1_1_Modul_Tekhnologichesky_analiz_izdely (Лекции Цветкова)

Москва, 2013

ВВЕДЕНИЕ

Одно из основных направлений развития современной техники – микроминиатюризация и повышение функциональности ее изделий.

Термин микроминиатюризация был введен в 50-х годах прошлого века американскими разработчиками электронной аппаратуры для первых спутников. Примечательно, что изначально приставка микро в этом термине воспринималось как гипербола. Микроминиатюризация с применением электронных ламп и первых транзисторов обеспечивала всего лишь создание электронной аппаратуры с размерами меньшими, чем те, которые до этого считались миниатюрными.

Однако через два-три десятилетия этот термин приобрел буквальное значение – электронные устройства становились все миниатюрнее, при этом размеры электронных компонентов уменьшились, а их функциональные возможности увеличились радикально.

Поэтому термин микроэлектроника уже не был гиперболой. Он точно описывал новый раздел электроники, связанный с изучением и производством изделий, отдельные элементов которых были уменьшены до микронных и субмикронных и нанометровых размеров.

Бурное развитие микроэлектроники в последние десятилетия стало возможным благодаря разработке и непрерывному совершенствованию технологических методов, обеспечивающих массовое производство микроструктур с уникальными техническими параметрами и приемлемыми экономическими показателями.

В наиболее полной мере эти методы реализованы в полупроводниковом производстве при изготовлении интегральных микросхем – ИМС (рис. 1), а в последнее время - микро-электромеханических систем – МЭМС (рис. 2).

Именно в этих областях достигнуты наиболее впечатляющие практические результаты – резко увеличены быстродействие микропроцессоров и объемы запоминающих устройств, радикально уменьшены размеры и повышена чувствительность кремниевых микродачиков.

Повышение функциональных возможностей микроэлектронных компонентов привело к увеличению числа их выводов и, соответственно, к возрастанию плотности монтажа на подложках гибридных ИМС и микросборок, на многослойных печатных платах. Размеры проводников на этих изделиях уже сейчас составляют 20…50 мкм, непрерывно возрастают также их функциональные возможности. Тенденция к микроминиатюризации микроэлектронных компонентов очевидна. Не менее очевиден и уже проявляется перенос методов технологии микроэлектроники в производство электронной аппаратуры, например, при изготовлении печатных плат также используются групповые заготовки (рис. 3).

Технологические возможности микроэлектроники послужили основой для появления и бурного развития не только микросистемной техники, но и оптоэлектроники, они все боле широко используются при изготовлении дифракционных оптических элементов и микроформованных деталей по технологии LIGA (Litographie, Galvanoformung и Abformung – нем. - литография, гальваностегия, формовка).

Приведенный, далеко не полный, список объектов микроминиатюризации включает весьма разнородные по функциональному назначению и по параметрам изделия. Вместе с тем, с технологической точки зрения все они имеют ряд общих признаков.

Все они являются плоскими, часто многослойными структурами, их функциональные элементы выполнены в виде микрорельефов в технологических слоях. Связь между слоями осуществляется электропроводящими микропереходами, при этом соответствующие элементы слоев должны быть точно совмещены между собой. Внешние слои микроструктур должны быть подготовлены для контактирования с другими изделиями при сборке.

Уникальные возможности применяемых для изготовления таких структур технологических методов, оригинальность технических решений, их универсальность - все это характерные черты самостоятельного научно-технического направления, окончательно сформировавшегося в технике к концу 20-го столетия и получившего название микротехнология (microtechnology, microrfabrication, microfabrication technology).

Микротехнология представляет собой совокупность методов и технических средств (оборудования, инструментов, используемых материалов), применяемых для исследования, разработки и производства сверхминиатюрных приборов и устройств, элементы которых имеют микро- и нанометровые размеры.

Поскольку основу микротехнологии составляет комплекс групповых прецизионных технологий, разработанных для производства микроэлектроники, в них можно выделить следующие этапы (рис. 4):

• изготовление монокристаллических кремниевых подложек;

• формирование на поверхности заготовок тонких функциональных слоев;

• создание на поверхности слоя защитной маски с локальными окнами;

• микрообработка функционального слоя через окна в маске;

• микросборка.

Подложки (wafers) - это заготовки для формирования микроструктур. Обычно это тонкие пластины из монокристаллического кремния, к структуре, физическим и геометрическим параметрам которых предъявляются особые, часто беспрецедентные в технике требования.

Нанесение функциональных слоев реализуется методами элионных технологий, позволяющих с помощью электронных, ионных, атомарных и молекулярных потоков и сред создавать на поверхности подложек полупроводниковые, проводящие и диэлектрические слои толщиной от нескольких нанометров до единиц микрометров. Наиболее распространены методы нанесения тонких слоев вакуумным напылением (physical vapour deposition - PVD) и химическим осаждением из паровой фазы (chemical vapour deposition – CVD).

Далее используется микролитография (microlithography), которая позволяет локализовать зоны воздействия на заготовку. Для этого на ее поверхность наносится тонкая чувствительная к актиничному излучению полимерная пленка (резист), которая затем экспонируется через шаблон с требуемым рисунком (топологией).

При последующем проявлении происходит локальное удаление участков резиста, образуются окна требуемых размеров и формы, через которые возможен доступ к поверхности заготовки (рис.1). Окна в резисте, их размеры и профиль, должны отвечать чрезвычайно жестким требованиям, поскольку они определяют качество третьего этапа микротехнологии.

Микрообработка (micromachining) обеспечивает локальное воздействие на заготовку: нанесение материала, легирование поверхности заготовки или ее травление. При микрообработке воздействие обрабатывающей среды ограничивается (локализуется) окнами в резисте. Арсенал современных методов микрообработки весьма широк. Для локального нанесения могут использоваться уже упомянутые методы элионных технологий, например вакуумное напыление, химическое осаждение из паровой фазы, а также гальваническое наращивание.

Локальное легирование проводится методами диффузии из парогазовой смеси или ионным легированием.

Локальное травление (изотропное или анизотропное) выполняется жидкостными травителями или с использованием плазменных методов, создающих требуемый профиль микроструктур.

Важной особенностью микротехнологии является групповой метод обработки — за один цикл экспонирования формируются миллионы окон в пределах одного модуля на заготовке, а затем также одновременно через эти окна заготовка подвергается микрообработке.

Возможность одновременного и относительно быстрого получения огромного числа элементов структур с микронными и субмикронными размерами оказала революционное воздействие на развитие микротехнологии.

Микросборка (packaging, assembly) начинается с разделения подложки на отдельные кристаллы и включает монтаж кристаллов на коммутационную плату или в корпус (die placing), электрическое соединение элементов кристалла с внешними выводами (wire bonding), а также его герметизацию (packging).

Даже краткое рассмотрение показывает, что микротехнологии основываются на совершенно иных принципах, нежели технологии, имеющие дело с макротелами.

Так, при обработке микроизделий функции инструмента выполняют частицы – электроны, ионы, атомы и молекулы участвующих в процессе веществ. В качестве среды обработки часто используют вакуум, парогазовые смеси, растворы реактивов, а сама обработка часто ведется при высокой температуре, которая должна поддерживаться с очень высокой точностью.

Локализация зоны обработки ведется с помощью микролитографии, одновременно формирующей на поверхности заготовки множество окон с микронными и субмикронными размерами элементов.

Большинство процессов микротехнологий строятся на основе применения в производстве современных достижений фундаментальных наук, т.е. относятся к высоконаукоемкими технологическим процессам.

Достижение и поддержание чрезвычайно жестких, зачастую беспрецедентных параметров таких процессов требует применения методов управления технологическими процессами на основе как физических, так и статистических методов.

Современная микротехнология доведена до промышленного уровня, усилиями ученых разных стран разработаны научно-технологические основы производства микроструктур на основе групповой прецизионной обработки

СТРУКТУРА ДИСЦИПЛИНЫ

Дисциплина «Процессы и оборудование микротехнологии» включает семь модулей, изучаемых последовательно в течение двух семестров.

Модуль 1 «Технологический анализ изделий микротехнологии» посвящен рассмотрению и анализу устройства и технологии изготовления двух основных представителей микроминиатюрных изделий - интегральной микросхемы и кремниевого микродатчика.

Модуль 2 «Изготовление монокристаллических кремниевых подложек» содержит краткую информацию о свойствах монокристаллического кремния, анализ методов получения монокристаллических слитков с заданными физическими параметрами. В модуле рассмотрены способы изготовления массовых заготовок микротехнологии – кремниевых подложек - для различных сфер их применения, от солнечных батарей до микроэлектроники.

Модуль 3 «Нанесение функциональных слоев» включает информацию о методах и оборудовании для нанесения тонких пленок в вакууме, химического осаждения из паровой фазы, осаждения диэлектрических пленок и поликристаллического кремния, газофазной и молекулярно-лучевой эпитаксии, оксидирования кремния.

В модуле 4 «Микролитография» рассматриваются области применения, основные этапы и структурные элементы процесса, его место в микротехнологии. Проводится сравнение позитивных и негативных фоторезистов, анализируются фотохимические процессы при экспонировании, методы повышения чувствительности фоторезистов, методы и оборудование для формирование тонких пленок фоторезистов. В модуле рассмотрены также источники актиничного излучения, системы экспонирования, методы и оборудование для изготовления фотошаблонов и проведения операций совмещения и экспонирования.

Модуль 5 «Микрообработка» содержит три основных раздела, соответствующих видам локального воздействия на заготовку: нанесение материала (различные виды осаждения из жидкостной или парогазовой фазы), легирование поверхности заготовки (ионное легирование, диффузия) или ее травление (жидкостное и плазменное, с анализом особенностей изотропных и анизотропных процессов). Отдельно рассматриваются LIGA технология, трехмерная объёмная микрообработка монокристаллического кремния и его поверхностная микрообработка с наращиванием слоев микроструктур.

Модуль 6 «Микросборка» охватывает основные операции по подготовке и проведению сборки микроструктур. В их число входят такие подготовительные операции, как утонение (шлифовка) подложек, их разделение на кристаллы, последующий монтаж кристаллов в корпус и присоединение электродных выводов с последующей герметизацией. Для каждого этапа предусмотрен анализ применяемых методов и соответствующего оборудования. Дополнительно рассматриваются методы сборки, применяемые в технологии МЭМС – соединение кремниевых пластин со стеклом и между собой.