4. fejezet - Jellegzetes mikromechanikai technológiák

Tartalom
4.1. Rétegnövelő eljárások
4.2. Litográfiai eljárások
4.3. Maratási eljárások
4.4. A LIGA technológia.
4.5. Lézeres mikrotechnológiák
4.6. Mikrotechnikai kötések
4.6.1. Forrasztott kötések
4.6.2. Ultrahangos kötések
4.6.3. Termokompressziós kötések
4.6.4. Termoszonikus kötések
4.6.5. Anódos kötések

A mikromechanikai technológiák a mikroelektronikai technológiák bázisán alakultak ki. Ebből következik, hogy a technológiák vagy megegyeznek egymással, vagy nagyon hasonlóak egymáshoz. A technológiák alapvetően három nagy csoportra oszthatók, de természetesen vannak egészen különleges technológiák is, amelyek nem illeszthetők be a három nagy csoport egyikébe sem. A három nagy csoport:

A rétegek növesztése és leválasztása csak látszólagos ellentmondás, mert közben van a strukturálás, és általában nem pont ott választunk le, ahol az előbb növesztettünk.

4.1. Rétegnövelő eljárások

A rétegnövelő (rétegképző, rétegleválasztó) technológiákat két nagy csoportra lehet osztani: a fizikai és a kémiai eljárásokra. A fizikai eljárásoknál (PVD — Physical Vapour Deposition, azaz fizikai rétegnövesztés) a hordozó és a felvitt anyag között nincs kémiai reakció, csak fizikai kapcsolat van. (Leválasztásnak is nevezik.) A leválasztás során a rétegképző molekulák ill. atomok lerakódnak a hordozó felületére. A kialakult réteget csak a kohéziós erők kötik a hordozóhoz. A diffúziós folyamatokat és az ion implantációt is ide soroljuk, bár ez bizonyos szempontokból vitatható.

A kémiai eljárásoknál (CVD — Chemical Vapour Deposition, azaz kémiai rétegnövesztés) a rétegnövesztés kémiai reakcióval jár, a réteg kémiai kötéssel kapcsolódik a hordozóhoz. A technológiák jellemzője a leválasztási ráta, vagy leválasztási sebesség (A R ), amely megadja, hogy egy időegység alatt milyen vastag réteg állítható elő:

 

 

ahol l a rétegvastagság, t az idő.

Fizikai eljárások

A fizikai eljárások közül a két legfontosabb a vákuumgőzölés és a katódporlasztás, de ide sorolható a diffúzió és az ionimplantáció is. Utóbbi kettőre ugyanis nem jellemző a kémiai kötés, ami a CVD eljárások közös jellemzője.

A vákuumgőzölés

A vákuumgőzölés vagy réteggőzölés egy olyan rétegkészítési eljárás, ahol ritkított térben a réteg alapanyagot Joule-hő elektronnyaláb vagy lézersugárzás segítségével gőzfázisba hozzák, és mivel a hordozó felülete hidegebb, a gőz kondenzálódik a hordozó felületén, és így jön létre a kívánt réteg. A jó minőségű vékonyréteg kialakításához az szükséges, hogy a gőzfázisba hozott anyag részecskéi lehetőleg ütközés nélkül érjék el a hordozó felületét. Ebből következik, hogy a gőzölendő térben olyan vákuumot kell létrehozni, ahol a szabad úthossz nagyobb lesz a forrás-hordozó távolságnál. Az eljáráshoz szükséges vákuum p ~ 10-3 – 10-5 Pa, az atmoszféra összetétele vagy tiszta vákuum vagy nemesgáz, amellyel a rétegképző anyag részecskéinek szabad úthossza szabályozható.

A vákumgőzölés igen nagy leválasztási rátával bíró folyamat: A R ≈ 5mm/min. A hordozó relatíve alacsony termikus terhelésnek van kitéve (hideg). Maguk a rétegalapanyagok általában fémek, és drót, fólia, ill. granulátum formájában léteznek. Relatív olcsó, egyszerű eljárás. A folyamat előkészítésének ideje a vákuumra szívás miatt hosszú, de a réteg növekedése relatíve gyors. A technológia hátrányos tulajdonsága, hogy a rétegek mechanikai tulajdonságai általában rosszak. Egy jellegzetes vákuumgőzölő berendezés vázlatát sematikusan a 4.1. ábra mutatja.

Vákuumgőzölő berendezés sematikus felépítése

forrás: Mojzes, 1995

4.1. ábra - Vákuumgőzölő berendezés sematikus felépítése


A gőzfázis létrehozásához a következő módszereket használják:

  • ellenállásfűtés,

  • induktív fűtés (ezek csak igénytelenebb berendezésekben),

  • elektronsugár: tiszta, jó minőségű rétegek hozhatók létre,

  • ionsugár,

  • lézersugár.

Ezek közül a könnyebb szabályozás miatt az ellenállásfűtés az egyik legelterjedtebb technológia. A 4.2. ábra mutat néhány szokásos megoldást az ellenállásfűtésekre. A közvetlen fűtés (A és B) mellett gyakran alkalmaznak molibdénből (Mo), wolframból (W) vagy tantálból (Ta) készült tégelyeket, amelyeket szintén ellenállásfűtéssel, árammal hevítenek.

Az ellenállásfűtés módszerei

forrás: Völklein: Praxiswissen

4.2. ábra - Az ellenállásfűtés módszerei


A másik gyakran használatos technológia az elektronsugaras fűtés, vázlatát a 4.3. ábra mutatja. Az eketronsugaras fűtéssel megvalósított vákuumpárologtatással igen nagy tisztaság érhető el, ez a technológia egyik előnyös tulajdonsága. A fűtés az (1) elektronsugárral történik, amelyet mágneses térrel térítenek el, hogy a sugárnyaláb a kívánt helyre essen. A gőzölni kívánt anyag a (2) kúpnak megfelelően terjed. A hűtővizet a (3) hozzávezetések mutatják. A vákuumkamrán egy ablakot (4) szoktak kialakítani, hogy a folyamat szemmel is megfigyelhető legyen. A feszültség és árambevezetések (5) a készülék alján helyezkednek el. Az elektronsugarak eltérítése a (6) mágneses térrel történik, de az ábrán csak a mágneses erővonalak vannak ábrázolva, az eltérítő mágnesek az ábrán nincsenek feltüntetve.

Az elektronsugaras fűtés vázlata

forrás: Völklein: Praxiswissen

4.3. ábra - Az elektronsugaras fűtés vázlata


A mikrotechnikában számos olyan technológiai eljárást alkalmaznak, amelyeknél a folyamat működéséhez plazma szükséges. Emiatt célszerű röviden összefoglalni a plazmákkal kapcsolatos legfontosabb tudnivalókat.

Plazma elmélet

A világegyetem anyagának nagy része plazma állapotban van, ezért a plazma állapotot a negyedik halmazállapotnak is szokták nevezni. A fizikában plazmának valamilyen gáz ionizált állapotát nevezzük, emiatt a plazma elektromosan vezető tulajdonságokkal rendelkezik. Az ionizálás több módon is létrehozható. A plazma a természetben is előfordul, ezek közül legismertebb a villámlás jelensége. De plazmával a mindennapi életben is gyakran találkozunk, például a világítástechnikában a fénycsöveknél, neoncsöveknél, a parázsfény lámpáknál (fázisceruza), a plazmakijelzőknél (plazma TV). Az iparban a villamos ívhegesztésnél, vagy vágásnál szintén létrejön a plazma állapot, vagy a mikrotechnológiáknál a katódporlasztás egyes módozatainál, az alacsony nyomású CVD eljárásoknál, és a plazmamarásoknál. Külön említhetők a fizikai kutatások, ahol például a részecskegyorsítóknál a felgyorsítandó ionokat legtöbbször plazmából nyerik. A plazmát ezen kívül vákuummérőkben, vákuumszivattyúkban is alkalmazzák.

A plazma állapot

Alacsony nyomású gázon áramot átfolyatva kialakul egy réteg, tartomány, ahol a gáz ionizált állapotba kerül. Ez a tartomány a plazma, amit a negyedik halmazállapotként is emlegetnek. A plazma szót ionizált gázokra először Langmuir alkalmazta (1929). A plazma elektronok és ionok (elektronjaiktól részben vagy egészében megfosztott, ionizált atomok) halmaza, melynek fenntartásához energia szükséges. A plazma állapot nagy energia tartalmú, és több részből épül fel. Alap- és gerjesztett állapotú semleges részecskékből, elektronokból és ionokból épül fel.

A plazma hőmérséklete és a részecskék sebessége között az alábbi összefüggés van:

 

 

ahol,

 

m

– a részecske tömege

 

v

– a részecske sebessége

 

k

– Boltzmann állandó (1,380×10-23 J/°K)

 

T

– abszolút hőmérséklet (°K)

Az összefüggést a 4.4. ábra mutatja.

A plazma hőmérséklete és a részecskék sebessége közötti összefüggés

forrás: Nagy Tamás DT

4.4. ábra - A plazma hőmérséklete és a részecskék sebessége közötti összefüggés


Sokféle plazma van, amelyeket többféle szempont szerint lehet osztályozni. Ezek közül a leggyakoribb osztályozások a következők:

  • hőmérséklet szerint:

    • alacsony hőmérsékletű

    • magas hőmérsékletű

  • nyomás szerint:

    • alacsony

    • légköri

  • gerjesztés szerint:

    • alacsony frekvenciás : 40-50 kHz

    • rádiófrekvenciás: 13,56 MHz

    • mikrohullámú: 2,54 GHz

  • gáz típusa szerint:

    • O, H, N, Ar, stb.

Az ismertebb plazmák hőmérsékletét az elektronsűrűség függvényében a 4.5. ábra mutatja.

A különféle plazmák hőmérséklete az elektronsűrűség függvényében

forrás: Nagy Tamás DT

4.5. ábra - A különféle plazmák hőmérséklete az elektronsűrűség függvényében


A plazmában ütközési folyamatok játszódnak le, amelyekből a mikrotechnológiák szempontjából csak kettőt emelünk ki: az egyik a lavina effektus, amelynek jellemzője, hogy egy ionizáló ütközés után egynél több elektron áll rendelkezésre a következő ionizálásra.

Ennek vázlatát mutatja a 4.6. ábra.

A lavina effektus magyarázata

forrás: Nagy Tamás DT

4.6. ábra - A lavina effektus magyarázata


A mikrotechnológiák szempontjából fontos másik folyamat a pozitív ionok bombázása a katódra, és onnan az elektronok kiütése (4.7. ábra).

Elektronok kiütése ionok segítségével
4.7. ábra - Elektronok kiütése ionok segítségével


A plazmát a különféle technológiáknál többféle módon lehet hasznosítani. A lehetőségeket a következő ábrák mutatják. A (4.8. ábra) ábrán a cél a felület tisztítása plazma segítségével.

Felület tisztítása plazma segítségével

forrás: Nagy Tamás DT

4.8. ábra - Felület tisztítása plazma segítségével


A plazmával a felületet aktiválni is lehet, ezt illusztrálja a 4.9. ábra.

Felület aktiválása plazma segítségével

forrás: Nagy Tamás DT

4.9. ábra - Felület aktiválása plazma segítségével


A rétegleválasztási folyamatok közül ide tartozik a plazma segítségével elősegített marási technológia (Plasma Etching, PE).

A plazmamarás elvi vázlata

forrás: Nagy Tamás DT

4.10. ábra - A plazmamarás elvi vázlata


A plazmát rétegnövesztésre is lehet használni, az eljárás neve rövidítve PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vapour Deposition), 4.11. ábra.

Rétegfelvitel plazma segítségével

forrás: Nagy Tamás DT

4.11. ábra - Rétegfelvitel plazma segítségével


A katódporlasztás

A fizikai rétegnövesztés másik fontos eljárása a katódporlasztás (sputtering). A technológia a következő: alacsony nyomású térben ionokkal történő bombázás hatására, (pl. nemesgáz plazma) egy szilárd test ún. target felszínéről részecskék emittálódnak, és ezek lecsapódnak a hordozó felületén. A plazmát DC+ HF (egyenfeszültség és nagyfrekvenciás váltakozó feszültség) gerjesztéssel gyújtják pl. Ar atmoszférában. Létezik reaktív katódporlasztás is, például Ar+ O2 atmoszféra és Zn target alkalmazásával ZnO réteget lehet előállítani.

A folyamatra relatív magas leválasztási ráta jellemző. Egy katódporlasztó berendezés vázlatát a 4.12. ábra mutatja. Az (1) házban helyezkedik el a (2) katód, amelyre a (3) „target” van erősítve. Ez abból az anyagból van, amelyet a hordozóra kívánnak felvinni. A katódot hűteni kell, a (4) hűtővíz hozzávezetésen keresztül. A (8) DC tápegység szolgáltatja a gerjesztő feszültséget, a katódot az (5) szigetelő és a (6) tömítés segítségével erősítik a házhoz. A folyamathoz esetleg szükséges gáz a (7) hozzávezetésen érkezik. A réteggel bevonandó (11) szubsztrát szeletek a (10) szubsztrát tartón helyezkednek el.

Katódporlasztó berendezés elvi vázlata

forrás: Völklein: Praxiswissen

4.12. ábra - Katódporlasztó berendezés elvi vázlata


Egy valóságos katódporlasztó berendezés képét mutatja a 4.13. ábra. A képen a kékes szín mutatja a plazmát.

Katódporlasztó berendezés képe

forrás: Wikipédia

4.13. ábra - Katódporlasztó berendezés képe


Félvezető anyagok dotálása

A mikromechanikában sok esetben van szükség pn átmenetek előállítására. Az esetek túlnyomó részében azonban a pn átmenet létrehozása nem az egyenirányító hatást szolgálja, hanem más célokat, például a piezorezisztorok hordozótól való elszigetelését, vagy a marási folyamat leállítását.

A pn átmenetek létrehozására alapvetően két technológiát használnak: az egyik a diffúzió, a másik az ionimplantáció.

A diffúzió

A diffúzió a félvezetőipar egyik bázistechnológiája. A diffúzió során a kívánt adalék anyagok az ismert Fick-törvények alapján működő fizikai folyamatként kerülnek a hordozó felszíni rétegeibe. A hordozókat gázzal áramoltatják körül, szabályozott nyomás, ill. hőmérséklet körülmények között (a hőmérséklet tartomány Si hordozók esetében 800-1200 °C között van). A gázok hordozógázok, mint Ar, N2, és az adalék gáznemű vegyületeinek pl. PH3, B2H6 keveréke. A felhasznált reaktorok leginkább a Si termikus oxidációjához használt eszközökhöz hasonlítanak.

Az előállítandó struktúrától függően sok esetben már a félvezető hordozó gyártásakor is alkalmaznak bizonyos dotálást. A molekuláris diffúzió alapja a sűrűségkülönbség, amely a Brown-féle mozgás során kiegyenlítődni igyekszik. A folyamatot vázlatosan a 4.14. ábra szemlélteti.

Katódporlasztó berendezés képe

forrás: Wikipédia

4.14. ábra - Katódporlasztó berendezés képe


A diffúzió segítségével a szilárd testekben jellegzetes sűrűség-profilt lehet előállítani, mint amilyet a 4.15. ábra mutat. Ennek az a lényege, hogy az idegen anyag koncentrációja a felületen a legnagyobb, aztán a mélységi irányban meredeken csökken. Ha növekszik az idő, a diffúziós mélység is növekszik.

Az adalékanyag eloszlása diffúzió esetén különböző időpillanatokban

forrás: Gardner: Microsensors

4.15. ábra - Az adalékanyag eloszlása diffúzió esetén különböző időpillanatokban


A diffúziós folyamat is strukturálható maszkolás segítségével. Tekintettel arra, hogy a SiO2 diffúziós állandója sokkal kisebb, mint a tiszta Si diffúziós állandója, sokszor a SiO2 maszk is elegendő lehet. ( 900 °C környékén a SiO2 diffúziós állandója 3·10-19 cm2/s bór (B) esetén és 10-18 cm2/s foszfor (P) esetén, míg a tiszta Si esetén ezek az állandók 10-14 cm2/s nagyságrendben vannak.)

Ion implantáció

Ennél a technológiánál a kívánt adalék atomokat felgyorsított ionként bombázzák be a hordozó felszín közeli rétegeibe. Az ion implantáció a diffúzióval szemben sok előnyös tulajdonsággal rendelkezik. Ezek közül néhány:

  • Az ion-implanterekben működő tömegszeparátorok miatt igen nagy az adalékok spektroszkópiai tisztasága.

  • A gyorsítás mértékével szabályozható a behatolás mértéke. Ferde szögű belövés esetén felléphet a "channeling„-nek nevezett jelenség, amelynek segítségével különleges tulajdonsággal rendelkező dotálási profilt lehet elérni. Ilyen az ú. n. retrográd profil, amelynél a belőtt ionok koncentrációja nem a felületen, hanem bizonyos mélységben a legnagyobb.

  • Az ionok áramának mérésével (mikroamperek) a dózist lehet szabályozni. Extrém nagy dózisok is létrehozhatók.

Az implantáció anizotróp folyamat, az atomok behatolási mélysége függ a hordozó kristálytani irányaitól. Kis dózisú esetekben fotoreziszt anyagok is megfelelnek maszkanyagként. Problémát jelenthet a hordozó elkerülhetetlen sugárkárosodása, ha ez bekövetkezik, visszakristályosítást kell végezni a hordozón. A dózisok mértékét ion/m² egységben adják meg, pl. 1022 ion/m². Egy jellegzetes ionimplantációs berendezés vázlatos elrendezését mutatja a 4.16. ábra.

Ionimplantációs berendezés elvi vázlata

forrás: TU Ilmenau

4.16. ábra - Ionimplantációs berendezés elvi vázlata


A nagy tisztaságot az ábra síkjára merőleges mágneses tér szabályozásával lehet elérni, ez ugyanis 90°-kal eltéríti a belövendő ionokat, a más tömegszámú ionok ennél kisebb vagy nagyobb szögben térülnek el, és így nem kerülnek belövésre. A technológiai jellemzők a következők: az ionok energiája: 10-500 keV, az átlagos behatolási mélység 10 nm-1 μm között van. A folyamatot vákuumban kell elvégezni, hogy az ionok szabad úthossza minél nagyobb legyen. Mivel a vákuum előállítása hosszú időt vesz igénybe, a technológiai időt úgy lehet lerövidíteni, hogy külön szubsztrát tárolót alkalmaznak. Ebben több szubsztrátot helyeznek el, és a szubsztrátok cseréjét automata végzi, így a vákuumot nem kell a szubsztrát cserénél újra létrehozni. Egy ion implantációs berendezés képét a 4.17. ábra mutatja.

Ionimplantációs berendezés képe

forrás: LAAS, Toulouse F.

4.17. ábra - Ionimplantációs berendezés képe


CVD eljárások

A kémiai rétegleválasztó eljárásoknál (Chemical Vapour Deposition) a folyamatot kémiai reakció jellemzi. Ebből következően a rétegek egymáshoz tapadása kiváló. A következő táblázatban a kémiai eljárásokat tekintjük át. Az eljárásokat az angol megnevezés kezdőbetűjével jelölik. Ezek szerint az APCVD (Atmospheric Pressure Chemical Vapour Deposition), az LPCVD (Low Pressure Chemical Vapour Deposition) alacsony nyomású, a HFCVD (High Frequency Chemical Vapour Deposition) nagyfrekvenciás árammal gerjesztett, a PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vapour Deposition) plazmával segített kémiai rétegleválasztást jelent. A fontosabb technológiai jellemzőket és a felhasználási célt a Táblázat 4.1 mutatja.

A CVD technológia előnyei:

  • a folyamat igen jól kontrollálható,

  • a réteget alkotó komponensek tisztasága,

  • a felhasználható anyagok sokfélesége.

4.1. táblázat - A legfontosabb CVD eljárások áttekintése

megnevezés

hőmérséklet

nyomás

aktiválási energia

felhasználási cél

APCVD

1000-1300 °C

1 bar

termikus

poli-Si vezetőpályák,

Gate-oxid, epitaxia

LPCVD

500-1000 °C

0,01-10 mbar

termikus

vezetőpályák, Gate- oxid, Si3N4

HFCVD

150-750 °C

0,01-200 mbar

termikus

szén nanocsövek, gyémánt, Si-bázisú

bázisú rétegek, amorf/ polikristályos Si3N4

PECVD

200-500 °C

1 mbar

plazma+termikus

SiO2 rétegek, dielektrikum,

Si3N4 , passziválás

forrás: Gardner: Microsensors


Epitaxiális növesztés

Epitaktikus vagy epitaxiális rétegek: (görög: epi- valamire, taxis – rendezés, hozzárendelés).

Az epitaxiális rétegnövesztés a mikromechanika egyik legfontosabb technológiája. Lényege, hogy az egykristályos hordozóra úgy növesztünk további rétegeket, hogy az egykristályos szerkezet megmaradjon. Az epitaxiális rétegnövesztésnek több módozata van, az egyik legfontosabb a gázfázisból történő leválasztás (Vapour Phase Epitaxy, VPE). Az epitaxiális növesztésre szolgáló reaktoroknak több típusa ismeretes. A horizontális elrendezés vázlatát mutatja a 4.18. ábra. A szeletek ferde síkú elrendezése az egyenletesebb rétegképződést szolgálja.

Vízszintes elrendezésű reaktor epitaxiális rétegek növesztésére

forrás: Gardner: Microsensors

4.18. ábra - Vízszintes elrendezésű reaktor epitaxiális rétegek növesztésére


A függőleges elrendezésű reaktor elvi vázlatát a 4.19. ábra mutatja be.

Függőleges elrendezésű reaktor epitaxiális rétegek növesztésére

forrás: Gardner: Microsensors

4.19. ábra - Függőleges elrendezésű reaktor epitaxiális rétegek növesztésére


A harmadik típusú reaktor típus az ú. n. Barrel-reaktor, amelynek sematikus elrendezését a 4.20. ábra mutatja.

Barrel-reaktor epitaxiális rétegek növesztésére

forrás: Gardner: Microsensors

4.20. ábra - Barrel-reaktor epitaxiális rétegek növesztésére


A gyakrabban használt eljárás a gázfázisból végzett epitaxia. A reakció szilícium-tetraklorid (SiCl4) esetén, kb. 1200 °C hőmérsékleten:

 

SiCl4 + 2H2 → Si + 4HCl

 

Az epitaxiális növesztésnek két alapvető fajtája van: amikor Si hordozóra Si réteget növesztünk (azonos anyagok), akkor homoepitaxiáról, ha más anyagot növesztünk a hordozóra, heteroepitaxiáról beszélünk. Utóbbi esetben fontos, hogy az anyagok rácsállandója közel legyenek egymáshoz, ellenkező esetben a két anyag között belső feszültségek lépnek fel, amely problémákat okozhat. A rácsállandók különbségéből adódó hiba, összeférhetetlenség, (misfit):

 

 

ahol I a rácstávolság, S- szubsztrát, D- depozit (réteg).

Ha M = 0, akkor homo-, egyébként heteroepitaxiáról beszélünk. Heteroepitaxia pl. GaAs hordozóra Si-réteg növesztése.A rácsállandók különbözőségéből adódó problémák: Ha két anyag rácsállandója jelentősen eltér egymástól, akkor a belső feszültségekből adódóan a következő problémák jelentkeznek:

  • rácshibák a hordozóban,

  • repedésképződés a rétegben,

  • a réteg lepattogzása,

  • a hordozó egyszerűen összetörik.

Az epitaxiális rétegek létrehozásakor sokszor a dotációt is meg kell változtatni, de itt a pn átmenet létrehozásával nem diódát kívánunk létrehozni, hanem azt használjuk ki, hogy a pn átmenet segítségével a marási folyamatot lehet leállítani. Az epitaxiális technológiáknál használatos gázokat a Táblázat 4.2 mutatja. Fontos tudni, hogy a mikromechanikában alkalmazott gázok gyakran mérgezőek, ezért a technológiáknál fokozott körültekintéssel kell eljárni.

4.2. táblázat - Az epitaxiális növesztésnél használt legfontosabb gázok

nyersanyag/gáz

képlet

rétegezési hőmérséklet

T (°C)

leválasztási ráta

A R ( μ m/min)

szilícium nyersanyag:

szilícium-tetraklorid

SiCl4

1150-1225

0,2-1,0

diklór-szilán

SiH2Cl2

1025-1100

0,1-1,0

triklór-szilán

SiHCI3

1100-1 175

0,2-2,0

szilán

SiH4

950-1050

0,1-0,25

adalék gáz:

adalék típusa

arzén-hidrogén 

AsH3

n

-

foszfor-hidrogén

PH3

n

-

diborán

B2H6

p

-

forrás: Gardner: Microsensors


Termikus oxidáció

Annak ellenére, hogy a tiszta szilícium szabad levegőn természetesen is oxidálódik, a mesterséges oxidálás igen fontos technológia, mert így az oxidréteg vastagságát a kívánságnak megfelelően lehet beállítani.

Két technológia van: nedves és száraz oxidálás.

A nedves oxidációnál az oxidáló anyag tiszta vízgőz:

 

Si + 2H2O → SiO2 + 2H2

 

A száraz oxidációnál a felhasznált anyag tiszta oxigén:

 

Si + O2 → SiO2

 

A hőmérséklet: 800-1200 °C.

Tekintettel arra, hogy kémiai folyamatról van szó, az oxidréteg nem egyszerűen csak rárakódik a szilícium felületére, hanem az oxidréteg 46%-a a Si hordozóban, 54%-a felette keletkezik.

A száraz oxidálással készített réteg tömörebb, jobb minőségű.

Oxidálásra és diffúzióra szolgáló kemencék (reaktorok)

forrás: Toulouse, F

4.21. ábra - Oxidálásra és diffúzióra szolgáló kemencék (reaktorok)


Polikristályos szilíciumrétegek előállítása

A polikristályos szilíciumot gyakran vezető, vagy ellenálláspályák kialakítására használják. A polikristályos szilíciumot legtöbbször szilán (SiH4) gáz segítségével állítják elő.

 

SiH4 → Si + 2H2

 

Technológia: LPCVD, hőmérséklet: 600-650 °C, nyomás: 25-150 Pa.

Ar = 10-20 nm/min. Létezik olyan technológia is ahol a szilánhoz 70-80% nitrogént kevernek. A leválasztott Si dotációval p vagy n típusúvá változtatható, pl. foszfin, arzin, diborán gázok adagolásával. Ezek a gázok erősen mérgezőek, ezért a technológiánál különös gonddal kell eljárni.

Szilícium-nitrid rétegek előállítása

A Si3N4 réteg igen jó szigetelő, vezetőképessége 1016 Ωcm, villamos szilárdsága 10 MV/cm, ezért mikrostruktúrákban gyakran alkalmazzák. Szilán és ammónia segítségével állítják elő:

 

3 SiH4 + 4NH3 → Si3N4 + 12H2

 

Technológia: LPCVD, max: 8% H2 tartalommal

Fémrétegek leválasztása hasonló technológiákkal történik.

CVD reaktorok típusai

A CVD eljárásokhoz különböző típusú reaktorokat fejlesztettek ki. Ezek közül a legjellemzőbb típusokat a 4.22. ábra foglalja össze. Az egyik legegyszerűbb típus a vízszintes elrendezésű reaktor, amelyben a szubsztrátok vízszintesen helyezkednek el. Annak érdekében, hogy a leválasztott rétegvastagság minél egyenletesebb legyen, gyakran egy bizonyos Φ szögben megdöntik a szubsztrát tartót. Az alacsony nyomású eljárásoknál valamekkora vákuumot kell létrehozni, a reaktor fedelei tömített, és a szubsztrátok gyakran függölegesen helyezkednek el. A plazmával segített CVD technológiánál a plazma létrehozásához nagyfrekvenciás áramot használnak, és a szubsztrátok itt is gyakran vízszintesen helyezkednek el.

CVD reaktor típusok. (a) horizontális APCVD reaktor, (b) a szubsztrátok ferde elhelyezése az egyenletesebb rétegvastagságot szolgálja, (c) LPCVD reaktor, (d) PECVD reaktor

forrás: Büttgenbach: Mikromechanik 1991

4.22. ábra - CVD reaktor típusok. (a) horizontális APCVD reaktor, (b) a szubsztrátok ferde elhelyezése az egyenletesebb rétegvastagságot szolgálja, (c) LPCVD reaktor, (d) PECVD reaktor


A különböző rétegfelviteli technológiáknak különböző tulajdonságaik vannak. A vákuumgőzölésnél az anyag terjedése szinte teljesen egyenes vonalú, ebből a szempontból kicsit hasonló a fény terjedéséhez, az árnyékhatás érvényesül. A katódporlasztásnál az árnyékhatás már a villamos erőtér és a plazma hatása miatt nem olyan erős, a katódporlasztott réteg jobban szóródik. A CVD technológiáknál az árnyékhatás már teljesen hiányzik, a kémiai reakció miatt a réteg mindenütt, ahol lehetséges, létrejön. Ezeket a különbségeket mutatja a 4.23. ábra.

A különböző (vákuumgőzölés, katódporlasztás és CVD) technológiák hatása az alámart struktúrára

forrás: Völklein: Praxiswissen

4.23. ábra - A különböző (vákuumgőzölés, katódporlasztás és CVD) technológiák hatása az alámart struktúrára


4.2. Litográfiai eljárások

A litográfia eredeti jelentése lenyomat. Már az ókori görögök is alkalmazták. Ma a mikrotechnikában a litográfián azon technológiai eljárásokat értjük, amelyek segítségével maszkok, áramkörök és mikromechanikai struktúrák rajzolatait előállítják. A litográfiás eljárásnál a kívánt rajzolat valamilyen mester adatforrásból (például számítógépes programból vagy mester maszkról képátviteli eljárással kerül a hordozó felületére, leggyakrabban struktúrált fotoreziszt réteg formájában. A struktúrált fotoreziszt réteg előállítása után következhetnek a további (például kémiai, vákuumtechnikai, stb.) technológiai lépések, amelyek során a kívánt mikrotechnikai termék létrehozható. A litográfia a mikrotechnikában sokrétűen használt eljárás, jelentősége igen nagy, mert ez a technológia adja meg a strukturálhatóságot, tehát hogy ne kelljen minden darabbal külön foglalkozni, hanem egyszerre több száz, vagy inkább több ezer darab készüljön el. Ennek eredménye végső soron az eszközök gazdaságos gyárthatósága. A litográfia tulajdonképpen valamilyen struktúra rezisztanyagra történő, maszkon keresztüli átvitelét jelenti, kollimált elektromágneses hullámokkal, fókuszált elektronsugárral, ionsugárral, vagy lézersugárral. Három alapvető formáját használják ma a mikrotechnikában, amelyeket a felhasznált elektromágneses sugárzás hullámhossza szerint szokás megkülönböztetni. Eszerint van optikai, röntgen, és elektronsugaras litográfia. A három nagymértékben különbözik egymástól mind felhasználásukat, mind gyakorlati eredményeit tekintve. A mikrotechnikai tömeggyártásban a litográfiához alapvetően szükséges segédeszköz a maszk, ami az átviendő struktúrát tartalmazza. A maszkok előállítása első lépésben CAD-vezérlésű (Computer Aided Design) író- rajzoló gépekkel történik. Fókuszált elektronsugár-, ionsugár- ill. lézernyalábbal írják föl direkt módon a maszk hordozóján lévő rezisztanyagra a kívánt mintázatot. Az elektronsugaras technológiát vázlatosan a 4.24. ábra mutatja be. Lényege, hogy egy jól fókuszált elektronsugarat hoznak létre, amelyet a régi katódsugárcsöves oszcilloszkópokhoz hasonlóan két irányban villamos erőtérrel eltérítenek. Az elektronsugár eltérítése helyett lehet a fotoreziszttel bevont maszktartót is mozgatni.

Az elektronsugaras litográfia elvi vázlata

forrás: Brück / Rizvi / Schmidt, Angewandte Mikrotechnik

4.24. ábra - Az elektronsugaras litográfia elvi vázlata


Az elektronsugaras írók másik csoportját képezik azok a berendezések, amelyeknél egy második blendével a nem kívánt sugarakat kitakarják (Variable Shaped Beam), 4.25. ábra.

Elektronsugaras litográfiás berendezés formázott sugárzással
4.25. ábra - Elektronsugaras litográfiás berendezés formázott sugárzással


A különböző maszkkészítési eljárásokat a Táblázat 4.3 foglalja össze.

4.3. táblázat - A különböző litográfiás eljárások

                        sugárforrás

technológia

UV-fény

(Hg lámpa vagy excimer lézer)

röntgensugár

(szinkrotron-sugárzás)

elektronsugár

1:1 árnyékképzés

kontakt levilágítás

proximity levilágítás

foto-

röntgensugaras

litográfia

 

leképezés

teljes szelet levilágítása

step and repeat

lito-

   

direkt írás

gráfia

 

elektronsugaras

litográfia

forrás: Völklein: Praxiswissen


Az elektronsugaras maszkkészítés fontosabb lépéseit a (4.26. ábra) ábrasorozatban foglaljuk össze. A maszk hordozója rendszerint optikai minőségűre polírozott üveglemez, amelynek a sugárzást minél jobban át kell engednie, tehát anyaga legtöbbször kvarc. Erre igen vékony, néhány tized μm vastag króm réteget visznek fel, majd erre egy reflexió csökkentő réteg, és erre a fotoreziszt réteg kerül felhordásra. Ezután következik az elektronsugaras megvilágítás, amelyet CAD program alapján számítógép vezérel. A következő lépés a fotoreziszt előhívása, majd a marás, amelynek segítségével a kívánt helyekről a króm réteget eltávolítják. Utolsó lépésként a fel nem használt, maradék fotoreziszt is eltávolításra kerül.

Az elektronsugaras litográfiás maszkkészítés főbb lépései

forrás: Brück / Rizvi / Schmidt, Angewandte Mikrotechnik

4.26. ábra - Az elektronsugaras litográfiás maszkkészítés főbb lépései


Az optikai litográfiánál kb. 0,5 μm vastag Cr-maszk már megfelelő, a röntgenlitográfia különleges Au (Pt, W) maszkokat igényel, min. 10 μm vastagsággal, de néha 100 μm Au vastagságra is szükség lehet. Ilyenkor ú. n. köztes maszk készítésére is szükség van.

A fotolitográfia

A legtöbb litográfiai technikának, beleértve a maszkkészítést is, alapja a fotoreziszt technika. A fotoreziszt tulajdonképpen egy fényre, azaz általánosabban fogalmazva elektromágneses sugárzásra érzékeny emulzió, amelyet a strukturálni kívánt felületre egyenletes rétegben kell felvinni. A felvitel rendszerint egy változtatható fordulatszámú centrifuga segítségével történik. A szubsztrátot a centrifuga forgó tányérjára rögzítik, majd a fotoreziszt szubsztrátra történő felvitele után a centrifugát meghatározott fordulatszámmal járatják. Az eljárás vázlatát a 4.27. ábra mutatja. A mellékelt diagramból látható, hogy egy meghatározott fotorezisztanyag vastagsága hogyan függ a fordulatszámtól. Bizonyos technológiáknál — ilyen például a klasszikus CD és DVD technika — fontos jelentősége van a fotoreziszt vastagságának. Megjegyezzük, hogy ez a technológia erősen pazarló jellegű, mert a centrifugálás során a fotoreziszt döntő hányada veszendőbe megy, az anyagnak csak néhány százaléka hasznosul.

Fotoreziszt réteg előállítására szolgáló berendezés vázlata és a fotoreziszt (Hoechst/Clariant AZ 4000) vastagsága a fordulatszám függvényében

forrás: Völklein: Praxiswissen

4.27. ábra - Fotoreziszt réteg előállítására szolgáló berendezés vázlata és a fotoreziszt (Hoechst/Clariant AZ 4000) vastagsága a fordulatszám függvényében


A fotoreziszt anyagoknak alapvetően két fajtája van: a pozitív és a negatív fotoreziszt. Működésüket tekintve éppen ellentétes jellegűek: a pozitív fotoreziszt az elektromágneses sugárzás hatására oldhatóvá válik, ami azt jelenti, hogy a megvilágítás után az „előhívási” folyamat során a megvilágított helyekről a reziszt eltávolítható. A negatív fotoreziszt esetében a megvilágított helyeken a reziszt ellenállóvá válik, és onnan távolítható el, ahol a rezisztet nem érte sugárzás. A pozitív és negatív fotoreziszt technológia vázlatát mutatja be a 4.28. ábra.

Fotolitográfia pozitív és a negatív fotoreziszttel

forrás: Völklein: Praxiswissen

4.28. ábra - Fotolitográfia pozitív és a negatív fotoreziszttel


A pozitív fotoreziszteknél az elektromágneses sugárzás hatására a reziszt anyagának hosszú molekulaláncai felszakadnak, és ennek következtében válik oldhatóvá. (4.29. ábra)

A pozitív fotoreziszt működési mechanizmusa

forrás: Brück, Rizvi, Schmidt: Angewandte Mikrotechnik

4.29. ábra - A pozitív fotoreziszt működési mechanizmusa


A negatív fotoreziszteknél a sugárzás hatására az előzőekkel éppen ellentétesen polimerizáció jön létre, keresztkötések keletkeznek, miáltal a reziszt oldhatatlanná válik (4.30. ábra).

A negatív fotoreziszt működési mechanizmusa

forrás: Brück, Rizvi, Schmidt: Angewandte Mikrotechnik

4.30. ábra - A negatív fotoreziszt működési mechanizmusa


A leggyakrabban használt technológia az optikai litográfia. Ennél a technológiánál a felhasznált sugárzás a látható tartományba esik, annak is inkább az ultraibolya sávjába. A rövidebb hullámhosszú elektromágneses sugárzás alkalmazásának két oka van: az egyik, hogy a fotonok kvantumenergiája a hullámhossz rövidülésével, azaz a frekvencia növekedésével egyenes arányban növekszik ( E=hν ), amely a fotorezisztben lejátszódó folyamatok szempontjából kedvezőbb. Másrészről a rövidebb hullámhosszú sugárzásoknál a strukturális felbontás is jobb. Az optikai litográfiánál a sugárzás forrásaként a leggyakrabban használt nagynyomású higanygőz lámpák sugárzási spektrumát a 4.31. ábra mutatja. Az ábrán a higanygőz lámpa g (36 nm), h (405 nm), és i (365 nm hullámhosszak) vonalait valamint a sugárforrásként használt excimer lézerek hullámhosszait F2 (157 nm), ArF (193 nm), KrF (248 nm), XeCl (308 nm) is feltüntettük.

Az optikai litográfiánál használt nagynyomású higanygőz lámpák sugárzásának spektrális eloszlása

forrás: Völklein: Praxiswissen

4.31. ábra - Az optikai litográfiánál használt nagynyomású higanygőz lámpák sugárzásának spektrális eloszlása


Egy nagynyomású higanygőz lámpával felépített levilágító berendezés vázlatos elrendezését a 4.32. ábra mutatja. A berendezéssel kontakt és proximity (lásd később) levilágítás egyaránt végezhető. A képen (1) a házat, (2) a nagynyomású higanygőz lámpát, (3) az elliptikus fényvisszaverő tükröt, (4) a „hideg” tükröt (a hősugarakat nem veri vissza), (5) a fényrekeszt, (6) a sugárzás széleit levágó blendét, (7) a kondenzor lencsét, (8) és (9) a kondenzor hátsó tagjait, (10) az UV szenzort, (11) a felületi tükröt, (12) a lencsét, (13) a maszkot, (14) a szeletet, illetve a szubsztrátot mutatja.

Nagynyomású higanygőz lámpával megvalósított megvilágító berendezés vázlata

forrás: Völklein: Praxiswissen

4.32. ábra - Nagynyomású higanygőz lámpával megvalósított megvilágító berendezés vázlata


A maszkok és a szubsztrát elhelyezkedését illetően három technológia alakult ki. Ezek a következők:

  • a kontakt levilágítás, amelynél a maszk és az alatta elhelyezkedő fotoreziszttel bevont szubsztrát egymással érintkezésben van. A maszknak éppen a struktúrát tartalmazó része érintkezik a fotoreziszttel, ami a maszk esetleges sérülése szempontjából előnytelen. A maszk előállítása költséges, sok projekciót el kell viselnie, és ha esetleg sérül, sok lesz a selejt, mert nem lehet minden egyes levilágítás után ellenőrizni a maszkot.

  • A „proximity” levilágítás, amely kiküszöböli az előbb leírt problémát, mert ennél a technológiánál a maszk nem érintkezik a fotoreziszttel, következésképpen a maszk sérülésének veszélye sokkal kisebb. Másfelől azonban minél nagyobb a maszk és a fotoreziszt távolsága, annál rosszabb lesz a felbontás, amelynek legfontosabb oka a maszk szélein fellépő fényelhajlás. Ezért a maszk és a fotoreziszt távolságát minél kisebbre kell választani, ez a gyakorlatban 20-50 μm között van.

  • A harmadik technológia a vetítéses (projekciós, leképezéses) módszer, amelynél a maszkon elhelyezkedő struktúrát optikai rendszer segítségével képezzük le a fotorezisztre. Ennek a módszernek az optikai rendszer torzításai mellett az a legnagyobb hátránya, hogy az optikai rendszer drága, elsősorban azért, mert az UV tartományban kell működnie, a legtöbb optikai üvegnek viszont az UV tartományban erős csillapítása van. Ha viszonylag kis méretű struktúrákat kell többszörözni, gyakran használják a „step and repeat” eljárást, amelynél a levilágítás után a szubsztrátot tovább léptetik, majd a struktúrát újra vetítik.

A fenti három technológiát vázlatosan a 4.33. ábra mutatja be. A különböző technológiák minőségét a felbontással, a minimálisan elkészíthető csík vastagságával szokás jellemezni. Ezért fontos az optikai litográfia határaival foglalkozni. Az eljárások határait egyrészt a fény hullámtermészetében, másrészt a reziszt-előhívó rendszerben kell keresni. A legkisebb csíkszélességet, ezzel a legjobb minőséget a kontakt módszerrel lehet elérni. A proximity eljárásnál a legkisebb még átvihető struktúra méret, azaz csíkszélesség közelítő értéke:

 

b min = 0,5 (λd prox )1/2

 

ahol λ a fény hullámhossza, d prox a proximity- távolság. (pl.: g- vonalas higanygőzlámpánál λ = 0,436 mm, d prox = 20 mm-nél b min = 1,5 mm.)

A leképző eljárások esetén a legkisebb még átvihető struktúra:

 

b min = 0,5 ,

 

ahol NA az optikai rendszer numerikus apertúrája (pl. argon-fluorid lézernél λ = 193 nm, NA = 0,35 esetén b min = 0,275 mm.)

Fontos következtetés, hogy a struktúra méreteinek csökkentéséhez a hullámhossz csökkentése szükséges. Ez magyarázza, hogy az optikai litográfiánál az UV tartományt használják, és hogy miért került előtérbe a röntgensugaras litográfia. Világosan kell látnunk, hogy a mikroelektronikában a tranzisztorok méreteinek csökkentése, ezzel a bonyolultabb integrált áramkörök elterjedése, azaz az informatika fejlődése csak a csíkszélesség méretének csökkentésével lehetséges. Jelenleg (2010-es évek) a csíkszélesség a 100 nm tartomány alatt (30-45 nm körül) van. Összehasonlításul: az emberi hajszál átmérője hozzávetőlegesen 60 μm, a 30 nm-es csíkszélesség ennek kétezred (!) része. Itt jegyezzük meg, hogy ezek a méretek csak rendkívül kifinomult csúcstechnológiákkal érhetők el, amelyekre a világon csak néhány cég képes.

A maszk és a szubsztrát elhelyezésének három változata

forrás: Brück / Rizvi / Schmidt, Angewandte Mikrotechnik

4.33. ábra - A maszk és a szubsztrát elhelyezésének három változata


Tekintettel arra, hogy a litográfia minősége alapvetően befolyásolja a mikrorendszerek minőségét, fontos annak gyártás előtti és gyártás közbeni ellenőrzése, hogy a litográfiai technológia mennyire jó. Ennek ellenőrzésére szolgáló teszt struktúrát mutat be a 4.34. ábra. A változó szélességű és különböző felbontású alakzatokból következtetni lehet a technológia minőségére. Fontos megjegyezni, hogy a litográfiai technológia minősége sok paramétertől függ, ezért is indokolt az eredmény ellenőrzése.

A litográfiás technológia felbontását és minőségét ellenőrző teszt-struktúra

forrás: IMM

4.34. ábra - A litográfiás technológia felbontását és minőségét ellenőrző teszt-struktúra


A következő 4.35. ábra azt mutatja, hogy a maszkolási technológia sem olyan egyszerű, mint amilyennek látszik. A maszk szélein (legyen a határvonal bármilyen éles is) fényelhajlás jön létre, az árnyékhatás nem hoz létre éles kontúrokat. Az ábra azt is világosan illusztrálja, hogy a kontakt módszer miért előnyösebb a proximity eljárásnál. Látható az is, hogyha a maszkok teljesen éles határfelülettel rendelkeznének, akkor sem lenne a fotoreziszttel bevont rétegen teljesen éles a határvonal. A maszkok széleinél ugyanis fényszóródás lép fel, ezért a vetített kép határai elmosódnak. Mennél nagyobb a maszk és a fotoreziszt közötti távolság, annál életlenebb lesz a kép. Amellett a maszk nyílása sem mindegy, a helyzet annál problematikusabb lesz, mennél közelebb áll a maszk s mérete az alkalmazott fény hullámhosszához. A fejlesztések egyik célja éppen az, hogy a fent vázolt nehézségek ellenére hogyan lehet mégis egyre finomabb struktúrákat előállítani.

A maszk résméretének hatása a fotorezisztre
4.35. ábra - A maszk résméretének hatása a fotorezisztre


4.3. Maratási eljárások

A mikrotechnikai struktúrák létrehozásának alapvető eszköze a maratás. A maratási eljárások a hordozóra felvitt rétegek maszkokon keresztüli strukturálására szolgálnak.

Az eljárásokat nedves ill. száraz eljárásokra bontják. További felosztás alapja, hogy a folyamat a kémiai vagy fizikai reakciók során zajlik-e. Gyakran a fizikait és a kémiait együtt alkalmazzák, nincs éles határvonal a kettő között. Meg kell azonban jegyezni, hogy nedves fizikai marás nincs.

A nedves kémiai maratások képezik a tömbi mikromechanikai eljárások (bulk micromachining) alapjait. Ezek legfőbb jellemzője, hogy a struktúra kialakítása nemcsak a felület közvetlen közelében történik, hanem a kialakítandó struktúrák a felületi méretekhez képest jelentős mélységi kiterjedéssel is rendelkeznek.

A nedves kémiai maratásokat alapvetően két csoportba sorolják: anizotróp ill. izotróp maratásokra. Az anizotróp marások esetében meghatározóan fontosak a kristálytani irányok, és az irányoktól függően a marási sebességek között közel egy nagyságrendnyi különbségek vannak. Az izotróp marásoknál a marási sebesség nem függ a kristálytani irányoktól, az anyag minden irányban ugyanazzal a sebességgel maródik.

A mikrotechnikai marásoknál használatos a szelektivitás és izotrópia fogalma. Ezek értelmezéséhez szolgál magyarázatul a 4.36. ábra. A szelektivitás azt jelenti, hogy a marásoknál a marószer mennyire támadja meg az egyes rétegeket. Nagy szelektivitásnál a marószer csak azt a réteget támadja meg, amelyet el akarunk távolítani. Az izotrópia pedig azt jelenti, hogy a marószer hatékonysága (a marási sebesség) mennyire függ a kristálytani irányoktól. Nagymértékű anizotrópiánál a marási sebesség kitüntetetten nagy (vagy kicsi) az egyik kristálytani irányban.

A szelektivitás és az izotrópia értelmezése

forrás: TU Ilmenau

4.36. ábra - A szelektivitás és az izotrópia értelmezése


Anizotróp nedves kémiai marás

A marási sebesség nagyon erősen függ a kristály orientációjától:

  • a Si-nél az [111]- sík nem, vagy csak kismértékben maródik,

  • az [100]- sík közepes sebességgel maródik,

  • az [110]- sík nagy sebséggel maródik (fősíkok),

  • pl. a [311]- sík igen nagy sebességgel maródik (melléksíkok).

A szilícium legjellemzőbb kristálytani síkjai

forrás: World of Microsystems

4.37. ábra - A szilícium legjellemzőbb kristálytani síkjai


A legfontosabb kristálytani síkokat szemléletesen mutatja a 4.37. ábra.

A marási sebességek egymáshoz viszonyított aránya:

 

ν111 : ν100 : ν110 = 1 : (50…100) : (100…500)

 

A maratószerek lúgok:

KOH; NaOH; LiOH; NH4OH (szervetlen vegyületek), ill. EDP etiléndiamin-pirazin (pirotechol), TMAH tetrametil-ammónium-hidroxid (utóbbiak szerves vegyületek). A KOH alkalmazása nem kompatibilis az integrált áramkörök gyártásánál használt folyamatokkal. Az EDP és a TMAH kompatibilisek, a kettő között az a különbség, hogy az EDP drága és mérgező, míg a TMAH olcsóbb és nem mérgező marószerek. A maszkanyagként használt SiO2 és Si3N4 rétegekre jellemző, hogy az előbbi kevéssé áll ellen a KOH marószernek, míg az utóbbi ellenállása mind a három (KOH, EDP, TMAH) marószerrel szemben jó, azonban a maszkot nehéz eltávolítani. Ezeket a 4.38. ábra foglalja össze.

Az anizotróp marás maszkjai és marószerei

forrás: World of Microsystems

4.38. ábra - Az anizotróp marás maszkjai és marószerei


Az anizotrópia iránya és a technológia minősége gyakorlati módszerekkel is meghatározható. Erre mutat példát a 4.39. ábra, ahol az ábra jobb oldali részén látható az ú. n. Siemens-csillag képe.

A Siemens-csillag és a mart árkok keresztmetszete
4.39. ábra - A Siemens-csillag és a mart árkok keresztmetszete


A sík felület orientációja 100, amelyre strukturáltan 500 nm vastag oxidréteget növesztettek. Ezután következett a nedves anizotróp marás 10 percig 60°C-os és 20%-os KOH oldattal. A kimart árkok V alakúak, ahogyan az a keresztmetszetet mutató jobb oldali ábrán látható. A sík felület és az árkok által bezárt szög a kristálytani orientációból következik, ez mindig 54,74 °.

Bal oldalon (a) 100, jobb oldalon (b) 110 orientációjú szeletek marási sebessége a kristálytani irányoktól függően. (50%-os KOH oldat, 78 °C hőmérsékleten)

forrás: Heuberger: Mikromechanik

4.40. ábra - Bal oldalon (a) 100, jobb oldalon (b) 110 orientációjú szeletek marási sebessége a kristálytani irányoktól függően. (50%-os KOH oldat, 78 °C hőmérsékleten)


A (4.40. ábra) ábráról leolvashatók a kristálytani irányoktól függő konkrét marási sebességek 100 és 110 orientációjú szilícium szeletek esetén.

Az anizotróp marásra szemléletes magyarázatot ad a következő, 4.41. ábra. Az ábra sematikusan ábrázolja az egykristályos szilícium szerkezetét, a kis körök az atomokat jelzik. Tekintettel arra, hogy az 111 sík csak nagyon kis sebességgel maródik, az 100 pedig sokkal gyorsabban, a folyamatot úgy kell elképzelni, mintha a marószer az egyes atomi rétegeket egymás után választaná le, elméletileg addig nem kezdve bele a következő réteg leválasztásába, ameddig az előző réteg utolsó atomját is el nem távolította. A kristálytani orientációból következik, hogy a kialakult árok szöge az 100 síkhoz képest 54,7 °, és ez nem változtatható, mindig ennyi. Ha a marási folyamatot megszakítják, az ároknak lesz vízszintes része, ha végigviszik, az árok V alakú lesz.

Az anizotróp marási folyamat sematikus ábrázolása

forrás: Völklein: Praxiswissen

4.41. ábra - Az anizotróp marási folyamat sematikus ábrázolása


Az anizotróp marással előállítható alakzatokat a következő, 4.42. ábra mutatja. Amennyiben a maszk négyzetes alakú, a marással vagy negatív gúlát, vagy negatív csonka gúlát lehet előállítani. Amennyiben a maszk téglalap alakú, vagy V alakú árkot, vagy fenékkel rendelkező árkot lehet létrehozni.

Az anizotróp marással előállítható jellegzetes alakzatok

forrás: Vőlklein: Praxiswissen

4.42. ábra - Az anizotróp marással előállítható jellegzetes alakzatok


A következő, 4.43. ábra azt mutatja, hogy hogyan lehet a maszk anyagából egy befogott tartót előállítani. Ez esetben a marás során konvex él képződik, amely nem ellenálló (ellentétben a konkáv élekkel), igen gyorsan maródik, úgy, hogy a maszk alól is eltávozik az anyag, és marad a befogott tartó.

Anizotróp marással előállított negatív gúla (a) és befogott tartó (b, c, d)

forrás: TU Ilmenau

4.43. ábra - Anizotróp marással előállított negatív gúla (a) és befogott tartó (b, c, d)


A (4.44. ábra) ábrán egy befogott tartóra erősített lapka valóságos mikroszkópikus képét mutatjuk be, amelynél bemutatási célból a marási folyamatot megszakították. Látható, hogy a tartók alól a marószer még nem távolított el minden anyagot. Az ábra jól érzékelteti, hogy a konvex élek rendkívül gyorsan maródnak.

Anizotróp marással előállított befogott tartók félig kész állapotban

forrás: Vőlklein: Praxiswissen

4.44. ábra - Anizotróp marással előállított befogott tartók félig kész állapotban


Mikromechanikai technológiákkal olyan szűrőket (mechanikus szűrőket) lehet előállítani, amelyeket más módszerrel nem lehet elkészíteni. Példaként a (4.45. ábra) ábrán egy szűrő mikroszkópikus képe látható, amely WSi2 anyagból, fotolakk maszkolással, száraz anizotróp marással (SF6 C4F8 gázkeverék segítségével) készült.

Száraz anizotróp marással előállított szűrő mikroszkópikus képe

forrás: Völklein: Praxiswissen

4.45. ábra - Száraz anizotróp marással előállított szűrő mikroszkópikus képe


A gyakorlatban elfordulhatnak olyan mikromechanikai feladatok, amelyeknél konvex éleket kell létrehozni. Ilyen feladat lehet például, ha egy V alakú mikromechanikai áramlási csatornát 90°–kal el kell fordítani. Mivel a konvex élek igen gyorsan maródnak, erre a tervezésnél előre számítani kell. A módszer neve: sarokkompenzáció. A sarokkompenzáció a maszk megváltoztatását (pontosabban bizonyos irányokban történő megnövelését) jelenti. Erre mutat példát a következő, 4.46. ábra. A sarokkompenzáció mértéke közelítően számítható, de mivel a marási folyamat sok technológiai paramétertől függ, a maszk változtatásának pontosabb mértékét kísérletezéssel kell beállítani. A közelítő összefüggések a következők:

a kompenzáló maszk szélessége = 2 d, hossza = 1,6 W, ahol d az árok (csatorna) mélysége, W az árok szélessége.

A sarokkompenzáció magyarázatához

forrás: Vőlklein: Praxiswissen

4.46. ábra - A sarokkompenzáció magyarázatához


A következő, 4.47. ábra egy mikromechanikai áramlásmérő kialakítását mutatja. A konstrukció lényege egy két oldalon befogott tartó, amelyre fűtő és hőmérsékletmérő ellenállásokat integráltak. A fűtésből keletkező mechanikai feszültségek csökkentése érdekében mindkét oldalon a befogásoknál bemetszéseket alakítottak ki. A befogott tartó alatt teknőszerű üreget alakítottak ki, hogy az áramló közeg a tartó alját is megfelelően körülvegye.

Áramlásmérő szenzor kialakítása anizotróp marással

forrás: Vőlklein: Praxiswissen

4.47. ábra - Áramlásmérő szenzor kialakítása anizotróp marással


Izotróp nedves kémiai marás

Az izotróp marások legfontosabb tulajdonsága, hogy a marási sebesség nem függ a kristálytani irányoktól, azaz a marószer minden kristálytani irányban azonos sebességgel választja le az anyagot. Izotróp marásoknál a marószerek savak, és a marási folyamat két lépésből áll: az első az oxidálás, a második az oxid oldása. Az oxidálásra leggyakrabban a salétromsavat, az oxid oldására a folsavat használják:

 

HNO3 → oxidáló, HF → oxidoldó

 

Izotróp nedves marásoknál az irányoktól független azonos marási sebességből következik, hogy megjelenik az alámarás jelensége, amely azt jelenti, hogy a marószer a maszk alól is eltávolítja az anyagot. Az anizotróp és az izotróp marási profilok közötti különbséget mutatja a 4.48. ábra.

Az anizotróp és izotróp marási profilok közötti különbségek

(a) anizotróp marás, 100 felületi orientációval, (b) anizotróp marás, 110 felületi orientációval, (c) izotróp marás, 100 felületi orientációval, (d) izotróp marás, 110 felületi orientációval, forrás: TU Ilmenau

4.48. ábra - Az anizotróp és izotróp marási profilok közötti különbségek


Az izotróp marásoknál fellépő alámaródás mikroszkópikus képét mutatja a 4.48. ábra. Jól látható, hogy a marószer a maszk alatti anyagrészt is eltávolította.

Az alámaródás mikroszkópikus képe

forrás: IMM

4.49. ábra - Az alámaródás mikroszkópikus képe


A marási folyamat leállítása

A gyakorlatban igen gyakran szükség van a marási folyamat leállítására. Gondoljunk például egy nyomásmérő szenzor membránjára, ahol a szenzor érzékenységének beállításához egy meghatározott nagyságú és vastagságú membránt kell előállítani. A marási folyamat megállítására többféle technológia létezik, ezeket anizotróp marásokra vonatkoztatva a következő ábrákon mutatjuk be.

A marási folyamat leállítása időméréssel és bór koncentrációval

forrás: World of Microsystems

4.50. ábra - A marási folyamat leállítása időméréssel és bór koncentrációval


Legegyszerűbb eset az időre történő marás, amikor ismert és jól kontrollált marási sebességnél az időt mérjük, és a marási folyamatot a letelt idő elteltével megszakítjuk (4.50. ábra). A következő lehetőség a bórral történő dotálás. Ilyenkor a szilícium p típusúvá válik. Azt használjuk ki, hogy a bór koncentráció növelésével a marási sebesség nagymértékben csökken. Ezt a függést mutatja a 4.51. ábra. Az ábra értelmezésénél vegyük figyelembe, hogy mind a függőleges, mind a vízszintes tengely logaritmikus léptékkel rendelkezik.

A marási sebesség függése a bór koncentrációtól

forrás: Menz: Mikrosysteme

4.51. ábra - A marási sebesség függése a bór koncentrációtól


A marási folyamat leállítása más anyagok (Si3N4 és SiO2) alkalmazásával

forrás: World of Microsystems

4.52. ábra - A marási folyamat leállítása más anyagok (Si3N4 és SiO2) alkalmazásával


A marási folyamat más típusú réteg, a 4.52. ábra bal oldali részén szilíciumnitrid, a jobb oldali részén szilíciumdioxid réteg) kialakításával is leállítható. Utóbbi esetben a szilíciumdioxid réteg alatt még egy másik szilícium réteg is található, ezt nevezik SOI (Silicon on Insulator) technológiának.

A marási folyamat leállítása pn átmenet segítségével elektrokémiai úton

forrás: World of Microsystems

4.53. ábra - A marási folyamat leállítása pn átmenet segítségével elektrokémiai úton


Végül a marási folyamatot elektrokémiai úton is le lehet állítani, ha a struktúrában pn átmenetet alakítunk ki (4.53. ábra). Ekkor a p típusú részt anódként használva arra pozitív feszültséget kapcsolnak, és a platina ellenelektródára (katód) pedig negatív feszültséget adnak. Az előző ábrákon a marási folyamat leállítását anizotróp marásra mutattuk be, azonban a leállítási elvek az izotróp marásra is vonatkoznak, ezeket a kiegészítéseket láthatjuk a (4.54. ábra) ábrán (100 és 110 orientációjú szilíciumra).

A marási folyamat leállítása anizotróp és izotróp marások esetén

forrás: TU Ilmenau

4.54. ábra - A marási folyamat leállítása anizotróp és izotróp marások esetén


Száraz maratási eljárások

A nedves kémiai eljárások mellett léteznek a száraz eljárások is. Ezeket az jellemzi, hogy a folyamat gáz vagy gőzfázisban történik, és a marások egyaránt lehetnek kémiai vagy fizikai jellegűek. A technológiáknál gyakran a kémiai és fizikai hatás együtt érvényesül. (Mint már korábban említettük, nedves fizikai marások nincsenek.)

Ezek az eljárások nem savas vagy bázikus közegekben történnek, hanem a CVD eljárásoknál használt reaktorokban. A hatásmechanizmus szerint ugyan megkülönböztetünk kémiai és fizikai eljárásokat, de sokszor a kettő kombinációját alkalmazzák. A tisztán fizikai eljárásoknál a felgyorsított atomok (molekulák, ionok) kinetikus energiáját használják az anyagrészecskék leválasztására, míg a kémiai eljárásoknál kémiai folyamatok játszódnak le. Az eljárások a következő lépésben zajlanak le:

  • aktív gázok előállítása,

  • ezen részecskék szállítása vagy ütköztetése a hordozóhoz,

  • a hordozó felületének marása,

  • a keletkezett produktumok elszállítása.

Az aktív gázokat leggyakrabban plazmával állítják elő, a CVD eljárásokhoz hasonló módon. A részecskék szállítása diffúzióval vagy elektromos tér segítségével jön létre. Maga a maratás pedig ezekkel a részecskékkel történik.

Az aktív gázok lehetnek:

  • semleges gáz ion, pl. Ar+

  • reaktív ion, pl. O+

  • reaktív semleges gáz, pl. XeF2

  • reaktív gyök, pl. F+, CF3+

A száraz maratási eljárások legfontosabb típusai

A következő felsorolásban a száraz maratási eljárások legfontosabb típusait soroljuk fel, a szakirodalomban legtöbbször a technológiát csak a rövidítésként szolgáló néhány betűvel jelzik.

  • IE = Ion Etching (Sputter Etching): Fizikai maratás nemesgáz ionokkal, (pl. Ar+), amelyeket a szubsztrát felülete felé gyorsítanak. A hordozó a plazmában helyezkedik el. A marási profil igen anizotróp.

  • IBE = Ion Beam Etching: Fizikai maratás, vákuumban ionágyúval gyorsítják a részecskéket a hordozó felületére. A marási profil igen anizotróp.

  • RIE = Reaktive Ion Etching: Irányított, erősen fizikai maratás jellegű eljárás reaktív ionokkal, pl.: O+, CF3+, a hordozó közvetlenül a plazmában helyezkedik el. A marási profil izotróptól az anizotrópig terjed.

  • RIBE = Reaktive Ion Beam Etching: Az IBE és RIE keveréke, pl. XeF2 gázzal. A marási profil ennél a technológiánál is az izotróptól az anizotrópig terjed.

  • PE = Plasma Etching: Kémiai eljárás gyenge fizikai jelleggel, szabad gyökökkel bíró ionokkal, mint például a F+, CF3+, O+. A marási profil izotróptól az anizotrópig terjed.

  • BE = Barrel Etching: Gyakorlatilag kizárólag kémiai eljárás, szabad gyökökkel bíró ionokkal, mint például a F+, CF3+, O+. A marási profil ennél a technológiánál jellegzetesen izotróp.

A 4.55. ábra példát mutat a száraz fizikai és a száraz kémiai marás közötti jellegzetes különbségekre. Az ábra bal oldalán látható, hogy a fizikai marás éles határvonalakkal rendelkezik (csak elvileg van így, a valóságban más effektusokkal is számolni kell), míg az ábra jobb oldalán látható kémiai száraz marásoknál jellegzetesen fellép az alámaródás jelensége. Az ábra jól érzékelteti, hogy a fizikai marásoknál felgyorsított ionok ütik ki a marandó anyagból az atomokat vagy molekulákat kinetikus energiájuk segítségével. A kémiai marásoknál a diffúziót használják az anyagok mozgatásához, ilyenkor nem a kinetikus energia a meghatározó, hanem maga a kémiai folyamat.

A száraz fizikai és kémiai marások közötti különbség

forrás: TU Ilmenau

4.55. ábra - A száraz fizikai és kémiai marások közötti különbség


A száraz marásoknál általában a CVD eljárásoknál használt reaktorokat, vagy az azokhoz nagyon hasonlóakat használják.

Az ionos marás (IE) technológiája

A leggyakrabban planparallel reaktorokat használnak. A marószer általában argon ion Ar+, plazma környezetben. A plazmát 13,56 MHz nagyfrekvenciás gerjesztéssel állítják elő. Az elérhető marási sebességek: Au esetén 12 μm/min, Pt esetén 4,5 μm/min, NiCr esetén 8 μm/min. A reprodukálhatóság jobb, mint ±1%, az egyenletesség ±5%. Az alkalmazható maszkok: fotoreziszt, SiO2, vagy fémek, például Al, Ti, Cr. Egy reaktor vázlatos elrendezését a 4.56. ábra mutatja.

Ionos marásra alkalmas berendezés vázlata

forrás: Völklein: Praxiswissen

4.56. ábra - Ionos marásra alkalmas berendezés vázlata


Az ionsugaras marás (IBE) technológiája

Az ionsugaras marásra szolgáló berendezés külön ionágyút tartalmaz. Az ionizálás itt is plazma segítségével történik, az ionokat mágneses térrel irányítják, majd felgyorsítják. Marószerként nemes vagy semleges gázokat (Ar, N2) használnak. A vákuum 10-2 Pa. A technológiával minden fém maratható. A folyamat erősen anizotróp jellegű, és annál erősebb az anizotróp jelleg, mennél kisebb a nyomás (mennél nagyobb a vákuum). A szelektivitás kicsiny, mert a marási sebesség csak kevéssé függ az anyag atomsúlyától. Egy ionsugaras maró berendezés vázlatos felépítését a 4.57. ábra mutatja.

Ionsugaras maróberendezés vázlata

forrás: Völklein: Praxiswissen

4.57. ábra - Ionsugaras maróberendezés vázlata


A plazma-marás (PE) technológiája

A plazma marásnál használt berendezések nagyon hasonlítanak az ionos marásnál használt berendezésekre. A plazma létrehozása itt is 13,56 MHz-es nagyfrekvenciás gerjesztéssel történik. A szubsztrátok földpotenciálon vannak, az ellenelektróda kapacitíven van csatolva a nagyfrekvenciás generátorhoz. A nyomás 10…100 Pa. A marási folyamat döntően kémiai, a használatos marószerek elektronok, ionok, reaktív gyökök, maró gázok. A folyamat erősen izotróp jellegű, a szelektivitás nagy. A technológiára jellemző a viszonylag nagy marási sebesség. Általános felhasználási terület: a szubsztrátok hátoldalán lévő rétegek eltávolítása, mint például termikus oxidréteg, vagy poliszilícium réteg. Egy plazma maró berendezés vázlatos felépítését a 4.58. ábra mutatja.

Plazma maró berendezés vázlata

forrás: Völklein: Praxiswissen

4.58. ábra - Plazma maró berendezés vázlata


Barrel-reaktor (BE) vázlata

A Barrel-reaktor egy viszonylagosan olcsó berendezés, amelynek felépítése eltér az eddigiektől. Az elektródák itt a szokásos plánparallel elrendezés helyett hengeresre vannak kialakítva. A plazmát ennél a reaktornál is nagyfrekvenciás árammal hozzák létre. A reaktor belsejében a „csónak”-ban helyezkednek el a szilícium szeletek, hozzávetőlegesen 25-50 db. A „csónak” potenciálja „lebeg”, ugyanis villamosan kapacitív csatolásban van a két elektródával. A vákuumkamra nyomása kb. 100 Pa. A Barrel-reaktorok fő alkalmazási területe a fotolakk eltávolítása O2 és CF4 segítségével. Egy Barrel-reaktor vázlatos felépítését a 4.59. ábra mutatja.

Barrel reaktor vázlata

forrás: Völklein: Praxiswissen

4.59. ábra - Barrel reaktor vázlata


A következő Táblázat 4.4 összefoglalóan mutatja be, hogy a különböző anyagok száraz marásainál milyen maróanyagok (gázok) használhatóak. A harmadik oszlopban a technológiákhoz fűzött kommentárok is olvashatóak.

4.4. táblázat - A reaktív ionos marásnál a különböző anyagú rétegeknél felhasználható gázok

Réteg

Maró gáz

Megjegyzés

SiO2

CF4 / O2

CHF3 / O2

CHF3 / CF4

CH3F

C2F6; SF6

C3F8

A fluor (F) marja a szilíciumot, az O2 eltávolítja a szenet

A CHF3 polimerként hat, és növeli a szelektivitást

A SiO2rétegen megnöveli a Si3N4 szelektivitását

A CF4 –hez képest nagyobb marási sebesség

Poly-Si

BCI3 / Cl2

SiCl4 / Cl2; HCl / O2; SiCl4 / HCl

HBr / CI2 / O2

SF6

NF3

HBr / Cl2

Nincs C szennyezés

A fotolakkal és a SiO2-vel szemben jobb szelektivitás

Nagy marási sebesség, jó szelektivitás a SiO2-vel

Nagy marási sebesség, izotróp

Si mono-kristály

BCl3 / Cl2; HBr / NF3

HBr / NF3 / O2; CF3Br

A SiO2-vel szemben jobb szelektivitás

Al ötvö-zetek

Cl2

BCI3

BCI3 / Cl2 / CF4

BCI3 / Cl2 / CHF3

BCI3 / Cl2 / N2

Izotróp

Kedvező marási sebesség

anizotróp

Jobb oldalfal passziválás

Nagyobb marási sebesség, nincs szén

forrás: Universität Stuttgart


Példa mély reaktív ion marásra

A (4.60. ábra) ábrán egy szemléletes példa látható a mély reaktív ionos marásra (Deep Reactive Ion Etching, DRIE) amely a Bosch cég mikroméretű emblémája.

Reaktív ionos marással készített mikromechanikai struktúra

forrás: Bosch

4.60. ábra - Reaktív ionos marással készített mikromechanikai struktúra


4.4. A LIGA technológia.

A LIGA technológia egy olyan különleges mikromechanikai technológiát jelent, ami a maga sajátosságaival együtt igen nagy lehetőségeket kínál a mikromechanikában, és új perspektívákat nyit meg. A LIGA betűszó, a német Litographie, Galvantechnik, Abformung (litográfia, galvántechnika, formaadás) szavakból származik. Alapvető tulajdonsága, hogy a laterális (síkbeli) méretekhez képest igen nagy mélységi (vertikális) struktúrákat lehet ezzel a módszerrel előállítani. A másik különlegessége (lehet mondani, egyben elterjedésének korlátja is) az, hogy a litográfiai folyamathoz röntgensugarat kell használni. A LIGA technológia jelentősége többek között abban is van, hogy segítségével mikroméretű műanyag alkatrészek fröccsölésére alkalmas szerszámokat lehet előállítani. Ezzel megnyílik a lehetőség mikromechanikai műanyag alkatrészek tömeges előállítására, ami egyúttal az alkatrész gyártási költségeinek csökkenését jelenti nagy darabszámok esetén. A LIGA technológiával előállítható struktúrák arányait mutatja a 4.61. ábra. Ebből világosan kitűnik, hogy míg a mikroelektronikában a laterális (síkbeli) méretekhez képest a mélységi (vertikális) méretek a 0,5 μm tartományban vannak, addig a LIGA technológiával az 1-2 mm-es (1000-2000 μm) vertikális méretek is megvalósíthatók, igaz, hogy a laterális méretek kb. egy nagyságrenddel nagyobbak, mint a mikroelektronikánál.

A LIGA technológiával előállítható struktúrák jellemző méretei a mikroelektronikában alkalmazott méretekhez viszonyítva

forrás: Angewandte Mikrotechnik

4.61. ábra - A LIGA technológiával előállítható struktúrák jellemző méretei a mikroelektronikában alkalmazott méretekhez viszonyítva


Hogy a gyakorlatban mit jelentenek a nagy mélységi méretek a laterális méretekhez képest, erre mutat példát a 4.62. ábra.

LIGA technológiával előállított mikromechanikai struktúra

forrás: Angewandte Mikrotechnik

4.62. ábra - LIGA technológiával előállított mikromechanikai struktúra


A LIGA technológia több tekintetben eltér az eddig ismertetett technológiáktól. Ezen eltérések közül a legfontosabb, hogy a strukturálásra szolgáló fotolitográfiánál alkalmazott elektromágneses sugárzás hullámhossza a röntgensugárzás sávjába esik, amelyből számos különlegesség következik. Az optikai litográfia határainak elemzésénél láthattuk, hogy a felbontás annál jobb lesz, minél rövidebb az alkalmazott elektromágneses sugárzás hullámhossza. Ez az elsődleges oka a röntgensugárzás mikrotechnikai felhasználásának. A rövidebb hullámhosszból és az ezzel együtt járó magasabb kvantumenergiából következik, hogy a röntgen sugaraknak nagyon nagy az áthatoló képességük. A sugárzásnak ezt a tulajdonságát használjuk a gyógyászatban is, meg az ipari berendezéseknél is. A röntgen litográfiánál az optikai litográfiában használt közönséges, néhány tized μm vastagságú króm, vagy krómdioxid maszkok használhatatlanok, átmegy rajtuk a röntgen sugárzás. A LIGA maszkok számára abszorbensnek (maszk anyagnak) nagy atomsúlyú anyagok alkalmasak, leggyakrabban az aranyat használják. Sőt, még az arany esetében is alaposan meg kell növelni az abszorbens vastagságát, alkalmazástól függően 0,1-1 mm-ig. Tovább bonyolítja a helyzetet, hogy a röntgensugaras litográfiához szükséges munkamaszkokat egy lépésben nem lehet előállítani, segéd maszkra (intermediate mask, köztes maszk) is szükség van, és a munkamaszkot ennek segítségével, de szintén csak röntgensugaras technológiával lehet előállítani. A másik fontos tudnivaló, hogy a röntgensugárzást sem lehet egyszerűen előállítani, mert a szokásos módokon (Röntgen-cső) előállított sugárzásnak viszonylag nagy a divergenciája. A LIGA technológiához nagyon kis divergenciájú röntgensugárzásra van szükség, amelyet a részecske kutatásban használatos szinkrotronok segítségével lehet csak előállítani. Mivel szinkrotronok Európában is csak néhány helyen vannak, világos, hogy ez a technológia nem tartozik a legolcsóbbak közé. Ezzel szemben áll az a tény, hogy olyan mikromechanikai termékeket lehet a LIGA technológia segítségével előállítani, amilyeneket más módon nem lehet elérni. Ilyen tulajdonság például a 1:100-as arányt is elérő laterális-vertikális viszony. A LIGA technológia lényegét a következő, (4.63. ábra) ábrasorozat szemlélteti.

A LIGA technológia legfontosabb lépései (magyarázat a szövegben)

forrás: Völklein: Praxiswissen

4.63. ábra - A LIGA technológia legfontosabb lépései (magyarázat a szövegben)


Az első (a) lépésben a viszonylag vastag fotorezisztet kell felvinni a vezető anyagból készült alaplemezre. A fotoreziszt vastagsága megegyezik a kívánt struktúra vertikális méretével. Ezután következik a röntgensugárral történő levilágítás, speciális (röntgensugárzást elnyelő) maszk segítségével. A második (b) lépésben megtörténik a fotoreziszt előhívása. A harmadik (c) lépésben következik a galvanizálás, amelynél anyagként legtöbbször nikkelt használnak. A galván réteget nemcsak az eredeti fotoreziszt vastagságáig növelik, hanem annál is vastagabbra, hogy a formának tartása, mechanikai szilárdsága legyen. A negyedik (d) lépésben megtörténik az alaplemez és a fotoreziszt eltávolítása marással. Ezzel tulajdonképpen már kész a szerszám, amellyel a munkadarabokat készítik. A következő lépés (e) a formaadás, a szerszám kitöltése kerámiával vagy műanyaggal. Az utolsó lépésben (f) a szerszámból kiveszik a kész munkadarabot. Fontos észrevenni, hogy a LIGA technológiánál alapanyagként nem a szilíciumot használják, a technológiának éppen az az egyik különlegessége, hogy segítségével kerámiából vagy műanyagból (ritkábban fémből) készített mikromechanikai alkatrészek hozhatók létre.

A röntgensugaras litográfia

A röntgensugaras litográfiához nagyon kis divergenciájú (ideálisan párhuzamos) röntgensugár forrásra, és speciális maszkokra van szükség. A kis divergenciájú röntgen sugarakat nem egyszerű előállítani, erre a gyógyászatban és az iparban használatos röntgen sugárforrások nem alkalmasak. A technológiához szükséges közel párhuzamos sugárzást csak szinkrotronok (részecskegyorsító berendezések) segítségével lehet előállítani. Az Európában található szinkrotronokat a következő, 4.64. ábra mutatja be.

Az Európában található szinkrotronok

forrás: Angewandte Mikrotechnik

4.64. ábra - Az Európában található szinkrotronok


A szinkrotronok nagy berendezések, az egyik legnagyobb a CERN (Svájc és Franciaország határán, Genf mellett) Large Hadron Collider (LHC) gyorsítója (nem röntgensugárzás előállítására, hanem az atomi részecskék kutatására építették). A gyorsító alakja kör, hossza 27 km, átlagos mélysége a föld alatt 100 m. Földrajzi elhelyezkedését a 4.65. ábra mutatja.

A CERN LHC gyorsítójának földrajzi elhelyezkedése

forrás: Wikipédia

4.65. ábra - A CERN LHC gyorsítójának földrajzi elhelyezkedése


A mellett, hogy ezekkel a berendezésekkel atomi vagy szubatomi méretű részecskéket vizsgálnak, maga vizsgáló berendezés igen nagy, példaképpen az LHC belső alagútjának képe a (4.66. ábra) ábrán látható.

A CERN LHC gyorsítójának alagútja

forrás: Wikipédia

4.66. ábra - A CERN LHC gyorsítójának alagútja


Annak érdekében, hogy fogalmat alkothassunk egy szinkrotron berendezésről, a (4.67. ábra) ábrán bemutatjuk a Párizs melletti Soleil gyorsítót, valamint a (4.68. ábra) ábrán ennek belső elrendezését. A kisebb gyűrű az előgyorsításra szolgál, a tangenciális kicsatolások a mérőhelyek, amelyek különböző kutatási célokat szolgálnak.

A Párizs melletti Soleil gyorsító képe

forrás: Wikipédia

4.67. ábra - A Párizs melletti Soleil gyorsító képe


A Soleil gyorsító belső elrendezése

forrás: Wikipédia

4.68. ábra - A Soleil gyorsító belső elrendezése


A kis divergenciájú röntgen sugárzást tehát a szinkrotronban felgyorsított elektronok segítségével lehet létrehozni. Az eltérítő mágnesek környezetében érintő irányban a szinkrotronból ú. n. szinkrotron sugárzás csatolható ki, amelyből megfelelő szűrők alkalmazásával röntgen sugárzás nyerhető. A kicsatolt sugárzás divergenciája néhány mrad. A kicsatolási pont és a levilágítási pont közötti távolság tipikusan 20 m. A levilágítás síkjában a besugárzottság néhány W/cm2. A szubsztrát felületén a röntgensugár kiterjedése kb. 1 cm magas, és kb. 10 cm széles, és az intenzitás eloszlása természetesen nem homogén, hanem ellipszishez hasonló alakú (az ábrákon az egyszerűség kedvéért téglalap alakúnak szokták ábrázolni), ezért a fotoreziszt megvilágításánál a céltárgyat függőlegesen mozgatni (szkennelni) kell. A szinkrotronban természetesen vákuum van, ezért a röntgensugarak is vákuumban érkeznek, ezért a teret vákuumzáróan le kell zárni. A lezárás (ablak) legtöbbször kb 500 μm vastag berilliummal (mérgező fém) történik, ezen a röntgensugarak könnyedén áthatolnak, ezért is nevezik ablaknak. A levilágító térnek nem kell vákuum alatt lennie, de hőelvezetési szempontból és annak megakadályozására, hogy a maradék oxigénből a röntgensugárzást hatására esetleg ózon keletkezzen, a levilágító teret 100 mbar nyomású héliummal töltik fel. Az eljárás vázlatát a 4.69. ábra szemlélteti.

A röntgensugaras litográfia vázlatos elrendezése

forrás: Brück, Rizvi, Schmidt: Angewandte Mikrotechnik 2001

4.69. ábra - A röntgensugaras litográfia vázlatos elrendezése


A levilágító rész (ahol a szubsztrát helyezkedik el), külön egységet képez. Ennek a képét mutatja be a 4.70. ábra.

A röntgensugaras litográfia levilágító egysége

forrás: Brück, Rizvi, Schmidt: Angewandte Mikrotechnik 2001

4.70. ábra - A röntgensugaras litográfia levilágító egysége


A röntgenlitográfiához szükséges maszkok előállítása

A röntgensugárzás nagy energiatartalma miatt az optikai litográfiánál használt néhány tized μm vastag krómréteget tartalmazó maszkokat nem lehet alkalmazni, mert azon a röntgensugarak áthatolnak. A röntgenlitográfiához speciális maszkokra van szükség, amelyek a röntgensugárzással szemben nagy abszorpciós képességgel rendelkeznek. Abszorbens anyagnak leggyakrabban az aranyat használják, nagy atomsúlya és korrózióállósága miatt. Mivel a szokásosnál több nagyságrenddel (tizedmikrométer helyett tizedmilliméter, kb. 3 nagyságrend) nagyobb vastagságra van szükség még az arany alkalmazása mellett is, ezeket sajnos nem lehet egy lépésben előállítani. A LIGA maszkok előállítása bonyolult, a lehetőségeket a 4.71. ábra mutatja be. A technológia attól függ, milyen minőségű maszkra van szükség. Az alacsony minőségű (LQ) maszkokat úgy készítik, hogy a komputerrel (CAD) megtervezett maszk struktúrával először egy Cr maszkot hoznak létre elektronsugaras litográfiával (Electron Beam Litography, EB, vagy Pattern Generator, PG). Második lépésben ennek a maszknak a segítségével, optikai litográfiával (PL) alakítják ki a röntgensugárzáshoz való maszkot. Röviden: UV litográfia, Au galvántechnika vastag fotoreziszttel. Az általánosan használt, az előzőnél jobb minőséget adó technológia (standard) ettől annyiban különbözik, hogy a Cr maszk segítségével először egy köztes maszk készül optikai litográfiával (PL), majd ennek felhasználásával, de már röntgen litográfiával (Soft X-Ray Litography) készül a munkamaszk. Röviden: UV litográfia, Au galvántechnika a köztes maszkon, majd ennek átmásolása lágy röntgen sugárzással a munkamaszkra. A legjobb minőséget biztosító technológia (HQ) esetén a Cr maszk létrehozását elhagyják. Ilyenkor az elektronsugaras litográfiával mindjárt a köztes maszk készül el, majd erről lágy röntgen sugárzást (Soft X-Ray Litography, SXRL) alkalmazó röntgen litográfiával készül a munkamaszk. Röviden: elektronsugaras litográfia a köztes maszkra, Au galvántechnika, majd ennek átmásolása lágy röntgen sugárzással a munkamaszkra.

A röntgensugaras litográfiához szükséges munkamaszkok előállításának lehetőségei

forrás: Völklein: Praxiswissen

4.71. ábra - A röntgensugaras litográfiához szükséges munkamaszkok előállításának lehetőségei


Példaként a (4.72. ábra) ábrán bemutatjuk egy röntgenlitográfiához való munkamaszk mikroszkópikus képét. Az alaplemez kb. 500 μm vastag berillium lemez, amelyre galvanikusan kb. 20 μm aranyréteget (struktúrát) vittek fel.

A röntgensugaras litográfiához való maszk képe

forrás: IMM

4.72. ábra - A röntgensugaras litográfiához való maszk képe


A legjobb minőséget adó eljárásnál köztes maszk (intermediate mask) előállítására is szükség van. Ennek technológiai lépéseit a 4.73. ábra mutatja be.

A röntgensugaras litográfiához való köztes maszk előállításának technológiai lépései

forrás: Brück, Rizvi, Schmidt: Angewandte Mikrotechnik 2001

4.73. ábra - A röntgensugaras litográfiához való köztes maszk előállításának technológiai lépései


A szilícium hordozóra először egy 4,5 μm vastag szilícium-nitrid réteget, majd erre egy 50 nm vastag Cr/Au vezető réteget visznek fel. Ez utóbbi a galvanizáláshoz szükséges. Ezután következik a fotoreziszt felvitele, pl. PMMA 2,15 μm. A következő lépés a fotoreziszt strukturált megvilágítása elektronsugaras eljárással vagy másik maszk segítségével fotolitográfiával, majd a fotoreziszt előhívása. A következő lépés tér el leginkább a hagyományos technológiáktól, ez ugyanis a galvanizálás, amelynek során kb. 1,5…1,7 μm vastag aranyréteget választanak le. Utolsó lépésként a hasznos terület alól marással eltávolítják a szilícium hordozót, és a már szükségtelen vezető réteget. Ekkor készen van a munkamaszk előállításához szükséges köztes maszk.

A röntgenlitográfiához való munkamaszk előállításának technológiai lépéseit a 4.74. ábra mutatja be.

A röntgensugaras litográfiához való munka maszk előállításának technológiai lépései

forrás: Brück, Rizvi, Schmidt: Angewandte Mikrotechnik 2001

4.74. ábra - A röntgensugaras litográfiához való munka maszk előállításának technológiai lépései


A munkamaszk hordozója kb. 600 μm vastag berillium lemez, amelynek mindkét oldalát szilícium-nitriddel passziválják. A felső oldalra kb. 100 nm vastag Ti/Cu vezető réteget visznek fel, amely majd a galvanizáláshoz lesz szükséges. A következő lépés a fotoreziszt felvitele, pl. PMMA 25…30 μm vastagságban. Ezután következik a strukturálás, méghozzá az előzőekben ismertetett köztes maszk segítségével, lágy röntgen sugárzás alkalmazásával. A következő lépésben a rezisztet előhívják, majd galvanizálással kb.15…25 μm vastag aranyréteget választanak le, amely azonban az elérni kívánt célnak megfelelően ennél vastagabb is lehet. Ezzel kész a munkamaszk. Megjegyezzük, hogy a berillium hordozó a röntgen sugárzás számára átlátszó.

A röntgensugaras litográfiával elérhető struktúrák éles határvonalakkal és nagyon jó felületi minőséggel rendelkeznek

forrás: World of Microsystems

4.75. ábra - A röntgensugaras litográfiával elérhető struktúrák éles határvonalakkal és nagyon jó felületi minőséggel rendelkeznek


A LIGA technikával elérhető struktúrákra jellemző példát mutat a 4.75. ábra, ahol jól megfigyelhető, hogy a laterális szubmikrométeres méretek mellett akár mm-es (1000 μm-es) mélységi méretű szerkezetek is létrehozhatók. A függőleges falak nagyon simák, a felületi érdesség az 50 nm nagyságrendben van. Ezzel a technológiával polimerekből, fémekből és ötvözeteikből, valamint kerámiából lehet mikromechanikai struktúrákat létrehozni. A LIGA technológiával készült eszközöket szerszámként is lehet használni mikromechanikai műanyag alkatrészek tömeggyártására. Az alkalmazásokra példákat a 6. fejezet és a 7. fejezet fejezetekben mutatunk be.

4.5. Lézeres mikrotechnológiák

A mikromechanikai technológiák sorában növekvő jelentősége van a lézeres megmunkálásoknak. A lézerfény jól fókuszálható, és emiatt a lézerekkel nagy fajlagos energiasűrűség hozható létre. Jó példa erre a CD, DVD és Blu-ray technika, például a DVD esetében a lézernyalábot kb. 1 μm átmérőre kell fókuszálni. A lézeres megmunkálások 3 csoportba sorolhatók:

  • az anyagszerkezet módosítása,

  • anyagleválasztás

  • anyagfelhordás.

Minden esetben a lézersugárzásnak az anyaggal kölcsönhatásba kell kerülnie, erre a következő eljárásokat használják:

  • ha a lézert a litográfiai módszerekhez hasonlóan fényforrásként használják, akkor viszonylag nagy átmérőjű homogén párhuzamos nyalábra van szükség, és a lézerfény csak ott lép kölcsönhatásba az anyaggal, ahol azt az anyag felett elhelyezett maszk lehetővé teszi. Ehhez a technológiához (deep UV lithographie) leginkább az excimer-lézerek alkalmasak, amelyek hullámhossza rövidebb, mint a higanygőz lámpáké, emiatt az elérhető felbontás ennél jobb lesz. Ilyen például az ArF - excimer lézer (193 nm hullámhossz) és az F2 - excimer lézer (157 nm). (A higanygőz lámpa jellemző hullámhosszai: 365, 405, 436 nm.) Az excimer lézereket rendszerint impulzus üzemmódban használják.

  • A lézerfény jó fókuszálhatóságát maszk nélküli, direkt megmunkálásokra is fel lehet használni. Például direkt maszkírásra az elektronsugaras eljárás helyett, mikrohegesztésre, az elektronikai technológiában ellenállások trimmelésére, vagy a mindennapi gyakorlatban az írható CD vagy DVD lemezek kezelésére.

  • Speciális esetekben kombinálják az előző kettőt, illetve két lézersugárral interferenciát hoznak létre, például a holografikus optikai elemek írásánál. A legegyszerűbb esetben az intenzitás sin2 függvény szerint változik.

Lézeres anyagleválasztás

Ennél a technológiánál a lézer hőhatását használják ki. A megmunkálandó anyagra érkező lézerfény egy része visszaverődik, ez többek között az anyag felületének minőségétől (szórás) és reflexiós tényezőjétől függ. A sugárzás nagyobb része elnyelődik a Lambert-Beer törvény szerint, miközben az energia hővé alakul. A hőhatás képes a kémiai kötések felszakítására, ezáltal az anyagszerkezet megváltoztatására is. Ez azt jelenti, hogy az egyszerű hevítés mellett az anyag megolvadása és elgőzölése is létrejöhet, illetve ezáltal a mikroméretű forrasztás, hegesztés, vágás vagy fúrás is megvalósítható. Ezekre a célokra gyakran a Nd:YAG és az excimer lézereket alkalmazzák.

A Nd:YAG (neodímiummal dotált yttrium-alumínium-gránát) lézerek primér hullámhossza 1064 nm, teljesítményük a kW-os tartományig terjed. A sugárzás átalakításával (frekvencia többszöröző nemlineáris tulajdonságú kristályokkal) ezek a lézerek más hullámhosszakon is képesek működni, a második hullámhossz 532 nm, a harmadik 355 nm. Az impulzushossz a ms-os tartománytól a ps-os tartományig terjed, az impulzus energiája a néhány mJ-tól hozzávetőlegesen a 100 J-ig terjed. A sugárzás minősége nagyon jó, a technológiai paramétereket jól kézben lehet tartani.

Az excimer lézerek tipikusan 20 ns hosszú impulzusokat bocsátanak ki az UV tartományban, 308 nm a XeCl, 248 nm a KrF, 193 nm az ArF, 157 nm az F2 lézernél. Az impulzus energia 20 és 500 mJ között van, és az ismétlődési frekvencia néhány Hz-től kb. 1 kHz-ig terjed. Az excimer lézerek segítségével kémiai kötéseket lehet felszakítani. Ezekkel a lézerekkel bizonyos anyagokat nemcsak megolvasztani, vagy elgőzölni lehet, hanem a kémiai kötések felszakításával atomokat/molekulákat lehet felszabadítani, ami a mikrotechnikában igen éles sarkok kialakítására ad lehetőséget járulékos olvadási zónák és kráterek keletkezése nélkül.

Lézerrel készített furatok alakjának függése az energiasűrűségtől

forrás: Brück, Rizvi, Schmidt: Angewandte Mikrotechnik 2001

4.76. ábra - Lézerrel készített furatok alakjának függése az energiasűrűségtől


A lézerrel készített furatoknál a furat kúpossága erősen függ a fajlagos energiasűrűségtől. Ezt a függés mutatja a 4.76. ábra. Látható, hogy nagy energiasűrűségnél a furat alulról lesz nagyobb átmérőjű, míg a kisebb fajlagos energiasűrűségnél felülről. Van azonban egy olyan középső energiasűrűség tartomány, amelynél a furat elfogadhatóan hengeres lesz. Az ábrán a megmunkált anyag 100 μm vastag PET (polietilén) fólia, a lézernyaláb átmérője a belépő oldalon 50 μm. Az excimer-lézer típusa KrF, hullámhossza 248 nm, és az objektív numerikus apertúrája NA=0,2.

Lézerrel készített furat orvosi katéterben

forrás: Brück, Rizvi, Schmidt: Angewandte Mikrotechnik 2001

4.77. ábra - Lézerrel készített furat orvosi katéterben


A (4.77. ábra) ábrán egy példát mutatunk be excimer lézerrel (KrF) történő megmunkálásra. Az anyag PVC (polivinil-klorid), a felvétel raszter elektronmikroszkóppal történt, és a merőleges irányban, lézerrel és maszkolással készített furat átmérője 500 μm. A bemutatott alkatrész egy orvosi katéter része.

4.6. Mikrotechnikai kötések

A mikrotechnikai kötések feladata a mikrotechnikai alkatrészek összekapcsolásának biztosítása. A kötés lehet pusztán mechanikus, szilárdságtani jellegű, és lehet csupán villamos jellegű. A mechanikus kötéseknek azonban van egy speciális területe, amikor nemcsak az alkatrész helyzetének rögzítése a cél, hanem elsőrendű szemponttá válik a jó hővezetés megvalósítása. Különösen fontos ez a szempont a teljesítmény elektronikai eszközök esetében. A mechanikus kötések egyúttal a villamos kötések funkcióját is el szokták látni. A mikrotechnikai kötések egy része nagyon hasonló a finommechanikában alkalmazott kötésekhez, másik része csak a mikrotechnikai alkalmazásokra kifejlesztett kötésmód.

4.6.1. Forrasztott kötések

A forrasztások olyan közvetett, anyaggal záró, esetlegesen oldható szilárd kötések, amelyeket fémes vagy nemfémes, de felületükön fémmel bevont alkatrészekhez alkalmazunk. A kötés fémes adalékanyag (forraszanyag) segítségével jön létre, felületi ötvöző, adhéziós és diffúziós folyamat következtében. A forrasztott kötéseket elsősorban az elektronikai szereléstechnológia alkalmazza, áramköri lapok szerelésénél. A mikrotechnikában inkább a mikroelektronika az a terület, ahol a forrasztott kötéseket alkalmazzák, a mikromechanikában ez a kötésmód ritkán használatos. A forrasztott kötésre a kemény vagy lágy segédanyag, a forraszanyag jelenléte a jellemző, ez biztosítja a két összekötendő anyag között a kötést.

A forrasztáshoz általában szükséges folyasztószer (flux) alkalmazása is, annak érdekében, hogy a felületi feszültség és ezzel a nedvesítési szög csökkenjen. A folyasztószer alkalmazása azonban a mikromechanikában nehézkes, és nem kívánatos szennyeződéseket okozhat, ez az egyik magyarázata, hogy ezt a technológiát a mikromechanika viszonylag ritkán használja.

4.6.2. Ultrahangos kötések

Az ultrahangos hegesztést elsősorban a mikroelektronika és az elektronikai technológia alkalmazza, de a mikromechanikában is előfordul. A kötés előnyös tulajdonságaihoz tartozik, hogy nem kell külső hőforrást alkalmazni, és folyasztószert sem igényel, ezért a kötés környezete tiszta marad. A technológia lényege, hogy az ultrahang frekvenciás (40…80 kHz) váltakozó áram segítségével legtöbbször magnetostrikciós átalakítóval ugyanilyen frekvenciájú rezgéseket hoznak létre. A hegesztendő felületeket összenyomják, miközben rezgetik, így a felületi érdességi kiemelkedések és az esetleges oxidrétegek roncsolódnak, az anyagok megfolynak, és a nyomás a fémes felületeket egymásba dörzsöli. Ezzel a technológiával a legtöbb fém, sőt félvezető is hegeszthető. Az ultrahangos hegesztés tipikus alkalmazási területe, amikor a szilícium hordozót vagy chip-et a tokozás kivezetéseivel alumínium huzal segítségével kötik össze. Mind a szilícium, mind az alumínium felülete természetes módon oxidálódhat. Ez azonban ennél a technológiánál nem okoz különösebb nehézséget, mert az ultrahangos kötés során ezek az oxidrétegek összetöredeznek, és ennek során létre tud jönni a jó minőségű fém-félvezető kapcsolat.

Az ultrahangos mikrohuzal kötés fázisai

forrás: BME ETT

4.78. ábra - Az ultrahangos mikrohuzal kötés fázisai


Ékes ultrahangos mikrohuzal kötés képe

forrás: BME ETT

4.79. ábra - Ékes ultrahangos mikrohuzal kötés képe


Az ultrahangos kötések nagy előnye, hogy a technológia szobahőmérsékleten végezhető. Az ultrahang frekvenciája tipikusan a 60…100 kHz tartományban van, az energia 0,5…1 W, az összenyomó erő 30…40 cN, a kötéshez szükséges idő 5…100 ms.

4.6.3. Termokompressziós kötések

A termokompressziós kötés a mikroelektronika a félvezető technológia egyik jellemző kötésmódja. Jellemzője, hogy idegen (adalék) anyagot nem használ, Ilyen értelemben tehát a hegesztésekhez sorolható. Jellemzően két meghatározott anyag között hozzuk létre: az egyik a szilícium, amelyből a félvezető aktív áramkörök (Si chipek) készülnek, a másik anyag az arany, amelyből a kivezető huzalok készülnek. Az eljárás lényege, hogy a kötés létrehozásához nemcsak külső hőhatást használunk, hanem nagymértékű mechanikai alakváltozást is. Köztudott, hogy az anyagok deformációja a belső súrlódás következtében hő keletkezésével jár. A kötés létrehozása mintegy 180-220 °C-os semleges gáz, vagy nitrogén környezetben történik. A leggyakoribb ú.n. golyós kötés fázisait a 4.80. ábra mutatja.

A termokompressziós kötés lépései

forrás: BME ETT

4.80. ábra - A termokompressziós kötés lépései


Az aranyhuzal átmérője tipikusan 25 μm (0,001 coll), amelynek végén először hidrogén szúrólánggal vagy elektromos ívvel egy gömböt hoznak létre. Az arany olvadáspontja 1063 °C, ha a huzal vége megolvad, a felületi feszültség létrehozza a gömböt. Ezután a gömböt a kapillárist tartalmazó szerszámmal, manipulátor segítségével a kontaktálandó felület fölé viszik. A kapillárist leengedve a kis méretek miatt az aranygömb anyagában igen nagymértékű maradó alakváltozás jön létre. A nagy alakváltozás hőfejlődéssel jár, ami az összekötendő felületek hőmérsékletét annyira megnöveli, hogy az érintkezésnél a hőmérséklet a két anyag eutektikumjánál magasabb hőmérsékletre kerül, és így az arany és a szilícium között diffúziós kötés jön létre.

Az Au-Si állapotábra

forrás: Wikipédia

4.81. ábra - Az Au-Si állapotábra


Érdemes megnézni a két anyag fázis diagramját (4.81. ábra), amelyből kitűnik, hogy a szilícium 1412 °C-os és az arany 1063 °C-os olvadási hőmérsékletének ellenére az eutektikum 363 °C-on olvad meg. Ezt használja ki a termokompressziós technológia, amelynek lényege, hogy a környezet hőmérsékletét (ami itt 180-220 °C-os hőmérsékletet jelent) a gyors és nagymértékű alakváltozás lokálisan (csak ott, ahol kell) az összekötendő anyagok közvetlen környezetét az eutektikus hőmérséklet fölé emeli, és ezzel megteremti a lehetőségét az eutektikum kis helyen történő létrejöttének. Mivel a nagyobb hőmérséklet csak lokálisan, a nagymértékű deformáció helyén jön létre, nem károsodik a félvezetőben már kialakított, pn átmeneteket tartalmazó struktúra. Golyós kötés mikroszkópikus képét mutatja a 4.82. ábra.

Termokompressziós kötés a mikroelektronikában

forrás: BME ETT

4.82. ábra - Termokompressziós kötés a mikroelektronikában


A golyós kötés mellett elterjedten használják még az ékes kötést, és az eljárást gyakran kombinálják ultrahangos rezgetéssel is.

4.6.4. Termoszonikus kötések

A termoszonikus kötéseknél a termokompressziós és az ultrahangos technológiát kombinálják. Az így kialakított kötés kiváló mechanikai és elektromos tulajdonságokkal rendelkezik. Az ultrahangos energiát hőhatással először 1970-ben Alexander Coucoulas kombinálta, ezzel ötvözve a termokompressziós és ultrahangos kötési módok előnyeit. A hőmérséklet ennél a kötésmódnál alacsonyabb, mint a termokompressziós kötéseknél (125–175 °C), így a hőre érzékenyebb chipek is beköthetők, illetve kevésbé kell tartani a már kialakított struktúra és az egyéb alkatrészek sérülésétől. A kötés időtartama is rövidebb, 10 ms-os nagyságrendű. Az ultrahangos energia segít a felületi szennyeződések, oxid rétegek eltávolításában, a huzal és a kötési felület egymáshoz kötésében. A kötés lépései a következők:

  • A huzal végét elektromos ív segítségével megolvasztják, és a felületi feszültség a huzal végén gömböt képez.

  • A huzalt visszahúzzák.

  • A kapillárist a kontaktálandó felület fölé pozícionálják, majd egy bizonyos erővel összenyomják, mialatt a felület irányában ultrahangfrekvenciával rezgetik. Ezzel létrejön a golyós kötés (ball bond).

  • A kapilláris a másik kontaktálandó felület fölé mozdul el.

  • A kapilláris ismét leereszkedik, erő és az ultrahangos rezgetés hatására létrejön a második kötés.

  • A huzalt megfogóval rögzítik, majd a kapilláris felemelkedik, és elszakítja a huzalt, ezzel létrejön az ékes kötés (tail bond).

A termoszonikus mikrohuzal kötés lépései

forrás: BME ETT

4.83. ábra - A termoszonikus mikrohuzal kötés lépései


4.6.5. Anódos kötések

Az anódos kötésekkel (anodic bonding) gyakran találkozunk a mikromechanikában. Ezt a kötésmódot kifejezetten a sík szilíciumfelületek és sík bórszilikát üvegfelületek összekötésére fejlesztették ki.

Az anódos kötés vázlata

forrás: World of Microsystems

4.84. ábra - Az anódos kötés vázlata


A technológia lényege, hogy 200…1000 V-os egyenfeszültség, 200…500 °C hőmérséklet, és a felületek egyidejű, és bizonyos ideig tartó összenyomásával a szilícium és az üveg között hermetikusan záró kötés jön létre, köszönhetően az anyagok kémiai rokonságának. A jó minőségű kötés feltétele a felületek tisztasága és síkbelisége. Az anódos kötés vázlatát a 4.84. ábra mutatja.