mikroelektronske tehnologije -...

Katedra za mikroelektroniku i mikrosisteme

1

Mikroelektronske tehnologije

Prof. dr Biljana PešićKabinet 346, tel. 529-346


2

Mikroelektronske tehnologije

Cilj predmetaFundamentalna znanja iz oblasti tehnologija mikrotalasnih komponenata (diskretnih komponenata i integrisanih kola)

Sadržaj predmeta- Hibridne tehnologije i kola- Monolitne tehnologije i kola

Literatura: skripta, www. elfak.ni.ac.yu


3

Mikroelektronske tehnologije - Uvod

Veličina anteneemisija antene efikasna kada je njena veličina ∼λ

⇒ f ↑, λ↓, veličina ↓, efikasnost emisije ↑

Širina kanalaf ↑, širina kanala ↑

AM radio signal @ 1MHz daje kanal širine 10kHz

signal za satelit @ 6GHz daje kanal širine 6GHz

Prostiranje talasa kroz atmosferuLF signal (30-300kHz) putuje blizu površine Zemlje

⇒veliki apsorpcioni gubiciHF signal (3-30MHz) se reflektuje od jonosferemikrotalas (30MHz-300GHz) ima nisko

atmosfersko slabljenje

Faktori koji favorizuju mikrotalase


4


Mikrotalasne frekvence i opsezi

mikrotalasi

V. Belitsky


5


Primena mikrotalasa u bežičnim komunikacijama

Radarski sistemi (vojna i civilna primena)Satelitske komunikacijeMobilna telefonijaKompjuteri


6


Mikrotalasna tehnika i mikroelektronikaMikrotalasna tehnikaveličina komponenata L<λ/6

Mikroelektronikadizajn, simulacija i modeliranje, tehnologija proizvodnje, pouzdanost komponenata


7


Mikrotalasna kola:

•Pojačivači•Pojačavači niskog šuma (LNA)•Pojačavači snage•Širokopojasni pojačavači

•Mikseri•Oscilatori•Prekidači•Modulatori•Atenuatori•Pomerači faze•Filteri


8


Pasivne komponenteElementi sa grupisanim parametrima (fizičke dimenzije <λ/10): otpornici, kondenzatori, kalemoviElementi sa raspodeljenim parametrima: transmisione linije, direkcioni kapleri, hibridni prstenovi, rezonatori

Aktivne komponente

Mikrotalasne komponente

PIN dioda

BARITT diodaHFETTunelska dioda

TRAPATT diodaMESFETHBT

IMPATT diodaGunn-ova diodaJFETBJT

lavinski efekattransfer elektrona

efekat poljaefekat spoja


9


Mikrotalasna integrisana kola (MIC)

Hibridna mikrotalasna integrisana kola (HMIC)Transmisione linije (u formi metalnih slojeva na dielektričnom supstratu) integrisane su sa nekim pasivnim komponentama. Aktivne komponente proizvode se posebnim poluprovodničkim (Si, GaAs, InP) tehnologijama i kao diskretne montiraju na metalnu šemu. Složeno HMIC kolo (modul) može da integriše više HMIC i/ili MMICkola (primer T/R modula u radarskim sistemima).

Monolitna mikrotalasna integrisana kola (MMIC)Sve aktivne i pasivne komponente integrisane su na/u poluprovodničkom (Si, GaAs, InP) supstratu koji ima ulogu i izolacionog i aktivnog materijala. Čitavo kolo je u formi jednog čipa.


10

Mikroelektronske tehnologije – Hibridna mikrotalasna kola

Indijum fosfid, InP(+Al,Ga)

HFET (HEMT)HBT

Galijum arsenid, GaAs(+Al)

Diode:PIN,IMPATT, Gunn-ovaMESFETHFET (HEMT)HBT

Silicijum, SiDiode:PIN,IMPATT, Tunelska Bipolarni tranzistori (BJT)MOS tranzistori (MOSFET)

TehnologijaKomponenta

Tehnologije izrade aktivnih komponenata


11

Tankoslojna tehnologija- Metod dodavanja metalnih slojeva- Metod oduzimanja metalnih slojeva

Debeloslojna tehnologija- Postupak sito štampe


Tehnologije izrade transmisionih linija


12


supstrat

Tankoslojna tehnologija – Metod dodavanja slojeva

1. Početni materijal 2. Depozicija (naparavanje, spaterovanje) athezionog sloja

supstrat

3. Depozicija (naparavanje, spaterovanje) tankog sloja Au

supstrat


13



4. Fotolitografski postupak I

a) Depozicija fotorezista(negativnog)

b) Ekspozicija fotorezista

c) Razvijanje fotorezista d) Nagrizanje fotorezista(neosvetljenih delova)


14



5. Depozicija (elektrolitičko nanošenje) debelog sloja Au

6. Skidanje fotorezista

9. Nagrizanje athezionog sloja


8. Nagrizanje tankog sloja zlata

7. Fotolitografski postupak II


15


Tankoslojna tehnologija – Metod oduzimanja slojeva

supstrat

1. Početni materijal

2. Depozicija (naparavanje, spaterovanje) athezionog sloja

supstrat

supstrat

3. Depozicija (naparavanje, spaterovanje) tankog sloja Au

4. Depozicija (elektrolitičko nanošenje) debelog sloja Au


16



5. Fotolitografski postupak I

a) Depozicija fotorezista(pozitivnog)

b) Ekspozicija fotorezista

c) Razvijanje fotorezista d) Nagrizanje fotorezista(osvetljenih delova)


17



6. Nagrizanje Au 7. Nagrizanje athezionog sloja



18


Poredjenje metoda u tankoslojnoj tehnologiji

Metod dodavanja slojeva Metod oduzimanja slojeva

Oblik transmisionih linija- Metod dodavanja slojeva daje pečurkast oblik- Metod oduzimanja slojeva daje podecovani oblikUtrošak Au- Veći kod metoda oduzimanja slojevaNaprezanje u slojevima- Veće kod metoda dodavanja slojeva


19


Debeloslojna tehnologija – Metod sito štampe

1. Fotolitografski postupak na situ• Nanošenje fotorezista• Ekspozicija fotorezista preko maske• Razvijanje fotorezista• Nagrizanje fotorezista

2. Nanošenje mastila (ručno, automatski)

3. Pečenje mastila


20


Supstrati:• sinterovani Al2O3• feriti (YIG)• sinterovani BeO• stopljeni kvarc (SiO2)• safir

Athezionioni slojevi:• Cr• Ni-Cr• Ta• Ti

Provodnici:• Tankoslojna tehn.

Au, Cu• Debeloslojna tehn.

Au, Cu, Ag

Otpornici:• Tankoslojna tehn.

Ni-Cr, Ta, Ta2N, TaOxNy• Debeloslojna tehn.

RuO2 + Pb-staklaRuO2 + Nb-oksidRuO2 + Th-oksidPb2Ru2O6


21


w

h

εr

Karakteristike HMIC

Karakteristike transmisionih linija(w, oštrina ivica)

Karakteristike supstrata(h, εr)


22


Odstupanje parametara transmisionih linija

Tankoslojna tehnologija:

• fotolitografija (izrada maski, depozicija fotorezista, izvor svetlosti)• depozicija metalnih slojeva• nagrizanje metalnih slojeva

Debeloslojna tehnologija:

• tehnika izrade sita• postupak štampe• postupak odžarivanja mastila


23



Deformacija transmisione linije zbog neadekvatne temperature pečenja fotorezista (na T=100oC nagib ivica je 40o)


24



Deformacija transmisione linije kao posledica neadekvatne debljine fotorezista


25



Hemijsko nagrizanje metala Nagrizanje metala procesom spaterovanja (ubrzanim jonima)


26

w

h

εr

Karakteristike HMIC

Karakteristike transmisionih linija(w, oštrina ivica)

Karakteristike supstrata(h, εr)



27


Karakteristična impedansa:

eff

ZZε

0=

Talasna dužina:

effελλ 0=

Schneider-ove relacije za mikrostrip

2/11012

12

1 −

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+

−+

+=

prr

effεεε p=w/h

( )4//8ln600 ppZ += 1≤p

( )60/11/44.042.2

120ppp

Z−+−+

=π

p>1


28


Električni efekti nepreciznosti izrade na karakteristike kola- Uticaj w,h i εr -

r

rZZhZw S

hhS

wwS

ZZ

εε

εΔ⋅+

Δ⋅+

Δ⋅=

Δ

r

rhw

eff

eff ShhS

wwS

εε

εε

εεεεΔ⋅+

Δ⋅+

Δ⋅=

Δ

Koeficijenti osetljivosti:

rpZ

ZpSZw

ε⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛∂∂

⋅=r

pZ

ZpSZh

ε⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛∂∂

⋅−=pr

rZ

ZZ

S ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛∂∂

⋅=ε

εε

rp

pS eff

effw

εε

εε ⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛∂

∂⋅=

rp

pS eff

effh

εε

εε ⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛∂

∂⋅−=

pr

eff

eff

rS ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛∂

∂⋅=

εε

εε

εε


29


( )rZw fS ε≠

( )rZh fS ε≠

SZw,SZh ↑ p=w/h ↑

-SZε→0.5 za p→∝

|Sεw|<<|SZw|Sεε→1 za p→∝


30


Montaža HMIC

Montaža pasivnih komponenata Montaža aktivnih komponenata(dioda i tranzistora)

Komponente u kućištu• bez izvoda (Leadless-Inverted-Devices)• sa zrakastim izvodima (Beem-Lead Devices)

Komponente bez kućišta(poluprovodnički čipovi)

Procesi montaže čipova:• Eutektičko bondiranje• Lepljenje• Lemljenje

Bondiranje žica i izvoda:• Termokompresiono bondiranje• Ultrazvučno bondiranje


31


Procesi montaže čipova diskretnih komponenata

Eutektičko bodiranje peleta (čipova)sistem Si-Au zagreva se do 370oC

Lepljenje peletalepak - epoksi materijal sa dodatkom Ag ili Au

Lemljenje peletaza Au-Au veze koriste se lemovi: PbInAg, InPb, AuSn


32


Bondiranje žica i izvodaTermokompresiono bondiranje(pritisak i toplota)

Ultrazvučno bondiranje(ultrazvuk i toplota)

Klinasto bondiranje

Loptasto bondiranje


33


Primer HMIC kola: kriogeni pojačivač

niskog šumaza opseg 4-7GHz

Dizajn kola

Fotografije kola i detalja

GaAs HEMT


34


Podešavanje karakteristika kola-Lasersko trimovanje otpornika-

Povezivanje otpornika na merni sistem

Topljenje materijala otpornika laserskim snopom

(rezanje otpornika)

Kada otpornik dostigne setovanu vrednost otpornosti,

merni sistem stopira laserski snop


35


Protok struje kroz otpornik pre i posle trimovanja


36

Promena otpornosti sa dužinom trimovanja



37


Dvostruki rez


38


L- rez


39


Oblici trimovanja


40


Primeri trimovanih metalnih filmova


41

Mikroelektronske tehnologije – Monolitna mikrotalasna kola

Hibridna mikrotalasna integrisana kola (HMIC)Transmisione linije (u formi metalnih slojeva na dielektričnom supstratu) integrisane su sa nekim pasivnim komponentama. Aktivne komponente proizvode se posebnim poluprovodničkim (Si, GaAs, InP) tehnologijama i kao diskretne montiraju na metalnu šemu. Složeno HMIC kolo (modul) može da integriše više HMIC i/ili MMICkola (primer T/R modula u radarskim sistemima).

Monolitna mikrotalasna integrisana kola (MMIC)Sve aktivne i pasivne komponente integrisane su na/u poluprovodničkom (Si, GaAs, InP) supstratu koji ima ulogu i izolacionog i aktivnog materijala. Čitavo kolo je u formi jednog čipa.


42

Prednosti MMIC kola:

Širok frekventni opseg (eliminacija parazitnih efekata montaže diskretnih komponenata)Veća reproduktivnost (uniformno procesiranje svih delova kola)Veća pouzdanost (kontrola procesa tokom proizvodnje)Fleksibilni dizajn (baziran na tačnim modelima aktivnih i pasivnih komponenata i efektima tolerancija procesa proizvodnje; CAD - interaktivni softver za sintezu, analizu i layout kola kojim se dobijaju karakteristike kola bez njihove eksperimentalne verifikacije)Multifunkcionalnost (integracija RF i logičkih funkcija na jednom čipu)Male dimenzije i težinaNiska cena (za srednji i veliki obim proizvodnje)

Nedostaci MMIC kola:Nemogućnost podešavanja karakteristika po završenoj proizvodnjiPoteškoće u otkrivanju uzroka otkazaNemogućnost integracije izvora za napajanje



43


Poluprovodnici za proizvodnju MMIC

SiGeSiGe

GaAsGaAlAsInPInAlPInGaP

PoluprovodniciIV grupe PS

Poluprovodničkajedinjenja i leguretipa III-V

Nemetali

Metali

Poluprovodnici


44


HFET (HEMT)HBT

Indijum fosfid, InP(+Al,Ga)

Diode:PIN,IMPATT, Gunn-ovaMESFETHFET (HEMT)HBT

Galijum arsenid, GaAs(+Al)

Diode:PIN,IMPATT, Tunelska Bipolarni tranzistori (BJT)MOS tranzistori (MOSFET)

Silicijum, Si

KomponentaTehnologija


45


Prednosti GaAs u odnosu na Si

Veća pokretljivost elektrona μn

Veća driftofska brzina vd

Karakteristika poluizolatorskog supstrata • Samoizolacija aktivnih

komponenata

• Manje parazitnekapacitivnosti

• Brže punjenje/ pražnjenjeparazitnih kapacitivnosti

• Veća transkonduktansa gmtranzistora

• Manji šum


46


Pokretljivost elektrona u GaAs

Poluprovodnik


47


Driftovska brzina elektrona u GaAs

vd (GaAs) = (6-7) x vd (Si) za polja E<0.5 V/μm


48


Poprečni presek dela MMIC kola u MESFET tehnologiji

Smanjenjedužine

metalnihveza

GaAs


49


3D izgled tipičnog MMIC kola u MESFET tehnologiji

GaAs


50

Tehnološki niz proizvodnje MMIC kola u MEFET tehnologiji



51


Prstasti MESFET kao deo MMIC kola


52


Implantirani otpornikMIM kondenzatorSpiralni kalem


53

Procesi montaže


Tehnološki procesi na pločicama

Procesi pripreme pločica


54


Procesi pripreme pločica

Prečišćavanje GaAsProces zonske rafinacije

Rast monokristala GaAsLEC tehnika

Dobijanje i obrada pločicaSečenje ingotaPoliranje pločica


55

Procesi pripreme pločicaPrečišćavanje GaAs

Proces zonske rafinacije



56


Procesi pripreme pločicaRast monokristala GaAs

LEC tehnika(Liquid Encapsulated Czochralski)

A – Rotirajuća šipka

B – Monokristalna klica

C – Formirani monokristal (ingot)

D – Rastopljeni GaAs

E – Kontejner

B2O3 – Tečni inkapsulant

Ingot


57


Procesi pripreme pločicaDobijanje i obrada pločica

Sečenje ingotaPoliranje pločica


58

Procesi na pločicama

Formiranje filmovaFormiranje poluprovodnih filmova

Procesi epitaksijalnog rasta• MOCVD• MBE

Formiranje metalnih filmovaFormiranje dielektričnih filmova

Dopiranje primesaJonska implantacija

Nagrizanje (ecovanje) filmova



59


Procesi na pločicamaFormiranje filmova

Formiranje poluprovodnih filmova ?FET tehnologija

MESFET HFET

pločica


60



Formiranje poluprovodnih filmova ?HBT tehnologija

pločica


61



Formiranje poluprovodnih filmovaProcesi epitaksijalnog rasta

• MOCVD (Metalo-organska depozicija iz gasne faze)

Reakcija za GaAs:(CH3)3Ga + AsH3 = GaAs + 3CH4

AsH3Arsin

TEP(C2H5)3PTrietilfosfin

TMI(CH3)3InTrimetilindijum

TMAl(CH3)3AlTrimetelaluminijum

TMG(CH3)3GaTrimetilgalijum

SkraćenicaSimbolMetalo-organskojedinjenje

Reakcija za AlGaAs:(CH3)3Al + (CH3)3Ga +AsH3 = AlGaAs + 3CH4


62




• MOCVD (Metalo-organska depozicija iz gasne faze)


63




• MBE (Epitaksija snopom molekula)

Princip izvodjenja MBE


64


Procesi na pločicamaDopiranje primesa

Jonska implantacija


65



66


Procesi montaže

Spajanje peleta za osnovu

kućišta

Pakovanje u kućišta

Rezanje pločice na pelete

Bondiranje žica


67


Procesi montažeRezanje pločica na pelete (čipove)


68


Procesi montažeSpajanje peleta za osnovu kućišta

Broj termičkih ciklusa


69


Procesi montažePakovanje u kućišta

Elementi tipičnog kućišta za MMIC

Materijali za kućišta

• Legure metala: CuMo, CuW• Kompoziti metala: Silvar (Fe-Ni), Kovar (Fe-Ni-Co)• LTCC keramika• Staklo• Kvarc• dijamant


70


Vrste kućišta za MMIC kola

Keramička kućišta

Metalna kućišta Kućišta sa višeslojeva tankih filmova

Plastilna kućišta


71


Primeri MMIC kola

Pojačivač niskog šuma (2-8GHz) (Adams-Russell Electronics Co.)

Šema pojačivača(Adams-Russell Electronics Co.)


72


Pojačivač snage (3W na 10GHz) u MESFET tehnologiji (Westinghouse Electric Co.)


73

Širokopojasni (6-18GHz) pojačivač u MESFET tehnologiji(Harris Microwave Semiconductor)


Šema pojačivača(Harris Microwave Semiconductor)


74


D/A pomerač faze u MESFET tehnologiji (Hughes Aircraft Co.)


75

Prekidač u MESFET tehnologiji(Adams-Russell Electronics Co.)

Šema pprekidača(Adams-Russell Electronics Co.)


76

Mikroelektronske tehnologije – Pravci daljeg razvoja tehnologija monolitnih mikrotalasnih kola

Komercijalni sistemi bežičnih komunikacija


77

Mikroelektronske tehnologije – Pravci daljeg razvoja tehnologija monolitnih mikrotalasnih kola

mikroelektronske tehnologije -...

Documents