Anàlisi de Transistors PNP, Fabricació de MOSFETs i Tecnologia MEMS/Lab-on-a-Chip

1. Anàlisi del Funcionament d'un Transistor PNP

Analitzeu el funcionament d’un transistor PNP polaritzat des d’un punt de vista microscòpic, és a dir, en funció del flux d’electrons i forats generat per la corresponent polarització.

Perquè el transistor produeixi un corrent des d'E (Emissor) a C (Col·lector), s'ha de superar una tensió mínima (uns 600 mV a temperatura ambient). Això està relacionat amb el punt de vista microscòpic, on intervé el flux de portadors de càrrega. Hi ha dues bandes principals:

• Banda de valència: On es troben els electrons lligats.
• Banda de conducció: On els electrons són lliures de moure's.

A temperatura ambient, alguns electrons del material del transistor poden saltar a la banda de conducció absorbint l'energia necessària i deixant el corresponent buit (forat) a la banda de valència. També pot produir-se el fenomen invers (recombinació), que allibera energia quan els electrons cauen a la banda de valència.

A una determinada temperatura, la velocitat de creació de parells electró-forat i la de recombinació s'igualen: la concentració global d'electrons i forats roman invariable.

2. Fabricació d'un Circuit Integrat MOSFET

Com es fabricaria, partint d’una oblea de silici, un circuit integrat consistent en un sol MOSFET?

El procés implica diverses etapes de microfabricació, principalment basades en la fotolitografia:

2.1. Creixement de l'Òxid Inicial

Primer necessitem créixer una capa d'òxid a l'oblea que servirà com a aïllant. Això es realitza tèrmicament en un "tube furnace" (forn tubular). Ha de créixer al voltant de 500 nm d'òxid. Per això, el forn ha d'estar a 1100 °C i les oblees han d'estar-hi durant uns 55 minuts.

2.2. Aplicació i Revelat del Fotoresistent

1. Després que l'òxid s'ha format, s'utilitzen productes químics com, per exemple, AZ3330 photoresist (que proporciona estabilitat tèrmica).
2. Es fa girar l'oblea a 5000 rpm durant 1 minut.
3. A continuació, s'escalfa durant 1 minut a 90 °C (soft bake).
4. L'oblea està llesta per al dopatge i l'aplicació de màscara. Es col·loca en un alineador (com un Karl Suss o Cannon) per aplicar la màscara.
5. L'oblea s'exposa a la llum ultraviolada (UV).
6. Després de l'exposició, la capa protectora es revela en solució de revelat AZ300MIF durant uns 60 segons. Això elimina la capa protectora que es va exposar a la llum UV.
7. Després de desenvolupar la resistència, l'oblea es posa al forn durant 1 minut a 110 °C (hard bake). Això assegura que el material fotoresistent s'adhereixi bé abans del procés d'etch (gravat).

2.3. Gravat de l'Òxid (Etching)

Després de la cocció, l'oblea es col·loca al BOE (Buffered Oxide Etch, una solució diluïda d'àcid fluorhídric). Després que el gravat de l'òxid es completa, es neteja la fotoresistència. Això es pot aconseguir utilitzant acetona i alcohol isopropílic o en un gravador de plasma d'oxigen (com un gravador LSE plasma).

2.4. Dopatge de la Regió de Font/Drenatge

Ara que tenim una finestra gravada al nostre òxid, estem preparats per a l'aplicació de la font de dopatge. El dopatge es realitza utilitzant una font sòlida, aplicant primer "spun-on-liquid" o "spin-on-glass". Aquest líquid s'aplica com a fotoprotector amb l'instrument "Spinner Photores", durant 10 segons a 2000 rpm.

Després, el "spin-on-glass" ha de ser curat en un forn de buit a 140 °C durant 60 minuts.

2.5. Creació de l'Òxid de Porta (Gate Oxide)

Estem preparats per a la següent capa de màscara, l'òxid de porta. Seguint els passos de fotolitografia utilitzats anteriorment, es cobreix la capa fotosensible a l'oblea i es col·loca a l'alineador. L'oblea s'exposa de nou a la llum UV per exposar el fotoresistent.

Després de l'exposició als raigs UV, s'elimina el material polimeritzat exposat a la llum. Després de revelar i enfornar fermament la resistència, estem preparats per gravar l'òxid cultivat. Col·loquem l'oblea al BOE, exposant el silici al descobriment.

Després de gravar, l'acabat de l'òxid ha de netejar-se. L'oblea es col·loca de nou al "tube furnace" per crear un òxid de porta d'alta qualitat. L'òxid de la porta serà d'uns 100 nm de gruix, i s'enforna a 1100 °C en oxigen.

2.6. Gravat de les Vies de Contacte

Ara corresponen les vies que han de ser gravades a través de l'òxid, les quals connectaran les pastilles de metall a les regions dopades. Un cop més s'aplica una màscara, s'exposa a raigs UV, i el material fotoresistent és desenvolupat. Després d'un dur enfornat, es col·loquen de nou les oblees al BOE. Se sap que s'ha gravat prou quan es poden veure les regions dopades amb claredat. Un cop més s'ha de netejar l'acabat de la resistència.

2.7. Deposició i Gravat d'Alumini (Contactes Metàl·lics)

Ara estem preparats per a la deposició d'alumini. L'oblea es col·loca en un evaporador tèrmic o un evaporador de feix d'electrons. Aproximadament 500 nm d'alumini s'evapora sobre la superfície de l'oblea.

Seguint els passos de fotolitografia esmentats anteriorment, l'oblea es cobreix amb una capa fotoresistent i es col·loca sota la màscara de contacte metàl·lic. El material resistent és exposat a raigs UV. Després de l'exposició, la resistència es revela i s'enforna.

Ara estem preparats per gravar l'alumini. L'alumini s'escalfa a 50 °C. A continuació, pot aconseguir una velocitat de gravat d'aproximadament 150 nm per minut.

Després que l'alumini està gravat, s'ha de recuïr. L'alumini ha d'estar recuit en un "tube furnace" per ajudar a reduir la resistència entre el metall i les regions de silici dopades. Les oblees es tornen a coure i ja estan llestes.

3. MEMS: Tècniques Fotolitogràfiques de Construcció

La litografia és la transferència d’un patró a un material fotosensible mitjançant l'exposició selectiva d'una font de radiació. Les diferents tècniques són:

• Preparació de substrat: Quan l'exposició és una impressió de contacte o de proximitat.
• D'il·luminació: Quan l'exposició es fa directament amb una màquina anomenada "Stepper" que projecta la forma exacta.

MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems) és una aplicació de la microfabricació. Les tècniques principals són litografies de superfície, litografies de volum o litografies de raigs X. En el primer cas, una sèrie de microcapes de diversos materials són disposades sobre un substrat inicial per mitjà de tècniques de deposició de vapor.

4. Lab on a Chip vs. Bio Chip

En què consisteix un "Lab on a Chip"? És el mateix que un bio chip?

4.1. Bio Chip

Dispositiu a petita escala, anàleg a un circuit integrat, utilitzat per analitzar molècules orgàniques associades a organismes vius. És un petit mecanisme format per molècules orgàniques (proteïnes, etc.).

4.2. Lab on a Chip (LOC)

La mostra a analitzar es posa sobre un xip i, una vegada realitzades les proves necessàries, els resultats passen directament a l'ordinador de forma inalàmbrica. És un instrument que utilitza quantitats molt petites de líquid en un microprocessador per realitzar proves de laboratori, i sovint conté dispositius MEMS integrats.