Oxidace silikonu je komplexní proces, který závisí na mnoha faktorech, jež určují rychlost růstu oxidu. V tomto procesu se oxidanty, především kyslík (O2), dostávají do kontaktu s povrchem silikonu, čímž vzniká silikonový oxid (SiO2). Rychlost této reakce je řízena množstvím oxidantů dostupných u rozhraní mezi oxidem a samotným křemíkem. Tento mechanizmus může být popsán pomocí několika klíčových rovnic, které se opírají o teorii transportu a chemických reakcí.

Základní dynamiku oxidace silikonu lze popsat jako součet několika toků: tok oxidantů v plynném stavu (F1), tok, který je řízen difuzí oxidantů skrz oxid (F2), a tok oxidantů, které jsou spotřebovány samotnou reakcí na rozhraní mezi oxidem a křemíkem (F3). Toky F1 a F2 mohou být považovány za konstantní, zatímco F3 je přímo úměrný koncentraci oxidantů na tomto rozhraní (Cs), což je popsáno vzorcem F3=ksCsF_3 = k_s C_s, kde ksk_s je konstanta rychlosti povrchové reakce. Tento výraz zohledňuje několik chemických procesů, které probíhají na rozhraní Si/SiO2, včetně štěpení vazeb Si-Si, tvorby vazeb Si-O a následného přeměnění molekul kyslíku (O2 → 2O).

V podmínkách ustáleného stavu, kde všechny tři tokové složky jsou vyrovnané, lze tyto procesy zjednodušit na rovnici, která vyjadřuje vztah mezi koncentrací oxidantů a rychlostí růstu oxidu. Výsledná rovnice ukazuje, že růst oxidu je přímo úměrný fluxu oxidantů a koncentraci na rozhraní, což vede k diferenciální rovnici pro tloušťku oxidu v závislosti na čase.

K dalšímu upřesnění vztahu mezi tloušťkou oxidu x0x_0 a časem oxidace tt slouží kvadratická rovnice, která po integraci poskytuje analytický vztah mezi těmito veličinami. Výraz pro tloušťku oxidu je ve formě x02+Ax0=B(t+τ)x_0^2 + A x_0 = B (t + \tau), kde τ\tau zohledňuje počáteční tloušťku oxidu. Tento parametr je důležitý pro korekci při analýze tenkých vrstev oxidu v suché oxidaci, kde může být pozorován abnormální růst.

Rychlost růstu oxidu také závisí na teplotě. S rostoucí teplotou se zvyšuje rychlost oxidace, což je dáno změnami v hodnotách parametrů BB a B/AB/A, které se řídí Arrheniovou rovnicí. Aktivace oxidace je tedy silně závislá na teplotě, což potvrzuje experimentální výzkum, kde byly nalezeny různé hodnoty aktivační energie pro různé prostředí (například pro O2 a H2O). Teplotní závislost těchto parametrů je důležitá pro přesné modelování oxidace a odhadování tloušťky oxidu při různých pracovních podmínkách.

Vedle základních chemických procesů oxidace, které lze modelovat rovnicemi, existují také technologické aspekty, které ovlivňují konečnou kvalitu oxidovaných vrstev. Mezi klíčové faktory patří například použití metod chemické depozice z páry (CVD), kdy dochází k přenosu tepla a hmoty na povrch substrátu. Tento proces je ovlivněn různými parametry, jako je teplota, tlak nosného plynu a rychlost plynu. Optimální nastavení těchto parametrů je nezbytné pro dosažení požadované kvality oxidu, což může mít zásadní vliv na vlastnosti takových vrstev v elektronických a optických zařízeních.

Dalšími technologickými metodami, které se používají k vytvoření tenkých vrstev, jsou sputtering (přímé depozice iontů na substrát) a litografie, která je klíčová pro přesný přenos vzoru na povrch. Sputtering je fyzikální proces, kdy jsou ionty urychlovány směrem k cílovému materiálu a vytvářejí depozici na substrátu. Tento proces je řízen především energií RF, tlakem v komoře a vzdáleností mezi elektrody. Depozitní vrstva je často amorfní, což vyžaduje následné žíhání pro dosažení krystalické struktury.

Je důležité mít na paměti, že růst oxidu silikonu není jen funkcí teploty a koncentrace oxidantů, ale i samotného procesu depozice a etchingových technik, které mohou výrazně ovlivnit mikrostrukturu výsledné vrstvy. Každý z těchto procesů má svá specifika a může být optimalizován pro konkrétní aplikace v mikroelektronice, fotonice a dalších pokročilých technologiích.

Jakým způsobem se vyrábějí MEMS obvody a co je důležité pro jejich spolehlivost?

V oblasti výroby MEMS (mikroelektromechanických systémů) se používá několik klíčových technik pro formování mikrostruktury, které zahrnují procesy jako litografie, leptání, a odstranění rezistního materiálu. Každý krok v procesu výroby MEMS ovlivňuje konečnou funkčnost a spolehlivost zařízení, přičemž důležitými faktory jsou také vlastnosti použitých materiálů, například křemíkové nitridy a oxidy. Tyto materiály mají specifické vlastnosti, které jsou nezbytné pro stabilitu a výkon MEMS obvodů, především při nízkých teplotách, jak tomu bývá u zařízení určených pro kryogenní podmínky. Základní procesy, jakými jsou leptání a odstraňování materiálů, mají zásadní vliv na mikroskopické struktury, které určují elektrické a mechanické vlastnosti MEMS zařízení.

Leptání: Isotropní a Anizotropní Techniky

Leptání je chemický proces, při kterém se odstraňuje nežádoucí materiál z substrátu. Může se provádět v kapalné nebo plynné fázi, přičemž volba metody závisí na požadavcích na kvalitu a přesnost odstranění materiálu. Isotropní leptání je proces, při kterém je rychlost leptání stejná ve všech směrech, což znamená, že odstranění materiálu není závislé na orientaci krystalových ploch substrátu. Tento typ leptání je výhodný pro úpravu tenkých vrstev a pro dosažení rovnoměrného povrchu, ale může být méně přesný pro dosažení složitějších tvarů.

Na druhé straně anizotropní leptání závisí na orientaci krystalových ploch substrátu, což znamená, že některé plochy materiálu budou leptány rychleji než jiné. Pro křemík, například, je orientace plochy <111> méně náchylná k leptání než plochy <100> nebo <110>. Tento typ leptání umožňuje mnohem větší kontrolu nad tvarem a hloubkou vytvořených struktur, což je důležité pro aplikace, kde je přesnost kladena na první místo.

Chemie leptání

Pro různé materiály se používají specifické chemické směsi. Například pro zlato se používá aqua regia (HCl:HNO3), pro křemíkový oxid se používá směs kyseliny fluorovodíkové a kyseliny sírové, a pro křemíkový nitrid se využívá směs kyseliny fosforečné při vysokých teplotách. Tyto chemické směsi umožňují vysoce selektivní leptání, které minimalizuje poškození okolních vrstev.

Různé typy leptání mají specifické parametry, jako je rychlost leptání, selektivita, a podobnost, které musí být pečlivě řízeny podle požadavků dané aplikace. Například suché leptání, které zahrnuje chemické i fyzikální jevy, se používá pro dosažení jemnějších detailů, zatímco mokré leptání je jednodušší a více chemické.

Bulk a povrchová mikromachinace

Mikromachinace zahrnuje odstranění materiálu z podkladu za účelem vytvoření požadované struktury. V MEMS se často využívá bulk mikromachinace, při níž se z podkladu odstraní velké množství materiálu, což umožňuje vytvoření komplexních prostorových struktur. Při použití mokrých technik, jako je leptání pomocí KOH (hydroxid draselný), je možné dosáhnout kontrolované etchování konkrétních oblastí substrátu, což je nezbytné pro dosažení specifických geometrických tvarů.

Výhody bulk mikromachinace zahrnují minimalizaci šíření povrchových vln, což je výhodné pro aplikace na vysokých frekvencích, a schopnost realizovat lineární přenosové linie, které vykazují nižší ztráty signálu. V některých případech se do mikromachinovaných struktur přidávají kompatibilní materiály, jako je polyimid, což usnadňuje metody, jako je zpětná metalizace.

Výzvy a inovace v oblasti MEMS senzorů

Příkladem pokročilého využití MEMS technologií jsou akustické senzory, které se stále častěji používají v široké škále aplikací, od mobilních telefonů až po letecký průmysl. Tyto senzory obvykle obsahují piezoelektrické vrstvy, které přeměňují zvukový tlak na elektrickou energii. Mezi materiály používané v těchto senzorech patří zinek oxid (ZnO) a další piezoelektrické materiály, jako jsou PZT (olovnatý zirkonát titanát), PVDF (polyvinylidenfluorid) nebo AlN (hliníkový nitrid). Výběr materiálů je ovšem závislý na požadavcích na kompatibilitu a snadnost zpracování, přičemž zinek oxid je oblíbený díky své vysoké piezoelektrické účinnosti.

Významným faktorem pro úspěšnou implementaci MEMS senzorů je schopnost kombinovat mikromachinované struktury s elektronickými obvody na čipu (CMOS), což umožňuje integraci senzoru s dalšími funkcemi zařízení. To je klíčové pro zajištění kompaktnosti, nízké ceny a vyšší spolehlivosti.

Je důležité si uvědomit, že technologie MEMS stále čelí výzvám v oblasti přesnosti výroby a spolehlivosti v dlouhodobém měřítku. Inovace v oblasti materiálů, technologií leptání a mikromachinace jsou nezbytné pro zajištění spolehlivosti těchto zařízení při použití v náročných podmínkách, jako jsou vysoké nebo nízké teploty, vysoké frekvence nebo agresivní chemické prostředí.

Jak substrátová teplota a vlhkost ovlivňují kvalitu tenkých filmů?

Substrátová teplota hraje klíčovou roli v kvalitě depozovaných tenkých filmů. Toto tvrzení bylo experimentálně ověřeno za dvou různých podmínek, jak ukazují obrázky 5.15 a 5.16. Hodnota napětí tenkého filmu závisí na trvání a teplotních podmínkách žíhání. Tento efekt je důležitý pro optimalizaci výroby tenkých filmů, protože kontrola teploty substrátu může mít zásadní vliv na mechanické a elektrické vlastnosti materiálu.

Při depozici tenkých filmů může teplota substrátu ovlivnit nejen mechanické napětí filmu, ale i jeho elektrické vlastnosti, což je zásadní pro aplikace, kde je vysoká přesnost a spolehlivost požadována, například v oblasti MEMS senzorů nebo akustických senzorů. Teplota substrátu ovlivňuje různé fáze růstu filmu, což se následně projevuje v jeho struktuře a kvalitě.

Vlhkost má na tenké filmy podobný vliv. Prostudována byla například vliv vlhkosti na kvalitu ZnO tenkých filmů, přičemž byla použita metoda FTIR k zachycení vlivu vlhkosti. Změny v spektru vlivem dipól-dipólových interakcí naznačují, že vlhkost může výrazně změnit optické a mechanické vlastnosti filmu. Změny v absorpčních a transmisních koeficientech v přítomnosti vlhkosti mohou signalizovat degradaci filmu a jeho schopnosti vykonávat požadované funkce v senzorech a dalších elektronických aplikacích.

Pokud jde o depresi tenkého filmu, je důležité zohlednit i další faktory, jako jsou procesní chemikálie a etchovací rychlost, které mohou ovlivnit kvalitu filmu. Jak ukazuje metoda mokrého leptání pro ZnO film, jakákoli odchylka od standardní rychlosti leptání (2.95 µm/min) může naznačovat degradaci kvality filmu. Tato analýza pomáhá nejen při hodnocení kvality materiálu, ale i při diagnostice problémů v procesu výroby.

Kromě toho, hodnota faktoru ztráty (DF) nebo ztrátového tangensu je standardním ukazatelem kvality tenkého filmu. Tento parametr je klíčový pro aplikace, kde je požadována nízká dielektrická ztráta, jako jsou akustické senzory nebo kapacitní senzory. Standardní hodnota DF je přibližně 0.001, což ukazuje na kvalitní tenký film, který je vhodný pro tyto technologické aplikace.

Ve všech těchto procesech hraje významnou roli žíhání, které zlepšuje kvalitu filmu a snižuje zbytkové napětí. Zbytkové napětí v tenkém filmu, i když je často nevyhnutelné, může ovlivnit jeho mechanické vlastnosti a tím i jeho funkci v různých aplikacích. Je tedy zásadní porozumět vlivu žíhání na odstranění tohoto napětí a dosáhnout požadovaného výkonu tenkého filmu.

Praktické aplikace tenkých filmů, zejména v oblasti MEMS, zahrnují použití těchto materiálů v akustických senzorech, mikrofony, plynové senzory a ultrazvukové převodníky. V těchto aplikacích je kladeno velké důraz na vlastnosti filmů, jako jsou jejich mechanické a elektrické charakteristiky, které jsou zásadně ovlivněny podmínkami depozice, teplotou substrátu a vlhkostí během výroby.

Jak ovlivňuje drátová spojení v balení MEMS a mikrosoučástek výkon RF?

Drátové spoje, známé také jako bondwires, jsou klíčovým prvkem při balení mikrosoučástek a MEMS zařízení. V oblasti radiofrekvenčního (RF) inženýrství se bondwires často používají k propojení různých částí obvodu, zejména v aplikacích, kde je třeba zajistit stabilní přenos signálů při vysokých frekvencích. Bondwires mají však významný vliv na elektrické vlastnosti balení, přičemž přidávají nevyhnutelné indukčnosti a rezistance, které mohou ovlivnit výkon na vyšších frekvencích.

V rámci návrhu obvodů, zejména při modelování RF zařízení, je bondwire považován za přídavnou indukčnost. Na ni je třeba brát zřetel při simulacích obvodů, neboť přítomnost bondwires může značně změnit chování celého systému. U hybridních MIC (monolitických integrovaných obvodů) se bondwires využívají k propojení nejvnitřnějších vrstev tištěných induktorů nebo k propojení aktivních součástek. Trimming MICs je také realizován přerušením nebo vytvořením nového spoje bondwire, což umožňuje jemné doladění obvodů.

V oblasti balení MMIC/MIC se bondwires používají pro připojení vstupních a výstupních konektorů. To usnadňuje proces výroby, protože minimalizuje potřebu vytváření nových mechanických pouzder. Použití více bondwires pro zajištění redundance v případě přerušení jednoho z vodičů je běžné a zajišťuje větší spolehlivost celého zařízení.

Materiály, z nichž jsou bondwires vyráběny, hrají zásadní roli ve výkonu a spolehlivosti. Zlato je často preferováno pro své vyšší hodnoty taveniny ve srovnání s mědí nebo hliníkem, což zajišťuje lepší přenos proudu a odolnost proti přehřátí. Současně použití více bondwires zlepšuje kapacitu přenosu proudu a snižuje indukčnost, což vede k lepší výkonnosti na vyšších frekvencích. Je však důležité brát v úvahu, že velikost drátu, jeho materiál, délka a rozmístění mohou mít zásadní vliv na výkonnost obvodu, zejména při provozu na vysokých frekvencích, kde efekt kůže (skin effect) způsobuje větší odpor při vyšších frekvencích.

Indukčnost bondwires závisí na několika faktorech, mezi které patří průměr drátu, materiál, délka drátu, provozní frekvence a výška nad substrátem. Indukčnost každého jednotlivého bondwire může být modelována jako sériová indukčnost spolu s odpovídající sériovou rezistencí. Při použití více bondwires dochází k poklesu celkové indukčnosti, což je výhodné pro dosažení lepší RF výkonnosti.

Na vyšších frekvencích, zejména nad 6 GHz, je nutné zohlednit nejen indukčnost samotného bondwires, ale také vzájemnou indukčnost mezi dráty a kapacitní účinky mezi nimi. S rostoucí frekvencí se zvyšuje vliv vzájemné indukčnosti, což může mít za následek zhoršení výkonu obvodu. To platí zejména pro aplikace, kde je důležité minimalizovat ztráty a zlepšit kvalitu signálu.

Pro dosažení optimálního výkonu RF je zásadní správná volba počtu bondwires. Příliš mnoho nebo příliš málo drátů může vést k vyšším ztrátám a snížené účinnosti. Simulace a experimenty ukazují, že minimální počet bondwires pro dosažení lepší RF charakteristiky je obvykle tři. Použití většího počtu bondwires zlepšuje spolehlivost a snižuje celkovou indukčnost, což je výhodné pro dosažení lepšího RF přenosu.

Kromě samotného počtu bondwires je také klíčové optimální rozestavení těchto drátů. Správné rozmístění bondwires zajišťuje, že se minimalizují vzájemné interakce a rušení mezi jednotlivými dráty, což může mít za následek degradaci signálu a snížení celkové výkonnosti zařízení. Důležitým faktorem je také to, že při vyšších frekvencích se kapacitance mezi substrátem a bondwires stává významným faktorem, což dále ovlivňuje výsledný výkon.

Aby bylo dosaženo optimálního návrhu balení pro vysokofrekvenční aplikace, je třeba pečlivě zvážit každý aspekt návrhu bondwires, včetně materiálu, délky, rozmístění a počtu. Parametrické simulace a experimenty jsou nezbytné pro určení nejlepší konfigurace pro konkrétní aplikaci, což zajistí, že výsledné zařízení bude splňovat požadavky na RF výkon a spolehlivost.

Jaké typy waferů se používají v technologii MEMS a jaké jsou jejich vlastnosti?

Wafery, základní materiál pro výrobu polovodičových zařízení, procházejí řadou složitých technologických procesů, které zahrnují řezání, leštění a úpravu povrchu, aby se dosáhlo požadovaných vlastností. Při výrobě jednotlivých typů zařízení, jako jsou MEMS senzory, se specifikace waferů mohou výrazně lišit v závislosti na aplikaci a požadavcích na materiál. Základními kroky výroby waferů jsou jejich krystalizace, úprava tloušťky a následné opracování povrchu, jak je uvedeno na obr. 2.1, což je obecný proces pro přípravu křemíkových waferů.

Různé oblasti aplikací, jako je optoelektronika, MEMS, CMOS, senzory a další, vyžadují specifické parametry waferů. Například pro MEMS senzory je požadováno použití SOI waferů (křemík na izolátoru), DSP (digitální signálové procesory) a vysoce rezistivních waferů, zatímco pro aplikace v oblasti CMOS-ASIC (aplikace specifické integrované obvody) jsou nezbytné vysoce vodivé nebo nízko rezistivní wafery. Specifické parametry, jako je rezistivita, geometrie a uniformita materiálu, ovlivňují konečnou kvalitu výrobků a jejich technologické vlastnosti.

Mezi základní vlastnosti waferů patří průměr, hladkost povrchu, zakřivení (bow), TTV (total thickness variation), a další, přičemž velmi přesné tolerance všech těchto parametrů jsou klíčové pro dosažení vysoké kvality waferů. Při výrobě waferu se do substrátu zavádějí různé druhy dopantů (n nebo p), které definují elektrické vlastnosti materiálu podle konkrétní aplikace.

Existují různé typy waferů používané v MEMS technologii, jako jsou HRS (high-resistive silicon), SOI (silicon-on-insulator), epitaxiální wafery a další. Každý z těchto typů má své specifické použití, výhody a nevýhody v závislosti na technologických požadavcích.

HRS (high-resistive silicon) je zejména vhodný pro aplikace vyžadující vysokofrekvenční obvody, protože má vyšší rezistivitu než standardní křemíkové wafery, což zlepšuje výkon při vyšších frekvencích a minimalizuje šum substrátu. Jeho rezistivita se pohybuje v rozmezí 1 kΩ·cm až 10 kΩ·cm, což je přibližně 100krát vyšší než u běžných waferů. Tento typ waferu je důležitý pro dosažení nízkých ztrát v high-frequency aplikacích, kde je kladeno důraz na minimalizaci parasitních kapacit a ztrát dielektrika.

SOI (silicon-on-insulator) wafery, které mohou být vyrobeny různými metodami, jako je implantace kyslíku (SIMOX), bonding waferů nebo zónová rekrystalizace polysiliconu (ZMR), mají široké využití v optoelektronických zařízeních, RF/µwave aplikacích, senzorech tlaku a v aplikacích, kde je potřeba vysoké izolace a stabilita. SOI wafery mají vrstvy oxidu, které oddělují aktivní vrstvu křemíku od základního materiálu, což zlepšuje elektrické vlastnosti a snižuje riziko vzniku "latch-up" v CMOS technologiích.

Výběr vhodného typu waferu závisí na konkrétní aplikaci, požadovaných vlastnostech materiálu, jako je například tloušťka izolace v SOI waferu nebo požadavky na homogenitu rezistivity u HRS. Například pro výrobu MEMS senzorů, kde je kladeno důraz na mikromachinování, je často preferováno použití SOI waferů pro jejich vysokou přesnost a stabilitu.

Důležité je také zohlednit procesy jako epitaxie, kdy se na povrch křemíkového waferu nanáší vrstva křemíku, což zlepšuje vlastnosti materiálu pro specifické aplikace. Epitaxiální vrstvy jsou kladné pro výrobu optoelektronických zařízení, jako jsou solární články, kde je vyžadována vysoká kvalita křemíkových vrstev s nízkou úrovní defektů.

Důležité faktory při výběru waferu pro MEMS technologii zahrnují:

  • Homogenita rezistivity: Pro aplikace s vysokou frekvencí nebo citlivostí na elektrický šum je nezbytné, aby rezistivita byla rovnoměrná po celé tloušťce waferu.

  • Mikromachinování a tloušťka vrstvy: U MEMS senzorů je přesná tloušťka waferu klíčová pro správnou funkci zařízení.

  • Typ a struktura dopantů: V závislosti na požadavcích na výkon a elektrické vlastnosti jsou voleny různé typy dopantů (n nebo p typ) pro dosažení optimálních vlastností pro danou aplikaci.

  • Izolace mezi vrstvami: U SOI waferů je kvalitní izolace mezi vrstvami křemíku a oxidem důležitá pro správnou funkci zařízení a snížení rizika elektrického zkratu nebo jiných poruch.