Лекции по курсу - Технология и автоматизация производства электронной аппаратуры

Подождите немного. Документ загружается.

191

Вторая стадия – «разгонка» – проводится с целью получения заданного

профиля в полупроводнике. На этой стадии под действием температуры диф-

фузия происходит вглубь материала. Для выравнивания наружный слой обед-

няют путем выращивания на поверхности окисла, в который переходит часть

примеси.

Для выполнения диффузии применяются диффузионные системы, в состав

которых входят: печь резистивного нагрева

, система подачи газов, система

управления тепловым режимом, система загрузки и выгрузки, устройства пыле-

защиты и вытяжки.

Диффузионная печь представляет собой (см. рис. 21.1) цилиндрическую

камеру (1), футерованную огнеупорным материалом, в которой размещен квар-

цевый реактор (2). Вокруг реактора располагается три секции нагревателя (3).

Питание их независимо, а нагрев обеспечивается усилителями мощности (4)

(исполнительные устройства).

666

термопары

333

Рис. 21.1.

В реактор помещают лодочку (5) с пластинами полупроводника. Стабили-

зация температурного режима печи обеспечивается регуляторами (6). измере-

ние температуры производится высококачественными термопарами. Регулиро-

вание в торцевых зонах производится с целью выравнивания температуры по

192

печи, для чего термопары торцевых зон включаются по дифференциальной

схеме с термопарами размещенными в средней зоне. Лодочка с пластинами по-

мещается в печь устройством загрузки (7), которое обеспечивает перемещение

её по программе и возвратно-поступательное движение в технологическом

процессе и при загрузке-выгрузке. Перемещение служит для предотвращения

спекания лодочки с кварцевым реактором

В газовую систему входят независимые каналы подачи кислорода (8),

диффузанта (9) и нейтрального газа (10). Для защиты пластин перед загрузкой в

печь имеется система пылезащиты (11), а для эвакуации продуктов реакции –

вытяжка (12).

Для управления режимами используется ЭВМ (13), а для обмена информа-

цией с оператором – дисплей (14).

Сложность задач управления процессом диффузии обусловлена необходи-

мостью поддержания

температуры с высокой точностью ± 0,25÷0,5 ºС, высоким

уровнем температур и требованиями к постоянству состава смеси «газ-носитель

– диффузант». В газовом потоке недопустимы посторонние примеси, поэтому к

конструктивным материалам предъявляются особые требования.

Поскольку при термической диффузии можно контролировать только усло-

вия выполнения процесса, а качество выполнения операции объективно не из-

меряется, то

стабильность условий, в которых идет диффузия, должна быть

очень высокой.

Метод ионной имплантации обеспечивает непосредственное внедрение

атомов примеси в кристаллическую решетку в месте падения луча, содержаще-

го ионы диффузанта. Это позволяет строить ТП без многократного окисления,

т.е. уменьшает число операций, проводимых при высокой температуре. Дози-

рование энергии частиц в луче позволяет получать области субмикронных раз-

меров с заданной проводимостью. Границы

областей определяются в этом слу-

чае соударениями ионов луча с атомами кристаллической решетки и формой

луча. Недостатком метода являются радиационные повреждения решетки. Для

уменьшения этого эффекта необходимо строгое соблюдение дозировки энергии

193

частиц в луче, что трудно обеспечить из-за стохастических свойств распределе-

ния энергии частиц по сечению луча.

Принципы построения и структура установок для ионной имплантации

сходны с установками для электронно-лучевой литографии. В частности схема

установки для ионной имплантации содержит (см. рис. 21.2) электронно-

оптическую систему, включающую электронную пушку (1), устройства блоки-

рования

(отключения) луча (2), системы фокусировки (3) и отклонения (4) луча,

рабочий стол (5) с датчиком (6) положения. В состав вспомогательных систем

входят: источник (7) питания (для подачи ускоряющего напряжения); вакуум-

ные системы (8) (для откачки электронной пушки); фокусирующую систему

(9), устройство (10) загрузки и выгрузки; и рабочую камеру (11) с загрузочным

шлюзом. Система управления включает подсистемы: блокирования луча (12),

данные о

моментах срабатывания которого хранятся в запоминающем устрой-

стве (18) и обновляются по мере необходимости; синхронизации и сканирова-

ния (13); генератор развертки (14); усилитель (15) системы отклонения луча;

устройство (16) управления приводом стола; интерференционный датчик (17)

положения стола; устройство (19) сравнения; устройство (20) хранения отдель-

ных кадров операций ТП; интерфейс (21) и мини-ЭВМ (22).

Вспомогательные

подсистемы

Электронно-

оптическая

подсистема

Подсистема управления

Рис. 21.2.

194

В отечественной промышленности применяются установки типа «Везувий»,

в этой установке для получения пучка ионов используется последовательное

ускорение ионов с их сепарацией по количеству энергии, что обеспечивает од-

нородность пучка.

При изготовлении ИМС тонкий слой материалов используется как в каче-

стве элементов транзисторов и схем, так и в технологических целях. К первому

направлению относятся выращивание эпитаксиальных

слоев, получение метал-

лических слоев для разводки и контактных площадок схем, защиты (пассивная)

схем от внешних воздействий.

Второе направление связано с получением маскирующих слоев для опера-

ций литографии и диффузии. Эти слои после выполнения операции частично

или полностью уничтожаются – стравливаются.

Различное назначение слоев, разнообразие используемых материалов, оп-

ределяют различные требования

к технологическим процессам и оборудова-

нию.

Общими требованиями, предъявляемыми к слоям, являются: однородность

и повторяемость свойств слоев; отсутствие в слоях локальных нарушений, про-

колов и др. дефектов; высокая адгезия слоев и четкость их границ.

Эпитаксиальный слой выращивают на поверхности Si пластины с целью

получения на ней двух видов проводимости. Обычно на

низкоомной подложке

с удельным сопротивлением 0,010÷0,001 ом×см выращивается слой толщиной

10÷20 мкм и сопротивлением ≈ 1÷5 ом×см. при получении эпитаксиального

слоя используются прямые методы, основанные на перемещении вещества от

источника к подложке, без химических реакций, и косвенные, при которых на

поверхности подложки происходит реакция с осаждением материала.

Наибольшее распространение получил хлоридный

метод, выполняемый по

схеме «открытой трубы» (см. рис. 21.3) установка состоит из кварцевого реак-

тора (1), вокруг которого расположен нагреватель (2). При эпитаксиальном на-

ращивании используются источники либо ВЧ-, либо ИК-нагрева. В установках

с ВЧ-нагревом подложки (3) помещают на графитовый пьедестал (4). Газовая

195

система содержит независимые каналы подачи: азота (5) для продувки системы;

водорода (6), основного транспортного газа; силана (7), источника атомов

кремния и/или диффузанта (8), обеспечивающего необходимое легирование

выращиваемого слоя.

56 7

11 9

Рис. 21.3.

Необходимая концентрация вещества в зоне реакции обеспечивается пре-

цизионным регулированием расхода газов. Для создания вакуума в системе

имеется форвакуумный насос (9). Продукты реакции нейтрализуются в скруб-

бере (10). Управляемый источник питания (11) обеспечивает подвод необходи-

мой мощности. Управление режимами работы осуществляет микропроцессор-

ная система (12).

Примером установки эпитаксиального наращивания с ИК-нагревом явля-

ется УНЭС

типа «02 ЭИК-100-003», предназначенная для получения слоев на

основе реакции

2Н

+SiCl

→120 ˚С→Si+4HCl.

В состав установки входят: агрегат нанесения слоев, состоящий из верти-

кального кварцевого реактора, графитового пьедистала с приводом, обеспечи-

вающим его вращение, подъем и опускание; шкаф газораспределения с источ-

никами необходимых материалов и системами стабилизации расходов; шкаф

питания; блок пылезащиты; пульт управления, содержащий микро-ЭВМ, уст-

ройство

связи и дисплей.

Анализ различных видов оборудования, применяемого в производстве

ИМС, позволяет выделить в его составе типичные функциональные подсисте-

мы (см. табл. 21.1).

196

Таблица 21.1.

Назначение и вид ТП

Обработка по-

верхности

Литография Формирование

свойств

Нанесение

слоев

Подсистемы

ЖХТ ПВТ ФП ЭЛ Д И Э НС

Легирования

Т Т Т

Осаждения

О О Т Т Т Т

Травления

Т, О Т, О

Экспонирования

Т Т

Распыления

О О

Нагрева

О О О О О О О

Охлаждения

О О О О О О О О

Термостатирования

О О О О Т, О О Т, О Т, О

Подачи газов

О Т Т Т Т

Откачки

О О О О О

Позиционирования

Т Т

Загрузки и шлюзова-

ния

В В В В В В В В

Транспортирования

В В В В В В В В

Энергообеспечения

О О О О О О О О

Пылезащиты

В В В В В В В В

Защиты

В В В В В В В В

Виды операций: ЖХТ – жидкостное химическое травление, ПВТ – плазменно-

вакуумное травление, ФП - фотопечать, ЭЛ – электронная литография, Д – диффузия, И –

имплантация, Э - эпитаксия, НС – нанесение слоев.

По назначению их можно разделить на три группы: Т - технологические,

результаты которых непосредственно влияют на свойства ИМС; О - обеспечи-

вающие, создающие условия эффективного процесса обработки (результаты

работы этих систем сказываются на качестве ИМС опосредственно); В – вспо-

могательные, участвующие в выполнении операций по транспортированию

предметов труда и защиты.

При проектировании оборудования функции

различных подсистем могут

совмещаться. Технологические и обеспечивающие подсистемы определяют

особенности выполнения операций, а вспомогательные являются общими для

различных видов оборудования.

197

ЛЕКЦИЯ 22

ФОТОРЕЗИСТЫ

Нанесение рисунка схемы или защитного рельефа требуемой конфигура-

ции необходимо в производстве печатных плат (ПП) при осуществлении метал-

лизации и травлении. Рисунок должен иметь чёткие границы с точным воспро-

изведением тонких линий, быть стойким к травильным растворам, не загряз-

нять платы и электролиты, легко сниматься после выполнения своих функций.

Перенос рисунка

печатного монтажа на фольгированный диэлектрик осу-

ществляют методами сеткографии, офсетной печати и фотопечати. Выбор ме-

тода зависит от конструкции ПП, требуемой точности и плотности монтажа,

серийности производства.

Сеткографический метод нанесения рисунка схемы наиболее рентабелен

для массового и крупносерийного производства ПП при минимальной ширине

проводников и расстоянии между ними ≥0,5 мм,

точность воспроизведения

изображения ±0,1 мм.

Его суть состоит в нанесении на плату специальной кислотостойкой краски

путем продавливания её резиновой лопаткой (ракелем) через сетчатый трафа-

рет, в котором необходимый рисунок образован открытыми ячейками сетки.

Для изготовления трафарета используют сетки из нержавеющей стали из про-

волоки ø 30÷50 мкм и частотой плетения 60÷160 нитей/см, металлизированного

нейлонового

волокна с нитью ø 40 мкм и частотой плетения 200 нитей/см, а

также из полиэфирных волокон и капрона.

Наработка сеток: сталь – 20000, металлизированная пластмасса – 12000,

полиэфирные волокна – до 10000 и капрона - <5000 отпечатков.

Для получения рисунка ПП используют термоотверждающиеся краски ти-

па СТ 3.5, СТ 3.12, … - сушка при 60 ºС – 40 мин., при 25 ºС – 6 ч., фотополи-

мерные композиции

типа ЭП-918 и ФКП-ТЗ с ультрафиолетовым (УФ) отвер-

ждением. Эти композиции при толщине h=12÷25 мкм выдерживают погруже-

ние в припой ПОС-61 при t=260 ºС в течение до 10 сек.

Офсетная печать – для крупносерийного производства ПП при малой но-

менклатуре схем. Разрешающая способность – 0,5÷1,0 мм, а точность ±0,2 мм.

198

Суть метода – клише, несущее изображение (печатные проводники и контакт-

ные площадки) закатывается краской. Эта краска снимается офсетным валиком

и переносится на ПП, сушится. С помощью одного клише возможно воспроиз-

вести ∞ отпечатков. Производительность - 200÷300 отпечатков в час.

Фотографический метод нанесения рисунка позволяет получать мини-

мальную ширину проводников и расстояние между ними – 0,1÷0,15 мм

с точ-

ностью до 0,01 мм. Экономически этот метод рентабелен, он позволяет полу-

чать максимальную разрешающую способность рисунка. Способ основан на

использовании светочувствительных композиций, называемых фоторезистами.

Фоторезисты бывают позитивные и негативные. Позитивные фоторези-

сты имеют более высокую разрешающую способность, но на слой фоторезиста

влияют дифракционные огибания света на краю непрозрачного элемента

шаб-

лона и отражение света от подложки. В негативном фоторезисте дифракция

влияет несущественно, но в результате отражения света от вокруг защитных

участках появляется ореол, который снижает разрешающую способность.

В промышленности используются жидкие и сухие фоторезисты. Жидкие

фоторезисты – коллоидные растворы синтетических полимеров. Сухие пленоч-

ные фоторезисты на основе полиметилметакрилата располагаются между поли

этиленовой (в последствии снимается) и лавсановой (остается) пленками. Тол-

щина фоторезиста – 20, 40 и 60 мкм.

В интегральной микросхемотехнике фоторезисты служат для маскирова-

ния неподлежащих обработке методами диффузии участков поверхности полу-

проводниковых (п/п) кристаллов. Методами фотолитографии в микроэлектро-

нике воспроизводятся элементы с размерами 1,5÷2,0 мкм.

Но в производстве интегральных схем (ИС) этого недостаточно,

т. к. уже

возникает необходимость получения элементов ИС с субмикронными размера-

ми. Т. о., остро встаёт проблема повышения точности воспроизведения разме-

ров элементов ИС и их взаимного расположения на кристаллах больших разме-

ров.

Различают оптическую фотолитографию (контактная, проекционная, го-

лография), рентгенолитографию и электронолитографию. Оптическая фото-

199

литография базируется на фотошаблонах, фоторезистах и фотопечати. Фоторе-

зисты – сложные полимерно-мономерные вещества, в которых под действием

актиничного излучения протекают фотохимические процессы, изменяющие их

растворимость в проявителях определённого состава.

Актиничное излучение – излучение способное оказывать фотографическое

действие на светочувствительный материал. Фотографические материалы обла-

дают повышенной чувствительностью к излучениям с определенной длиной

волны

λ.

К фоторезистам предъявляются следующие требования:

1) высокая чувствительность к актиничному излучению;

2) высокая разрешающая способность (число линий на единицу длины);

3) однородность по всей поверхности (непористость, стабильность во вре-

мени, высокая адгезия к материалу подложки);

4) высокая резкость границы между участками под слоем резиста и без та-

кового;

5)химическая устойчивость;

высокая чистота от продуктов фотохимических превращений резиста;

7) доступность материалов;

8) относительная простота ТП пользования;

9) надёжность и безопасность применения.

В производстве ИС могут применяться следующие методы получения

конфигурации элементов ИС:

1) на основе масок – а) свободных и б) растворимых контактных;

2) основанный на различии физико-химического взаимодействия металла

со слоями ИС;

3) фотолитографическая

гравировка – а) оптическая фотолитография (контакт-

ная, проекционная и голография), б) рентгенолитография, в) электронолито-

графия;

4) микрофрезеровка частицами – потоками частиц – а) электронным остросфо-

кусированным лучом, б) лазерным остросфокусированным лучом, в) широким

потоком ионов газов.

200

При этом операции характеризуются:

1) с использованием фотошаблонов;

2) с использованием фоторезистов;

3) «мокрым» процессом;

4) «сухим» процессом;

5) с применением вакуумного оборудования;

6) с возможностью управления от ЭВМ;

7) с применением высоковольтных источников питания;

8) с применением специальной оптики.

Теоретически возможная разрешающая способность того или иного метода

с определенной характеристикой колеблется от 0,02 до 5,00 мкм, тогда как

практически достигнута разрешающая способность в 0,1÷5,00 мкм. Воспроиз-

веденное пленкой резиста изображение топологии (рисунка) схемы переносит-

ся на соответствующую подложку одним из методов:

1) химического травления;

2) ионного травления;

3) химическим осаждением;

4) электрохимическим осаждением.

Процесс селективного

травления материалов является завершением фор-

мирования элементов схем. Он оказывает решающее влияние на электрические

параметры и выход годных изделий.

Требования, предъявляемые к этому процессу состоят в следующем:

1) минимальное искажение геометрии элементов ИС;

2) полное удаление материала с не защищаемого фоторезистом участка ИС и

полное удаление продуктов реакции на последующих этапах;

3) возможность управления процессом;

4) высокая селективность воздействия травителей, т. е. возможно меньшее их

взаимодействие с материалами системы, не подлежащими травлению.

Конечный результат травления определяется во многом:

1) предысторией формирования защитной маски из фоторезиста;

2) его адгезией к подложке;

3) геометрией элементов;

4)клином травления.

Кроме того, протекание процесса травления геометрические размеры обра-

зующих

элементов и клин травления будут определяться типом выбранного

травителя, температурой травителя, типом материала (например, наличием в