第一章 微纳加工技术发展概述

1、编辑ppt1微纳加工技术发展概述微纳加工技术发展概述编辑ppt2主要内容主要内容本课程的主要内容本课程的主要内容集成电路的发展集成电路的发展MEMS技术简介技术简介1.4苏州纳米区简介苏州纳米区简介编辑ppt3编辑ppt41.1 课程的主要内容课程的主要内容微纳加工技术发展概述微纳加工技术发展概述编辑ppt5教材教材作者：唐天同，王兆宏作者：唐天同，王兆宏西安交通大学西安交通大学电子工业出版社，电子工业出版社，20102010编辑ppt6教材教材(美) James D. Plummer, Michael D. Deal, Peter B. Griffin 著, 2005，电子

2、工业出版社编辑ppt7分数比例分数比例作业 15%考勤 15%实验 20%考试 50%编辑ppt81.2 集成电路工艺的发展集成电路工艺的发展1.2.2 促成集成电路产生的几项关键发明促成集成电路产生的几项关键发明1.2.3 半导体器件半导体器件1.2.1 集成电路工艺的发展历程集成电路工艺的发展历程编辑ppt9 1959 and 1990 integrated circuits. Progress due to: - Feature size (特征尺寸) reduction 13% years (Moores Law). - Increasing chip size (芯片尺寸) 16%

3、per year.1.2.1 集成电路工艺的发展历程集成电路工艺的发展历程Evolution of Integrated Circuits Fabrication特征尺寸：工艺制造中晶圆片表面能刻印出图形的最小尺寸。编辑ppt10On April 19, 1965 Electronics Magazine published a paperby Gordon Moore in which he made a prediction about thesemiconductor industry that has become the stuff of legend.“The number of

4、transistors incorporated in a chipwill approximately double every 24 months.”Known as Moores Law, his prediction has enabledwidespread proliferation of technology worldwide, and todayhas become shorthand for rapid technological change.Moores Law10亿编辑ppt11Gordon Moore：Intel 创始人创始人http:/ The era of “e

5、asy” scaling is over. We are now in a period wheretechnology and device innovations are required. Beyond 2020, newcurrently unknown inventions will be required.IC最小特征尺寸的发展历史及规划最小特征尺寸的发展历史及规划Device Scaling Over Time编辑ppt13 1990 IBM demo of scale “lithography”. Technology appears to be capable of maki

6、ng structures much smaller than currently known device limits.ITRS at http:/ ITRS硅技术发展规划硅技术发展规划编辑ppt14ITRS International Technology Roadmap for Semiconductors http:/ 预言硅主导的IC技术蓝图由欧洲电子器件制造协会（EECA）、欧洲半导体工业协会（ESIA）、日本电子和信息技术工业协会（JEITA）、韩国半导体工业协会（KSIA）、台湾半导体工业协会（TSIA）和半导体工业协会（SIA）合作完成。器件尺寸下降，芯片尺寸增加互连层数增

7、加掩膜版数量增加工作电压下降http:/ and Challenges Associated with the Introduction of 450mm Wafers :Aposition paper report submitted by the ITRS Starting Materials Sub-TWG, June 2005.http:/ vs. Fab Cost编辑ppt161.2.2 促成集成电路产生的几项关键发明促成集成电路产生的几项关键发明 Invention of the bipolar transistor (点接触晶体管)- 1947, Bell Labs.W. Sho

8、ckleyJ. BardeenW. Brattain1956年诺贝尔物理奖点接触晶体管：基片是N型锗，发射极和集电极是两根金属丝。这两根金属丝尖端很细，靠得很近地压在基片上。金属丝间的距离：50m编辑ppt17编辑ppt181948年 W. Shockley 提出结型晶体管结型晶体管概念1950年 第一只NPN结型晶体管编辑ppt19 Grown junction transistor technology （生长结技术）of the 1950s结型晶体管的制备结型晶体管的制备Ge编辑ppt20 Alloy junction technology（合金结技术）of the 1950s. Dou

9、ble diffused transistor technology (气相源扩散工艺，1956福勒和赖斯) in 1957，Bell Labs.PN结裸露在外面结裸露在外面加热加热Ge高温炉Si腐蚀形成台面结构编辑ppt211955年，年，IBM 608，3000多个锗晶体管，重约多个锗晶体管，重约1090kg第一个商用晶体管计算机第一个商用晶体管计算机编辑ppt221958年年JackKilby发明的世界上第一块基于锗的集成电路，德州仪器发明的世界上第一块基于锗的集成电路，德州仪器相移振荡器简易集成电路相移振荡器简易集成电路专利号：专利号：No. 31838743，批准时间，批准时间196

10、4.6.26编辑ppt23 The planar process (Hoerni -Fairchild 仙童公司仙童公司, late 1950s). First “passivated (钝化钝化)” junctions.平面工艺平面工艺 planar process 平面工艺：平面工艺：二氧化硅屏蔽的扩散技术二氧化硅屏蔽的扩散技术光刻技术光刻技术Jean Hoerni编辑ppt24 Basic lithography processApply photoresistPatterned exposureRemove photoresist regionsEtch waferStrip rema

11、ining photoresist光刻光刻 Photolithography编辑ppt25Robert Noyce与他发明的集成电路专利号：No.2981877，批准时间1961.4.26编辑ppt26简短回顾：一项基于科学的伟大发明简短回顾：一项基于科学的伟大发明Bardeen, Brattain, Shockley, First Ge-based bipolar transistor invented 1947, Bell Labs. Nobel prizeKilby (TI) & Noyce (Fairchild), Invention of integrated circuits 19

12、59, Nobel prizeAtalla, First Si-based MOSFET invented 1960, Bell Labs.Planar technology, Jean Hoerni, 1960, Fairchild First CMOS circuit invented 1963, Fairchild“Moores law” coined 1965, FairchildDennard, scaling rule presented 1974, IBMFirst Si technology roadmap published 1994, USA编辑ppt27基本器件BJT：模

13、拟电路及高速驱动MOS器件：高密度、更低功耗、更大的设计灵活性 NMOS, PMOS, CMOS20世纪世纪70年代年代1.2.3 半导体器件半导体器件PN结结:0exp1qVIIkT编辑ppt28B E Cppn+n-p+p+n+n+BJT编辑ppt29GateSourceDrain衬底衬底SubstrateMOS: 金属金属-氧化物氧化物-半导体半导体NMOS栅极：开关作用，取决于电压大小。栅极：开关作用，取决于电压大小。N+：提供电子，提高开关时间。：提供电子，提高开关时间。绝缘层防止绝缘层防止Na+、K+干扰。干扰。沟道为沟道为P型。型。编辑ppt30n+n+n+n+p+p+p+p+G

14、端为高电平时导通G端为低电平时导通编辑ppt31反向器输入：高电平，相当于1，输出0输入：低电平，相当于0，输出1没有形成回路，功耗低没有形成回路，功耗低编辑ppt32CMOSCMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) : PMOS管和NMOS管互补共同构成的MOS集成电路。编辑ppt33 Metal Planarization required for multiple metal layersMetal DepositionPatterningFill DielectricPlanarizationContact viasContact D

15、epositionMultiple Metal Layers编辑ppt34 ICs are widely regarded as one of the key components of the information age. Basic inventions between 1945 and 1970 laid the foundation for todays silicon industry. For more than 40 years, Moores Law (a doubling of chip complexity every 2-3 years) has held true.

16、 CMOS has become the dominant circuit technology because of its low DCpower on sumption, high performance and flexible design options. Future projections suggest these trends will continue at least 15 more years. Silicon technology has become a basic “toolset” for many areas of science andengineerin

17、g. Computer simulation tools have been widely used for device, circuit and system design for many years. CAD tools are now being used for technology design. Chapter 1 also contains some review information on semiconductor materials semiconductor devices. These topics will be useful in later chapters

18、 of the text.Summary of Key Ideas编辑pptRichard Feynman,1959“Theres Plenty of Room at the Bottom”35一根头发一根头发 =100微米微米=100000纳米纳米1.3 MEMS技术简介技术简介编辑ppt36MEMS系统的定义MICRO-ELECTRO-MECHANICAL SYSTEMS，集物理、化学和生物的传，集物理、化学和生物的传感器、执行器与信息处理和存储为一体的微型集成系统。感器、执行器与信息处理和存储为一体的微型集成系统。36编辑ppt37(Tai, Fan & Muller)19701980H

19、NA1960EDPPressure Sensor(Honeywell)Anodic BondingKOHSi PressureSensor(Motorola)MEMS的历史Si as a mechanical material (Petersen)SFB TMAH1990Thermo-pneumatic valve (Redwood)SFB Pressure Sensor(NovaSensor)DRIE !XeF2/BrF32,000process (US Patent)1950RGT (Nathanson et al)Metal Light Valve (RCA)ADXLAccelerome

20、terPolySi MicromotorIR imager (Honeywell)PolySi Comb Drive (Tang, Howe)LIGAPolySi beams(Howe, Muller)BJTTransistorMetal sacrificialICOptical MEMSRF MEMSSi Gyro (Draper)DMD (TI)Bio MEMS37编辑ppt381987198719871987Berkeley: Micromotor 戴聿昌戴聿昌 MEMS becomes the name in U.S.Analog Devices begins acceleromete

21、r projectFirst MEMS Conference, IEEE MEMSFirst Eurosensors conference, EuropeThe motors stimulating major interest in WORLD！1987年，MEMS的里程碑38编辑ppt391994年，DRIE技术问世1994 DRIE专利申请MEMS进入体硅加工时代39编辑ppt40MEMS的产学研图谱的产学研图谱40编辑ppt41全球汽车MEMS传感器的销售额将在2012年增长16%，达到23.1亿美元。编辑ppt42灯光调节，刹车系统汽车上的MEMS加速度计一辆高端的汽车会有上百个传感

22、器，包括3050个MEMS传感器。安全气囊高g g值加速度计，约80%汽车侧翻保护低g值加速度计车辆动态控制（ESP）低g g值加速度计、陀螺仪和组合惯性模块用于车身电子稳定系统TPMS轮胎压力实时监视系统发动机机油压力传感器刹车系统空气压力传感器发动机进气歧管压力传感器柴油机共轨压力传感器编辑ppt43不同汽车种类的MEMS需求编辑ppt44加速度计和陀螺仪的应用分布编辑ppt美新美新 赵阳赵阳编辑ppt46编辑ppt47手机和平板电脑中的运动传感器将是未来5年内热门技术中的热门苹果引爆MEMS传感器应用热潮 融合IMU扩大应用领域编辑ppt48智能手机中的MEMS器件智能手机中的MEMS加速度计导航导航自由落体检测自由落体检测倾斜控制倾斜控制计步器计步器手势检测手势检测单击单击/ /双击检测双击检测画面翻转画面翻转图像防抖图像防抖编辑ppt49影视革命：虚