close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

2000-0057-0-01

код для вставкиСкачать
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Санкт-Петербургский
государственный университет аэрокосмического приборостроения
В. А. Лопухин, Д. К. Шелест
СИСТЕМЫ ТЕХНОЛОГИЙ
КОМПЬЮТЕРНОГО ПРОИЗВОДСТВА
ТЕХНОЛОГИЯ ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМ
Учебное пособие
Санкт-Петербург
2000
УДК 621.396.6.002.2
ББК 32.844
Л77
Лопухин В. А., Шелест Д. К.
Л77 Системы технологий компьютерного производства.Технология интегральных микросхем: Учеб. пособие / СПбГУАП. СПб., 2000. 124 с.
Рассматриваются проблемы производственных систем изготовления
электронной аппаратуры. Значительная часть работы посвящена
изучению технологических процессов производства микросхем.
Представлены вопросы организации маршрутной технологии и сравнительные технико-экономические оценки свойств продукции.
Пособие предназначено для студентов дневной и вечерней форм
обучения технологических и экономических специальностей, и может
быть использовано при проведении курсового и дипломного проектирования.
Рецензенты:
кафедра микроэлектроники и технологии радиоэлектронной аппаратуры
Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета;
кандидат технических наук доцент А. С. Гурылев
Утверждено
редакционно-издательским советом университета
в качестве учебного пособия
© СПбГУАП, 2000
© В. А. Лопухин, Д. К. Шелест
2
ПРЕДИСЛОВИЕ
Одним из важнейших научных направлений, в значительной степени
определяющих прогресс страны, является микроэлектроника. С ней связан новый этап в развитии электроники – переход электронной аппаратуры (ЭА) на элементную базу третьего поколения. Основу приборов
третьего поколения составляют интегральные микросхемы (ИМ), содержащие большое количество активных и пассивных элементов. Первые разработки ИМ относятся к 1958–1960 гг.
Основная отличительная черта микроэлектроники – присущая ей интеграция: технологическая (использование групповых методов изготовления), конструктивная (объединение элементов на одной подложке) и
научно-техническая (использование последних достижений в области
металлургии, химии, физики и т. д.).
Применение ИМ в качестве элементной базы ЭА обеспечило значительное повышение быстродействия и надежности, сокращение габаритов и энергопотребления по сравнению с ЭА второго поколения.
Пособие написано в соответствии с программами курсов по технологии изделий радиоприборостроения для специальностей “Проектирование и технология радиоэлектронных средств”, “Менеджмент” и “Маркетинг”, а также может быть использовано студентами экономических
специальностей при изучении курса “Системы технологий компьютерного производства”, в курсовом и дипломном проектировании.
Данное пособие раскрывает общие вопросы технологии производства ИМ и рассматривает общие принципы построения технологических процессов как объектов управления, их свойства и характеристики
технологических процессов как товара.
3
1. МИКРОЭЛЕКТРОНИКА.
ИНТЕГРАЛЬНЫЕ МИКРОСХЕМЫ
Микроэлектроника является современным направлением электроники, позволяющим с помощью сложного комплекса физических, химических, схемотехнических, технологических и других методов и приемов решить проблему создания высоконадежных и экономичных миниатюрных схем и устройств.
Высоконадежные микроэлектронные устройства могут быть получены исключением ненадежных элементов, совершенствованием технологических методов изготовления элементов и соединений, снижением рабочих мощностей и уменьшением критичности режимов работы,
использованием новых схем, а также построением элементов и устройств
на новых физических принципах. Снижение стоимости устройств может быть достигнуто исключением нерациональных операций, сокращением числа соединений, исключением раздельной герметизации элементов и переходом к герметизации схем, узлов и целых блоков.
1.1. Классификация и основные этапы
изготовления микросхем
Классификация микросхем. По конструктивно-технологическому
исполнению структур интегральные микросхемы подразделяют на две
основные группы (рис. 1): полупроводниковые и гибридные, прочие (пленочные, вакуумные, керамические и др.).
Полупроводниковой (ПИМ) называют микросхему, все элементы и
межэлементные соединения которой выполнены в объеме и на поверхности полупроводниковой пластины; формируется на основе биполярных или МОП-транзисторов.
Пленочной называют микросхему, все элементы, межэлементные
соединения и контактные площадки которой выполнены на диэлектрической подложке в виде пленок. Частным случаем ГИМ являются многокристальные ИМ.
4
Микросхемы
Полупроводниковые
Гибридные
Биполярные
Тонкопленочные
МОП
Толстопленочные
Комплементарные
Рис. 1. Классификация микросхем по
конструктивно-технологическому исполнению структур
Гибридной (ГИМ) называют микросхему, содержащую кроме элементов, представляющих собой нераздельное от дизлектрической подложки конструктивное целое, компоненты и (или) кристаллы.
Компонент ИМ – часть ИМ, реализующая функции какого-либо электрорадиоэлемента, но которая, в отличие от элемента, может быть выделена как самостоятельное изделие с точки зрения требований к испытаниям, приемке, поставке и эксплуатации.
Кристалл – часть полупроводниковой пластины, в объеме и на поверхности которой сформированы элементы, межэлементные соединения и контактные площадки одной ПИМ.
Основные конструктивные элементы микросхем. Любая интегральная микросхема состоит из структуры, внешнего корпуса и средств
сборки, т. е. деталей, обеспечивающих соединения структуры с корпусом и с внешними электрическими выводами.
Структура является функциональной основой микросхемы. Она
содержит все элементы (и компоненты или кристаллы), межэлементные соединения и контактные площадки. Применять структуры для изготовления аппаратуры нельзя: они хрупки, практически невозможно
выполнить монтаж структур и электрические подсоединения, на их параметры сильно влияют внешние воздействия.
5
Корпус предохраняет структуру от механических нагрузок и влияний окружающей среды при эксплуатации микросхемы, а также обеспечивает удобный и надежный монтаж микросхемы в аппаратуру. Эту
роль может выполнять не только специально изготовленный корпус (корпусные микросхемы), а также герметизирующий состав, в который заключают структуры (бескорпусные микросхемы).
Средства сборки – припойные прокладки, проволочные выводы,
выводные рамки (ленты) и др. Они позволяют прочно укреплять структуры и подсоединять их контактные площадки к внешним электрическим выводам, служащим для включения микросхем в электронную аппаратуру.
В зависимости от внешнего конструктивного оформления различают корпусные, бескорпусные и комбинированные ИМ. Основным материалом для бескорпусной герметизации является пластмасса. Герметизированные в пластмассу ИМ имеют точные внешнюю форму и габаритные размеры. Эти ИМ часто называют микросхемами в пластмассовых корпусах. При комбинированной герметизации арматура со
структурой помещается в специально изготовленную крышку, и затем
все свободное пространство внутри крышки заполняется герметиком.
В технологии изготовления любой микросхемы можно выделить основные этапы (рис. 2), общие для всех микросхем: изготовление и очистка пластин или подложек, формирование структур микросхем,
Изготовление пластин или подложек
сборка, испытания и измерения,
заключительные операции. Если
микросхему герметизируют в
Формирование структур микросхем
корпус, то подготовительными
для сборки являются процессы
изготовления деталей и узлов,
Сборка и герметизация микросхем
корпусов; для бескорпусных микросхем перед выполнением
сборки проводят процессы подИспытания, измерения
готовки герметизирующих составов и процессы изготовления
арматуры для подсоединения
Заключительные операции
структур (выводные рамки, ленты и пр.).
Рис. 2. Этапы изготовления микросхем
6
Процесс изготовления любой микросхемы сопровождается контрольными операциями и завершается испытаниями. После испытаний и
измерения параметров удовлетворяющие требованиям микросхемы
проходят заключительные операции (окраска, лакировка, маркировка,
упаковка), поступают на склад готовой продукции для передачи заказчику, изготовителю электронной аппаратуры.
Изготовление пластин и подложек
Полупроводниковые пластины и диэлектрические подложки являются групповыми заготовками для изготовления структур микросхем.
Полупроводниковые пластины применяют также для изготовления навесных активных компонентов и кристаллов для гибридных микросхем.
На диэлектрических подложках изготавливают пассивную часть
структур гибридных микросхем, а также пленочные микросхемы. В
настоящее время для промышленного изготовления полупроводниковых
микросхем применяют кремний (Si). Кроме кремния для полупроводниковых микросхем и навесных активных компонентов и кристаллов для
микросхем применяют арсенид галлия (GaAs) и другие полупроводниковые соединения.
Структура и свойства полупроводников определяют параметры и
характеристики микросхем. В соответствии с требованиями к параметрам микросхем выбирают полупроводниковый материал определенной
марки и определенной кристаллографической ориентации.
Для гибридных и пленочных микросхем применяют подложки из стекол, ситаллов, фотоситаллов, керамик. Сравнительно недавно начали применять гибкие полимерные подложки, в основном из полиимида, а также
металлические подложки с диэлектрическим покрытием (Al-Al2 O3). Кроме этого, применяют монокристаллические диэлектрические подложки
из сапфира.
Изготовление пластин и подложек включает: механическую обработку полупроводниковых или диэлектрических материалов и очистку
поверхности полученных заготовок.
Механическая обработка полупроводников и диэлектриков затруднена их высокими твердостью и хрупкостью. Не рекомендуется использовать обычные методы механической обработки, применяемые в металлообрабатывающей промышленности, такие, например, как прокатка, штамповка, вырубка. Для изготовления пластин и подложек из монокристаллических слитков и из листовых заготовок применяют метод
7
абразивной обработки, т. е. обработки более твердым, но менее хрупким, чем обрабатываемая поверхность, материалом.
У монокристаллических слитков до начала абразивной обработки
проверяют кристаллографическую ориентацию, так как оборудование
для выращивания слитков не обеспечивает точного совпадения геометрической оси слитка с заданным кристаллографическим направлением.
Очистка пластин, подложек после абразивной обработки обязательна, так как на их поверхностях остаются загрязнения, которые недопустимы в дальнейшем технологическом процессе. Удаление загрязнений
до требуемого уровня чистоты представляет сложную задачу, так как
источниками загрязнений могут быть сами технологические обработки
и окружающая среда. Именно поэтому очистку поверхности пластин и
подложек выполняют несколько раз, как в процессе абразивной обработки при их изготовлении, так и после, т.е. непосредственно перед операциями изготовления структур.
В процессе механической обработки и перед изготовлением структур очистку пластин и подложек в промышленном производстве, в настоящее время, выполняют в различных жидких составах: органических растворителях, воде, смесях на основе кислот, щелочей, сильных
окислителей. Сухая очистка является финишной и, как правило, совмещена с последующими операциями изготовления структур.
Формирование структур микросхем
Этот этап состоит в формировании элементов, межэлементных соединений и контактных площадок в соответствии с топологическими
чертежами и вертикальными разрезами структур, т.е. в получении элементов заданной конфигурации, размеров, взаимного расположения в
горизонтальной плоскости (поверхности) пластин или подложек и заданных размеров в вертикальном направлении (толщины пленок, глубины
легирования). В соответствии с этим все методы изготовления структур можно разделить на три группы: методы формирования топологии,
методы получения пленок, методы легирования пластин и наращивания
полупроводниковых слоев. Методы последней группы относятся только
к процессам получения полупроводниковых структур. Структуры микросхем изготавливают только групповым методом. Одновременной
обработке на большинстве операций подвергается партия пластин или
подложек, и на каждой из них формируется не одна, а множество структур.
8
Сборка и герметизация микросхем
Общепринято под сборкой подразумевать завершающий процесс
соединения деталей и сборочных единиц (узлов), в результате которого
получается готовое изделие. Для сборки корпусных ИМ параллельно
изготавливают детали и узлы корпусов, в ряде случаев – дополнительную арматуру, например, выводные рамки, выводы на ленточных носителях и др. Для сборки бескорпусных ИМ подготавливают герметизирующие составы и изготавливают арматуру для подсоединения структур. Сборка ИМ включает подсоединение и монтаж структур к основаниям корпусов, выводным рамкам или дополнительным подложкам,
монтаж навесных кристаллов, компонентов к платам, подсоединение
электродных выводов к контактным площадкам и внешним выводам
ИМ, герметизацию. Навесные кристаллы и компоненты изготавливают
обычно в отдельных процессах и поставляют в виде комплектующих
изделий.
Испытания и измерения
Для отбраковки ИМ, содержащих скрытые дефекты, после герметизации проводят технологические испытания и измерение параметров.
Технологические испытания делятся на климатические, механические
и электрические. При климатических испытаниях ИМ проверяют на
термоциклирование, влаго-, тепло- и холодоустойчивость. С помощью
механических испытаний на удар и вибропрочность проверяют механическую прочность конструкции и внутрисхемных соединений ИМ. В
процессе электрических испытаний проводится токовая тренировка и
проверка ИМ на стабильность, а также измерение параметров ИМ.
Заключительные операции
К заключительным операциям относятся окраска, лакировка, гальванические покрытия, маркировка, подготовка выводов для подсоединения в аппаратуру, упаковка. Маркировка, содержащая условное обозначение ИМ, обозначение первого вывода, год и месяц выпуска, товарный знак предприятия и клеймо отдела технического контроля, должна быть на каждой выпускаемой микросхеме. Упакованные микросхемы поступают на склад готовой продукции.
9
2. ПРИНЦИПЫ ФОРМИРОВАНИЯ
СТРУКТУР МИКРОСХЕМ
Взаимосвязь проектирования конструкции и технологии. В отличие от традиционных электронных схем на электрорадиоэлементах,
проектирование которых практически мало зависит от дальнейшей технологии, для микросхем проектирование теснейшим образом связано с
технологией их изготовления. Это объясняется тем, что ИМ представляют собой единое конструктивное целое с весьма большим количеством элементов малых размеров. Параметры каждого элемента и рабочие характеристики микросхем в целом определяются не только точностью топологии, но и выбором оптимальных материалов и технологии. При этом необходимо учесть факторы, влияющие на точность процессов формирования топологии. Даже незначительные отклонения от
заданных технологических режимов приводят к отклонениям от необходимой топологии. Кроме этого, между элементами микросхем всегда
существуют нежелательные взаимодействия и паразитные эффекты,
которые также необходимо учитывать и сводить к минимуму.
Благодаря взаимозависимости конструкции и технологии при проектировании ИМ исходными данными, наряду с внешними конструктивными, электрическими и эксплуатационными, являются данные, отражающие возможности и ограничения технологии. Именно они определяют оптимальную конструкцию ИМ.
Таким образом, для микросхем понятия проектирования конструкции и технологии тесно взаимосвязаны, при этом технологии принадлежит определяющая роль.
Основные принципы интегральной технологии. При изготовлении структур микросхем руководствуются определенными принципами,
которые обусловлены взаимосвязью проектирования конструкции ИМ и
технологии их изготовления и в равной степени относятся к ним обоим.
Принцип совместимости элементов вытекает из конструктивного единства интегральных микросхем. Каждый элемент микросхемы в
отличие от электрорадиоэлементов традиционных электронных схем
10
изготавливают не в отдельном технологическом процессе, а в едином
со всеми другими элементами. Для микросхемы – имеем дело не только с конструктивной, но и с технологической интеграцией, при которой в
одном технологическом процессе одновременно изготавливаются различные элементы (например, транзисторы, диоды, резисторы, конденсаторы). Именно поэтому при выборе типов и конструкции элементов,
входящих в состав микросхемы, необходимо оценить практическую
возможность их совместного формирования в едином технологическом
процессе. Кроме того, при проектировании необходимо учесть, что для
полупроводниковых микросхем параметры элементов также взаимозависимы и определяются свойствами и параметрами материала полупроводниковых пластин, на которых изготавливается микросхема.
Для практического осуществления принципа совместимости элементов за основу берут самый сложный элемент (транзистор). Конструкции других элементов составляются только из таких областей, как и те,
на основе которых построен транзистор. Характер технологических обработок и их последовательность определяются конструкцией транзистора. Технология изготовления микросхемы проектируется так, что попутно одновременно с транзисторами формируются все остальные элементы. Например, в биполярных микросхемах резисторы получаются
одновременно с получением базовых областей транзисторов, конденсаторами могут являться обратносмещенные р-n-переходы. Нарушение
принципа совместимости элементов приводит к технологической невозможности создания микросхемы или к необходимости введения в технологический процесс дополнительных операций.
Принцип локальности технологических обработок обозначает то,
что при одновременном формировании множества активных, пассивных элементов и межэлементных соединений ИМ наряду с процессами,
в которых обрабатывается вся поверхность пластин или подложек, в
большинстве процессов технологическому воздействию подвергается
не вся поверхность, а лишь ее отдельные локальные участки. Форма,
размеры и взаимное расположение этих участков на поверхности пластин (или подложек) соответствует топологическому чертежу для данной обработки (для данного топологического слоя).
Практическая реализация этого принципа осуществляется с помощью экранирования участков, которые не подлежат обработке, или с
помощью локализации самих средств обработки (рис. 3). В первом случае имеем дело с масочной технологией, во втором – с безмасочной.
11
Масочная технология основана на экранировании нужных участков
поверхности пластин (подложек) с помощью свободных или контактных масок. Свободные или, иначе, съемные маски применяются при
формировании тонко- и толстопленочных микросхем, элементов гибридных и пленочных ИМ. В толстопленочной технологии их по традиции
обычно называют трафаретами.
Свободная маска – пластина с отверстиями, конфигурации, размеры и взаимное расположение которых соответствуют топологическому
чертежу формируемого пленочного слоя. Свободные маски изготавливаются в самостоятельном технологическом процессе (вспомогательное производство) и являются технологическим инструментом многоразового использования. Их можно закреплять, приводя в контакт с поверхностью подложек, а после нанесения пленок снимать и затем снова
использовать. Толщина свободных масок около 80–100 мкм.
Контактные маски – универсальны, их можно применять в процессах изготовления любых микросхем, прецизионных свободных масок,
выводных рамок (лент) и др. Контактная маска в виде пленки с отверстиями предназначена для однократного использования.
Контактная маска изготавливается непосредственно на подложке или
пластине и удерживается на ее поверхности силами адгезионного сцепления. Толщина контактных масок – от десятых долей до единиц мик-
Масочная технология
Безмасочная технология
Метод свободной маски
Электронный луч
Метод контактной маски
Ионный луч
Лазерный луч
Рис. 3. Методы локализации технологических обработок
при изготовлении структур ИМ
12
рометра, что обеспечивает по сравнению со свободными масками большую точность при меньших размерах топологического рисунка.
Контактные маски позволяют формировать топологию и прямую, и
обратную относительно рисунка маски. В первом случае сначала наносят пленку, в которой необходимо получить рисунок, затем сверху формируют маску и через окна в маске лишние участки пленки удаляют
травлением. Во втором случае сначала формируют маску, затем сверху
наносят пленку. Топология в пленке формируется в процессе удаления
контактной маски.
Локальная обработка без использования масок может выполняться
остросфокусированными электронным, ионным или лазерным лучами,
включением, выключением и перемещением которых по заданной программе управляют с помощью ЭВМ.
Принцип послойного формирования элементов микросхем (принцип послойности): при изготовлении структур микросхем локальные обработки выполняют многократно, т. е. элементы формируют постепенно, как бы технологическими слоями. Например, при изготовлении биполярной ИМ, сегмент разреза кристалла которой показан на рис. 4, лоК
Б
Э
К
Б
Э
5
4
n+
n+
p
n+
n+
3
p
2
n
Si
n
1
p
Рис. 4. Фрагмент сечения структуры ИМ на биполярных транзисторах:
1 – первый технологический слой – формирование изолирующих переходов;
2 – второй технологический слой – формирование переходов “база-коллектор”;
3 – третий технологический слой – формирование переходов ”эмиттер-база” и
приконтактных n+ – областей; 4 – четвертый технологический слой – нанесение слоя металлизации; 5 – пятый технологический слой – получение топологии контактов, проводящих дорожек, контактных площадок
13
кальные обработки проводят пять раз. Роль контактной маски каждый
раз выполняет пленка диоксида кремния с окнами, соответствующими
топологии формируемого слоя. Число таких технологических обработок равно числу топологических чертежей на данную ИМ. При изготовлении тонкопленочных ИМ или пассивной части тонкопленочных ГИМ
элементы также формируют послойно – сначала резисторы, проводники, контактные площадки, нижние обкладки конденсаторов, затем диэлектрик конденсаторов и после этого верхние обкладки конденсаторов.
Послойно также формируют и толстопленочные структуры.
Необходимым условием при соблюдении принципа послойности является точное совмещение каждого последующего технологического
слоя с предыдущим.
На практике при масочной технологии совмещение слоев обеспечивается наличием комплекта совмещенных друг с другом свободных
масок либо комплекта совмещенных шаблонов, с помощью которых на
поверхности пластин или подложек формируют контактные маски. В
последнем случае рисунок каждого последующего слоя (шаблона) совмещается с рисунком предыдущего слоя (на пластине) с помощью
специальных меток совмещения.
14
3. ИЗГОТОВЛЕНИЕ И ОЧИСТКА ПЛАСТИН И
ПОДЛОЖЕК
3.1. Общие сведения
Требования к пластинам и подложкам. Технология современных
микросхем предъявляет жесткие требования к заготовкам под структуры микросхем, и особенно, к полупроводниковым пластинам. Эти требования относятся к электрофизическим характеристикам полупроводника, а также к геометрическим параметрам и качеству поверхности
пластин.
Электрофизические характеристики монокристаллических полупроводниковых пластин и их кристаллографическая ориентация должны
обеспечивать получение микросхем с заданными свойствами. Исходя
из этого, на этапе проектирования выбирают необходимую ориентацию
и марку полупроводникового материала, а в процессе изготовления пластин выполняют контроль кристаллографической ориентации и основных электрофизических параметров. В случае необходимости пластины классифицируют по значениям электрофизических параметров.
Основные геометрические параметры пластин: диаметр и толщина.
Диаметр пластин определяется размерами полупроводникового
слитка. Стандартными диаметрами наиболее распространенных полупроводников являются 60, 76 и 100 мм. На пластинах большего диаметра можно изготовить большее количество кристаллов микросхем
(табл.1).
Толщина пластин определяется не только их стойкостью к механическим нагрузкам при манипулировании в технологических процессах,
но и способностью сохранять форму. С увеличением диаметра без изменения толщины пластины при последующих термических обработках увеличиваются краевые сколы. У пластин большого диаметра поэтому необходимо увеличивать толщину, а это удорожает единицу площади пластин.
15
Таблица 1
Зависимость количества кристаллов от диаметра пластин
Количество кристаллов на пластине
Размер
кристалла, мм
Площадь
кристалла, мм2
диаметр, мм
толщина, мкм
76(450)
100(600)
1x1
1
4214
7598
2x2
4
1018
1846
4x4
16
236
434
6x6
36
95
184
Качество поверхности характеризуется глубиной механически нарушенного слоя, шероховатостью и качеством очистки от загрязнений.
Механически нарушенный слой состоит из трех частей (рис. 5):
наружный рельефный слой имеет хаотически расположенные выступы,
трещины, выколки; трещиноватый слой имеет одиночные невыкрошившиеся выколки и идущие вглубь микротрещины; деформированный слой
имеет скопления дислокаций, продолжения микротрещин и расположенные вокруг них зоны механических напряжений.
а
б
в
г
Рис. 5. Механически нарушенный слой поверхности пластины:
а – рельефный слой; б – трещиноватый слой; в – деформированный слой;
г – ненарушенная структура пластины.
16
l
y1
H1max
Линия выступов
H1min
Линия впадин
H5max
H5min
yn
Рис. 6 . Профиль шероховатой поверхности подложки
Шероховатость (рис. 6) может оцениваться средним арифметическим отклонением профиля Ra, т.е. средним арифметическим абсолютных значений отклонений профиля в пределах базовой длины l
Ra =
1
n
n
? yi
i =1
или высотой неровностей профиля Rz по десяти точкам:
5
?
1? 5
Rz = ? ? H i max ? ? H i min ? .
?
5 ?? i =1
i =1
?
В зависимости от значений параметров Ra и Rz качество обработки
поверхности оценивается соответствующим классом шероховатости.
Шероховатость поверхности пластин в большинстве случаев должна быть не ниже 13–14-го классов, что соответствует высоте микронеровностей от 0,100 до 0,025 мкм.
Качество очистки пластин оценивается: наличием механических и
химически связанных с поверхностью загрязнений; количеством адсорбированных атомов, ионов примеси, приходящихся на единицу площади
поверхности пластины, или числом монослоев адсорбированных примесных молекул. Идеально чистую поверхность в условиях производства микросхем получить нельзя, так как полностью защитить пластины от адсорбции примесей невозможно. Под чистой поверхностью подразумевают технологически чистую поверхность, которая имеет кон-
17
центрацию примесей, не препятствующую воспроизводимому получению заданных значений и стабильности параметров микросхем. Номинальные значения параметров пластин и допустимых отклонений регламентированы технической документацией для каждого конкретного случая.
Подложки гибридных и пленочных микросхем не являются составной частью элементов, они выполняют конструктивную роль поддерживающего пленочные и навесные элементы основания, а также
служат для электрической изоляции элементов и межэлементных соединений. Прежде всего, они должны обладать хорошими изоляционными и механическими свойствами. Подложки изготавливают из диэлектрических материалов с высоким удельным электросопротивлением,
низкими диэлектрической проницаемостью и тангенсом угла диэлектрических потерь, высокой электрической, а также механической прочностью. Для эффективной передачи тепла от элементов материал подложек должен иметь высокую теплопроводность. Необходимо, чтобы
материал подложек был совместим с материалами наносимых пленок.
Материалы считаются совместимыми, если в процессе технологических операций, при хранении и эксплуатации готовых микросхем они не
вступают в нежелательные взаимодействия друг с другом или с окружающей средой.
Материал подложек должен быть стойким к технологическим обработкам, необходимым для изготовления структур микросхем, не ухудшать качество проведения технологического процесса: не выделять газы
при нанесении пленок в вакууме, быть инертным к травителям, применяемым при формировании топологии и структур, термостойким и др.
Идеальных материалов, удовлетворяющих всем предъявляемым
требованиям, не существует. В наибольшей степени основным требованиям отвечают подложки из стекла, ситаллов, керамики, полиимида.
Основные недостатки подложек из стекла: низкие теплопроводность
и механическая прочность. Подложки из керамики имеют сравнительно большую шероховатость поверхности, к которой чувствительны параметры тонкопленочных резисторов, конденсаторов и межэлементных
соединений. Для тонкопленочных структур применяют в порядке возрастания мощности микросхем: стекла С41-1, С48-3, ситаллы и керамику
(поликор, бериллиевую). Высокоглиноземистую керамику 22ХС применяют только для толстопленочных структур, так как она имеет значи18
тельную шероховатость поверхности. Глазурование слоем безщелочного стекла для уменьшения шероховатости существенно уменьшает
теплопроводность керамики. Для толстопленочных структур применяют также поликор и бериллиевую керамику.
Гибкие подложки из полимера (полиимида) отличаются возможностью двухстороннего нанесения тонких пленок. Они способны принимать
различную форму при герметизации микросхем, имеют ряд других преимуществ. Перспективными считают металлодиэлектрические подложки. Для тонкопленочных структур: алюминиевая основа с покрытием из
оксида алюминия. Для толстопленочных структур: основа из жаростойких сталей 20Х13, 15Х25Т или титана с покрытием (50–1080 мкм) из
стекла системы BaO – MgO – B2O3 – SiO2. Такие подложки имеют
низкую стоимость, обладают хорошей теплопроводностью, устойчивостью к механическим и термическим воздействиям. Микросхемы, изготовленные на них, могут работать в условиях, которые неприемлемы
для других подложек.
Требования к геометрическим параметрам и качеству поверхности
диэлектрических подложек в принципе аналогичны требованиям к полупроводниковым пластинам и отличаются лишь значениями некоторых установленных норм и допусков. Габаритные размеры диэлектрических подложек стандартизованы, для большинства материалов они
составляют 48 Ч 60 мм, при толщине от 0,5 до 1,6 мм. На эти размеры
ориентировано технологическое оборудование и нормализованный ряд
типоразмеров плат микросхем. Непараллельность сторон не превышает 0,05 мм. Для тонкопленочных структур с толщиной пленок до 100 нм
допустимая высота микронеровностей Rz < 25 нм, что соответствует
14-му классу шероховатости поверхности. Подложки для толстопленочных структур могут иметь микронеровности высотой до 2 мкм, т. е.
класс шероховатости поверхности должен быть не ниже 8; подложки
размером более 60 Ч 48 мм не применяют из-за коробления при термообработке паст.
Особое место среди диэлектрических подложек занимают подложки из монокристаллического корунда, называемого сапфиром. Сапфир
обладает высокими изоляционными свойствами. На поверхности сапфира можно наращивать монокристаллические слои кремния и на полученных структурах кремний на сапфире (КНС) изготавливать микросхемы, отличающиеся хорошей изоляцией элементов друг от друга.
19
Механическая обработка полупроводниковых и диэлектрических материалов. Полупроводниковые материалы и монокристаллический диэлектрик сапфир поступают на механический производственный
участок в виде слитков; аморфные и другие диэлектрические материалы (стекло, ситалл, поликор, керамика) в виде листовых заготовок. Как
уже отмечалось, механическая обработка при изготовлении пластин и
подложек выполняется с помощью абразивов. Термин абразив от латинского abrasio (соскабливание) появился в 40-х годах нашего столетия.
Синтетические абразивные материалы, используемые в производстве микросхем: алмазы, карбид кремния, электрокорунд, окислы кремния, хрома, циркония, цеолиты.
Алмазы синтетические по механическим свойствам не уступают
природным. Алмаз – самый твердый из всех известных материалов.
Твердость алмаза по шкале Мооса равна 10. Среди абразивных материалов алмаз выделяют в особый класс.
Карбид кремния (карборунд SiC) в зависимости от количества примесей имеет различный цвет – от светло-зеленого до черного. В производстве наиболее часто применяется карбид кремния зеленый. Твердость карбида кремния по шкале Мооса равна 9,5–9,7.
Электрокорунд белый – кристаллический оксид алюминия Al2O3 с
различными примесями (0,5–1,5%). По твердости электрокорунд уступает карбиду кремния, но прочность электрокорунда выше. Твердость
по шкале Мооса равна 9–9,2.
Абразивные материалы используются в виде порошков. В зависимости от размеров зерен абразивные порошки делятся на четыре группы: шлифзерно, шлифпорошки, микропорошки и тонкие порошки. В производстве ИМ применяются порошки трех последних групп. Алмазные
порошки по размеру зерен делятся на шлифзерно и микропорошки, в
производстве ИМ применяются микропорошки.
В обозначение абразивного или алмазного порошка входит марка
материала и номер зернистости. Например, ЭБМ14 электрокорунд белый, микропорошок с размером зерна основной фракции от 14 до 10
мкм; АСМ10/7 – алмаз синтетический, микропорошок с размером зерна основной фракции от 10 до 7 мкм.
Сущность абразивной обработки заключается в механическом воздействии более твердого и менее хрупкого абразива на менее твердый
и более хрупкий материал. Абразивные порошки используются в свободном и связанном виде.
20
Обработка свободным абразивом, т. е. абразивным порошком в
составе суспензии или пасты, выполняется с помощью режущих дисков, полотен, шлифовальных кругов, которые при движении с большой
скоростью сообщают зернам абразива энергию. Последние, ударяясь о
поверхность обрабатываемого материала, производят локальные микроразрушения. Выкрошившиеся частицы удаляются из зоны обработки
жидкой частью суспензии.
Обработка связанным абразивом производится инструментом (диском, кругом) с закрепленными на его рабочей части с помощью специальной связки зернами абразива, главным образом алмаза. Стойкость
дисков и кругов зависит от их габаритных размеров, типа алмазного
порошка, его концентрации и режимов обработки. Связка, закрепляющая алмазные зерна на режущей части, должна обеспечивать самозатачивание инструментов, т. е. она должна удерживать алмазные зерна и
в то же время не мешать удалению из алмазосодержащего слоя затупившихся зерен. Для удаления частиц разрушенного материала при обработке связанным абразивом применяют специальные смазывающеохлаждающие жидкости, состоящие из воды, поверхностно-активного
вещества, смазывающего вещества и замедлителя коррозии металлических деталей оборудования.Загрязнения на поверхности пластин и
подложек удерживаются вследствие адсорбции.
Физическая адсорбция – результат межмолекулярного (силы Вандер-Ваальса) и электростатического кулоновского взаимодействия.
Адсорбированные частицы, совершая тепловые движения, могут преодолеть силы связи и оторваться (десорбция) от поверхности, т. е. физическая адсорбция процесс обратимый. Физически адсорбированные
загрязнения располагаются на поверхности в несколько слоев и сравнительно легко удаляются чистым растворителем, отжигом (испарением)
в вакууме.
Химическая адсорбция – необратимый процесс, так как между загрязнениями и поверхностью образуются прочные химические связи.
Загрязнения закрепляются только одним слоем (монослой), удаление
их более сложно.
Источники загрязнений – не только операторы, воздух производственных помещений, оснастка, технологическое оборудование, но и сами
технологические обработки. Этим объясняется многократность операций очистки. Степень и состав загрязнений различны при разных об21
работках, также различны требования к чистоте поверхности перед проведением каждой операции.
На поверхности пластин и подложек одновременно могут присутствовать многие виды загрязнений. Наиболее трудноудалимыми являются органические и некоторые химически связанные с поверхностью
загрязнения. Из физических загрязнений наиболее трудно удаляются
мелкие зерна абразива, внедренные в поверхностный слой. Из растворимых в воде полярных загрязнений сложно удаляются подвижные ионы
металлов, изменяющие электропроводность поверхности, вызывающие
дрейф тока и появление инверсионных полупроводниковых слоев и тем
самым оказывающие вредное влияние на стабильность параметров ИМ.
В соответствии с применяемыми средствами очистку делят на жидкостную и сухую.
Жидкостная очистка выполняется органическими растворителями; разнообразными составами, содержащими щелочи, кислоты, пероксид, и другие реактивы, а также водой. Подобрать жидкое средство,
одновременно удаляющее все возможные поверхностные загрязнения,
весьма сложно, поэтому жидкостная очистка включает ряд последовательных операций. Нерастворимые в воде органические жировые загрязнения делают поверхность гидрофобной, т. е. плохо смачиваемой
водой и большинством растворов. Для равномерной очистки поверхность подложек (пластин) необходимо перевести в гидрофильное, т. е.
хорошо смачиваемое водой, состояние. Операция удаления жировых
загрязнений, сопровождаемая переводом поверхности из гидрофобного
состояния в гидрофильное, называется обезжириванием.
Обезжиривание – первая операция при жидкостной очистке.
Сухая очистка применяется на этапе формирования элементов и
межэлементных соединений микросхем и, как правило, выполняется
непосредственно перед проведением ответственных технологических
процессов (напыление пленок, литография) или совмещена, т. е. проводится в одном оборудовании, с последующей обработкой (например, с
получением термического оксида, с эпитаксиальным наращиванием
полупроводниковых слоев).
Методы сухой очистки исключают необходимость применения дорогостоящих и опасных в работе жидких реактивов, а также проблемы
межоперационного хранения пластин и подложек и очистки сточных вод,
которые являются немаловажными при использовании жидких средств
22
очистки. Кроме того, процессы сухой очистки более управляемы и легче поддаются автоматизации.
С точки зрения механизма процессов все методы очистки можно
условно разделить на физические и химические.
При физических методах загрязнения удаляются простым растворением, отжигом, обработкой поверхности ускоренными до больших
энергий ионами инертных газов. В тех случаях, когда загрязнения нельзя
удалить физическими методами, применяют химические методы, при
которых загрязнения удаляют их замещением, легко удаляемыми веществами, переводом в легко растворимые комплексные соединения
или травлением пластин (подложек). Травление сопровождается удалением поверхностного слоя вместе с имеющимися на поверхности загрязнениями.
В технологии микросхем травление не всегда имеет целью очистку.
Оно применяется для размерной обработки, удаления слоя с нарушенной механическими обработками структуры, локального удаления слоев различных материалов при формировании топологии микросхем, выявления поверхностных дефектов полупроводников и др.
3.2. Маршруты изготовления пластин и подложек
Маршрут изготовления пластин кремния. Перечислим операции
маршрутного технологического процесса и отметим назначение некоторых из них.
1. Травление слитка проводится для очистки поверхности и выявления дефектов. Калибровка выполняется для придания слитку строго
цилиндрической формы с диаметром, равным диаметру стандартных
пластин, на которые рассчитано применяемое в производстве оборудование. Травление слитка необходимо для удаления слоя с нарушенной в
процессе калибровки структурой кристалла.
2. Ориентация торца слитка – определение разориентации (угла отклонения) плоскости торца слитка от главной кристаллографической
плоскости. Это необходимо, чтобы перед резкой на пластины слиток
закрепить в станке относительно режущего инструмента с учетом этой
разориентации. Тогда поверхности всех отрезаемых пластин будут одинаково ориентированы, т. е. исключится или сведется к минимуму разброс параметров микросхем, связанный с анизотропией свойств полупроводника.
23
3. Ориентация направления базового среза необходима для одинаковой ориентации пластин в технологических установках.
4. Получение дополнительных срезов необходимо для выполнения сортировки пластин в случае, если их случайно перемешают.
5. Наклеивание слитка для закрепления в станке резки.
6. Резка слитка на пластины.
7. Очистка пластин для удаления загрязнений на предыдущих операциях.
8. Шлифование пластин для уменьшения разброса значений толщины, улучшения плоскостности и параллельности сторон пластин,
уменьшения шероховатости их поверхности.
9. Очистка пластин от загрязнений.
10. Снятие фаски с периферийной части поверхности пластин
уменьшает вероятность образования сколов, трещин, а в дальнейших высокотемпературных процессах формирования структур, появления дислокаций и механических напряжений, которые приводят к
увеличению плотности дефектов, снижению процента выхода годных,
а иногда и к разрушению пластин.
11. Травление пластин для удаления механически нарушенного поверхностного слоя и очистка пластин.
12. Полирование пластин – операция доводки после шлифования и
снятия фаски, выполняется для улучшения точности и качества обработки поверхности, для получения зеркально-гладкой поверхности
с классом шероховатости 14 и выше. Слово полирование происходит
от латинского polio – делаю гладким.
13. Очистка поверхности пластин, сушка.
14. Контроль пластин на соответствие геометрических, электрофизических параметров и качества поверхности установленным нормам.
15. Упаковка пластин в тару для хранения, транспортировки в цех
изготовления структур микросхем.
Весь маршрут технологии изготовления пластин кремния можно
условно разделить на три этапа: подготовка слитков к механической
обработке и резка на пластины, предварительная обработка пластин
(шлифование), окончательная обработка пластин (полирование). Каждый из этих этапов заканчивается контролем пластин.
Маршрут изготовления подложек из стекла, ситалла, керамики. Напомним, что стекла являются аморфными веществами.
24
Ситаллы – стеклокристаллические материалы с высокой, в отличие
от стекол, механической прочностью и теплопроводностью, химически стойкие к щелочам и кислотам. В составе керамики присутствуют кристаллическая, стекловидная и газовая фазы (газы в закрытых
порах). Все эти материалы соответственно их структуре не нуждаются в кристаллографической ориентации. Кроме того, число механических обработок в технологических маршрутах изготовления подложек меньше, чем при изготовлении полупроводниковых или сапфировых пластин, так как исходным материалом являются не слитки, а
листовые заготовки. Процесс изготовления подложек упрощается еще
и тем, что для них нет необходимости получать фаску на торцах.
Рассмотрим основные операции технологического процесса и их
назначение.
1. Одностороннее шлифование без приклеивания выполняется для
удаления основного припуска ситалловых заготовок и получения на
данном этапе образцов заданных толщины и плоскостности.
2. Склеивание заготовок в пакет для групповой обработки на следующей операции.
3. Шлифование торцов заготовок выполняется для получения подложек заданных габаритных размеров с прямоугольным профилем
периферии.
4. Расклеивание пакета.
5. Контроль габаритных размеров подложек.
6. Наклеивание подложек нерабочей стороной на диски-спутники
для последующих операций шлифования и полирования.
7. Шлифование выполняется для улучшения класса шероховатости поверхности и геометрии подложек.
8. Полирование выполняется для доведения рабочей поверхности
подложек до заданного класса шероховатости.
9. Отклеивание подложек.
10. Очистка поверхности подложек для удаления загрязнений в
процессах механических обработок.
11. Контроль готовых подложек на соответствие геометрических
(длина, ширина, толщина подложек, неперпендикулярность торцев),
электрофизических параметров и качества поверхности (шероховатость рабочей и обратной сторон, соответствие образцам внешнего
вида по наличию трещин, сколов, царапин, раковин, пятен, пор, каче25
ство очистки от следов абразивной суспензии, клеящего состава,
влаги и других загрязнений) установленным нормам.
12. Упаковка подложек в папиросную или конденсаторную бумагу
поштучно и затем пачками. Пачки подложек ставят на ребро в коробку, выложенную ватой или эластичным материалом.
3.3. Электронная гигиена
Соблюдение электронной гигиены – один из основных моментов обеспечения надежности технологических процессов и качества микросхем.
Электронная гигиена – система способов, средств и условий, исключающих или уменьшающих загрязнения микросхем на всех стадиях их
изготовления.
Электронная гигиена регламентирует: проектирование технологий,
исключающих или уменьшающих загрязнения обрабатываемых объектов; обеспечение в производственных помещениях чистой воздушной
атмосферы; применение в технологических процессах чистых и сверхчистых газовых и жидких сред; содержание производственных помещений и оборудования в чистоте; личную гигиену обслуживающего персонала.
Чистота воздушной среды характеризуется наличием пыли, влаги,
посторонних газов.
Запыленность воздушной среды существенно ухудшает качество
и снижает процент выхода годных микросхем (особенно микросхем
высокой степени интеграции). Механические частицы приводят к царапинам, разрывам межэлементных соединений, электрическим закороткам элементов, ухудшают адгезию пленок, являются причиной трещин,
сквозных пор, неравномерной толщины пленок и т. п.
Если размеры элементов микрохемы близки к размерам пылинок, а
количество элементов велико, то запыленность воздуха оценивают количеством пылинок в единице объема воздуха. В соответствии с установленным стандартом запыленность воздушной среды производственных помещений предприятий микроэлектроники оценивают количеством
частиц размером не менее 0,5 мкм в одном литре воздуха. В соответствии с этим производственные помещения делятся на 8 классов чистоты (табл. 2).
26
Таблица 2
Разделение производственных помещений или рабочих объемов
по запыленности воздушной cреды
Класс
чистоты
Максимальное число частиц
размером > 0,5 мкм в 1 л воздуха
Вид рабочего объема
или помещения
1
0
Пылезащитные камеры
2
5
То же
3
35
4
350
–"–
Чистые комнаты
5
1000
То же
6
3500
Чистые помещения
7
10 0 0 0
Зона обслуживания
8
35000
То же
Запыленность воздушной среды уменьшается: 1) исключением попадания микрочастиц пыли в производственное помещение (размещение предприятий вдали от крупных промышленных городов в зеленых
зонах; обеспечение герметичности помещений и рабочих объемов оборудования; избыточное давление в помещениях и в рабочих объемах;
многоступенчатая фильтрация поступающего в помещение воздуха;
контроль входа и выхода); 2) исключением появления микрочастиц (использование в конструкциях и в отделке промышленных зданий и помещений износостойких и пылеотталкивающих материалов; скрытые проводки; применение устройств и одежды, не образующих и не притягивающих пыли; местная вентиляция для операций с выделением пылевых
частиц; соблюдение работающими правил электронной гигиены); 3) удалением микрочастиц (применение высокоэффективных систем вентиляции и кондиционирования воздуха, уборка помещений, оборудования,
постоянная и периодическая очистка оснастки, внутренних стенок и устройств рабочих камер промышленных установок).
Температура и влажность воздушной среды оказывают значительное влияние на качество и воспроизводимость технологических процессов. Колебания температуры изменяют линейные размеры оснастки и
обрабатываемых объектов, скорости химических реакций, скорости
испарения применяемых материалов, показания контрольно-измеритель27
ных приборов, параметры структур и готовых ИМ. Именно поэтому для
каждой чувствительной к колебаниям температуры технологической
операции устанавливаются нормы допусков на отклонения от оптимальной температуры воздушной среды. Например, для получения топологического рисунка с шириной линии 1 мкм и менее необходимо поддерживать температуру с точностью + 0,1о С.
Влажная среда нежелательна при проведении практически всех технологических операций. Адсорбируясь на различных поверхностях, влага
и растворенные в ней вещества приводят к образованию нежелательных окислов и труднорастворимых соединений. При термических обработках на таких поверхностях могут образоваться неровности (эрозия),
приводящие к ухудшению параметров. Влажность воздуха производственных помещений поддерживают минимальной, но не ниже санитарной нормы для работающих.
В соответствии с требованиями к условиям производства ИМ помещения разделяют на три категории, нормы температуры и относительной влажности для которых приведены в табл. 3.
Таблица 3
Разделение производственных помещений по температурновлажностным параметрам воздушной среды
Температура, оС
Категория
микроклимата
летом
зимой
Относительная
влажность, %
I
2 2 ± 0 ,5
22 ± 0,5
45 ± 5
II
20 ± 1
23 ± 1
50 ± 5
III
20 ± 2
23 ± 2
50 ± 10
Чистые помещения, комнаты и локальные объемы позволяют
проводить прецизионные техпроцессы. Для успешного проведения всего технологического процесса в одном производственном помещении
параметры воздушной среды должны поддерживаться на уровне, требуемом для выполнения самой чувствительной к этим параметрам операции. Обеспечение высокого качества среды всего производственного помещения связано с большими экономическими затратами. Технологический процесс поэтому делят на группы операций, требующих близких значений параметров воздушной среды. В соответствии с этим
28
производство делят на ряд технологических участков, занимающих отдельные помещения.
Ответственные операции выполняют в чистых комнатах, помещениях ограниченного объема с классами чистоты 4 и 5, удовлетворяющих
требованиям по температурно-влажностным и другим параметрам.
Классы чистоты 4 и 5 получают в чистых помещениях – производственных помещениях класса чистоты 6, предназначенных для размещения
группы чистых комнат. Более высокие классы чистоты получают в локальных рабочих объемах (пылезащитных кабинах и пылезащитных
камерах), служащих для выполнения прецизионных процессов. Пылезащитные кабины предназначены для размещения технологического оборудования, обрабатываемых объектов и оператора, когда нет выделений загрязняющих веществ. Пылезащитные камеры отвечают более
жестким требованиям, они предназначены для обеспыливания оборудования и обрабатываемых объектов и предотвращения выноса загрязняющих веществ из камеры в зону дыхания оператора. Допустимые
колебания температуры в них не более ±0,2 оС.
К локальным рабочим объемам относятся также химические скафандры для прецизионных операций, в процессе проведения которых
выделяются загрязняющие вещества. Герметизация таких скафандров
снижает производительность труда из-за неудобства работы в перчаточных выводах; использование отсекающей воздушной завесы перед
открытым рабочим проемом решает проблему защиты оператора от
вредных выделений, не снижая производительность выполнения операции. Чистота воздушной среды в локальных рабочих объемах достигается за счет непрерывной подачи потока очищенного воздуха.
Модульные чистые комнаты являются наиболее прогрессивными.
Модульные комнаты, дифференцированные по классам чистоты, составляются из стандартных элементов: фильтрующий потолок, фильтрующие стены, перфорированный пол, двери, клапаны для удаления дыма,
фильтрующие блоки и др. В свою очередь, вариантные сочетания разных чистых комнат, связанных между собой чистым проходным коридором и чередующихся с зонами обслуживания, позволяют получать
чистые помещения различных планировок. Чистые помещения модульного типа отличаются гибкостью изменения планировок в соответствии
с необходимым изменением технологии.
Чистота воды является одним из факторов, влияющих на качество
проведения технологических процессов. В производстве микросхем вода
29
применяется в больших количествах для составления различных растворов, промывок, а также в качестве реагента и защитной среды.
Природная вода содержит большое количество механических частиц
(гидрозолей), растворенных минеральных солей, примесей меди, серебра, золота, бактерий и т. п. В производстве ИМ применяют воду, очищенную от загрязнений. Показателем степени чистоты воды является
ее удельное сопротивление. Сопротивление воды сильно зависит от температуры, поэтому принято указывать значение удельного сопротивления при 20 оС. Собственное удельное сопротивление идеально чистой
воды равно 25 МОм?см.
В производстве микросхем различают первую, вторую и третью степень чистоты воды, которым соответствуют значения удельного сопротивления 18, 10 и 1 МОм?см (вода марок А, Б и В соответственно).
Кроме удельного сопротивления, определяют содержание в воде
кремниевой кислоты, микрочастиц, микроорганизмов, меди, железа и т.
п. Для производства микросхем воду подвергают предварительной, окончательной и финишной очистке.
Предварительную очистку воды от взвешенных и коллоидно-растворенных частиц выполняют методами дистилляции, сорбции с помощью специальных фильтров, реагентной коагуляции, электрокоагуляции и др. Предварительно очищенная вода имеет растворимые соли и
другие примеси.
Для окончательной очистки воды от растворимых веществ в настоящее время применяют очистку ионно-обменными смолами (деионизацию) и метод обратного осмоса. Финишную очистку выполняют
непосредственно на рабочем месте перед использованием воды.
Чистота оборудования, помещения и личная гигиена работающих – важнейшая составная часть электронной гигиены. Необходимость
уменьшения загрязнений от оборудования учитывается, начиная с его
проектирования (выбор материалов, конструкций, рельефа поверхностей и др.) и кончая регламентацией очистки внешних и внутренних частей оборудования. В чистых комнатах для сохранения ламинарности и,
следовательно, чистоты потока воздуха оборудование размещается так,
чтобы расстояния между рабочими местами были не менее 1–1,2 м, а
расстояния от стен до оборудования – не менее 0,5–0,8 м. Для уменьшения влияния тепла, выделяемого оборудованием, на конвективный
перенос частиц пыли оборудование встраивается в стенные панели.
30
Такая расстановка позволяет проводить профилактическую очистку обоП
рудования извне чистой комнаты.
35%
В воздухе чистых комнат имеютТП
ся частицы размерами от сотых до не25%
скольких десятых долей микрометра,
7% В
которые не улавливаются фильтрами
Г
установок очистки и не контролируютО
8%
ся при анализе запыленности. Эти ча25%
стицы могут оседать и накапливаться в помещении. Для их удаления неРис. 7. Основные источники
обходима периодическая влажная
микрочастиц пыли: П – обслуживауборка, иногда с добавлением 5% глиющий персонал; ТП – технологицерина, чтобы пыль не срывалась с ческий процесс; О – оборудование,
поверхностей.
остнастка, средства автоматизации;
Вода для влажной уборки полов, Г – газы и химикаты; В – воздушная среда
стен, потолков должна быть чистой,
лучше деионизированной с удельным сопротивлением не менее 0,5
МОм?см.
Как видно из рис. 7, основным источником микрочастиц пыли является работающий персонал. Полное управление состоянием воздушной
среды в производственных помещениях, необходимое для прецизионной технологии производства микросхем, возможно лишь при условии
создания полностью автоматизированных линий с заменой человека
роботом. Однако по мнению специалистов, сейчас только около 40%
производственных процессов могут быть роботизированы, и в ближайшие годы не удастся полностью исключить человека из производства.
Именно поэтому обслуживающий персонал должен соблюдать правила
личной электронной гигиены.
Источниками загрязнений от работающего персонала являются, главным образом, кожа человека и одежда. Через кожу человека выделяются пары воды, солей, жира и других веществ. В результате постоянного обновления верхнего покрова кожи происходит отслаивание отживших частиц. В зависимости от вида деятельности число частиц пыли,
отделяемой от одежды человека, может меняться в широких пределах.
По этим причинам работы в чистых комнатах ведутся в специальной рабочей одежде, изготовленной из материала с минимальным пы31
левыделением. Прежде чем попасть в чистое помещение, работники
проходят промежуточное помещение, гардеробные, обдувочные шлюзы. На предприятиях микроэлектроники также проводится постоянный
контроль условий труда.
Службы электронной гигиены, охраны труда, окружающей среды и
противопожарной безопасности осуществляют контроль выполнения
действующих инструкций и состояния условий труда в подразделениях
предприятия и на каждом рабочем месте. Строгое соблюдение всех
правил и выполнение работ в соответствии с указаниями НТД обеспечивает четкую технологическую дисциплину при изготовлении микросхем и способствует качественному выполнению всех технологических процессов.
3.4. Жидкостная очистка поверхности пластин
Физическая очистка. При очистке в первую очередь необходимо
удалить молекулярные органические и химически связанные с поверхностью загрязнения, а затем остаточные ионные и атомарные. При физической жидкостной очистке происходит десорбция адсорбированных
поверхностью загрязнений без изменения их состава, т. е. без химических реакций, путем простого растворения. Поскольку возможно обратное загрязнение поверхности из очищаемой жидкости, необходимо следовать принципу ее непрерывного обновления (освежения).
Обезжиривание (отмывка). В органических растворителях (толуоле, четыреххлористом углероде, дихлорэтане, спиртах: этиловом, метиловом, изопропиловом и др.) применяется для удаления с поверхности пластин (подложек) жиров животного и растительного происхождения, минеральных масел, смазок, воска, парафина и других органических и механических загрязнений.
Десорбция молекул жира с обрабатываемой поверхности происходит в результате их собственных колебательных движений и притяжения со стороны молекул растворителя. Если силы связи с поверхностью
меньше сил притяжения молекулами растворителя, частицы жира отрываются от поверхности и благодаря диффузии распространяются по
объему обрабатывающей жидкости.
Обезжиривание в органических растворителях наиболее часто выполняют погружением, в парах, с помощью ультразвука, струйной обработкой.
32
Отмывка водой. Применяется для очистки от остатков полярных
растворителей после обезжиривания, от остатков травителей, флюсов,
кислот, щелочей, солей и других загрязнений. Так же как и в органических растворителях, отмывка в воде сопровождается растворением загрязнений или механическим смыванием пылинок, ворсинок и других
частиц. Отмывку выполняют в подогретой до 50–60 о С деионизированной воде. При меньших температурах отмывка недостаточно эффективна, при больших температурах возможно закрепление на обрабатываемой поверхности остатков некоторых загрязнений, например остатков щелочных растворов в результате гидролиза щелочных солей. После отмывки в подогретой воде пластины (подложки) отмывают в холодной воде, чтобы на поверхности не остались следы перешедших в
воду загрязнений, что имеет место при быстром испарении воды (когда
пластины подогреты). Отмывку в воде выполняют погружением, в протоке в многокаскадных ваннах, струей, гидромеханическим способом,
в УЗ-ваннах.
Химическая очистка. Этот вид обработки предусматривает разрушение загрязнений или поверхностного слоя очишаемого объекта в результате химических реакций.
Химическое обезжиривание. Выполняют в составах, разрушающих
молекулы жира, но не действующих на обрабатываемый материал. В
раствор переходят продукты реакции, поэтому обратное загрязнение
молекулами жира практически отсутствует.
Обезжиривание в растворах моющих порошков. В процессе обезжиривания такими растворами омыляемые жиры переводятся в мыло,
представляющее собой растворимые в воде соли, которые удаляются
последующей отмывкой в воде. К омыляемым жирам относятся все
растительные и животные жиры, которые представляют собой сложные эфиры глицерина и высокомолекулярных органических кислот (стеариновой, олеиновой, пальмитиновой и др.).
Обезжиривание в щелочах. Сопровождается химической реакцией
омыления. Неомыляемые жиры при этом не разлагаются, но могут образовывать эмульсии, особенно при введении в щелочь поверхностноактивных веществ. Эмульсии удерживают загрязнения в моющем растворе, предотвращая их обратное попадание на очищаемую поверхность.
Отмывка в кислотах. Применяется для очистки поверхности от
атомов и ионов металлов, от жировых загрязнений, а также от оксидов,
33
нитридов, сульфидов и других химических соединений. Удаление ионов
металлов сопровождается их вытеснением ионами водорода. Для удаления атомов металлов применяют кислоты, растворяющие эти металлы.
Травление обычно проводится после обезжиривания, так как только
в этом случае травитель хорошо смачивает всю поверхность пластин, и
верхний слой удаляется равномерно.
Процесс травления можно разбить на пять стадий: диффузия реагентов к обрабатываемой поверхности, их адсорбция поверхностью, химическое взаимодействие их с обрабатываемым материалом, десорбция
продуктов химических реакций, диффузия их от поверхности.
3.5. Сухая очистка и травление
Методы сухой очистки, за исключением отжига, начали применяться сравнительно недавно. Их появление стимулировалось не только проблемами исключения загрязнений, но и главным образом необходимостью прецизионного локального травления через контактные маски при
формировании топологии микросхем.
Термообработка (отжиг). Термообработка применяется для удаления адсорбированных поверхностью примесей, разложения поверхностных загрязнений и испарения летучих соединений. Как правило, отжиг проводится в вакуумных и термических установках непосредственно
перед процессами оксидирования, эпитаксии и др. Например, при выращивании на кремнии маскирующих пленок газы и влага удаляются с
поверхности по мере нагревания пластин до температуры оксидирования. При отжиге полупроводниковых пластин в вакууме с их оксидированной поверхности уже при температуре 400 о С легко десорбируются
влага, углекислый газ, легкие углеводороды. Оксидные пленки с поверхности кремния в вакууме удаляются при температурах выше 900 о С.
Ионное травление. Ионное травление – процесс удаления распылением слоя вещества с находящимися на его поверхности загрязнениями
и адсорбированными газами. Травление выполняют в вакуумных установках путем бомбардировки пластин или подложек (часто в данном
случае называемых мишенями) ускоренными положительными ионами
инертных газов.
Контроль качества очистки. Существует много методов количественного и качественного контроля загрязнений поверхности. Большинство из них применяется в лабораторных условиях при отработке тех34
нологии. Для оценки качества очистки в промышленном производстве
наиболее широко применяются легко выполнимые и не требующие сложного оборудования методы.
Метод светящихся точек. Основан на использовании явления рассеяния света на находящихся на контролируемой поверхности механических загрязнениях, островках оксидов, конгломератных образованиях, а также на дефектах (выколах, царапинах). Конгломератные образования возникают в результате коагуляции кремниевой кислоты под действием ионов металла Nа +, Аg +, Са +, Ва +, Zn + или ряда органических загрязнений. Наличие кремниевой кислоты объясняется тем, что
на чистой поверхности кремния всегда имеются собственные оксидные слои и адсорбированная влага.
Контроль состоит в наблюдении поверхности пластин в темном поле
оптического микроскопа (МБИ-11, ММУ-3) и подсчете числа светящихся точек. Косое освещение исключает попадание в поле зрения наблюдателя отраженных от чистой поверхности пластин лучей. Количество светящихся точек в поле зрения при определенном увеличении
микроскопа является критерием оценки качества очистки.
Метод капли, или измерения краевого угла смачивания. Основан
на способности воды смачивать поверхности чистых или загрязненных
высокополярными веществами пластин или подложек и не смачивать
поверхность, загрязненную жирами.
На поверхность пластины с помощью дозирующего устройства наносится капля воды или часового масла. С помощью оптической системы установки УКУС-1 увеличенное изображение капли проецируется
на экран, где и измеряется линейкой с отсчетом в градусах краевой
угол смачивания поверхности. Для чистых поверхностей пластин и подложек краевой угол смачивания маслом не должен превышать 1–3о.
35
4. МЕТОДЫ ФОРМИРОВАНИЯ
ТОПОЛОГИИ МИКРОСХЕМ
4.1. Общие сведения
Применение литографии. Внедрение литографии в полупроводниковое производство в 1957 г. определило дальнейшее развитие элементной базы электроники и позволило перейти от дискретных элементов к
интегральным.
В настоящее время области применения литографии существенно
расширились. В производстве современных микросхем литография самый универсальный технологических процесс. Она позволяет воспроизводимо и с большой точностью выполнять сложные рисунки с размерами элементов до одного и менее микрометра в разнообразных материалах. Литография применяется при изготовлении полупроводниковых
и пленочных структур, для получения всевозможных канавок и углублений в полупроводниковых и других материалах. С ее помощью изготавливают шаблоны – инструменты для проведения самого процесса
литографии, получают сквозные отверстия в фольге при изготовлении
прецизионных свободных масок, выводных рамок или лент, применяемых для автоматизированной сборки и герметизации ИМ. С помощью
литографии можно разделять пластины или подложки с готовыми структурами на отдельные кристаллы или платы, изготавливать прецизионные детали, создавать точные шкалы и т. д.
Основное назначение литографии при изготовлении структур микросхем – получение на поверхности пластин (или подложек) контактных
масок с окнами, соответствующими топологии формируемых технологических слоев, и дальнейшая передача топологии (рисунка) с маски на
материал данного слоя.
Сущность процессов литографии. Литография представляет собой сложный технологический процесс, основанный на использовании
явлений, происходящих в актинорезистах при актиничном облучении.
36
Актинорезисты, на практике называемые просто резистами, представляют собой материалы, чувствительные к излучению определенной длины волны (к актиничному излучению), и стойкие (резист –
сопротивляться) к технологическим воздействиям, применяемым в
процессе литографии. Под действием излучения происходящие в резистах процессы необратимо меняют их стойкость к специальным
составам-проявителям. Резисты, растворимость которых в проявителе увеличивается после облучения, называются позитивными.
Негативные резисты после облучения становятся практически нерастворимыми в проявителе.
Локальное облучение (экспонирование) осуществляется либо теневым способом, т. е. экранированием нужных участков непрозрачными для излучения участками шаблонов, либо локализацией самого излучения с помощью, например, оптического проецирования изображения. После одинакового экспонирования слоев позитивных и негативных резистов при проявлении получают резистивные маски с
противоположными, позитивным и негативным по отношению к характеру локального облучения, рисунками (рис. 8). Окнам маски из
позитивного резиста соответствуют облученные участки; в маске
из негативного резиста окна образуются на необлученных участках.
Контактные резистивные маски формируются в результате чувствительности резистов к актиничному излучению. Для дальнейшей передачи топологического рисунка с маски на материал технологического слоя необходима стойкость маски к последующим технологическим обработкам.
1
2
3
а)
4
б)
4
Рис. 8. Получение контактных резистивных масок с помощью позитивных (а)
и негативных (б) резистов: 1 – актиничное излучение; 2 – слой резиста;
3 – подложка; 4 – резистивная маска
37
Этапы и основные операции литографического процесса. Процесс литографии можно разделить на три этапа, каждый из которых включает ряд операций (рис. 9).
1. Подготовка
поверхности
2. Нанесение
резиста
3.Термообработка
I
4.Совмещение и
экспонирование
5. Проявление
резиста
6. Вторая
термообработка
II
7,а. Удаление материала
микросхемы
7,б. Нанесение материала
микросхемы
III
8. Удаление резистивной маски
Рис. 9. Этапы ( I, II, III) и операции (1–8) литографического процесса: I –
формирование слоя резиста; II – передача рисунка на слой резиста; III –
передача рисунка на материал ИМ
Формирование слоя резиста: подготовка поверхности подложек, нанесение слоя резиста, термообработка (1-я сушка) слоя.
Формирование резистивной контактной маски: передача топологического рисунка на слой резиста – совмещение и экспонирование,
проявление, термообработка (2-я сушка).
Передача топологического рисунка с маски на материал формируемого слоя структуры ИМ: удаление материала (травление) или
нанесение материала (например, пленки металла), удаление резистивной маски.
Как видно из рис. 9 и дополняющего его рис. 10, передача рисунка с
резистивной маски может выполняться двумя способами.
При прямой литографии (рис. 10,а) пленка, в которой формируется
рисунок, нанесена на подложку до формирования слоя резиста. Передача рисунка на пленку осуществляется травлением. Рисунок, получаемый в пленке, соответствует рисунку маски.
38
При обратной литографии пленка, в которой необходимо получить
рисунок, наносится поверх уже сформированной резистивной маски.
Часть пленки, как показано на рис. 10,б, удаляется вместе с маской
(«взрывная» литография), и на подложке остается требуемый рисунок
пленки. Для «взрывной» литографии необходимо обеспечить соответствующую (с отрицательным наклоном) форму боковых стенок окон
маски и сравнительно с пленкой толстый слой резиста. Наряду с «взрывной», разновидностью обратной литографии является способ, при котором пленка электролитически осаждается только в окна маски, с высокой точностью воспроизводя ее рисунок. При обратной литографии рисунок, передаваемый на пленку, противоположен рисунку резистивной
маски. Преимуществом обратной литографии является возможность
обойтись без травления.
а)
б)
в)
1
Подложка
2
Подложка
Подложка
Проводящая
пленка
Электролитически
осажденная
пленка
3
Рис. 10. Литография прямая (а), обратная “взрывная” (б) и обратная с электролитическим осаждением пленки (в): 1 – формирование резистивной маски;
2 – передача с рисунка с маски на слой SiO2 при прямой литографии (а),
нанесение пленки в окна и поверх маски (б) или в окна (в);
3 – удаление резистивной маски
Классификация методов литографии. В зависимости от типа применяемого излучения различают оптическую, рентгеновскую, электронную и ионную литографии (рис. 11).
Оптическая литография (фотолитография), стандартная или в
глубокой ультрафиолетовой области, в соответствии со способом экспонирования может быть контактной или бесконтактной (на микрозазоре и проекционная).
39
Литография
Оптическая
Стандартная
Рентгеновская
Электронная
?= 0,1 – 10 нм
?= 0,1 нм
В глубоком УФ
Ионно-лучевая
Сканирующая
Проекционная
На микрозазоре
Проекционная
?=310 – 450 нм ?= 200 – 300 нм
Контактная
Бесконтактная
Рис. 11. Классификация литографических процессов
Электронная литография может выполняться путем последовательной передачи топологического рисунка на слой резиста сфокусированным электронным лучом или путем одновременной проекции всего
рисунка. То же можно сказать и об ионной литографии.
4.2. Оптическая литография (фотолитография)
Стандартная фотолитография. Для стандартной фотолитографии
применяют фоторезисты, чувствительные к ультрафиолетовому (УФ)
излучению с длиной волны от 310 до 450 нм.
Фоторезисты представляют собой сложные полимерные композиции, в составе которых имеются фоточувствительные и пленкообразующие компоненты, растворители и специальные добавки. Последние
вводят для улучшения условий пленкообразования (разбавители), изменения фоточувствительности (сенсибилизаторы), повышения адгезии
фоторезистивного слоя к подложкам, улучшения стойкости к воздействиям ки??лот, щелочей, высоких температур и др. Растворители определяют стабильность свойств готовых фоторезистов, влияют на процесс нанесения и последующее высыхание фотослоя.
Фотохимические процессы, происходящие в фоторезистах под действием УФ-излучения, можно разделить на две стадии. На световой
стадии в результате поглощения кванта излучения наиболее слабая хими40
ческая связь разрывается и образуется свободный радикал. На темновой стадии протекают реакции, приводящие к деструкции (разрушению)
молекулярных цепей полимера либо, наоборот, к структурированию (сшиванию) молекул в прочную сетку. В результате этого стойкость облученных участков к воздействию проявителя уменьшается или возрастает.
Позитивные фоторезисты изготавливают на основе фоточувствительных О-нафтохинондиазидов и фенолформальдегидных смол, являющихся пленкообразующими полимерами. Молекула позитивного фоторезиста, сокращенно НХД, имеет строение R1 – О – R2, где R1 и R2 –
светочувствительная и полимерная части; О – соединяющий их атом
кислорода. При поглощении квантов облучения молекула НХД распадается на азот и неустойчивый радикал, который превращается в инденкарбен; инденкарбен присоединяет всегда имеющуюся в фоторезисте влагу, образуя инденкарбоновую кислоту.
Облученные участки фотослоя, в отличие от необлученных, становятся гидрофильными, хорошо смачиваются и удаляются щелочными
проявителями.
Негативные фоторезисты изготавливают на основе поливинилциннамата или на основе каучуков. Поливинилциннамат (ПВЦ) представляет собой сложный эфир циннамоильной кислоты и поливинилового
спирта и имеет общую формулу R 1- О - R2, где R1 – фоточувствительная циннамоильная группа; R 2 – пленкообразующая часть поливинилового спирта; О – соединяющий их атом кислорода.
При поглощении квантов излучения наиболее слабые в светочувствительных частях молекул химические связи СН=СН разрываются. За
счет освободившихся связей происходит фотоструктурирование, т. е.
поперечное сшивание молекул ПВЦ в трехмерную сетку. Негативные
фоторезисты на основе каучука наиболее часто представляют собой
механическую смесь циклокаучука и бис-азида. Циклокаучук является
полимерной основой и обладает слабой фоточувствительностью. Под
действием облучения азиды распадаются на азот и нитрен. Нитрен,
находящийся в возбужденном состоянии, вступает в химическое взаимодействие с каучуком, в результате происходит сшивание линейных
полимеров каучука образующимися свободными радикалами.
Фотошаблоны являются основными инструментами фотолитографии, с их помощью производится локальное облучение фотослоя в соответствии с топологией микросхемы.
41
Фотошаблон для изготовления структур микросхем – плоскопараллельная пластина (или гибкая пленка) из прозрачного для УФ-излучения материала с нанесенным на ее рабочую поверхность непрозрачным пленочным рисунком, соответствующим топологии одного из слоев структуры микросхемы и многократно повторенным
со строго определенным шагом в пределах рабочей области пластины (или пленки).
Для основы фотошаблонов применяют оптическое боросиликатное стекло или полимерные пленки, которые хорошо обрабатываются и не изменяют свойств под действием излучения. Для выполнения рисунка применяют галоидно-серебряную фотографическую
эмульсию (эмульсионные фотошаблоны), металлы (металлизированные фотошаблоны) и полупрозрачные для видимого света оксиды
или другие материалы (транспарентные, цветные фотошаблоны).
Формирование фотослоя обеспечить получение равномерных по
толщине бездефектных фотослоев с хорошей адгезией к подложке
при сохранении исходных свойств.
Подготовка подложек к нанесению фоторезиста в каждом
конкретном случае индивидуальна и определяется материалом подложки, технологией его получения, состоянием поверхности и дальнейшим назначением фотомаски. Под подложкой в литографических
процессах подразумевают тот материал, на котором формируют резистивный слой. В производстве, например, полупроводниковых ИМ
фотолитографию проводят по монокристаллическому и поликристаллическому кремнию, пленкам диоксида кремния, примесносиликатных стекол, алюминия и т. п.
Если фотомаска используется для локального травления, то качество передачи рисунка на подложку (например, пленку SiО2) зависит,
в основном, от адгезии маски к подложке и от способности травителя проникать под слой фотомаски по границам окон.
Адгезия фотослоя увеличивается с повышением смачивания поверхности подложки фоторезистом. Проникновение травителя под
слой фотомаски, приводящее к растравливанию подложки (рис. 12),
в свою очередь, зависит от смачивания поверхности подложки, в данном случае SiO2, травителем или водой. Критерием смачиваемости
является краевой угол смачивания поверхности твердого тела жидкостью (рис. 13).
42
SiO 2
?
а)
180°
?
Si
Si
а
б)
?
0°
?
а
Рис. 12. Клин травления а при
передаче рисунка с фотомаски
на пленку SiO2
Рис. 13. Поверхность, плохо (а) и
хорошо (б), смачиваемая жидкостью: ? –
краевой угол смачивания поверхности
Оптимально подготовленной к фотолитографии поверхностью является поверхность, которая хорошо смачивается фоторезистом и плохо смачивается водой, т.е. для которой выполняется условие
? F ? 0°, ? B ? 180°.
Эти условия не противоречат друг другу для большинства полимерных фоторезистов, так как они, будучи сами гидрофобными, хорошо
смачивают гидрофобные, а не гидрофильные поверхности.
Таким образом, подготовленная к нанесению фоторезиста поверхность должна быть не только очищена от загрязнений, но также должна
быть гидрофобной.
Фотолитографию по пленке диоксида кремния целесообразно проводить непосредственно после термического оксидирования кремния,
пока поверхность диоксида гидрофобна. Если пластины с пленкой SiО2
хранились более 1 ч, их поверхность становится гидрофильной и необходима термообработка в сухом инертном газе, в вакууме или специальная гидрофобизирующая обработка с применением растворов органосиланов.
Нанесение слоя фоторезиста можно выполнять центрифугированием, распылением, окунанием. Сравнительно недавно начали применять
сухие пленочные фоторезисты, которые наносят накаткой.
Метод центрифугирования (рис. 14) применяется для круглых подложек, т.е. пластин кремния и других полупроводников. Подложки располагаются на диске центрифуги и удерживаются при вращении ваку-
43
1
2
3
4
5
К вакуумному
насосу
Излишки
фоторезиста
Рис. 14. Схема процесса нанесения фоторезиста центрифугированием:
1 – дозатор фоторезиста (капельница); 2 – слой фоторезиста;
3 – подложка; 4 – диск центрифуги: 5 – сборник фоторезиста
умным прижимом. Несколько капель фоторезиста наносят на подложку и мгновенно включают центрифугу, так как вязкость фоторезиста очень быстро меняется в результате испарения растворителей.
При вращении центрифуги жидкий фоторезист растекается по поверхности подложки под действием центробежных сил, пропорциональных числу оборотов центрифуги. За счет поверхностного натяжения фоторезиста возникают силы сопротивления растеканию, пропорциональные вязкости фоторезиста, поэтому он не полностью сбрасывается с поверхности подложки.
Зависимость оставшегося на поверхности жидкого слоя фоторезиста h от частоты вращения центрифуги ? и кинематической вязкости фоторезиста ? определяется соотношением
h = A ? ?,
где А – коэффициент пропорциональности, подбираемый экспериментально.
При центрифугировании на периферии подложки образуется утолщение – валик, высота и ширина которого зависят от вязкости фоторезиста, частоты вращения центрифуги и формы подложки. Применение пластин кремния с периферийной фаской и работа при часто44
тах вращения центрифуги, больших 2000 об/мин, позволяет получать
более плоскую поверхность фотослоя.
Достоинства метода: высокая воспроизводимость толщины фотослоя в пределах каждой пластины и партии пластин, возможность
получения тонких слоев (0,1–0,2 мкм).
Недостатки метода: невозможность получения равномерных слоев
толщиной более 2–3 мкм, наличие краевого утолщения, загрязнения слоев
из-за захвата пылинок из воздуха при вращении центрифуги, необходимость тщательного контроля и корректировки вязкости фоторезистов
из-за испарения растворителей. В пленках, высыхающих при действии
центробежных сил, возникают внутренние напряжения. Процесс плохо
поддается автоматизации.
Нанесение фоторезиста распылением производится форсункой, в которой для диспергирования струи раствора фоторезиста при выходе из
сопла используется сжатый воздух.
Распылением можно наносить слой на рельефные поверхности (рис. 15),
получать слои толщиной от 0,3 до 20 мкм с точностью 5%. Краевое
утолщение слоя отсутствует. Вследствие отсутствия механических
напряжений дефектность слоев в 3–4 раза меньше по сравнению с полученными центрифугированием. Расход фоторезиста существенно
меньше.
Процесс отличается высокой производительностью и возможностью
автоматизации. Основная проблема при нанесении слоев распылением –
затягивание пыли и других загрязнений струей диспергированного фоторезиста. Распыление применяют для нанесения резиста на прямоугольные диэлектрические подложки.
Метод окунания имеет две разновидности. Первый способ – простое погружение подложки в фо1
торезист и извлечение из него с
2
3
4
регулируемой скоростью 6–150
мм/мин. При медленном извлечении получаются более тонкие
и однородные слои. Такое окунание применяется для двустороннего нанесения слоев и для полуРис. 15. Нанесение слоя резиста
чения толстых слоев, когда трераспылением: 1 – сопло форсунки;
бования к равномерности толщи2 – диспергированный резист;
3
–
подложки; 4 – стол установки
ны не слишком высокие. Для ус45
транения клиновидности слоя подложку поворачивают на 180 о и выполняют повторное окунание. Простое окунание применяют также
для нанесения резиста на гибкую подложку в виде непрерывной ленты. С помощью роликов лента с постоянной скоростью при перемотке с рулона пропускается через ванну с резистом и поступает из нее
в камеру сушки. Это, так называемая, рулонная технология.
Во втором способе метод окунания заключается в погружении подложки в воду или органический растворитель через тонкий слой наносимого резиста (рис. 16) и в обратном ее извлечении. Благодаря
полярности молекулы резиста ориентируются к поверхности, и подложку обволакивает монослой при погружении и, монослой при извлечении. Повторяя погружения несколько раз, можно получать слой
резиста толщиной 150–300 А. Основное преимущество процесса –
получение очень тонких, равномерных, бездефектных слоев с высокой воспроизводимостью параметров, что обеспечивает в дальнейшем формирование элементов субмикронных размеров.
Накатка (рис. 17) применяется для нанесения сухих пленочных
резистов, представляющих собой трехслойную ленту. Слой резиста
заключен между несущей и более тонкой защитной полимерными
пленками. Перед накаткой резиста вращающимся валиком на подогретую подложку защитную пленку удаляют. Толщина сухого резиста около 1–2 мкм, поэтому метод применяют для случая получения
топологических рисунков с большими размерами элементов, до десятков микрометров.
6
1 2
3
4
1
2
5
4
3
Рис. 16. Нанесение слоя резиста
окунанием : 1 – подложка;
2 – слой резиста; 3 – ванна;
4 – вода или растворитель
46
Рис. 17. Нанесение слоя резиста накаткой:
1 – пленочный резист;
2 – пленка на подложке 3; 4 – несущая
полимерная пленка;
5 – защитная пленка: 6 – валик для накатки
Термообработка(первая сушка) выполняется после нанесения
слоя жидкого фоторезиста. В процессе сушки удаляется растворитель, и в пленке фоторезиста происходит сложный релаксационный процесс плотной упаковки молекул, уменьшающий внутренние напряжения
и увеличивающий адгезию фотослоя к подложке.
Основными параметрами процесса сушки являются температура и
время. При низких температурах адгезия фотослоя к подложке плохая,
преобладает сцепление между собственными молекулами полимера
(когезия). Этим объясняется отслаивание фотослоя при проявлении,
кроме этого, возможно неполное удаление растворителя. При больших
температурах в фоторезистах идет термополимеризация (при 140–200оС)
и другие процессы. Так, в слое позитивного фоторезиста при температурах, больше критических, протекают те же необратимые явления, что
и при экспонировании. Качество проведения сушки влияет на все остальные операции фотолитографии.
Конвективная сушка выполняется в термостатах. Образующаяся на
поверхности уплотненная часть слоя препятствует равномерной и полкой сушке. Для равномерного испарения растворителя и снижения внутренних механических напряжений в фотослое сушку выполняют в два
этапа: 15–20 мин при 18–20 оС, 30–60 мин при 90–120 оС.
Термокомпрессионная сушка под давлением азота позволяет формировать качественные фотослои, так как присутствующие пары растворителя обеспечивают оптимальные условия для ориентационной
релаксации молекул фоторезиста.
Инфракрасная (ИК) сушка отличается равномерным удалением растворителя по толщине слоя резиста. Радиация способствует диффузии
растворителя к поверхности, поэтому у поверхности слой преждевременно не уплотняется. Время сушки понижается до нескольких минут.
ИК-сушка является основным промышленным методом, применяемым в современных фотолитографических линиях. Она выполняется
непосредственно после нанесения фоторезиста под ИК-лампами при
непрерывной продувке азотом. Сушка завершает процесс формирования фотослоя.
Формирование фотомаски – технологический этап, на котором в
фотослое создается топологический рисунок. В соответствии с известными принципами локальности и послойности технологических обработок в процессе изготовления структур полупроводниковых микросхем
литография проводится несколько раз (рис. 18).
47
!
Получение
"
маскирующего
#
$
слоя
Фотолитография
'
&
%
Рис. 18. Cхема типового технологического процесса изготовления полупроводниковых микросхем: 1 – очистка пластины кремния р-типа; 2 – диффузия
примеси скрытого n+-слоя; 3 – нанесение эпитаксиального слоя n-типа;
4 – диффузия примеси р-типа для изоляции; 5 – диффузия примеси р-типа;
6 – диффузия примеси n-типа; 7 – металлизация; 8 – нанесение защитного
покрытия; 9 – контроль готовых структур
Начиная со второй литографии, необходимо совмещать рисунок
шаблона с рисунком на подложке, полученном при формировании предыдущего технологического слоя с применением предшествующего
литографического процесса.
Контактное экспонирование – хорошо изученный и освоенный промышленным производством метод передачи изображения с шаблона на фотослой.
Совмещение выполняют визуально на той же установке, что и
последующее экспонирование, путем наложения при наблюдении под
микроскопом рисунков шаблона и подложки. Точность совмещения
зависит: от точности совмещения фотошаблонов в комплекте, точности воспроизведения топологического рисунка предыдущим фотолитографическим процессом и точности самой операции совмещения. Для совмещения шаблонов друг с другом в комплекте и каждого шаблона с рисунком на подложке применяются специальные топологические рисунки – фигуры совмещения в виде колец, крестов,
штрихов и др. Точность самой операции совмещения зависит от
48
точности оборудования, совершенства фигур совмещения и индивидуальных способностей оператора.
Экспонирование контактным способом (соответственно и весь
процесс литографии называют контактной фотолитографией) выполняется после совмещения рисунков и устранения зазора до полного
контакта шаблон – подложка.
Проявление – процесс удаления лишних в фотослое участков в
соответствии с локальным облучением при экспонировании.
Проявление негативных фоторезистов представляет собой простое растворение необлученных участков в органических растворителях: толуоле, трихлорэтилене, диоксане и др. Проявитель должен
обладать хорошей растворяющей способностью и минимальным воздействием на облученные участки фотослоя. При заниженной экспозиции облученные участки сильно набухают, что приводит к искажению рисунка и, следовательно, к уменьшению разрешающей способности фотолитографического процесса. Если экспонирование выполнено при оптимальной экспозиции, перепроявление негативного фоторезиста не опасно, поэтому процессы проявления легко автоматизировать.
Проявление позитивных фоторезистов на основе НХД сопровождается химической реакцией превращения полученной при экспонировании инденкарбоновой кислоты в хорошо растворимую соль,
которая затем легко вымывается. В качестве проявителей применяют слабые водные и водно-глицериновые щелочные растворы КОН,
NаОН, Nа 3РО 4. Н 2О.
Проявление в растворе тринатрийфосфата сопровождается химической реакцией. Если слой проэкспонирован не полностью, раствор
окрашивается в малиновый цвет, так как часть молекул кислоты превращается не в соль натрия, а соединяется с неразрушенными молекулами НХД, образуя краситель. Если молекулы НХД разрушены
полностью на всю глубину фотослоя, проявитель остается бесцветным.
Термообработка (вторая сушка) проводится для удаления проявителя, воды, повышения химической стойкости и адгезии фотомаски
к подложке. У негативных фоторезистов сушка сопровождается термополимеризацией, у позитивных – разрушением молекул и частичной сшивкой полимерных составляющих. Чтобы не произошло ухуд49
шения качества фотомаски, сушку проводят в два – три этапа с постепенным подъемом температуры до максимальной. Для большинства фоторезистов максимальная температура второй сушки 150 оС,
общее время 1–1,5 ч. Облучение перед второй сушкой большой дозой
глубокого ультрафиолета (ГУФ) устраняет пластическое течение резиста при термообработке и существенно улучшает качество фотомаски.
Передача изображения с фотомаски на материал слоя ИМ выполняется двумя способами.
Травление при прямой фотолитографии является ответственной операцией, так как брак после травления неисправим. Травитель должен
взаимодействовать только с удаляемым материалом, так как возможно нежелательное удаление ранее сформированных областей структур
ИМ, а при воздействии на фотослой не обеспечивается контролируемость размеров формируемых элементов.
Качество травления определяется величиной адгезии фотомаски к
подложке, наличием в маске дефектов и зависит от свойств травителя,
способа и режимов травления. Основным критерием качества переноса
рисунка является клин травления, т. е. уход горизонтальных размеров
рисунка по отношению к маске.
Большинство жидких травителей изотропны, т. е. скорость травления в них практически одинакова во всех направлениях, поэтому рисунок маски переносится с искажением (рис. 19). В связи с этим жидкостное травление не может обеспечить получение элементов с размерами менее 1–2 мкм.
@m
@m
Маска
Пленка
Подложка
@n
@n
Промежуток
Линия
Рис. 19. Искажение топологического рисунка
при жидкостном изотропном травлении
50
Сухое травление обеспечивает большее разрешение. Наиболее широко для получения ИМ с субмикронными размерами элементов применяют реактивное ионное и ионно-плазменное травление в вакуумных
камерах с параллельными электродами. Эти методы отличаются высокой анизотропией травления, что позволяет четко контролировать размеры вытравленных областей. Параметры процессов травления следует строго контролировать, чтобы исключить нежелательные побочные
эффекты: радиационные повреждения и осаждение полимеров.
При обратной фотолитографии перенос топологии с фотомаски на
слой ИМ совмещен с операцией удаления фотомаски или с операцией
нанесения слоя.
Удаление фотомаски имеет целью также тщательную очистку от всех
загрязнений подложки в процессе фотолитографии.
Плазмохимическое удаление фотомаски – наиболее эффективный и
безопасный процесс, одновременно обеспечивает и очистку пластин.
Выполняется, например, в вакуумных полуавтоматах «Плазма-600»,
«Плазма-600Т» в низкотемпературной плазме смеси кислорода с азотом. Азот предохраняет открытые участки кремния от окисления. Длительность обработки существенно сокращается по сравнению с жидкостными процессами. Однако только плазмохимическая обработка не в
полной мере удовлетворяет возросшим требованиям к технологии больших и сверхбольших ИМ, поскольку выделяющиеся при окислительной
деструкции фоторезиста газообразные продукты СО2, СО, NО2, Н2О
адсорбируются и химически взаимодействуют с диоксидом кремния.
Кроме того, на поверхности остаются продукты неполного сгорания
фотослоя, металлические загрязнения; возможны радиационные дефекты.
Технологические маршруты удаления фотомаски разрабатываются
для каждого конкретного случая, в зависимости от марки фоторезиста,
материала подложки и др.
Фотолитография в глубоком ультрафиолете. Экспонирование в области глубокого ультрафиолета позволяет значительно повысить разрешающую способность фотолитографии за счет уменьшения дифракции
света с понижением длины волны. Это сравнительно новое направление фотолитографии имеет ограничения, связанные с необходимостью
согласования спектров источника излучения и фоторезиста.
51
5. МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ ТОНКИХ ПЛЕНОК
5.1. Термовакуумное напыление
Основы метода. Метод основан на создании направленного потока
пара вещества и последующей конденсации его на поверхностях подложек, имеющих температуру ниже температуры источника пара. Процесс термовакуумного напыления можно разбить на четыре этапа: образование пара вещества, распространение пара от источника к подложкам, конденсации пара на подложках, образование зародышей и рост
пленки.
Образование пара вещества выполняется путем его испарения или
сублимации. Вещества переходят в пар при любой температуре выше
абсолютного нуля, но чтобы увеличить интенсивность парообразования
вещества нагревают. С увеличением температуры повышается средняя кинетическая энергия атомов и вероятность разрывов межатомных
связей. Атомы отрываются от поверхности и распространяются в свободном пространстве, образуя пар.
Давление насыщенного пара сильно зависит от температуры. Приращения температуры на каждые 5–10% сверх температуры испарения
приводят к увеличению давления насыщенного пара, а следовательно, и
скорости испарения на один порядок.
Распространение пара от источника к подложкам осуществляется путем диффузии и конвекции, на которые в первую очередь влияет
степень вакуума. Для уменьшения потерь испаряемого материала за
счет напыления на внутрикамерную оснастку и стенки камеры, а также
для повышения скорости напыления и получения более равномерной по
толщине пленки необходимо обеспечить прямолинейное движение частиц пара в направлении подложки. Это возможно при условии, если длина
свободного пробега частиц пара будет больше расстояния источник – подложка.
Можно считать, что частицы напыляемого вещества распространяются прямолинейно направленным молекулярным (атомарным) пото52
ком, сохраняя свою энергию до встречи с подложкой. Равномерность
доставки частиц к поверхности подложки улучшается с уменьшением
отношения линейных размеров поверхности испарения вещества к расстоянию до подложки.
Конденсация пара на поверхности подложки зависит от температуры подложки и плотности атомарного потока. Атомы пара, достигшие подложки, могут мгновенно отразиться от нее (упругое столкновение), адсорбироваться и через некоторое время отразиться от подложки (реиспарение), адсорбироваться и после кратковременного мигрирования по поверхности окончательно остаться на ней (конденсация).
Конденсация атомов происходит, если их энергия связи с атомами
подложки больше средней энергии атомов подложки, в противном случае атомы отражаются. Если подложка нагрета, энергия ее атомов выше,
вероятность конденсации пара ниже.
Температура, выше которой при данной плотности потока пара все
атомы отражаются от подложки и пленка не образуется, называется
критической температурой конденсации.
Критическая температура зависит от природы материала пленки и
подложки и от состояния поверхности подложки. При определенной температуре подложки, меньше критической, конденсация пара возможна
только при условии пересыщения пара, т. е. для конденсации существует критическая плотность атомарного потока.
Критической плотностью атомарного потока для данной температуры подложки называется наименьшая плотность, при которой атомы
конденсируются на подложке.
Образование зародышей происходит в результате нахождения атомами мест, соответствующих минимуму свободной энергии системы
атом – подложка.
Рост зародышей происходит за счет присоединения новых атомов,
мигрирующих по поверхности или попадающих на зародыши непосредственно из пролетного промежутка источник – подложка. По мере конденсации пара зародыши растут, между ними образуются соединяющие мостики, зародыши сливаются в крупные островки. После этого
наступает стадия слияния островков с образованием единой сетки. Сетка
переходит в сплошную пленку, которая начинает расти в толщину. С этого момента влияние подложки исключается и частицы пара от поверхности пленки практически не отражаются.
53
На этапе образования зародышей и роста пленки воздействие остаточных газов на растущую пленку должно быть сведено к минимуму.
Обеспечить это можно повышением степени вакуума или увеличением скорости парообразования. Создание сверхвакуумных установок
представляет значительные трудности, и кроме того, время откачки
рабочих камер велико. Поэтому на практике процесс, в основном, проводят при давлении 1,3?10–4–6,6?10–5 Па, которое достигается относительно просто с помощью форвакуумного и диффузионного паромасляного
насосов. На чистоту растущей пленки влияет также наличие в потоке
пара частиц материала испарителя и загрязнения, присутствующих на
поверхности подложки. Поэтому применяют испарители из материалов
с давлением насыщенного пара при температуре испарения существенно меньшем, чем у испаряемого вещества, а также выполняют очистку
поверхности подложек в вакуумной камере непосредственно перед напылением пленок.
Для увеличения скорости парообразования с целью уменьшения влияния остаточных газов на свойства напыляемых пленок испарение почти всегда ведут при температурах, превышающих условную температуру испарения вещества (форсированный режим). При низких скоростях испарения возможно образование рыхлых, шероховатых пленок.
Качество пленки определяется также размером зерна и величиной
адгезии к поверхности подложки. Повышение температуры подложек
уменьшает плотность центров зародышеобразования и, следовательно,
способствует формированию крупнозернистых пленок и, наоборот, повышение плотности потока пара вещества способствует получению пленок с мелкозернистой структурой.
При прочих равных условиях склонностью к образованию мелкозернистой структуры обладают металлы с высокой температурой испарения W, Мо Та, Рt, Ni. Низкотемпературные металлы Zn, Сd и другие
образуют крупнозернистые пленки.
Адгезия, т.е. прочность сцепления пленки с подложкой, при значительной разнице в их ТКЛР уменьшается из-за внутренних напряжений,
возникающих в пленке при охлаждении после напыления. Недостаточная адгезия – причина отслаивания пленок. Пленки толщиной более 1,5–
2 мкм имеют недостаточную адгезию, поэтому термовакуумное напыление применяют для получения пленок меньшей толщины.
Большая адгезия обеспечивается для напыляемых материалов, химически родственных с материалом подложки. В этом случае конден54
сация сопровождается образованием прочных химических связей (хемосорбция). Материалы подложек для тонкопленочных ИМ (ситаллы,
керамика, стекла) состоят из оксидов металлов и неметаллов. Хемосорбция происходит при напылении оксидов, а также легкоокисляемых
металлов А1, Сг, Мn, Тi, W. Золото, платина, палладий имеют к этим
подложкам низкую адгезию. Для улучшения адгезии и структуры пленок напыление проводят на нагретые до температуры 200–400 о С подложки.
Техника термовакуумного напыления (ТВН). Как было показано,
процесс ТВН выполняют в вакуумных камерах с предельным давлением 1,3?10–4–6,6?10–5 Па. Нагрев вещества осуществляют прямым или
косвенным (теплопередачей от испарителя) способами: путем пропускания электрического тока, токами индукции, электронной бомбардировкой. Схема ТВН приведена на рис. 20.
Стационарная и съемная оснастка вакуумной камеры периодически
очищается от наслоений предыдущих напылений. Процесс начинают с
загрузки вакуумной камеры: испаряемый материал помещают в тигли,
подложки устанавливают в подложкодержатели, маски – в маскодержатели. В зависимости от конструкции внутрикамерных устройств техники выполнения загрузки могут различаться. Затем камеру герметизируют и производят откачку воздуха. При закрытой заслонке произво1
2
3
i
i
i
i
i
4
i
5
6
i
7
8
Откачка
Рис. 20. Cхема процесса термовакуумного напыления: 1 – вакуумная камера;
2 – нагреватель подложки; 3 – держатель подложки; 4 – подложка;
5 – заслонка; 6 – частицы испаряемого вещества; 7 – испаритель с навеской
материала пленки; 8 – опорная плита
55
дят нагрев подложек до заданной температуры и испарителей до температуры испарения. Проводят ионную очистку поверхностей подложек. Откачивают камеру до предельного вакуума. После этого открывают заслонку и ведут напыление пленки. При получении заданной толщины пленки процесс напыления прекращают, перекрывая атомарный
поток заслонкой. Подложки охлаждают и после этого в камеру напускают воздух и производят выгрузку подложек.
Основные параметры процесса ТВН: давление в вакуумной камере, температура испарителей, температура подложек, время напыления.
Достоинства и недостатки метода. Процесс ТВН хорошо освоен, позволяет получать многие пассивные элементы, металлизацию полупроводниковых структур, применяется при изготовлении фотошаблонов и др. С помощью ТВН можно получать пленки металлов, полупроводников, диэлектриков. Процесс обеспечивает высокие скорости роста пленок и степень чистоты, получение качественных пленок при сравнительно низких температурах подложек. Сравнительно легкая автоматизация процесса позволяет создавать сложные вакуумные установки и комплексы, управляемые с помошью ЭВМ.
К недостаткам метода относятся: изменение процентного соотношения компонентов при напылении сплавов и сложных веществ, недостаточная равномерность толщины пленок на больших подложках, трудность получения пленок тугоплавких материалов, высокая инерционность
при использовании испарителей (после выключения нагрева испарителей парообразование продолжается, поэтому процесс напыления пленки
прекращается с помощью механической заслонки), сравнительно невысокая адгезия пленок, длительность подготовки к процессу откачки по
сравнению с напылением пленки (1–2 ч и 1–1,5 мин), трудность создания испарителей с большим ресурсом работы более 50–100 ч, относительная сложность оборудования.
5.2. Распыление ионной бомбардировкой
Осаждение пленок распылением материала в плазме газового разряда по сравнению с ТВН расширяет возможности получения пленок с
заданными свойствами. Распыление позволяет осаждать пленки тугоплавких материалов, сплавов, сложных веществ и материалов с низким
давлением паров.
56
Образование потока частиц происходит в результате бомбардировки поверхности мишени ионами аргона, ускоренными до энергий, достаточных для распыления.
Материал распыляется в виде нейтральных атомов или молекул, и
около 1% его ионизируется электронами плазмы. Распыление, в отличие от испарения, не зависит от упругости пара осаждаемого вещества.
Это позволяет наносить пленки тугоплавких материалов при относительно низких температурах. При получении пленок сплавов сначала распыляется в основном компонент с большим коэффициентом распыления,
например никель у нихрома. Приток недостающего компонента осуществляется диффузией, поэтому быстро наступает равновесие, и состав
потока распыленных атомов соответствует составу сплава. В результате только несколько первых атомных слоев пленки отличаются от основного состава. Нанесение пленок сложного состава можно осуществить также распылением нескольких различных катодов.
Распространение частиц происходит в плазме газового разряда. В
результате столкновений с молекулами остаточного газа направленность
потока распыляемых частиц теряется, и они поступают на поверхность
подложек под разными углами. Наряду с частицами распыленного вещества на подложки попадают также молекулы и ионы остаточных газов.
Конденсация, образование зародышей и рост пленки при ионном
распылении существенно отличается от этих этапов при ТВН. Поток
распыленного вещества имеет ряд особенностей: на 1–2 порядка большие энергии поступающих на подложки атомов; на порядок меньшие
плотности потока частиц; случайный характер направлений удара атомов о поверхность подложек; в большей мере присутствие в потоке
наряду с нейтральными атомами их ионов, а также молекул остаточного газа. Все это обусловливает повышение температуры подложки, увеличение скорости миграции на поверхности, интенсивную десорбцию
осаждаемых молекул и остаточных газов.
Экспериментально установлено, что пленки осаждаются при любых
плотностях потока и в широком температурном интервале подложки,
т.е. при ионном распылении для конденсации не существует критической температуры подложки и критической плотности потока распыленного вещества.
Наряду с механизмом роста пленок из нейтральных частиц здесь
действует и зарядовый механизм роста, так как наряду с атомами распыленного источника на подложку попадают и ионы инертного газа и
57
относительно большое количество ионизуемых в межэлектродном пространстве атомов источника. Заряженные частицы за счет дополнительной электростатической энергии увеличивают поверхностную миграцию между зародышами и ускоряют их рост в плоскости. Последним
объясняется то, что осаждаемые ионным распылением пленки становятся сплошными при меньших толщинах, чем пленки, полученные ТВН.
Скорости осаждения пленок, как правило, ниже, чем при ТВН, из-за малых
плотностей потока. Плотность пленок выше из-за большей энергии осаждаемых частиц.
Различают катодное (физическое и реактивное), ионно-плазменное,
а также высокочастотное ( ВЧ) и магнетронное распыление.
Физическое катодное распыление. Нанесение проводниковых и
полупроводниковых пленок этим методом выполняют в вакуумных камерах диодного типа в плазме тлеющего разряда аргона. Подложки
располагают на аноде (рис. 21), а катод является источником материала для образования пленки.
В остальном процесс по существу не отличается от ионного плазменного травления в диодных
камерах. В камеру вакуумной
1
2
установки загружают подложки
Ar
и производят откачку до давле3
i - 9
ния 1?10–3–1?10–4 Па, затем на4
+
5 пускают аргон до давления 1,3–
i+
6 13 Па. Далее процесс ведут при
7 непрерывных откачке и поступлении через натекатель аргона,
8 что обеспечивает заданное давление газа. При подаче на катодмишень отрицательного потенциала 1,5–4 кВ относительно заземленного анода в камере заРис. 21. Схема процесса получения
жигается тлеющий разряд. Ионы
пленок катодным распылением:
аргона, попавшие в область ка1 – изолятор; 2 – вакуумная камера;
3 – экран; 4 – катод-мишень; 5 – ион
тодного пространства, бомбараргона, бомбардирующий катод;
дируют катод – начинается его
6 – частицы распыленного катода;
распыление. Распыление снача7 – подложка; 8- анод; 9 – темное катодла ведут на заслонку, а после очиное пространство тлеющего разряда
58
стки поверхности катода заслонку открывают – поток частиц осаждается на поверхности подложек. Процесс прекращают отключением напряжения катод – анод; после охлаждения подложки выгружают.
Преимуществами катодного распыления являются: низкие температуры подложек в процессе нанесения пленок; большая, чем при термовакуумном напылении, равномерность пленок по площади подложек, так
как диаметр катода (300–350 мм) существенно больше расстояния катод – подложка (30–80 мм); безынерционность (распыление начинается при подаче на электроды напряжения и мгновенно прекращается при
его снятии); отсутствие необходимости частой смены источника частиц растущей пленки катода; неизменяемость стехиометрии состава
пленки по сравнению с составом катода; высокая адгезия пленок к подложкам.
Основные недостатки: сравнительно невысокие скорости осаждения,
загрязненность пленок молекулами остаточных газов и более сло??ное
управление техпроцессом по сравнению с термовакуумным напылением.
Реактивное катодное распыление. В отличие от обычного физического реактивное катодное распыление осуществляется в тлеющем
разряде смеси инертного и активного газов. Частицы распыляемого
катода химически взаимодействуют с активным газом или образуют с
ним твердые растворы, и новое вещество поступает на подложки. Чтобы процесс образования вещества наносимой пленки не происходил на
катоде, что весьма затрудняет горение разряда, применяют смеси аргона с содержанием активных газов не более 10%.
Для получения пленок оксидов распыление производят в плазме аргон – кислород, нитридов – в плазме аргон – азот, карбидов – в плазме
аргон – угарный газ или аргон – метан. Вводя в камеру различные активные газы, можно получать пленки разнообразных соединений, которые практически невозможно получить при термовакуумном напылении. Например: ферритовые магнитные пленки получают при распылении сплава никеля с железом в плазме тлеющего разряда аргон – кислород; пленки силицида молибдена получают распылением молибденовой мишени в плазме Ar+SiH 4.
Реактивное катодное распыление позволяет не только получать разнообразные по составу пленки, но и контролируемо управлять свойствами пленок, например, удельным сопротивлением резистивных пленок.
Так, при распылении танталового катода в плазме аргон – азот получа59
ют тонкие пленки ТаN, сопротивление которых можно изменять концентрацией вводимого в камеру азота. Реактивное распыление широко применяется для формирования высокоомных резисторов.
Основная техническая трудность при реактивном катодном распылении – точное дозирование вводимого в камеру активного газа.
Ионно-плазменное распыление осуществляется при более низких
давлениях 10–2 Па в плазме несамостоятельного дугового разряда. Название этого метода принято условно; катодное и реактивно-катодное
нанесение пленок также являются ионно-плазменными процессами.
Пленки получают в трех или четырех электродных вакуумных камерах
(рис. 22). Термоэмиссионный катод служит для поддержания дугового
разряда. Источником частиц материала наносимой пленки является
дополнительный электрод-мишень. Подложки располагают напротив
мишеней на карусели или барабане.
Воздух из камеры откачивают до предельного вакуума, включают
ток накала катода, после разогрева катода между ним и анодом при1
2
3
4
+
5
6
7
Откачка
Рис. 22. Схема процесса ионно-плазменного распыления: 1 – вакуумная камера;
2 – нагреватель; 3 – подложка; 4 – анод; 5 – катод; 6 – мишень;
7 – игольчатый натекатель
кладывают напряжение, и в камеру впускают инертный газ. Между анодом и катодом зажигается дуговой разряд. При подаче на мишень или
подложки небольшого отрицательного потенциала можно произвести их
ионную очистку. Для нанесения пленки на мишень подается отрицательный по отношению к аноду потенциал 200–1000 В. Электрическое поле
мишени вытягивает из плазмы положительные ионы и ускоряет их до
60
энергий в сотни электронвольт. Начинается распыление и формирование пленки на подложках.
Ионно-плазменное распыление по сравнению с катодным распылением осуществляется при более высоком вакууме, поэтому длина свободного пробега и энергия распыленных атомов больше. Благодаря этому загрязнения пленок молекулами остаточных и инертных газов меньше, скорость осаждения пленок больше и достигает нескольких сотен и
даже тысяч ангстрем в минуту. Плотность пленок больше, адгезия пленок к поверхности подложек лучше. Процесс осаждения легче управляем, толщина пленки регулируется потенциалом мишени и временем.
Можно проводить большое количество процессов осаждения пленок без
смены мишени, что обеспечивает воспроизводимость свойств осаждаемых пленок. Например, время работы хромовой мишени не менее 400 ч.
Процесс осаждения пленок с заданными свойствами отвечает требованиям автоматизации и может быть применен в непрерывном цикле
создания микросхем.
Недостатками ионно-плазменного распыления являются: ограниченные возможности реактивного распыления из-за малого срока службы
термокатода в присутствии активных газов, катод является дополнительным источником загрязнений; сравнительная сложность устройства
и эксплуатации оборудования.
Ионно-плазменное распыление широко применяется для изготовления пленочных пассивных элементов, получения маскирующих пленок
на полупроводниковых пластинах, осаждения полупроводниковых слоев
и магнитных пленок.
5.3. Термическое оксидирование
Процесс оксидирования, интенсифицируемый нагревом до высоких
температур, принято называть термическим оксидированием. Метод
термического оксидирования является основным в планарной технологии для получения маскирующих пленок на кремнии и пленок подзатворного оксида для МОП-структур.
Кремний очень близок к кислороду. На тщательно очищенной поверхности кремния уже при комнатной температуре образуется пленка диоксида кремния толщиной 10–15 °A, поэтому термическое оксидирование в любом случае ведется при наличии на поверхности тонкой оксидной пленки.
61
В настоящее время нет единой модели термического оксидирования
полупроводников, согласованной со всеми экспериментальными данными. Рассмотрим простейшую из них. Процесс получения термического
оксида можно разбить на четыре этапа: доставка окислителя к подложкам и адсорбция их поверхностью, диффузия окислителя сквозь пленку
диоксида кремния к поверхности кремния, химическое взаимодействие
окислителя с кремнием с образованием оксида, удаление продуктов
реакций. В качестве окислителя применяют очищенный сухой или влажный кислород.
Скорость оксидирования определяется самым медленным этапом
диффузионного проникновения окислителя сквозь растущую пленку к
границе раздела SiO2 – Si. Коэффициенты диффузии сильно зависят от
температуры. При низких температурах коэффициенты диффузии и, следовательно, скорость роста пленки малы. Повысить скорость роста
можно либо увеличением давления в реакционной камере установки,
либо повышением температуры процесса. На практике термическое оксидирование кремния проводят при температурах 850–1250 о С. При одной и той те температуре коэффициент диффузии воды в диоксиде кремния существенно больше коэффициента диффузии кислорода. Этим
объясняются высокие скорости роста оксида во влажном кислороде.
Выращивание пленок только в парах воды не применяется из-за плохого
качества оксида. Более качественные пленки получаются в сухом кислороде, но скорость роста пленок слишком мала.
При использовании сухого кислорода на поверхности кремния идет
реакция
Si +O2 ? SiO2.
При использовании влажного кислорода идет еще дополнительная
реакция
Si +2H2O ? SiO2 + H2 ?.
Образующийся при реакции водород достаточно быстро диффундирует от границы Si -SiO2 к поверхности оксида. На образование пленки
расходуются атомы кремния, поэтому исходная поверхность подложки
в процессе оксидирования уходит в толщу оксида. Этим объясняется
отсутствие проблемы обеспечения высокой адгезии.
При температурах более 1000 оС оксидирование кремния подчиняется параболическому закону
х 2 = k t,
62
где х – масса или толщина оксидной пленки; t – время оксидирования; k –
постоянная скорости роста, зависящая от типа окислителя, давления его
паров и наличия примесей в кремниевой пластине и в растущей пленке.
Техника процесса. Для термического оксидирования применяют то
же оборудование, что и для диффузионного легирования, например диффузионные электропечи типа СДО–125/3, трех- или шестикамерные автоматизированные системы типа АДС-6-100. Камера установки (рис. 23) из
дважды переплавленного в вакууме кварца проходит через муфель печи
с резистивными нагревателями. Температура в рабочей зоне поддерживается с точностью 0,5 оС в диапазоне 700–1250 оС. Процесс проводят способом открытой трубы, т. е. через кварцевую трубу-камеру непрерывно проходит сухой или влажный кислород. Для обеспечения подачи в камеру строго определенного количества паров воды испарение
ведут в стационарном режиме. Для этого определенное количество воды
(дозу) заливают в герметичный сосуд-дозатор. Поступающий в дозатор кислород проходит сквозь воду, захватывая пары воды. Такой дозатор барботажного типа нагревают до температуры 60–95 оС.
Подготовленные к процессу пластины кремния помещают вертикально в пазы кварцевой кассеты-лодочки. Лодочку с пластинами устанавливают на площадку загрузочного устройства установки. Запуском про-
3
4
Si
2
5
1
N
HO
O
6
Рис. 23. Схема процесса термического оксидирования кремния: 1 – вентили;
2 – ротаметры; 3 – кварцевая труба-реактор; 4 – нагревательная печь;
5 – водоохлаждаемая заглушка; 6 – нагреватель воды
63
грамматора автоматически выполняются технологические переходы оксидирования: продувка камеры азотом, нагрев рабочей зоны до предварительной температуры, которая на 100–150 оС ниже заданной по технологии рабочей температуры; загрузка лодочки с пластинами в рабочую
зону установки кварцевым толкателем со скоростью 10–60 см/мин, нагрев печи с заданной скоростью до рабочей температуры, подача парогазовой смеси, выдержка пластин в течение заданного времени, охлаждение печи, выгрузка пластин кварцевым толкателем.
В процессе термического оксидирования с помощью кварцевого толкателя осуществляются возвратно-поступательные перемещения лодочки с пластинами с амплитудой около 20 мм, чтобы предотвратить ее
приварку к поверхности трубы. Предварительный нагрев печи и медленная загрузка и выгрузка пластин обеспечивают более мягкий режим
оксидирования и уменьшают градиент температуры по радиусу пластин, а следовательно и термические напряжения, приводящие к изгибу
пластин. Скорость нагрева печи вместе с пластинами до рабочей температуры 10–– 30 оС/мин, скорость охлаждения около 8 оС/мин.
5.4. Химическое осаждение пленок из растворов
Метод отличается еще большей простотой оборудования и проведения процесса. Достаточно иметь ванну с подогревом (рис. 24) и вентилляционно-вытяжную систему. Отсутствует необходимость иметь анод и
катод, упрощается закрепление
образцов. Уменьшается непро1 изводительные расходы металлов, что очень важно, если они
4
благородные. Пленки можно на2 носить локально и на профильные поверхности. Процессы хи3
мического осаждения обеспечивают высокую равномерность
толщин пленок.
Метод основан на вытеснении металлов из растворов их
Рис. 24. Ванна химического осаждения
солей или на восстановлении
пленок из растворов: 1 – ванна;
ионов металлов в растворах. В
2 – раствор; 3 – электронагреватель;
промышленном производстве
4 – покрываемые пленкой образцы
64
метод наиболее часто применяют для получения пленок золота и никеля. Рассмотрим пример химических реакций при получении пленок никеля на пластине полупроводника.
Химическое никелерование состоит в каталитическом восстановлении никеля из раствора его соли. Процесс ведется в щелочной среде
(рН = 7–8). Взаимодействие идет поэтапно
Ni2+ + M ? Ni+ + M+;
2Ni+ ? Ni + Ni2+;
OH– + M+ ? ?? +?;
H2PO2– + 2OH ? H2PO3– + H2O.
Суммарная реакция имеет вид
Ni2+ + H2PO2– + 2OH– ? Ni + H2PO3– + H2O.
Начальная стадия процесса заключается в переходе электронов от
металла-катализатора (М) к ионам никеля и превращении их в одновалентные ионы. Далее реакция диспропорционирования приводит к образованию металлического никеля. Возвращение электронов к катализатору осуществляется посредством ионов гидроксила, превращающегося при этом в радикал, восстанавливающийся затем гипофосфитом.
65
6. МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ
СЛОЕВ И ПЕРЕХОДОВ
6.1. Общие сведения
Полупроводниковые структуры ИМ нельзя изготовить, не применив
хотя бы один-два из трех процессов: эпитаксиальное наращивание полупроводниковых слоев, диффузионное и ионное легирование.
Эпитаксия – процесс наращивания монокристаллических слоев на
монокристаллических подложках. Монокристаллические подложки в
процессе роста эпитаксиального слоя выполняют ориентирующую роль
затравки, на которой происходит кристаллизация.
Процессы эпитаксиального роста аналогичны получению тонких пленок. Эпитаксиальные слои можно наращивать в вакууме, из парогазовой и жидкой фазы. Большинство процессов эпитаксии – осаждение из
парогазовой фазы. Вакуумная эпитаксия, называемая сейчас молекулярно-лучевой, отличается от рассмотренного метода ТВН тем, что
процесс напыления ведется в условиях сверхвысокого вакуума. Эпитаксия отличается от выращивания монокристаллов прежде всего тем,
что рост кристалла происходит при температуре ниже температуры
плавления. Жидкофазная эпитаксия, основанная на кристаллизации вещества, растворенного в расплавленном металле, на поверхности подложки, применяется, главным образом, для получения слоев двойных и
тройных полупроводниковых соединений.
Жидкофазная эпитаксия плохо совмещается с сухими процессами
интегральной технологии.
В зависимости от состава материалов слоя и подложки различают
процессы автоэпитаксии и гетероэпитаксии. Если составы материалов
практически одинаковы, например слой кремния на кремниевой пластине, процесс называют автоэпитаксией. Автоэпитаксией можно получить
однородные по составу (гомогенные) электронно-дырочные переходы,
поэтому процесс выращивания слоев иногда называют гомоэпитаксией.
66
Гетероэпитаксия – процесс ориентированного нарастания вещества,
отличающегося по химическому составу от вещества подложки. При
наращивании гетероэпитаксиальных слоев на границе слой – подложка
образуется неоднородный по составу (гетерогенный) переход. Процесс
гетероэпитаксии возможен для элементов и сложных веществ, не образующих между собой химических соединений.
Основная особенность эпитаксии по сравнению с диффузией и ионным легированием заключается в том, что слои и локальные области противоположного типа проводимости или с отличной от полупроводниковой пластины концентрацией примеси представляют собой
новые образования над исходной поверхностью. В процессе роста
эпитаксиальные слои легируют, т. е. в них вводят донорные или акцепторные примеси.
Возможности легирования при эпитаксии гораздо шире, чем при других методах получения легированных слоев полупроводника, например
при диффузии. Уникальной особенностью эпитаксии является возможность получения высокоомных слоев полупроводника на низкоомных
пластинах. При эпитаксии можно получать разнообразные распределения легирующих примесей, в том числе равномерные распределения,
или с резким перепадом концентрации на очень малом расстоянии. Можно получать многослойные структуры в одном процессе. Эпитаксиальные слои, в отличие от кремниевой пластины из слитка, выращенного из
расплава, не содержат кислорода и углерода, которые являются центрами дефектообразования.
Диффузионное легирование основано на использовании известного явления диффузии, т. е. направленного перемещения частиц вещества в сторону убывания их концентрации. Движущей силой диффузии
является градиент концентрации атомов или молекул вещества. Чем
больше градиент концентрации, тем интенсивнее диффузия. Использовать диффузию для изменения типа проводимости кремния или германия впервые в 1952 году предложил американский ученый Пфанн.
При изготовлении диффузионных структур на поверхности полупроводниковых пластин создают повышенные концентрации легирующей
примеси, которая начинает диффундировать в глубь.
Диффузия – широко применяемый метод введения легирующих примесей в полупроводниковые пластины или в выращенные на них эпитаксиальные слои с целью получения областей противоположного по срав67
нению с исходным полупроводником типа проводимости либо с более
низким электросопротивлением. В первом случае получают, например,
эмиттерные, базовые области биполярных ИМ, области истоков и стоков МОП-ИМ, а также области, изолирующие элементы ИМ друг от
друга и от общей пластины. Во втором случае – резисторы, скрытые
n+, р+-области, уменьшающие сопротивление тела коллектора, или приконтактные области, уменьшающие инжекцию неосновных носителей с
омических контактов и улучшающие их качество. Диффузия применяется также для легирования поликремниевых слоев. При изготовлении
быстродействующих структур с хорошими импульсными свойствами
диффузию применяют для введения примесей, образующих в запрещенной зоне полупроводника глубокие уровни и уменьшающих время жизни
неосновных носителей тока. Такими примесями для кремния являются
золото и никель.
При диффузии выпрямляющие или концентрационные переходы получают в исходной пластине, изменяя ее свойства легированием на необходимую глубину. В отличие от эпитаксии диффузионное легирование
идет в присутствии примесей подложки. Именно поэтому получение
области противоположного типа проводимости возможно только при
перекомпенсации исходной примеси.
Диффузионные слои имеют толщины от сотых долей микрометров
до нескольких микрометров, в отличие от эпитаксиальных слоев толщиной 0,1 – 100 мкм.
Отличительной особенностью диффузионно-легированных слоев является неравномерное распределение концентрации примеси по глубине. Концентрация максимальна на поверхности и убывает в глубь слоя.
Концентрация и распределение примеси в значительной степени определяются свойствами примеси, легируемого материала и источника
примеси.
Ионное легирование впервые было применено для изготовления
р-n-переходов Шокли в 1954 году.
Ионное легирование осуществляется ионизированными атомами
примеси, имеющими энергию, достаточную для внедрения в полупроводник. Ионы бора, фосфора или мышьяка с энергиями в диапазоне 3–500 кэВ внедряются в приповерхностную областъ кремния на
глубину 0,02–1 мкм. Для получения ионнолегированных слоев недостаточно внедрение ионов примеси необходим отжиг для устранения
68
радиационных нарушений структуры полупроводника и для электрической активации донорных или акцепторных примесей.
Основной особенностью ионного легирования является возможность
воспроизводимого получения заданной концентрации примеси на данной глубине практически на любой площади пластины. Это обусловлено
тем, что можно с большой точностью задавать ток ионного луча. Возможно получение неглубоких, однородно легированных слоев, а также
резких р-n-переходов. Распределениями примесей можно легко управлять в широких пределах, изменяя дозу облучения, энергию и угол падения ионов.
Возможности ионного легирования в большей степени определяются параметрами процесса, чем свойствами пластины кремния и примеси. Метод ионного легирования позволяет вводить в полупроводниковые пластины ионы различных примесей и получать требуемые распределения концентраций, в том числе такие, которые нельзя получить другими методами.
В отличие от метода диффузии, при котором тепловая кинетическая
энергия атомов примеси составляет десятые доли электронвольт, при
ионном внедрении ускоренные ионы обладают кинетической энергией в
десятки килоэлектронвольт. Ионы, бомбардирующие подложку, без труда преодолевают поверхностные потенциальные барьеры, обусловленные наличием оксидов и загрязнений, поэтому ионное внедрение идет
равномерно по всей обрабатываемой площади поверхности. Характеристики ионолегированных слоев получаются более воспроизводимыми, чем при диффузии.
И кроме этого, возможно легирование через слой пленки, например
диоксида кремния. Ионное легирование имеет еще ряд преимуществ
перед диффузией, благодаря чему метод стал основным при создании
полупроводниковых элементов с субмикронными размерами как в вертикальном, так и в горизонтальном направлении. Ионным легированием
сложно получить толстые слои более 1 мкм с воспроизводимыми параметрами, поэтому их получают комбинированным методом: сначала
внедряют с высокой точностью заданную концентрацию примеси на
небольшую глубину, затем приводят диффузию этой примеси на заданную глубину. Такие процессы называют диффузией из ионнолегированных слоев. Ионное внедрение применяют также для геттерирования, а также для легирования слоев поликристаллического кремния,
69
применяемых для затворов и металлизации. Отметим также, что ионное легирование – чистый, сухой процесс.
6.2. Эпитаксия кремниевых слоев
Эпитаксия из парогазовой фазы. Общие вопросы, касающиеся
основ процессов осаждения из парогазовой фазы, были рассмотрены в
гл. 5. Для осаждения слоев кремния из парогазовой фазы в промышленном производстве используют кремнийсодержащие соединения: тетрахлорид кремния, силан. В соответствии с применяемыми исходными продуктами называют и методы: хлоридный и силановый.
Хлоридный метод основан на использовании химического взаимодействия паров тетрахлорида кремния с чистым водородом. Это взаимодействие сопровождается рядом обратимых химических реакций, следующих одна за другой. Суммарную реакцию хлоридного процесса можно рассматривать как обратимую реакцию восстановления тетрахлорида кремния водородом:
1200°C
?
SiCl4 +2H2 ? Si ? +4HCl.
В зависимости от условий в рабочей камере установки реакция может идти не только слева направо, но и справа налево, т. е. при определенных условиях скорость роста эпитаксиального слоя может стать
равной нулю, и кремний начнет травиться. Это наблюдается при низких
и высоких температурах.
Процесс наращивания слоев кремния выполняют способом проточной трубы при атмосферном давлении (рис. 25). В данной схеме используется камера-реактор вертикального типа. Подложкодержатель
одновременно выполняет роль нагревателя. Нагрев подложкодержателя осуществляется резистивным, индукционным или ИК-способом.
Подложкодержатель при высоких температурах не должен выделять
загрязнения и вступать в химическое взаимодействие с пластинами,
поэтому его изготавливают из высококачественных сортов стеклографита или графита и покрывают слоем карбида кремния или кремния. В
случае индукционного нагрева можно применять подложкодержатели
из высокоомного кремния, покрытого слоем диоксида кремния. Чтобы
слои кремния осаждались только на пластинах и загрязнения не попадали на пластины с внутренних стенок камеры установки, последние охлаждают.
70
1
В скруббер
2
3
64
N2
46
5
H2
HCl
CO2
H2
Легирующее соединение
Рис. 25. Схема установки эпитаксиального наращивания: 1 – реакционная
камера; 2- подложкодержатель; 3 – подложки; 4 – игольчатые вентили;
5 – ротаметры; 6 – запорные вентили
Парогазовая смесь поступает в зону реакции через множество отверстий в кварцевых трубках, расположенных вдоль образующих цилиндрического подложкодержателя. Тетрахлорид кремния представляет собой жидкость, кипящую при температуре 57 оС и имеющую высокое давление паров, сильно зависящее от температуры. Для обеспечения подачи в реакционную камеру точного количества тетрахлорида
кремния его испарение ведут в дозаторе при строго установившемся
режиме. Чистота исходного тетрахлорида кремния определяет максимальное удельное сопротивление слоев. Современный уровень очистки
позволяет получать тетрахлорид кремния, обеспечивающий удельное
сопротивление до сотен Ом ? см.
Участвующий в реакции восстановления водород является одновременно и газом-носителем. Регулировку степени насыщения водорода
парами тетрахлорида кремния можно осуществлять изменением скорости потока водорода и температуры жидкого тетрахлорида кремния.
71
Водород должен быть хорошо осушен, так как влага разлагает тетрахлорид кремния с образованием кремниевой и соляной кислот
SiCl4 +3H 2 O ? 4HCl+H 2SiO3 .
Процесс эпитаксиального осаждения включает переходы:
– загрузку пластин в гнезда подложкодержателя;
– продувку реактора азотом для вытеснения воздуха;
– напуск в реактор водорода и отключение азота, продувку водородом;
– нагрев пластин до температуры 1200 оС и выдержку около 10 мин
до восстановительного отжига;
– газовое травление в обезвоженном хлористом водороде, по окончании продувку водородом и охлаждение подложкодержателя до температуры эпитаксиального наращивания 1150 оС;
– осаждение эпитаксиального слоя, для чего в камеру подают пары
тетрахлорида кремния, легирующее соединение в концентрациях, обеспечивающих оптимальную скорость роста 0,2–3,0 мкм/мин и требуемый уровень легирования слоя; продувку водородом;
– защиту поверхности эпитаксиального слоя пленкой диоксида кремния, что необходимо для транспортировки эпитаксиальных структур или
для межоперационного хранения, для этого в камеру подают СО2, SiHCl,
H2, продувку водородом;
– медленное охлаждение пластин до комнатной температуры в потоке водорода;
– продувку реактора азотом, разгерметизацию реактора, выгрузку
эпитаксиальных структур.
В современных промышленных установках, например УНЭС-2П-КА,
управление процессом осуществляется, в основном ЭВМ, оператор выполняет только загрузку и выгрузку пластин. Отходы химических реакций на выходе реактора поступают в скруббер, где сжигаются в пламени водорода. При выполнении процесса необходимо соблюдать правила
безопасной работы с токсичными веществами и водородом.
Основной недостаток хлоридного метода – высокие температуры
процесса, приводящие к диффузии примесей из пластин в растущий слой,
а также к автолегированию.
Силановый метод основан на использовании необратимой реакции
термического разложения силана:
72
1000?1050 °C
?
SiH 4
Si ? +2H 2 ? .
Установка для выращивания эпитаксиальных слоев силановым методом близка по устройству к установкам, используемым в хлоридном
методе, и для предосторожности при работе с моносиланом она снабжается системой для откачки воздуха и следов влаги. Совершенные
монокристаллические слои получаются при температурах разложения
моносилана 1000–1050 оС, что на 200–150 оС ниже, чем при восстановлении тетрахлорида кремния. Это уменьшает нежелательные диффузию и автолегирование, что позволяет изготавливать эпитаксиальные
структуры с более резкими границами переходов. Необратимость реакции разложения моносилана также способствует получению более
резкого распределения концентрации легирующей примеси на границе
пластина-слой. Отсутствие среди продуктов разложения хлористого
водорода или других вредных продуктов, в частности хлора, относится
также к достоинству силанового метода. Скорость роста слоев выше,
чем при восстановлении тетрахлорида кремния.
Легирование эпитаксиальных слоев осуществляется одновременно с их ростом путем введения в парогазовую смесь соединений, содержащих легирующие элементы, называемые источниками легирующих
примесей.
Газообразные источники – гидриды, диборан В2Н6, арсин АsН3,
фосфин РН3 – отличаются высокой токсичностью и поэтому поставляются на производство в баллонах в смеси с водородом или инертными
газами в концентрациях (2–20) ? 10 –3 %.
При использовании диборана трудно получать его смесь с содержанием менее 10%, смеси нестабильны при хранении, сложно установить
и точно измерить малые расходы смеси, поэтому трудно получать кремниевые слои, слаболегированные бором с удельным сопротивлением,
большим 1 Ом ? см. В связи с этим применяют жидкие и твердые источники. Из газообразных источников наиболее часто применяют арсин. Газ доставляется к подложкам, адсорбируется их поверхностью,
диссоциирует:
2AsH3 ? 2As+3H 2 ?,
освободившийся мышьяк встраивается в решетку растущего слоя кремния.
73
Гетероэпитаксия. Гетероэпитаксия существенно расширяет функциональные возможности микроэлектронных устройств. При выборе
пары материалов подложка-слой необходимо учитывать параметры их
кристаллических решеток, ТКЛР, температуры плавления, коэффициенты взаимной диффузии, упругость пара при температуре процесса и др.
При большом несоответствии указанных параметров на границе слойподложка возникают механические напряжения и дислокации. Переходная область по своим свойствам отличается от свойств объемов по обе
стороны границы подложка-слой, что влияет и на процесс роста слоя и
на параметры микросхем.
В производстве микросхем гетероэпитаксия развивается в двух основных направлениях: выращивании полупроводниковых гетеропереходов и наращивании полупроводниковых слоев на диэлектрических подложках.
Наращивание гетеропереходов применяют для создания выпрямителей, работающих на основных носителях (CdSe – Se), туннельных
диодов (GaAs – InP, CdS – ZnTe, GaAs – Ga1–x Inx As), транзисторов с
широкозонным эмиттером (GaAs – Ge), инжекционных лазеров (GaAs –
Ga 1–x Al x As), источников спонтанного излучения (GaAs – GaP, CdSe –
ZnTe, GaAs – InAs) и соответствующих микросхем. Для получения гетеропереходов применяют эпитаксию из газовой и жидкой фазы.
Гетероэпитаксия на диэлектрических подложках при изготовлении микросхем решает проблему изоляции элементов, обеспечивает
улучшение параметров, повышает степень интеграции и процент выхода годных изделий. В настоящее время наиболее освоена производством
эпитаксия кремния на сапфировых подложках (КНС), а также ведутся
исследования процессов наращивания кремниевых слоев на других изоляторах (КНИ), в том числе аморфных, что по существу не является
эпитаксией, так как исключено ориентирующее влияние подложек.
КНС-структуры получают аналогично авто-эпитаксиальным
слоям кремния. Из методов газовой эпитаксии наиболее часто применяют силановый, так как он позволяет выращивать кремний при более
низкой температуре подложек, кроме того, отпадает опасность травления сапфира, поскольку среди продуктов реакции отсутствует хлористый водород.
В отличие от кубической симметрии кремния сапфир имеет ромбоэдрическую симметрию. Кремний с ориентацией (111) выращивают на
(0001) и (1010) поверхностях сапфира. Кремний с ориентацией (100)
74
выращивают на сапфире с ориентацией (1102). Температурные коэффициенты линейного расширения кремния и сапфира различаются почти в
два раза. Эти несоответствия кремния и сапфира усложняют получение
качественных слоев. Кроме этого, в процессе роста происходит автолегирование алюминием, повышающее дефектность слоев. Автолегирование ограничивает уровень возможного легирования слоев донорными
или акцепторными примесями. Слои кремния характеризуются сравнительно высокой плотностью дефектов, которая возрастает по направлению к подложке.
Молекулярно-лучевая эпитаксия благодаря более низким температурам уменьшает автолегирование и также снижает дефекты несоответствия. Дополнительная обработка слоев кремния лазерным лучом
улучшает их качество.
Основным недостатком структур КНС пока остается высокая плотность дефектов и, как следствие, малое время жизни неосновных носителей. Поэтому они применяются для ИМ с МОП активными элементами, работающими на основных носителях.
КНИ-структуры изготавливают путем нанесения слоя аморфного
или поликристаллического кремния на изолирующие подложки и его последующей перекристаллизации. Технология изготовления КНИ появилась сравнительно недавно. Первые структуры изготавливали на термически оксидированных пластинах кремния. Затем начали применять
более дешевые подложки из ситаллов, кварца. Перекристаллизацию
кремния для формирования монокристаллического слоя выполняют подвижной полоской – нагревателем, сканированием лазерного или электронного луча и др.
6.3. Диффузионное легирование
В полупроводниках диффузия может осуществляться тремя способами (рис. 26). При обменном механизме происходит простой обмен
местами двух атомов или кольцевой обмен с участием нескольких атомов. При вакансионном механизме диффузия осуществляется путем
последовательных перескоков примесных атомов замещения из собственных узлов в вакантные (свободные) узлы. Диффузия при междуузельном механизме осуществляется в результате последовательных
переходов примеси внедрения из одного междуузлия в другое. Атомы
примеси как бы «продавливаются» между атомами, находящимися в
узлах кристаллической решетки.
75
а
б
в
Рис. 26. Механизм диффузии в полупроводниках: а – кольцевой;
б – вакансионный; в – междуузельный
Для легирующих примесей в германии и кремнии наиболее вероятен
вакансионный механизм, определяемый наличием в кристалле дефектов по Шотки и дефектов по Френкелю, т. е. наличием вакансий или
парных дефектов вакансия – атом в междуузлии. Образование таких
дефектов связано с тепловыми колебаниями решетки. С увеличением
температуры количество вакансий увеличивается в соответствии с
выражением
? E kT
n = ne ( ) ,
в
где nв – количество вакансий, см–3; e – основание натурального логарифма; Е – энергия, необходимая для образования вакансии; k – постоянная Больцмана; Т – абсолютная температура; n – количество
атомов полупроводника, находящихся в узлах кристаллической решетки.
Для образования одной вакансии необходима энергия, равная нескольким электронвольтам. При комнатных температурах количество вакансий мало, на 1015–1016 атомов полупроводника приходится одна вакансия. С увеличением температуры до 1000–1200 оС число вакансий становится сравнимо с числом атомов полупроводника. Под действием
тепловых колебаний атомы примеси могут занять место соседней вакансии и таким образом передвинуться. Вероятность перехода примеси из узла в вакантный узел р зависит от вероятности наличия соседних
вакансий и от вероятности преодоления потенциального барьера при
переходе атома на место вакансии
p ? exp ( ??E ( kT )) ,
76
где ?E – энергия активации процесса диффузии, складываемая из энергии, необходимой для образования вакансий, и энергии перехода атома
примеси из своего положения в вакантный узел. Для вакансионной диффузии в кремнии ?E= 3,5–4,3 эВ.
Наряду с диффузией легирующих примесей имеет место и диффузия
собственных атомов полупроводника – самодиффузия. В силу большей
химической связи собственных атомов процесс самодиффузии незначителен.
Многие примесные атомы первой, второй, шестой, седьмой и восьмой
групп таблицы Менделеева в кремнии занимают места в междуузлиях,
т. е. образуют твердые растворы внедрения. Диффузия этих примесей
осуществляется по междуузельному механизму. Вероятность междуузельных переходов атомов существенно больше вероятности переходов из узла в соседний узел. Поэтому диффузия примесей внедрения
происходит существенно быстрее диффузии примесей замещения.
Растворимость примесей увеличивается с повышением температуры и после достижения максимальной растворимости начинает уменьшаться. Предельной растворимостью примеси в полупроводнике называется максимально возможное количество определенной примеси в
единице объема данного полупроводника при данной температуре.
С помощью метода диффузии в полупроводник можно вводить примесь до концентраций, не больших предельной растворимости при данной температуре.
Законы диффузии Фика описывают процессы диффузионного переноса вещества.
Первое уравнение диффузии одномерной, т.е. идущей в основном
в направлении нормали к поверхности полупроводниковой пластины, определяет поток атомов примеси из области с повышенной концентрацией в область с пониженной концентрацией
dN
,
dx
где D – коэффициент диффузии, численно равный количеству атомов
примеси, проходящих за единицу времени через единичную площадку,
нормальную к направлению диффузии, при градиенте концентрации примеси dN/dx, равном единице. Знак минус в правой части уравнения указывает, что диффузионное перемещение атомов происходит в сторону
убывания концентрации.
F = ?D
77
Второе уравнение диффузии выводится из первого при допущении, что коэффициент диффузии не зависит от концентрации
dN
d 2N
=D 2 .
dt
dx
Второе уравнение Фика выражает основной закон диффузии, оно
определяет концентрацию вводимой в полупроводник примеси в любой
момент времени на любом расстоянии от поверхности при заданной
температуре диффузии. Температура входит во второе уравнение не явно,
а через коэффициент диффузии
D = D0 exp ( ??E ( kT )).
где D0 – постоянная, численно равная коэффициенту диффузии при бесконечно большой температуре; ?E – энергия активации процесса диффузии данной примеси, т.е. энергия, необходимая для перескока атома
примеси в вакантный узел решетки.
При обычных комнатных температурах диффузия в твердых телах
практически не наблюдается. Процессы диффузии в полупроводниках
ведут при высоких температурах (800–900 оС для германия и 1000–1200
оС для кремния).
Распределение легирующей примеси по глубине диффузионного
слоя N = f(х) (рис. 27) для конкретных условий диффузии находится путем решения основного уравнения.
a
б
N(x)
N(x)
N 01
N0
t1
N 02
t1
0
t2
t3 > t2 > t1
t3
t2
N 03
t3 > t2 > t1
t3
x
0
x
Рис. 27. Распределение примеси при диффузии из бесконечного постоянного (а)
и из ограниченного (б) источников
78
Для диффузии из бесконечного постоянного источника (рис. 27,а),
который обеспечивает постоянное пополнение уходящей в глубь полупроводника примеси
x
,
2 Dt
где N0 – концентрация примеси на поверхности пластины; x – глубина
диффузии; t – время процесса; erfc – условное обозначение функции
дополнения интеграла ошибок до единицы.
Для одномерной диффузии из ограниченного источника (рис. 27,б),
например, созданного в тонком приповерхностном слое пластины и защищенного маскирующей пленкой от диффузии примеси в окружающее
пространство, распределение примеси описывается уравнением Гаусса
N ( x, t ) = N 0 erfc
(
)
Q
exp ? x 2 4 ( Dt ) ,
?Dt
где Q – общее количество примеси, введенное в полупроводник через
1см2 поверхности за время диффузии. Особенностью приведенных
распределений примеси, соответствуюших дополнительной функции
ошибок и функции Гаусса, является монотонное убывание концентрации примеси от поверхности в глубь полупроводника. Поверхностная
концентрация при диффузии из неограниченного источника постоянна
независимо от времени диффузии, а при диффузии из ограниченного источника уменьшается по мере увеличения времени, так как по мере
ухода примеси в объем пластины концентрация примеси в источнике
истощается, а приток извне отсутствует. Реальные распределения примесей отличаются от расчетных. Тем не менее на практике для определения режимов диффузии часто используют решения уравнений Фика,
а результаты расчета проверяют и уточняют экспериментально.
Двухстадийная диффузия применяется в большинстве случаев с
целью получения воспроизведенных параметров легированных слоев и
невысоких поверхностных концентраций.
На первой стадии, называемой «загонкой», в тонкий приповерхностный слой полупроводниковой пластины вводится определенное количество легирующей примеси из неограниченного источника. Тем самым
создается поверхностный слой повышенной концентрации – источник
примеси для второго этапа. Поверхностная концентрация примеси после этапа загонки велика. Первая стадия обычно проводится быстро и
N ( x, t ) =
79
при сравнительно низких температурах. На поверхности кремниевых
пластин при этом образуется слой примесносиликатного стекла.
Вторую стадию диффузии – диффузионный отжиг, называемую
иногда «разгонкой», проводят с предварительным снятием или без снятия поверхностного стекла, полученного на первой стадии. Вторая стадия, как правило, совмещается со следующей операцией термического
оксидирования, т. е. процесс ведут в окисляющей среде. Диффузионный
отжиг проводится при отсутствии источника примеси, применяемого на
первой стадии. При этом происходит перераспределение введенной на
первой стадии примеси на определенную глубину – поверхностная концентрация примеси снижается за счет ухода в глубь полупроводника и в
слой растущего оксида, так как последний углубляется в пластину кремния. Температура этой стадии диффузии выше по сравнению с первой.
Техника выполнения диффузионного легирования. Основным для
проведения диффузии примесей в пластины кремния является способ
проточной трубы. Процесс диффузии предъявляет высокие требования
к источникам примесей, к чистоте подготовки полупроводниковых пластин, оснастки, кварцевой трубы. Проведение диффузии определенной
примеси осуществляется в конкретной установке, в которой не проводят диффузию другой примеси и не используют оснастку с других установок. Для предотвращения обеднения газового потока парами примеси в результате поглощения внутренними стенками кварцевой трубы,
последнюю перед проведением диффузии специально насыщают примесью. Кварцевую оснастку и контрольные термопары для измерения
температурного профиля вдоль печи и определения границ температурной зоны хранят в специальных кварцевых трубах-футлярах.
6.4. Ионное легирование
Ионное легирование осуществляется в два этапа: внедрение ионов,
отжиг.
Внедрение ионов принципиально отличается от диффузии с точки
зрения механизма процесса. Движение ионов в полупроводнике определяется их начальной кинетической энергией, а не градиентом концентрации, как при диффузии. Ионное внедрение не является равновесным
процессом, поэтому концентрации примесей легко достигают предельных значений и в некоторых случаях могут их превосходить. Ионное
внедрение – быстрый процесс, его можно проводить при комнатной температуре, применять для легирования примеси с низкими коэффициен80
тами диффузии или низкими растворимостями в твердой фазе, а также
для легирования полупроводников с низкой температурой плавления (арсенид индия) или полупроводников, диффузионное легирование которых
требует очень высоких температур (карбид кремния).
В зависимости от направления ионов внедрение может проходить по
двум механизмам, приводящим к различным глубине проникновения и
распределению примеси.
Ориентированное внедрение – когда угол между направлением
падения ионов и главным кристаллографическим направлением полупроводниковой пластины меньше критического. Движение ионов происходит по каналам.
Глубина проникновения ионов зависит от кристаллографической ориентации.
Если направление падения первоначального пучка ионов на поверхность пластины отклоняется от основного кристаллографического направления и, следовательно, от оси канала, то ионы выходят за область
канала и перемещаются по беспорядочным траекториям. В реальных
условиях, даже если угол падения отклоняется от оси канала не более
чем на критический, чистое каналирование не будет иметь место. Это
объясняется тем, что по мере внедрения с увеличением дозы облучения часть падающих на пластину ионов будет сталкиваться с поверхностными атомами. Эти ионы не попадут в каналы, а отклонятся от первоначального направления, в результате их неупорядоченного движения
будут образовываться дефектные области, которые, в свою очередь,
будут влиять на характер внедрения. При больших дозах облучения концентрация ионов в канале велика, и не все из них находятся в одинаковых условиях. Энергия ионов, движущихся по центральной части канала, теряется в основном из-за взаимодействия с электронами. Потери
энергии ионами, отклоненными от центра канала, обусловлены также
взаимодействиями с ядрами атомов. Отклонения ионов могут происходить также и при взаимодействии с тепловыми колебаниями атомов
полупроводника, дефектами решетки и др. Влияние дополнительных
причин отклонений ионов тем больше, чем дальше ион находится от
центра канала. С увеличением дозы облучения деканалирование становится более заметным и при дозах 1015?см–2 эффект каналирования практически исчезает.
Распределение ионов при ориентированном внедрении, а также условная схема движения ионов приведены на рис. 28. Первый макси81
мум распределения обусловлен отклонением ионов от направления каналирования в результате взаимодействия части из них с поверхностными атомами полупроводника. Распределение концентрации на этом
участке соответствует функции Гаусса. Второй максимум распределения обусловлен идеально каналируемыми ионами. Распределение этих
ионов негауссово. Средняя область кривой распределения обусловлена
ионами, которые попали в каналы, но не в идеальные условия. Пройдя
некоторый путь, они деканалировали и внедрились в промежутке между
двумя максимумами.
а Поверхность
пластины
б
N
1
2
3
4 5
5
4
x
Рис. 28. Условная схема движения (а) и характер распределения ионов (б) при
ориентированном внедрении: 1 – отклонения ионов при столкновении с
поверхностными атомами пластины; 2 – деканалирование ионов; 3 – идеальноканалируемые ионы; 4 – негауссово распределение; 5 – гауссово распределение
С увеличением дозы облучения вероятность рассеяния ионов на поверхности и дальнейшего деканалирования возрастает и поэтому каналирование уменьшается, второй максимум в кривой распределения внедренных ионов понижается, первый увеличивается. При большой дозе
облучения и не слишком высокой начальной энергии ионов второй максимум распределения вообще может исчезнуть на фоне деканалированных ионов.
Разориентированное внедрение ионов при угле падения больше
критического сопровождается неупорядоченным движением ионов с передачей значительной энергии. При каждом столкновении происходит
передача энергии атомам пластины и торможение движущегося иона
до тех пор, пока ион не остановится окончательно. Если передаваемая
ионом энергия превышает энергию связи атомов в решетке, атомы смещаются и покидают узлы решетки, в результате чего образуются де82
фекты Френкеля – вакансии и атомы в междуузлиях. Поскольку первичная энергия иона велика, на пути его перемещения внутри полупроводника образуются многочисленные дефекты смещений, сливающиеся в зоны размером 50–100 °A. По мере внедрения ионов количество и
размер зон с разупорядоченной кристаллической решеткой увеличиваются, и если плотность зон велика, то в определенный момент полупроводник переходит в аморфное состояние.
Критическая доза ионного облучения, при которой полупроводник
переходит из кристаллического состояния в аморфное, называется дозой аморфизации. Аморфизация поверхности кремниевой пластины под
действием ионов фосфора происходит более интенсивно, чем под действием ионов бора. Доза облучения, необходимая для аморфизации поверхности кремния, составляет 6,2?10 14 см –2.
Траектория движения ионов имеет вид ломаной линии (рис. 29), каждый прямолинейный участок которой соответствует пробегу иона до
столкновения с атомом решетки. Полная длина пробега иона до остановки складывается из отдельных участков ломаной траектории.
Зоны разупорядоченной
решетки
Полупроводник
Рис. 29. Траектория движения внедренных ионов:
отклонения атомов
полупроводника при столкновении с ионами;
траектория движения иона
Практическое значение для определения глубины внедрения ионов
имеет средняя длина проекции полного пробега на направление начальной скорости ионов. Rn – средний нормальный пробег.
Распределение ионов при разориентированном внедрении определяется законом Гаусса, так как столкновения ионов с атомами решетки
носят вероятностный характер
(
)
2
N ( x ) = ?Q ?Rn 2? ? exp ? ? ( x ? Rn ) 2?Rn 2 ? ,
?
?
?
?
83
где Q – доза облучения, см–2; ?Rn – среднеквадратическое отклонение
нормальных пробегов, см; х – глубина внедрения ионов, см.
Максимум распределений (рис. 30) соответствует не поверхности
пластин, как в случае термической диффузии, а расстоянию от поверхности, равном среднему нормальному пробегу ионов. С увеличением
энергии максимум распределения сдвигается в глубь подложки, это
позволяет получать скрытые заглубленные слои с проводимостью противоположного типа.
а
б
Np
log N
Np
log N
Nn
Rn
Nn
x
p
n
Rn
n
x
p
n
Рис. 30. Распределение ионов с низкими (а) и высокими (б) значениями энергии
при разориентированном внедрении
Преимущества и недостатки ионного легирования. Достоинства
ионного легирования: высокая точность и воспроизводимость глубины
и степени легирования за счет поддержания параметров ионного пучка;
возможность формирования практически любого профиля легирования;
возможность получения скрытых легированных областей; точное воспроизведение рисунка маски при локальном легировании; высокая производительность и легкость автоматизации; возможность выполнения
комплекса операций в одной установке.
Недостатки и ограничения ионного легирования: необходимость отжига; сложность воспроизводимого легирования слоев толщиной более
1 мкм; сложность однородного легирования пластин большого диаметра из-за расфокусировки луча при полных отклонениях, сложность оборудования.
84
7. ТИПОВЫЕ МАРШРУТЫ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СТРУКТУР
МИКРОСХЕМ
7.1. Изготовление биполярных структур
Элементы биполярных ИМ формируют в отдельных электрически
изолированных друг от друга и от общей пластины областях-карманах.
Для многих ИМ исходными заготовками являются эпитаксиальные
структуры со скрытыми n+-областями, которые уменьшают сопротивления коллекторов.
В соответствии с принципом совместимости элементов одновременно
с транзисторами формируют диоды, резисторы, конденсаторы. На заключительных стадиях маршрута выполняют металлизацию: контакты к
активным областям, проводящие дорожки между элементами, контактные площадки для внешних электрических соединений.
Напомним, основу процессов изготовления полупроводниковых ИМ
составляют эпитаксия, планарная и мезатехнологии. Контактные маски
в подавляющем большинстве формируют из диоксида кремния. Пленка диоксида кремния из акцепторных примесей маскирует только от
бора. Алюминий, индий, галлий имеют в пленке высокий коэффициент
диффузии. Для защиты от диффузии этих примесей используют маски
из нитрида кремния. Чаще других донорных примесей применяют фосфор, он имеет больший коэффициент диффузии, чем сурьма и мышьяк, и
большую предельную растворимость в кремнии, чем сурьма.
Изготовление биполярных ИМ с изоляцией р-n переходами. Рассмотрим наиболее технологичные и хорошо освоенные производством
процессы, в которых изоляция создается с помощью диффузии на всю
глубину эпитаксиальных слоев. В результате диффузии получают карманы, окруженные р-n переходами.
Изготовление биполярных ИМ методом разделительной диффузии насквозь эпитаксиального n-слоя (рис. 31) состоит из двух этапов: изготовления эпитаксиальной структуры со скрытыми n+-областями (а – в) и изготовления биполярной ИМ на этой структуре (г – з).
85
а
3–25 мкм
в
p+
n
Si
p
б
д
n+
Si
p
г
ж
n
n+
p
е
n
n+
Si
p
Si
Si
n+
p
n
p+
p
n+
p
n
+
Si
з
n+
p
p+
n
Si
p+
n+
p+
p
K
p+
Si
p+
Э Б
n+ n+
p
n
+
n
p+
p
Рис. 31. Схема изготовления эпитаксиально-планарной биполярной ИМ с
помощью разделительной диффузии: а – термическое оксидирование и первая
фотолитография; б – локальная диффузия; в – эпитаксия; г – термическое
оксидирование и вторая фотолитография; д – разделительная диффузия;
е – формирование базовых областей; ж – формирование эмиттерных и приконтактных областей коллекторов; з – формирование металлизации
Эпитаксиальные структуры обычно изготавливают в отдельном процессе. Легирующая примесь для скрытых n+-областей должна иметь
высокую растворимость в кремнии при малой глубине диффузии. Вместе с тем чтобы не происходило передвижение границы скрытого коллекторного слоя при последующих термообработках, примесь должна
иметь по возможности минимальный коэффициент диффузии. Поверхностная концентрация скрытого слоя не должна быть слишком высокой,
так как это увеличивает диффузию в растущий эпитаксиальный слой, а
также механические напряжения и плотность дислокаций, вызванные
несоответствием атомных радиусов кремния и примеси.
В связи с этим для получения скрытого n+-слоя применяют сурьму
и мышьяк, которые имеют меньшие, чем фосфор, коэффициенты диффузии. Однако при использовании мышьяка в скрытых слоях наблюдается большое количество дефектов. Поэтому для создания высоковольтных биполярных микросхем скрытые слои легируют преимущественно сурьмой. Типичное поверхностное сопротивление скрытого слоя составляет 15–50 Ом/м, толщина слоев 2–5 мкм.
Эпитаксиальный n-слой выращивают обычно хлоридным методом.
Толщина слоя 3–25 мкм в зависимости от назначения ИМ. Распределе86
ние примеси равномерное, уровень легирования 1015–1016 см–3. Концентрация примеси выбирается оптимальной, чтобы, с одной стороны, не
было большим сопротивление тела коллектора, а с другой стороны, не
была большой паразитная емкость база-коллектор, ограничивающие быстродействие биполярного транзистора.
Изготовление структуры ИМ на полученной заготовке включает разделительную диффузию акцепторной примеси и формирование транзисторов и других элементов в n+ n-карманах. Базовые, эмиттерные и приконтактные области формируются локальной диффузией с использованием контактных масок из диоксида кремния. Диффузионное распределение примеси в базе приводит к возникновению внутреннего электрического поля, ускоряющего движение неосновных носителей от эмиттера к коллектору и благодаря этому увеличивающего быстродействие
микросхем.
Для формирования эмиттерных областей в качестве легирующей примеси применяют фосфор. Одновременно получают n+-области под омические контакты коллекторов. Процесс заканчивается металлизацией и
защитой структур. Защитная пленка на рисунке не показана.
По рассмотренной технологии изготавливают ИМ первой и второй степеней интеграции. Возможности процесса для получения более высоких степеней интеграции ограничены из-за ряда недостатков ИМ: наличия больших токов утечки; большой площади изолирующего р-n перехода, а следовательно, и емкости паразитной связи;
сравнительно низких пробивных напряжений; наличия паразитных
транзисторов р-n-р между базой и изолирующим р+- слоем; низкой
радиационной стойкости.
7.2. Изготовление МОП-структур
Наиболее широко в составе ИМ применяются МОП-транзисторы с
индуцированными каналами, так как они позволяют наиболее просто
осуществлять согласование схем между собой и реализовывать универсальные логические функции. Первыми в промышленном производстве были р-МОП-ИМ, т. е. ИМ на транзисторах с р-каналами. Изготовление n-МОП-ИМ затруднено возникновением на поверхности р-Si
при термическом оксидировании инверсного n-слоя, который электрически связывает элементы ИМ. Благодаря совершенствованию технологии в настоящее время в производстве преобладают n-канальные ИМ,
87
имеющие большее быстродействие благодаря высокой подвижности
электронов. Наряду с ИМ, содержащими транзисторы с каналами одного типа, изготавливаются также комплементарные микросхемы
КМОП-ИМ, содержащие транзисторы с каналами противоположных
типов.
МОП-ИМ изготавливаются по планарной и эпитаксиально-планарной технологии. Благодаря более простой конструкции МОП-транзистора и самоизоляции элементов общее количество технологических операций уменьшается по сравнению с биполярной технологией. Это повышает выход годных и уменьшает стоимость ИМ.
Наиболее ответственные моменты в технологии МОП-ИМ: создание подзатворного оксида, точное совмещение затвора с каналом и получение структур с малой длиной канала.
Подзатворный оксид является составной частью активного элемента ИМ, к нему предъявляются более жесткие требования, чем к
материалу контактной маски: высокая электрическая прочность, минимальный заряд в объеме и на границе Si – SiO2, максимальная стабильность свойств и др. Плотность поверхностного заряда для (100) Si составляет 1,4?10–8 Кл/см2, для (111)Si–8?10–8 Кл/см2. Именно поэтому предпочтительным является (100) Si.
3атвор не должен перекрывать области истока и стока, так как возникающие паразитные емкости уменьшают быстродействие ИМ. Если
же длина затвора меньше длины канала, цепь исток-сток разомкнута.
Длина канала определяет время пролета носителей тока от истока
к стоку и, следовательно, быстродействие МОП-ИМ. Повышение быстродействия МОП-ИМ расширяет области их применения, а малая площадь на один элемент и простота технологии позволяют реализовывать
высокую степень интеграции. МОП-структуры составляют основу большинства больших и сверхбольших ИМ.
Изготовление толстооксидных р-МОП-ИМ и n-МОП-ИМ. Рассмотрим наиболее простые типовые процессы изготовления ИМ с металлическими затворами и толстой пленкой оксида между металлизацией и пластиной кремния. Это уменьшает паразитные емкости, а также дает некоторые другие преимущества перед ранее применяемой
тонкооксидной технологией.
МОП-ИМ с р-каналами изготавливают по планарной технологии
(рис. 32). Локальная диффузия и выращивание толстого оксида могут
88
проводиться одновременно или раздельно. Во втором случае оксид осаждают из парогазовой фазы. Толщина конечного оксида над активными
областями истоков и стоков около 1 мкм, над исходной поверхностью
n-кремниевой пластины – 1,5 мкм.
а
в
Si
n
б
д
Si
p+
p+
Si
n
г
1,5 мкм
е
p+
и
p+
з
n
с
n+
Si
n
Si
p+
p+
n
Si
p+
p+
2–3 мкм n
Рис. 32. Схема изготовления толстооксидных МОП-ИС с р-каналами:
а – выращивание маскирующего оксида; б – первая фотолитография;
в – локальная диффузия, выращивание толстого оксида; г – вторая фотолитография; д – выращивание тонкого подзатворного оксида; е – третья фотолитография, формирование затворов и металлизации
Наиболее сложным является проведение фотолитографии для
вскрытия окон под тонкий оксид и последующее травление толстого
оксида.
Благодаря созданию толстого оксида под металлизацией параметры микросхем существенно улучшаются. Однако проблема получения минимального перекрытия областей истоков и стоков затворами
не решается, так как совмещение каналов с затворами здесь выполняется с помощью фотолитографии и затруднено из-за неопределенности расположения боковых границ р-n-переходов истоков и стоков,
а также из-за необходимости травить толстый оксид.
При толщине подзатворного оксида 0,1 мкм перекрытие канала
затвором составляет 2–3 мкм. Вместе с тем технология изготовления р-МОП-ИМ сравнительно простая, обеспечивает большой процент годных и низкую стоимость изделий. МОП-ИМ с р-каналами
широко используются в недорогих калькуляторах.
89
7.3. Типовые маршруты
технологии тонкопленочных структур
Изготовление тонкопленочных структур с помощью свободных масок. Свободные металлические маски для получения топологии элементов можно использовать только в сочетании с методами термовакуумного напыления и ионно-плазменного распыления. При
получении тонких пленок методом катодного распыления применять
металлические свободные маски нельзя, так как они искажают электрическое поле между катодом и анодом. В результате энергия бомбардирующих катод ионов аргона или другого ионизированного газа
резко уменьшается, что приводит к значительному уменьшению скорости осаждения пленок или к полному прекращению процесса. Применение не искажающих электрическое поле свободных масок из диэлектрических материалов, например из фотоситалла, пока ограничено сложностью их технологии.
Изготовление тонкопленочных структур может выполняться в непрерывных, раздельных и комбинированных вакуумных процессах.
При непрерывных вакуумных процессах все технологические
слои структуры получают в одной установке без разгерметизации
вакуумной камеры. Исключается взаимодействие наносимых пленок с воздухом. Общее время процесса напыления уменьшается. Однако непрерывный способ требует сложной внутрикамерной арматуры, работа которой в условиях повышенных температур и высокого
вакуума затруднена. Для уменьшения взаимного загрязнения пленок
необходима надежная экранировка подложек и испарителей, кроме
того, контроль пленок затруднен.
При раздельных вакуумных процессах каждая пленка наносится в отдельной вакуумной установке. Этим уменьшается взаимное
загрязнение пленок.
Внутрикамерные устройства более просты по сравнению с устройствами для непрерывного напыления. Возможен межоперационный контроль. Совмещение слоев упрощается, так как производится
на воздухе. К недостаткам раздельного способа относятся возможность загрязнения пленок при переносе в следующие вакуумные камеры и длительность общего процесса из-за неоднократной откачки
и разгерметизации.
90
Комбинированные вакуумные процессы применяются наиболее
часто. Рассмотрим такой процесс на примере изготовления тонкопленочной структуры RC-ИМ (рис. 33).
a
I
б
R
1
2
3
4
5
6
III
III
C
II
II
I
Рис. 33. Принципиальная электрическая схема (а) и топология (б) тонкопленочной RC-ИМ: 1 – резистор (хром); 2 – проводящие дорожки и контактные
площадки (медь с подслоем хрома); 3 – нижняя обкладка конденсатора (алюминий); 4 – диэлектрик конденсатора (монооксид германия); 5 – верхняя обкладка конденсатора (алюминий); 6 – защитный слой (монооксид кремния)
Изготовление тонкопленочных структур с применением фотолитографии. Фотолитография – сложный и дорогостоящий процесс,
поэтому ее применяют только тогда, когда с помощью свободных масок нельзя получить сложную топологию и высокую точность номиналов элементов.
Схема изготовления тонкопленочных R-структур с помощью
фотолитографии (рис. 34) включает два этапа. Cначала получают проводники и контактные площадки из золота с подслоем хрома, обеспечивающим хорошую адгезию к пленке резисторов из сплава МЛТ-3. Затем с помощью второй фотолитографии завершают формирование резисторов. Проводники на рисунке не показаны. Основной сложностью
является выбор травителя, избирательно удаляющего только нужный
материал и не ухудшающего параметры присутствующих пленок. Этим
объясняется практическая неприменимость прямой фотолитографии для
формирования многослойных элементов, например конденсаторов.
В связи с трудоемкостью технологический процесс применяют в
случае, когда он экономически оправдан высокими электрофизическими параметрами и высоким процентом выхода годных ИМ.
91
ж
а
Ситалл
Ситалл
б
з
Ситалл
Ситалл
в
Ситалл
и
г
Ситалл
Ситалл
к
д
Ситалл
Ситалл
е
л
Ситалл
МЛТ-3
Au
Cr
Ситалл
Рис. 34. Схема изготовления тонкопленочных R-ИМ с помощью фотолитографии: а – нанесение сплошных пленок МЛТ-3, Cr, Au и формирование фотослоя; б – экспонирование; в – проявление; г – локальное травление пленки
золота; д – удаление фотомаски; е – травление пленки хрома; ж – формирование фотослоя; з – экспонирование; и – проявление; к – локальное травление
сплава МЛТ-3; л – удаление фотомаски
Заключительные операции типовых маршрутов изготовления
тонкопленочных структур. В экономически обоснованных случаях в
технологические маршруты вводят специальные операции, обеспечивающие стабильность и точность значений параметров пленочных
92
элементов. Нестабильность параметров пленок обусловлена наличием
термодинамически неустойчивых дефектов структуры, микронеоднородностей, неравновесностью фазового состояния и др.
Стабилизация параметров резисторов обеспечивается отжигом или
токовой обработкой. Отжиг в вакууме непосредственно после нанесения пленки увеличивает размер зерна и уменьшает сопротивление. При
отжиге на воздухе повышение стабильности достигается оксидированием поверхности, что снижает изменения свойств пленки при эксплуатации ИМ. Термотоковая стабилизация сопровождается упорядочением структуры и оксидированием поверхности.
Стабилизация параметров конденсаторов выполняется термообработкой и импульсной токовой тренировкой, при которой происходит «залечивание» дефектных мест диэлектрика металлом обкладок.
Подгонка номиналов элементов после их получения является важным преимуществом пленочной технологии. Подгонка элементов может быть предусмотрена топологией и выполняться путем перерезания
или подпайки специальных перемычек. Такая подгонка обеспечивает
дискретное изменение параметров в сторону увеличения или уменьшения номинала.
Плавная подгонка обеспечивается удалением части пленки резистора или верхней обкладки конденсатора, изменением поперечного сечения резистора в результате оксидирования, изменением структуры
пленки.
Групповая, т. е. одновременная для всех элементов, подгонка недостаточно эффективна, так как достигаемая точность значений сопротивлений в лучшем случае составляет единицы процентов. Осуществляется она оксидированием, стравливанием и отжигом.
Индивидуальная последовательная подгонка элементов компенсирует и систематические, и случайные составляющие погрешности технологического процесса, и благодаря этому достигается высокая точность номиналов элементов. Наиболее производительным и широко применяемым в промышленности является метод лазерной подгонки.
Достоинством его являются высокая точность, обусловленная возможностью строгой дозировки воздействия лазерного луча на пленку, и простота автоматизации процесса. С помощью лазерного луча можно удалять часть резистивной пленки или облучать пленку, нагревая ее без
разрушения с целью изменения структуры. В обоих случаях точность
93
подгонки величины сопротивления под номинал может составлять 0,1%.
Комбинируя поперечное и продольное движение луча по пленке, можно
подгонять резисторы с большим отклонением сопротивлений от номиналов. Импульсное тепловое воздействие луча лазера можно локализовать в малой зоне, что позволяет в схемах большой степени интеграции
со сложной топологией подгонять каждый резистор отдельно. Для подгонки резисторов применяют полуавтоматические и автоматические
лазерные установки “Темп-10”, “Темп-30” и др. Производительность
установки “Темп-10” при длине реза 1 мм составляет 600 резисторов в
час. Точность подгонки 0,5%. Для подгонки тонкопленочных конденсаторов используют импульсный разряд, выжигающий слабые области диэлектрического слоя, а также лазерную подгонку для удаления части
верхней обкладки.
Защита тонкопленочных элементов обеспечивается пленками
монооксида кремния, оксидами алюминия и тантала, фоторезистом,
дополнительным слоем припоя, полимерными пленками, например
пленкой эпоксидной смолы. После контроля структур по внешнему
виду и на функционирование они передаются на герметизацию или
сборку ГИМ.
7.4. Типовой маршрут технологии толстопленочных структур
Понятия тонко- и толстопленочная технологии характеризуют толщину пленок, а также способы их нанесения и применяемые материалы. Значительные успехи, достигнутые за последние годы в области
материалов, технологии, конструирования и схемотехники, позволили
повысить качество и расширить области применения толстопленочных
ИМ и ГИМ от промышленной автоматики до бытовой аппаратуры. До
недавнего времени при создании СВЧ-ИМ предпочтение отдавали тонкопленочным структурам. В настоящее время созданы ИМ на толстых
пленках, работающие в диапазоне частот 1–18 ГГц. Толстопленочные
ГИМ выгодны при умеренно высоких мощностях рассеивания
(2,5–4,0 Вт/см2), а также когда число резисторов велико, а число активных элементов сравнительно мало.
Преимущества толстопленочной технологии перед тонкопленочной:
– трудоемкость толстопленочной технологии в три раза ниже;
– толстопленочная технология менее дорогостоящая, так как ниже
стоимость производственных помещений, оборудования и материалов,
94
меньше нерациональный расход материалов, высокий выход годных,
достигающий 80–100%;
– толстопленочная технология технически более проста, не требует
высококвалифицированных операторов;
– толстопленочная технология менее чувствительна к загрязнениям
окружающего воздуха, так как посторонние частицы выгорают при термообработке паст, а толщина пленок во много раз превышает размеры
загрязняющих частиц;
– в толстопленочной технологии возможны контроль и исправление
брака после каждой операции;
– толстопленочные элементы, обладая высокими техническими характеристиками и надежностью, могут работать в жестких условиях от
–180 до +300оС при резком перепаде температур, что не выдерживают
тонкопленочные элементы;
– относительно большая толщина пленок от 12 до 25 мкм позволяет
уменьшать вредные наводки и паразитные емкости, что очень важно
для создания многоуровневой металлизации с высокой надежностью;
– толстые пленки выдерживают высокое рассеяние энергии и поэтому предпочтительнее тонких пленок при изготовлении мощных ИМ.
Пасты, являющиеся исходными материалами для формирования
толстопленочных элементов, содержат три основных компонента: функциональную, конструкционную и технологическую составляющие.
Функциональная составляющая придает пасте необходимые проводниковые, резистивные, диэлектрические свойства. Для проводниковых
паст в качестве функциональной основы используют серебро, палладий,
золото, системы и сплавы на их основе, а также неблагородные металлы: медь, никель, алюминий, молибден. Они обеспечивают не только
меньшую стоимость паст, но и в ряде случаев лучшие параметры и
стабильность при высоких температурах. Медь, например, является
единственным металлом с высокой электропроводностью, к которому
можно подсоединять внешние выводы как сваркой, так и пайкой. Кроме
того, медь имеет хорошую адгезию к алюмокерамическим подложкам,
высокие теплопроводность, стойкость к выщелачиванию, радиации и
хорошие свойства в диапазоне СВЧ.
Для резистивных паст широко используют: палладий и оксид серебра (серебряно-палладиевая паста); оксид рутения; рутенаты свинца и
висмута; оксиды таллия, кадмия, индия.
95
Диэлектрические пасты для конденсаторов в качестве функциональной составляющей содержат порошки сегнетоэлектриков, например титаната бария BaTiO3, оксид иттрия Y2O3 для CВЧ - ИМ. Пасты для
межслойной изоляции и защиты изготавливают на основе стекол, ситаллоцементов.
Конструкционная составляющая обеспечивает равномерное распределение функциональных частиц и адгезию пленки к подложке, в процессе формирования пленки не удаляется и остается в готовом элементе. Наиболее широко применяются свинцовоборосиликатные стекла.
Технологическая составляющая – это временные органические связующие и растворители, которые вводятся для обеспечения равномерного распределения компонентов в процессе приготовления пасты, для
получения определенной консистенции и придания пасте оптимальной
вязкости. После нанесения пасты на подложку они полностью удаляются в процессе термообработки. При неполном удалении органических
связующих в слое диэлектрика, например углерода, резко повышается
электропроводность.
Подложки для толстоленочных структур, в основном, изготавливаются из алюмокерамики марки 22ХС, состоящей из оксидов: алюминия – 94,4%, кремния – 2,76%, марганца – 2,35%, хрома – 0,49%.
Типовой маршрут изготовления толстопленочных структур.
Основу толстопленочной технологии составляет трафаретная печать,
число повторений которой в процессе изготовления ИМ (рис. 35) соответствует количеству технологических слоев. Из приведенной схемы
рассмотрим лишь основные этапы изготовления пассивной части ИМ,
так как далее структуру передают на сборку.
Изготовление паст включает изготовление компонентов и получение их гомогенных смесей. Обычно изготовители ИМ получают пасты
готовыми с других предприятий.
Изготовление компонентов заключается в получении мелкодисперсных порошков составляющих и стекла определенного гранулометрического состава. Мелкодисперсные порошки серебра и палладия получают химическим восстановлением из соответствующих растворов при
повышенных температурах. Полученное восстановлением серебро или
палладий тщательно промывают дистиллированной водой. Сверхтонкие порошки металлов для резистивных паст могут быть получены с
помощью электролиза растворов так, чтобы катодный осадок получался очень пористым.
96
Изготовление
паст
Изготовление и
очистка подложек
Трафаретная печать
Термообработка
Подгонка резисторов
Изготовление
масок
Повторение для проводников, контактных площадок, нижних обкладок,
диэлектриков, верхних
обкладок, резисторов
Защита
Монтаж навесных элементов
Подсоединение выводов
Герметизация
Контроль
Рис. 35. Схема изготовления толстопленочных ГИМ
Стекло входит в состав паст также в виде мелкодисперсного порошка. После варки стекла производят фриттование – расплавленное стекло выливают в воду для растрескивания или распыляют сжатым воздухом. Затем производят помол в вибромельницах. Процесс можно интенсифицировать путем добавления жидкости, хорошо смачивающей
частицы, подвергающиеся помолу. Жидкость, проникая в микротрещины частиц, оказывает расклинивающее действие и способствует получению более мелких частиц. Помол применяется также для получения
мелкодисперсных порошков керамических наполнителей для диэлектрических паст.
После сушки порошок просеивают, упаковывают в тару и передают
на операцию получения гомогенных смесей.
Приготовление гомогенных смесей микропорошков компонентов
стекла и органических связующих выполняется их перемешиванием на
специальной пастотерке. При перемешивании необходимо обеспечивать
местный отсос воздуха и избегать высоких скоростей, так как возможно внедрение в пасту воздуха.
97
После перемешивания производится контроль вязкости пасты. Готовые пасты упаковываются в плотно закрывающуюся тару. По мере употребления и при хранении растворители испаряются и поэтому необходимо корректировать вязкость паст добавлением растворителей и дополнительным перемешиванием.
Трафаретная печать осуществляется на специальных печатных
автоматах или полуавтоматах двумя способами: бесконтактным или
контактным.
При бесконтактном способе сетчатая маска располагается на фиксированном расстоянии от подложки. Подложка закрепляется с помощью механического держателя или вакуумного прижима. Продавливание пасты сквозь отверстия маски осуществляется с помощью специальной лопаточки-ракеля (рис. 36). Лезвие ракеля изготавливают из прочных и упругих материалов, стойких к воздействию органических растворителей. Наиболее широко используют полиуретан и фторкаучук. Угол
ракеля при вершине составляет 90 или 60о. Перемещаясь по поверхности маски, ракель гонит впереди себя волну пасты и одновременно надавливает на маску. Маска прогибается и касается подложки. Под действием возникающего гидромеханического давления паста заполняет
отверстия сетки в местах касания с подложкой и продавливается. По
мере ухода ракеля маска выпрямляется, оставляя на подложке рисунок
нанесенной пасты.
Р
5
V
1
2
?
4
3
Рис. 36. Схема процесса бесконтактной трафаретной печати: 1 – ракель;
2 – паста; 3 – подложка; 4 – отпечаток пасты; 5 – маска; V– скорость движения
ракеля; ? – угол встречи ракеля с поверхностью подложки; Р – давление
Необходимым условием получения качественного отпечатка с четким краем рисунка является использование паст с хорошими тиксотропными свойствами.
Размеры маски приблизительно в 4 раза превосходят размеры подложки, поэтому в процессе нанесения пасты рабочая часть ракеля не
98
доходит до краев маски. Этим обеспечивается обратимая деформация
и равномерный прогиб маски в процессе нанесения паст.
Термообработка паст включает две операции: сушку и вжигание.
Сушка необходима для постепенного удаления из пасты летучих компонентов. При быстром удалении растворителя в пленке появляются вспучивания, могут возникнуть раковины и пустоты. Сушку проводят при
температурах 80–150 оС в течение 5–15 мин в печах или под инфракрасными лампами. Инфракрасные лучи проникают в глубь слоя пасты
и сушат его равномерно без образования затрудняющей сушку поверхностной корочки.
Вжигание паст проводят в конвейерных электропечах непрерывного действия. Перед входом в печь часто устанавливается дополнительная приставка для выполнения сушки с тем, чтобы весь процесс термообработки выполнять на одной конвейерной ленте за один цикл. Схема
конвейерной печи и приблизительный температурно-временной режим
приведены на рис. 37. Подложки, размещенные на конвейерной ленте,
поступают в муфель печи. Навстречу движению подложек печь продувают сухим воздухом под давлением. Воздух с выделившимися при
термообработке газами выходит через отверстие в муфеле в вытяжную вентиляционную систему.
а
2
3
4
5
1
6
б
Т 0С
700–1000
350
Спекание
Охлаждение
Сушка и вжигание
органической
связки
Длина рабочей зоны печи
Рис. 37. Схема конвейерной печи термообработки паст (а) и характер распределения температуры вдоль печи (б); 1 – конвейерная лента; 2 –вентилляционная система; 3 – кварцевый муфель печи (рабочие зоны); 4 – сухой воздух;
5 – воздушная завеса; 6 – вентилятор
99
Для предотвращения попадания внутрь муфеля воздуха из производственного помещения у входа печи с помощью вентилятора устанавливается воздушная завеса. Процесс вжигания паст проводится в два этапа.
Первый этап – выжигание из пасты органической связки ведут при
медленном подъеме температуры до рабочей 300–350оС, чтобы в пленках не возникали сквозные отверстия, что особо нежелательно для диэлектрических паст из-за возможности закорачиваний по этим дефектам.
Второй этап – спекание паст, проводится при существенно более
высоких температурах 700–1000оС (в зависимости от типа паст) и более критичен к колебаниям температуры не только вдоль печи, но и в
поперечном сечении. При подъеме температуры от 350 до температуры спекания со скоростью 50–60оC/мин происходит размягчение, а затем расплавление постоянной стеклянной связки и образование суспензии с частицами функциональных компонентов. Металлические частицы паст в процессе термообработки спекаются, образуя более крупные
зерна.
После спекания подложки охлаждаются и снимаются с конвейерной
ленты печи. Максимальная температура вжигания указывается в паспорте на каждую пасту.
Нанесение паст и термообработка проводятся в последовательности уменьшения температуры вжигания. При этом должна учитываться способность паст выдерживать повторные нагревы без растекания. В отдельных случаях возможно совмещать вжигание паст, для
которых раздельно выполнены трафаретная печать и сушка.
Подгонка толстопленочных элементов. Подгонка резисторов и
конденсаторов толстопленочных структур принципиально не отличается от тонкопленочных. Резисторы подгоняют, удаляя часть их материала или изменяя его структуру, при этом сопротивление возрастает или
уменьшается. Подгонка конденсаторов состоит в удалении части верхней обкладки, что приводит к уменьшению емкости.
Защита толстопленочных элементов. Для защиты толстопленочных элементов от влаги и окружающей среды применяют глазуревые
покрытия, которые также наносят методом трафаретной печати. Наиболее широко применяют низкотемпературные стекла с большим содержанием свинца. Для увеличения стойкости глазури к химическим
100
воздействиям в состав стекла добавляют тугоплавкие соединения. Регулирование ТКЛР стекла осуществляется введением оксида циркония.
Процесс термообработки защитного покрытия проводят при температурах не более 500оС. При более высоких температурах наблюдаются
изменения параметров резисторов. Правильно отожженые защитные
пленки полупрозрачны и имеют матовую поверхность. Для удобства
сборки различные структуры защищают пастами разного цвета.
101
8. СБОРКА МИКРОСХЕМ
8.1. Разделение пластин и подложек
Подготовка к сборке ИМ. После автоматического зондового контроля электрических параметров готовых структур ИМ пластины пли подложки разделяют на единичные структуры: кристаллы или платы. Важным для
последующей сборки является сохранение после разделения ориентации,
т. е. взаимного расположения кристаллов, плат. Это особенно относится к
пластинам. Именно поэтому пластины помещают на липкие эластичные
ленты и разделяют не на всю толщину, а резкой или скрайбированием наносят механически ослабляющие материал риски.
Скрайбирование произошло от английского слова scribe – царапать.
На этой ленте выполняют разламывание пластин на кристаллы, гидромеханическую очистку от загрязнений деионизованной водой, сушку, визуальный контроль. В процессе визуального контроля отсортировывают
отмеченный маркерной краской брак по электрическим параметрам, а
также образцы с механическими повреждениями. При равномерном растяжении эластичной ленты кристаллы раздвигаются, что делает удобным их захват инструментом для перемещения на следующую операцию – монтаж кристаллов.
Для разделения подложек и пластин применяют абразивную обработку, обработку лазерным лучом, химическое травление.
Абразивная резка. С помощью абразивной резки можно разделять
пластины и подложки из любых материалов.
Резка дисками с внешней режущей кромкой (рис. 38) широко применяется в промышленном производстве для сквозного разделения пластин и для получения рисок.
Диск с внешней режущей кромкой закрепляется на шпинделе станка
своей центральной частью. Жесткость режущей кромки обеспечивается его конструкцией. Режущая кромка выступает за наружный диаметр
прижимных фланцев не более чем на 1,5 глубины резания. Минимальная толщина кромки при резке пластин кремния 0,036 мм.
102
1
2
3
4
5
6
Рис. 38. Схема резки диском с внешней алмазосодержащей режущей кромкой:
1 – сопло подачи смазывающе-охлаждающей жидкости; 2 – режущая кромка
диска; 3 – основа диска; 4 – разрезаемая пластина; 5 – клеящий материал;
6 – оправка для закрепления пластины
Скрайбирование алмазным резцом в промышленном производстве применяется, в основном, для разделения диэлектрических подложек
(рис. 39). Сравнительно недавно этот метод широко применялся при разделении полупроводниковых пластин. В настоящее время он не удовлетворяет производство по двум основным причинам: небольшая глубина риски не
обеспечивает качественное разламывание толстых пластин большого диаметра, невертикальность боковых граней затрудняет перенос кристаллов
инструментом при автоматической сборке. Наклон боковых граней кристаллов объясняется тем, что разламывание пластин после скрайбирования
происходит по плоскостям спайности кристалла.
a
б
3
2
V
4
1
Рис. 39. Скрайбирование алмазным резцом: а – нанесение рисок;б – подложка с
рисками; 1 – режущая грань резца; 2 – линии реза; 3 – отдельные платы;
4 – подложка
Лазерное разделение пластин и подложек. Разделение с помощью лазерного излучения относится к бесконтактным способам, при
103
которых отсутствует механическое воздействие на обрабатываемый
материал. Разделение можно выполнить либо с предварительным получением рисок (лазерное скрайбирование), либо путем сквозного прохода всей толщи материала (лазерная резка).
Образование рисок происходит в результате испарения материала
сфокусированным лазерным лучом большой мощности. При сквозной
резке имеет место также и плавление.
К недостаткам лазерного разделения относятся: высокая стоимость
и сложность оборудования; необходимость защиты поверхности специальной пленкой от загрязнений продуктами испарения и расплавления,
возникновение зоны со структурными нарушениями кремния, сложность
разделения толстых пластин диаметром более 100 мм.
Разламывание пластин. После скрайбирования пластины или подложки разламывают по ослабленным рисками линиям.
При ручном разламывании цилиндрическим валиком прокатывают по пластине, расположенной на толстом пружинящем основании –
резине (рис. 40). Направление движения валика должно точно совпадать с направлением рисок. Пластину или подложку сначала разделяют
на полосы, затем при повороте на 90о – на кристаллы или платы. При
ручном разламывании валиком качество выполнения операции зависит
от искусства оператора. При движении валика не вдоль рисок или при
неблагоприятном распределении механической нагрузки возможно разламывание не по рискам, а также сколы и ломка кристаллов. Способ изP
5
V
1
2
4
3
Рис. 40. Разделение скрайбированных пластин с помощью подпружиненного
ролика: 1 – ролик; 2 – пленка полиэтилена; 3 – опора; 4 – линия разделения;
5 – пластина.
104
за малой производительности и невысокого качества разламывания применяется в мелкосерийном производстве и в лабораториях.
При разламывании на полусфере (рис. 41) производительность повышается и исключается влияние оператора на качество выполнения
операции. Разламывание происходит одновременно по всем рискам в
результате обжатия пластины по сферической поверхности с помощью
хорошо растягивающейся эластичной мембраны. Давление от мембраСжатый
воздух
(жидкость)
1
2
3
4
Рис. 41. Разделение скрайбированных пластин на полусфере: 1 – гибкая мембрана; 2 – пластина; 3 – полусфера; 4 – выход воздуха
ны на разделяемую пластину передается гидравлическим способом или
сжатым воздухом.
Способ применяют для разламывания пластин диаметром не более
76 мм на кристаллы квадратной формы, так как при больших диаметрах пластин периферийные кристаллы крошатся, а качество прямоугольных кристаллов низкое.
Контроль после разламывания выполняется визуально с помощью
микроскопа с увеличением 100 – 200 х. Отбраковывают неразделенные
кристаллы, разделенные не по риске, с недопустимыми сколами, повреждениями металлизации и др.
Химическое разделение. Разделение путем сквозного химического
травления применяется в настоящее время сравнительно редко для полупроводниковых структур и предусматривает соответствующее предварительное маскирование поверхности, для чего проводится процесс
фотолитографии.
105
Применение пластин большого диаметра до 150 мм и более и производство на них сверхбольших ИМ требуют немеханических способов
разделения. Видимо, сквозное анизотропное травление, лазерная резка
и другие способы будут разрабатываться и совершенствоваться.
8.2. Методы сборки
Пайка, сварка и склеивание являются основными методами выполнения сборочных операций: монтаж кристаллов и плат, подсоединение
проволочных выводов, герметизация корпусов.
Пайка. Процесс получения неразъемного соединения деталей путем
нагрева и последующего охлаждения при наличии между ними промежуточного материала – припоя называется пайкой.
При нагреве до температуры плавления припоя между ним и соединяемыми деталями одновременно происходят: растворение соединяемых материалов в жидком припое, диффузия припоя в соединяемые
материалы с образованием твердого раствора, химическое взаимодействие припоя с материалами соединяемых деталей с образованием интерметаллических соединений. При охлаждении припой кристаллизуется у поверхностей соединяемых деталей, вступая с ними в прочную
металлическую связь. Поверхности соединяемых деталей должны быть
тщательно очищены от оксидов и загрязнений. Растворимость материалов деталей в расплавленном припое должна быть достаточной для
образования прочного соединяющего шва.
Припой должен иметь температуру плавления намного ниже температур плавления материалов соединяемых деталей. Он должен хорошо
смачивать соединяемые поверхности, растекаться, заполняя между
ними весь промежуток. Поверхность припоя должна быть свободна от
оксидов и загрязнений. Температура полученного паяного шва должна
быть по возможности невысокой, чтобы не ухудшить параметры готовых структур. Припой не должен изменять своих свойств при рабочих
температурах ИМ (125оС для кремниевых).
В зависимости от температуры плавления припоев различают пайку
низкотемпературную (до 450оС) и высокотемпературную (свыше 450оС).
К мягким или низкотемпературным припоям относятся сплавы олова со свинцом (ПОС-40: 40% Sn +60% Pb; ПОС-61: 61% Sn + 38,2% Pb
+ 0,8% Sb), олова с висмутом (ПОВи-05: 99,6–99,4%Sn + 0,4–0,6% Bi) и
др. К низкотемпературным припоям относятся также, широко применя106
емые в производстве полупроводниковых приборов и ИМ, эвтектические сплавы Au + Si и Au + Ge.
Эвтектическими называют сплавы, в которых происходит одновременная по всему объему кристаллизация компонентов при самой низкой
для данной системы эвтектической температуре.
К твердым или высокотемпературным припоям относятся сплавы
на основе серебра ( ПСр-45: 45% Ag + 30% Cu + 25% Zn; ПСр-72: 72%
Ag + 28% Cu) и др.
Припои для выполнения пайки применяют в виде таблеток, прокладок, покрытий на соединяемые детали или локальные участки. Пайка
совместима с толстопленочной технологией, припойные пасты можно
наносить трафаретной печатью.
Интенсификацию пайки обеспечивают флюсы, восстановительные
среды, давление на спаиваемые детали, УЗ-колебания, колебания промышленной частоты и струя нагретого газа.
Флюсы применяют для улучшения смачивания припоем соединяемых поверхностей. Флюсы в процессе пайки удаляют поверхностные
оксиды, предотвращают новое оксидирование и снижают поверхностное натяжение припоя. При изготовлении микросхем применяются
бескислотные антикоррозийные флюсы на основе канифоли марок ФКСп,
ФПЭт, ФКТС и на основе хлористого цинка ФХЦ. Однако флюсы в процессе пайки вносят загрязнения, поэтому стараются их применять в редких
случаях. В большинстве случаев пайку выполняют без флюса, но в восстановительной (водород, формиргаз) или инертной (аргон, криптон, гелий) среде. Водород в процессе пайки вытесняет из паяного шва другие газы, а сам
затем легко удаляется при обезгаживании микросхем. Водород должен быть
очищен от влаги (точка росы не выше – 50–60оС) и от кислорода (не более
0,003–0,005 %). Водород взрывоопасен, поэтому при пайке в больших объемах – печах применяют формиргаз (смесь: 85 % азота и 15 % водорода).
Отметим, что при изготовлении толстопленочных ИМ с резисторами на
основе оксида палладия пайку в водороде выполнять нельзя из-за восстановления Pd из оксида.
Механическая прочность соединений определяется способом и режимом пайки, подготовкой поверхностей, прочностью припоя в шве, прочностью связи припоя с материалом соединяемых деталей, наличием
интерметаллических соединений в шве, прочностью соединяемых материалов в зоне шва после охлаждения.
107
Режим пайки: максимальная температура, скорость нагрева, время
выдержки при максимальной температуре, давление на соединяемые
детали, скорость охлаждения деталей.
Соединение деталей выполняют встык, внахлестку, а также комбинированными способами. Прочность соединений встык ниже прочности соединений внахлестку.
Достоинствами пайки являются простота процесса, отсутствие расплавления и относительно невысокий нагрев соединяемых деталей, возможность соединения деталей сложной конфигурации. После пайки можно разъединять детали без разрушения их конструкции. Для выполнения операций сборки микросхем применяют пайку в водородных печах;
электропаяльником; за счет теплопередачи от импульсно-нагреваемого
электрическим током инструмента; ультразвуком; электросопротивлением за счет джоулева тепла, выделяемого в месте соединения деталей; погружением в припой; излучением.
Сварка. При сборке микросхем сварка постепенно вытесняет пайку. Это объясняется высоким качеством сварных соединений и меньшим воздействием на параметры структур.
Сваркой называется процесс получения неразъемного соединения
деталей без участия припоя в результате их сближения на расстояние
атомного воздействия.
В процессе сварки возможны следующие состояния материалов поверхностей соединяемых деталей: пластическая деформация; плавление и пластическая деформация; плавление и последующая кристаллизация.
Сварка может выполняться с нагревом и без нагрева, при наличии
или отсутствии сжимающего усилия, a также с одновременным воздействием нагрева и сжимающего усилия.
Для выполнения операций сборки микросхем наиболее часто применяют следующие способы сварки: термокомпрессионную, косвенным
импульсным нагревом, ультразвуковую, сдвоенным электродом, лазерную точечную и шовную, электронно-лучевую, холодную, электроконтактную, аргонно-дуговую.
Склеивание. Клеевые соединения не требуют сложного оборудования, легко выполняются, но не всегда обеспечивают хорошее качество
контакта. Этим объясняется их применение, в основном, для микросхем пониженных мощностей, работающих в нежестких условиях эксплуатации.
108
Различают токонепроводящие и токопроводящие клеи. Для получения соединений клей дозированно наносят на поверхности, приводят их
в контакт и при наличии или без сжимающих усилий производят отверждение клея. При отверждении происходит усадка клея. Механические
напряжения, возникающие при этом, обеспечивают стягивание и плотное механическое соединение деталей.
Токонепроводящие клеи обеспечивают высокую механическую прочность соединений, которая возникает при наличии внешнего сжимающего усилия. Однако при этом появляется вероятность прохождения
электрического тока по металлическим пятнам касания деталей, путем
туннельного просачивания электронов через тонкую прослойку клея, а
также по проводящим каналам, полученным диффузией металла по дефектным участкам. Соединения с помощью токопроводящих клеев обладают большей электропроводностью, но меньшей механической прочностью. Увеличение механической прочности достигается уменьшением содержания металлического наполнителя.
Прочность клеевого соединения зависит от качества подготовки склеиваемых поверхностей, толщины клея, правильности выбора режима,
качества клея.
Перед склеиванием поверхности тщательно очищают от загрязнений. Органические растворители, используемые для очистки, должны
быть полностью удалены сушкой. Остаточный растворитель при отверждении клея создает пористость и внутренние напряжения. Количество дефектов в слое клея увеличивается с его толщиной, прочность
соединения уменьшается. Поэтому рекомендуют слой клея ограничивать толщиной 0,05–0,1 мм. Для операций сборки применяют клеи на
основе эпоксидных смол, полиимида и др.
8.3. Монтаж кристаллов и плат
Метод прямого монтажа. Рабочей поверхностью вверх подсоединяют структуры ИМ к основаниям корпусов, посадочным площадкам выводных рамок или лент, к пассивной части ГИМ или к дополнительным контактным площадкам.
Основные требования к оперциям монтажа: обеспечение высокой
механической прочности соединений, хорошего теплоотвода от структуры и в ряде случаев хорошей электропроводности. Температуры и
сжимающие усилия при выполнении монтажа не должны быть слишком
109
высокими, чтобы не нарушить ранее полученные соединения, не ухудшить параметры структур, не разрушить их механическую целостность.
В то же время они должны быть достаточны для прочного подсоединения. Нижний предел температур ограничен необходимостью после монтажа еще дважды (при подсоединении электродных выводов и герметизации) подвергать структуры тепловоздействию, которое должно последовательно от операции к операции уменьшаться. Необходимо также
при выборе способа монтажа учитывать условия эксплуатации ИМ.
Элементы ИМ занимают лишь приповерхностную часть кристаллов
или расположены на поверхности платы, поэтому операции прямого монтажа некритичны к глубине проникновения соединяющего шва.
Соединения клеями довольно широко применяются для монтажа,
так как отличаются простотой процесса, низкими температурами отверждения и достаточными механической прочностью и надежностью.
Склеиванием можно соединять разнообразные материалы, отличающиеся толщиной. Клеевые соединения упрощают конструкцию, уменьшают массу, экономят расход дорогостоящих металлов.
Недостатки клеевых соединений: низкая теплопроводность, невозможность замены дефектных структур, перегрев при подсоединении
электродных выводов, возможно выделение газов в герметичный корпус.
Для монтажа кристаллов и плат применяют клеи на основе эпоксидной смолы. Эти клеи обеспечивают хорошую прочность при температурах до 300оС, что позволяет выполнять последующее подсоединение
выводов без разрушения клеевого шва. Для улучшения теплопроводности и уменьшения контактного сопротивления между кристаллами и
основаниями корпусов в состав клеев вводят металлические наполнители, например серебро.
Клеи наносят на соединяемые поверхности в виде капли вручную
или автоматически, в виде таблеток, трафаретной печатью. Точную
дозировку по толщине и площади обеспечивают пленки на основе метилполиамиднофенольного клея МПФ-1.
Соединение стеклами обеспечивают хорошее согласование по
ТКЛР, отличаются низкой стоимостью. Основные недостатки соединений стеклом: отсутствие электрического контакта, плохой теплоотвод,
высокая температура размягчения стекла (около 500оС). Для часто используемых сочетаний материалов подсоединяемых деталей стекла с
нужным ТКЛР, как правило, тугоплавкие, т. е. непригодны для монтажа
110
кремниевых кристаллов. В связи с этим соединения стеклом применяют, в основном, при монтаже плат из ситалла, поликора и керамики.
Технология монтажа стеклом включает нанесение суспензии стеклянного порошка или стеклопасты на очищенную поверхность, сжатие
соединяемых деталей в кассете, сушку, оплавление в печи в контролируемой атмосфере.
Пайка металлическими припоями обеспечивает высокие тепло- и
электропроводность соединений, механическую прочность, хорошее
согласование по ТКЛР. Мягкие припои допускают при необходимости
демонтаж кристаллов. В то же время относительно низкие температуры плавления, в основном не более 280–300оС, ограничивают применение мягких припоев из-за необходимости нагрева на последующих сборочных операциях.
Пайка эвтектическими сплавами Au – Si (94 и 6%), или Au – Ge
(88 и 12%), имеющими температуру плавления 370 и 356оС не ограничена последующими нагревами при сборке ИМ. Возможны два варианта
пайки.
Метод «перевернутого кристалла». Кристаллы с объемными выводами, входящие в состав ГИМ или микросборок, монтируют на пассивную часть рабочей стороной вниз. С помощью объемных выводов
одновременно подсоединяются и кристалл, и все выводы (рис. 42). Основными трудностями монтажа методом “перевернутого кристалла” являются сведение к минимуму разновысотности выступающих над кристаллом выводов и их совмещение с контактными площадками. Разновысотность приводит к необходимости создания достаточных деформаций для наиболее выступающих шариков или столбиков, чтобы обеспечить контактирование и с самыми низкими выступами. При этом деформации не должны превышать допустимые нормы, так как возникаа)
1
б)
Кристалл
Подложка
2
3
Кристалл
Подложка
Рис. 42. Монтаж кристаллов с шариковыми выводами (а) и балочными (б)
выводами: 1 – контактная площадка; 2 – шариковый вывод;
3 – балочный вывод
111
ющие после монтажа механические напряжения ведут к потенциальным отказам ИМ.
Совмещение выполняется в два этапа.
Предварительная ориентация положения на специальных автоматах, например ЭМ-433, обеспечивает поворот кристаллов вниз рабочей
поверхностью и разворот в горизонтальной плоскости до соответствия
координат выводов и контактных площадок.
Совмещение выводов с контактными площадками на установке
присоединения выводов выполняется с помощью зеркальной оптики и
проектора или с помощью направляющей фильеры.
Совмещение перевернутых кристаллов с балочными выводами выполнять проще, так как они выходят за пределы кристалла.
8.4. Подсоединение электродных выводов
Заключительные операции монтажа. После подсоединений плат
и кристаллов следуют операции, завершающие выполнение всех электрических соединений между элементами, а также между структурами
и внешними выводами готовых ИМ. К ним относятся соединения омических контактов активных навесных элементов с пленочными контактными площадками пассивной части ГИМ, контактных площадок структур ИМ с внешними выводами корпусов, контактных площадок с контактными площадками (или объемными выводами) многокристалльных ИМ. Все эти соединения выполняются с помощью пайки, сварки и
склеивания.
В зависимости от применяемых средств различают проволочный и
беспроволочный монтаж. Для проволочного монтажа используют проволочки из золота, алюминия, сплавов алюминий – кремний, алюминий –
магний. Монтаж кристаллов с объемными выводами является беспроволочным.
Основные особенности электродных соединений: большая разница
толщин соединяемых объектов; сложность точной ориентации и совмещений из-за малых размеров соединяемых объектов; сложность подбора полностью совместимых материалов по ТКЛР, по отсутствию нежелательных взаимодействий; большой объем индивидуальных проволочных подсоединений; высокая стоимость проволочного монтажа;
высокий процент отказов ИМ из-за дефектов соединений.
Несмотря на сложность и недостатки, в основном применяют проволочную сборку. Преимущества проволочной сборки: возможность
112
визуального контроля качества соединений; способность проволочных
соединений передавать значительные мощности; хорошая освоенность
способов сварки и пайки проволочных контактов производством, наличие оборудования.
8.5. Сборка ИМ на ленточных носителях
Беспроволочная сборка. В отличие от трудоемкой сборки с помощью проволочных электродных выводов сборка с использованием
объемных выводов и плоских выводов на ленточных носителях значительно снижает стоимость ИМ за счет резкого повышения производительности, так как подсоединение выводов выполняется групповым
способом и процесс сборки легко автоматизируется. Групповое подсоединение плоских выводов выполняют теми же способами, что и индивидуальное подсоединение проволочных выводов. Разница состоит в
конструкции инструмента, который должен одновременно подсоединить
все выводы. Сборка с помощью выводов на гибком ленточном носителе является наиболее эффективным методом группового подсоединения. Применение гибких ленточных носителей позволило создать так
называемую рулонную технологию и полностью автоматизировать процессы сборки и герметизации.
Ленточные носители выводов. Первыми были разработаны жесткие металлические носители выводов, затем носители из тонкой металлической фольги, а в конце 60-х годов впервые была применена непроводящая лента с сформированными на ней тонкими медными проводниками.
Появление и совершенствование ленточных носителей выводов стимулировалось необходимостью: замены индивидуального подсоединения выводов групповым, для чего требуется точное фиксированное взаимное расположение выводов в соответствии с расположением контактных площадок на кристалле, к которым они будут подсоединяться; создания непрерывного автоматизированного технологического процесса
сборки, для чего требуется непрерывная лента с краевой перфорацией,
служащая средством транспортирования ориентированно расположенных выводов.
Выводы представляют единое целое с лентой, выводы для одной
ИМ на ленте-кадр. Кадры расположены с определенным шагом. Лента
является держателем выводов и средством их транспортирования в
технологическом процессе сборки. Кристалл монтируют на посадоч113
ную площадку ленты и с помощью проволочных или плоских перемычек подсоединяют контактные площадки кристалла к выводам ленты.
Производят герметизацию, и ИМ с выводами отделяют от поддерживающей части ленты. На жестких лентах изготавливают только внешние выводы ИМ.
8.6. Герметизация микросхем в корпусы
Герметизация ИМ используется для изоляции кристаллов от воздействия агрессивных факторов внешней среды. Для этого используются различные методы и способы герметизации в специальных корпусах (рис. 43). Конструкции корпусов одновременно позволяют осуществлять электрические соединения контактных площадок кристаллов с
печатным и проводным монтажем печатных узлов электронной аппаратуры. Герметизация ИМ в корпусах разделяется на два основных вида:
вакуумплотную и негерметичную. Дальнейшая классификация осуществляется по видам корпусов.
плотная
Вакуум-плотная
Металлостеклянные
Негерметичная
Металлокерамические
Сварка
Керамические
Стеклянные
Пайка
Ковективная в печах
Холодная
ЭлектроМикроконтактная плазменная
Аргонодуговая
Пластмассовые
Склеивание
Струей горячего газа
Лазерная
Электроннолучевая
Рис. 43. Классификация методов и спсобов герметизации ИМ в корпуса
Типы корпусов. Классификация корпусов по внешнему конструктивному оформлению приведена в табл. 4. Габаритные и присоединительные размеры каждого типа корпусов строго стандартизованы.
114
Таблица 4
Типы корпусов
Форма проекции
Тип тела корпуса на плоскость основания
1
Прямоугольная
2
Прямоугольная
3
4
Круглая или
овальная
Прямоугольная
5
Квадратная
Расположение проекции
выводов на плоскости
основания
Расположение выводов
относительно плоскости
основания
В пределах проекции
Перпендикулярное
тела корпуса
За пределами проекции
То же
тела корпуса
В пределах или за пре–" –
делами тела корпуса
За пределами проекции
Параллельное
тела корпуса
В пределах проекции На плоскости основания и
тела корпуса
на боковой стороне корпуса
В зависимости от применяемых материалов корпусы подразделяются на стеклянные, керамические, металлокерамические, металлостеклянные, пластмассовые. Стеклянные и керамические корпусы отличаются от металлостеклянных и металлокерамических тем, что в их конструкцию из металлических деталей входят только выводы.
Изготовление деталей и узлов корпусов. Напомним, что герметизация в корпусы предполагает предварительное изготовление основания с изолированными выводами, крышки корпуса, вспомогательных
деталей.
Металлические детали корпусов изготавливают в основном холодной штамповкой на механических штампах, рабочими инструментами
которых являются пуансон и матрица.
Холодной штамповкой можно выполнять: вырубку, обрубку, пробивку отверстий, вытяжку, объемную штамповку, осадку.
Металлостеклянные узлы получают спаиванием в конвейерных
печах предварительно подготовленных и собранных в графитовых кассетах деталей.
Детали из вакуум-плотной керамики изготавливаются, в основном, методом горячего литья парафинированной керамической массы –
шликера под давлением в металлические формы на специальных литьевых машинах.
115
Для соединения керамических деталей с металлическими, например
выводов с рамкой для плоского керамического корпуса, керамику металлизируют с помощью молибдено-марганцевых паст или металлической фольги толщиной 30–50 мкм. Металлизацию выполняют: намазкой пасты кисточкой, распылением через свободную маску, трафаретной печатью, вырубкой из фольги с последующей приклейкой.
На металлизацию электролитически наносят слой никеля или меди
толщиной 3–5 мкм и затем производят вжигание. Второй метод соединения металла с керамикой – через слой припойного стекла, которое в
виде суспензии наносится на соединяемые поверхности и затем спекается при температуре 400–500оС.
Гальванические покрытия деталей корпусов необходимы для получения гладких поверхностей, защиты от коррозии, обеспечения высокого качества их соединений при герметизации. Перед нанесением гальванических покрытий детали тщательно обезжиривают, травят, промывают. На гальваническом участке выполняются: химическое никелирование коваровых деталей, электролитическое никелирование медных и
стальных деталей, меднение изоляторов, золочение ножек и др.
8.7. Заключительные операции изготовления микросхем
До выполнения заключительных технологических операций после
герметизации ИМ проводят климатические, электрические и механические испытания. Необходимость этих испытаний обусловлена наличием скрытых дефектов из-за несовершенств конструкции, использования материалов или режимов, не отвечающих требованиям или технологической документации и др. В процессе технологических испытаний
ИМ со скрытыми дефектами отбраковываются, тем самым гарантируется надежность в условиях эксплуатации. После прохождения всех
этапов технологических испытаний и измерений параметров выполняются заключительные технологические операции и ИМ могут быть отправлены потребителям. К заключительным технологическим операциям относятся операции внешнего оформления, обеспечивающие защиту ИМ от внешних воздействий, удобство подсоединения в аппаратуру, а также дающие информацию о типе ИМ и внешнее эстетическое
оформление.
116
3АКЛЮЧЕНИЕ
В настоящее время основными направлениями промышленного производства ИМ являются полупроводниковая, тонкопленочная и толстопленочная технологии.
Практически с момента появления микросхем и в настоящее время
основной проблемой технологии их производства является повышение
степени интеграции, что обусловлено двумя преимуществами ИМ с
малыми размерами элементов: улучшенные параметры и меньшая стоимость в пересчете на один активный элемент (транзистор). Эта проблема обусловливает направления исследований и характер совершенствования технологических процессов. За последние годы это привело
к значительным изменениям технологии производства интегральных
микросхем.
По-прежнему основной материал для изготовления полупроводниковых ИМ – кремний, но с повышением степени интеграции микросхем
требования к нему уточняются и становятся более жесткими. С увеличением диаметра пластин и длины слитков изменился маршрут изготовления пластин и появились станки, позволяющие разрезать длинные
слитки. Последнее исключает из маршрута изготовления пластин операцию разделения слитков на части. В маршруте изготовления пластин
появилось большое количество операций химической очистки и травления, изготовления фаски по периметру пластин и др.
Одной из важнейших задач совершенствования технологии в направлении повышения степени интеграции ИМ является уменьшение сопротивления контактов и межэлементных соединений. Первое из них увеличивается квадратично, а второе изменяется линейно с уменьшением
размеров элементов. Эта задача решается путем использования новых
материалов (поликремний, силициды, оксиды тугоплавких металлов) и
совершенствованием технологии формирования металлизации. Большое
внимание уделяется планаризации, т. е. созданию плоской бесступенчатой поверхности структур, что облегчает проведение литографических
117
обработок и уменьшает отказы ИМ, связанные с дефектами маталлизации.
В настоящее время выпускаются микросхемы, содержащие 104–106
элементов на кристалл. Благодаря непрерывному совершенствованию
технологии осуществляются работы по изготовлению сверхбольших ИМ
с размерами элементов порядка 0,3–0,5 мкм. Ежегодно степень интеграции возрастает приблизительно в 2 раза, быстродействие – почти в
1,5 раза.
Также ведутся работы по созданию микросхем более высокого быстродействия на перспективных материалах: арсениде галлия GaAs и
фосфиде индия InP. Зти материалы обладают более высокой подвижностью носителей тока по сравнению с подвижностью в кремнии. При той
же мощности рассеяния быстродействие логических вентилей на арсениде галлия в несколько раз выше, чем на кремнии. Преимуществом
арсенид-галлиевых микросхем является также возможность работы при
более высоких температурах (350–400 оС). Арсенид галлия будет широко применяться для производства микросхем СВЧ-диапазона.
Фотолитография, по мнению специалистов, сохранит доминирующее
положение, по крайней мере, в течение ближайших лет, когда экспонирование глубоким УФ-излучением будет применяться для формирования элементов размерами менее 1 мкм. Прогрессивные методы – электронная и рентгеновская литографии – широкое промышленное применение найдут в ближайшие 5 лет, тогда будет достигнута ширина линии
0,8–0,5 мкм. Новейший метод ионно-лучевой литографии в течение
ближайших лет будет находиться в стадии исследований, и ширина линии сможет достичь 0,3 мкм.
С развитием методов обеспечения субмикронных топологических
рисунков будут продолжаться исследования по промышленному производству пластин с соответствующими требованиям литографии параметрами, а также работы по замене жидкостных обработок на сухие
обработки, в том числе на процессы передачи изображений без искажения топологического рисунка. Наиболее широко применяемыми при изготовлении сверхбольших ИМ методами сухого травления являются
реактивное ионное и плазменное травление, обеспечивающие высокую
точность передачи рисунка с резистивной маски на материал ИМ.
С уменьшением размеров элементов ИМ особенно важным становится улучшение селективности и контроля профиля травления. Ожида118
ется в будущем, проведение исследований, раскрывающих физические
и химические закономерности, лежащие в основе процессов сухого травления, а такие очистки поверхностей пластин и подложек, проявления и
удаления резистов.
Наряду с сухими методами формирования топологии в промышленном производстве больших и сверхбольших ИМ будут применяться такие прогрессивные технологические процессы, как молекулярно-лучевая эпитаксия, ионное легирование, лазерный отжиг и «фрезерование».
Тенденция перевода производства микросхем с высокой степенью
интеграции на сухие технологические процессы и процессы в вакууме и
при пониженном давлении связана не только с их возможностями получения малых размеров элементов, но и с необходимостью интеграции
самой технологии, т.е. создания технологии, позволяющей совмещать
различные по своей физико-химической природе процессы как «по времени» их протекания (групповая технология), так и «по месту» в едином
технологическом объеме.
Новой тенденцией повышения степени интеграции является создание ИМ на кристаллах больших площадей. Но чем больше площадь
кристалла, тем больше вероятность дефектов на его поверхности и тем
меньше процент выхода годных структур ИМ на пластине. Это направление повышения степени интеграции предъявляет еще более жесткие
требования к пластинам кремния, промышленному оборудованию и условиям производства.
Техническими решениями проблемы уменьшения количества микрочастиц, попадающих на поверхность структуры ИМ в процессе ее
изготовления, и максимального устранения случайных технологических ошибок, приводящих к дефектам, являются: снижение продолжительности технологических процессов, исключение межоперационного
хранения полуфабрикатов, создание комплексных автоматизированных
и автоматических производств, роботизация действующего промышленного оборудования, а также новые технологические приемы. Примером последнего может служить применение электретов – материалов, способных притягивать пыль из окружающей воздушной среды.
Степень интеграции микросхем можно повышать, пока не будут достигнуты минимальные размеры элементов с точки зрения физических
принципов их работы или имеющихся в данное время технических
средств получения требуемых размеров и допусков. Например, для
119
МОП-транзисторов критична длина канала, а для биполярного транзистора – толщина базы. Эти величины ограничиваются пробивным напряжением.
Для приведенных примеров критичные размеры составляют 250 нм.
В ближайшие 10–20 лет ожидается достижение предельных размеров
элементов сверхбольших ИМ, соответствующих фундаментальным
физическим ограничениям. Считается реальным получить уровень интеграции, соответствующий 1010 элементов на кристалле. Дальнейшее
уменьшение линейных размеров элементов имеет физические ограничения: электрический пробой слоев полупроводника, диэлектрика, туннелирование электронов, тепловой пробой и др. В связи с этим в настоящее время имеется тенденция перехода от создания отдельных больших и сверхбольших ИМ к созданию интегральных систем на их основе, что стирает грани между созданием аппаратуры и ее базовыми элементами. В настоящее время ведутся также исследования в области
разработки принципиально новых структур ПИМ на сверхрешетках и
трехмерных ИМ.
Основная цель создания ПИМ на сверхрешетках – повышение быстродействия. Технология ПИМ на арсениде галлия недостаточно разработана, поэтому исследователи идут по принципиально новому пути –
синтезу полупроводниковых материалов со сверхрешеткой. Сверхрешетка представляет собой монокристаллическую гетероструктуру, состоящую из очень тонких (4–10 нм) слоев различных полупроводниковых
материалов. Электроны в сверхрешетках могут туннелировать между
слоями с очень большой скоростью, что открывает огромные перспективы в создании сверхбыстродействующих микросхем, выполняющих
различные функции. Выращивание гетероэпитаксиальных сверхрешеток например, в настоящее время выполняется молекулярно-лучевой
эпитаксией.
Трехмерные ИМ будут отличаться от обычных планарных тем, что
их создают в нескольких полупроводниковых слоях. В каждом отдельном полупроводниковом слое формируется микросхема с определенной
функцией (ЗУ, микропроцессор, устройство ввода-вывода, источник питания и т. д.). Между активными полупроводниками должны располагаться изоляционные слои. Основная задача при создании трехмерных
ПИМ – разработка технологии последовательного наращивания монокристаллических слоев полупроводника на изолирующие слои, форми120
рование элементов в слоях полупроводника и создание межэлементных
соединений как внутри, так и между слоями. Самым сложным в технологическом процессе изготовления трехмерных ПИМ является эпитаксия на изолирующие слои.
Дальнейшее развитие элементной базы электроники – функциональная микроэлектроника – идет по пути интеграции новых физических
явлений.
121
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Технология и автоматизация производства радиоэлектронной аппаратуры:Учебник для вузов/И. П. Бушминский, О. Ш. Даутов, А. П.
Достанко и др.; Под ред. А. П. Достанко, Ш. М. Шабдарова. М.:
Радио и связь,1989. 624 с.
2. Гелль П. П., Иванов-Есипович Н. К. Конструирование и микроминиатюризация радиоэлектронной аппаратуры. Л.: Энергоиздат, 1984.
536 с.
3. Готра З. Ю. Технология микроэлектронных устройств: Справочник. М.: Радио и связь, 1991. 528 с.
4. Курносов А. И., Юдин В. В. Технология производства полупроводниковых приборов: Учеб. пособие. М.: Высш. шк., 1974. 400 с.
5. Павловский В. В., Васильев В. И., Гутман Т. И. Проектирование
технологических процессов изготовления РЭА. М.: Радио и связь, 1982.
372 с.
7. Справочник конструктора-приборостроителя. Проектирование. Основные нормы/ В. Л. Соломахо, Р. И. Томилин, Б. В. Цитович, Л. Г. Юдовин.
Минск: Высш. шк., 1988. 272 с.
6. Ханке Х., Фабиан Х. Технология производства радиоэлектронной
аппаратуры. М.: Энергия, 1980. 484 с.
7. Хвощ С. Т., Варлинский Н. Н., Попов Е. А. Микропроцессоры и
микроЭВМ в системах автоматического управления: Справочник/ Под
ред. С. Т. Хвоща. Л.: Машиностроение, 1987. 640 с.
122
Оглавление
Предисловие .......................................................................................................
1. МИКРОЭЛЕКТРОНИКА.ИНТЕГРАЛЬНЫЕ МИКРОСХЕМЫ ....................
1.1. Классификация и основные этапы изготовления микросхем ............
2. ПРИНЦИПЫ ФОРМИРОВАНИЯ СТРУКТУР МИКРОСХЕМ .....................
3. ИЗГОТОВЛЕНИЕ И ОЧИСТКА ПЛАСТИН И ПОДЛОЖЕК .......................
3.1. Общие сведения .....................................................................................
3.2. Маршруты изготовления пластин и подложек ....................................
3.3. Электронная гигиена .............................................................................
3.4. Жидкостная очистка поверхности пластин ..........................................
3.5. Сухая очистка и травление ....................................................................
4. МЕТОДЫ ФОРМИРОВАНИЯ ТОПОЛОГИИ МИКРОСХЕМ ......................
4.1. Общие сведения .....................................................................................
4.2. Оптическая литография (фотолитография) .........................................
5. МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ ТОНКИХ ПЛЕНОК ................................................
5.1. Термовакуумное напыление ................................................................
5.2. Распыление ионной бомбардировкой ..................................................
5.3. Термическое оксидирование ................................................................
5.4. Химическое осаждение пленок из растворов ......................................
6. МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ СЛОЕВ И
ПЕРЕХОДОВ ...................................................................................................
6.1. Общие сведения .....................................................................................
6.2. Эпитаксия кремниевых слоев ...............................................................
6.3. Диффузионное легирование .................................................................
6.4. Ионное легирование ..............................................................................
7. ТИПОВЫЕ МАРШРУТЫ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СТРУКТУР МИКРОСХЕМ ..
7.1. Изготовление биполярных структур .....................................................
7.2. Изготовление МОП-структур ................................................................
7.3. Типовые маршруты технологии тонкопленочных структур ..............
7.4. Типовой маршрут технологии толстопленочных структур ................
8. СБОРКА МИКРОСХЕМ .................................................................................
8.1. Разделение пластин и подложек ............................................................
8.2. Методы сборки ......................................................................................
8.3. Монтаж кристаллов и плат ....................................................................
8.4. Подсоединение электродных выводов ..................................................
8.5. Сборка ИМ на ленточных носителях ....................................................
8.6. Герметизация микросхем в корпусы ....................................................
8.7. Заключительные операции изготовления микросхем ........................
3аключение .........................................................................................................
Библиографический список ..............................................................................
3
4
4
10
15
15
23
26
32
34
36
36
40
52
52
56
61
64
66
66
70
75
80
85
85
87
90
94
102
102
106
109
112
113
114
116
117
122
123
Учебное издание
Лопухин Владимир Алексеевич
Шелест Дмитрий Константинович
СИСТЕМЫ ТЕХНОЛОГИЙ
КОМПЬЮТЕРНОГО ПРОИЗВОДСТВА.
ТЕХНОЛОГИЯ ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМ
Учебное пособие
Редактор А. В. Семенчук
Компьютерная верстка А. Н. Колешко, Ю. С. Бардукова
Лицензия ЛР №020341 от 07.05.97. Сдано в набор 25.09.00. Подписано к печати 25.09.00
Формат 60Ч84 1/16. Бумага тип. №3. Печать офсетная. Усл. печ. л. 6,51. Усл. кр.-отт. 6,63.
Уч. -изд. л. 7,0. Тираж 100 экз. Заказ №
Редакционно-издательский отдел
Сектор компьютерно-издательских технологий
Отдел оперативной полиграфии
СПбГУАП
190000, Санкт-Петербург, ул. Б. Морская, 67
тся визуально с помощью
микроскопа с увеличением 100 – 200 х. Отбраковывают неразделенные
кристаллы, разделенные не по риске, с недопустимыми сколами, повреждениями металлизации и др.
Химическое разделение. Разделение путем сквозного химического
травления применяется в настоящее время сравнительно редко для полупроводниковых структур и предусматривает соответствующее предварительное маскирование поверхности, для чего проводится процесс
фотолитографии.
105
Применение пластин большого диаметра до 150 мм и более и производство на них сверхбольших ИМ требуют немеханических способов
разделения. Видимо, сквозное анизотропное травление, лазерная резка
и другие способы будут разрабатываться и совершенствоваться.
8.2. Методы сборки
Пайка, сварка и склеивание являются основными методами выполнения сборочных операций: монтаж кристаллов и плат, подсоединение
проволочных выводов, герметизация корпусов.
Пайка. Процесс получения неразъемного соединения деталей путем
нагрева и последующего охлаждения при наличии между ними промежуточного материала – припоя называется пайкой.
При нагреве до температуры плавления припоя между ним и соединяемыми деталями одновременно происходят: растворение соединяемых материалов в жидком припое, диффузия припоя в соединяемые
материалы с образованием твердого раствора, химическое взаимодействие припоя с материалами соединяемых деталей с образованием интерметаллических соединений. При охлаждении припой кристаллизуется у поверхностей соединяемых деталей, вступая с ними в прочную
металлическую связь. Поверхности соединяемых деталей должны быть
тщательно очищены от оксидов и загрязнений. Растворимость материалов деталей в расплавленном припое должна быть достаточной для
образования прочного соединяющего шва.
Припой должен иметь температуру плавления намного ниже температур плавления материалов соединяемых деталей. Он должен хорошо
смачивать соединяемые поверхности, растекаться, заполняя между
ними весь промежуток. Поверхность припоя должна быть свободна от
оксидов и загрязнений. Температура полученного паяного шва должна
быть по возможности невысокой, чтобы не ухудшить параметры готовых структур. Припой не должен изменять своих свойств при рабочих
температурах ИМ (125оС для кремниевых).
В зависимости от температуры плавления припоев различают пайку
низкотемпературную (до 450оС) и высокотемпературную (свыше 450оС).
К мягким или низкотемпературным припоям относятся сплавы олова со свинцом (ПОС-40: 40% Sn +60% Pb; ПОС-61: 61% Sn + 38,2% Pb
+ 0,8% Sb), олова с висмутом (ПОВи-05: 99,6–99,4%Sn + 0,4–0,6% Bi) и
др. К низкотемпературным припоям относятся также, широко применя106
емые в производстве полупроводниковых приборов и ИМ, эвтектические сплавы Au + Si и Au + Ge.
Эвтектическими называют сплавы, в которых происходит одновременная по всему объему кристаллизация компонентов при самой низкой
для данной системы эвтектической температуре.
К твердым или высокотемпературным припоям относятся сплавы
на основе серебра ( ПСр-45: 45% Ag + 30% Cu + 25% Zn; ПСр-72: 72%
Ag + 28% Cu) и др.
Припои для выполнения пайки применяют в виде таблеток, прокладок, покрытий на соединяемые детали или локальные участки. Пайка
совместима с толстопленочной технологией, припойные пасты можно
наносить трафаретной печатью.
Интенсификацию пайки обеспечивают флюсы, восстановительные
среды, давление на спаиваемые детали, УЗ-колебания, колебания промышленной частоты и струя нагретого газа.
Флюсы применяют для улучшения смачивания припоем соединяемых поверхностей. Флюсы в процессе пайки удаляют поверхностные
оксиды, предотвращают новое оксидирование и снижают поверхностное натяжение припоя. При изготовлении микросхем применяются
бескислотные антикоррозийные флюсы на основе канифоли марок ФКСп,
ФПЭт, ФКТС и на основе хлористого цинка ФХЦ. Однако флюсы в процессе пайки вносят загрязнения, поэтому стараются их применять в редких
случаях. В большинстве случаев пайку выполняют без флюса, но в восстановительной (водород, формиргаз) или инертной (аргон, криптон, гелий) среде. Водород в процессе пайки вытесняет из паяного шва другие газы, а сам
затем легко удаляется при обезгаживании микросхем. Водород должен быть
очищен от влаги (точка росы не выше – 50–60оС) и от кислорода (не более
0,003–0,005 %). Водород взрывоопасен, поэтому при пайке в больших объемах – печах применяют формиргаз (смесь: 85 % азота и 15 % водорода).
Отметим, что при изготовлении толстопленочных ИМ с резисторами на
основе оксида палладия пайку в водороде выполнять нельзя из-за восстановления Pd из оксида.
Механическая прочность соединений определяется способом и режимом пайки, подготовкой поверхностей, прочностью припоя в шве, прочностью связи припоя с материалом соединяемых деталей, наличием
интерметаллических соединений в шве, прочностью соединяемых материалов в зоне шва после охлаждения.
107
Режим пайки: максимальная температура, скорость нагрева, время
выдержки при максимальной температуре, давление на соединяемые
детали, скорость охлаждения деталей.
Соединение деталей выполняют встык, внахлестку, а также комбинированными способами. Прочность соединений встык ниже прочности соединений внахлестку.
Достоинствами пайки являются простота процесса, отсутствие расплавления и относительно невысокий нагрев соединяемых деталей, возможность соединения деталей сложной конфигурации. После пайки можно разъединять детали без разрушения их конструкции. Для выполнения операций сборки микросхем применяют пайку в водородных печах;
электропаяльником; за счет теплопередачи от импульсно-нагреваемого
электрическим током инструмента; ультразвуком; электросопротивлением за счет джоулева тепла, выделяемого в месте соединения деталей; погружением в припой; излучением.
Сварка. При сборке микросхем сварка постепенно вытесняет пайку. Это объясняется высоким качеством сварных соединений и меньшим воздействием на параметры структур.
Сваркой называется процесс получения неразъемного соединения
деталей без участия припоя в результате их сближения на расстояние
атомного воздействия.
В процессе сварки возможны следующие состояния материалов поверхностей соединяемых деталей: пластическая деформация; плавление и пластическая деформация; плавление и последующая кристаллизация.
Сварка может выполняться с нагревом и без нагрева, при наличии
или отсутствии сжимающего усилия, a также с одновременным воздействием нагрева и сжимающего усилия.
Для выполнения операций сборки микросхем наиболее часто применяют следующие способы сварки: термокомпрессионную, косвенным
импульсным нагревом, ультразвуковую, сдвоенным электродом, лазерную точечную и шовную, электронно-лучевую, холодную, электроконтактную, аргонно-дуговую.
Склеивание. Клеевые соединения не требуют сложного оборудования, легко выполняются, но не всегда обеспечивают хорошее качество
контакта. Этим объясняется их применение, в основном, для микросхем пониженных мощностей, работающих в нежестких условиях эксплуатации.
108
Различают токонепроводящие и токопроводящие клеи. Для получения соединений клей дозированно наносят на поверхности, приводят их
в контакт и при наличии или без сжимающих усилий производят отверждение клея. При отверждении происходит усадка клея. Механические
напряжения, возникающие при этом, обеспечивают стягивание и плотное механическое соединение деталей.
Токонепроводящие клеи обеспечивают высокую механическую прочность соединений, которая возникает при наличии внешнего сжимающего усилия. Однако при этом появляется вероятность прохождения
электрического тока по металлическим пятнам касания деталей, путем
туннельного просачивания электронов через тонкую прослойку клея, а
также по проводящим каналам, полученным диффузией металла по дефектным участкам. Соединения с помощью токопроводящих клеев обладают большей электропроводностью, но меньшей механической прочностью. Увеличение механической прочности достигается уменьшением содержания металлического наполнителя.
Прочность клеевого соединения зависит от качества подготовки склеиваемых поверхностей, толщины клея, правильности выбора режима,
качества клея.
Перед склеиванием поверхности тщательно очищают от загрязнений. Органические растворители, используемые для очистки, должны
быть полностью удалены сушкой. Остаточный растворитель при отверждении клея создает пористость и внутренние напряжения. Количество дефектов в слое клея увеличивается с его толщиной, прочность
соединения уменьшается. Поэтому рекомендуют слой клея ограничивать толщиной 0,05–0,1 мм. Для операций сборки применяют клеи на
основе эпоксидных смол, полиимида и др.
8.3. Монтаж кристаллов и плат
Метод прямого монтажа. Рабочей поверхностью вверх подсоединяют структуры ИМ к основаниям корпусов, посадочным площадкам выводных рамок или лент, к пассивной части ГИМ или к дополнительным контактным площадкам.
Основные требования к оперциям монтажа: обеспечение высокой
механической прочности соединений, хорошего теплоотвода от структуры и в ряде случаев хорошей электропроводности. Температуры и
сжимающие усилия при выполнении монтажа не должны быть слишком
109
высокими, чтобы не нарушить ранее полученные соединения, не ухудшить параметры структур, не разрушить их механическую целостность.
В то же время они должны быть достаточны для прочного подсоединения. Нижний предел температур ограничен необходимостью после монтажа еще дважды (при подсоединении электродных выводов и герметизации) подвергать структуры тепловоздействию, которое должно последовательно от операции к операции уменьшаться. Необходимо также
при выборе способа монтажа учитывать условия эксплуатации ИМ.
Элементы ИМ занимают лишь приповерхностную часть кристаллов
или расположены на поверхности платы, поэтому операции прямого монтажа некритичны к глубине проникновения соединяющего шва.
Соединения клеями довольно широко применяются для монтажа,
так как отличаются простотой процесса, низкими температурами отверждения и достаточными механической прочностью и надежностью.
Склеиванием можно соединять разнообразные материалы, отличающиеся толщиной. Клеевые соединения упрощают конструкцию, уменьшают массу, экономят расход дорогостоящих металлов.
Недостатки клеевых соединений: низкая теплопроводность, невозможность замены дефектных структур, перегрев при подсоединении
электродных выводов, возможно выделение газов в герметичный корпус.
Для монтажа кристаллов и плат применяют клеи на основе эпоксидной смолы. Эти клеи обеспечивают хорошую прочность при температурах до 300оС, что позволяет выполнять последующее подсоединение
выводов без разрушения клеевого шва. Для улучшения теплопроводности и уменьшения контактного сопротивления между кристаллами и
основаниями корпусов в состав клеев вводят металлические наполнители, например серебро.
Клеи наносят на соединяемые поверхности в виде капли вручную
или автоматически, в виде таблеток, трафаретной печатью. Точную
дозировку по толщине и площади обеспечивают пленки на основе метилполиамиднофенольного клея МПФ-1.
Соединение стеклами обеспечивают хорошее согласование по
ТКЛР, отличаются низкой стоимостью. Основные недостатки соединений стеклом: отсутствие электрического контакта, плохой теплоотвод,
высокая температура размягчения стекла (около 500оС). Для часто используемых сочетаний материалов подсоединяемых деталей стекла с
нужным ТКЛР, как правило, тугоплавкие, т. е. непригодны для монтажа
110
кремниевых кристаллов. В связи с этим соединения стеклом применяют, в основном, при монтаже плат из ситалла, поликора и керамики.
Технология монтажа стеклом включает нанесение суспензии стеклянного порошка или стеклопасты на очищенную поверхность, сжатие
соединяемых деталей в кассете, сушку, оплавление в печи в контролируемой атмосфере.
Пайка металлическими припоями обеспечивает высокие тепло- и
электропроводность соединений, механическую прочность, хорошее
согласование по ТКЛР. Мягкие припои допускают при необходимости
демонтаж кристаллов. В то же время относительно низкие температуры плавления, в основном не более 280–300оС, ограничивают применение мягких припоев из-за необходимости нагрева на последующих сборочных операциях.
Пайка эвтектическими сплавами Au – Si (94 и 6%), или Au – Ge
(88 и 12%), имеющими температуру плавления 370 и 356оС не ограничена последующими нагревами при сборке ИМ. Возможны два варианта
пайки.
Метод «перевернутого кристалла». Кристаллы с объемными выводами, входящие в состав ГИМ или микросборок, монтируют на пассивную часть рабочей стороной вниз. С помощью объемных выводов
одновременно подсоединяются и кристалл, и все выводы (рис. 42). Основными трудностями монтажа методом “перевернутого кристалла” являются сведение к минимуму разновысотности выступающих над кристаллом выводов и их совмещение с контактными площадками. Разновысотность приводит к необходимости создания достаточных деформаций для наиболее выступающих шариков или столбиков, чтобы обеспечить контактирование и с самыми низкими выступами. При этом деформации не должны превышать допустимые нормы, так как возникаа)
1
б)
Кристалл
Подложка
2
3
Кристалл
Подложка
Рис. 42. Монтаж кристаллов с шариковыми выводами (а) и балочными (б)
выводами: 1 – контактная площадка; 2 – шариковый вывод;
3 – балочный вывод
111
ющие после монтажа механические напряжения ведут к потенциальным отказам ИМ.
Совмещение выполняется в два этапа.
Предварительная ориентация положения на специальных автоматах, например ЭМ-433, обеспечивает поворот кристаллов вниз рабочей
поверхностью и разворот в горизонтальной плоскости до соответствия
координат выводов и контактных площадок.
Совмещение выводов с контактными площадками на установке
присоединения выводов выполняется с помощью зеркальной оптики и
проектора или с помощью направляющей фильеры.
Совмещение перевернутых кристаллов с балочными выводами выполнять проще, так как они выходят за пределы кристалла.
8.4. Подсоединение электродных выводов
Заключительные операции монтажа. После подсоединений плат
и кристаллов следуют операции, завершающие выполнение всех электрических соединений между элементами, а также между структурами
и внешними выводами готовых ИМ. К ним относятся соединения омических контактов активных навесных элементов с пленочными контактными площадками пассивной части ГИМ, контактных площадок структур ИМ с внешними выводами корпусов, контактных площадок с контактными площадками (или объемными выводами) многокристалльных ИМ. Все эти соединения выполняются с помощью пайки, сварки и
склеивания.
В зависимости от применяемых средств различают проволочный и
беспроволочный монтаж. Для проволочного монтажа используют проволочки из золота, алюминия, сплавов алюминий – кремний, алюминий –
магний. Монтаж кристаллов с объемными выводами является беспроволочным.
Основные особенности электродных соединений: большая разница
толщин соединяемых объектов; сложность точной ориентации и совмещений из-за малых размеров соединяемых объектов; сложность подбора полностью совместимых материалов по ТКЛР, по отсутствию нежелательных взаимодействий; большой объем индивидуальных проволочных подсоединений; высокая стоимость проволочного монтажа;
высокий процент отказов ИМ из-за дефектов соединений.
Несмотря на сложность и недостатки, в основном применяют проволочную сборку. Преимущества проволочной сборки: возможность
112
визуального контроля качества соединений; способность проволочных
соединений передавать значительные мощности; хорошая освоенность
способов сварки и пайки проволочных контактов производством, наличие оборудования.
8.5. Сборка ИМ на ленточных носителях
Беспроволочная сборка. В отличие от трудоемкой сборки с помощью проволочных электродных выводов сборка с использованием
объемных выводов и плоских выводов на ленточных носителях значительно снижает стоимость ИМ за счет резкого повышения производительности, так как подсоединение выводов выполняется групповым
способом и процесс сборки легко автоматизируется. Групповое подсоединение плоских выводов выполняют теми же способами, что и индивидуальное подсоединение проволочных выводов. Разница состоит в
конструкции инструмента, который должен одновременно подсоединить
все выводы. Сборка с помощью выводов на гибком ленточном носителе является наиболее эффективным методом группового подсоединения. Применение гибких ленточных носителей позволило создать так
называемую рулонную технологию и полностью автоматизировать процессы сборки и герметизации.
Ленточные носители выводов. Первыми были разработаны жесткие металлические носители выводов, затем носители из тонкой металлической фольги, а в конце 60-х годов впервые была применена непроводящая лента с сформированными на ней тонкими медными проводниками.
Появление и совершенствование ленточных носителей выводов стимулировалось необходимостью: замены индивидуального подсоединения выводов групповым, для чего требуется точное фиксированное взаимное расположение выводов в соответствии с расположением контактных площадок на кристалле, к которым они будут подсоединяться; создания непрерывного автоматизированного технологического процесса
сборки, для чего требуется непрерывная лента с краевой перфорацией,
служащая средством транспортирования ориентированно расположенных выводов.
Выводы представляют единое целое с лентой, выводы для одной
ИМ на ленте-кадр. Кадры расположены с определенным шагом. Лента
является держателем выводов и средством их транспортирования в
технологическом процессе сборки. Кристалл монтируют на посадоч113
ную площадку ленты и с помощью проволочных или плоских перемычек подсоединяют контактные площадки кристалла к выводам ленты.
Производят герметизацию, и ИМ с выводами отделяют от поддерживающей части ленты. На жестких лентах изготавливают только внешние выводы ИМ.
8.6. Герметизация микросхем в корпусы
Герметизация ИМ используется для изоляции кристаллов от воздействия агрессивных факторов внешней среды. Для этого используются различные методы и способы герметизации в специальных корпусах (рис. 43). Конструкции корпусов одновременно позволяют осуществлять электрические соединения контактных площадок кристаллов с
печатным и проводным монтажем печатных узлов электронной аппаратуры. Герметизация ИМ в корпусах разделяется на два основных вида:
вакуумплотную и негерметичную. Дальнейшая классификация осуществляется по видам корпусов.
плотная
Вакуум-плотная
Металлостеклянные
Негерметичная
Металлокерамические
Сварка
Керамические
Стеклянные
Пайка
Ковективная в печах
Холодная
ЭлектроМикроконтактная плазменная
Аргонодуговая
Пластмассовые
Склеивание
Струей горячего газа
Лазерная
Электроннолучевая
Рис. 43. Классификация методов и спсобов герметизации ИМ в корпуса
Типы корпусов. Классификация корпусов по внешнему конструктивному оформлению приведена в табл. 4. Габаритные и присоединительные размеры каждого типа корпусов строго стандартизованы.
114
Таблица 4
Типы корпусов
Форма проекции
Тип тела корпуса на плоскость основания
1
Прямоугольная
2
Прямоугольная
3
4
Круглая или
овальная
Прямоугольная
5
Квадратная
Расположение проекции
выводов на плоскости
основания
Расположение выводов
относительно плоскости
основания
В пределах проекции
Перпендикулярное
тела корпуса
За пределами проекции
То же
тела корпуса
В пределах или за пре–" –
делами тела корпуса
За пределами проекции
Параллельное
тела корпуса
В пределах проекции На плоскости основания и
тела корпуса
на боковой стороне корпуса
В зависимости от применяемых материалов корпусы подразделяются на стеклянные, керамические, металлокерамические, металлостеклянные, пластмассовые. Стеклянные и керамические корпусы отличаются от металлостеклянных и металлокерамических тем, что в их конструкцию из металлических деталей входят только выводы.
Изготовление деталей и узлов корпусов. Напомним, что герметизация в корпусы предполагает предварительное изготовление основания с изолированными выводами, крышки корпуса, вспомогательных
деталей.
Металлические детали корпусов изготавливают в основном холодной штамповкой на механических штампах, рабочими инструментами
которых являются пуансон и матрица.
Холодной штамповкой можно выполнять: вырубку, обрубку, пробивку отверстий, вытяжку, объемную штамповку, осадку.
Металлостеклянные узлы получают спаиванием в конвейерных
печах предварительно подготовленных и собранных в графитовых кассетах деталей.
Детали из вакуум-плотной керамики изготавливаются, в основном, методом горячего литья парафинированной керамической массы –
шликера под давлением в металлические формы на специальных литьевых машинах.
115
Для соединения керамических деталей с металлическими, например
выводов с рамкой для плоского керамического корпуса, керамику металлизируют с помощью молибдено-марганцевых паст или металлической фольги толщиной 30–50 мкм. Металлизацию выполняют: намазкой пасты кисточкой, распылением через свободную маску, трафаретной печатью, вырубкой из фольги с последующей приклейкой.
На металлизацию электролитически наносят слой никеля или меди
толщиной 3–5 мкм и затем производят вжигание. Второй метод соединения металла с керамикой – через слой припойного стекла, которое в
виде суспензии наносится на соединяемые поверхности и затем спекается при температуре 400–500оС.
Гальванические покрытия деталей корпусов необходимы для получения гладких поверхностей, защиты от коррозии, обеспечения высокого качества их соединений при герметизации. Перед нанесением гальванических покрытий детали тщательно обезжиривают, травят, промывают. На гальваническом участке выполняются: химическое никелирование коваровых деталей, электролитическое никелирование медных и
стальных деталей, меднение изоляторов, золочение ножек и др.
8.7. Заключительные операции изготовления микросхем
До выполнения заключительных технологических операций после
герметизации ИМ проводят климатические, электрические и механические испытания. Необходимость этих испытаний обусловлена наличием скрытых дефектов из-за несовершенств конструкции, использования материалов или режимов, не отвечающих требованиям или технологической документации и др. В процессе технологических испытаний
ИМ со скрытыми дефектами отбраковываются, тем самым гарантируется надежность в условиях эксплуатации. После прохождения всех
этапов технологических испытаний и измерений параметров выполняются заключительные технологические операции и ИМ могут быть отправлены потребителям. К заключительным технологическим операциям относятся операции внешнего оформления, обеспечивающие защиту ИМ от внешних воздействий, удобство подсоединения в аппаратуру, а также дающие информацию о типе ИМ и внешнее эстетическое
оформление.
116
3АКЛЮЧЕНИЕ
В настоящее время основными направлениями промышленного производства ИМ являются полупроводниковая, тонкопленочная и толстопленочная технологии.
Практически с момента появления микросхем и в настоящее время
основной проблемой технологии их производства является повышение
степени интеграции, что обусловлено двумя преимуществами ИМ с
малыми размерами элементов: улучшенные параметры и меньшая стоимость в пересчете на один активный элемент (транзистор). Эта проблема обусловливает направления исследований и характер совершенствования технологических процессов. За последние годы это привело
к значительным изменениям технологии производства интегральных
микросхем.
По-прежнему основной материал для изготовления полупроводниковых ИМ – кремний, но с повышением степени интеграции микросхем
требования к нему уточняются и становятся более жесткими. С увеличением диаметра пластин и длины слитков изменился маршрут изготовления пластин и появились станки, позволяющие разрезать длинные
слитки. Последнее исключает из маршрута изготовления пластин операцию разделения слитков на части. В маршруте изготовления пластин
появилось большое количество операций химической очистки и травления, изготовления фаски по периметру пластин и др.
Одной из важнейших задач совершенствования технологии в направлении повышения степени интеграции ИМ является уменьшение сопротивления контактов и межэлементных соединений. Первое из них увеличивается квадратично, а второе изменяется линейно с уменьшением
размеров элементов. Эта задача решается путем использования новых
материалов (поликремний, силициды, оксиды тугоплавких металлов) и
совершенствованием технологии формирования металлизации. Большое
внимание уделяется планаризации, т. е. созданию плоской бесступенчатой поверхности структур, что облегчает проведение литографических
117
обработок и уменьшает отказы ИМ, связанные с дефектами маталлизации.
В настоящее время выпускаются микросхемы, содержащие 104–106
элементов на кристалл. Благодаря непрерывному совершенствованию
технологии осуществляются работы по изготовлению сверхбольших ИМ
с размерами элементов порядка 0,3–0,5 мкм. Ежегодно степень интеграции возрастает приблизительно в 2 раза, быстродействие – почти в
1,5 раза.
Также ведутся работы по созданию микросхем более высокого быстродействия на перспективных мате
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
16
Размер файла
595 Кб
Теги
2000, 0057
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа