półprzewodnikimatel.p.lodz.pl/~mwalczak/mitweie/półprzewodniki45.pdf · 2013. 11. 13. ·...
TRANSCRIPT
2013-11-13
1
Półprzewodniki
16.10.2013 2
Własności półprzewodników Eg< 2 eV ( koncentracja swobodnych elektronów w temp. otoczenia
~108 w cm3)
Konduktywność = 10-7 105 S/m=enu, Zależność konduktywności od
- czystości materiałów
- temperatury - pola elektrycznego - promieniowania ( m.in. detektory światła – InSb, CdSe, PbTe, PbSe
zjawiska elektroluminescencyjne – GaAs, GaP, GaAsP
Zjawiska fluorescencji ( np. II i IV grupy ZnS, ZnSe, ZnTe, CdS, CdSe, CdTe)
w półprzewodnikach samoistnych 1023 atomów w cm3, w Ge w 300K 1013 zjonizowanych atomów w cm3
Półprzewodniki domieszkowe – 1 atom domieszki na 106 atomów półprzewodnika, n- As, Sb, P, Bi, p- B, Al., Ga, In)
(koncentracja i ruchliwość nośników w Cu nnCu~ 8.4 1028 m
-3,
0.005m2/V s, 5.6 107S/m)
16.10.2013 3
Półprzewodniki
german (budulec pierwszego tranzystora),
krzem – najpopularniejszy, monokryształ o strukturze diamentu
arsenek galu.
Materiały te stosuje się w postaci:
odpowiednio zorientowanych płytek monokryształów,
warstw amorficznych ,
polikrystalicznych o różnych orientacjach i wzajemnych relacjach tychże orientacji o wielorakich ich rozmiarach.
Znaczny postęp w dziedzinie sensorów, aktuatorów i układów generacji mocy, wykorzystujących efekty elektrooptyczne, elektrostrykcyjne, termoelektryczne i piezoelektryczne- dzięki nowym kombinacjom własności kierunkowych i charakterystycznych wymiarów mikrostuktur .
16.10.2013 4
Struktura diamentu
16.10.2013 5
Budowa GaAs- siatka
krystaliczna blendy cynkowej Materiał przyszłościowy
Ruchliwość 2-3 razy większa niż w Si
Nadaje się do częstotliwości do THz
Niebezpieczny dla człowieka
Krystalizuje- siatka regularna blendy cynkowej
Nie tworzy naturalnych tlenków- trudniejszy w produkcji
MOS
electronicdesign.com
korean.alibaba.com
Oklahoma State University School
16.10.2013 6
Zmiany własności powierzchniowych poprzez
zwiększenie powierzchni materiałów w wyniku
modyfikacji ziaren krystalicznych i zwiększenia
porowatości zwiększają wydajność materiałów w
wytwarzaniu energii elektrycznej (konwersja światła na
energię w barwnikowych ogniwach słonecznych) i
ochronie środowiska ( np. w wyniku fotodegradacji
zanieczyszczeń).
2013-11-13
2
16.10.2013 7
Przyczyny stosowania Si
Łatwiejsze wytwarzanie pierwiastków niż związków
Temperatura topnienia Ge 9370C nie pozwala na procesy wysokotemperaturowe
dostępność piasku- SiO2
SiO2- dielektryk stabilny elektrycznie, mechanicznie i chemicznie- baza technologiczna dla Si
większe pasmo zabronione dla Si- wyższa dopuszczalna temperatura
możliwości łatwej zmiany konduktywności przez domieszkowanie- własności zmieniane od dielektryka do przewodnika
czystość rzędu 1010 domieszek w cm3
hodowla i cięcie na wafle gładkość powierzchni <200 nm 2.3.2013 8
http://www.chemicalelements.com
SemiconductorPeriodic TablePeriodic Table
6
2.3.2013 9
Szerokość pasma zabronionego w niektórych
półprzewodnikach
Półprzewodnik Eg
eV
nn
m-3
n
m2/Vs
p
m2/Vs
S/m
gęstość
kg/m3
r
Te 0.33
Ge 0.7 1.71019
0.42 0.21 1.7
Si 1.1 1.01016
0.13 0.05 2,9 10-4
Se 1.6
PbS(AIV
BVI
) 0.35-
0.39 0.064 0.08 17
InAs 0.36
GaSb 0.68 0.05 0.085 5600 14
GaP 2.24 0.03 0.01
0.015[3] 4.13 8.5
AlSb 1.49 0.02 0.02 4260 10.1
GaAs 1,38 9.11012
0.60
0.86[1]
0.03
0.025[1]
0.04[3] 9.1 10
-7 5320 11.1
InP 1.27 0.053 0.065
InSb 0.17(0.7
[1]) 8 0.7 210
-4[3] 5770 15.7
AIII
BV
ZnS 3.6 0.01 4090 5.13
CdS 2.4 0.0295 0.001 4840 11.6
CdSe 1.7 0.055 5740 11.3
CdTe 1.5 0.06 0.005 5860 11
HgSe 0.6 1.85 8260 5.8
HgTe 0.02 1.6 0.016 8200
AIIB
VI
ZnTe 2.26 0.03 0.01[3]
16.10.2013 10
Szerokość pasma zabronionego w niektórych
półprzewodnikach (c.d.)
ZnS 3.6 0.01 4090 5.13
CdS 2.4 0.0295 0.001 4840 11.6
CdSe 1.7 0.055 5740 11.3
CdTe 1.5 0.06 0.005 5860 11
HgSe 0.6 1.85 8260 5.8
HgTe 0.02 1.6 0.016 8200
AIIB
VI
ZnTe 2.26 0.03 0.01[3]
Struktura pasmowa – półprzewodniki
2.3.2013 12
Ruchliwość elektronów jest ok. 2- krotnie większa niż ruchliwość dziur, a obie nie zależą od natężenia pola elektrycznego w dość szerokim zakresie.
Domieszkowanie GaAs może być dokonane pierwiastkiem grupy VI układu okresowego dla typu n lub grupy II- jako akceptorem(typu p). Natomiast pierwiastki grupy IV mogą być donorami lub jeśli są w małej koncentracji- akceptorami [1].
Ogólnie domieszkowanie powoduje nadmiar jednego rodzaju nośników- dziur- w przypadku domieszki akceptorowej ( typu p) i elektronów- w przypadku domieszki donorowej. Na następnym slajdzie przedstawiono barwy światła, które może zostać wygenerowane przy różnych wartościach energii przerwy zabronionej kryształu półprzewodnika
2013-11-13
3
2.3.2013 13 2.3.2013 14
Zależność szerokości pasma
zabronionego i długości fali światła
promieniowanego
Współczynniki dyfuzji i zależność Einsteina
Ge - Dn=93 cm2/s, Dp=44 cm2/s,
Si - Dn=38 cm2/s, Dp=13 cm2/s
kT
eDu
2.3.2013 15
Wytwarzanie półprzewodników Wymagania materiałowe
Mała szerokość pasma zabronionego
Łatwość wprowadzania domieszek – kontrolowana rezystywność w granicach 10-1 – 105 m
Energia aktywacji domieszek (1…5)10-2eV
Duża ruchliwość nośników ładunków ~>1000cm2/Vs
Długi czas życia nośników (10….1000s)
Możliwość uzyskiwania materiału wyjściowego o odpowiedniej czystości
Możliwość uzyskiwania struktury monokrystalicznej umiarkowanym nakładem kosztów
Trwałość chemiczna w normalnych warunkach klimatycznych
Dobre własności mechaniczne ( wytrzymałość, twardość)
Łatwość wykonywania wyprowadzeń
2.3.2013 16
Si Barwa ciemno-szara ,
gęstość 2,4 g/cm3. Temperatura topnienia 1420ºC. Odporny na działanie kwasów (wyjątek stanowi kwas azotowy). Rozpuszcza się w zasadach. Jest jednym z najbardziej rozpowszechnionych pierwiastków w przyrodzie - w związkach chemicznych, np. SiO2 (krzemionka) [5] http://pl.wikipedia.org/wiki/Plik:SiliconCroda.jpg
2.3.2013 17
Otrzymywanie Si
SiO2+ 2C 2CO + Si
3SiO2 +4Al 2Al2O3 + 3Si – ( krzem
metalurgiczny 1…2% zanieczyszczeń)
Topienie strefowe 10-3…10-5ppm ( 1 atom
zanieczyszczeń na 109…1011 atomów siatki
krystalicznej)
Utlenianie i redukcja
Si + 2HNO3 SiO2 + H2 + 2NO2
2.3.2013 18
Współczynniki rozdziału
pierwiastków w Ge i Si k=CS/CL
Symbol Si Ge Symbol
Si Ge
Si
Ge
Cu
Ag
Au
Zn
1
0.3
4 10-4
3 10-5
3
1
1.5 10-5
10-5
2 10-5
1 10-1
Sn
P
As
Sb
Bi
Pt
0.02
4 10-2
7 10-2
1.8 10-2
10-5
0.02
1.2 10-1
4 10-2
3 10-3
4 10-5
10-6
B
Al
Ga
In
Tl
0.68
1,6 10-3
4 10-3
3 10-4
ok..20
1 10-1
10-1
1.1 10-3
4 10-5
Cr
Fe
Ni
Ta
W
10-5
10-7
10-5
2 10-6
2 10-6
5 10-6
2013-11-13
4
2.3.2013 19
Hodowla monokryształów
Czochralskiego Bridgemana
Stockerbargera
2.3.2013 20
Inne metody
Pozioma B. beztyglowa
2.3.2013 21
http://www.amberwave.com/technology
2.3.2013 22
Charakterystyki prądowo-
napięciowe
dla dwu tranzys-torów
MOS ze średnią
mikronie-równością
powierzchni 0.6 nm –
linia przerywana i 0.3
nm – linie ciągłe.
2.3.2013 23
Zależność między ruchliwością elektronów w
kanale od mikronierówności międzypowierzchni
Si-SiO2
otrzymanej dla obszaru
nasycenia prądowego. Po-
dano również sto-sunek
ruchliwości ogólnej
elektronów do kanałowej.
(T.Ohmi et al.”Dependence of
Thin Oxide Films Quality on
Surface Microroughness”IEEE
Trans.Electron. Dev.,39, 537 (1992))
2.3.2013 24
Płaszczyzny krystalograficzne
aSi= 2,1Å, aGe = 1.22 Å
2013-11-13
5
2.3.2013 25
Cięcie monokryształów
Piły o cięciu zewnętrznym i
wewnętrznym: 1- tarcza z nasypem
proszku diamentowego, 2 nakładki
usztywniające, 3- cięty monokryształ,
4- bęben napinający, 8 – śruby
napinająco-mocujące piłę na bębnie
a) Cięcie taśmą
stalową,
b) Tarczą
zewnętrzną z
nasypem
diamentowym
c) wewnętrzną z
nasypem
diamentowym
d) Drutem sea-saw 2.3.2013 26
Naprężenia w płytkach
Odkształcenie plastyczne- zwężenie przerwy zabronionej
2.3.2013 27
Zależność strat materiału od
szerokości szczeliny cięcia dla
różnych grubości materiału
2.3.2013 28
Pomiary kontrolne po cięciu
Tolerancji grubości i płaskości płytek
Ugięcia płytek
Pomiar grubości warstwy uszkodzonej
Obserwacje powierzchni i krawędzi płytek ( brak
rys, wykruszeń, odprysków)
2.3.2013 29
Cięcie laserowe gotowych płytek
bardzo mała strefa uszkodzona (gł. szczątkowe naprężenia cieplne < kilku µm);
do ciecia płytek grubości do kilku mm;
w atmosferze ochronnej lub próżni;
wielkość naprężeń i ich głębokość maleje ze spadkiem mocy P i czasu trwania impulsów τi ale np. przy jednakowym rozstawie otworów = 100µm:
CO2 , P= 50 W, τi = 2 ms → siła łamiąca płytkę F= 3 N (34.5 ·103 N/cm2);
CO2, P = 75 W, τi = 0.2 ms → siła łamiąca płytkę F= 11.8 N (64 ·103 N/cm2).
2.3.2013 30
Cięcie płytek krzemowych laserem
impulsowym
szybkość [mm/s] fi [kHz] Pśr [W] ciągu impulsów
głębokość nacięcia [µm]
200 35 5.3 50
150 25 5.2 62
100 20 5.1 73
75 18 5.1 85
50 15 5.0 107
2013-11-13
6
2.3.2013 31
Szlifowanie i polerowanie
Cel:
Zdjęcie warstwy uszkodzonej
Otrzymanie wymaganej płaskorównoległości
Nominalnej grubości płytek
Wymaganej chropowatości po szlifowaniu
Proszki szlifierskie
SiC, BC, Al2O3, BN, proszki diamentowe
III (12-15μm,6...8 μm, 3 μm), II (10....12 μm i 5 μm
μ
2.3.2013 32
Zanieczyszczenie metalami Gęstość 15 nm defektów na cm2
Fe Al Ca
Cu Zn
Bezpośrednie wiązanie z krzemem silniej_ Au, Pt, Ag, Hg, Cu;
utleniane razem z Si- Al, Cr, Fe, Zn, Ca – usuwane HF 0.5%-H2O2 10%
2.3.2013 33
Czyszczenie
RCA- mycie w płuczkach ultradźwiekowych
1) (NH4OH:H2O2:H2O) (1/1/5) do 0.05:1:5 80-90oC przez
10 min. – usuwanie cząstek organicznych i metali
2)Płukanie w wodzie dejonizowanej, temp. pokojowa
3)H2O/HF 50:1 temp. pokojowa – czyszczenie tlenków –
zdejmowanie cienkiej warstwy SiO2, na której mogłyby się
gromadzić jony metali
4) Płukanie w wodzie dejonizowanej, temp. pokojowa
5) (HCl:H2O2:H2O) (1/1/6),80-90°C for 10 min. SC2
usuwanie jonów alkalicznych i metali
6) Płukanie w wodzie dejonizowanej, w temp. pokojowej
2.3.2013 34
Zależność zanieczyszczenia Al
od zawartości w SC1
2.3.2013 35
Marki monokryształów krzemu
a) (111)typ p b) (100) typ p, c) (111) typ n, d) (100) typ n
2.3.2013 36
Tendencje rozwojowe
2013-11-13
7
16.10.2013 37
Koszty 0.25 μm 200-mm technologii
CVD PVD
24 23
2,5 mln $ 3,5 mln $
60mln $ 81 mln $ 141 mln $
aparatura wywołująca obróbka fotorezystu całkowity koszt fotolitografii
54 54
6,5 mln $ 2, 5mln $
351 mln $ 108 mln $ 459 mln $
trawienie czyszczenie polerowanie chem.- mechaniczne
55 30 20
3,4 mln $ 0,6 mln $ 1,2 mln $
184 mln $ 18 mln $ 24 mln $
całkowite 1564 mln $
16.10.2013 38
16.10.2013 39
Wymagania 1960 1975 1990 1996
Średnica płytki mm 12-25 75-100 150 200
Rozrzut rezystywności
po promieniu
30 15-12% Bm
Gęstość dyslokacji
/cm2
50 000 <500 Defekty ~0.12 μm ~0.28D/cm2
Inne ~0.004D/cm2
Średnia chropowatość 0.5μm niemierzalne
Rozmiar chipu
Ciężar
200g
0.3 cm2
12 kg
0.9cm2 2cm2
Kilkadziesiąt
kg
Etapy procesu 20-30 300 500
zanieczyszczenia >1000ppb 50 1
0.1 ppb, mini-otoczenie ppb- part per billion- części na miliard 16.10.2013 40
Minimalna gęstość defektów w technologii DRAM Rodzaj technologii DRAM 4 M 16M 64M 256M wymiar charakterystyczny
µm 0.8 0.5 0.35 0.25
warstwa krytyczna 9 10 11 13 krytyczny rozmiar cząstek,
µm 0.12 0.09 0.05 0.03
rozmiar defektu niszczącego µm
0.27 0.18 0.1 0.06
gęstość defektów niszczących D/cm2
0.50 0.40 0.32 0.22
gęstość defektów 0.12 µm D/cm2
2.53 0.90 0.22 0.055
gęstość defektów na poziom krytyczny 0.12 µm,
D/cm2
0.28 0.09 0.02 0.004
współczynnik zmniejszenia zdefektowania
1 3 14 65
2.3.2013 41
Klasy czystości - definicje metryczne w FED STD
209E
Liczba cząstek w m3
Klasa 0.1 m 0.2 m 0.3 m 0.5 m 5 m
M1 3.5102 7.57101 3.09101 1.00101
M1.5 1.24103 2.65102 1.06102 3.53 101
M2 3.5103 7.57102 3.09102 1.00102
M2.5 1.24104 2.65103 1.06103 3.53 102
M3 3.5104 7.57103 3.09103 1.00103
M3.5 2.65104 1.06104 3.53 103
M4 7.57104 3.09104 1.00104
M4.5 3.53 104 2.47 102
M5 1.00105 6.18 102
M5.5 3.53 105 2.47 103
M6 1.00106 6.18 103
M6.5 3.53 106 2.47 104
M7 1.00107 6.18 104 16.10.2013 42
Clean room
ED
EG
03.196.3
03.196.3
Stanowisko technologiczne
• architektura
•zasilanie
•elektryczność i komunikacja
•czyste pomieszczenia i HVAC
•centralne uzbrojenie (np. instalacja wodna)
•uzbrojenie procesu
•ochrona środowiska i bezpieczeństwo
2013-11-13
8
2.3.2013 43
2.3.2013 44
Źródła i odpowiednie efekty różnych zanieczyszczeń Zanieczyszczenie Możliwe źródło Efekt
cząstki elementarne aparatura, otoczenie, gaz dejonizowana woda,
chemikalia
niskie napięcie przebicia tlenku, mała wytrzymałość
spowodowana krzemem polikrystalicznym i metalowym
mostkowaniem
metal aparatura, chemikalia, trawienie reaktywnymi
jonami RIE, spopielanie implantacyjne
niskie napięcie przebicia, upływność złącza, zmniejszenie
czasu życia nośników mniejszościowych, powstawanie
stanów szybkich – wzrost rekombinacji powierzchniowej,
przesunięcie napięcia progowego, zachwianie
stabliności układu Si-SiO2
powstawania defektów w procesie fotolitografii
organiczne pary w pomieszczeniu pozostałości fotorezystu, pojemniki magazynowe,
chemikalia, warstwa tłuszczy związana z
cząstkami kurzu i sadzy
zmiana szybkości utleniania, zmiana profilu dyfuzji, zachwianie równowagi
stabliności układu Si-SiO2
powstawania defektów w procesie fotolitografii , zmiana
adhezji naparowywanych metali do podłoża
mikrochropowatości, nieważne przy tlenkach
bramki > 200A w technologii 0.7 µm, istotne dla tlenków
bramki >100A w technologii 0.35µm i
mniejszej
wyjściowy materiał na płytki, chemikalia
niskie napięcie przebicia tlenku, mała ruchliwość nośników,
zmiana ID= f(USD)
tlenki rodzime wilgoć otoczenia, płukanie wodą dejonizowaną
rozkład tlenku bramki (degradacja), niska jakość,
warstwy epitaksjalnej, wysoka rezystancja styku, słabe
tworzenie krzemków
2.3.2013 45
Liczba cząstek w ml w chemikaliach
stosowanych w technologii ULSI
>=0.2 m >=0.5 m
NH4OH 130-240 15-30
H2O2 20-100 5 - 20
HF 0-1 0
2.3.2013 46
Reakcje trawienia
Si+ 2KOH +H2O K2SiO3+ 2H2 – zależy od
orientacji krystalograficznej
3Si + 4HNO3+ 18HF 3H2SiF6+4 NO+8 H20
Wybór odpowiedniego roztworu jest
podyktowany jego zdolnościami
roztwarzającymi, które zależą od składu
mieszaniny
16.10.2013 47
Trawienie suche
Plazma niskotemperaturowa(~104K)-plazmotron-
jony cząsteczkowe o składzie niemożliwym dla
zwykłych cząsteczek i nietrwałe w normalnych
warunkach
Dry etching- trawienie submikron.
Reaktywnymi jonami
Rozpylanie- trawienie plazmowe (fluoropochodne
węglowodorów) 10-3 Tr, gęstość 109-1012 cząstek w cm3
Trawienie wiązką jonową
16.10.2013 48
Wady
2013-11-13
9
2.3.2013 49
References
MATERIAŁY PRZEWODZĄCE I PÓŁPRZEWODNIKOWE
(materiały pomocnicze do Technologii i Materiałoznawstwa
Elektronicznego)
- Ryszard Jarzyna
16.10.2013 50
Nanorurki
rurka z powierzchni grafenu zamknięta półsferą fullerenu C60, przy czym stosunek długości do jej średnicy jest rzędu kilku 1000. Wielościenne nanorurki są utworzone przez cylindry koncentryczne. Są to struktury wynitnie sztywne, a zarazem plastyczne. Rurka jednościenna ma moduł Younga rzędu terapascali 1 TPa= 103 GPa przy odkształceniu przy zerwaniu od 5% do 20% [3]. Poza tym nanorurki mają bardzo mała gęstość. Przewiduje się ich zastosowanie do wzmacniania cementu. Własności elektryczne wahaja się od metalicznych do półprzewodnikowych w zależności od orientacji komórek heksagonalnych w stosunku do osi nanorurki [3].
Takie nanorurki mogą służyć do produkcji emiterów polowych w płaskich monitorach komputerowych i telewizyjnych kolorowych. Produkcja takich wyświetlaczy powinna być tańsza i pobór mocy mniejszy niż w przypadku wyświetlaczy ciekłokrystalicznych czy ekranów CRT. Przewiduje się też, że z nanorurek można będzie wytwarzać diody i tranzystory [3].
16.10.2013 51
Nanorurka Si
16.10.2013 52
Domieszkowanie
półprzewodników Domieszkowanie półprzewodników nie tylko
wprowadza dominację jednego rodzaju nośników ale
również zmniejsza przerwę zabronioną. Typowa
koncentracja półprzewodników domieszkowych wynosi
ok. 1 atom domieszki na 106 atomów półprzewodnika
tworzącego monokryształ, przy czym w celu uzyskania
półprzewodnika typu n dodaje się As, Sb, P, Bi,
natomiast p- B, Al., Ga, In. W tabeli 4.3 podano
przykładowe rodzaje domieszek i odpowiadające im
energie jonizacji.
16.10.2013 53
Energia jonizacji
eV Pierwiastek
domieszki
Akceptor
/donor
Ge Si
B A 0.0104 0.045
Al A 0.0102 0.057
Ga A 0.0108 0.065
In A 0.0112 0.160
P D 0.0120 0.044
As D 0.0127 0.049
Sb D 0.0096 0.039
Bi D - 0.069
16.10.2013 54
Domieszkowanie GaAs może być dokonane pierwiastkiem grupy VI układu okresowego dla typu n lub grupy II- jako akceptorem(typu p). Natomiast pierwiastki grupy IV mogą być donorami lub jeśli są w małej koncentracji- akceptorami [1].
Ogólnie domieszkowanie powoduje nadmiar jednego rodzaju nośników- dziur- w przypadku domieszki akceptorowej ( typu p) i elektronów- w przypadku domieszki donorowej. Na rysunku 4.5. przedstawiono krzem, german i arsenek galu z możliwymi domieszkami obu typów i odpowiadające tym domieszkom poziomy.
2013-11-13
10
2.3.2013 55
Możliwe domieszki i odpowiadające
im poziomy energetyczne w eV w
krzemie,
Poradnik Inżyniera Elektronika WNT W-wa pod red. prof.. B. Paszkowskiego
ED
EA
Środek pasma
zabronionego
Li Sb P As S Bi Ag
0.18
O
0,39
0,35
A
0,045
0,057
0,16 0,065
0,55
0,26
0,35
0,54
A
0,31
B Al Tl In
0,37
0,24
0,52
0,22
Zn Cu
0,37
0,40
Au Fe
0,03
0,55
Co
Ni
0,33
Hg
0,34
Pt
0,37
0,36
0,33
Si
0,033
Ga
0,039 0,044 0,049
0,18 0,069
Mn
D
D
D
0,53
2.3.2013 56
Możliwe domieszki i odpowiadające
im poziomy energetyczne w eV w
germanie
Poradnik Inżyniera Elektronika WNT W-wa pod red. prof.. B. Paszkowskiego
Środek pasma
zabronionego
0,095 0,096 0,012 0,013
Li Sb P As
0,18
0,18
S Cu Ag Au Se
0,26
A
0.09
A
0,29
A
0,04
A
0,20
A
0,01 0,01
0,01 0,011 0,011
0,07
0,04
0,02
0,13 0,15
A
0,05D
B Al Tl Ga In Be
0,09
0,03
0,16
0,05
Zn Cd
0,37
A
0,16
Mn Fe
0,27
A
0,35
Co
0,31
A
0,25
Ni
0,30
A
0,22
Hg
0,23
0,83
Pt
0,20
A
0,04
Cr
0,12
0,07
0,14
0,26
ED
EA
Ge
2.3.2013 57
Możliwe domieszki i odpowiadające
im poziomy energetyczne w eV w
arsenku galu
Poradnik Inżyniera Elektronika WNT W-wa pod red. prof.. B. Paszkowskiego
ED
EA
Środek pasma
zabronionego
Te Si O
Cr
0,026 0,012
0,019 0,23 0,021
0,21
0,024
0,023
0,70
0,37
0,24
Mg C Mn Li
0,08
0,52 0,51
Zn Cu
0,023
Ge Fe Li Co
Ge Se
0,006
0,53
Ga As
0,003
Cd
Sn
0,15 0,143
Płytkie poziomy
Ni Si
0,63
D
0,16 0,096
0,002
D
2.3.2013 58
Krzem naprężony
Oprócz chemicznej modyfikacji własności krzemu głównie za pomocą domieszek przeprowadza się też modyfikacje fizyczne- np. poprzez wzrost epitaksjalny krzemu na podłożu o nieco innej stałej sieci krystalicznej. Właściwym podłożem do hodowania tego typu kryształów jest krzemek germanu SiGe, a na rys. 4.6. przedstawiono przykładowe stałe sieci krystalicznej. Krytyczna grubość warstwy epitaksjalnej ( zdolnej do elastycznej akomodacji) hC rośnie z maleniem temperatury epitaksji. Liczba warstw takiego krzemu nie może być zbyt duża, więc takie warstwy nie przekraczają kilkuset nm. Tej grubości krzem jest elastyczny i może znajdować zastosowanie w czujnikach np. nacisku. Dodatkową zaletą tego typu krzemu jest zwiększona ruchliwość nośników, co pozwala stosować tak wyprodukowane elementy prze znacznie wyższych częstotliwościach ( 100 GHz). Dzięki zwiększonej odległości między atomami Si w stosunku do typowej stałej siatki krystalicznej, siły międzyatomowe zostają nieco zredukowane i elektrony poruszają się ok. 70% szybciej, skracając czas przełączanie tranzystorów o ok. 35%.
16.10.2013 59
Przykładowe podłoża w procesie
epitaksji
Podłoże Typ siatki Stałe sieci
[Å] (obj.)
[10-6
/oC]
W/mK
Ttopn
[K]
Si R 5.43 4.2 (293-1473
K)
87.736
(293K) 1693
SiO2 H 4.9
5.39
8.0...13.4
(273-353 K) 1698
Al2O3 H 4.75
12.95
9.0
(293- 1473 K)
27.214
(373 K) 2303
B2O H 2.7
4.39
9.5
(293- 1473 K) 2858
MgO R 4.2 14.4
(293- 1473 K) 2915
Al2O3MgO R 8.0 8.8
(293- 1473 K)
2303...
2333
CaF2 R 5.45 2.4
(293-333 K)
12.56
(302 K) 1633
16.10.2013 60
Luminescencja
Absorbowanie energii i emitowanie jej w postaci
kwantów promieniowania widzialnego (foto-, elektro- i
chemi-);
Fluorescencja- jeśli pobudzenie luminoforu i emisja zachodza w
czasie ~10-8 s
Fosforescencja- jeśli emisja utrzymuje się po usunięciu źródła
pobudzającego
Skład luminoforów
– tlenki lub siarczki Zn, Ca, Cd, Mg, Be, W, Si
0.1-1% aktywatorów – Mn, Fe, Ag, Cr, Th
obecnie: CaHPO4, CaCO3, MnCO3, CaF2, Sb2O3, NH4Cl
2013-11-13
11
16.10.2013 61
Luminescencja (c.d.)
Katodoluminescencję wykorzystujemy do budowy ekranów kineskopów (CRT- cathode ray tube i TCRT- thin CRT), przy czym fluorescencję – do zwykłych monitorów i lamp oscyloskopowych, natomiast fosforescencję w specjalnych lampach oscyloskopowych o długiej poświacie.
Zjawiska elektroluminescencyjne są wykorzystywane w GaAs, GaP oraz GaAsP
Zjawiska fluorescencji ( np. II i IV grupy ZnS, ZnSe, ZnTe, CdS, CdSe, CdTe)
w półprzewodnikach samoistnych 1023 atomów w cm3, w Ge w 300K 1013 zjonizowanych atomów w cm3
Rodzaje montażów:
Montowanie struktur
z kontaktem sferycznym ( flip- chip connection C4)
Połączenie lut – kulka w płycie montażowej BGA ( ball- grid array)
Montaż obudów układów scalonych, rezystorów , kondensatorów i przewodów do płytki drukowanej (PCB)
Flip-chip PBGA
Wymagane odstępy
między
wyprowadzeniami w
opakowaniu Motoroli
osiągają 150 µm (20.6.
2000r.)
Pola lutownicze
Rodzaje technologii w produkcji
masowej:
PTH – montaż do płytek z platerowanymi otworami
(plated- through –hole, przewlekane z otworami izolowanymi) – wyprowadzenia układów mikroelektronicznych są wkładane w otwory na płytce, a połączenia są wykonane między otworem a płytką drukowaną PCB
SMT – montaż powierzchniowy ( surface mount technology) – urządzenia mikroelektroniczne w obudowie są montowane bezpośrednio na powierzchni płytki drukowanej.
SMT- surface mount technology
Wszystkie metody projektowania i wykonywania połączeń bez dziur na wyprowadzenia
Cele
Redukcja wielkości, - rozmiarów i wagi płytki drukowanej
Redukcja liczby warstw w płycie
Redukcja długości ścieżek w celu skrócenia czasu przesyłania sygnału i zwiększenia szybkości działania
Redukcja kosztów montażu poprzez automatyzację procesu
Przeprojektowanie z technologii THT (Through - Hole Technology) z zachowaniem jakości i niezawodności- nie zawsze możliwe
2013-11-13
12
Zalety SMT :
duża gęstość upakowania, dzięki wyeliminowaniu
większości otworów jak również dzięki wykorzystaniu
obu powierzchni płytki drukowanej do umieszczania
elementów;
mniejsze odstępy między środkami wyprowadzeń,
możliwość montowania mniejszych elementów niż w
konwencjonalnej technologii PTH
redukcja zajmowanej objętości przez cały system.
Wymagania stawiane połączeniom między
elementami a PCB:
możliwości łączenia wyprowadzeń w niewielkich
odległościach wzajemnych ;
dobre własności elektryczne połączenia;
dobre własności mechaniczne – wytrzymałość
mechaniczna i odporność na udary;
dobre własności cieplne.
www.ibesmt.com ;
www.dataed.com.cn
Procesy fotolitograficzne
Projekt układu
Generator wzoru
Zapis
bezpośredni
Światłem Jonami
Elektronami
Płytka
półprzewodnikowa
Maski
wiązka el. jonów X
światłem
widzialnym
580-600nm
Urządzenia optyki klasycznej Kontaktowo
Zbliżeniowo (10-20m)
Projekcyjne – większa rozdzielczość
uv
maska
zwierciadło zwierciadło
obiektyw
płytka krzemowa
2013-11-13
13
Fotolitografia pozytywowa,
negatywowa
vlsi.imio.pw.edu.pl
Projektor
wiązki
elektro
nów
W litografii zsynchronizowanej fazowo-przestrzennie (SPLEBL) wiązka elektronów (e-beam) jest skierowana bezpośrednio na
siatkę podstawową (fiducial grid) na podłożu. Sygnał okresowy siatki (grid signal), tworzony przez współdziałanie wiązki
elektronów z siatką, stosuje się do śledzenia położenia wiązki
elektronów tak, że zapisany wzór (written pattern) jest umieszczony
w odniesieniu do siatki. Przestrzenny odstęp siatki p może być 200 nm lub mniej