Laboratoria badawcze

Utworzone w 2010 r. laboratorium umożliwia wszechstronną charakteryzację fizyczną i chemiczną powierzchni, jak i objętości materiałów i struktur wytwarzanych w skali mikro- i nanometrowej. Stanowiąca jego wyposażenie nowoczesna aparatura badawcza pozwala prowadzić obserwacje           i analizować morfologię (np. topografię, strukturę) powierzchni próbek a także ich skład chemiczny (powierzchniowy i objętościowy).

Umożliwia to badanie istotnych cech zarówno samych materiałów (półprzewodnikowych, dielektrycznych i przewodzących) wykorzystywanych czy dopiero przewidywanych do zastosowań     w elektronice, jak i struktur oraz przyrządów z nich wytwarzanych, w tym mikro- i nano-elektronicznych, fotonicznych czy mikrosystemów hybrydowych oraz typu MEMS i MOEMS.

W laboratorium wykonywane są precyzyjne pomiary charakterystyk prądowo-napięciowych (I-V), pojemnościowo-napięciowych (C-V) oraz pomiary prądu wzbudzanego termicznie (ang. TSC – Thermally Stimulated Current) w zakresie temperatury podłoża 10K – 300K.

Aparatura:

1. Profilometr „Dektak 150” VEECO – urządzenie umożliwiające pomiar profilu powierzchni (a więc jej topografii, uskoków) wzdłuż dowolnie wybranej linii. Rozdzielczość pionowa (z) –  kilka nm, rozdzielczość pozioma (x-y) – 1 m
2. Skaningowy mikroskop elektronowy (Scanning Electron Microscope – SEM) „S-3400N” HITACHI umożliwiający obserwację topografii i struktury powierzchni. Powiększenie – do 300 000 razy. Rozdzielczość – submikrometrowa. Możliwość obserwacji próbki pod kątem. Niewymagana preparatyka próbek. Możliwość analizy składu pierwiastkowego powierzchni przy pomocy spektroskopu dyspersji energii promieniowania rentgenowskiego (Energy Dispersive X-ray Spectrometry - EDS).
3. Laserowy skaningowy mikroskop konfokalny „LEXT OLS3100” OLYMPUS umożliwiający obrazowanie próbek 2D i 3D. Powiększenie – do 14 400 razy. Rozdzielczość pionowa (z) – 10 nm, rozdzielczość pozioma (x-y) – 120 nm.
4. Spektroskop mas jonów wtórnych (Secondary Ion Mass Spectroscope – SIMS) MILLBROOK MiniSIMS umożliwiający analizę składu chemicznego próbek w trybach statycznym, mapowania powierzchni oraz dynamicznym (trawienie próbki i profilowanie głębokościowe składu chemicznego). Rozdzielczość (f wiązki jonów: < 10mm dla materiałów przewodzących i < 50 mm dla materiałów nieprzewodzących).
5. Wysokoczęstotliwościowy (10 MHz – 13,5 GHz) analizator impedancji „N4395A” AGILENT TECHNOLOGIES wykorzystywany do wyznaczania parametrów elektrofizycznych materiałów elektronicznych w zakresie częstości radiowych (RF) i mikrofalowych (MW) promieniowania elektromagnetycznego.
6. Automatyczna stacja ostrzowa do pomiaru charakterystyk I-V oraz C-V struktur półprzewodnikowych
7. Stacja ostrzowa do pomiarów kriogenicznych JANIS CCR10 pracująca w zakresie temperatur 10K-300K.
8. Stanowisko do pomiarów charakterystyk I-V wysokonapięciowych struktur półprzewodnikowych (3.3 kV).
9. Pikoamperomierz ze źródłem napięciowym KEYSIGHT B2985A
10. System do pomiarów elektrycznych struktur półprzewodnikowych KEITHLEY SCS4200

Laboratorium mieści się w Gmachu Elektrotechniki, kl. A, pok. 421.
Opiekun: dr hab. inż. Mariusz Sochacki

Możliwości laboratorium:

• montaż struktur półprzewodnikowych o wymiarach od 2 x 2 mm do 8 x 8 mm na podłożach z metalizacją Au, Ag, Ni, Cu przy wykorzystaniu technologii lutowania rozpływowego stopami SAC, technologii sinteringu z wykorzystaniem past na bazie srebra, technologii klejenia pastami elektroprzewodzącymi oraz unikatowej technologii łączenia bare-Si do metalizacji Au lub Ag z wykorzystaniem past na bazie srebra
• wykonywanie połączeń drutowych metodą ultrakompresji przy wykorzystaniu drutów aluminiowych od średnicy od 25 mm do 100 mm, metodą ultratermokompresji przy wykorzystaniu drutów srebrnych o średnicy 25 mm oraz 50 mm oraz taśmy złotej
• montaż flip-chip struktur o rozmiarach do 8 x 8 mm z wykorzystaniem past SAC i klejów elektroprzewodzących (H20E)
• badania klimatyczne podzespołów i modułów w komorze o objętości 64 dm³ w zakresie temperatur od -40^oC do +180^oC, przy próbach wilgotności zakres temperatur od +10^oC do +95^oC dla wilgotności względnej od 10% do 98%
• grawerowanie oraz cięcie laserowe materiałów

Aparatura:

1. CAMMAX PRECIMA EBD65 – chip bonder do montażu chipów na podłożach
2. CAMMAX PRECIMA FC300 – flip chip bonder do montażu chipów technologią flip chip, dokładność montażu kilkadziesiąt mikrometrów
3. CAMMAX PRECIMA PPS60-P – piecyk (hot plate) z dokładnym sterowaniem profile temperaturowego do 400°C, do realizacji bardzo dokładnych profili temperatutowych lutowania i klejenia
4. IRS 1000 – piec do lutowania rozpływowego płytek obwodów drukowanych na krótką podczerwień
5. MM500 – manipulator montażowy firmy Mechatronika z dozownikiem strzykawkowym i możliwością układania do 100 elementów
6. Bonder do ultrakompresji UK4 produkcja IBSPiE PW, połączenia drutami Al.
7. Bonder do ultratermokompresji NFF009 53XXXBDA firmy FK DELVOTEC, połączenia drutami Au
8. System inspekcyjny „EasyInspector TD” firmy Technolab, do kontroli optycznej

Laboratorium mieści się w Gmachu Elektrotechniki, kl. A, pok. 427 oraz 429.

Opiekun: dr hab. inż. Mariusz Sochacki 

Laboratorium przeznaczone jest do prowadzenia zajęć dydaktycznych, realizacji prac dyplomowych oraz prowadzenia prac badawczych w obszarze projektowania mikroelektronicznych systemów scalonych wielkiej skali integracji.

W laboratorium dostępne są stacje robocze pracujące pod kontrolą systemu Linux.  Zainstalowane jest profesjonalne oprogramowanie CAD oraz biblioteki technologiczne dla komercyjnych technologii półprzewodnikowych.

Lokalizacja: Instytut Mikroelektroniki i Optoelektroniki, Zakład Metod Projektowania w Mikroelektronice, Gmach Elektroniki im. prof. J. Groszkowskiego, sale 352 i 356

Opiekun: dr inż. Zbigniew Jaworski

Laboratorium dydaktyczne przeznaczone do nauczania szeroko pojętych podstaw projektowania układów scalonych i tworzenia aplikacji mobilnych na sprzęt firmy Apple. Wyposażone jest w 32 stanowiska komputerowe (komputery iMac różnej generacji) i pojedyncza tablety (iPad) i smartfony (iPhone). Nauka programowania w tym laboratorium jest wspierana przez Apple w ramach Apple iOS University Developer Program.

Lokalizacja: Instytut Mikroelektroniki i Optoelektroniki, Zakład Metod Projektowania w Mikroelektronice, Gmach Elektroniki im. prof. J. Groszkowskiego, sale 358 i 359

Opiekun: dr inż. Adam Wojtasik

W laboratorium od ponad dekady dokonywane są pomiary elektryczne struktur półprzewodnikowych oraz układów scalonych – obudowanych oraz nieobudowanych. Podstawowym elementem wyposażenia jest półautomatyczna stacja do pomiarów ostrzowych Summit 12000B-AP firmy Cascade Microtech (obecnie FormFactor). Umożliwia ona wykonywanie pomiarów na półprzewodnikowych płytkach podłożowych o średnicy do 200 milimetrów. Stacja może być kontrolowana przez przyrząd pomiarowy lub komputer, co pozwala na zaprogramowanie serii pomiarów, które zostaną powtórzone na każdej ze struktur wytworzonych na danej płytce podłożowej. Ekranowanie elektromagnetyczne stacji pozwala na pomiar prądów na poziomie pojedynczych femtoamperów. System kontroli temperatury umożliwia prowadzenie pomiarów w zakresie temperatur od -55C do +200C. Dzięki użyciu dedykowanych kart pomiarowych możliwe jest testowanie układów scalonych na płytce podłożowej. Stacja wyposażona jest obecnie w 6 manipulatorów DC do pomiarów prądowo-napięciowych oraz 2 manipulatory RF. Pomiary DC są obecnie prowadzone za pomocą charakteryzatora przyrządów półprzewodnikowych B1500A firmy Agilent (obecnie Keysight), natomiast do pomiarów RF służy wektorowy analizator obwodów (VNA) ZVL6 firmy Rohde & Schwarz.

Lokalizacja: Instytut Mikroelektroniki i Optoelektroniki, Zakład Metod Projektowania w Mikroelektronice, Gmach Elektroniki im. prof. J. Groszkowskiego, sala 356A 

Opiekun: dr inż. Dominik Kasprowicz

Wśród pomieszczeń laboratoryjnych można wyróżnić trzy typy pomieszczeń: pomieszczenia zaplecza technicznego laboratorium (tzw. maszynownia) oraz przebieralnia, zasadnicza część laboratorium oddzielona od przebieralni śluzą, wydzielone pomieszczenia do przeprowadzania procesu fotolitografii (klasa czystości ~100) oraz wykonywania mokrych operacji chemicznych (tzw. „chemia mokra”). W zasadniczej części Laboratorium (Clean-Room) utrzymywane jest stale nadciśnienie (w stosunku do otaczających je pomieszczeń), które stanowi skuteczną barierę dla wszelkiego rodzaju pyłów i zanieczyszczeń oraz utrzymywana jest przez system klimatyzacji stała temperatura (ok. 22°C) i wilgotność powietrza (ok. 40%). W pomieszczeniu głównym laboratorium gwarantowana jest klasa czystości 1000. Skompletowane w laboratorium technologicznym wyposażenie aparaturowe wsparte posiadanymi umiejętnościami nabytymi przez wiele lat prowadzonych prac badawczych pozwala na realizację bardzo szerokiej palety procesów technologicznych oraz prowadzenia prac badawczych z dziedziny elektroniki i fotoniki (wytwarzanie struktur i przyrządów półprzewodnikowych), mikrosystemów MEMS/MOEMS, ale także (co udowodniono już w latach ubiegłych w praktyce) z dziedziny chemii (m.in.: lab-on-chip, sensory), bio-inżynierii (np., czujniki DNA), czy inżynierii materiałowej (badania nad nowymi materiałami do zastosowań w nowych generacjach układów scalonych, czy nietypowymi materiałami kompatybilnymi z szerokopasmowymi półprzewodnikami).

Wycieczka 3D po Laboratorium Technologicznym:

Procesy technologiczne realizowane w Laboratorium

1. Procesy przygotowania powierzchni podłoży lub produktów
   Procesy wykonywane w dygestorium chemicznym w warunkach stałego podciśnienia, które zabezpiecza przed wydostawaniem się par odczynników lotnych do pomieszczeń laboratoryjnych. Realizowane procesy mają na celu czyszczenie, przygotowanie i modyfikację podłoży w roztworach ciekłych przed rozpoczęciem i realizacją kolejnych procesów technologicznych. Jako podłoża w procesach technologicznych wykorzystywane są przede wszystkim płytki półprzewodnikowe (krzem, węglik krzemu, azotek galu, arsenek galu) oraz szklane (szafir, kwarc). W niektórych pracach badawczych wykorzystywane są podłoża metalowe lub gotowe produkty metalowe (stal, tytan), światłowody szklane oraz materiały ceramiczne (Al₂O₃, AlN, BN). W procesach przygotowania powierzchni stosowane są głównie różnego typu odczynniki chemiczne i ich roztwory.
2. Procesy utleniania termicznego
   Procesy realizowane w specjalnie przygotowanym do tego celu reaktorze – piecu wysokotemperaturowym. Typowe temperatury procesu zawierają się w przedziale 700^oC – 1200^oC. Do rur kwarcowych pieca wysokotemperaturowego wprowadzane są gazy robocze (tlen, N₂O, NO, azot, argon). W przypadku procesu utleniania mokrego atmosfera pary wodnej wytwarzana jest za pomocą saturatora wody dejonizowanej, przez który podawany jest azot do rury pieca wysokotemperaturowego. Płytki są wprowadzane do pieca na łódce kwarcowej za pomocą kwarcowego manipulatora. Do najczęściej utlenianych w ten sposób materiałów należy krzem oraz węglik krzemu.
3. Domieszkowanie metodą dyfuzji wysokotemperaturowej
   Proces domieszkowania metodą dyfuzji realizowany jest w piecu wysokotemperaturowym z rurą kwarcową. Typowa temperatura procesu mieści się w przedziale 850^oC – 950^oC. Gazem nośnym jest azot, gazem roboczym jest tlen i azot. W przypadku dyfuzji boru (B) źródłem domieszki są dyski ceramiczne wykonane z azotku boru (BN). W przypadku dyfuzji fosforu źródło ma charakter gazowy. Do saturatora napełnionego POCl₃ podawany jest azot pełniący funkcję gazu nośnego. Piec wyposażony jest w wyciąg na wylocie rury, który w trakcie procesu usuwa produkty reakcji oraz nieprzereagowane związki chemiczne w fazie lotnej, zabezpieczając przed przedostaniem się ich do pomieszczenia laboratorium. Typowym materiałem domieszkowanym w opisywanych warunkach są podłoża krzemowe.
4. Chemiczne osadzanie z fazy lotnej wspomagane plazmą (PECVD)
   Proces osadzania cienkich warstw dielektrycznych (tlenki i azotki krzemu) oraz półprzewodnikowych (krzem amorficzny) w reaktorze próżniowym wyposażonym w generator plazmy o częstotliwości 13,56 MHz i mocy do 300 W. Typowymi gazami zasilającymi reaktor PECVD są: silan (SiH₄ rozcieńczony w azocie lub helu), azot, tlen i argon. Podciśnienie wytwarzane przez układy próżniowe uniemożliwia wydostawanie się gazów i produktów chemicznych w fazie lotnej z urządzenia do pomieszczenia laboratorium. Dodatkowo przed otwarciem reaktora jest on dwukrotnie wypełniany azotem i odpompowywany, co zapobiega wydostawaniu się gazów poreakcyjnych i produktów reakcji do otoczenia po otwarciu komory próżniowej. Procesy osadzania są realizowane na podłożach półprzewodnikowych, szklanych, ceramicznych i metalowych opisywanych w punkcie 1.
5. Reaktywne trawienie jonowe (RIE)
   Proces wykorzystywany do rozpylania jonowego oraz chemicznego, suchego trawienia plazmowego materiałów dielektrycznych (tlenki i azotki krzemu) oraz półprzewodnikowych (krzem, węglik krzemu, azotek galu, arsenek galu) w plazmie fluorowej i chlorowej w reaktorze próżniowym wyposażonym w generator plazmy o częstotliwości 13,56 MHz i mocy do 300 W. Do rozpylania jonowego wykorzystywane są mieszaniny argonu z azotem. Do chemicznego trawienia plazmowego wykorzystywane są gazy robocze SF₆, CF₄, CHF₃ dozowane często w postaci mieszaniny z tlenem. Podciśnienie wytwarzane przez układy próżniowe uniemożliwia wydostawanie się gazów i produktów chemicznych w fazie lotnej z urządzenia do pomieszczenia laboratorium. Dodatkowo przed otwarciem reaktora jest on dwukrotnie wypełniany azotem i odpompowywany, co zapobiega wydostawaniu się gazów poreakcyjnych i produktów reakcji do otoczenia po otwarciu komory próżniowej.
6. Mokre trawienie chemiczne
   Procesy wykonywane w dygestorium chemicznym w warunkach stałego podciśnienia, które zabezpiecza przed wydostawaniem się par odczynników lotnych do pomieszczeń laboratoryjnych. Realizowane procesy mają na celu chemiczne trawienie powierzchni materiałów w odpowiednio przygotowanych roztworach chemicznych. Typowym przykładem takiego procesu jest trawienie krzemu lub węglika krzemu w wodnych roztworach wodorotlenku potasu (KOH) lub wodorotlenku tetrametyloamoniowego (TMAH). Procesy mogą być modyfikowane przez dodawanie do roztworu związków powierzchniowo czynnych. Powszechnie stosowany jest w tym celu alkohol izopropylowy.
7. Fotolitografia
   Proces służący do odwzorowania kształtów w polimerowej emulsji światłoczułej utwardzanej promieniowaniem ultrafioletowym. Do obróbki emulsji światłoczułych najczęściej wykorzystywane są roztwory na bazie acetonu. Emulsje światłoczułe są nakładane metodą rozwirowania na podłożach półprzewodnikowych, szklanych lub ceramicznych.
8. Naparowywanie próżniowe
   Proces wykorzystywany do osadzania z fazy gazowej cienkich warstw metalicznych prowadzony w reaktorze próżniowym w warunkach wysokiej lub bardzo wysokiej próżni. Podstawowymi źródłami metali naparowywanych poprzez podgrzewanie wywołane przepływem prądu elektrycznego są aluminium, chrom oraz złoto. Zmodyfikowany proces naparowywania próżniowego z wykorzystaniem wysokoenergetycznej wiązki elektronowej wykorzystywany jest do osadzania cienkich warstw metali trudnotopliwych (tytan, nikiel, platyna, wolfram).
9. Rozpylanie jonowe, reaktywne rozpylanie magnetronowe w plazmie w.cz
   Proces próżniowy wykorzystywany do osadzania z fazy gazowej cienkich warstw metalicznych ( tytan, gadolin, aluminium, hafn, cynk), dielektrycznych (TiO₂, Al₂O₃, AlN, HfO₂) oraz półprzewodnikowych (ZnO). Proces rozpylania jonowego materiałów metalicznych jest typowo prowadzony w atmosferze argonu. Reaktywne rozpylanie magnetronowe w celu uzyskania materiałów o właściwościach dielektrycznych lub półprzewodnikowych jest typowo prowadzone w mieszaninach tlenu lub azotu z argonem, czasami azotu z tlenem. Źródłami metalu są wysokiej czystości targety metaliczne rozpylane jonowo lub reaktywnie w zależności od zastosowanych gazów roboczych.

Katalog typowych produktów uzyskiwanych w Laboratorium:

• ultracienkie (pojedyncze nm) i ultraczyste warstwy dielektryczne o wysokiej wytrzymałości na przebicie,
• cienkie warstwy dielektryczne pełniące rolę tlenków bramkowych w technologii półprzewodnikowej, w tym warstwy dielektryczne o wysokiej przenikalności elektrycznej,
• cienkie warstwy dielektryczne o modyfikowanym współczynniku załamania do zastosowań optycznych (warstwy antyrefleksyjne, warstwy zabezpieczające i modyfikujące właściwości elementów optycznych),
• cienkie warstwy dielektryczne i półprzewodnikowe stosowane jako pokrycia o określonych właściwościach mechanicznych (warstwy antypoślizgowe, warstwy o niskim współczynniku tarcia, warstwy hydrofilowe i hydrofobowe, itp.),
• grube warstwy dielektryczne pełniące funkcję pasywacji półprzewodnikowych przyrządów wysokonapięciowych,
• strukturyzacja podłoży poddanych procesom mokrego lub suchego trawienia (anizotropowe trawienie materiałów półprzewodnikowych oraz dielektrycznych, anizotropowe trawienie krzemu, wytwarzanie struktur typu ‘trench’ oraz ‘mesa’,
• wytwarzanie powierzchni o charakterze zwierciadeł dla różnego rodzaju promieniowania elektromagnetycznego,
• wytwarzanie struktur o charakterze periodycznym kształtowanych metodą fotolitografii do zastosowań fotonicznych,
• procesy transferowania grafenu z folii miedzianych oraz polimerowych na inne rodzaje podłoży szklanych, dielektrycznych i półprzewodnikowych,
• złącza półprzewodnikowe i struktury diodowe uzyskiwane poprzez zmianę poziomu domieszkowania krzemu w wyniku dyfuzji wysokotemperaturowej,
• tranzystory polowe typu MOSFET/MISFET,
• jonoczułe tranzystory polowe typu ISFET,
• diody i tranzystory mocy w technologii węglika krzemu,
• detektory promieniowania optycznego, w tym detektory promieniowania UV o ograniczonej czułości na promieniowanie widzialne,
• detektory promieniowania rentgenowskiego.

Wyposażenie:

• System do charakteryzacji przyrządów półprzewodnikowych KEITHLEY 4200-SCS zawierający pięć statycznych jednostek wymuszająco-pomiarowych (ang. Source Measure Unit) (4210-SMU), w tym dwie wyposażone w przedwzmacniacz (4200-PA) zapewniający pomiar prądów o natężeniu w zakresie do 1 pA (z dokładnością 1%rdg+10 fA), jednostka małosygnałowa (4210-CVU) oraz dwukanałowa jednostka impulsowa (4225-PMU) wraz z dwoma zdalnymi ultraszybkimi przełącznikami (4225-RPM)
• System do charakteryzacji przyrządów półprzewodnikowych KEYSIGHT B1500A
• Miernik LCR HP 4285A
• Jednostka wymuszająco pomiarowa KEITHLEY 237 (High Voltage SMU)
• Niskoszumne w pełni ekranowane ręczne stanowisko ostrzowe Suss PM-8 wyposażone w sześć precyzyjnych manipulatorów z ostrzami o średnicy: 3, 5, 7 i 20 um
• Jednostka chłodząca (ang. chiller), która w połączeniu z grzanym stolikiem pomiarowym jest w stanie zapewnić pomiary przyrządów w zakresie temperatur od -60°C do 200°C
• Elipsometr spektroskopowy HORIBA JOBIN-YVON Uvisel 2 pozwalający na pomiary właściwości optycznych warstw i układów warstw w zakresie 190 – 850 nm
• Reflektometr THETAMETRISIS do pomiarów właściwości optycznych (grubość, transmitancja, relfektancja)
• Sonda czteroostrzowa do pomiarów rezystywności/rezystancji i przewodności materiałów przewodzących

 Możliwości pomiarowe:

•  Charakterystyki statyczne (I-V) z wymuszeniem prądowym lub napięciowym
•  Pomiary wytrzymałościowe (napięcie przebicia) w zakresie od 0 do 1000 V
•  Charakterystyki statyczne typu stres-and-sense (stres napięciowy bądź prądowy, odpowiedź napięciowa bądź prądowa)
•  Pomiar małych rezystancji metodą cztero-ostrzową w połączeniu full-Kelvin.
•  Pomiary quasi-static C-V
•  Pomiary admitancji (C-G-V, C-R-V) w zakresie bardzo małych częstotliwości (1 mHz - 10 Hz)
•  Małosygnałowe charakterystyki admitancyjne (C-G-V, C-R-V) w zakresie częstotliwości 75 kHz – 30 MHz z krokiem 100 Hz
•  Charakterystyki małosygnałowe C-V, G-V oraz R-V w zakresie częstotliwości 1 kHz – 10 MHz z krokiem wynoszącym 10/dekadę
•  Ultraszybkie pomiary I-V ogólnego zastosowania
• Pomiary metodą pompowania ładunku (ang. charge pumping)

Lokalizacja: Instytut Mikroelektroniki i Optoelektroniki, Zakład Przyrządów Mikroelektroniki i Nanoelektroniki, Gmach Elektrotechniki, piętro III

Opiekun: dr hab. inż. Robert Mroczyński, prof. uczelni