146122 (Печатные платы)

Введение

Термин "технология" происходит от двух греческих слов:  – искусство, мастерство, умение и  – наука. В производственных процессах он применяется для обозначения технологических процессов: операционных, маршрутных, полных, а также методов и способов их выполнения.

Интегральная схема (микросхема) ­–­­­ микроэлектронное изде­лие, выполняющее определенную функцию преобразования, об­работки сигнала, накапливания информации и имеющее высокую плотность электрически соединенных элементов (или элементов и компонентов), которые с точки зрения требований к испытани­ям, приемке, поставке и эксплуатации рассматриваются как еди­ное целое.

Важным показателем качества технологии и конструкции ИС является плотность упаковки элементов на кристалле – число элементов, приходящихся на единицу его площади. Кроме умень­шения размеров элементов для повышения плотности элементов на кристалле используется совмещение нескольких (обычно двух) функций некоторыми областями полупроводникового кристалла, а также трехмерные структуры, разделенные диэлектрическими про­слойками.

Конструктивно-технологическая классификация ИС отражает способ изготовления и получаемую при этом структуру. По этому критерию различают полупроводниковые и гибридные ИС. В полу­проводниковых ИС все элементы и межэлементные соединения из­готовлены в объеме и на поверхности полупроводника. В гибридных ИС на диэлектрической подложке изготовляются пленочные пассив­ные элементы (резисторы, конденсаторы) и устанавливаются наве­сные активные и пассивные компоненты. Промежуточным типом ИС являются совмещенные интегральные схемы, в которых транзисторы изготовля­ются в активном слое кремния, а пленочные резисторы и диоды ­– как и проводники на изолирующем слое двуокиси кремния.

По типу применяемых активных элементов (транзисторов) инте­гральные схемы делятся на ИС на биполярных транзисторах (бипо­лярных структурах) и ИС на МДП-транзисторах (МДП-структурах).

Данная работа посвящена описанию основных технологических операций производства интегральных микросхем:

• выращивание монокристаллов;

• изготовление пластин;

• обработка поверхности пластин;

• 4

• 5

• 6

• 7

• 8

• 9

• 10

1 Выращивание монокристаллов

Качество полупроводниковых приборов в значительной степени зависит от качества исходных полупроводниковых материалов. Поэтому создание полупроводниковой интегральной схемы начинается с изготовления монокристаллических слитков полупроводников. Особую проблему при этом представляет их очистка от примесей.

В настоящее время для промышленного изготовления большинства полупроводниковых микросхем применяют кремний. Это объясняется тем, что кремний по сравнению с также хорошо изученным и освоенным полупроводниковой промышленностью германием обладает рядом преимуществ. Так, кремний имеет большую ширину запрещенной зоны, что обеспечивает более широкий интервал рабочих температур, меньшие обратные токи переходов и меньшую их зависимость от температуры, а также позволяет изготавливать резисторы с большими значениями сопротивлений, слабо зависящими от тока утечки. Кремниевые переходы имеют большие пробивные напряжения, их пробой наступает при больших температурах. Кроме того, кремний является самым распространенным в природе элементом после кислорода. Содержание кремния в земной коре составляет по массе 27,7 %, что обеспечивает неограниченную возможность расширения его производства по сравнению с другими полупроводниками, относящимися к рассеянным элементам. Помимо дешевизны и недефицитности, кремний обладает существенно большим значением напряжения образования дислокаций, чем другие полупроводники. Это делает возможным выращивание бездислокационных монокристаллических слитков диаметром до 150 мм и более с массой более 100 кг. Известно несколько способов получения монокристаллических слитков, основанных на следующем принципе.

Растворимость большинства примесей гораздо больше в жидкой фазе, чем в твердой. Поэтому если постепенно охлаждать расплавленный полупроводник, то в затвердевшей части будет меньше примесей, чем в оставшейся жидкой части, словно примеси оттесняются в жидкую фазу. Отрезая же от полностью затвердевшего слитка ту часть, которая затвердела последней (и в которой, соответственно, сконцентрирована основная масса примесей) и повторяя операцию несколько раз, можно получить очень чистый материал. В рамках данной работы остановимся на двух методах: методе Чорхальского и зонной плавке.

1.1 Метод Чорхальского

Схема процесса изображена на рис 1. В расплавленное нагревателем вещество, которое на­ходится в тигле и имеет температуру, близкую к температуре плавления, опускают монокристаллическую затравку того же состава, что и расплав. Далее при­водится в действие механизм подъема и вращения затравки; при этом затравка сма­чивается расплавом и увлекает его вверх, вследствие чего расплав на затравке нара­стает в виде кристаллической фазы. Метод обеспечивает получение полупроводни­кового материала в форме совершенных монокристаллов с определенной кристал­лической ориентацией и минимальным числом дефектов. Нагреватель может быть резистивным, высокочастотным, электронно-лучевым.

При этом необходимо выдерживать должный температурный режим на поверхности соприкосновения кристалл-расплав, скорость вращения стержня и скорость вытягивания. Вращение стержня обуславливает перемешивание расплава, а также вывод дислокаций за пределы кристалла. Процесс производится в атмосфере инертных газов или водорода, которые также должны быть достаточно чистыми.

1.2 Метод зонной плавки (метод перекристаллизации)

Н а рис 2 показана схема безтигельной вертикальной зонной плавки. Достоинством метода является совмещение процесса глубокой очистки полу­проводника с последующим выращивани­ем его монокристалла. Отливка в форме стержня из предварительно очищенного и легированного поликристаллического полупроводника прикрепляется одним концом к затравочному кристаллу. Небольшая зона контакта на границе затравочного кристалла разогревается до температуры плавления полем высокой частоты или электронным пучком и медленно сдвигается к противоположному концу стержня. На затравочной стороне происходит отвердение кремния в виде монокристалла. Как уже было сказано, большинство примесей обладают хорошей растворимостью в жидкой фазе по сравнению с твердой. Поэтому по мере продвижения зона плавления все больше насыщается примесями, которые по завершении процесса концентрируются на конце слитка. Обычно про­цесс зонной плавки повторяют несколько раз, по окончании очистки загрязненный конец слитка отрезают.

Обычно изготовля­ют монокристаллы с равномерным распре­делением легирующей примеси (донорной или акцепторной). Легирование кремния или германия элементами осуществляется введением в расплав соответствующей примеси. Таким образом, слитки могут иметь электронную электропроводность (n-тип) или дырочную (р-тип). Максималь­ная длина может достигать 100, 150 см, а диаметр слитка до 150 мм и более.

2 Изготовление пластин

Полученные путем метода Чорхальского и метода зонной плавки массивные монокристаллические слитки непосредственно не используются. Их нарезают на множество тонких пластин, на основе которых уже изготавливаются отдельные интегральные микросхемы.

Механическая обработка полупроводников затруднена их высокими твердостью и хрупкостью. Использовать обычные методы механической обработки, применяемые в металлообрабатывающей промышленности, такие, например, как прокатка, штамповка, вырубка, нельзя. Для изготовления пластин из монокристаллических слитков применяют метод абразивной обработки, т.е. обработки более твердым, но менее хрупким, чем обрабатываемая поверхность, материалом, а также другие эффективные методы.

Перед началом резки слиток необходимо прочно закрепить на неподвижном основании, причем очень важно обеспечить точное расположение слитка относительно полотен или дисков с тем, чтобы пластины имели необходимую кристаллографическую ориентацию. Как правило, пластины нарезаются в плоскости или .

Н аиболее распространенным способом крепления является закрепление с помощью различных наклеечных материалов, например, воска, канифоли, шеллака, глифталевой смазки, клея БФ, эпоксидных смол и крепежных мастик на их основе. Наклеечное вещество расплавляется и наносится на заготовки и крепежные приспособления и, застывая, скрепляет их в заданном положении.

После механической обработки материал нагревают, расплавляя наклеечный материал. Затем заготовки отмывают от наклеечного материала в специально подобранных растворителях. Для закрепления на держателе рабочего стола слиток сначала ориентированно приклеивают к специальной оправке торцом или цилиндрической поверхностью, а слитки большого диаметра ­­– одновременно торцевой и цилиндрической поверхностями (рис 4).

Держатель рабочего стола станка с помощью поворотной головки позволяет поворачивать слиток и устанавливать его относительно плоскости отрезного круга так, чтобы получить пластины с заданной ориентацией поверхности.

Обычно, резка слитка на пластины осуществляется либо с помощью комплекта тонких длинных стальных полотен, либо с помощью "алмазных дисков".

2.1 Резка стальными полотнами и дисками

На рис 3 показана схема резки стальными полотнами или наборами полотен с использованием абразивной суспензии. Этот метод применяется в лабораторных условиях для сквозного разделения пластин и подложек. Метод не обеспечивает высокой производительности и качества. Точность размеров кристаллов невысокая из-за неравномерности натяжения полотен в обойме, их вибрации, неравномерности износа. Абразивная суспензия загрязняет структуры.

Первоначально широкое применение в промышленности имела резка металлическими дисковыми пилами с применением абразивной суспензии. Это объясняется простотой и доступностью этого метода резания. Однако в настоящее время его применяют только в случае резки пластин на кристаллы. Принцип резки практически тот же, что и при резке стальными полотнами. В зону резания подают абразивную суспензию, которая, ускоряясь за счет вращения диска, с силой ударяет в обрабатываемый материал и откалывает от него микрочастицы. Процесс резания ускоряют частицы абразива, постепенно обновляемые в зазоре между металлическим диском и полупроводниковой пластиной. Абразивная суспензия достаточно хорошо отводит тепло из зоны резания и специального охлаждения не требует.

Жесткость металлических дисков, как правило изготавливаемых из стальных холоднокатных лент, недостаточна для резания слитков на пластины, и удовлетворительное качество резания достигается только при небольших глубинах резания, как было указано выше, при резании на кристаллы. Абразивные порошки изготавливаются из карбида бора В₄С₃, карбида кремния SiC, и электрокорунда Al₂O₃. По размерам зерна абразивные порошки подразделяются на четыре группы:

• шлифзерно;

• шлифпорошки;

• микропорошки;

• тонкие микропорошки.

2.2 Резка диском с наружной алмазной кромкой

Резание диском с наружной алмазной кромкой обладает по сравнению с процессом резания диском с применением абразивной суспензии более высокой производительностью и позволяет разделять толстые, а следовательно большого диаметра, пластины, обеспечивает воспроизводимые размеры и форму кристаллов и плат со строго вертикальными боковыми гранями, а также большой выход годных структур, достигающий 98  100 %. Схема процесса изображена на рис 4.

Д иск закрепляется на шпинделе станка своей центральной частью. Такое закрепление не обеспечивает высокой жесткости диска. Жесткость режущей кромки обеспечивается его конструкцией. Режущая кромка выступает за наружный диаметр прижимных фланцев не более чем на 1,5 глубины резания. Алмазоносный режущий слой на металлический диск наносится с помощью специальной связки. Из всех видов связок (органическая, керамическая, металлическая) только металлическая связка полностью обеспечивает прочность сцепления алмазосодержащего слоя с металлическим диском и хорошую самозатачиваемость в процессе резания. Рекомендуемые режимы резки для слитков кремния: частота вращения диска – 5000  8000 об/мин, скорость продольной подачи слитка – 30  60 мм/мин, расход СОЖ около 3 л/мин. Натяжение диска периодически контролируется с помощью электронного прибора и регулируется не менее одного раза за рабочую смену. Перед началом каждой резки диск проверяют на степень выработанности алмазной кромки, отсутствие трещин, задиров. Для точности размеров отрезаемых пластин, качества их поверхности и ширины реза важна правильная установка диска на барабан режущего станка. В процессе резки диск не должен вибрировать и отклоняться от плоскости. Охлаждение при резке осуществляется путем подачи СОЖ.

2.3 Резка диском с внутренней алмазной кромкой

В настоящее время способ резания диском с внутренней режущей алмазной кромкой является наиболее перспективным и прогрессивным из всех существующих. Этим способом можно производить самые универсальные процессы резания слитков на пластины до резания пластин на отдельные кристаллы. Основой диска служит стальная фольга толщиной 0,1  0,2 мм. Алмазосодержащую режущую кромку на металлическую основу наносят гальваническим способом, применяя в качестве связки никель.

Механизм резки состоит в хрупком разрушении обрабатываемой поверхности под действием нормальных усилий и в срезании микровыступов закрепленными в режущей кромке алмазными зернами (тангенциальные усилия). Нормальные усилия, передаваемые от диска через зерна алмаза на слиток, вызывают появление микротрещин, которые, увеличиваясь в процессе отрезания пластины, распространяются вглубь, смыкаются, образуя выколки. Затем эти выколки выкрашиваются и удаляются из зоны обработки. Помимо прочего, СОЖ, проникая в микротрещины обрабатываемой поверхности и оказывая капиллярное расклинивающее действие, интенсифицирует процесс резки. С увеличением частоты вращения диска нормальные и тангенциальные усилия уменьшаются, что повышает качество обработки поверхности и за счет уменьшения деформаций диска улучшает параллельность сторон пластин. Вместе с тем увеличение частоты вращения диска повышает производительность процесса. Однако, увеличение частоты вращения диска свыше 5000 об/мин вызывает возрастание вибрации станка и температуры в зоне резания. Схема процесса резки представлена на рис 5. К преимуществам резки диском с внутренней алмазной кромкой относятся высокая скорость резания (до 40 мм/мин), хорошее качество обработки поверхности (8 класс шероховатости), малый разброс по толщине пластин (20 мкм), небольшие отходы материала.