Procesos de fabricación. Antonio Luque Estepa Dpto. Ingeniería Electrónica
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- María Isabel Carrizo Rivas
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1 Procesos de fabricación Antonio Luque Estepa Dpto. Ingeniería Electrónica
2 Índice Introducción Grabado seco Preparación LIGA Deposición Fotolitografía Grabado húmedo Unión anódica y por fusión Pruebas y mediciones
3 Introducción Procesos de fabricación Adición de material (deposición) Sustracción de material (grabado) Moldeado Fotolitografía Pegado de material Encapsulado Medida y test
4 Proceso general Preparación Fotolitografía Deposición Grabados Medidas Pegado
5 Sala blanca Baja concentración de contaminantes. Ambiente controlado Clasificación (U.S. Federal Standard 209b) Clase 1: 1 partícula por pie cúbico Clase 10: 10 partículas por pie cúbico Clase 100: 100 partículas por pie cúbico etc. Referidas a partículas mayores de 0.5 µm
6 Sala blanca
7 Comportamiento en sala blanca
8 Comportamiento en sala blanca Vestimenta adecuada: traje, guantes, gafas (para proteger a la sala, no a la persona) Vestimenta de seguridad: guantes químicos, careta, protector corporal Plan de trabajo preparado con antelación Seguimiento de los procedimientos normalizados y las normas de seguridad
9 Materiales disponibles Obleas Disoluciones químicas Máscaras (cromo, vidrio, oro,...) Material auxiliar
10 Obleas de silicio y de vidrio
11 Disoluciones más comunes Ácido fluorhídrico (HF) Hidróxido de potasio (KOH) HNO3 + HF (poly etch) H3PO4 + HNO3 (Al etch)
12 Índice Introducción Grabado seco Pasos preparatorios LIGA Deposición Fotolitografía Grabado húmedo Unión anódica y por fusión Pruebas y mediciones
13 Pasos preparatorios Obleas de silicio, vidrio, pyrex, SOI (Silicon on insulator),... Silicio: dopado p/n, SSP/DSP, diámetro 100mm, espesor 380/525 um, orientación <100>/<110>/<111>
14 Obleas de silicio: fabricación
15 Obleas de silicio: manejo Automático
16 Obleas de silicio: manejo Manual
17 Limpieza de las obleas Proceso RCA: limpieza antes de comenzar el procesamiento Paso 1: residuos orgánicos con NH4OH Paso 2: óxido con HF Paso 3: residuos metálicos con HCl
18 Limpieza RCA
19 Limpieza RCA NH4OH HF HCl Secado Agua DI
20 Índice Introducción Grabado seco Preparación LIGA Deposición Fotolitografía Grabado húmedo Unión anódica y por fusión Pruebas y mediciones
21 Deposición de material Se pueden depositar materiales sobre un sustrato desde Líquido Gas Plasma Sólido Proceso térmico para variar sus propiedades
22 Tipos de deposición Física PVD (por ejemplo, sputtering o epitaxial) Química Baja presión LPCVD Con plasma PECVD Presión atmosférica APCVD Por láser etc.
23 Dopado del silicio Difusión térmica, entre 950 y 1280 ºC Ley de Fick de la difusión Poco usado hoy en día en fábricas comerciales Implantación iónica Se pueden implantar más tipos de iones que por difusión Buen control de la concentración Menor coste por oblea
24 Ley de Fick Gobierna la difusión de los dopantes en el Si D coeficiente de difusión C concentración de dopante
25 Oxidación Crecimiento de óxido por calentamiento del Si Se forma una capa de 20 A, que se difunde rápidamente a alta temperatura Si + 2H20 -> SiO2 + H2 (oxidación húmeda) Si + O2 -> SiO2 (oxidación seca)
26 Tipos de oxidación Seca: sin vapor de agua Húmeda: con vapor de agua Pirogénica: con hidrógeno gaseoso
27 Crecimiento del óxido Al oxidar el Si, se pierde parte del mismo El espesor perdido es el 46% del espesor total de óxido
28 Deposición física PVD: Physical Vapor Deposition Los reactores funcionan a baja presión El origen del material a depositar puede ser sólido, líquido o gaseoso Evaporación térmica, epitaxia molecular, deposición por láser, etc.
29 Evaporación térmica Configuración típica de un reactor de evaporación Es importante tener un buen vacío Fuentes de calor: corriente eléctrica, electrones, RF, láser
30 Sputtering Escupir material encima del sustrato El material a depositar se arranca cargándolo negativamente y bombardeándolo con iones positivos de Ar. Ventajas sobre la evaporación Más materiales para depositar Más uniformidad Mejor control del espesor
31 Sputtering Metales Al, Ti, Ta, Pt,... Aleaciones Al+Si, W+Ti,... Dieléctricos SiO2, TiO2,...
32 Epitaxia molecular MBE: Molecular Beam Epitaxy Un cristal calentado se coloca en un flujo de átomos del material a crecer Proceso muy lento Apropiada para pequeños espesores y precisión muy alta
33 Deposición por láser El láser se usa para arrancar material que se deposita en el sustrato Apropiado para depositar materiales complejos (p.e. Superconductores) Proceso lento (1 micra en 6 h)
34 Ion plating Evaporación de un material, e ionización del flujo de átomos para acelerarlos Posibilidad de crear nuevos materiales al vuelo añadiendo un gas a la cámara que reacciona con los iones
35 Deposición química CVD: Chemical Vapor Deposition Los elementos presentes en fase vapor reaccionan al contacto con una superficie caliente (el sustrato) para formar una película sólida A menudo se usa un gas inerte para facilitar el transporte del material
36 Deposición química Mecanismo de la deposición química:
37 Mecanismos en CVD Transporte de los reactantes en el gas Reacciones en fase gaseosa Adsorción de los reactantes en el sustrato Reacciones en el sustrato Transporte de compuestos sobre el sustrato Nucleación de los compuestos depositados Desorción de los productos no deseados Transporte de los productos no deseados
38 CVD: tipos PECVD: Plasma Enhanced CVD APCVD: Atmospheric Pressure CVD LPCVD: Low Pressure CVD VLPCVD: Very Low Pressure CVD ECRCVD: Electron Syncrotron Resonance CVD MOCVD: Metallorganic CVD
39 PECVD Un plasma inducido por RF transfiere la energía a los gases Sustrato horizontal o vertical Control de la temperatura asegura la uniformidad
40 PECVD
41 APCVD De 100 Pa a 10 kpa en torno a la presión atmosférica Usos principales: Si epitaxial, GaAs, InP, HgCdTe Deposición de SiO2 a baja temperatura (LTO: Low Temperature Oxide)
42 LPCVD Menos de 10 Pa Espesor controlado por la reacción, no por el transporte másico Por tanto, se pueden procesar muchas obleas a la vez
43 LPCVD Ejemplos de materiales: polisilicio, nitruro (SiN), nitruro de baja tensión (LSN), óxido de baja temperatura (LTO), vidrio fosfosilicado (PSG)
44 LPCVD Gas Calentadores Puerta Tubo de cuarzo Salida de gas Gas Manómetro Termopar Bandejas de cuarzo Regulación de presión
45 Tensión residual en la deposición La deposición de materiales suele dejar tensiones residuales en la oblea Hay materiales especialmente adecuados cuando la tensión es un problema
46 Índice Introducción Grabado seco Preparación LIGA Deposición Fotolitografía Grabado húmedo Unión anódica y por fusión Pruebas y mediciones
47 Fotolitografía. Pasos Fabricación de la máscara Precalentado Deposición de fotorresina Recalentado Alineación y exposición Revelado Eliminación de fotorresina
48 Fabricación de la máscara Sustrato de cuarzo y cromo Escritura con láser y posterior revelado También es posible la escritura directa en la oblea (sin máscara)
49 Precalentado ºC 20 minutos
50 Deposición de fotorresina Girado a alta velocidad (5000 rpm) durante 30 segundos
51 Recalentado Objetivo: endurecer la fotorresina ºC 25 minutos
52 Alineación y exposición
53 Máscara Fabricadas en cromo y cuarzo Coste aprox. 300 / máscara
54 Alineación
55 Alineación de doble cara
56 Errores en la alineación
57 Revelado
58 Eliminación de fotorresina Eliminación seca (plasma) Eliminación húmeda Descumming en el revelado, con plasma
59 Índice Introducción Grabado seco Preparación LIGA Deposición Fotolitografía Grabado húmedo Unión anódica y por fusión Pruebas y mediciones
60 Grabado húmedo El ataque sobre el material se produce por la acción de un líquido Puede ser: Isotrópico Anisotrópico Grabado en superficie/volumen (surface/bulk)
61 Mecanismo del grabado húmedo
62 Isotrópico/anisotrópico
63 Grado de anisotropía vl velocidad de grabado lateral vn velocidad de grabado normal Se calcula el underetching como
64 Grabado anisotrópico Si orientación <100>
65 Detención del grabado Formas de detener el ataque para no tener que controlar el tiempo Detención electroquímica Dopado p+ Cambio de material
66 Detención electroquímica
67 Grabado húmedo
68 Grabado húmedo
69 Atacantes más comunes Si: HNA (HNO3, H2O, NH4F), KOH SiO2: HF (10:1), HF (49%), BHF Si3N4: H3PO4 (85%) Pyrex: HF (49%), BHF Metales: Piranha (H2SO4, H2O) Orgánicos: Piranha Fotorresina: Acetona
70 Ejemplo de grabado en superficie
71 Ejemplo de grabado en superficie
72 Índice Introducción Grabado seco Preparación LIGA Deposición Fotolitografía Grabado húmedo Unión anódica y por fusión Pruebas y mediciones
73 Grabado seco Grabado de un sólido por un plasma o gas Tipos: Físico: bombardeo de iones Químico: reacción en la superficie Combinación física/química
74 Tipos posibles de perfil
75 Generación de plasma ICP (Inductively Coupled Plasma)
76 Grabado por láser
77 Sobregrabado (overetching) Pérdida de proporcionalidad debida a un ataque isotrópico
78 Overetching En este caso, es mejor el grabado isotrópico para eliminar completamente la fotorresina
79 Índice Introducción Grabado seco Preparación LIGA Deposición Fotolitografía Grabado húmedo Unión anódica y por fusión Pruebas y mediciones
80 LIGA Abreviatura de LIthographie, Galvanoformung, Abformtechnik (Litografía, electroformación, moldeado). Se fabrica un molde grueso de fotorresina de rayos X El molde se rellena con metal El metal puede ser el producto final, o a su vez un molde para plástico
81 Proceso LIGA
82 Proceso LIGA
83 Fabricación de máscara Máscara para rayos X
84 Exposición a rayos X
85 Proceso de moldeado
86 Tipos de moldeado Moldeado a presión Moldeado en vacío
87 Ejemplo de dispositivo en LIGA Conector de fibra óptica
88 Ejemplo de dispositivo en LIGA
89 Índice Introducción Grabado seco Preparación LIGA Deposición Fotolitografía Grabado húmedo Unión anódica y por fusión Pruebas y mediciones
90 Unión anódica y por fusión Unión física de obleas Permite construir dispositivos más complejos Anódica: aplicando potencial eléctrico Fusión: reacción química entre los átomos de las capas externas, aplicando calor Térmica: aplicando calor, con una capa intermedia de otro material
91 Unión anódica Aplicación de potencial eléctrico entre las obleas Pegado de silicio con vidrio
92 Unión anódica
93 Unión por fusión Pegado de silicio con silicio Temperatura de 800 ºC, y presión Atmósfera oxidante
94 Unión térmica Se usa cuando la aplicación de un gran potencial no es posible Pegado menos uniforme que con la unión anódica El material intermedio puede ser vidrio, PSG,...
95 Unión. Equipo
96 Alineación de las obleas a unir
97 Índice Introducción Grabado seco Preparación LIGA Deposición Fotolitografía Grabado húmedo Unión anódica y por fusión Pruebas y mediciones
98 Pruebas y mediciones Perfil Conductividad Espesores de capas Microscopía
99 Profilómetro Medida del perfil Profilómetro de aguja. La dimensión de la aguja impone la característica mínima que es posible medir
100 Conductividad Método de los cuatro puntos Mide la resistividad. Para la resistencia hay que proporcionar el espesor
101 Espesor Método óptico, basado en la reflectividad Mide el espesor de la capa superior, sabiendo cuáles son las inferiores
102 Elipsómetro Medida de espesor
103 Cortado de obleas Proporciona los dispositivos finales, a falta de encapsular Cortado con diamante
104 Microscopía óptica
105 Microscopía electrónica (SEM)
106 Imágenes SEM
107 Imágenes SEM
108 Bibliografía Marc J. Madou, "Fundamentals of microfabrication", CRC Press, 1997 Stephen D. Senturia, "Microsystem design", Kluwer Academic, 2001 Nadim Maluf, "An introduction to microelectromechanical systems engineering", Artech House, 2000
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