А.А. Бабырин - Электроника и микроэлектроника, страница 3

Предисловие А. А. Барыбин ЬагуЬ|пчйгпа!!.гц Санкт-Петербург сентябрь 2005 Книга предназначена главным образом для студентов как учебное пособие по физико-технологическим основам электроники и микроэлектроники, но может оказаться полезной и специалистам в этой области, так как содержит некоторые вопросы (например, в главах 3 и 5), выходящие за рамки учебной дисциплины.

Автор благодарит своих учеников и коллег, деловое общение с которыми оказало полезное воздействие на методический отбор материала и построение глав книги, в том числе, В. Г. Сидорова за помощь в подготовке материала для главы 4. Искреннюю признательность автор адресует О. А, Лебедеву и О. Ф.

Луцкой за замечания при чтении рукописи книги, которые содействовали ее улучшению. Любые критические замечания и пожелания, высланные по нижеуказанному адресу, будут приняты с благодарностью. Введение ОСНОВНЫЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ЭТАПЫ И ПРОЦЕССЫ ЭЛЕКТРОНИКИ И МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ Электроника в сравнении с такими научно-техническими направлениями, как механика и оптика, является относительно молодой: история ее развития не насчитывает и сотни лет. Однако за это время она прошла огромный путь, определивший на сегодняшний день по сути дела весь научно-технический прогресс человечества.

В истории развития электроники до ее современного состояния можно выделить следующие основные периоды. 1, Эра вакуумной электроники начинается с появления первых вакуумных приборов (диода и триода) примерно в 1905 году и успешно продолжается вплоть до наших дней в классе мощных генераторных и модуляторных ламп, приборов СВЧ диапазона (клистроны, магнетроны, лампы бегущей и обратной волны и др,), рентгеновских и электронно-лучевых приборов (осциллографические, радиолокационные, передающие и приемные телевизионные трубки, мониторы компьютеров и др,) и разнообразных газоразрядных приборов бытовой и силовой электроники.

2. Эра полупроводниковой электроники начинается с изобретения транзистора в 1947 году Д. Бардиным, У. Браттейном и У. Шокли (получившими впоследствии Нобелевскую премию), открывшего широкие технические и технологические перспективы проникновения полупроводников в современные электронные устройства разнообразного функционального назначения. 3. Эра оптической электроники начинается с открытия квантового принципа действия мазера и лазера в 1954 году Н.

Г. Басовым, А.М. Прохоровым и Ч. Таунсом (получившими впоследствии Нобелевскую премию), что заложило основы современных интегрально-оптических систем и систем волоконно-оптической связи. 15 Введение 4. Зра интегральной электроники начинается с промышленного внедрения кремниевой планарной технологии, разработанной к началу 60-х годов на базе освоенных к этому времени методов, таких как окисление кремния, локальное диффузионное легирование, эпитаксиальное наращивание монокристаллических слоев и фотолитография. которые вместе с методами субмикронной технологии создали фундамент современной микроэлектроники, наноэлектроники и микропроцессорной техники. 5.

Эра функциональной электроники и наноэлектроники приходит сегодня на смену интегральной микроэлектронике на базе нетрадиционного использования физических явлений в твердом теле для обработки сигналов, что породило такие новые научно-технические направления в электронике, как акустоэлектроника, спинволновая электроника, плазменно-волновая электроника и криоэлектроника, а также учет наноразмерных эффектов. Все вышесказанное свидетельствует о большом многообразии современных электронных приборов, что не позволяет детально описать технологические операции, методы и приемы их производства.

Возможно лишь кратко охарактеризовать общую схему технологического процесса и отметить особенности основных этапов изготовления по отдельности для электровакуумных приборов (ЭВП), газоразрядных приборов (ГРП), дискретных полупроводниковых приборов (ДПП) и интегральных микросхем (ИМС). Технологические особенности изготовления ЭВП и ГРП Все приборы вакуумного класса имеют четыре характерных признака; ° наличие вакуумной оболочки (стеклянной, металло- стеклянной или металло-керамической), обеспечивающей сохранение вакуумной или газовой среды в приборе в течение его срока службы; ° наличие источника электронов в виде термокатода или фотокатода, обеспечивающего рабочий поток электронов; ° дискретный характер конструкции прибора, состоящего из отдельных деталей и узлов — вакуумного корпуса (колбы), катода, подогревателя, анода, сеток, катодной ножки и др., собранных в единую конструкцию; ° дискретный характер технологии, порожденный дискре гностью конструкции прибора, в виде строгой последовательности 16 Введение технологических операций, справедливой для всех без исключения приборов вакуумного и газоразрядного класса.

Технологический цикл изготовления ЭВП и ГРП любого типа в обязательном порядке включает следующие операции. Операции формообразования — для получения нужной формы детали с помощью механических, термических, электро- физических и электрохимических методов обработки материалов, таких как обработка резанием и давлением, порошковая металлургия и отливка деталей под вакуумом, ультразвуковая, электроискровая, электрохимическая, электронно-лучевая и лазерная обработка. Операции по получению вакуумно-чистых деталей — для очистки поверхности и обезгаживания деталей с помощью таких методов, как обезжиривание (в трихлорэтилене и четыреххлористом углероде), химическое н электрохнмическое травление и полировка (в водных растворах кислот и щелочей), промывка (в дистиллированной воде и этиловом спирте, в том числе, с применением ультразвука), рафинирующий отжиг (в вакууме или в атмосфере водорода) — см.

п.5.5, 5.6 и 6.9. Операции по нанесению поверхностных покрытий и защитнь|х пленок — для обеспечения активных функций (термоэмиссионные, фотоэмиссионные, антиэмиссионные, люминесцентные и газопоглощающие покрытия) и вспомогательных функций (электроизоляционные, электропроводящие, теплоизлучающие и антикоррозийные покрытия) с помощью таких методов, как пульверизация, гальваническое и электрофоретическое осаждение, термовакуумное и электронно-лучевое испарение, катодное и ионно-плазменное распыление — см. п.4.1.

Монтажно-сборочные операции и вакуумная герметизация прибора — для сборки отдельных узлов и конструкции прибора в целом с помощью таких методов, как пайка припоями, сварка плавлением (газовая, аргоно-дуговая, плазменно-лучевая, электронно-лучевая, лазерная), сварка давлением (электроконтактная, термодиффузионная, ультразвуковая, холодная), спаи металлов со стеклом и керамикой — см. п.6.10. Операции при откачке — для обезгаживания деталей, активировки катода и наполнения газом с применением термического прогрева в печах, нагрева деталей высокочастотным индуктором и электронной бомбардировкой под напряжением и напуска рабочей газовой смеси (если необходимо) — см, п.4.1 и 5.5 — 5.7. Операции на отпаянном приборе — для стабилизации газовой среды, формирования рабочих параметров прибора 17 Введение и придания ему «товарного вида» при помощи распыления газопоглотителя (если необходимо) и длительной тренировки прибора в жестком электрическом режиме, а также цоколевки, окраски и выборочных испытаний приборов.

В зависимости от класса и типа прибора отдельные технологические этапы имеют свои отличительные особенности. Например, маломощные приборы откачиваются на автоматах и полуавтоматах с кратким циклом откачки (измеряемым часами и даже минутами), на заключительном этапе которого лишь распыляется газопоглотитель, а активировка катода проводится на этапе тренировки. Наоборот, мощные СВЧ-приборы, откачиваемые индивидуально или малыми партиями на стационарных установках, проходят при этом полную электрическую обработку, включая активировку катода и первичную тренировку под рабочими напряжениями. Технологические особенности изготовления ДПП и ИМС Все полупроводниковые приборы имеют четыре характерных признака: ° наличие активной структуры в виде р — п-перехода, контакта металл — полупроводник (барьер Шоттки) или металл— диэлектрик-полупроводник (МДП-структура), обеспечивающей выполнение прибором его основной рабочей функции; ° наличие омических контактов в виде сильно легированных р"- или п»-областей, имеющих низкое контактное сопротивление для подвода напряжения к активным областям прибора и их электрической связи с внешними цепями; ° монолитный характер конструкции прибора, делающий невозможным разделение его на отдельные элементы; например, эмиттер, база и коллектор транзистора являются неразделимыми областями одного и того же полупроводникового кристалла; ° интегрально-групповой характер технологии, порожденный монолитностью конструкции прибора и позволяющий одновременное (интегральное) проведение на всей пластине определенной группы технологических воздействий.

например, создание области эмиттера сразу для всех приборов на пластине. Все методы полупроводниковой технологии по результату воздействия на материал можно разделить на четыре группы. 1 группа — методы удаления материала с использованием не только обычных жидкостных травителей (кислот и щелочей), но и «сухого травления», основанного на применении реактивных 18 Введение парогазовых смесей (газовое травление) и низкотемпературной плазмы (ионно-плазменное травление) — см. п.5.13 и 5.17. 11 группа — методы нанесения материала на поверхность полупроводниковой пластины, такие как; 1) создание металлических покрытий методами термовакуумного или электронно-лучевого испарения и катодного или ионноплазменного распыления металлов, выполняющих три функции: а) контактного сплава для омических контактов, б) вьгсокоомного сплава для резисторов, в) низкоомного сплава для электрического соединения элементов схемы; 2) создание диэлектрических (окисных) слоев различными способами (например, окислением поверхности полупроводника), выполняющих следующие функции: а) активная функция подзатворного диэлектрика в МДП-приборах и изолятора элементов схемы, б) пассивная функция защиты поверхности приборов от внешних воздействий, в) технологическая функция маскирующего покрытия, селективно защищающего поверхность полупроводника от технологических воздействий, например, при локальном формировании контактных площадок к элементам ИМС вЂ” см.

п. 5.11; 3) создание монокристаллических слоев методами жидкофазной, газофазной и молекулярно-пучковой эпитаксии ') — см. п. 5.14 — 5.16 и 6.8. 111 группа — методы изменения свойств материала при диффузионном легировании и ионной имплантации — см. и.5.8 и 5.9. 1тг группа — методгя локальной микрообработки, называемые методами литографии, такие как фотолитография (ФЛ), электронная литография (ЭЛ), ионная литография (ИЛ) и рентгеновская литография (РЛ). Сущность методов литографии состоит в формировании на поверхности пластины элементов прибора или рисунка схемы с помощью специального химически стойкого полимерного материала — ревиста, чувствительного к облучению ультрафиолетом (фоторезист при ФЛ), пучком ускоренных электронов (электронорезист при ЭЛ), пучком ускоренных ионов (ионорезист при ИЛ) или рентгеновским излучением (рентгенорезист при РЛ).

') Термин «зпитаксия«, введенный в 1928 году Руайе и происходящий от греческих слов; зпи (ея«) — «на«и таксис (то8«с) — «расположение в порядке«, означает ориентированное наращивание на монокристаллической подложке слоя, продолжающего при своем росте кристаллографическую ориентацию подложки. Введеяие гэ Экспонирование производится через специальную маску (фото- шаблон) с изображением элементов прибора или рисунка схемы, селективно пропускающим облучаюший поток. В результате облучения полимерные цепи в освешенных участках ревиста либо разрушаются (позитивные фоторезисты), либо задубливаются (негативные фоторезисты), формируя скрытое изображение.