Технология изготовления интегральных микросхе
Производство интегральных микросхем состоит из ряда операций, выполняя которые постепенно из исходных материалов получают готовое изделие. Количество операций технологического процесса может достигать 200 и более, поэтому рассмотрим только базовые.
Эпитаксия - это операция наращивания на подложке монокристаллического слоя, повторяющего структуру подложки и ее кристаллографическую ориентацию. Для получения эпитаксиальных пленок толщиной от 1 до 15 мкм обычно применяется хлоридный метод, при котором полупроводниковые пластины после тщательной очистки поверхности от различного рода загрязнений помещают в кварцевую трубу с высокочастотным нагревом, где пластины нагреваются до 1200±3 оС. Через трубу пропускают поток водорода с небольшим содержанием тетрахлорида кремния. Образующиеся при реакции атомы кремния занимают места в узлах кристаллической решетки, из-за чего растущая пленка продолжает кристаллическую структуру подложки. При добавлении в смесь газов газообразных соединений доноров наращиваемый слой приобретает дырочную проводимость.
Легирование - это операция введения примесей в подложку. Существуют два метода легирования: диффузия примесей и ионная имплантация.
Диффузия примесей представляет собой обусловленное тепловым движением перемещение частиц в направлении убывания их концентрации. Основной механизм проникновения примесных атомов в кристаллическую решетку состоит в их последовательном перемещении по вакансиям решетки. Диффузия примесей осуществляется в кварцевых печах при температуре 1100-1200 оС, поддерживаемой с точностью ±0,5 оС. Через печь пропускается нейтральный газ-носитель (N2 или Аг), который переносит частицы диффузанта (В2О3 или Р2О5) к поверхности пластин, где в результате химических реакций выделяются атомы примесей (В или Р), которые диффундируют вглубь пластин.
Ионное легирование широко используется при создании БИС и СБИС. По сравнению с диффузией процесс ионного легирования занимает меньше времени и позволяет создавать слои с субмикронными горизонтальными размерами, толщиной менее 0,1 мкм, с высокой воспроизводимостью параметров.
Термическое окисление применяется для получения тонких пленок диоксида кремния SiО2, оно основано на высокотемпературных реакциях кремния с кислородом или кислородосодержащими веществами. Окисление происходит в кварцевых печах при температуре 800-1200 оС с точностью ±1 оС..
Травление применяется для очистки поверхности полупроводниковых пластин от различного рода загрязнений, удаления слоя SiО2, также для создания на поверхности подложек канавок и углублений. Травление может быть как жидкостным, так и сухим.
Жидкостное травление осуществляется с помощью кислоты, либо щелочи. Кислотное травление применяют при подготовке пластин кремния к изготовлению структур микросхем с целью получения зеркально гладкой поверхности, а также для удаления пленки SiО2 и формирования в ней отверстий. Щелочное травление применяют для получения канавок и углублений.
Литография - это процесс формирования отверстий в масках, применяемых для локальной диффузии, травления, окисления и других операций. Существует несколько разновидностей этого процесса.
Фотолитография основана на использовании светочувствительных материалов - фоторезистов, которые могут быть негативными и позитивными. Негативные фоторезисты под действием света полимеризуются и становятся устойчивыми к травителям. В позитивных фоторезистах свет, наоборот, разрушает полимерные цепочки, поэтому засвеченные участки фоторезиста разрушаются травителем. При производстве ППИС слой фоторезиста наносят на поверхность SiО2, а при производстве ГИС - на тонкий слой металла, нанесенный на подложку, или на тонкую металлическую пластину, выполняющую функции съемной маски.
Необходимый рисунок элементов ИС получают путем облучения фоторезистасветом через фотошаблон, представляющий собой стеклянную пластину, на одной из сторон которой имеется позитивный или негативный рисунок элементов ИС в масштабе 1:1. При производстве ИС используется несколько фотошаблонов, каждый из которых задает рисунок тех или иных слоев (базовых и эмиттерных областей, контактных выводов и т. д.).
После облучения светом неполимеризованные участки фоторезиста удаляются травителем и на поверхности SiО2 (или металлической пленки) образуется фоторезистивная маска, через отверстия в которой осуществляют травление SiО2 (или металлической пленки), в результате чего рисунок фотошаблона оказывается перенесенным на поверхность подложки.
Рентгеновская литография использует мягкое рентгеновское излучение с длиной волны около 1 нм, что позволяет получить D » 0,1 мкм. Фотошаблон в этом случае представляет собой такую мембрану (около 5 мкм), прозрачную для рентгеновских лучей, на которой методом электронно-лучевой литографии создан рисунок элементов ИС.
Ионно-лучевая литография использует облучение резиста пучком ионов. Чувствительность резиста к ионному облучению во много раз выше, чем к электронному, что позволяет использовать пучки с малыми токами и соответственно малым диаметром (до 0,01 мкм). Система ионно-лучевой литографии технологически совместима с установками ионного легирования.
Вам не приходилось бывать в сердце полупроводниковой индустрии - на фабрике по производству микросхем?
Вам не приходилось бывать в сердце полупроводниковой индустрии - на фабрике по производству микросхем? Каждое подобное сооружение - творение, способное впечатлить любого, даже непосвященного в производственные процессы человека.
У побывавших там возникало ощущение, будто совершаешь фантастическое путешествие в футуристический муравейник роботов или внутрь самой микросхемы. Там, в стерильном зале размером с три футбольных поля, снуют роботы и десятки специалистов, облаченных в скафандры и защитные шлемы. А высокоточные машины для производства микросхем «парят» на специальных платформах, освещенные желто-оранжевым светом…
Этапы производства кристаллов микросхем и фотолитография
Интегральные микросхемы делают на поверхности монокристаллического кремния (Кремний (Si) используется потому, что он является наиболее подходящим для этих целей полупроводником. В свою очередь, полупроводники - это класс материалов, чья электрическая проводимость находится посреди между проводимостью проводников (главным образом, металлов) и изоляторов (диэлектриков). Кремний также может выступать как в качестве диэлектрика, так и в качестве проводника - в зависимости от количества и типа присутствующих в нем примесей других химических элементов. И эта особенность широко используется при производстве микросхем. Впрочем, в редких случаях вместо кремния применяют и другие материалы. В частности, Intel умеет внедрять в свой 90-нм техпроцесс биполярные транзисторы с гетеропереходами (HBT) на кремний-германии (SiGe)) путем последовательного создания различных слоев на тонкой (меньше миллиметра) круглой (диаметром до 30 см) кремниевой пластине, именуемой подложкой [Тонкие пластины нарезаются из тяжеленной длинной цилиндрической болванки монокристаллического кремния, которая выращивается специальным прецизионным способом. Затем пластины полируются до зеркального блеска механическими и химическими методами. «Рабочая» поверхность (то есть та, на которой далее создается микросхема) пластины должна быть гладкой и совершенной на атомарном уровне и иметь весьма точную кристаллографическою ориентацию (подобно различным граням бриллианта при огранке, но еще более совершенной)]. Слои формируются при помощи различных процессов с использованием химических реактивов, газов и света. Производство современных микропроцессоров является сложным процессом, состоящим из трехсот с лишним шагов - более двадцати слоев «витиевато» соединены между собой, дабы сформировать схему микропроцессора с трехмерной структурой. Точное число слоев на подложке (вафле) зависит от дизайн-проекта конкретного процессора. Сотни идентичных микропроцессоров создаются на одной кремниевой подложке и на финальной стадии разрезаются на отдельные прямоугольные кристаллы - чипы.
Процессы формирования различных слоев и рисунков элементов микросхемы на подложке достаточно хитроумны (фактически это целая область науки), однако в их основе лежит одна простая идея: поскольку характерные размеры создаваемого рисунка настолько малы (Например, ячейка кэш-памяти процессора на 90-нм ядре Prescott в сто раз меньше красной кровяной клетки (эритроцита), а один ее транзистор - величиной с вирус гриппа), что осаждать те или иные материалы в нужных местах просто невозможно, поступают проще - материал осаждают сразу на всю поверхность подложки, а затем его аккуратно удаляют из тех мест, где он не нужен. Для этого служит процесс фотолитографии.
Что такое «чистая комната» и почему они используются на полупроводниковых фабриках?
Кристаллы микросхем должны производиться в условиях контролируемого и очень чистого воздуха. Поскольку функциональные элементы (транзисторы, проводники) на микрочипах очень малы, любая чужеродная частица (пыль, дым или чешуйки кожи), попавшая на пластину с будущими микросхемами на промежуточных стадиях ее производства, способна вывести из строя целый кристалл. «Чистые комнаты» классифицируются по размеру и количеству микрочастиц, присутствующих в единице объема (кубическом футе, примерно равном одной тридцатой части кубометра) воздуха. Например, комнаты класса 1, используемые в современном производстве, примерно в тысячу раз чище, чем хирургическая операционная. «Чистая комната» управляет чистотой воздуха путем фильтрации поступающего воздуха, удалением грязи с установок, ламинарным перемещением воздуха от потолка к полу (примерно за шесть секунд), регулировкой влажности и температуры. Люди в «чистых комнатах» ходят в специальных скафандрах, закрывающих, в том числе, весь волосяной покров (а в ряде случаев - даже с собственной системой дыхания). Для устранения вибраций чистые комнаты располагаются на собственном виброзащитном фундаменте.
Фотолитография является незыблемой основой производства микросхем, и в обозримом будущем ей вряд ли найдется достойная замена. Поэтому имеет смысл рассмотреть ее подробнее. Например, нам нужно создать рисунок в слое какого-то материала - диоксида кремния или металла (это наиболее распространенные в современном производстве операции). Прежде всего, на подложке тем или иным способом создается тонкий (обычно тоньше одного микрона) и сплошной, без дефектов, слой нужного материала. Далее на нем проводится фотолитография. Для этого сперва на поверхность пластины наносится тонкий слой светочувствительного материала, называемого фоторезистом (Фоторезист наносится из жидкой фазы, равномерно распределяется по поверхности пластины вращением в центрифуге и сушится до затвердевания). Затем пластина с фоторезистом помещается в прецизионную установку, где нужные участки поверхности облучаются ультрафиолетом сквозь прозрачные отверстия в фотомаске (ее еще называют фотошаблоном). Маска содержит соответствующий (наносимый на поверхность пластины) рисунок, который разрабатывается для каждого слоя в процессе проектирования микросхемы. Под действием ультрафиолета облученные участки фоторезиста меняют свои свойства так, что становится возможным их селективно удалить в определенных химических реактивах (Существует негативный и позитивный фоторезист. Один при облучении «крепчает», поэтому удаляют его необлученные участки, а другой, наоборот, теряет химическую стойкость, поэтому удаляются его облученные участки. Соответственно, различают позитивную и негативную фотолитографию). После снятия фоторезиста остаются открытыми только те области поверхности пластины, над которыми требуется совершить нужную операцию - например, убрать слой диэлектрика или металла. Они успешно удаляются (эта процедура называется травлением - химическим или плазмохимическим), после чего остатки фоторезиста можно окончательно убрать с поверхности пластины, оголив сформированный в слое нужного материала рисунок для дальнейших действий.Фотолитография завершена.
При производстве современных микропроцессоров приходится совершать операции фотолитографии до 20–25 раз - каждый раз над новым слоем. В общей сложности это занимает несколько недель! В одних случаях это слои изолирующих материалов, служащих подзатворным диэлектриком транзисторов или пассивирующими (изолирующими) прослойками между транзисторами и проводниками. В других - это формирование проводящих поликремневых затворов транзисторов и соединяющих транзисторы металлических проводников (В целях упрощения часть операций иногда совмещают - например, так называемые самосовмещенные затворы изготавливаются на базе одной и той же фотолитографии одновременным формированием рисунка подзатворного диэлектрика и тонкого поликремниевого затвора). В третьих - это формирование селективно легированных областей (главным образом - стоков и истоков транзисторов), причем легирование участков поверхности монокристаллической кремниевой пластины ионизированными атомами различных химических элементов (с целью создания в кремнии полупроводниковых областей n- или p-типа) производится не через окна в фоторезисте (он слишком нестоек для этого), а сквозь рисунок в достаточно толстом слое нанесенного диэлектрика (например, того же оксида кремния). После чего диэлектрик удаляется вместе с фоторезистом.
Иногда применяется и такой интересный метод, как взрывная фотолитография. То есть сперва формируется рисунок (вытравливаются окна в фоторезисте или временном слое диэлектрика), затем на поверхность пластины наносится сплошной слой нового материала (например, металла), и, наконец, пластина помещается в реактив, удаляющий остатки фоторезиста или временный диэлектрик. В результате удаляемый слой как бы «взрывается» изнутри, унося с собой лежащие на нем куски нанесенного последним металла, а в предварительно «открытых» участках (окнах) металл остался и сформировал нужный нам функциональный рисунок (проводников или затворов). И это только верхушка айсберга, называемого микроэлектронной технологией, в основе которой лежит принцип фотолитографии.
Таким образом на поверхности кремниевой пластины создается сложная трехмерная структура толщиной в несколько микрон, которая, собственно, и является электронной схемой. Сверху схема покрывается толстым (микроны) слоем пассивирующего диэлектрика, защищающего тонкую структуру от внешних воздействий. В нем лишь открываются окна для больших, стороной в десятки микрон, квадратных металлических контактных площадок, через которые на схему подаются извне питающие напряжения и электрические сигналы. А снизу механической основой микросхемы служит кремниевая пластина толщиной в сотни микрон. Теоретически, такую схему можно было бы сделать очень тонкой (10–30 мкм) и при желании даже «свернуть в трубочку» без потери функциональности. И подобные работы уже некоторое время ведутся в отдельных направлениях, хотя традиционные кристаллы микросхем (чипы) по-прежнему остаются «несгибаемыми».
После завершения технологических процедур каждый из кристаллов на пластине тестируется (подробнее об этом - в следующей статье), а потом пластина разрезается на отдельные кристаллы (прямоугольные чипы) при помощи алмазной пилы (Перед разрезанием на кристаллы толщина пластины у современных микропроцессоров уменьшается примерно на треть при помощи механической полировки. Это позволяет помещать их в более компактные корпуса. Полировка обратной стороны преследует также цели удаления посторонних материалов с последующим формированием электрического и адгезионного контактов к подложке при корпусировке). Далее каждый чип упаковывается в свой корпус, что позволяет подключать его к другим приборам. Тип упаковки зависит от типа микросхемы и от того, как она будет использоваться. Напоследок все упакованные чипы тестируются еще раз (негодные отбраковываются, годные проходят специальные стресс-тесты при различных температурах и влажности, а также проверку на электростатический разряд), сортируются по характеристикам и соответствию тем или иным спецификациям и отгружаются заказчику.
Технология Intel Copy Exactly
У большинства производителей микросхем оборудование и процессы, используемые в лабораториях для исследований и разработок, отличаются от того, что применяется на фабриках производства готовой продукции. И при переводе производства с опытного на серийное часто возникают серьезные задержки, связанные с тем, что на новом оборудовании требуется заметно дорабатывать и адаптировать технологические процессы, чтобы достичь высокого процента выхода годной продукции, ранее полученного в лабораториях. Это не только задерживает массовое производство, но и приводит к изменениям сотен параметров техпроцессов и даже конечных изделий. То же самое справедливо, если процесс, отлаженный на одной фабрике, переносится на другую с новым оборудованием.
Чтобы предотвратить возможные издержки, корпорация Intel, имеющая уже более десятка полупроводниковых фабрик, несколько лет назад внедрила у себя технологию Copy Exactly, суть которой в том, что при переносе технологии изготовления того или иного продукта из лаборатории на фабрику или между разными фабриками производится полное, до мелочей повторение (дупликация) всего, что с этим техпроцессом связано. Для этого, в частности, менеджеры с заводов участвуют в разработке продукта. А при переносе технологии копируется буквально все - не только входные и выходные параметры процессов (более 500!), но и их протекание, оборудование и параметры его настроек, поставщики исходных материалов для техпроцессов, трубопроводная система, чистые комнаты и даже методики обучения персонала.
Эта новаторская методика переноса технологий оказалась очень успешной. Сегодня она позволяет заводам выходить на полную мощность практически сразу после запуска - в течение нескольких недель. К тому же технология Copy Exactly придает фабрикам одной корпорации большую гибкость: начатые на одном заводе, пластины без ущерба для качества и выхода годных могут быть завершены на другом. А в случае аварии или реорганизации одной из фабрик другие «подхватят» ее дело и бизнес практически не пострадает. Эту технологию по достоинству оценивают и конкуренты - например, AMD и IBM, - хотя между ними в настоящее время она неприменима, поскольку их технологические маршруты несколько различаются.
Полупроводниковые фабрики
Сейчас в промышленности по производству чипов подходит к завершению одна из тех революций, которые раз в десятилетие меняют облик индустрии. Изготовители переходят от подложек диаметром 200 мм к подложкам диаметром 300 мм (см. фото справа), в результате чего появляется возможность заметно удешевить производство микросхем, а вместе с этим - всей электронной полупроводниковой продукции. Дело в том, что подложка диаметром 300 мм обеспечивает 225-процентное увеличение площади кремниевой пластины и 240-процентное увеличение полезного выхода чипов с каждой подложки. Кроме того, значительно улучшаются и экологические характеристики производства, которое требует меньшего расхода химических реактивов и энергии в пересчете на каждый процессор, создает меньше отходов. По данным Intel, по сравнению с заводом, работающим на 200-миллиметровых подложках, новая фабрика выбрасывает на 48% меньше летучих органических веществ, расходует на 42% меньше сверхчистой воды и примерно на 40% меньше энергии. На 50% сокращаются затраты труда.
Современные «300-мм» фабрики - это гигантские промышленные предприятия стоимостью около 2 млрд. долларов и площадью более сотни тысяч квадратных метров. Лишь немногие из современных компаний-производителей чипов (двадцатку лидеров см. во врезке на стр. 34) могут позволить себе вложения в такие дорогие фабрики. Ведь для постройки и дальнейшей эксплуатации подобных предприятий требуется достичь уровня ежегодных продаж в размере как минимум 6 млрд. долларов в расчете на каждую фабрику. Подобные фабрики принято называть «foundry» - один из переводов этого термина на русский язык означает «литейное производство». Название олицетворяет колоссальный индустриальный масштаб: ювелирный процесс изготовления высокотехнологичных элементов микропроцессоров становится на промышленный поток, масштаб которого сравним разве что с масштабом производства продукции огромными металлургическими цехами. В 2000 году, когда продажи чипов были на подъеме, всего десять компаний в мире имели объемы продаж выше 6 млрд. долларов. Из «старой гвардии» сегодня только Intel, IBM, Infineon, AMD, Texas Instruments и Samsung владеют собственными действующими фабриками по производству микросхем на 300-мм подложках. Другие создаются и управляются совместно объединениями компаний - например, «Motorola - Philips - STMicroelectronics - Taiwan Semiconductor». Несомненным лидером в планах постройки новых фабрик является Тайвань. Уже в 2001 году на острове была изготовлена пятая часть всего мирового производства подложек, а к 2010 году эта доля может достичь 40%. На пятки Тайваню наступают Китай, Малайзия и Сингапур - они планируют построить 15 фабрик, пять из которых будут работать на 300-мм пластинах.
У корпорации Intel таких действующих в промышленном масштабе фабрик уже четыре: F11X в Рио-Ранчо (штат Нью-Мексико), две - D1C и D1D - в Хиллсборо (штат Орегон) и недавно введенная в строй Fab 24 в ирландском городке Лейкслип (Leixlip). Все они могут выпускать процессоры по 90-нм технологии; пятая же, Fab 12 в Чандлере (штат Аризона) для 65-нм техпроцесса, будет переведена на 300-мм пластины к 2005 году. А, например, у AMD ввод в строй первой 300-мм фабрики Fab 36 планируется лишь в следующем году, см. обзор на www.terralab.ru/system/33692. Как полагают эксперты, существующие фабрики с 200-мм подложками смогут продержаться «на плаву» до 2005 года, после чего они уже не смогут выдержать ценовой конкуренции с 300-мм процессом. К 2005 году чипы будут делаться по технологии 65 нм, а на микропроцессорах будет интегрировано по миллиарду транзисторов! Чипы станут настолько крошечными, что позволят встраивать сотовые телефоны с голосовым набором номера в авторучку.
Почему фабрики для производства микросхем так дороги (до 5 млрд. долларов)? Полупроводниковые фабрики выполняют наиболее сложные задачи среди всех фабрик в мире. Они используют только специализированные материалы, болты, конструктивные элементы, оборудование и пр. Кроме того, интеловские фабрики, например, почти вдвое больше, чем средний размер подобных заводов в мире. Само здание стоит примерно 25% от общей стоимости фабрики и еще лет десять после постройки остается сооружением, пригодным для решения самых современных задач. Оборудование (установки для фотолитографии, газофазного осаждения, ионной имплантации) и автоматы на этаже стоят остальные 75%.
Дополнительные измерения проводятся для того, чтобы убедиться в виброустойчивости фундамента и установок. Даже если фабрика - внешне одно здание, на самом деле это несколько зданий, отделенных друг от друга набольшими (до 10 см) промежутками, и каждое здание имеет собственный фундамент. Это помогает гасить различные вибрации - как от внешних источников (автотранспорта, поездов), так и собственных вибраций оборудования.
Любопытные факты о первой 300-мм фабрике Intel Fab 11X
Технология изготовления микросхем
Все элементы ИС и их соединения выполнены в едином технологическом цикле на общей подложке.
Технологические процессы:
а) наращивание полупроводникового материала на кремниевой подложке;
б) термическое окисление кремния для получения слоя окисла SiO 2 , защищающего поверхность кристалла от внешней среды;
в) фотолитография, обеспечивающая требуемые конфигурации пленок(SiO 2 , металл и т.п.) на поверхности подложки;
г) локальная диффузия – перенос примесных атомов в ограниченные области полупроводника (в настоящее время – ионная имплантация легирующего вещества);
д) напыление тонких (до 1 мкм) пленок;
е) нанесение толстых (более 1 мкм) пленок путем использования специальных паст с их последующим вжиганием.
ИС изготавливаются методами интегральной технологии , имеющей следующие отличительные особенности :
1. Элементы, однотипные по способу изготовления, представляют собой или полупроводниковые p-n структуры с несколькими областями, различающиеся концентрацией примесей или пленочные структуры из проводящих, резистивных и диэлектрических пленок.
2. Одновременно в едином технологическом цикле изготавливается большое количество одинаковых функциональных узлов, каждый из которых, в свою очередь, может содержать до сотен тысяч и более элементов.
3. Сокращается количество технологических операций (сборка, монтаж элементов) на несколько порядков по сравнению с традиционными методами производства аппаратуры на дискретных элементах.
4. Размеры элементов и соединений между ними уменьшаются до технологически возможных пределов.
5. Низконадежные соединения элементов, выполненные с помощью пайки, исключаются и заменяются высоконадежными соединениями (путем металлизации).
Последовательность основных этапов построения полупроводниковой ИС :
1. Выращивание кристалла кремния.
2. Разрезка на пластины (200…300мкм, Ø 40 – 150мм).
3. Очистка поверхности пластин.
4. Получение элементов и их соединений на пластине.
5. Разрезка пластин на отдельные части (кристаллы).
6. Закрепление в корпусе.
7. Подсоединение выводов с контактными площадками.
8. Герметизация корпуса.
Пр. Фотолитография :
1. Очистка пластин.
2. Нанесение фоторезистора.
4. Совмещение с фотошаблоном и экспонирование.
5. Травление SiO 2 .
6. Задубливание (сушка).
7. Проявление.
8. Удаление фоторезистора.
Пр. Толстопленочная технология :
1. Очистка подложек.
2. Трафаретная печать.
Основными технологическими процессами, применяемыми при изготовлении полупроводниковых интегральных микросхем, являются оксидирование, фотолитография, диффузия, эпитаксия, ионное легирование.
Оксидирование кремния. Этот процесс имеет важное значение в технологии изготовления полупроводниковых интегральных микросхем. Диоксид кремния Si0 2 представляет собой стеклообразный оксид, имеющий тот же химический состав, что и кварцевое стекло. Эти оксиды являются хорошей изоляцией для отдельных элементов схемы, служат маской, препятствующей проникновению примесей при диффузии, применяются для защиты поверхности и создания активных диэлектрических элементов (например, в МОП-транзисторах). Они образуют равномерное сплошное покрытие на поверхности кремния, которое легко стравливается и удаляется с локальных участков. Повторное оксидирование обеспечивает защиту P-N -перехода от воздействия окружающей среды. Коэффициенты термического расширения кремния и диоксида кремния близки. Диоксид кремния обладает хорошей адгезией и сравнительно легко создается на поверхности пластины.
В зависимости от метода получения различают термические и анодные оксиды.
Термические оксиды получают при ускоряемых нагревом реакциях кремния с кислородом и другими веществами, содержащими кислород. Такие оксиды имеют толщину ~ 1 мкм и обладают высокой плотностью.
Метод термического оксидирования имеет две разновидности:
1) высокотемпературное оксидирование в потоке сухого кислорода и увлажненных газов;
2) оксидирование в парах воды при высоком давлении (до 50 МПа), при сравнительно невысоких температурах (5ОО...900°С).
Оксидирование в потоке увлажненных газов выполняется по рис.1.8. Пластины кремния помещают в кварцевую трубу, где установлена температура 1100°С. Один конец трубы соединен с увлажнителем (деионизованной водой), через которую пропускают газ (аргон, азот и др.). При отключенном увлажнителе осушенный кислород поступает непосред-ственно в кварцевую трубу. Оксидирование проводится в такой последовательности: предварительная выдержка в сухом кислороде (~15 мин); длительное оксидирование во влажном кислороде (2 ч) и окончательное оксидирование в сухом кислороде. Первая операция дает прочную пленку малой толщины. Термическая обработка в среде влажного кислорода обеспечивает быстрый рост пленки (до 1 мкм), но плотность ее получается недостаточной. Последующая обработка в сухом кислороде приводит к уплотнению пленки и улучшению ее структуры.
Наиболее часто используют толщину оксида, составляющую десятые доли микрометра, а верхний предел по толщине равен 1 мкм. Добавление в оксидированную среду хлорсодержащих компонентов повышает скорость оксидирования и увеличивает напряженность пробоя. Главная роль хлора заключается в превращении случайно попавших в диоксид кремния примесных атомов (калия, натрия и др.) в электрически неактивные.
Окисление кремния в парах воды при высоком давлении осуществляется в камере, внутренняя поверхность которой покрывается золотом или другим инертным металлом во избежание нежелательной реакции. В камеру помещают пластины кремния и определенное количество воды высокой чистоты, которая нагревается до температуры оксидирования (500 ...800°С). Толщина пленки зависит от длительности оксидирования, давления и концентрации паров воды.
На качество оксидной пленки влияет чистота рабочего объема, в котором производится процесс. Попадание даже ничтожного количества примесных атомов может существенно изменить свойства материала исходной заготовки. Наиболее вредное воздействие оказывают примеси меди, коэффициент диффузии которых в кремнии очень велик.
Большое значение имеет предокислительная очистка кремния от загрязнений, приводящих к прерывистости в пленках. Преимущество оксидирования при высоком давлении состоит в возможности снижения температуры процесса без увеличения продолжительности.
Анодное оксидирование кремния имеет две модификации: оксидирование в жидком электролите и в газовой плазме. Процесс анодного оксидирования дает возможность получать оксидные пленки при более низких температурах, что ограничивает пере-распределение примесей в предварительно сформированных диффузионных областях.
Для создания межслойной изоляции процесс оксидирования не применяют, а диэлектрические слои получают осаждением.
Пленки диоксида кремния как защитные слои обладают следующими недостатками: 1) пористостью структуры, что приводит к возможности проникновения водяных паров и некоторых примесей к исходной поверхности кремния; 2) способностью атомов ряда элементов мигрировать сквозь пленку диоксида кремния, что приводит к нестабильности характеристик полупроводниковых приборов.
Фотолитография. Фотолитография представляет собой процесс образования на поверхности диоксида подложки фоторезистивного изображения топологии схемы и последующего переноса его на подложку. По структуре он совпадает с методами, применяемыми при образовании проводников печатных плат. Однако этот процесс имеет свою специфику, обусловленную требованиями высокой разрешающей способности и повышенными требованиями к качеству применяемых материалов и чистоте окружающей среды.
Фоторезисты - тонкие плёнки органических растворов, которые должны обладать свой-ствами после экспонирования ультрафиолетовым светом полимеризоваться и переходить в нерастворимое состояние. Основные требования, предъявляемые к фоторезистам, - высокая разрешающая способность, светочувствительность, устойчивость к воздействию травителей и различных химических растворов, хорошая адгезия с поверхностью изделия.
Под разрешающей способностью фоторезиста понимается число линий, которое можно нанести на один миллиметр поверхности платы с расстоянием между ними, равным их ширине. Разрешающая способность зависит от вида фоторезиста и толщины слоя. При тонких слоях она больше, чем при толстых.
По способу образования рисунка фоторезисты делятся на негативные и позитивные (рис. 1.9).
Участки негативного фоторезиста, находящиеся под прозрачными участками фотошаблона, под действием ультрафиолетового света получают свойство не растворяться при проявлении. Участки фоторезиста, расположенные под непрозрачными местами фотошаблона, легко удаляются при проявлении в растворителе. Таким образом создается; рельеф, представляющий собой изображение светлых элементов фотошаблона (рис. 1.9, а).
Негативные фоторезисты изготовляют на основе поливинилового спирта. Их широко применяют вследствие отсутствия токсичных составляющих, приемлемой разрешающей способности (до 50 ли-ний/мм), простоте проявления и низкой стоимости. Недостатком является невозможность хранения более 3...5 ч заготовок с нанесенным слоем, так как послед-ний задубливается и в темноте. Кроме того, с пони-жением влажности и температуры окружающей среды уменьшается механическая прочность светочувствительного слоя и его адгезия с поверхностью.
Позитивный фоторезист под действием облучения изменяет свои свойства таким образом, что при обработке в проявителях растворяются его облученные участки, а необлученные (находящиеся под непрозрачными участками фотошаблона) остаются на поверхности платы (рис. 1.9, б).
Для позитивных фоторезистов применяют материалы на основе диазосоединений, которые состоят из светочувствительной полимерной основы (новолачной смолы), растворителя и некоторых других компонентов. По адгезионной и разрешающей способности они превосходят негативные фоторезисты, но имеют более высокую стоимость и содержат токсичные растворители. Разрешающая способность позитивных фоторезистов составляет до 350 линий/мм. Достоинством позитивного фоторезиста является отсутствие дубления при хранении заготовок с нанесенным светочувствительным слоем.
В технологическом процессе производства ИМС применяют жидкие и сухие фоторезисты.
Жидкие фоторезисты наносят погружением (окунанием), поливом с центрифугированием, накатыванием ребристым роликом и другими способами.
Сухие фоторезисты, получившие более широкое распространение ввиду большей технологичности и простоте применения, представляют собой тонкую структуру из трёх слоёв: оптически прозрачной плёнки (обычно полиэтилентерефталата), светочув-ствительного полимера и защитной лавсановой плёнки. Нанесение их проводится при повышенной температуре с предварительным удалением защитного слоя и приклеиванием фоторезиста. После экспонирования рисунка снимается оптическая плёнка и изображение проявляется в воде. При этом неэкспонированные участки рисунка удаляются.
Высокую разрешающую способность рисунка схемы обеспечивают позитивные фоторезисты. Однако их преимущества не исключают возможности использования негативных фоторезистов, обладающих большей кислотоустойчивостью и простотой проявления.
Основные этапы процесса фотолитографии при реализации контактной печати приведены на рис.1.10.
Подготовка повер-хности подложки (рис. 1.10,а) существенно влияет на адгезию фоторезиста. Пос-ледний следует наносить сразу же после окисления пластины без каких-либо дополнительных обработок поверхности. Если подложки хранятся более часа, то производится термообработка в сухом кислороде или азоте при t=1000°С в течение нескольких минут. Она позволяет устранить гидрофильность поверхности подложки.
Нанесение фото-резиста производят цен-трифугированием (рис. 1.10,6). Оптимальная толщина слоя фоторезиста находится в пределах 0,3... 0,8 мкм. При толщине слоя менее 0,2 мкм вероятность появления проколов резко увеличивается, а при толщинах более 1 мкм снижается разрешающая способность процесса, что не дает возможности получать элементы с малыми размерами.
При нанесении фоторезиста необходимо обеспечить однородность слоя (отсутствие пор, инородных частиц и др.) и равномерность его по толщине. Однородность слоя зависит от чистоты исходного фоторезиста, чистоты окружающей среды, режимов и способа сушки. Равномерность толщины слоя зависит от вязкости фоторезиста и режимов его нанесения. Неравномерность слоя по толщине является причиной ухудшения контраст-ности вследствие неполного прилегания фотошаблона к фотослою при экспонировании.
Удаление растворителя из слоя фоторезиста для образования прочной и однородной пленки осуществляется сушкой при t =18... 20°С в течение 15...30 мин, а затем при t=90... 100 °С в течение 30 мин.
Перенос изображения с фотошаблона на пластину, покрытую слоем фоторезиста, реализуется путем экспонирования (рис. 1.10, в). Если процесс фотолитографии повторяется, то необходимо ранее полученный рисунок совместить с рисунком на фотошаблоне. Точность совмещения составляет 0,25... 0,5 мкм. В качестве источника света используют ксеоновые и ртутно-кварцевые лампы.
На качество переноса существенно влияют дифракционные явления, возникающие при наличии зазоров между шаблоном и пластиной. Зазоры возникают вследствие неплоскостности подложки, достигающей 20 мкм. Качество переноса изображения с фотошаблона на слой фоторезиста может быть оценено только после проявления.
Проявление скрытого изображения (рис. 1.10,г) в негативном фоторезисте заключается в удалении участков, находившихся под темными местами фотошаблона. В случае позитивного фоторезиста удаляются облученные участки. Негативные фоторезисты проявляют в органических растворителях (трихлорэтилене и др.), а позитивные- в щелочных растворах. Для улучшения защитных свойств полученный слой сушат при t=100... 120°С, а затем задубливают при t=200... 250°С в течение 30...40 мин.
Требуемый рисунок схемы получают травлением не защищенных фоторезистом участков подложки в смеси азотной и плавиковой кислоты (рис. 1.10,д).
Травление должно обеспечивать полное вытравливание оксидных пленок. При этом встречаются случаи, когда надо одновременно вытравливать оксидные пленки различной толщины. Точность операций травления зависит от точности изготовления негатива и качества фоторезиста. В случае плохой адгезии слоя с поверхностью заготовки плавиковая кислота может проникать под задубленный слой и вытравливать защищенные им участки оксидной пленки. Оставшийся на поверхности слой фоторезиста удаляют в растворителе, в качестве которых применяют органические жидкости и серную кислоту. После набухания пленки фоторезиста удаляют тампоном.
Фотолитография является одним из основных технологических процессов при производстве полупроводниковых микросхем. Ее широкое применение объясняется высокой воспроизводимостью и разрешающей способностью, позволяющей получить рисунок малых размеров, универсальностью и гибкостью метода, высокой производительностью. Недостатком контактной фотолитографии являются быстрый износ фотошаблона и возникновение дефектов на соприкасающихся поверхностях. При контактировании фотошаблон вдавливает в фоторезистивный слой любые частицы (например, пылинки), которые приводят к дефектам в защитном слое фоторезиста.
Пылинка на поверхности фоторезиста может воспрепятствовать его задублению и привести к образованию отверстия («прокола») в оксиде. Такой же эффект может дать пылинка или какие-нибудь темные точки на прозрачной части фотошаблона. Отверстие в за-темненной части фотошаблона может привести к неполному удалению оксидной пленки. Размеры частичек пыли соизмеримы с размерами областей контактных элементов. Их наличие приводит к браку микросхемы.
Вероятность появления дефектов, возникающих вследствие попадания на поверхность кремния нерастворимых частиц пыли и других точечных загрязнений, пропорциональна площади пластины. Наличие таких дефектов ограничивает максимальную величину площади микросхем.
Бесконтактная (проекционная) фотолитография устраняет контакт между фотошаблоном и слоем фоторезиста, что позволяет избежать целого ряда недостатков, присущих контактной фотолитографии.
Метод проекционной печати заключается в проецировании изображения с фотошаблона на покрытую слоем фоторезиста пластину, размещенных на значительном расстоянии друг от друга. Размеры рисунка на фотошаблоне могут быть выполнены в увеличенном масштабе. При этом методе повышаются требования к плоскостности подложек и однородности толщины слоя фоторезиста. Высокие требования предъявляются к объективу, который должен обеспечить нужное разрешение на всем рабочем поле подложки. В настоящее время наилучшее разрешение (0,4 мкм) может быть получено на площади 2x2 мм. Трудности создания объективов, обеспечивающих высокое разрешение на большой площади, препятствуют широкому внедрению метода проекционной фотолитографии.
Фотолитография на микрозазоре сочетает достоинства контактного и проекционного методов фотолитографии. При этом методе между пластиной и фотошаблоном устанавливается зазор в 10... 20 мкм. Такой зазор является достаточно большим, чтобы свести к минимуму явление дифракции, и в то же время достаточно малым, чтобы пренебречь нелинейными искажениями в зазоре при передаче изображения. Промышленное оборудование для экспонирования на микрозазоре значительно сложнее, чем установки для контактного экспонирования.
Диффузия. Это процесс переноса легирующих примесей из областей с большей концентрацией в области с меньшей концентрацией. Если в твердом теле имеется градиент концентрации атомов какого-либо элемента, то создается направленное диффузионное движение, стремящееся выравнить концентрацию этих атомов во всем объеме. Процессы выравнивания концентрации происходят при достаточно высоких температурах, когда резко увеличиваются скорости движения частиц. Они характеризуются коэффициентом диффузии D, который определяется массой вещества, проникающего через единичную площадку за единицу времени при градиенте концентрации, равном единице.
Коэффициент диффузии для определенного материала и диффундирующей примеси в первом приближении зависит только от температуры (экспоненциальная зависимость).
Коэффициент диффузии элементов III группы (В, А1,Iп) в кремний на 1... 1,5 порядка выше, чем элементов V группы (As; P; Sb). Например, коэффициент диффузии бора в кремний при t==1473 К составляет 10,5 см 2 /с, мышьяка - 0,3 см 2 /с.
Процесс диффузии осуществляется в два этапа. На первом этапе из бесконечного источника (газовая фаза) на кристалле создается слой, насыщенный примесью. Этот этап называется загонкой примеси. Он проводится в присутствии кислорода, что способствует образованию на поверхности слоя боросиликатного стекла (для примеси В 2 0 3) или фосфорно-силикатного стекла (для примеси Р 2 О 5). Параметрами процесса загонки являются концентрация диффузанта и кислорода в газе-носителе, скорость газовой смеси и время процесса. На втором этапе примесь подвергается перераспределению. Этот этап называется разгонкой примеси. Она выполняется при t = 800...1000°С в отсутствие внешнего источника примеси. Рабочей атмосферой служит смесь инертного газа с кислородом. Разгонка примеси в глубь пластины сопровождается выращиванием защитной пленки оксида кремния.
Диффузию проводят в диапазоне температур 1100... 1300°С, а с учетом процесса загонки при двухстадийном процессе -1000... 1300°. Ниже 1000 °С значения коэффициентов диффузии очень малы и глубина диффузии незначительна. Выше 1300°С происходят нарушения поверхности пластин под действием высокой температуры.
В качестве источников примеси применяют твердые, жидкие и газообразные соединения. Наиболее часто используют бор и фосфор в виде химических соединений В 2 0 5 , Р 2 О 5 и др.
Диффузия в пото-ке газа-носителя из твердого источника выполняется в двухзонных установках (рис. 1.11). Источник примесей поме-щают в низкотемпературной зоне, а кремниевые плас-тины - в высокотемператур-ной зоне (1100... 1200°С). Трубу продувают смесью инертного газа с кислоро-дом и после установления температурного режима пластины помещают в рабочую зону. Испаряющи-еся молекулы примеси переносятся газом-носите-лем к пластинам и через слой жидкого стекла попадают на их поверхности. Жидкое стекло защищает поверхности пластин от испарения и попадания посторонних частиц. Недостатки процесса диффузии из твердого источника - сложность установки и трудность регулирования давления паров.
Диффузия в потоке газа-носителя из жидкого источника проводится на более простой однозонной установке, где возможно получить более широкий интервал значений поверхностных концентраций. Недостаток такого процесса-большая токсичность концентраций.
Диффузия в замкнутом объеме. Такая диффузия обеспечивает хорошую вос-производимость параметров диффузионных слоев. В этом случае пластину кремния и источ-ник примесей помещают в кварцевую ампулу, которую откачивают до давления 10 -3 Па или заполняют инертным газом. Затем ампулу запаивают и помещают в нагревательную печь. Молекулы пара примеси адсорбируются поверхностями полупроводниковой пластины и диффундируют в глубь ее. Такой метод применяют для диффузии бора, сурьмы, мышьяка, фосфора. Эти примеси являются высокотоксичными, а диффузия в ампуле исключает возможность отравления.
Достоинством метода является возможность применения одной печи для диффузии нес-кольких примесей без взаимного их загрязнения, недостатком-низкая производительность и необходимость тщательного ведения процесса загрузки, так как любое вещество, попавшее в ампулу, диффундирует вместе с основной примесью.
При всех способах диффузии необходимо обеспечить равномерное распределение температуры вдоль оси горячей зоны. Если допуск на глубину диффузионного слоя, равен 100%, то достаточно температуру выдерживать с точностью ±5°С. При допуске 20% температуру необходимо выдерживать с точностью ±0,5°С.
Глубина диффузии изменяется от нескольких микрометров (для элементов схемы) до 10 ... 100 мкм для их изоляции. Большая глубина диффузии требует значительного времени (до 60 ч).
Примеси, диффундирующие в кремний через отверстие в оксиде, распространяются в боковых направлениях почти на такую же величину, как и в глубину.
Наиболее распространенными дефектами при диффузии являются отклонения в глубине диффузионного слоя. Причины таких отклонений - пыль и другие частицы, находящиеся на поверхности пластины, а также остатки фоторезиста. Дефекты поверхности и нарушения в кристаллической решетке способствуют более глубокому проникновению диффузанта в материал. Для уменьшения количества таких дефектов необходимо весьма тщательно соблюдать чистоту окружающей среды, материалов и оборудования на подготовительных операциях и в процессе проведения диффузии.
Получение P-N -переходов методами диффузии позволяет в точных пределах контролировать глубину залегания и расположение перехода, концентрацию примесей и др. Недостаток процесса диффузии - невозможность получения четких переходов между областями с различными типами проводимости.
Эпитаксия. Это процесс наращивания слоев с упорядоченной кристаллической структурой путем реализации ориентирующего действия подложки. В производстве интегральных схем применяют два вида эпитаксии: гомоэпитаксию и гетероэпитаксию.
Гомоэпитаксия (автоэпитаксия) - процесс ориентированного наращивания кристалли-ческого вещества, не отличающегося по химическому составу от вещества подложки. Гетероэпитаксия - процесс ориентированного наращивания вещества, отличающегося по химическому составу от материала подложки.
В процессе выращивания эпитаксиальной пленки в нее можно вводить легирующие примеси, создавая полупроводниковые пленки с нужным распределением концентрации и заданным типом проводимости. Благодаря этому удается получить четкие границы между областями с различным типом проводимости.
Наибольшее распространение в настоящее время получил так называемый хлоридный способ получения эпитаксиальных слоев кремния, основанный на восстановлении тетрахлорида кремния. Процесс производится в реакторе, представляющем кварцевую трубу, помещенную в индуктор ВЧ-генератора. Реакторы могут быть горизонтального и вертикального типа.
В горизонтальном реакторе (рис. 1.12) кремниевые пластины размещают на графитовых подставках. Обогрев осуществляется высокочастотным генератором. Перед началом процесса систему заполняют азотом или гелием для удаления воздуха и продувают чистым водородом, который при температуре 1200°С вступает в реакцию с остатками оксидных пленок на поверхности подложек и почти полностью удаляет их. Затем камеру заполняют
смесью НС1 и Н 2 для стравливания с пластины кремния слоя толщиной в несколько микрометров. С помощью операции газового травления удаляются нарушенный слой и остатки Si0 2 . Эпитаксиальные пленки получаются без структурных дефектов. После очистки систему в течение нескольких минут продувают водородом, затем подают SiCl 4 и легирующую примесь. В результате реакции
5iС1 4 (газ) + 2Н 2 (газ) ↔ Si (ТВЁРДОЕ) ↓ + 4НС1 (ГАЗ)
тетрахлорид кремния разлагается, и на кремниевую подложку осаждается кремний, который принимает структуру лежащего под ним слоя. После окончания процесса подложку охлаждают потоком чистого водорода.
Определенные соотношения водорода, хлорида кремния и примесей достигаются путем регулирования скорости подачи и температуры. Обычный расход газа-носителя (водорода) составляет 10 л/мин, а соотношение между количеством Н 2 и SiCl 4 составляет 1000: 1. В эту смесь вводится газообразный диффузант в количестве примерно 300 ч. на 1 000 000 ч. газовой смеси.
В качестве донорной примеси применяют фосфин (РН 3) , а для получения слоя P -типа - диборан (В 2 Н 6) .
Скорость роста эпитаксиальной пленки зависит от расхода SiCl 4 и Н 2 , температуры подложки, количества вводимой примеси и др. Эти переменные, которые можно контролировать достаточно точно, определяют продолжительность процесса.
Наименьшая толщина эпитаксиальной пленки определяется наличием центров кристаллизации. Верхний предел толщины пленки, свободный от дефектов, равен 250 мкм. Наиболее часто толщина эпитаксиальной пленки составляет от 1 до 25 мкм.
Большое влияние на качество эпитаксиального слоя оказывает чистота поверхности подложки и используемых газов. В качестве подложки используют пластины кремния толщиной 150...200 мкм, свободные от структурных дефектов. Допускаемое содержание примесей в газах равно нескольким частям примеси на миллион частей газа.
Контроль полупроводниковых пластин осуществляют после финишного полирования, эпитаксии, оксидирования и диффузии. Он основан на визуальном наблюдении и анализе изображения пластины, сформированного на экране отраженным от поверхности пластины гомоцентрическим пучком видимого света.
Участки пластины с нарушенной структурой вносят возмущения в пучок света, благодаря чему дефекты пластины видны на экране как изменения интенсивности света в изображении пластины, позволяющие оценить ее качество.
Напыление тонких плёнок. Основными методами получения тонких плёнок являются термическое напылние (испарение) в вакууме и ионное распыление.
Термическое напыление в вакууме. Такое напыление основано на свойстве атомов (молекул) металлов и некоторых других материалов при испарении в условиях высокого вакуума перемещаться прямолинейно (лучеобразно) и осаждаться на поверхности, поставленной на пути их движения.
Установка для напыления в вакууме (рис. 1.13) состоит из плоской плиты 6,
на которой устанавливается стеклянный или металличес-кий колпак 9.
В последнем случае он снабжается смотровым стеклом. На плите предусмотрены два изолированных вакуумплотных вывода 4
для питания испарителя 3.
На некотором расстоянии от испарителя помещается подложка 10,
на которую наносится тонкая пленка. Подложка нагревается и до достижения заданного режима закрыта заслонкой 1.
В соответствии с физическими процессами, происходящими при испарении в вакууме, можно выделить следующие этапы образования пленки: 1) перевод напыляемого материала в парообразное состояние; 2) перенос пара от источника испарения к подложке; 3) конденсация пара на подложке и образование пленки.
Перевод напыляемого материала в парообразное состояние. В области образования паров происходит испарение материала, который нагревается до тех пор, пока давление его паров не превысит давления остаточных газов. При этом наиболее нагретые молекулы, обладающие высокой кинетической энергией, преодолевают силы молекулярного притяжения и отрываются от поверхности расплава. Вследствие резко пониженной теплопередачи в условиях высокого вакуума перегрева подложек не происходит.
Для некоторых материалов условная температура испарения ниже температуры плавления. Например, хром имеет температуру плавления 1800°С, а испаряется при нагревании в вакууме при температуре 1205°С. Переход вещества из твердого состояния в парообразное минуя жидкое называется сублимацией.
Перенос пара от источника испарения к подложке. Область переноса паров составляет 10...20 см. Чтобы траектории молекул испаряемого вещества были прямолинейными, длина свободного пробега молекул остаточного газа должна в 5... 10 раз превышать линейные размеры области переноса паров.
Длина свободного пробега l - расстояние, проходимое молекулой пара вещества без столкновения с молекулами остаточных газов. В высоком вакууме, когда l ³ d (d - расстояние от источника испарения до подложки), молекулы испаряемого вещества пролета-ют расстояние практически без соударений. Такой поток испаряемого вещества называется молекулярным и для его создания необходим вакуум порядка 10-5... 10-6Па.
Конденсация пара на подложке и образование пленки. Конденсация пара зависит от температуры подложки и плотности атомарного потока. Атомы испаряемого вещества адсорбируются на подложке после хаотической миграции по ее поверхности.
По механическим и физическим свойствам тонкие плёнки существенно отличаются от объёмного материала. Например, удельная прочность некоторых плёнок примерно в 200 раз превышает прочность хорошо отожжённых объёмных образцов и в несколько раз - прочность материалов, подвергнутых холодной обработке. Это объясняется мелкокристалличексой структурой и малой пластичностью. Температура испарения металлов лежит в пределах от нескольких сотен градусов (например 430 о С у цезия) до нескольких тысяч (например, 3500 о С у вольфрама). В связи с этим при вакуумном испарении применяют испарители различной конструкции. По способу нагрева вещества испарители разделяют на резистивные, электронные и индукционые.
В резистивных испарителях тепловая энергия получается за счет выделения теплоты при прохождении тока через нагреватель или непосредственно через испаряемый материал. Наиболее часто используют испарители с косвенным подогревом. В этом случае предусматривают специальные подогреватели, при помощи которых испаряемое вещество нагревается до требуемой температуры. Материалом испарителя обычно служит вольфрам, тантал, молибден и др.
Выбор материала подогревателя определяется следующими требованиями: испаряемый материал в расплавленном состоянии должен хорошо смачивать подогреватель, образуя хороший тепловой контакт, и не должен вступать в химическую реакцию с материалом подогревателя. В основном применяют подогреватели из вольфрама, молибдена, тантала.
Резистивные испарители не обеспечивают требуемого состава пленок при испарении сплавов. Вследствие различия в упругости паров различных компонентов состав пленки значительно отличается от исходного материала. Например, напыляемый сплав нихром (80% Ni и 20% Сг) образует на подложке пленку, имеющую состав 60% Ni и 40% Сг. Для получения пленок требуемого состава из многокомпонентных сплавов (например, МЛТ и др.) применяют метод микродозирования или взрывного испарения. При этом методе на ленточный испаритель, нагретый до температуры, превышающей на 200... 300°С температуру испарения наиболее тугоплавкого компонента, подается микродоза порошка испаряемого сплава с размерами частиц 100... 200 мкм. Испарение микродозы происходит практически мгновенно.
В электронных испарителях кинетическая энергия электронов преобразуется в тепловую энергию. Испаряемый материал используется в виде сплошной проволоки, на свободный конец которой воздействует электронный луч. В связи с кратковременностью нагрева (10 -8 ... 10 -9 с) различные компоненты сложного соединения испаряются и осаждаются на подложку практически одновременно. Электронно-лучевой нагрев дает возможность испарять тугоплавкие металлы и их сплавы.
Для повышения стабильности параметров тонкие металлические пленки подвергают термической обработке путем нагревания до t =300... 400° С. При этом происходит укрупнение кристаллов, связь между ними усиливается, пленка получается более плотной и компактной, а удельное электрическое сопротивление уменьшается.
Вакуумное напыление широко применяют для получения резистивных пленок, проводников из меди, алюминия и некоторых других сплавов, диэлектрических покрытий из оксида кремния и др. Основными преимуществами процесса являются высокая чистота получаемой пленки, удобство контроля ее толщины в процессе напыления, простота выполнения. Наиболее существенные недостатки процесса - изменение процентного соотношения составляющих при испарении веществ сложного состава; малая равномерность пленки по толщине при осаждении на большую площадь из точечных источников; трудность испарения тугоплавких материалов; высокая инерционность процесса при использовании резистивных испарителей; сравнительно невысокая прочность сцепления пленки с подложкой.
Ионное распыление.
Оно основано на явлении разрушения твердых материалов при бомбардировке их поверхности ионизированными молекулами разряженного газа. Процесс не связан с высокими температурами и позволяет получать пленки тугоплавких металлов и сплавов. Различают следующие виды ионного распыления: катодное, ионно-плазменное и магнетронное.
Катодное распыление («диод-ная» система) (рис. 1.14) производится в ва-куумной камере, где расположены два плоскопараллельных электрода. Один элек-трод (катод) изготовлен из распыляемого материала и является мишенью для бомбар-дировки. Другой электрод (анод) служит подложкой, на которой осаждается пленка. В вакуумной камере создается низкое давление (10 -3. .. 10 -4 Па), после чего заполняется инерт-ным газом (обычно аргоном) при давлении 1 ... 10 Па. При подаче высокого напряжения (1... 3 кВ) между электродами возникает самостоятельный тлеющий газовый разряд, возбуждаемый электронной эмиссией. Катод является источником электронов, необходи-мых для поддержания тлеющего разряда. Электроны движутся к аноду и при столк-новении с молекулами нейтрального газа выбивают новые электроны, что приводит к резкому нарастанию потока электронов. Молекула инертного газа при этом превра-щается из нейтральной в положительный ион, обладающий по сравнению с элек-троном большей массой. Так происходит ионизация газа, который с большим или равным количеством электронов и ионов называют плазмой. Электроны перемещаются к аноду и нейтрализуются. Положительные ионы движутся к другой границе плазмы и ускоряются в темном катодном пространстве, приобретая большие энергии для распыления мишени (катода). Атомы материала мишени с высокой энергией осаждаются на поверхности подложки, которая располагается достаточно близко к катоду. Обычно это расстояние состав-ляет полторы-две длины темного катодного пространства.
Катодное реактивное распыление осуществляется в смеси инертного и активного газов. Оно позволяет получать различные по составу пленки. Разряд в смеси газов «аргон - кислород» применяют для получения оксидов. Реактивное распыление тантала в среде аргона с добавлением кислорода, азота и углерода позволяет получить ряд соединений с самыми различными свойствами.
Ионно-плазменное распыление (трехэлектродная система) осуществляется при более низких давлениях (рис. 1.15).
В камере создается давление 10 - 3Па и включается накал катода. Затем она заполняется инертным газом при давлении Ю-1Па. Создание газоразрядной плазмы обеспечивается дуговым разрядом, возникающим между анодом и катодом при напряжении в 150... 250 В. Источником электронов служит термокатод. Распыляемый материал (мишень) вводится в газовый разряд в качестве независимого электрода, не связанного с поддержанием разряда. Имитируемые термокатодом элек-троны ускоряются по направлению к аноду и ионизируют по пути молекулы остаточного газа. Плотность образующейся плазмы более чем на порядок превышает плотность плазмы тлеющего разряда. Катод-мишень и подложку помещают на противоположных границах активного плазменного пространства. Распы-ление начинается с того момента, когда к мишени прикладывают отрицательный по отношению к аноду потенциал в 200... 1000 В. Этот потенциал отталкивает электроны и притягивает ионы из плазменного простран-ства. Ионы бомбардируют мишень так же, как в рассмотренном «диодном» варианте. Распыляе-мые атомы, двигаясь преимущественно в направлении, перпендикулярном поверхно-сти, осаждаются на подложке. Распыление при низких давлениях дает возможность получить высокую адгезию пленки с подложкой за счет большей энергии распыляемых частиц. Так как при этом давлении длина свободного пробега молекул составляет несколько сантиметров, то распыляемые атомы на своем пути от мишени до подложки почти не соударяются с молекулами и ионами инертного газа и газовых примесей, что существенно уменьшает степень загрязненности пленки посторонними газовыми включениями. Возможность сокращения расстояния между мишенью и подложками связана с тем, что в триодной системе распыления образование электронов и ионов происходит автономно от мишени.
Недостатками триодной системы являются малый срок службы проволочного катода и разная скорость распыления на отдельных участках плоской мишени.
Высокочастотное ионное распыление применяют для распыления диэлектриков и полупровод-никовых материалов. В процессе обычного распыления проводящих материалов, ударяющихся о катод-мишень, ион нейтрального рабочего газа получает с мишени электрон и разряжается, превращаясь на некоторое время в нейтральную молекулу. Если распыляемый материал мишени- диэлектрик, то нейтрализации ионов на мишени не будет и она быстро покрывается слоем положительных зарядов, препятствующих дальнейшему распылению мишени.
Влияние положительного заряда можно исключить, подавая к металлическому электроду, на котором закреплён распыляемый диэлектрик, переменное напряжение. В период, когда напряжение на мишени отрицательно, происходит её распыление, сопровождаемое накоплением положительного заряда. При смене полярности положительный заряд компенсируется электронами, вытягиваемыми из плазмы. Диэлектрические материалы можно распылять практически на любой частоте.
Все мы в той или иной степени пользуемся банковскими, социальными, а также SIM-картами, не говоря уже о проездных на метро. Все эти вещи объединяет одно - в основе их функционирования лежит микрочип. Микроэлектронка является одной из самых высокотехнологичных и наукоемких отраслей промышленности. Более 90% инноваций, которые появляются в мире, созданы за счет развития микроэлектроники.
Все микрочипы, используемые в России, рождаются в одном месте - на зеленоградском заводе «НИИМЭ и Микрон», входящему в группу компаний «СИТРОНИКС Микроэлектроника».
В основе любой микросхемы или чипа - кремний.
Кремний обрабатывается в монокристалл. Режется на пластины толщиной в два бумажных листа и диаметром 750 микрон. В таком виде его и закупает завод.
Дальше, на производстве, исходя из дальнейшего
предназначения, пластина обрабатывается (порядка 200–300
операций) и разрезается на маленькие кусочки равного
размера. На одной пластине помещается несколько десятков
тысяч чипов с трехмерной структурой.
Сначала пластину очищают от пыли в ионизированной воде и обрабатывают специальными реактивами. Затем ее подвергают термической обработке.
Пластины с микрочипами переносятся в smif-контейнере.
Контейнер защищает пластины от внешних воздействий
и грязи. SMIF-контейнер - это маленькая «особо чистая
комната». Там создан класс чистоты фактически 0.00 единиц
на кубический метр.
Сердце микроэлектронного производства – чистая комната.
Производственный процесс в ней идет круглосуточно,
не останавливаясь даже ночью. Почти весь процесс
изготовления микрочипов автоматизирован, что сокращается
потребность в людских ресурсах.
Важнейшим и основообразующим элементом на заводе является чистота. Для микрочипа любая пылинка - то же, что и булыжник для человека. Работать можно только в специальном костюме, пронизанном углеродной нитью и обладающим пылеотталкивающими свойствами. Сотрудникам, работающим в чистой комнате, запрещено пользоваться косметикой. Количество микрочастиц в воздухе контролируется при помощи четырехуровневой системы фильтрации.
На заводе существует два технологических процесса производства микросхемы: 90 нанометров и 180. Это означает, что минимальный размер элемента на чипе составляет 90 нанометров. Один нанометр равен одной миллиардной метра. Структура 90нм является более быстродейственной, энергоемкой и надежной. Ее запустили в феврале этого года при содействии «Роснано». Загруженность линии 90нм пока всего лишь 25%, тогда как 180 - 80%.
В проекте разработки производства чипов 90 и 180 нанометров приняло участие более 70 компаний из 17 стран мира. Все оборудование, все материалы поставляются на завод из-за рубежа.
Компании, сотрудничающие с «СИТРОНИКС Микроэлектроника»
На момент запуска производства 90нм лишь 7 стран в мире обладало схожей технологией. Однако в Европе уже идет выпуск структур 65, 43 и 32 нм, тогда как у нас пока лишь 90. Но и это, безусловно, прорыв. Запустив производство чипов с топологическим уровнем 90нм, мы сократили отставание от мировых лидеров на 5 технологических поколений, что равняется десяти обычным годам. Также СИТРОНИКС Микроэлектроника с 2013 года планирует приступить в разработке отечественных технологий уровня 65нм.
Производство для России действительно важное и одно из немногих, где мы можем составить конкуренцию западным производителям на внутреннем рынке. Однако, как признаются сотрудники завода, процесс разработки новых технологий сильно зависит от государственной поддержки, поэтому остается надеяться на лучшее и ждать.