26 settembre 2006
RAPSODIA
silicon –on –diamond devices
Proponenti:
Firenze/ Perugia
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26 settembre 2006
Sommario
•
Oggetto della Proposta: silicon-diamond wafer-bonding
•
Materiali compositi e Wafer-bonding
•
Prospettive
•
Stato della tecnologia silicon-on-diamond (semiconductor on
diamond)
•
Proprietà termiche del diamante (breve cenno)
•
Attività proposta nel 2007:
i.
realizzazione del wafer-bonding (discussione delle
strategie adottate e delle difficoltà da superare).
ii. Caratterizzazione delle interfacce
•
Preventivi di spesa (ridotti) per l’attività di ricerca proposta
26 settembre 2006
Oggetto:
Realizzazione di giunzioni SOD
(Silicon on Diamond)
(CVD Diamant- IAF )
Silicio:
elettronica integrata,
sensore
Diamante:
Heat-spreader e isolante
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Materiali compositi
Il grande interesse dell’industria elettronica per i materiali
compositi è dovuta ai problemi posti dalla richiesta di alti
livelli di integrazione (densità di transistors), di alte
prestazioni (frequenza, I/O ottici) e dalla conseguente
densita`di potenza da dissipare.
Il Silicon-On-Insulator (SOI) [p. 6-7] è una risposta consolidata
anche se in evoluzione e con recenti interessanti aperture al
campo della rivelazione di particelle ionizzanti (pixel detectors)
[p. 8-9].
Nuovi materiali semiconduttori tipo (Si,GaN)-On-Diamond sono in
corso di sperimentazione o sono stati appena annunciati [P. 10-13] In
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questi, il diamante gioca il ruolo (meccanico) del SiO2-Si nel SOI ma,
26 settembre 2006
Wafer-bonding
Alla base dei materiali compositi c’è (spesso) una tecnica di
saldatura (wafer bonding) capace di unire tenacemente e
intimamente (saldatura “atomica”) materiali diversi fra loro.
La realizzazione della giunzione puo` avvenire o con l’utilizzo
di catalizzatori a pressione ambiente e temperature
contenute o ricorrendo a pressioni e temperature elevate.
In entrambi i casi le superici dei due materiali devono
essere accuratamente pulite e lucidate.
Per la coppia silicio-diamante non è ancora consolidata la
tecnica di bonding.
La tecnica di wafer bonding dipende dal tipo di materiali
utilizzati ma, entro certi limiti, non dalla loro qualita`e
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Prospettive
L’acquisizione di una tecnologia di wafer-bonding Si-Diamond
ha una valenza ampia, spendibile in ambito INFN anche a
livello di componentistica di sistemi di rivelazione complessi,
là dove sia richiesto un’efficiente dispersione di calore
(Virgo, RAPS,...).
Lo scopo della proposta NON E’ lo studio del
diamante ma la tecnica di bonding SilicioDiamante policristallino (pCVD)
26 settembre 2006
Prospettive (II): possibili dispositivi
Diamante come supporto e heat
spreader per la tecnologia RAPS
(RAPS On DIA)
p+
n+
E
p+
SOD con spessore di ~10 µm di
diamante
(micro-patterning del diamante con
plasma etching)
p well
diamante
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26 settembre 2006
SOI: geometria/vantaggi
Integrazione dell’elettronica su
strati di Si < 1 µm
Spessore dello strato isolante
(SiO2) ≤ 1µm
Supporto meccanico Si≈ 300 µm
Due tecnologie costruttive : SIMOX, Wafer Bonding
La tecnologia SOI e` usata da molti costruttori di chip con
tecnologie 130 nm, 90 nm
( IBM, AMD, INTEL,.. )
Migliore performance-per-watt, velocità dei
dispositivi
Minore sensibilita`alle radiazioni ionizzanti dei
dispositivi
Ma...
Pessima conducibilita`di calore (dovuta al SiO2)
26 settembre 2006
(Jastrzab et al.,
Perché non utilizzare il supporto
SOI per realizzare Pixel Detectors?
NIMA 560 (2006) 31)
150x150 µm2, 128x128 canali
 supporto SOI ad alta resistività
 giunzioni disposte in 2D attraverso l’ossido
Vedi anche: Int. Symp. on
Detector Devel.
SLAC, CA, April 5, 2006
Yasuo Arai (KEK)
(PIXEL), detector FZ
>4kΩ cm, 300 µm
 elettronica sullo strato superficiale di Si, ~10
Ωcm,1.5 µm in corrispondenza di un pixel
26 settembre 2006
Da SOI a Semiconductor-On-D
2” GaN on Diamond
26 settembre 2006
Silicon-on-diamond: An advanced silicon-oninsulator technology
Diamond & Related Materials 14 (2005) 308– 313
1.5 µm thick Si
50 µm thick diam
3 ×30 µm2 heater strips
and two 3 ×30 µm2
Heat sink di rame
26 settembre 2006
Thermal imaging del profilo
di temperatura
Auto-riscaldamento del punto caldo
Potenza applicata
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(1) The thermal load is spread over an area much larger than the
heater for the SOD sample, while it is concentrated
primarily below and around the heater for the SOI sample;
and (2) the applied power density for the SOD sample is more
than one order of magnitude higher. The SOD sample can handle
~12.5 times more power than the SOI sample
And it would be far
better for a
thinner Si device
layer and diamond
with higher
thermal
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Proprietà
termiche del
diamante CVD
commerciale
Da:
Diamond
Materials
Spin-off del
Fraunhöfer
Insitut
www.diamond-materials.com
26 settembre 2006
Proprietà
termiche del
diamante CVD
commerciale
Le proprietà
termiche
ed ottiche del
diamante
policristallino
CVD eguagliano
quelle del
diamante
singolo cristallo
rame
RT
26 settembre 2006
Proprietà
termiche del
diamante CVD
commerciale
Calore specifico
relativamente basso…
RT
0.5 J/g
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Diamante CVD come heat spreader
Conducibilità termica 20 W/cm K
(più alta di qualsiasi sostanza a T ambiente)
D = K /ρ c =12.5 cm2/s
Diffusività termica D altissima
Bassa densità
(più di 10 volte quella del rame)
3.52/cm3
Il diamante diffonde il calore
Basso calore
molto velocemente
Specifico: 0.5 J/g K
E’ un heat-spreader
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ideale
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Diamante CVD come heat-spreader
•
•
Condizioni meno stringenti sulla qualità del
thermal/optical grade diamond rispetto al detector-grade
Grande mercato : è realistico pensare ad un forte
calo del costo/ unità di superficie, nei prossimi anni
Molti produttori sul mercato (non solo De Beers): Sumitomo,
Diamonex, sp3, Apollo Diamond, Diamond Materials etc…
26 settembre 2006
Attività di Ricerca:
wafer-bonding
• Il diamante utilizzato fino a ora per wafer-bonding è
altamente difettoso poche decine di micrometri dal
substrato di nucleazione (SOD-N).
• Come in altre applicazioni ad alta tecnologia vogliamo
utilizzare il lato di crescita rimosso a ~100 µm dal
substrato (SOD-G)
• Il materiale (diamante) di qualità cristallina ottimale
(unbowed, unstressed) a bassa concentrazione di bordi di
grano, può essere quindi saldato al materiale (silicio) di
qualità elettronica ottimale
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Precedenti tentativi di wafer-bonding
• Il diamante è stato saldato al silicio per diffusione ad una
pressione di 300 atm e a una temperatura di 850-950 oC
Ci proponiamo di acquisire e ove
possibile migliorare questa
tecnologia per ora
su piccole superfici (~1 cm2)
Scale-up a 5 x 5 cm2 realistico
G.N. Yushin et al. Wafer bonding of highly oriented
diamond to silicon, Diamond & Related Materials 13
(2004) 1816–1821
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Problemi da risolvere: Thermal mismatch
α [10−6/Κ]
6
5
4
silicio
3
diamante
2
1
0
200
600
1000
1400
T [Κ]
I difetti di saldatura con questa tecnica si presentano ai bordi
di grano del diamante a temperature superiori a 950 oC
Occorre portare la temperatura del processo a 1000 K
(~750oC) per evitare stress di trazione al diamante policristallino
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Strategie per migliorare la tecnica di wafer
bonding rispetto al recente stato dell’arte
Diminuzione della temperatura e aumento della
pressione esercitata/ aumento del tempo di
processo
Trattamenti preliminari delle superfici
(lappatura, parallelismo, pre-trattamenti
termici)
Cicli di annealing a temperature intermedi
saranno utilizzati per riportare la struttura
a temperatura ambiente, dove il
coefficiente di dilatazione termica è
diverso per i due materiali di un fattore
26 settembre 2006
Secondo metodo: wafer bonding con
catalizzatore
• Sinergia con il gruppo
Virgo di Perugia (L. Gammaitoni,
H. Vocca)
• Esperienza consolidata di
bonding SiO2-SiO2 (silicate
bonding)
• Reallizati anche bonding SiZaffiro(Al2O3), Si-Si, Al2O3Al2O3, Si-Al2O3 con varie
orientazioni cristalline.
Fused silica wires saldati allo
specchio di quarzo
(35 cm diam, 10 cm, 21 Kg)23
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Silicate bonding
E' un “incollaggio atomico” a pressione e temperatura normali,
che utilizza un catalizzatore (in generale il KOH) per creare una
(1)
reazione tra le molecole del materiale e gli ioni OH-.
KOH
O
Si
O
Si
O
O
Si
Si
O
O
(2)
Si
OH-
O
K+
K+
OH-
Si
H3O+
(3)
OH-
Si
O H
Si
O
Si
Si
HO
O H
(4)
O
Si
O
Si vuole indagare l’utilizzo di tale
O
tecnica, cambiando il
Si
catalizzatore (altre basi od
acidi), per saldatura di Silicio con
(5)
O
Si
Si
O
O
O
Si
O
O
O
O
O
Si
O
HO
Si
O
Si
O
O
O
O
Si
O
Si
O
Si
O
O
Si
O
O
Si
O
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Apparato UHV ad
alta pressione e alta
temperatura
proposto
Sistema di spinta
esterno
(Descrizione schematica)
Soffietto UHV solidale
con il pistone interno
In grado di esercitare (almeno) 1000 atm su 25 mm2
Un successivo scale-up non comporta particolari problemi
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26 settembre 2006
Apparato ad alta
pressione e alta
temperatura
Portacampione
e riscaldatore
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26 settembre 2006
Pistone e blocco di acciaio
invito
SOD e buffer
material (BN)
5 X 5 mm2
allumina
Blocchi
Schermo termico
riscaldati
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26 settembre 2006
Caratterizzazione dei campioni
(prima) e dell’interfaccia
(dopo il processo)
• Diffrazione X (orientazione cristallina,
stress residui)
• Microscopia SEM, AFM,(morfologia
lucidatura) TEM (difetti cristallini)
• Misura della conducibilità termica
• Caratterizzazione elettrica interfaccia
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26 settembre 2006
Preventivo proposto 2007
Apparato/messa
a punto
Wafer-bonding
Preparazione
campioni e
caratterizazioni
interfaccia SOD
Totale
Firenze
Perugia
Totale
18
10
28
7
3
10
25
13
38
26 settembre 2006
Composizione del gruppo
• Firenze
Alessio Fossati,
AR 100 %
Stefano Lagomarsino, Ass 100 %
Anna Macchiolo,
AR. 20%
Simone Paoletti,
Ric. 20 %
Giuliano Parrini,
PA 30%
Silvio Sciortino
Ric. 50%
3.2 FTE
• Perugia
Mancarella Fulvio, AR 40 %
Moscatelli Francesco, AR. 70 %
Andrea Scorzoni,
PA 100%
2.1 FTE
Collaborazione esterna
Luca Gammaitoni
Helios Vocca
(Gruppo Virgo Pg)
26 settembre 2006
Conclusioni
• La proposta è stata riformulata PER UN
ANNO con preventivo ridotto al 50%
Focalizzata sulla realizzazione del
materiale composito
• Formulazione e discussione del proseguimento
SJ al risultato raggiunto
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Trasparenze di appoggio
• SOI 1-2
• HOD 3
• Diamante come rivelatore di radiazione
26 settembre 2006
Elettronica
Esempio di PIXEL -SOI
(130x130 µm2)
~10 Ω cm
1.5 µm
isolante
Detector FZ
>4kΩ cm , 300 µm
Realizzati blocchi di 128 × 128 canali
26 settembre 2006
26 settembre 2006
Highly Oriented Diamond
S.K. Han et al. / Diamond and Related Materials 9
(2000) 1008–1012
Van der Drift evolutionary
selection
thickness of 15 µm.
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Charge Collection Distance
Definiamo la Charge Collection Distance come il
prodotto dell'efficienza di raccolta
η=Q/Q0 per lo spessore del materiale W
d=η×W
dove Q è la carica misurata e Q0 è la carica prodotta
all'interno del rivelatore:
Si=89 coppie e-h/µm
D=36 coppie e-h/µm
• d è la distanza media percorsa dai portatori prima che
siano (i) intrappolati, (ii) che si ricombinino, (iii) che
raggiungano gli elettrodi.
26 settembre 2006
Diamante come rivelatore
• Bassa capacità, costante dielettrica metà di
quella del silicio
• Alta velocità dei portatori: 2 10 7 cm/s a 1 V/µm
(Diamond detectors with subnanosecond time resolution for heavy
ion spill diagnostics, E. Berdermann GSI Darmstadt)
• Alta tolleranza da radiazione: operativo fino a
2 1016/cm2
Limitato nelle prestazioni dalla natura policristallina
(pCDV)
Il diamante singolo cristallo (scCVD) è attualmente
prodotto con un area massima di 1.4 x 1.4 cm2 (De
Beers)
26 settembre 2006
Diamond properties
Low capacitance εr =5.7
up to a frequency of 3500 GHz
about half that of silicon
High mobility (at 1 V/µm)
Holes:
2064 cm2 /V s
Electrons: 1714 cm2 /V s
High drift velocity (at 1 V/µm)
Holes:
0.96 107 cm/ s
Electrons: 1.41 107 cm/ s
H. Pernegger, S. Roe, P.Weilhammer et al.
J. Appl. Phys. 97, 073704 (2005)
n = !r
From: Diamond Material gmbH
26 settembre 2006
36 pairs/mm generated by MIPs
Charge Collection Distance:
# of electrons
CCD [ µ m ]=
36
Deconvoluted Landau
5000
CCD=260 µm
Counts
4000
3000
2000
1000
# electrons
12000
10000
0
8000
4000
2000
0
0
20
40
T[oC]
60
10000
20000
# electrons
5 % loss
in 80 oC
6000
0
80
We have demonstrated
Operation up to 80 oC
30000
26 settembre 2006
Very low leakage currents
Thermally
Stimulated
Currents
on neutron
irradiated
polyCVD
diamond
S. Miglio
Dept. Energetics
Florence
Diploma Thesis
Sample UTS1: 5×5 mm2
Leakage currente less than 1pA at 300 K
And lowers after neutron irradiation!
26 settembre 2006
CCD e Spessore (polycrystalline)
80 µm
2500 e-
I punti blu rappresentano il campione in cui viene gradualmente
rimosso materiale difettoso, quelli rossi il procedimento
inverso, in cui viene rimosso il materiale dal lato di crescita
26 settembre 2006
Riproducibilità
Valore std 2006
300 µm
Status of Experiments on CVD Diamond DetectorsHarris Kagan, Ohio State
University RESMDD 2004, October 10-13, 2004 - Florence, Italy
26 settembre 2006
Radiation Hardness pCVD
La CCD del diamante decade ad 1/e dopo 1.25 1016 p/cm2
Il diamante può quindi operare dopo fluenze di adroni
pari a 2 1016 /cm2 a T ambiente, a relativamente bassa
tensione (1V/µm)
26 settembre 2006
Recente prototipo di Pixel detector basato
su polycrystalline CVD diamond
W. Adam et al. / Nuclear Instruments and Methods in Physics Research
A 565 (2006) 278–283
y
x
2 x 6 cm2
pixel pitch 50 µm (direzione y), lunghezza
400 µm (direzione x),
26 settembre 2006
Diamond pixel detector
•
•
•
•
elettronica utilizzata: ATLAS IBM 0.25 µm
Beam test a DESY (2005)
Rumore 136 e-, soglia 1350 eEfficienza: 98 % rispetto al telescopio di
riferimento
• risoluzione: 23 mm lungo in direzione y
(contro 37 µm del Si quando misurato a Desy)
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• Il SOD è stato realizzato con crescita eteroepitassiale
(highly oriented diamond, HOD) di diamante su silicio,
e capovolgendo il materiale (Articolo citato)
Il substrato diventa lo strato
di silicio del SOD
Lo heat-spreader (diamante)
viene saldato allo heat sink (rame)
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RAPS (On DIA)
p+
n+
E
diamante
p+
p well
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SOD
26 settembre 2006
Costo attuale del
thermal-grade
diamond
50 $/cm2
(in ulteriore
diminuzione)
www.sp3inc.com
$/mm2
26 settembre 2006