalte i la presiune joas suntobinute straturi caracterizate att de o uniformitate global pe suprafeele plane ale plachetelor procesate n cadrul unui lot, ct i de o bun acoperire a denivelrilorlocale ale reliefului microstructurilor (straturi conforme).

Au fost observate trei tipuri de depuneri n figura 2.1:

a) acoperire perfect conform, cnd drumul liber mediu al moleculelor de gazeste comparabil cu dimensiunile adnciturii, iar reactanii sau compuii reactiviintermediari adsorbii la suprafa migreaz rapid n lungul acesteia nainte careacia s aib loc; b) i c) acoperiri neuniforme, cnd drumul liber mediu este mai mare (b),respectiv mai mic (c) dect limea adnciturii, iar speciile reactive adsorbitereacioneaz fr s migreze pe suprafa, rezultnd viteze locale de depunere proporionale cu unghiul de inciden al moleculelor de gaz. Se obin acumulride material pe muchiile treptelor care, prin efect de umbrire, reduc grosimea

stratului depus pe pereii i fundul adnciturii. n cazul (c) se face simit i efectulepuizrii gazelor de reacie.

Figura 2.1. Diferite cazuri de acoperire a treptelor de pe suprafaa unui substrat la un procesCVD: a caz ideal,cu o migraiune rapid a reactanilor pe suprafa; b drum liber mijlociumare al moleculelor de gaz i migraiune superficial redus; c drum liber mijlociu mic iabsena migraiei la suprafa.

Profilele din figura 2.1b i c caracterizeaz straturile SiO2 depuse prin reacia

silanului cu oxigenul. Profilul din figura 2.1a este obinut prin depunerea SiO2 dinTEOS, la presiune joas LPCVD (Low Pressure CVD).Un reactor LPCVD, ca cel reprezentat n fig. 2.2, lucreaz la urmtorii

parametri tipici: presiunea 0,2-2 torr, temperatura 300-900C, debitele gazelor 0,1-1l/min. ntr-un astfel de reactor este posibil difuzia rapid a gazelor de proces printreun numr mare de plachete (cteva sute pe lot) dispuse vertical i paralel, obinndu-se o excelent uniformitate de grosime i compoziie i mai puine defectestructurale. Uniformitatea de la plachet este optimizat i prin reglarea temperaturii pe cele trei zone n lungul cuptorului, pentru a compensa consumarea gazelor prin

reacie, ntre captul de intrare i cel de ieire din reactor. n schimb, viteza dedepunere este mai mic (100-150 /min fa de 500-1000 /min pentru depunereala presiune atmosferic prin oxidarea silanului), iar problemele de tehnica securitii

8/12/2019 Curs SMMN

18/95

18

muncii sunt mult mai severe ntruct sunt utilizate gaze pure (concentrate) toxice,corozive i/sau inflamabile, care pot reaciona cu uleiul pompelor de vid i carenecesit o tratare special nainte de a fi eliberate n atmosfer.

Figura 2.2.Reactor de joas presiune cu perete cald; 1 ventil de aer; 2 pomp de vid; 3 supap de vid; 4 capcan; 5 tub flexibil absorbant de vibraii; 6 unitate de control atemperaturii; 7 nacel de cuar; 8 senzor de presiune; 9 u de ncrcare substrate; 10 conducte de alimentare cu gaze; 11 sistem de control al gazelor de proces; 12 cuptor cu treizone cu nclzire rezistiv; 13 substrate (plachete).

O categorie diferit de depuneri la presiune joas o reprezint depunerileasistate (stimulate) de plasm.PECVD (Plasma Enhanced CVD), care pot fiefectuate pe diferite tipuri de reactoare, de exemplu ntr-un reactor LPCVDcompletat cu un sistem de excitaie n radiofrecven (RF) pentru producerea plasmei. Sunt obinute depuneri de oxid la temperaturi foarte joase (100-300C), prin reacia dintre silan i protoxid de azot, n plasm de argon:

OH2 N4SiOO N4SiH 22224 +++ Vitezele de depunere sunt mari (comparabile cu cele obinute la presiune

atmosferic), sunt obinute densitile de defecte cele mai reduse, iar tensiunileinterne de compresiune mici reduc tendina de fisurare a acestor straturi n timpul proceselor termice ulterioare.Exist ns i dezavantaje: straturile de SiO2 conin hidrogen legat sub formde Si-H, Si-OH i ap, care le afecteaz proprietile fizice i chimice.

O metod PECVD, care reduce gradul de contaminare i permite obinereastraturilor de SiO2 conforme cu planarizarea in-situ a acestora, o reprezintdepunerea din plasm de joas presiune (10-4 torr) produs de microunde iintensificat prin rezonana ciclotronic a electronilor (ECR Electron CyclotronResonance), cu polarizare electric (RF) a substratului, figura 2.3. Depunerea areloc prin reacia la suprafaa substratului ntre moleculele de silan i ionii incideni

de oxigen. O bobin de magnetizare amplasat n spatele substratuluimbuntete uniformitatea densitii curentului ionic i asigur traiectorii aleionilor perpendiculare pe suprafaa de depunere.

8/12/2019 Curs SMMN

19/95

19

Figura 2.3. Schema unei instalaii PECVD cu ECR. 1 microunde 2,5 GHz; 2 ghidmicrounde; 3 bobin de magnetizare; 4 grila de extracie a plasmei; 5 ap de rcire; 6 bobin magnetizare; 7 pomp vid; 8 adaptor; 9 generator RF (13,6 MHz); 10 surs; 11 substrat polarizat; 12 camera plasmei.

2.2. Depunerea chimic din vapori a nitrurii de siliciu

Straturile de nitrur de siliciu pot fi depuse printr-un proces LPCVD latemperatur medie (750C) sau un proces PECVD la temperatur joas (300C).Straturile LPCVD au o compoziie stoichiometric (Si3 N4), o densitate

nalt, ofer o bun protecie contra difuziei apei i sodiului i pot servi ca mti pentru oxidarea sau corodarea selectiv a siliciului, precum i ca straturi de pasivare a zonelor active ale substratului aflate sub microstructuri degajate printehnica stratului de sacrificiu. Aceste straturi sunt obinute prin reaciadiclorsilanului cu amoniacul:

243322 H6HCl6 NSi NH4HSiCl3 +++

Straturile PECVD prezint o compoziie nestoichiometric (conin i multhidrogen), au densitate mai sczut, viteze de corodare n soluii sau n plasm maimari, tensiuni mecanice mai mici i de compresiune. Aceste straturi pot fi deci maigroase i pot servi pentru pasivarea final a structurilor, asigurnd o protecieexcelent contra zgrierii i o barier mpotriva ptrunderii umezelii i difuzieisodiului.

ntr-un proces PECVD, nitrura de siliciu este format fie prin reaciasilanului i amoniacului ntr-o plasm de argon, fie prin reacia silanului cu o plasm de azot:

234 H3SiNH NHSiH ++ 224 H3SiNH2 NSiH2 ++

8/12/2019 Curs SMMN

20/95

20

Poate fi utilizat un reactor similar celui din figura 2.2, cu deosebirea c plachetele sunt amplasate pe supori de grafit conectai la o surs de radiofrecven(figura 2.4), obinndu-se ntre ei descrcri n plasm.

Figura 2.4. Reactor de joas presiune cu surs de radiofrecven. 1-generator RF; 2-gaze de

proces; 3-cuptor cu trei zone; 4-electrozi de grafit; 5-vid; 6-plachete.

2.3. Depunerea chimic din stare de vapori a siliciului policristalin

Viteza de corodare n soluie de HF este puternic influenat de coninutul dehidrogen, variind circa 10 /min pentru 4-8% H (nitruri LPCVD), 100 /min pentru 20% H i 1000 /min pentru 30% H (nitruri PECVD). Straturile PECVDconin i oxigen 0,5-2% ca impuritate, care afecteaz, de asemenea, viteza decorodare.

i pentru depunerea Si3 N4 poate fi utilizat metoda cu plasm generat prinECR, dac gazul din plasm este nlocuit cu azot.

Condiiile de depunere influeneaz proprietile mecanice alemicrostructurilor de Si-poli prin prezena tensiunilor interne.

Procedura standard de depunere folosit la fabricarea circuitelor integrateMOS ofer rezultate acceptabile i pentru utilizarea Si-poli ca material destructurare la realizarea structurilor micromecanice, fiind asigurat astfelcompatibilitatea celor dou tehnologii.

Straturile de Si-poli sunt obinute uzual printr-un proces LPCVD, prin piroliza silanului la o temperatur de 630C i o presiune de 0,6 torr, conformreaciei:

24 H2SiSiH + Viteza de cretere pentru aceste condiii este de circa 100 /min, rezultnd o

structur granular columnar cu dimensiuni foarte mici ale granulelor, de300500.

Se impune ca tensiunile aprute n straturile de Si-poli n timpul creterii sfie controlate pentru a exploata ct mai complet potenialul structurilor, cum ar fi

de exemplu cele de tipul microgrinzilor i micropunilor (figura 2.5), rezultate nurma aplicrii tehnicii stratului de sacrificiu din oxid.

8/12/2019 Curs SMMN

21/95

21

Figura 2.5. Microstructuri de Si-policristalin; 1-microgrind, 2-strat de sacrificiu, 3-micropunte.

Tensiunile interne din straturile subiri apar datorit nepotriviriicoeficienilor de dilatare termic strat-substrat (tensiuni termice) i fenomenelor denucleaie i cretere (tensiuni intrinseci). Pentru cazul discutat, alctuirea structuriiinduce tensiuni de ntindere n straturile de Si-poli depuse peste un strat de oxid,ntruct siliciul are un coeficient de dilatare termic mai mare dect a oxidului.

Procesul de depunere chimic din stare de vapori a Si-poli induce tensiuni decompresiune mari, care domin tensiunile termice de ntindere.Problema tensiunilor interne din straturile de Si-poli este controlabil prin

introducerea unei etape de recoacere n cuptor la temperatur nalt, dupdepunere. nclzirea la o temperatur de 1100C ntr-o atmosfer de azot producecreterea granulelor prin recristalizare, n special lng interfaa cu stratul de oxid,unde se gsesc granulele cu dimensiunile cele mai mici.

2.4. Depunerea chimic din vapori a diamantului sintetic

Straturile subiri de diamant pot fi depuse printr-o varietate de metode CVDla presiune joas folosind plasm, microunde, filament cald, fascicul de ioni saulaser.

n cazul depunerii chimice din vapori asistat de plasm generat cumicrounde,MW-PECVD (Micro Wave PECVD), figura 2.6, substratele aezate pe un suport de grafit sunt meninute la aproximativ 800C prin controlul puteriisursei de microunde (tipic n intervalul 8001000 W) i al presiunii amesteculuigazos (cca. 40 torr).

Straturi de diamant de nalt calitate sunt obinute pentru concentraii aleCH4 n H2

8/12/2019 Curs SMMN

22/95

22

Figura 2.6. Schema unui sistem CVD cu plasm produs de microunde, utilizat pentrudepunerea straturilor de diamant; 1-vizor, 2-circuit de adaptare, 3-monitor de putere, 4-izolator,5-generator de microunde (2,45 GHz), 6-traductor de vid, 7-pirometru optic, 8-tub de cuar, 9-vid, 10-supape de control al vidului, 11-ap de rcire, 12-circuit de racordare, 13-CH4 i H2, 14- plasm, 15-substrat.

n figura 2.7 este reprezentat schema unei instalaii experimentale cu lasercu CO2 destinat depunerii diamantului printr-un proces pirolitic, constnd dinnclzirea local a substratului cu ajutorul luminii laser, concomitent cudescompunerea moleculelor amestecului gazos (2%CH498%H2), prin mecanismede excitare fototermic i prin ciocniri cu suprafaa cald a substratului.

Figura 2.7. Schema unei instalaii experimentale CVD cu laser pentru depunerea diamantului; 1-laser cu CO2/1200 W, 2-fereast din ZnSe, 3-incint cu P=100 torr, 4-vid, 5-gaze de proces, 6-termocuplu, 7-substrat.

8/12/2019 Curs SMMN

23/95

23

Temperatura local a substratului n timpul depunerii (aproximativ 300C)este stabilit prin controlul puterii sursei laser, al duratei de iradiere, debitului i presiunii gazelor. Alturi de avantajele utilizrii unei surse de energienecontaminante i temperaturii sczute a substratului, metoda prezint interes i

din perspectiva posibilitii de depunere selectiv a straturilor subiri de diamant.Calitatea straturilor de diamant este puternic influenat de materialulsubstratului, pregtirea acestuia, metoda de depunere i condiiile de operare.

2.5. Homo i heteroepitaxia

Prin epitaxie se nelege creterea orientat a cristalitelor n straturi subiri,adic obinerea straturilor subiri cu o structur ordonat parial sau total (respectivstraturi policristaline bine orientate sau straturi monocristaline). n general,

termenul este aplicat proceselor utilizate la creterea unui strat subire cristalin peun substrat cristalin.Dac se ine seama de natura substratului, atunci pot fi deosebite dou cazuri

de epitaxie:- homoepitaxie, cnd natura stratului epitaxial este aceeai cu naturasubstratului;- heteroepitaxie, cnd natura stratului depus este diferit de cea asubstratului.

n cazul creterii epitaxiale, este necesar ca substratul s ndeplineascurmtoarele condiii:

- compatibilitatea cu structura cristalin (simetria i constanta reelei) i cucoeficientul de dilatare termic ale materialului stratului;

- absena tensiunilor de suprafa i o stare de perfect curenie a suprafeei;- inerie chimic att la temperatura de depunere, ct i n timpul unor

tratamente termice ulterioare, realizate n scopul recristalizrii stratului. Astfel, deinteres pentru fabricarea microstructurilor monocristaline de siliciu, fr corodareasubstratului, sunt posibilitile de recristalizare a straturilor subiri de Si-poli sau Siamorf (obinut prin depunere chimic din vapori la presiune normal sau asistatde plasm RF) depuse pe substrate amorfe (SiO2, Si3 N4 etc.), prin nclzire localcu fascicul de electroni sau laser.

Straturile subiri epitaxiale de Si pot fi obinute prin trei metode generale:1 prin condensare din faz gazoas n vid evaporare, pulverizare, epitaxie

molecular, depunere din fascicule ionice;2 prin reacii chimice i cristalizare din faz gazoas, adic depuneri

chimice din vapori (de exemplu, reducerea n hidrogen a tetraclorurii de siliciuSiCl4, sursa de siliciu cea mai studiat i cu utilizarea industrial cea mairspndit);

3 prin cretere epitaxial din faz lichid, exemplificat n figura 2.8

pentru cazul cnd transportul soluiei se face prin centrifugare n vid.Metoda const din precipitarea Si dintr-o soluie, care se rcete, pe unsubstrat nclzit. Soluia i substratul sunt meninute separat n instalaie, soluia

8/12/2019 Curs SMMN

24/95

24

fiind saturat cu materialul de cretere pn la atingerea temperaturii de creterenecesare. Soluia este adus ulterior n contact cu suprafaa substratului i lsat sse rceasc cu o vitez prestabilit, ntr-un interval de timp adecvat pentru producerea stratului dorit.

Figura 2.8. Etapele principale de cretere a stratului ladepunerea epitaxial din faz lichid prin centrifugare: a aducerea soluiei i substratului n contact; b rcireasistemului i creterea stratului epitaxial; c ndeprtarea soluiei de pe substrat; 1-substrat, 2-stratepitaxial.

Metoda este avantajoas datorit vitezelor de depunere mai mari cu

aproximativ un ordin de mrime fa de celelalte metode (0,11 m/min) i pentruc elimin pericolele introduse de folosirea gazelor reactive i a produilor reactivi.n toate cazurile este posibil doparea stratului epitaxial, relativ

independent de doparea substratului, putnd fi obinute straturi de nalt calitate,uor dopate, pe substrate puternic dopate. Doparea poate fi realizat in-situ sau prinimplantare ionic.

2.6. Oxidarea termic

Oxidarea termic are avantajul obinerii unor straturi subiri de SiO2 foartereproductibile i stabile din punct de vedere chimic, dar i dezavantajele referitoarela limitarea grosimii de oxid la max. 1 m, temperaturile i duratele mari necesare pentru a se obine aceste grosimi i posibilitatea introducerii de impuriti, dacmediul de oxidare nu este curat.

n tehnologia structurilor micromecanice, oxizii crescui termic au aceleaidestinaii ca cei depui CVD la temperaturi nalte.

n timpul oxidrii are loc redistribuirea impuritilor dopante n apropiereainterfeei oxid-siliciu: pentru siliciu dopat cu B se produce o srcire, iar pentru celdopat cu P o aglomerare a impuritilor la interfa.

Pentru reducerea temperaturii i duratei procesului i a consecineloracestora (deformarea plachetelor, defectele structurale, segregarea dopanilor) poate fi utilizat oxidarea la presiune nalt (> 3 MPa), necesitnd ns unechipament mult mai complex dect cel pentru oxidarea la presiune atmosferic.

2.7. Pulverizarea

Procedeul const n bombardarea unei inte (catod) din materialul ce sedorete a fi depus cu ionii pozitivi extrai din plasma de joas presiune a unui gazinert (uzual, argon la 10-110-2 torr) i accelerai de un cmp electric continuu sau

8/12/2019 Curs SMMN

25/95

25

de nalt frecven (RF), figura 2.9. Atomi de la suprafaa intei sunt dislocai iadui n faz gazoas, depunndu-se prin condensare pe substrate i pe pereiiincintei. Din cauza presiunii relativ mari, drumul liber mijlociu al atomilor pulverizai este mai mic dect n cazul evaporrii, rezultnd viteze de depunere maisczute n procesele de pulverizare.

Figura 2.9. Schemele unor instalaii pentru pulverizare: a n sistem diod; b n plasm denalt frecven; 1-argon, 2-clopot, 3- ecran, 4-catod, 5-substrat, 6-anod, 7-dispozitiv de nclzirea substratelor, 8-vid, 9-nalt tensiune, 10-electrod RF cu int, 11-circuit de adaptare, 12-

generator RF, 13-perete incint vidat, 14-suport substrate.

Pot fi efectuate depuneri ale unor materiale dificil de evaporat ca: materialerefractare, materiale izolatoare, substane compuse n cazul celor din urmobinndu-se straturi cu compoziie stoichiometric chiar i atunci cndcomponentele au presiuni de vapori foarte diferite ntre ele i coeficieni de pulverizare, de asemenea, diferii.

2.8. Implantarea ionicImplantarea de ioni este un procedeu de impurificare controlat a unui

substrat (material masiv) sau strat subire prin bombardarea suprafeei cu unfascicul de ioni a cror energie poate ajunge la mai multe sute de keV (figura 2.10).

n comparaie cu difuzia, implantarea ionic prezint urmtoarele avantaje:are loc la temperatura camerei; asigur un control riguros al concentraiei iadncimii de ptrundere a impuritilor, rezultnd straturi impurificate foartesuperficiale, cu o mprtiere lateral redus, relativ la marginile mtii (dacimpurificarea este selectiv); permite utilizarea unei game largi de materiale pentrumasca de protecie (fotorezist, SiO2, Si3 N4 etc.); este un proces curat, avnd loc nvid.

8/12/2019 Curs SMMN

26/95

26

Dintre dezavantaje, pot fi menionate: echipamentul foarte complex;deteriorarea reelei cristaline a substratului, ceea ce impune efectuarea unuitratament termic de refacere a structurii.

Figura 2.10. Schema unei instalaii pentru implantare ionic; 1-sisteme de vid nalt i comandde la distan, 2-gaze surs, 3-sursa de ioni, 4-coloan de accelerare, 5-generator de tensiunenalt, 6-electrod de extracie, 7-apertur (electrod de focalizare), 8-lentile cuadripol, 9-separatorde mas, 10-fant, 11-fascicul de ioni, 12-sistem de deflexie X-Y, 13-deflector, 14-carusel cusubstrate.

n figura 2.11 este reprezentat distribuia de ioni implantai n materialeamorfe (a), comparativ cu distribuia de impuriti n cazul difuziei (b).

Figura 2.11.Comparaie ntre implantarea ionic (a) i difuzie (b); 1-gaz de atomi dopani, 2-ioni dopani de mare vitez, 3-masc.

Gradul de deteriorare a cristalelor, ca urmare a impactului cu ioni, este proporional cu energia de implantare, masa ionilor i doza de ioni. Tratamentul de

recoacere urmrete att refacerea reelei cristaline a substratului, ct i activareaacelor atomi de impuritate implantai care n-au ocupat poziii substituionalecorecte n reea. Tipic procesele de recoacere au loc la 1000C n atmosfer de azot

8/12/2019 Curs SMMN

27/95

27

sau hidrogen. Poate fi utilizat i recoacerea cu laser n impulsuri, avantajoas pentru faptul c nu produce redistribuirea impuritilor (datorit nclzirii locale, descurt durat, modific foarte puin profilul de implantare). Metoda este importanti din punctul de vedere al activrii selective a impuritilor, numai n anumitezone de interes.

Procedeul implantrii ionice poate fi considerat i ca metod de formare astraturilor subiri care ncorporeaz atomi ai substratului. Stratul subire rezult nurma unui tratament termic, ulterior procesului de implantare, care favorizeazcombinarea chimic ntre ionii introdui i atomii substratului. Grosimea stratuluieste controlat prin: tensiunea de implantare, masa i doza ionilor, temperatura decoacere. Aplicat astfel, implantarea ionic poate fi o metod alternativ deformare a straturilor subiri de SiO2, Si3 N4 etc. beneficiind de avantajelemenionate.

2.9. Evaporare termic n vid

Evaporarea n vid este procedeul de depunere cel mai rspndit, fiindaplicat cu mult succes, mai ales, pentru metale cu temperaturi de evaporare sub2000C (Al, Au, Cr etc.); permite obinerea unor viteze de depunere mari (tipic12 m/min) n condiiile unui vid nalt (10-510-9 torr), ceea ce asigur straturisubiri de puritate ridicat; uniformitatea de grosime a straturilor depuse poate fi precis controlat prin geometria ansamblului surs de evaporare - substrate;depunerile sunt realizate la temperaturi joase ale substratului, inclusiv latemperatura camerei (frecvent substratul este nclzit la aprox. 300C pentrumbuntirea aderenei).

Figura 2.12. Schema unei instalaii de evaporare n vid; 1-incint vidat, 2-substrate, 3-suport denclzire a substratelor, 4-strat condensat, 5-gaze eliberate din materialul evaporat, 6- surs deevaporare, 7- capcan.

O instalaie tipic de evaporare n vid este reprezentat n figura 2.12. n vidnalt, drumul liber mijlociu al atomilor (moleculelor) materialului evaporat estemult mai mare (de peste 10 ori) dect distana surs subtrate, iar propagarea lor

8/12/2019 Curs SMMN

28/95

28

se face rectiliniu, sub form de raze atomice (moleculare), n toate direciile,depunerea avnd loc prin condensare pe substratele mai reci, inclusiv pe pereiiincintei. n aceste condiii, n cazul depunerilor selective, sunt obinute straturisubiri care reproduc corect forma mtilor folosite.

Soluiile constructive uzuale de surse de evaporare sunt cu surse de nclzire

rezistiv i cu fascicul de electroni: primele sunt simple,nu produc radiaiiionizante, dar pot contamina stratul cu impuriti provenite din materialul lor;ultimele ofer energii mari de vaporizare, viteze mari de depunere, permitobinerea unor straturi mai curate i cu aderen mai mare la substrat, necesit nsun echipament complex i genereaz radiaii ionizante care pot degradamicrostructurile.

Ambele tipuri de surse indicate produc disocierea materialelor compuse.Dificultatea ntmpinat la obinerea straturilor subiri stoichiometrice de aliaje sauamestecuri poate fi depit utiliznd: evaporarea din surse separate (tehnic de

condensare a vaporilor emii simultan din dou sau mai multe surse, care conincomponentele aliajului), metoda evaporrilor succesive (depunerea alternativ, nstructur multipelicular, a straturilor de constitueni puri, urmat de un tratamenttermic pentru omogenizarea compoziiei) i, cea mai eficient, evaporarea flashsau instantanee (produs la cderea granulelor de material pe o suprafasupranclzit).

2.10. Depunere autocatalitic

Depunerea autocatalitic este un procedeu de formare a straturilor subirimetalice prin reducere chimic ntr-o soluie de placare, fr folosirea unei surseexterioare de curent electric. Fa de depunerea electrolitic, prezint multipleavantaje: uniformitatea foarte bun a straturilor, independent de dimensiunile iforma substratului (i cu posibilitatea acoperirii suprafeelor inaccesibile, cum suntcele interioare); posibilitatea acoperirii att a substratelor metalice, ct i a celornemetalice; obinerea straturilor cu o structur dens la o grosime redus;realizarea acoperirilor selective, cnd numai anumite suprafee acioneaz dreptcatalizator; echipamentul de lucru foarte simplu, la care ns, pentru a obinecondiii de cretere controlate, este necesar un control precis al temperaturii.

Exist patru tipuri de reacii de reducere:1 reacii necatalitice, care se produc pe orice suprafa introdus n soluia

respectiv. Astfel de reacii sunt valabile de exemplu n cazul depunerii Ag;2 reacii catalitice sau reacii de reducere controlat pentru depunerea

selectiv numai pe anumite suprafee metalice, cu rol de catalizator. De exemplu,depunerea Ni, prin reducerea clorurii de nichel (NiCl2) de ctre hipofosfitul desodiu (NaH2PO2), pe metale ca nichel, cobalt, fier, aluminiu, plumb;

3 reacii catalitice folosind substane activatoare, prin care este posibil

depunerea straturilor subiri metalice pe suprafaa metalelor necatalitice, activate n prealabil. De exemplu, pentru depunerea Ni, activarea este realizat prin imersarea

8/12/2019 Curs SMMN

29/95

29

suprafeei ntr-o soluie de clorur de paladiu (PdCl2) 0,01%, urmat de splare sub jet de ap;

4 reacii catalitice folosind substane activatoare i sensibilizatoare, pentrudepuneri pe suprafee nemetalice. naintea activrii este efectuat o sensibilizare asuprafeei. Pentru exemplul dat, aceasta se produce prin imersare ntr-o soluie de

clorur de staniu (SnCl2) 0,1%, urmat de splare n ap i activare cu clorur de paladiu, cum s-a artat anterior.

2.11. Polimerizare n plasm

Straturile subiri de polimeri, utilizate n general pentru pasivarea, proteciasau izolarea electric a microstructurilor pot fi obinute fie din materialul masiv, prin evaporare termic n vid sau pulverizare n radiofrecven (RF), fie din faz

gazoas depunere chimic din vapori folosind pentru activarea monomerului odescrcare luminiscent n RF (polimerizare n plasm), radiaii UV(fotopolimerizare), fascicule de particule (fascicul de electroni, laser) sau energietermic (piroliz n vid).

Metodele CVD sunt preferate procedeelor fizice, deoarece permit obinereaunor straturi de polimeri cu o structur dens, fr pori sau impuriti. Dintremetodele CVD, polimerizarea n plasm este procesul cel mai utilizat, datoritsimplitii relative a echipamentului i numrului mare de specii monomere ce potfi folosite.

Schema de principiu a polimerizrii n plasm este prezentat n figura 2.13.

Figura 2.13. Schema de principiu a polimerizrii n plasm; 1-plasm, 2-substrat, 3-vapori demonomer, 4-RF, 5-vid.

Parametrii de care depind viteza de depunere i proprietile straturilorobinute, sunt tipul monomerului, energia RF i presiunea.

8/12/2019 Curs SMMN

30/95

30

2.12. Controlul straturilor subiri

Pentru studiul caracteristicilor microstructurale ale straturilor subiri esteutilizat, pe scar larg, microscopia electronic n dou variante principale:microscopie electronic prin transmisie (Transmission Electron Microscopy

TEM) i microscopie electronic cu baleiaj (Scanning Electron Microscopy SEM).TEM este aplicabil doar straturilor subiri cu grosimi de max. 0,5 m, fiind

necesar deci obinerea unor probe fr suport. Aceasta presupune nlturarea princorodare a unei poriuni de substrat i dac este nevoie, chiar a unei zone din strat.Poate fi utilizat i metoda replicilor, constnd din acoperirea suprafeei deexaminat cu un strat subire, de exemplu carbon depus prin pulverizare, uor penetrat de fasciculul de electroni, dup care substratul este ndeprtat (corodat).

Microscopul electronic cu baleiaj permite obinerea imaginii tipografiei

suprafeei, orientrii cristaline i a defectelor locale ale straturilor subiri, printr-ometod total diferit de aceea utilizat de ctre TEM. La SEM, un fascicul ngustde electroni de nalt energie (diametrul petei de focalizare aproximativ 1 m) este baleiat n mod repetat peste o poriune de suprafa a probei. Variaii uoare ntipografia suprafeei produc variaii accentuate ale intensitii fasciculului deelectroni secundari, emii prin interaciunea fasciculului de electroni incideni(primari) cu materialul stratului subire. Semnalul obinut este afiat pe ecranulunui display sub forma unei configuraii de baleiaj, sincronizat cu baleiereasuprafeei probei de ctre fasciculul de electroni.

Mrirea posibil obinut prin SEM este limitat de dimensiunea spotului deelectroni i este considerabil mai bun dect la un microscop optic, dar mai sczutdect la TEM. SEM are o serie de avantaje importante: rezoluie suficient de bun(1020 nm), contrast nalt, pregtire relativ simpl a probelor i dimensiuni foartemici ale acestora. Pe lng emisia de electroni secundari, fasciculul de electroniincideni genereaz radiaii X ce permit identificarea compoziiei elementare amaterialului aflat n studiu.

Pentru a mpiedica ncrcarea electric a suprafeei probelor realizate dinmateriale izolatoare, se procedeaz la acoperirea acestora cu un strat metalic foartesubire.

8/12/2019 Curs SMMN

31/95

31

3. PROCESE TIPICE DE PRODUCERE A STRUCTURILORMICROMECANICE

3.1. Litografia

Litografia este folosit la pregtirea unei plachete-substrat pentru stadiileulterioare de procesare. Pentru a putea coroda selectiv structura dorit, pe suprafaa

plachetei este aplicat un strat fotosensibil. Acest fotorezist va fi structurat litograficastfel nct arii specifice ale substratului rmn acoperite i protejate. Litografiaeste cel mai critic i n acelai timp cel mai costisitor dintre proceselemicromecanice, jucnd un rol cheie n producia de mas a microcomponentelor.

Este necesar ca toate procesele litografice s fie realizate ntr-un mediufoarte curat. Se folosesc aa numitele camere albe. Necesitatea lor a aprut datoritfaptului c particulele de praf din aer se pot aeza pe plachetele i pe mtilelitografice, cauznd defecte. ntr-o camer alb trebuie s fie foarte bine controlatnumrul total de particule de praf pe unitatea de volum, mpreun cu temperatura iumiditatea. O camer alb de clas 100 este aceea care are un numr de cel mult100 de particule de praf (cu diametrul particulelor 0,5 m sau mai mare) pe piciorcub. Aceasta este echivalent cu 3500 particule pe m3.

Procesul tehnologic comport mai multe etape (figura 3.1):- acoperirea plachetelor cu un strat uniform de rezist (cu grosimea 1 m);- aplicarea unui tratament de coacere;- expunerea la acel tip de radiaie la care este sensibil rezistul;- developarea ntr-o soluie (developant) care dizolv fie zonele expuse, fie celeneexpuse n funcie de tipul rezistului.

Figura 3.1. Etapele principale ale unui proceslitografic; a etalare rezist; b expunere; c developare.

8/12/2019 Curs SMMN

32/95

32

Modificarea stratului de sub rezist, n zonele libere, se poate face, ncontinuare, prin diferite procedee (figura 3.2): oxidare sau dopare cu atomi strini,e coroziune chimic umed sau uscat, depuneri galvanice.

Pentru configurarea stratului de rezist se pot utiliza: radiaii optice, Rntgensau fascicule de particule (de electroni sau de ioni).

Figura 3.2. Procedee de modificare a substratului, prin masc de rezist: a oxidare; b eroziunechimic umed; c eroziune chimic uscat; d depuneri galvanice sau de alt tip (procedeul lift-off).

n practic sunt folosite trei metode litografice de baz (figura 3.3):

Figura 3.3. Metodele de baz pentru expunerea litografic.

Litografia de contact nseamn presarea mtii direct pe substrat. n acest fel poate fi obinut o rezoluie mai bun de 1 m. Totui litografia de contact nu este potrivit pentru producia de mas, deoarece masca este supus unei presiunimecanice puternice n timpul expunerii i poate fi cu uurin distrus de particulele de praf aflate n mediul nconjurtor i care se pot depune pe ea.

n litografia de apropiere exist un strat de aer de 20 pn la 50 m ntremasc i plachet. Aceasta reduce sarcina asupra mtii, dar din cauza difraciei

Fresnel a luminii, rezoluia este limitat la 2 m.Cea mai bun rezoluie structural este de aproximativ 0,5 m i esteobinut folosind protecia optic n locul copiilor de contact simple. Masca este

8/12/2019 Curs SMMN

33/95

33

proiectat pe plachet folosind un sistem de reducere cu lentile de rezoluienalt;sunt tipice reduceri de 5:1 pn la 10:1. Cum adesea este tehnic imposibil sexpui simultan ntreaga suprafa a substratului, iar procesul de expunere estefinalizat folosind metoda expunerii repetate a unui singur pas precis realizat la unmoment dat, costurile echipamentului i ale procesrii sunt nalte.

Expunerea stratului de rezist determin ruperea lanurilor de molecule sauformarea de legturi, depinznd de tipul de rezist folosit. La pasul urmtor fie partea expus, n cazul rezistului pozitiv, fie partea neexpus, n cazul rezistuluinegativ, sunt ndeprtate folosind o soluie special pentru developare (figura 3.4).n timpul acestui pas, desenul de pe masc este copiat pe rezistul care a fost aplicat pe substrat la un pas precedent.

Figura 3.4. Diveri pai ai developrii.

Litografia cu fascicule de raze X , electroni sau ioni realizeaz o rezoluiemai mare dect procesele menionate mai nainte, dar exist o corelare ntrecomplexitatea procesului i costul produciei. Metodele (de scriere) electro-optice produc stratul structurat punct cu punct cu ajutorul unui fascicul focalizat deelectroni sau de ioni. n cazul acestui proces nu este necesar folosirea mtiilitografice, dar procesul necesit timp ndelungat i nu este potrivit pentru producia de mas. De aceea, aceste metode sunt folosite pentru producerea demti speciale sau pentru repararea mtilor. Din ce n ce mai important devinelitografia cu raze X care, n principiu continu i dezvolt litografia cu lumin.Datorit lungimilor de und foarte mici (sub 1 nm), pot fi obinute structuri ndomeniul sub micronic (pn la 0,2 m).

3.2. Reziti

Rezitii pot fi clasificai n pozitivi i negativi, n funcie de modul n carerspund la radiaii.

8/12/2019 Curs SMMN

34/95

34

Pentru rezitii pozitivi, zonele expuse devin mai solubile n developant i,deci, mai uor de ndeprtat. Se obin astfel, n stratul de rezist, aceleaiconfiguraii ca cele de pe masc.

Pentru reziti negativi, zonele expuse devin mai solubile n developant, iarconfiguraiile formate sunt negativele celor din masc. Rezistul negativ se

utilizeaz atunci cnd masca acoper o suprafa mic pe pies, adic un grad micde protecie. Un inconvenient major al rezistului negativ este acela c n timpul procesului de developare, ntreaga mas de rezist se umfl, prin absorbiasolventului developant.

Se folosesc reziti diferii n funcie de tehnica litografic folosit (radiaiautilizat pentru expunere). Exist, astfel, fotoreziti, electronoreziti, reziti pentruraze X, fiecare avnd caracteristici specifice, care vor fi analizate n cadrul proceselor respective.

Independent de tipul radiaiei la care sunt sensibili, rezitii au o serie de

proprieti comune:- o bun aderen la diferite substraturi;- o bun rezisten la corodare, fa de substanele de atac folosite pentru structurastraturilor;- o nlturare uoar dup realizarea corodrii;- o bun stabilitate n timp;- o bun reproductibilitate de la plachet la plachet i de la un lot de rezist la altul.

3.3. Fotolitografia

Cea mai veche i n acelai timp, cea mai rspndit dintre tehnicilelitografice este litografia optic sau fotolitografia. Ea utilizeaz ca radiaie luminaultraviolet (UV), cu lungimi de und 0,20.4 m.

Dei se prea c litografia optic n-ar avea aplicaii n domeniuldimensiunilor mici, datorit cercetrilor fcute, n special pentru obinereamtilor, s-a ajuns la dimensiuni sub 0,5 m.

3.3.1. Tehnologia procesului fotolitograficProcesul se desfoar ntr-o camer alb care, n mod normal, este

iluminat cu lumin galben, deoarece fotorezitii nu sunt sensibili la lungimi deund mai mari de 0,5 m. Ca substrat se utilizeaz o plachet metalic, din sticlsau cristal a crei suprafa este pregtit n prealabil pentru mbuntireaaderenei.

O prim etap este etalarea fotorezistului, pentru care n centrul substratuluise aplic aproximativ 1 cm3 de rezist lichid; acesta se uniformizeaz princentrifugare (100010000 rot/min).

Urmeaz o expunere preliminar (n general la 80100C) pentru a

ndeprta solventul din stratul de fotorezist i a mbunti aderena acestuia lasubstrat. Placheta este, apoi, aliniat n raport cu masa ntr-un sistem fotolitografic,iar rezistul este expus la lumin ultraviolet (UV).

8/12/2019 Curs SMMN

35/95

35

Urmeaz developarea fotorezistului care se face, n mod normal, prin pulverizarea developantului pe plachet. Apoi, placheta este cltit i uscat. Serealizeaz un tratament de recoacere, prin nclzire pn la 100180C pentru acrete aderena rezistului la substrat.

Dup corodarea (de exemplu) prin ferestrele obinute n fotorezist, urmeaz

ndeprtarea acestuia. Aceasta se poate realiza utiliznd un solvent sau pulverizarean plasm.

3.3.2. FotomtiFotomtile sunt realizate din plachete de sticl sau cuar cu grosimea de

1,53 mm i form ptrat cu latura de 4,5 sau 6 oli. Pentru dimensiunileconfiguraiilor geometrice de ordinul a 5 m sau mai mari plachetele sunt acoperitecu o emulsie fotosensibil de grosime 0,51 m. Pentru dimensiunileconfiguraiilor geometrice mai mici, plachetele sunt acoperite cu crom, oxid de

crom sau de fier. Cromul, de exemplu, se depune prin pulverizare catodic iar, pentru a deveni complet opac, este suficient s aib 0,1 m grosime. Configurarealui se realizeaz, n cazul microstructurilor cu densitate mic pe unitatea desuprafa, prin corodare umed sau uscat, cu protecie foto.

n cazul obinerii microstructurilor cu densitate mic pe unitatea de suprafa(pn la 100 structuri/cip) sau medie (pn la 1000 structuri/cip), primul pas ngenerarea configuraiilor geometrice este desenarea unei organizri complexe amtii (proiectarea layout-ului). Aceast desenare se face, n general, la o scar de100200 x dimensiunea final de pe masc.

Pentru obinerea microstructurilor cu densitate mare pe unitatea de suprafa(103105 structuri/cip) sau foarte mare (> 105 structuri/cip) aceast abordare nueste practic datorit timpului mare pe care-l necesit i erorilor umane inevitabile.n locul desenrii configuraiilor geometrice, se utilizeaz sisteme CAD. Dateledigitale produse de sistemul CAD sunt folosite pentru acionarea unui generator demodel geometric (de exemplu o instalaie cu fascicul de electroni) care transferconfiguraiile direct pe mtile sensibilizate.

3.3.3. Tehnici de expunereExist dou metode de expunere optic de baz: prin umbrire (contact sau

proximitate) i prin proiecie. n cazul umbririi, masca este lipit sau foarteapropiat de plachet iar configuraiile de pe masc sunt transpuse n fotorezist prin expunerea ansamblului. n cellalt caz, imaginea de pe masc este proiectat pe plachet de la distan (vezi figura 3.3).

3.4. Electronolitografia

Datorit limitelor de rezoluie din litografia optic obinuit (determinate, n

principal, de lungimea de und a luminii), s-au cutat alte tipuri de radiaii pentrurealizarea expunerii. n cazul electronolitografiei este utilizat un fascicul de

8/12/2019 Curs SMMN

36/95

36

electroni care poate fi baleiat electromagnetic, astfel nct configuraia general sfie transferat ntr-un rezist sensibil la acest mod de expunere.

Dei litografia cu fascicul de electroni prezint o rezoluie superioarfotolitografiei (se pot obine, uzual, linii reproductibile submicronice) ea nu esteutilizat pe scar mare datorit eficienei sale sczute (~ 5 plachete/h) i costului

foarte ridicat al instalaiilor specifice.Ea este utilizat, n special, pentru realizarea fotomtilor datoritavantajelor pe care le are: distana de focalizare mult mai mare dect lafotolitografie, absena mtilor i alinierea automat cu o precizie de superpoziiefoarte ridicat.

3.4.1. Principiul procesuluiFigura 3.5 prezint, schematic, un sistem de expunere cu fascicul de

electroni. Tunul electronic este un dispozitiv care poate genera un fascicul de

electroni cu o anumit densitate de curent i o tensiune de 10100 kV. Ca sursde electroni poate fi utilizat, n cazul cel mai simplu un catod de W, cu emisietermoionic sau un monocristal de LaB6. Pentru rezoluie nalt (diametrulfasciculului foarte mic) se utilizeaz un catod cu efect de cmp.

Figura 3.5. Schema de principiu a unei instalaii de expunere cu fascicul de electroni.

Fasciculul obinut de la sursa de electroni este focalizat sub forma unui punct, cu un sistem foarte costisitor de lentile condensatoare. Diametrul spotului poate varia, funcie de tipul aparatului utilizat, ntre civa nm i 1 m.

Armturile de ntrerupere a spotului i bobinele de deflexie a fascicululuisunt controlate prin calculator i funcioneaz la frecvene mari (MHz sau chiarmai mari). Deflexia are rolul de a direciona fasciculul de electroni focalizat norice loc n cmpul de baleiere, de pe substrat.

8/12/2019 Curs SMMN

37/95

37

Baleierea maxim posibil are loc n limitele unui milimetru, pentru valorimai mari obinndu-se erori prea mari. De aceea, pentru deplasarea substratului nvederea configurrii se folosesc dispozitive controlate prin interferomerie laser,care permit obinerea unei precizii de poziionare a mesei de pn la 10 nm.

Cu ajutorul unui detector de electroni, care sesizeaz electronii respini de

ctre plachet, se pot determina corecturile necesare pentru poziionarea mesei i afasciculului, ca i pentru diametrul fasciculului.Comanda bobinelor de deflexie, a lentilelor magnetice, a trecerii

fasciculului, a deplasrilor X-Y ale mesei ca i analiza semnalului provenit de ladetectorul de electroni sunt realizate prin intermediul unui calculator. O unitatespecial, de interfaare, care const dintr-un convertor digital-analog extrem derapid i precis, transform semnalele digitale ale calculatorului n semnaleanalogice (cureni, tensiuni) necesare fiecrei componente.

3.4.2. ElectronorezitiElectronorezitii sunt polimeri. Comportarea lor este similar cu cea afotorezitilor, adic sufer modificri chimice sau fizice sub aciunea radiaiei.Aceste modificri permit rezistului s fie configurat.

Pentru un electronorezist pozitiv, interaciunea polimer-electron determinntreruperea unor legturi chimice (scindarea lanului) formndu-se fragmentemoleculare mai mici, aa cum se arat n figura 3.6a. Drept rezultat, se reducegreutatea molecular n zona iradiat; aceasta poate fi dizolvat ntr-o soluiedevelopant, care atac materialul cu greutatea molecular sczut.Electronorezitii pozitivi obinuii sunt polimetacrilatul de metil, numitPMMA, i polisulfona de buten-1 numitPBS. Electronorezitii pozitivi au rezoluii de 0,1 mi chiar mai bune.

Figura 3.6. Comportarea electronorezitilor la expunere: a rezist pozitiv; b rezist negativ.

n cazul unui electronorezist negativ, iradierea determin formarea delegturi n cadrul polimerului, aa cum prezint figura 3.6b. Aceste legturitransversale creeaz o structur tridimensional complex, cu o greutatemolecular mai mare dect cea a polimerului neiradiat. Rezistul neiradiat poate fidizolvat ntr-o soluie developant care nu atac materialul cu greutate molecularmare. Electronorezistul negativ uzual este polimetacrilatul de glicid + acrilatul de

8/12/2019 Curs SMMN

38/95

38

etil, numitCOP. Acesta, la fel ca un fotorezist negativ, se umfl n timpuldeveloprii astfel nct rezoluiile sunt limitate la aproximativ 1 m.

3.4.3. Tehnici de expunereExist, n principal, dou moduri de baleiere a fasciculului de electroni

focalizat: liniar (raster scan) sau vectorial (vector scan).La tehnica liniar, fasciculul de electroni este deplasat pe ntreaga suprafa pe care limitele de baleiere o admit (n mod normal pe 256 m). Radiaia estetransmis n zonele n care este necesar expunerea i oprit (fasciculul este orb)acolo unde nu este necesar. Orice configuraie de pe zona ce urmeaz a finregistrat trebuie s aib ca increment minim aria seciunii transversale afasciculului (talia fasciculului).

O variant a acestei tehnici este nscrierea pe mas mobil (Writing on theFly). n acest caz, fasciculul de electroni este baleiat periodic numai n direcia X,

n timp ce masa se deplaseaz continuu, pe sub fascicul, cu ntreaga lungime amtii, pe direcie perpendicular. Astfel, este iluminat o ntreag coloan, apoimasa este deplasat pe direcia Y, astfel nct revine i se poate prelucra coloanaurmtoare (figura 3.7a). La acest mod de baleiere, sistemele de delexie sunt maisimple, dar deplasarea mesei trebuie s se controleze foarte precis.

Figura 3.7. Tehnici de baleiere: a liniar; b vectorial.

Tehnica vectorial de baleiere este foarte avantajoas atunci cnd este prelucrat doar o arie mic a mtii (aproximativ 20%). Fasciculul de electroni este poziionat n zona dorit, pe baza datelor numerice ce specific poziia idimensiunea geometriei. Aceasta este expus prin aprinderea spotului i baleierea configuraiei, dup care spotul este stins, ndreptat spre o nouconfiguraie i procesul se repet (figura 3.7b). Aici deflexiile fasciculului sunt maimari, capacitatea de prelucrare a datelor mult mai mare, dar i viteza de lucru estemult mai mare deoarece nu se pierde timp cu baleierea zonelor neconfigurate.

3.4.4. Efectul de proximitaten litografia optic, rezoluia este limitat de difracia luminii. n litografia

cu fascicul de electroni, rezoluia nu este limitat de difracie (deoarece lungimilede und asociate electronilor sunt mai mici de 1 ), ci de mprtierea electronilor.

La ptrunderea electronilor n rezist, se produc ciocniri care conduc la pierderi deenergie i devieri; aceste devieri sunt condiionate de energia electronilor incideni ca ide greutatea atomic a moleculelor de rezist. Fasciculul paralel, iniial va fi expandat prin

8/12/2019 Curs SMMN

39/95

39

ptrunderea n rezist. Acest efect a fost definit ca o mprtiere de ptrundere (sau denaintare). Unghiul de mprtiere a electronilor crete aproximativ ptratic cu scdereaenergiei iar electronii cedeaz aproape continuu energia lor rezistului. Se obine, astfel, nstratul gros de rezist o distribuie a energiei de forma unei pungi (figura 3.8). Cu ct creteenergia iniial a electronilor, cu att crete adncimea lor de penetrare ca i zona pe care

expandarea fasciculului este minim. De aceea, pentru configurarea straturilor groase derezist, cu perei paraleli, se recomand alegerea unei tensiuni de accelerare ct mai nalte.

Figura 3.8. Distribuia energiei n stratul de electronorezist, funcie de energia iniial aelectronilor.

Energia electronilor trebuie aleas astfel nct ei s traverseze complet stratulde rezist i s ptrund i n substrat. Din cauza grosimii mari a substratului,electronii sunt mprtiai cu unghiuri mari ce pot depi 90. Electronii ntlnescn alt zon rezistul i l vor expune a doua oar, de data aceasta din spate.

Fenomenul se numete mprtiere de revenire (figura 3.9).

Figura 3.9. mprtierea electronilor (efectul de proximitate).

Datorit mprtierii electronilor n rezist i n substrat sunt necesare dozemai mici de electroni pentru zonele compacte dect pentru cele mici, izolate. ninteriorul acestor zone compacte i mai mari, fiecare element de volum este expusi prin intermediul radiaiilor de la elementele vecine, astfel nct doza necesarexpunerii poate fi redus. Fenomenul poart numele de efect de proximitate.Problema este c liniile singulare, izolate, nu mai pot fi obinute.

Efectul de proximitate poate fi corectat prin mprirea geometriilor n zonemai mici i varierea mrimii curentului sau a timpului de expunere. Expunerea cudoze diferite se poate face numai cu ajutorul calculatorului care simuleazmprtierea electronilor n rezist i substrat. Programele sunt foarte complicate inecesit uniti foarte puternice de calcul.

8/12/2019 Curs SMMN

40/95

40

Reducerea efectului de proximitate se poate face prin micorarea mprtieriide revenire. Deoarece numrul de electroni care revin crete cu greutatea atomic amaterialului, se prefer materiale cu greutate atomic sczut (de exemplu Be greutatea atomic 4). De asemenea, numrul electronilor care revin se micoreaz pentru substraturi foarte subiri, deoarece majoritatea electronilor traverseaz

substratul. Pentru a obine structuri cu dimensiuni de ordinul a 10 nm i chiar maimici, se recomand grosimi de substrat de pn la 50 nm.

3.5. Rntgenolitografia

O mbuntire substanial a rezoluiei procesului litografic se poare realiza prin introducerea radiaiei Rntgen (razelor X) pentru expunere, cu =0,22 nm(deci mult mai mic dect a luminii UV - = 200400 nm).

3.5.1. Principiul procesuluiLitografia cu raze X utilizeaz o metod de expunere prin umbrire, cu masc

la scar 1:1, similar cu expunerea optic de proximitate. Pentru o lungime de unda razelor X de 5 i o distan de proximitate de 40 m, limea minim a liniei,este mai mic de 0,2 m. n comparaie cu litografia cu fascicul de electroni, cea curaze X poate avea o precizie mai mare deoarece utilizeaz expunerea paralel, fade expunerea serial a litografiei cu electroni.

Figura 3.10. Schema unei instalaiilitografice cu raze X.

8/12/2019 Curs SMMN

41/95

41

Figura 3.10 prezint schema de principiu a unei instalaii litografice cu razeX. Un fascicul de electroni cu 25 keV i 5 kW, generat de un tun electronic esteincident pe o int de paladiu, care emite raze X cu de 4,4 . Razele X trec printr-o fereastr de beriliu ntr-o camer umplut cu heliu, spre masc i plachet.Heliul din camer mpiedic aerul s absoarb razele X.

Masca de raze X i placheta sunt, mai nti, aliniate una fa de alta (parteastng a figurii 3.10). Apoi ele sunt deplasate spre poziia de expunere (parteadreapt a figurii 3.10).

Litografia cu raze X mai prezint, pe lng rezoluia nalt, i o serie de alteavantaje: eficien mare (3050 plachete/h cu diametrul 200 mm), nu necesitcorecii de proximitate, permite expunerea unor straturi relativ groase de rezist iobinerea unor configuraii cu perei verticali dup developare, este mai puinsensibil la particulele care contamineaz masca, acestea neabsorbind razele X.

3.5.2. Reziti pentru raze XCa reziti pentru raze X se pot utiliza electronorezitii. Aceasta deoareceatunci cnd o raz X este absorbit de un atom, acesta trece ntr-o stare excitat, cuemisia unui electron. Atomul excitat se ntoarce la starea lui iniial prin emisiaunei raze X avnd o lungime de und diferit de cea a radiaiei X incidente.Aceast raz X este absorbit de alt atom i procesul se repet. Deoarece toate procesele au drept rezultat emisia de electroni, un strat de rezist sub iradierea curaze X este echivalent cu unul care este iradiat printr-un numr mare de electronisecundari de la alte procese. Odat ce stratul de rezist a fost iradiat, rezult legturitransversale ale lanurilor sau scindri ale acestora, depinznd de tipul rezistului.

Deci, toi electronorezitii pot fi folosii, n principiu, n litografia cu raze X.Totui, sensibilitatea lor este insuficient pentru obinerea unor rezoluii nalte cu oeficien acceptabil. Sensibilitatea poate fi mrit prin creterea coeficientului deadsorbie a razelor X. Aceasta se realizeaz prin ncorporarea n rezist a unorelemente puternic absorbante, cum ar fi Cl.

3.6. Ionolitografia

Litografia cu fascicul de ioni poate atinge rezoluii mai mari dect ceaoptic, cu raze X sau cu fascicul de electroni. Aceasta provine din absena efectuluide proximitate, datorit masei mult mai mari a ionilor dect a electronilor. Deaceea ionii dau o mprtiere mult mai mic dect electronii. Deoarece adncimeade penetrare a ionilor grei, cu energii sub 1 MeV este de aproximativ 3050 nm,configurarea se poate face numai n straturi foarte subiri.

Instalaia specific nu se deosebete prea mult de cea cu fascicul de electronidect n zona de generare a particulelor. Dac emisia de electroni poate fi asiguratde un catod cald, emisia de ioni este mult mai costisitoare i aceasta explic

utilizarea limitat a acestui tip de litografie. Ionii (H+, He

+ sau Ar

+) pot fi extraidintr-o atmosfer gazoas sau dintr-o faz lichid.

8/12/2019 Curs SMMN

42/95

42

Deoarece ionii grei nu pot fi deflectai att de uor ca electronii, rezistulfolosit trebuie s fie foarte sensibil.

Litografia cu fascicul ionic poate fi folosit att cu tehnici de expunere prin protecie ct i cu cele de expunere direct (fr masc).

Aceast metod litografic este nc n stadiul de dezvoltare iniial. Ea

prezint avantajul major al rezoluiei foarte ridicate (sub 10 nm) i al posibilitiiutilizrii pentru repararea mtilor, deoarece pot fi ndeprtate cele mai mici resturide crom. n viitor ea reprezint o variant demn de luat n seam pentru fabricareastructurilor ultraminiaturizate.

3.7. Tehnici de corodare

Prin corodare sunt ndeprtate straturile expuse de fotorezist de pe plachet istraturile depuse (rezist pozitiv). Metodele de corodare folosite pentru MST trebuie s

fie capabile s ndeprteze materialul cu exactitate , astfel nct s fie obinutestructuri foarte mici, aa cum ar fi striuri , poduri, membrane sau raze, de ordinulmicronilor. O metod de corodare este considerat selectiv, dac dizolv numai unmaterial specific i nu reacioneaz cu alte materiale. O alt proprietate caracteristic acorodrii este c poate produce diferite rezultate n diferite direcii ale materialului procesat. Un proces de corodare este izotropic, dac viteza de corodare este aceeai peorice direcie n material, altfel procesul este anizotropic. Proprietile de selectivitatei anizotropie joac un rol decisiv n realizarea microstructurrii.

3.7.1. Corodarea chimic n soluieCorodarea n soluie, folosit n mod obinuit n microelectronic, poate

produce structurile tridimensionale i de suprafa necesare pentru MST. Soluia decorodare, care poate fi acid sau alcalin, dizolv materialul care trebuiendeprtat. Corodarea se produce prin scufundarea substratului ntr-o baie decorodare sau prin pulverizarea substratului cu soluia de corodare. Dependent custructura materialului sau de soluia de corodare, procesul de corodare umed poatefi izotrop sau anizotrop.

Corodarea izotropDac materialul este amorf sau policristalin, procesul de corodare chimic

umed este ntotdeauna izotrop. Corodarea unui substrat din polisiliciu determinformarea unor caviti cu marginile rotunjite. n acelai timp, corodarea are loc nmic msur i sub stratul de rezist (figura 3.11). n micromecanic, marginilerotunjite nu sunt de dorit, n afar de cazul cnd este necesar obinerea unei bunerezistene la oboseal ntre prile n micare.

Acest fapt limiteaz aplicarea acestei metode n cazul formrii n adncime,n special atunci cnd zona corodat sub rezist depete tolerana privinddimensiunile prii dorite. De aceea, corodarea izotropic umed nu este potrivit pentru o lrgime a cavitii mai mic de aproximativ 2-3 m. n ciuda acestor probleme, corodarea izotrop este folositoare pentru multe aplicaii alemicromecanicii suprafeei, unde straturile individuale ale unui substrat cu maimulte straturi la suprafa sunt corodate selectiv.

8/12/2019 Curs SMMN

43/95

8/12/2019 Curs SMMN

44/95

44

Figura 3.13. Corodarea anizotrop ntr-un monocristal de siliciu.

Cele mai folosite soluii de corodare anizotrop sunt cele alcaline, aa cumar fi hidroxidul de potasiu, hidroxidul de sodiu sau EDP (etilen diamin pirocatechin). Dioxidul de siliciu i nitrura de siliciu sunt cele mai obinuitemateriale folosite ca rezist. Structurile tipice care pot fi obinute prin orientareadiferit a cristalului sunt prezentate n figura 3.14.

Figura 3.14. Structuri de baz care pot fi produse n siliciu: a siliciu (110); b siliciu (100).

Dimensiunile limit care pot fi atinse sunt determinate de metodafotolitografic folosit. Ele sunt, de obicei, suficient de mici pentru a permite producerea unor structuri de caviti compacte n substrat.

3.7.2. Corodarea uscatCorodarea uscat implic expunerea substratului la un gaz ionizat.

Corodarea are loc prin interaciunea chimic sau fizic dintre ionii de gaz i atomiisubstratului. Tehnicile de corodare uscat pot fi folosite pentru structurareaaproape a tuturor materialelor potrivite pentru MNS. Ele sunt, de asemenea,

folosite pentru materiale la care corodarea n soluie este prea dificil, cum ar fi platina sau dioxidul de staniu. Cele mai aplicate tehnici de corodare uscat pot fimprite n trei grupe:

8/12/2019 Curs SMMN

45/95

45

- corodarea fizic prin bombardament ionic (pulverizare) sau cu fascicul de ioni;- corodarea chimic n plasm;- corodarea combinat fizic/chimic.

Corodarea prin bombardament ionic este similar cu tehnica de sablare, darse realizeaz la nivel atomic. n loc de particule de nisip sunt folosii ioni pozitivi,

chimic neutri,de argon, heliu sau xenon. Corodarea are loc ntr-un reactor vid