Книга
← К списку книгЗагрузка разделов…
активнаАктивные записи участвуют в каталоге и синках. Неактивная книга скрыта, но не удалена из базы.
Книга
ЭЛЕКТРОН, ЭЛЕКТРОНИКА,МИКРОЭЛЕКТРОНИКА...
Э
лектризация, диэлектрик, электромагнит, электролиз, электроника, микроэлектроника — понятия» за которыми скрываются сложнейшие физико-химические процессы, разнообразные материалы, изделия, разделы науки и техники, отрасли знаний. Будучи совершенно различными по смыслу, перечисленные слова имеют и много общего. Объ兄сн兄ется это тем, что в основе их лежит одна и та же составляющая —— электр(о). Именно она сближает и объединяет понятия, указывает на отношение к процессам, обусловленным движением и взаимодействием заряженных частиц, на принадлежность к электричеству.
В ТУ ДАВНЮЮ ПОРУ ...
Тысячелетия прошли с того времени, когда люди впервые столкнулись с таинственными природными явленн 兄 мн, пугающими, настораживающими, заставляющими преклоняться, но в конечном итоге вызывающими интерес и желание пон兄ть и разобраться в про- исход兄щем. Все это порождало мифы и легенды. Еще за шестьсот лет до нашей эры греческий мудрец из Милета Фалес открыл удивительные и непон兄тные силы, которые назвал электрическими — от слова электрон, что по-гречески означает «янтарь». Окаменевшая смола хвойных растений, широко применяемая для различных поделок и украшений, после натирания шерстью приобретает свойство притягивать пыль, пушинки, кусочки папируса и даже тонкие струйки воды. Это в свое врем兄 восхищало, удивляло, развлекало людей и не находило объяснения долгие-долгие годы.
Жизнь во всех ее многообразных проявлениях постоянно ставит и будет ставить перед человеком великое множество вопросов и проблем. На один из них можно найти ответы сравнительно быстро и легко, на другие не хватает десятков и сотен лет. Но, как справедливо заметил французский философ XVI в. М. де Монтень, «... чего не удалось достичь одному, удается другому; ... что осталось неизвестным одному веку, разъясняется в следующем; ... науки и искусства не отливаются сразу в готовую форму, но образуются и развиваются постепенно, путем повторной многократной обработки и отделки ...»・
Так было и с созданием электронной теории. В то
время наука еще не доросла до ответа на вопрос, что из себя представляет электрон- Не хватало запаса знаний. Строгие исследования заменялись догадками, удовлетворявшими человечество подчас очень долгое время и которым суждено было подвергнуться пересмотру, уточнению и дополнению.
Почти две тысячи лет наука опиралась на учение древнегреческих философов Демокрита и Левкиппа (V в. до н. э.), развитое в дальнейшем Эпикуром (III— IV вв, до н. э.) и Лукрецием (I в. до н. э.), изложенное ими не только в достаточно строгой, но даже в поэтической форме. Согласно этому учению считалось, что мир строится из двух составляющих: не видимых глазом мельчайших неделимых частиц — атомов {атом по-гречески — неделимый) и пустоты, в которой эти атомы движутся.
В мрачные годы средневековой реакции атомистическая гипотеза имела мало сторонников, и лишь в XVII в. она получила признание и распространилась среди философов, физиков, химиков (И. Ньютон, Р. Бойль, М. В. Ломоносов, Дж. Дальтон, И. Я. Берцелиус и др.). Многолетние споры между противниками атомной теории и ее сторонниками закончились победой последних; а сама теория стала научно обоснованной и утверждающей неизменяемость и неделимость атома.
До о пределе н ного момента эта теория устраивала всех, и в первую очередь химиков. Физики им верили, в чем-то сомневались, но опровергнуть или хотя бы подкорректировать их догадки не могли, так как арсенал физических приборов того времени был еще маловат. Так было до XVIII в.
ЛЕГЕНДА ВЫДЕРЖАЛА ПРОВЕРКУ ОПЫТОМ
Американец Б. Франклин хорошо известен как просветитель, государственный деятель, борец за права человека, противник рабства, участник борьбы британских колоний в Америке за самостоятельность и независимость. И вероятно, далеко не все знают, что он был ученым-физиком и исследовал распростране ние звука, тепла и электричества в различных средах. Еще в XVIII в. он ввел понятие электрически заряженные частицы и утверждал, что во всех телах присутствует так называемый флюид, который и определяет их электрический заряд. Такое присутствие считалось обязательным как в атмосферном электричестве, так и в электричестве, полученном трением. Кроме этого, в его учении утверждалось, что электрический флюид состоит тоже из атомов, но уже более мелких размеров. Эти маленькие атомы могут легко перемещаться в промежутках между атомами жидкостей и твердых тел. С этого момента начались посягательства на неделимость атома, возникли предположения о существовании чрезвычайно малых электрически заряженных частиц (масса электрона в 1847 раз меньше массы самого легкого атома)-
Однако существование электрона долгое время было лишь умозрительным заключением, а не фактом, хотя экспериментальные данные настоятельно требовали доработки существующей теории и более логичного объяснения электрических явлений. Так, в 1833 г. английский экспериментатор-самоучка М. Фарадей при изучении электролиза (разложение растворов солей, щелочей или кислот при пропускании через них электрического тока) сделал открытие, подтверждающее основные положения теории Б. Франклина.
Сам Фарадей, формулируя открытые им закономерности, ничего не упоминал об отдельных частицах, а лишь утверждал, что число граммов элементарного вещества, равное его атомной массе, перенесет с собой через электролит один и тот же заряд (96 500 Кл).
Вслед за этим как цепная реакция последовал ряд блестящих предположений существования элементарного электрического заряда, подтвержденных не менее блестящими опытами. В 1874 г. английский физик Дж. Стоней, а в 1881 г. немецкий физик Г. Гельмгольц, развивая утверждения Франклина, очень доходчиво и
ясно сформулировали идею атомарного строения электричества и существования элементарного электрического заряда. В том же 1874 г. английский физик и химик К. Крукс, исследуя электрический заряд в газах, открыл, что от катода к аноду устремляется поток отрицательно заряженных частиц, впервые замеченный еще в 1859 г. немецким физиком и математиком Ю. Плюккером и названный Г. Гольдштейном катодными лучами. Но необходимо было эти частицы выделить в чистом виде и доказать, что они являются частью, как тогда предполагалось, неделимых атомов. Науке потребовался не один десяток лет, прежде чем профессор Кавендишской лаборатории англичанин Дж. Дж. Томсон выяснил, что катодные лучи есть не что иное, как поток носителей единичных отрицательных зарядов. В 1891 г. Дж. Стоней предложил эти носители назвать электронами. В дальнейшем Томсон измерил массу электрона и отношение заряда к массе.
Установление существования электрона было подготовлено трудами многих выдающихся ученых всего мира при изучении самых разнообразных физических явлений. Так, француз А- М. Ампер, один из основоположников электродинамики, первый создал теорию магнетизма, ввел в физику понятие электрический ток. Результаты экспериме нтов немецкого физика Г. Герца, изучавшего распространение электромагнитных волн в воздухе и в других средах, а также труды голландца П. Зеемана легли в основу электронной теории голландского физика X. А. Лоренца. Ко всему следует добавить исследования по выяснению природы электрического тока в металлах, выполненные русскими учеными Л. И. Мандельштамом и Н. Д. Папалекси и американскими физиками Т. Стюартом и Р. Толменом. Краткий экскурс в историю открытия электрона хотелось бы завершить упоминанием об опытах советского ученого А. Ф. Иоффе, американского физика Р. Э. Милликена и французского исследователя Ж. Б. Перрена, проведенных ими независимо друг от друга в начале XX в. С их описанием читатели могут познакомиться, перелистав страницы школьного учебника физики. Все упомянутые открытия и эксперименты убедительно подтвердили существование электрона ——материального носителя наименьшей массы и наименьшего электрического заряда — в природе.
С открытием первой элементарной частицы фантазии и прогнозы ученых разных времен и разных народов превратились в объективную реальность, а предположения стали фактом. Более подробно историю открытия электрона, который стал виновником возникновения электроники и микроэлектроники, желающие могут узнать, прочитав увлекательные книги М. П. Бронштейна, В. А. Черногоровой, П. В. Власова, И. И. Дзю- бина, А. А. Енина и др.
ЭЛЕКТРОНИКА ВЧЕРА И СЕГОДНЯ
Когда нам говорят об электронике и микроэлектронике, то в воображении возникает представление о красивых, современных, надежных и компактных установках и приборах, с которыми приходится иметь дело в повседневной жизни. С ними мы сталкиваемся везде: дома, на улице, в школе, на работе. Действительно, трудно представить время, когда не было портативных радиоприемников и магнитофонов, переносных телевизоров и стереофонических проигрывателей, надежных микрокалькуляторов, электронных часов, электромузыкальных инструментов и других бытовых электронных изделий.
Совершенно невозможно осуществлять полеты космических кораблей и спутников без радиоэлектронной аппаратуры, с чьей помощью управляют двигателями и выводят аппараты на заданную орбиту, рассчитывают и корректируют траекторию полета, исследуют космическое пространство, осуществляют связь с Землей, следят за системой жизнеобеспечения космонавтов, включают средства торможения и средства мягкой посадки.
Современные самолеты, помимо бортовой связи, снабжены радиокомпасом и радиовысотомером, радиолокатором для обнаружения грозовых облаков и движущихся объектов, а также для наблюдений за Землей, электронным оборудованием для посадки ночью и в непогоду.
В науке и технике электроника помогает измерять и контролировать электрические, временные, температурные и другие параметры, дистанционно управлять процессами.
Список используемых электронных изделий будет неполным, если не упомянуть о медицинских приборах
для диагностики и биологических исследований, об электронных протезах, стимуляхорах, аппаратуре для сельского хозяйства, транспортной электронике, технике связи, вычислительных машинах и многом другом, где применение электроники стало жизненно важным и необходимым.
Что же понимать под этим емким понятием электроника, происходящим, как известно, от слова электрон^ Как она возникла? На каком уровне находится сегодня и что будет с ней завтра? Все эти вопросы и предстоит нам рассмотреть в данной книге.
Электроника — это прежде всего область физики, в которой изучаются процессы, происходящие с электронами в вакууме, газах, жидкостях и твердых телах. Вместе с тем электроника ——область техники, где взаимодействие электронов с электромагнитными полями используется для преобразования электромагнитной энергии; создаются электронные приборы и устройства, передающие, обрабатывающие и хранящие информацию. Например, при передаче информации по телефону звуковой сигнал (речь, музыка) первого абонента поступает в микрофон, где преобразуется в электрический ток, изменяющийся в соответствии со звуковыми волнами. По каналу связи этот электрический ток передается на определенное расстояние, а затем его колебания преобразуются в звуковые телефонной трубкой второго абонента, и, таким образом, здесь осуществляется прием звуковой информации.
Весьма похожие, но более сложные процессы про- мсход兄т при радиовещательных и телевизиоиных передачах.
В электронике исследуют взаимодействия электронов в макрообъемах (рабочем пространстве электронных приборов) и в микрообъемах (внутри атома, молекулы или кристаллической решетки вещества).
Электроника опирается на ряд разделов физики, такие как электродинамика, механика, оптика, термодинамика, а также на химию, кристаллографию, металлургию и другие науки.
Считается, что электроника ——продукт XX в. Однако ее корни уходят в середину XIX в., когда были разработаны основы термодинамики, изучающей свойства макроскопических физических систем без обращения к атом- но-молеку«л兄рному строению вещества. Вслед за этим были открыты эффекты, которые в дальнейшем легли
в основу создания фоторезисторов, диодов (детекторов), транзисторов и. других элементов. К таким эффектам относятся изменение сопротивления селенового столбика под воздействием света (1873 т.), односторонняя проводимость заостренной металличес кой проволочки, находящейся в контакте с некоторыми сульфидами металлов (1874 г.), возникновение электродвижущей силы на концах селенового элемента при его освещении (1876 г.). В 1883 г. Т. А. Эдисон, пытаясь продлить срок службы лампы с угольной нитью введением в ее вакуумйый баллон метал лическо го стрежне, обнаружил между этим стержнем-электродом и нитью ток. В условиях вакуума ток возникал при подаче положительного потенциала на электрод. Это явление впоследствии было названо термоэлектронной эмиссией и оказалось единственным фундаментальным открытием изобретателя, на которое он сам не обратил серьезного внимания. Оно-то и лежит в основе всех электронных ламп, а следовательно, и в основе всей электроники первого п ер и о д а ее развития, называемого эрой электронных ламп. Но тем не менее несколько десятков лет ни сам Эдисон, ни другие ученые не могли найти применения этому явлению. Изобретение 1895 г. — радио А. С. Попова —привлекло внимание к указанным эффектам.
После создания в 1904 г. Д. Флемингом вакуумного диода, а в 1906 г. Л. Форестом — триода электронные лампы стали широко применяться в генераторах и передатчиках, усилителях и выпрямителях, радиоприемниках и, наконец, в электронных вычислительных машинах (ЭВМ). Появились стабилитроны, газотроны, тиратроны, клистроны, магнетроны, лампы биущей и обратной волны, амплитроны, карцинотроны, трахотроны и многие другие лампы, сложные не только по названию, но и по конструкции. И это закономерно, так как жизнь требовала новых электронных устройств, состоящих из большого числа элементов и решающих огромное количество самых разнообразных задач. Например, если в 40-х гг. аппаратура самолетов в основном состояла из приборов радиосвязи, то сегодня, как уже отмечалось, она включает радиолокаторы, системы слепого полета и посадки, а также различные навигационные системы, телевизионное оборудование и т. д. При этом число используемых элементов (лампы, конденсаторы, резисторы и др.) возросло в 100 раз, а то и в 200 раз и в среднем составляет 200 тыс. Если объем одного элемента эры электрон-
ных ламп принять равным 10 см3, а массу — 10 г, то нетрудно подсчитать общий объем и массу всех используемых элементов, которые составят соответственно 2 м3 и 2000 кг! Добавив еще к этим элементам необходимые для крепления и соединения их в соответствии с заданной электрической схемой провода, кабели и шасси, мы увеличим приведенные цифры в несколько раз. Такое положение дел, естественно, не могло удовлетворить быстро- развивающиеся отрасли науки и техники. Но! С этим приходилось мириться и создавать громоздкое оборудование, весьма энергоемкое и ненадежное.
В самой простейшей ЭВМ того времени «Урал» насчитывалось около 1000 ламп (меньше, чем элементов в современных электронных часах), каждая из которых выходила из строя приблизительно через 50 ч. В больших машинах типа БЭСМ насчитывалось уже 5...6 тыс. ламп, и предполагалось их число довести до 10 тыс., а это означало бы сокращение времени безотказной работы "ЭВМ до 5 ч. При этом потребовалось бы время и для того, чтобы найти перегоревшую лампу среди 10 тыс. ей подобных.
Первые ЭВМ требовали не одного десятка квадратных метров площади с хорошей энергосистемой и мощной вентиляцией. Коэффициент полезного действия их в лучшем случае составлял 2...3 %, а остальная энергия выделялась в виде тепла. В этот период не могли создаваться бортовые ЭВМ малых размеров и поэтому велись интенсивные разработки малогабаритных электронных ламп. Так появились пальчиковые и другие типы ламп, которые в 3—5 раз меньше обычных. В одном стеклянном баллоне размещали элементы двух и даже трех ламп, а также резисторы и конденсаторы. Это делало аппаратуру чрезвычайно сложной, дорогой и ненадежной. Ремонтопригодность ее оставалась крайне низкой. Решить все многочисленные проблемы тогда не представлялось возможным. Необходимы были другие, принципиально новые элементы, появление которых произвело бы революцию в электронике.
И революция произошла в 1948 г., когда В. Шокли, Д. Бардин и У. Браттейн изобрели транзистор ——полупроводниковый триоду имеющий принцип действия, в корне отличающийся от принципа действия электровакуумной лампы.
Из школьного курса физики вы, вероятно, помните, что в природе имеются вещества, проводимость которых
занимает промежуточное значение между хорошо проводящими электрический ток проводниками (металлы, электролиты) и практически не проводящими ток изоляторами (диэлектрики). Отсюда и название —— полупроводники. К ним относятся такие элементы, как кремний, германий, селен и другие, а также ряд соединений (сульфид свинца, сульфид кадмия, арсенид галлия и др.). В абсолютно чистых и не имеющих примесей полупроводниках электропроводность, обусловленную, как известно, электронами и дырками (вакантное место в электронной связи), называют собственной проводимостью. Но может возникнуть и примесная проводимость, если к полупроводнику добавить другие элементы (примеси). Например, если к кремнию с четырьмя валентными электронами добавить фосфор (мышьяк, сурьму) с пятью валентными электронами, то число свободных электронов увеличится по сравнению с числом дырок. Примеси, которые увеличивают число свободных электронов, называют донорными (отдающими) примесями. Полупроводники, имеющие донорную примесь, т. е. избыток электронов и, следовательно, электронный тип проводимости, получили название электронные полупроводники или полупроводники п-типа (от слова nega- tiv ——отрицательный).
Добавки алюминия, бора, индия (элементов с тремя валентными электронами) увеличивают в кремнии число дырок и называются акцепторными (принимающими) примесями. Полупроводники с преобладанием дырочной проводимости над электронной получили название полупроводники p-типа (от слова positiv — положительный) •
Если в полупроводниковом кристалле области с электронной и дырочной проводимостью находятся в контакте, то на границе между ними образуется электронно-дырочный переход (р ——п или п ——р-пере- ход). Эти переходы — основа многих полупроводниковых приборов, а их сочетание (п — р — п или р — п — р) позволило создать элемент, который и называют полупроводниковый триод или транзистор и применяют для усиления и генерации электрических колебаний (рис. 1).
После изобретения транзистора миниатюризация сразу поднялась на более высокую ступень. Стали использовать элементы с булавочную головку и малой энергией потребления, высоким КПД и более высокой
ppр-п-переходКоллектор(К丿р-п-переходКоллектор(К丿Змиттер ⑵ р~п -переход 乡 Безо (Б)
p
p
р-п-переход
Коллектор(К丿
р-п-переход
Коллектор(К丿
надежностью. Были разработаны резисторы и конденсаторы, меньшие по объему в 50…75 раз, проводники толщиной с человеческий волос, что позволило перейти на плотные и компактные методы монтажа этих элементов. Так, если первая самолетная ЭВМ имела массу более 200 кг, а потребляемую мощность 3000 Вт, то ЭВМ, в которой часть ламп была заменена на диоды, имела соответственно массу, равную 100 кг, мощность 1500 Вт, а ЭВМ на транзисторах — 50 кг и 420 Вт.
Однако этот второй период развития электроники продлился недолго, так как функциональная сложность электронных приборов требовала еще большего количества элементов в составе одного устройства. Необходимо было повысить их надежность за счет уменьшения числа сварных (или паяных) соединений при монтаже и сборке, уменьшить габариты устройств, уменьшая размеры элементов вплоть до микрометра (1 мкм=10~б м), резко повысить число счетных операций в ЭВМ.
Третий период развития электроники начался в 1957 г., когда была предложена планарная технология. (Технология — это наука о способах и средствах проведения производственных процессов. Говоря иначе, технология определяет, что, как и в какой последовательности необходимо делать, чтобы получить то или иное изделие, обеспечить предмету необходимые свойства.) Слово планарный образовалось от английского слова planar, в основе которого лежит латинское слово planys — плоский, ровный.
Под планарной технологией понимают совокупность операций, позволяющих создавать в полупроводниковой пластине набор р — «-переходов, границы которых выходят на одну и ту же плоскую поверхность (рис. 2). Такое расположение значительно упрощает их форми-
рование, соединение в соответствии с заданной электрической схемой и защиту от внешних воздействий пленкой оксида (например, оксида кремния S1O2). В сочетании с пленочной технологией (эмиттерный, базовый и коллекторный контакты могут быть изготовлены в виде пленок) планарная технология позволила перейти к изготовлению принципиально новых электронных изделий — интегральных микросхем, составляющих основу современной электроники.
МИКРОСХЕМЫ, МИКРОСХЕМЫ...
Микроэлектроника — область электроники, занимающаяся созданием электронных функциональных устройств в микроминиатюрном интегральном исполнении.
«А нельзя ли проще?» — спросите вы. Разумеется, можно, но нежелательно, так как в противном случае мы рискуем неполно или односторонне раскрыть значение этого слова. В данном определении заложен глубокий смысл, который становится ясным после кратких пояснений.
Так, под функциональным устройством обычно понимают электронное устройство, выполняющее определенную функцию преобразования и обработки сигнала (например, телефон, радиоприемник, телевизор).
Микроминиатюризацию не следует путать с миниатюризацией.
Миниатюризация — обычное уменьшение объема и массы какого-либо элемента.
Микроминиатюризация позволяет создавать сверхминиатюрные изделия, в основе работы которых заложены новые физические явления и принципы (сравните работу электронной лампы и полупроводникового диода).
Интеграция —— объединение определенного количества элементов в заданном объеме (не менее пяти элементов в 1 см3) в сочетании с новыми технологическими методами, способствующими этому объединению (например, планарная технология позволяет одновременно формировать несколько сотен тысяч элементов, заключенных в одном объеме).
Таким образом, микроминиатюрное интегральное исполнение ——это создание изделий электроники с высокой степенью миниатюризации из элементов,
которые в соответствии с заданной эле ктри ческой схемой конструктивно и технологически связаны между собой в единое целое. Иными словами, микроэлектронные устройства получают не в результате сборки их из отдельных элементов (диодов, транзисторов, резисторов, конденсаторов и т. д.), а в итоге последовательной групповой обработки многих участков поверхности заготовки в едином технологическом процессе. Это позволяет сформировать одновременно как р ——n-переходы и состоящие из них элементы, так и микроэлектронное изделие в целом, называемое полупроводниковой интегральной микросхемой (ИС). Например, полупроводниковая ИС должна состоять из тысячи транзисторных структур, одна из которых показана на рисунке 2. Принцип последовательности и одновременности состоит в том, что одновременно для тысячи транзисторов вначале формируется область р, затем — п, защитный слой S1O2 и т. д. Сказанное в равной мере относится и к другим типам микросхем, о которых речь пойдет в последующих разделах книги.
Таким образом, трудности создания электронной аппаратуры, состоящей из огромного числа элементов, были устранены с возникновением микроэлектронной технологии. Появились микросхемы, благодаря которым стало возможным решение целого ряда важных и нужных задач, среди которых в первую очередь следует назвать разработку и изготовление сложной электронной аппаратуры с большими функциональными возможностями.
В настоящее врем兄 в электронной промышленности при изготовлении некоторых типов ИС используют полупроводниковые пластины (заготовки) диаметром 30...200 мм. Если кристалл (часть полупроводниковой пластины), в котором размещается только один элемент, имеет площадь 0,25... 1,0 мм2, то становится ясным, почему число одновременно формируемых элементов на одной пластине может достигать тысяч и сотен тысяч. Это, естественно, позволяет резко уменьшить габариты и массу электронной аппаратуры, о которых так много говорилось выше.
Одна из специфических особенностей микросхем — уменьшение потребляемой электроэнергии. Если считать, что в СССР имеется около 70 млн. радиоприемников и телевизоров со средней мощностью 200 Вт, то в сумме это составит 14 млн. кВт. Следовательно,
мощность нескольких крупных электростанци й расходуется на снабжение только радиоприемников и телевизоров. Однако современная радио- и телевизионная аппаратура с применением микросхем потребляет уже не 200 Вт, а гораздо меньше (5...50 Вт), используя напряжение в 10...30 раз ниже, чем аппаратура на лампах.
А как же надежность микроэлектронных изделий, т. е. безаварийность их работы в течение определенного отрезка времени? По теории надежности с увеличением числа элементов надежность изделия должна уменьшаться. Для примера сравним две группы людей: четыре и сорок человек. Условно будем считать всех одинаковыми по возможностям и способностям. Совершенно очевидно, что вероятность какой-либо несогласованности или неправильности в действиях гораздо выше для большого коллектива! Так, за счет чего же микроэлектронная аппаратура, состоящая из огромного числа элементов, более надежна и долговечна? Объясняется это следующим образом.
Во-первых, у диодов, транзисторов, резисторов и других элементов микросхем более легкий режим работы (меньшие значения потребляемых токов, напряжений и мощностей). Во-вторых, с помощью планарной технологии элементы ИС (и схемы в целом) создаются практически в одинаковых условиях с точки зрения обеспечения качества и надежности. В-третьих, в ИС гораздо меньше сварных и паяных соединений — основных источников выхода из строя аппаратуры. И вновь следует вспомнить планарную и пленочную технологии, позволившие создавать электронные изделия без сборки их из огромного количества отдельных элементов и, следовательно, с минимальным количеством паек и сварок.
Все это значительно сократило время и затраты на проектирование и выпуск электронной аппаратуры.
Микроэлектроника породила микросхемы, отличающиеся друг от друга используемыми материалами, методами изготовления, сложностью и функциональными возможностями.
Полупроводниковая интегральная микросхема, о которой говорилось ранее, представляет собой ИС, в которой все элементы и соединения между ними выполнены в едином объеме и на единой поверхности полупроводниковой пластины (см. цветную вклейку I).
Методы формирования полупроводниковых ИС и их элементов специалисты называют полупроводниковой технологией. Эта технология позволяет получать ИС самых малых размеров и масс, используя и планарную технологию. Но к сожалению, в жизни нет ничего универсального (всеобъемлющего, для всего пригодного) ,хотя к этому часто стремятся. Эти рассуждения относятся и к полупроводниковым ИС. Наряду с достоинствами названные микросхемы имеют ряд существенных недостатков, вытекающих из особенностей применяемых материалов и не позволяющих рекомендовать их для повсеместного использования. Вы, вероятно, помните, что в полупроводниках электрическое сопротивление в значительной степени зависит от температуры и это свойство используется при создании так называемых термисторов или терморезисторов. И поэтому, представьте себе, что произойдет с полупроводниковой ИС, которая попала в условия повышенной (или пониженной) температуры! Параметры элементов микросхемы будут меняться, произойдет разбалансировка ИС, электронное устройство начнет работать нестабильно и может даже выйти из строя.
В связи с изложенным возникла необходимость разработки такой технологии, которая позволяла 6н создавать элементы микросхем со стабильными параметрами в условиях эксплуатации. В первую очередь это касалось пассивных элементов (резисторов, конденсаторов, индуктивностей), выполняющих функцию передачи электрического сигнала, а не активных (диодов, транзисторов), обрабатывающих и преобразующих сигнал. Кроме того, между элементами должны быть надежные соединения, соответствующие определенной электричес кой схеме. Все эти требования способствовали возникновению пленочной технологии и пленочных интегральных микросхем.
Пленочная интегральная микросхема — это ИС, все элементы и межэлементные соединения которой выполнены только в виде пленок на подложке ——заготовке из диэлектрического материала. Могут быть тонкопленочные ИС с толщиной пленок менее 1 мкм и толстопленочные ИС с толщиной 1 мкм. Принципиальное различие этих микросхем определяется не только толщиной применяемых пленок, но и методами их формирования, о чем мы поговорим ниже.
Однако пленочная технология до настоящего 磔рме-
ни не дала возможность изготовить качественные активные элементы. Но это тема отдельного разговора, выходящего за рамки нашей книги. В настоящее время полупроводниковая и пленочная технологии не столько конкурируют, сколько дополняют друг друга. Результатом такого содружества можно считать появление гибридных и совмещенных интегральных микросхем»
Гибридной интегральной микросхемой (ГИС) называют ИС, содержащую, кроме элементов, еще и компоненты, а иногда и кристаллы (см. цветную вклейку I).
Элемент (транзистор, диод, конденсатор, резистор и др.) не является самостоятельным изделием и не может быть отделен от подложки.
Компонент выполняет те же функции, что и элемент, но это вполне самостоятельное изделие, изготовленное до сборки ИС совершенно в другом месте.
Кристалл представляет собой часть полупроводниковой пластины. В его объеме и на поверхности можно сформировать как элементы, так и соединения между ними.
В гибридной интегральной микросхеме основой является диэлектрическая подложка; пассивные элементы в большинстве своем выполнены в тонко- или толстопленочном варианте, активные же представляют собой полупроводниковые компоненты.
Совмещенная интегральная микросхема относится к классу полупроводниковых НС, у которых активные элементы формируются 6 объеме полупроводниковой пластины, а пленочные пассивные элементы ——на оксиде, покрывающем поверхность этой пластины (см. цветную вклейку I).
Показателем сложности всех микросхем является степень интеграции (К), которая характеризуется числом элементов и компонентов (N) в ИС и определяется по формуле К = 1g N. При этом К округляют до ближайшего большего целого числа.
ИС ИС ИС ИС ИСИС ИС ИС ИС ИС1-и степени2-й степени3-й степени4-й степени5-й степени1-и степени2-й степени3-й степени4-й степени5-й степениинтеграции: интеграции: интеграции: интеграции: интеграции:интеграции: интеграции: интеграции: интеграции: интеграции:к к к к кк к к к к=1; N&10 =2; 10VN&102 =3; 102<n4103 =4; 103<N^104 =5; IO’ V N & К=1; N&10 =2; 10VN&102 =3; 102<n4103 =4; 103<N^104 =5; IO’ V N & К
ИС ИС ИС ИС ИС
ИС ИС ИС ИС ИС
1-и степени
2-й степени
3-й степени
4-й степени
5-й степени
1-и степени
2-й степени
3-й степени
4-й степени
5-й степени
интеграции: интеграции: интеграции: интеграции: интеграции:
интеграции: интеграции: интеграции: интеграции: интеграции:
к к к к к
к к к к к
=1; N&10 =2; 10VN&102 =3; 102<n4103 =4; 103<N^104 =5; IO’ V N & К
=1; N&10 =2; 10VN&102 =3; 102<n4103 =4; 103<N^104 =5; IO’ V N & К
Интегральную микросхему называют простой, если К<Т; средней (СИС),если 1 VK&2; большой (БИС), если 2VК《4, и сверхбольшой (СБИС), если К》4・
В конце 60-х — начале 70-х гг. появились, а в дальнейшем получили широкое распространение микропроцессоры (МП). Микропроцессор — это БИС или СБИС, которые выполняют строго специализированные функции по заданной программе (например, ввод и вывод информации, ее хранение и т. д.), а также служат основой нового класса ЭВМ, называемых микроЭВМ, Существуют и другие микросхемы, предназначенные для решения самых разнообразных задач. Но у них есть и общее： любая ИС может быть изготовлена сочетанием методов, находящихся в арсенале полупроводниковой, тонко- и толстопленочной технологий. Поэтому в дальнейшем нами будут рассмотрены полупроводниковые, гибридные тонко- и толстопленочные микросхемы, наиболее широко применяемые сегодня.
Микроэлектронику, которая базируется на интегральных микросхемах, в последнее время все чаще стали называть интегральной микроэлектроникой. С одной стороны, этим стараются подчеркнуть, что микроэлектроника сегодняшнего дня связана с повышением степени интеграции микросхем и уменьшением размеров элементов. С другой стороны, появляются направления в микроэлектронике, предполагающие использование новых принципов построения электронной аппаратуры. Так возникла функциональная микроэлектроника (четвертый период развития электроники), основанная не на стандартных базовых элементах (диодах, транзисторах, резисторах, конденсаторах и др.), а на применении физических явлений в объеме и на поверхности твердых тел. Иными словами, в структуре функциональных микросхем очень трудно, а подчас и невозможно выделить элементы и компоненты, эквивалентные традиционным. В таких изделиях применяют не только полупроводники, но и сверхпроводники, материалы с фотопроводящими и магнитными свойствами. Помимо электропроводности, в функциональной микроэлектронике сегодня используют ультразвуковые колебания, оптические и магнитные явления в диэлектриках.
...И зготовлен ие полупроводников — дело тонкое м трудное. Это более чем ювелирная работа.
Л. В. Кириллин
Глава II
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ИНТЕГРАЛЬНЫЕМИКРОСХЕМЫ
В
первой главе мы познакомились с историей возникновения и развития электроники, непродолжительной по времени, но богатой событиями и сенсациями. Узнали, что представляет собой микроэлектроника, какие типы микросхем получили наибольшее распространение.
В этой и последующих главах предстоит выяснить, как рождаются микросхемы, какие физические и химические явления лежат в основе технологических процессов их изготовления, какова последовательность этих операций.
САМЫЕ КОМПАКТНЫЕ, САМЫЕ...
Разговор о создании микросхем мы начнем с рассмотрения полупроводниковых ИС. И не случайно! Именно благодаря им микроэлектроника сегодня шагнула далеко вперед и позволила создать огромное количество весьма необходимых для народного хозяйства, но подчас очень сложных устройств и приборов. В самом деле, площадь одной полупроводниковой ИС, далеко не самой высокой степени интеграции в среднем равна 1 мм2, число активных и пассивных элементов достигает десятков и сотен штук при их линейных размерах & 2 мкм и расстоянии между ними & 5 мкм. В ряде микросхем эти размеры уменьшены в 1,5...2 раза, а в СБИС, к освоению которых приступила современная промышленность, в составе любого кристалла насчитывают 100.,.200 тыс. элементов с минимальными линейными размерами, равными 1 мкм. Появились также
сообщения о создании в ближайшем будущем СБИС, которые будут иметь 1 млн. элементов.
Мы уже говорили, что в объеме полупроводниковой пластины формируют участки проводимости л- и р-типа и на их основе создают элементы полупроводниковых ИС. Например, транзистор в самом простом случае включает в себя три области, расположенные одна в другой, которые и образуют хорошо известные структуры m — р — пили р —— 九 ——p-типа (рис. 2). Для диода достаточно иметь лишь две области, образующие структуры р — п- или 九 ——р- типа (рис. 3, а). Конденсатор очень сходен с диодом, но ему необходима большая площадь для обеспечения заданной емкости; напряжение к участкам с электронной и дырочной проводимостью подается несколько иначе. Более подробно об этом будет рассказано при рассмотрении элементов полупроводниковых ИС. И наконец, резистор (рис. 3, 6). Он может быть сформирован из материала п- или p-типа, и для него не требуется р ——л-переходов.
Б ряде структур имеются области с обозначением т+. Не ошибка ли это? Нет! Ошибки здесь нет! Область л+ отличается от области п большим количеством введенной донорной примеси. Соответственно больше электронов, выше электропроводность и меньше сопротивление. Эти обозначения справедливы и для полупроводников p-типа. Здесь сопротивление увеличивается, а электропроводность уменьшается от р+ к р.
Транзисторная структура из всех рассмотренных самая сложная.
А КАК ИХ ДЕЛАЮТ?
Изготовление полупроводниковых ИС включает в себя более ста операций, каждая из которых является по существу достаточно самостоятельным и сложным технологическим процессом. Но прежде чем перейти к их рассмотрению, вспомним материалы, из которых делают полупроводниковые микросхемы. Поговорим об их свойствах, а также о методах достижения этих свойств.
Микроэлектроника использует сегодня десятки полупроводниковых материалов с самыми разнообразными характеристиками, среди которых выделяется и получил особое признание кремний (Si). Ему-то мы и уделим наибольшее внимание.
Кремний —— второй по распространенности элемент после кислорода, и его можно считать одним из основных на земле. В земной коре кремний встречается только в соединениях, важнейшим из которых является оксид кремния (SiO?). Часто ему сопутствуют кисло* родные соединения других элементов. Чистота природного SiO2 составляет 99,8...99,9 %, а в отдельных случаях достигает 99,99 %. Элементарный кремний из кремнезема (так часто называют SiOz) может быть получен в электрической печи, источником теплоты в которой служит дуговой разряд. При соприкосновении двух графитовых (угольных) стержней (электродов) в месте их контакта электрический ток выделяет значительное количество теплоты. Это происходит из-за очень малой площади соприкосновения электродов и поэтому весьма большого сопротивления их контакта. Температура повышается настолько, что отрицательно заряженный электрод (катод) начинает испускать электроны и возникает термоэлектронная эмиссия. Если раздвинуть электроды, между ними возникает яркий светящийся столб ——электрическая дуга, в зоне которой достигается температура в несколько тысяч градусов. В этих условиях и происходит разложение кремнезема по реакции
SiO2= Si + O2 (1)
Получаемый в результате технический кремний содержит 1...2 % примесей и для полупроводниковых ИС не используется. Он является исходным сырьем для производства кремния высокой чистоты, общее содержа-
ние примесей в котором не может быть более 10-6 %. Это означает, что если в полупроводнике объемом 1 см3 находится 1022 атомов, а чистый кремний не должен иметь более 10|2...1013 атомов посторонних веществ на 1 см3, то один атом примеси может приходиться лишь на 1О9...1О10 атомов кремния. Очистить кремний до такой степени одним каким-то методом весьма затруднительно, поэтому применяют комбинированную очистку в несколько стадий.
Первоначально технический кремний хлорируют при температуре 300...400 ℃ и превращают его в легколетучие соединения:
Si + ЗНС1 =SiHCh + Н2 (2) Si + 411cl= SiCI4 + 2H2 (3)
Таким образом получают до 90 % трихлорсилана (SiHCh) и 10 % тетрахлорида кремния (SiCl4). В порядке напоминания заметим, что соединения кремния с водородом носят название силанов. Стрелочки вместо знака равенства в уравнениях указывают на то, что приведенные реакции обратимые и могут протекать не только слева направо, но и наоборот. Правда, для этого необходимы несколько иные условия: другая температура, концентрация компонентов и др. Например, в нашем случае реакции протекают слева направо при температуре до 1000 ℃ и избытке HCL Справа налево реакция идет при более высоких температурах и меньших количествах HCL
Полученные таким способом технические хлориды кремния содержат хотя и меньшее, но все-таки еще достаточно большое количество разнообразных примесей. Это обусловлено тем, что в качестве исходного сырья используют дешевые иу следовательно, сильно загрязненные примесями технические кремний и хлороводород с содержанием основного вещества 98,99 %. Процессы хлорирования идут при температурах в несколько сотен градусов, и при этом хлориды и хлороводород оказывают агрессивное действие на материалы аппаратуры и насыщаются примесями. Поэтому технические хлориды кремния в дальнейшем подвергают специальной очистке несколькими методами, совокупность которых позволяет снизить суммарную концен- рацию примесей в хлориде в 10...100 тыс. раз (на 4, а то и 5 порядков), а содержание отдельных примесей при этом не превышает 10~7 %. Применяются методы
экстракции, связывание примесей химическими реаген тами, адсорбционные методы и ректификация, в общих чертах известные вам из школьного курса химии. Эти виды очистки достаточно сложны, интересны и могут составить тему отдельного и весьма обстоятельного разговора.
Очищенные хлориды обрабатывают водородом при температуре выше 1000 ℃, в результате чего названные реакции протекают справа налево и при этом из хлоридов восстанавливается кремний. Этот кремний ——сырец и пока еще не может быть использован для наших целей, так как содержит много примесей ——загрязнений, в значительной степени влияющих на его свойства и потому совершенно ненужных и даже вредных при создании полупроводниковых ИС.
Действительно, если в воду добавить соль или сахар, свойства ее (например, вкусовые качества) будут существенно отличаться. И никому из нас не придет в голову, говоря о сладком чае, положить в него соль. Точно так же обстоит дело и с полупроводниковыми материалами. Произвольно введенные примеси не создадут в кремнии заданные свойства. Необходимы вполне определенные примеси, такие, чтобы кремний имел проводимость п- или p-типа. Примеси-загрязнения в кремнии не нужны так же, как соль в сладком чае.
С помощью химического процесса можно очистить кремний от многих загрязнений, но получить материал с содержанием отдельных примесей не более 1...100 атомов на 1 млн. атомов основного вещества не под силу даже химии — одной из древнейших и могущественных наук. Поэтому кремний подвергают очистке с помощью различных физических методов, одним из которых является зонная плавка.
Обычно зонную плавку проводят в тиглях из особо чистого графита, но для кремния такой способ не подходит из-за высокой температуры его плавления (1420 ℃) и интенсивного химического взаимодействия кремния и материала аппаратуры. Зонную плавку кремния выполняют так называемым бестигельным методом в установках вертикального типа (см. цветную вклейку II).
Слиток, изготовленный сплавлением порошкового кремния-сырца, полученного восстановлением хлоридов в водороде, закрепляют в зажимах, которые могут перемещаться вверх, вниз и вращаться. Чтобы кремний не
окислился, рабочую камеру установки (вертикальную кварцевую трубу) продувают азотом или водородом в течение всего процесса. Затем кремний расплавляют с помощью кольцевого индуктора, перемещаемого сверху вниз со скоростью 1 мм/мин. Плавлению подвергается узкая область слитка. Жидкая зона не растекается и удерживается между твердыми областями за счет сил поверхностного натяжения. Примеси, стремясь остаться в жидкой фазе, уходят из той части слитка, который, охлаждаясь, начинает затвердевать. Многократно повторяя процесс, примеси оттесняют от одного конца слитка к другому, после чего загрязненную часть его отрезают. Для лучшего перемешивания расплавленного кремния (расплава) верхнюю и нижнюю части слитка вращают в разные стороны.
Очищенный таким образом кремний состоит из большого числа маленьких кристалликов и называется поликристаллическим (поли по-гречески ——много). Для наших же целей необходим монокристалл (одиночный кристалл) с исключительно правильной, единой для всего слитка кремния кристаллической решеткой. Однако из учебника физики вы, вероятно, помните, что «...правильная внешняя форма не единственное и даже не самое главное следствие упорядоченности строения кристалла. Главное — это зависимость физических свойств от выбранного в кристалле направления», что называется анизотропией (от греческих слов анизос — неравный и тропос — направление). Например, слюда легко расслаивается на отдельные пластинки в определенном направлении и гораздо труднее — в направлении, перпендикулярном первому. Подобно слюде кристалл кремния проявляет различные свойства в зависимости от направления (кристаллографической ориентации): неодинаково взаимодействует с химическими реактивами, окисляется с разными скоростями и т. д. Следовательно, для нас очень важно иметь монокристаллический слиток кремния с определенной ориентацией и заданным типом проводимости (п или р). Такой слиток может быть получен при вытягивании монокристаллического кусочка кремния, называемого затравкой^ из очищенного и расплавленного кремния (см. цветную вклейку II). В этот расплав с учетом типа проводимости добавлены элементы третьей или пятой группы периодической системы элементов Д. И. Менделеева. Затравка закреплена на вращающемся вокруг своей оси стержне
и медленно поднимается. Атомы кремния достраивают кристаллическую решетку затравки и таким образом формируется монокристалл. Процесс в какой-то мере похож на выращивание больших кристаллов поваренной соли из раствора, в который опущена нитка с маленьким кристалликом соли. При осуществлении этого процесса очень важно выдержать условия выращивания монокристалла: температуру расплава, скорость вращения и вытягивания. В противном случае будет получен слиток с большим числом дефектов, т. е. несовершенной кристаллической решеткой. Примерами таких дефектов могут служить (см. цветную вклейку III) отсутствие атома в узле кристаллической решетки {вакансия) у лишний атом в междоузлии, внедренный в решетку чужой атом {замещенный) и т. д. Это самые простые, т. е. точечные дефекты. Могут быть и более сложные линейные дефекты — дислокации^ представляющие собой смещение слоев кристалла относительно друг друга. Смещения образуются, если один слой атомов не достроен и образовалась полуплоскость. Смещение плоскостей (слоев) по винтовой линии носит название винтовой дислокации и относится к объемным дефектам.
Еще более неприятным моментом является перемещение ^миграция) дефектов под воздействием повышенной температуры, электрического поля и других факторов, что приводит к неуправляемому изменению свойств полупроводника и параметров элементов микросхем (дрейф параметров).
Из сказанного становится очевидной важность получения кремния в виде монокристалла с минимальным числом дефектов и вполне определенным типом проводимости. Такие слитки поступают на завод-изготовитель, где и выполняется длительная и кропотливая работа по созданию полупроводниковых микросхем.
Все начинается с контроля, в результате которого проверяются (и в который раз!) тип проводимости (п или р), степень легирования (количество необходимых примесей), величина сопротивления материала, степень дефектности и другие параметры. Далее слиток разрезают на пластины. Операция очень похожа на то, как хозяйка на кухне, готовя салат, режет огурцы или морковку на круглые дольки. Только для наших целей обычный нож не подходит. Здесь применяют диски с огромным количеством мелких искусственных или при-
родных алмазов, закрепленных по периметру. Каждое алмазное зерно представляет собой микрорезец, который снимает мельчайшие стружки с обрабатываемой поверхности кремния. При высоких скоростях резки (число оборотов диска обычно составляет около 5... Ю тыс. об/мин) и одновременном участии в резании всех алмазных зерен достигается быстрое разделение слитка на пластины толщиной 0,4—1 мм.
Полученные полупроводниковые пластины еще не могут быть использованы для изготовления микросхем, так как имеют погрешности по толщине. Кроме того, если посмотреть с помощью микроскопа на поперечное сечение пластины (рис. 4, а), то видно, что поверхность пластины рельефная и величина микронеровностей А составляет 1600...6500 А. Дорогие читатели, хочу вас заранее предупредить, что на практике толщину пленок измеряют в ангстремах (А) и микрометрах (мкм). Запомним, что 1 А = 10-4 мкм = 1О~10 м.
Если на такой поверхности формировать, например, проводящую тонкую пленку, толщина которой 500... 10 000 А» то в худшем случае пленка будет несплошная, с большим сопротивлением и не выполнит роль хорошего проводника (рис. 4, б). В лучшем случае такой проводник, имея не одинаковое сечение, быстро выйдет из строя (перегорит) из-за местных (локальных) перегревов (рис. 4, в). Сравните тонкий проводник и толстый. При одинаковом токе сопротивление тонкого проводника и перегрев больше.
Алмазные зерна, внедряясь в полупроводниковый слиток при резке, создают трещины, идущие от поверхности вглубь. Образуется нарушенный поверхностный слой, совершенно недопустимый при изготовлении полупроводниковых ИС. Этот слой убирается на последующих операциях шлифовки, полировки и химиче-
ского травления поверхности пластин кремния. Одновременно названные операции позволяют получить пластины строго заданных размеров по толщине, верхняя и нижняя плоскости которых параллельны и имеют величину микронеровностей менее 100...150 А .
И СНОВА — ОКСИД КРЕМНИЯ
Полупроводниковая монокристаллическая пластина готова к дальнейшей обработке, и можно подумать о формировании областей п- и р-типа.
Вы, наверное, обратили внимание, что области расположены в строгом порядке и в определенных местах объема пластины, т. е. локально (см. рис. 3). Вероятно, такую точную и заранее спланированную локализацию можно осуществить, если большую часть поверхности кремниевой пластины закрыть, а открыть лишь те участки, через которые будет поступать примесь заданного типа проводимости. Для этого необходимо иметь своеобразный трафарет — маску, плотно прилегающую к поверхности и имеющую прорези (окна).
Такой маской на поверхности кремния и других полупроводниковых пластин чаще всего служит пленка оксида кремния, полученная разнообразными методами. Так, на кремниевой пластине оксид может быть сформирован при обработке ее в сильных химических окислителях. Часто для этих целей используют азотную кислоту (HNO3) с небольшим количеством плавиковой кислоты (HF). Так как HNO3 присутствует в значительном избытке, процесс окисления преобладает над другими побочными реакциями (например, над процессом растворения пленки оксида):
Si + 2HNO3 = SiO2 + NO2 + NO + H2O (4)
В результате указанной реакции образуется достаточно плотный и без дефектов оксид кремния, свойства которого в значительной мере зависят от строгого соблюдения режимов окисления (концентрации и температуры раствора кислоты, времени окисления и т. д.), а также от загрязнения полупроводниковых пластин продуктами реакции (оксидами азота).
Наиболее распространено (например, в планарной технологии кремни兄)термическое окисление, при котором SiO2 получают при нагревании пластин кремния в среде окисляющего газа (кислород, водяной пар, ув-
Si02Si025»5»Гроницо802 .SlГроницо802 .Sl
Si02
Si02
5»
5»
Гроницо
802 .Sl
Гроницо
802 .Sl
лажненный кислород). Этот метод позволяет изготовить пленки SiOz, равномерные по толщине и структуре, без трещин и дефектов. Кроме того, он хорошо вписывается в общую технологию изготовления полупроводниковых ИС, удачно сочетается с другими операциями (эпитаксия, диффузия), о которых вы узнаете ниже.
Если предположить, что на поверхности кремния уже имеется тонкий слой SiO?, то термическое окисление проходит 6 три стадии (рис. 5).
Перво начально частицы окислителя адсорбируются на поверхности оксида. Вспомним, что адсорбцией называется способность поверхности твердых веществ присоединять и удерживать частицы газов, паров или растворенных веществ. В нашем случае поверхность оксида кремния адсорбирует газообразный кислород или водяной пар, поскольку окисление проводится при температуре 1000... 1200 ℃. Наряду с адсорбцией может протекать и абсорбция ——последующий переход частиц с поверхности оксида в его объем. Оба эти процесса называют сорбцией. Если же сорбция завершается образованием химических соединений, имеет место хемосорбция.
На второй стадии процесса сорбированные оксидом частицы окислителя должны быть доставлены через слой SiOg к поверхности кремния. Иначе пленка SiO? формироваться не будет и толщина ее не увеличится. Окислитель транспортируете я через оксид за счет диффузии. Обычно под диффузией понимают взаимное проникновение соприкасающихся веществ друг в друга. Применительно к данному случаю кислород или водяной пар переходят от поверхности оксида кремния иерез его объем к поверхности самого кремния.
На последней стадии окислитель взаимодействует с кремнием, т. е. идет химическая реакция (см. рис. 5).
В зависимости от типа окисляющего вещества могут протекать следующие химические реакции:
Si + О2 = SiO2 (5)
Si + 2Н2О = SiO2 + 2Н2 (6)
Из трех стадий процесса термического окисления диффузия окислителя является наиболее важной, так как именно она определяет скорость окисления в целом. Об этом свидетельствует снижение скорости роста пленки оксида с увеличением ее толщины при условии постоянства остальных параметров окисления (количество окислителя, поступающего к поверхности SiO2； температура процесса и т. д.).
Сравнивая реакции (5) и (6), на первый взгляд может показаться, что наиболее приемлемо окисление в чистом, несвязанном кислороде, т. е. нет побочных продуктов реакции, процесс более чистый и должен идти достаточно быстро. Как показывает практика, пленки оксида, полученные в результате реакции (5), действительно более плотные и бездефектные, чем в результате реакции (6). Но оказывается, что скорость окисления в кислороде гораздо ниже скорости окисления в водяном паре. Объясняется это следующим образом.
При реакции (6) на границе раздела SiO2 — Si (см. рис. 5) выделяется водород, который может быть удален с места химического взаимодействия опять только путем диффузии, но теперь уже обратной — через слой SiO2 от границы SiO? —— Si к внешней поверхности SiO2- В этом случае водород разрыхляет и насыщает оксид, делает его пористым и создает огромное количество дефектов. Диффузия и транспортировка паров воды от поверхности через слой рыхлого SiO2 к границе раздела будут осуществляться значительно быстрее, чем через плотный оксид, что и сокращает весь процесс окисления в 17...20 раз.
В производстве микросхем важно получить оксид плотным, бездефектным и быстро. Как мы увидим позднее, при изготовлении микросхем окисление повторяется 5…6 и более раз. Начиная со второго окисления в пластине уже имеются области п- или p-типа и соответственно создан р — п- переход. Этот переход должен быть достаточно резкий. Но при многократных высокотемпературных воздействиях, имеющих место при окислении, происходит перераспределение приме-
се近 между областями п- и p-типа, граница перехода размывается, становится нерезкой, качество полупроводниковых элементов ИС снижается. Вот почему очень валено если не снизить температуру, то хотя бы уменьшить время окисления. Как же быть?
Компромиссное решение для максимальной скорости образования SiOz, а также для получения минимального количества дефектов и максимальной плотности достигается при использовании комбинированного метода, т. е. окисление проводится во влажном кислороде. Меняя соотношение кислорода и паров воды в газовой смеси, можно достаточно быстро сформировать пленку оксида с малым количеством дефектов.
На практике окисление кремния часто проводят последовательно в сухом кислороде, в увлажненном (для ускорения процесса) и вновь в осушенном. Пористая пленка, полученная во влажном кислороде и обработанная затем в сухом, уплотняется (подсушивается) за счет удаления водорода и гидроксильных групп (ОН). Схема установки для осуществления комбинированного окисления представлена на рисунке 6.
Из схемы видно, что при окислении сухим кислородом краны К2 и КЗ закрыты и О2 поступает в рабочую камеру через открытый кран KL Для увлажнения кислорода открывают К2 и КЗ. Пузырьки кислорода проходят через слой подогреваемой НгО, увлажняются и далее поступают в зону реакции (рабочую камеру). При этом К1 может быть закрыт или слегка приоткрыт: все зависит от необходимого соотношения кислорода и
©
паров воды. Иногда бывает необходимо провести окисление в водяном паре. Для этого К1 закрывают, а К2 и КЗ открывают и через питатель пропускают газ- носитель (инертный газ). Чаще всего это аргон (Аг), степень увлажнения которого можно регулировать как скоростью подачи газа, так и температурой нагрева питателя с водой.
Еще более совершенная и бездефектная структура SiO2 и четкий р——n-переход получаются при использовании высокого давления окислителя. Если окислителем служит водяной пар, то процесс осуществляют при давлении 200...500 Па и температуре 400...700 ℃, Для кислорода достаточно давления всего несколько паскалей и температуры 500...550 ℃. Данный процесс отличают более высокие скорости наращивания оксида: 10...20 тыс. А/ч. Недостатком такого процесса является использование громоздких толстостенных автоклавов, покрытых изнутри пленкой золота для предотвращения химического взаимодействия окислителя с материалом рабочей камеры.
Все, казалось бы, хорошо! И защитную пленку выбрали, и метод ее получения определили! Но допустим: необходимо оксид кремния сформировать на пластинах из других полупроводниковых материалов. Например, из германия (Ge), арсенида галлия (GaAs) и др. Возможно ли это? Конечно! Однако следует применить иные способы получения пленок SiOg, так как в данном случае кремний в чистом виде отсутствует и окислять нечего. С этой целью могут быть использованы соединения кремния с водородом или хлором (силаны, хлориды и т. д.), которые при соответствующих условиях (при температуре, окружающей атмосфере) могут разлагаться с выделением оксида кремния. Так, силан (SiH4) при температуре 300...400 ℃ окисляется по реакции
SiH4 + 2О2 = SiO2 + 2Н2О (7)
В результате достаточно быстро образуется малодефектный слой SiOg и границы р——п-перехода более четкие.
Помимо рассмотренных методов получения пленок SiO2, существуют и другие, весьма интересные и перспективные для технологии микросхем. Они могут составить тему отдельного разговора для тех, кто серьезно увлекается химией и ее практическим применением
в современных областях науки и техники. Более подготовленные и увлеченные читатели могут почерпнуть необходимые сведения из популярной технической литературы»
РИСУНОК НА КАМНЕ
Итак, мы знаем, как изготовить на поверхности полупроводниковой пластины защитный слой оксида кремния заданной толщины и плотности с минимальным числом дефектов.
Следующим этапом будет создание в S1O2 окон заданной конфигурации, необходимых для введения в полупроводник донорных и акцепторных примесей. Еще задолго до появления микроэлектроники был известен процесс, называемый фотолитографией (от греческих слов photos — свет + lithos — камень + 4~ grapho — пишу). Это один из способов печатания рисунка на камне с применением светочувствительных материалов. В данном случае, разумеется, ни о каком рисунке на камне речь не пойдет, но если разобраться, то этот термин подходит для нашего процесса и вполне отражает его существо. Действительно, под фотолитографией мы понимаем формирование покрытия с определенной конфигурацией окон из специального светочувствительного материала, нанесенного на поверхность оксида кремния полупроводниковой пластины, а затем перенесение полученного рисунка с этого покрытия на оксидную пленку. В результате и получаем защитный слой с окнами из оксида кремния, который ранее мы назвали маской. Здесь нашли отражение и свет, и камень (полупроводниковая пластина с оксидом), и способ печатания рисунка.
Светочувствительные материалы, используемые в фото лито графин и состоящие из органических светочувствительных соединений, например полимеров, растворителей и других добавок, называют фоторезистами (от фото ... и англ, resist — сопротивляться, препятствовать) .
Под действием ультрафиолетового излучения в фоторезисте протекают химические реакции, при которых из двух или нескольких молекул получается соединение» имеющее тот же состав, но более высокую молекулярную массу, т. е. идет полимеризация. Возмс- жен и обратный процесс ——деполимеризация (пристав- 2—24
ка де означает отделение, удаление, отмену и т. д.). И в первом, и во втором случае меняется не только молекулярная масса фоторезиста, но значительно изменяются его свойства — растворимость и устойчивость в кислотах, щелочах и при нагреве.
Сущность фотолитографического процесса состоит в следующем. На поверхность пластины окисленного кремния наносят тонкую пленку фоторезиста и производят его экспонирование, т. е. воздействуют ультрафиолетовым светом через фотошаблон. Фотошаблоном называют стеклянную или полимерную пластину (пленку) со специальным покрытием, не пропускающим ультрафиолетовый свет. В покрытии сформированы окна. Примером фотошаблона может служить фотонегатив, в котором нет полутонов, а есть только прозрачные и непрозрачные области.
В зависимости от того, как меняются свойства фоторезистов при облучении и какой рисунок образуется на их поверхности, все фоторезисты подразделяют на две основные группы: негативные и позитивные (рис. 7).
Негативные фоторезисты под действием света образуют нерастворимые участки рисунка на поверхности пластины и после проявления остаются на ней. Сам же рисунок на поверхности пластины представляет собой негативное (обратное, противоположное) изображение фотошаблона. Для лучшего понимания можно вспомнить хорошо известный многим из вас процесс фотографирования и печатания фотокарточек： фотографическая карточка имеет обратное изображение по отношению к
фотопленке, которой был заряжен фотоаппарат. Свет- лЬ1М местам на фотографии соответствуют темные места на фотопленке, и наоборот.
Позитивные фоторезисты в противоположность негативным под действием света образуют растворимые участки. В этом случае рисунок фотошаблона в точ- ностм повторяется на поверхности пластины.
Существует достаточно большое количество самых разнообразных фоторезистов, однако в производстве 0c могут быть использованы далеко не все, а лишь определенные, отвечающие основным требованиям и обладающие необходимыми Свойствами, одно из которых —светочувствительность. Для негативных фоторезистов под светочувствительностью понимают способность последних образовывать отдельные полимеризованные участки после ультрафиолетового облучения и последующего проявления. Для позитивных фоторезистов, наоборот, о светочувствительности судят по полноте разрушения полимер изо ванного участка после светового облучения и проявления.
Физический смысл этого критерия состоит, очевидно, в следующем. Чем меньше требуется времени и энергии для облучения слоя фоторезиста и изменения его свойств на определенную глубину, тем он более светочувствителен.
Вторым свойством фоторезистов является разрешающая способность (R), которую часто определяют по минимальным размерам изображения, получаемого с помощью данного фоторезиста. В технике под этим свойством понимают способность фоторезиста воспроизводить на 1 мм пластины возможно большее количество линий (Z), разделенных промежутками такой же ширины:
К = 1000/2Z (лин/мм).
Однако если теоретически рассчитанное значение R = 1000 лин/мм, то на практике достигается R, равнее лишь 400...500 лин/мм. Связано это с тем, что геометрические размеры изображаемого элемента будут искажены за счет боковой засветки (рис. 8), обусловленной такими физическими явлениями, как дифрак- ннн — огибание световыми волнами затемненного участка фотошаблона, рассеяние света на границах зерен (ведь фоторезист имеет зернистую структуру!) и отражение его от поверхности SiO2 (особенно при непра-
вильно выбранном и слишком большом времени экспонирования).
Третьим весьма важным свойством фоторезистов является высокая устойчивость к воздействию кислот (HNO3, НС1, H2SO4, HF, Н3РО4) и щелочей (КОН, NaOH). Часто эту способность фоторезиста для краткости называют кислотостойкостъю, которая зависит как от химического состава фоторезиста, так и от качества полученного фоторезистивного покрытия, т. е. наличия сквозных пор (проколов), пустот, трещин и др.
Рассмотрим теперь более подробно, из каких операций состоит фотолитографический процесс, какова их последовательность и что достигается на каждой из них (рис. 9).
Процесс фотолитографии начинается с обработки, т. е. с очистки поверхности пластин, которая необходима для обеспечения высокого качества фоторезистив- ного покрытия, улучшения его адгезии (сцепления) с поверхностью пластины. Любая пыль или случайно попавшие загрязнения могут привести к непоправимому браку при изготовлении ИС. Для этих целей чаще всего применяют химическую обработку в растворах
Пло^(рорно
Вакиум
конденсор
Источник
УФ-излууения
Э— Фильтр
и парах органических веществ (толуол, четыреххлористый углерод и др.).
Нанесение фоторезиста —— одна из важнейших операций, так как от нее зависят качество покрытия, а значит, и кислотостойкость, адгезия и воспроизводимость геометрических размеров рисунка. Слой фоторезиста чаще всего наносят центрифугированием (рис. 10). Пластину с каплей фоторезиста помещают в центре платформы центрифуги (от латинских слов centrum — центр + fuga — бегство), прижимают с помощью вакуумного присоса и приводят во вращение вместе с платформой. Центребежные силы выравнивают фоторезист на поверхности. Таким методом за 20...30 с получают слой О,5...2О мкм в зависимости от числа оборотов центрифуги (500...2000 об/мин) и вязкости фоторезиста. Кроме этого, для нанесения фоторезиста можно использовать еще распыление из специального пульверизатора и накатку валками.
Далее следует первая сушка (см. рис. 9), в результате которой растворитель, предназначенный для обеспечения необходимой вязкости и текучести исходного фоторезиста, должен быть удален из нанесенного слоя. Прн сушке фоторезист равномерно распределяется по поверхности пластины. Эта операция может быть про- ведена в печах с температурой 80...120 ℃ или в каме- Рах инфракрасного излучения. Затем тщательно совме- ст〃б фотошаблон с пластиной, проводят экспонирова- ние фоторезиста ультрафиолетовым светом. Участки
фоторезиста, на которых не произошли фотохимические превращения, удаляют ——проявляют в органических жидкостях или щелочах в зависимости от типа фоторезиста.
Следующая операция ——задубливание (вторая сушка) ;она предназначена для завершения полимеризации фоторезиста, увеличения его кислотостойкости. Обычно вторая сушка проводится в течение 10...20 мин при температуре 120...180 ℃.
Сформированная таким образом фоторезистивная маска полностью готова для избирательного травления пленки SiO2- Наиболее распространенный травитель для этих целей — плавиковая кислота HF или раствор HF :NH4F :Н2О = 2:7:1. .
После того как в SiO2 вытравлены окна, фоторезист может быть удален обработкой в кислотах H2SO4 или HNO3, а также в органических растворителях или в высокочастотной плазме.
Рассмотренный нами фотолитографический процесс с экспонированием в ультрафиолетовом свете является контактным методом, так как в большинстве случаев предусматривает достаточно плотный контакт фотошаблона с поверхностью полупроводниковой пластины. Это вызывает определенные ограничения в применении метода, что связано с двумя основными недостатками.
Во-первых, частое соприкосновение фотошаблона с пластиной неизбежно приводит к появлению проколов и царапин как в слое фоторезиста на пластине, так и на самом фотошаблоне. В результате появляются дефекты рельефа на пластине, а это —— производственный брак. По мере использования фотошаблона дефекты, появляющиеся на нем, быстро накапливаются, и после 50...200 совмещений он становится непригодным для работы. Накопление дефектов на фотошаблоне — это главное препятствие к уменьшению размеров элементов, созданию функционально сложных микросхем с высокой степенью интеграции.
Для устранения такого недостатка применяют проекционную фотолитографию, сущность которой состоит в том, что рисунок фотошаблона проецируют на пластину, так чтобы они не соприкасались между собой. Установки проекционной фотолитографии построены по принципу проекциоиного аппарата, известного вам из физики. Однако наша установка снабжена объективом, не увеличивающим изображение, а сохраняющим ри-
сунок фотошаблона в масштабе 1:1 с большой точностью (рис* 11)-
Но это еще не все. Второй недостаток обусловлен законами оптики, согласно которым минимальные размерь】 изображения не могут быть меньше длины волны света. Так как фотолитографический рельеф создается не одной, а несколькими операциями, размеры рисунка при экспонировании ультрафиолетовым светом с длиной волны 0,3...0,5 мкм составляют практически 1,5...2 мкм. Каков же выход из положения?
Уменьшить размеры можно, используя принципиально иные методы засветки резиста ——это электроннолучевое и рентгеновское экспонирование.
На рисунке 12 показана схема электронно-лучевой проекционной литографии с применением специального шаблона. Шаблон представляет собой кварцевую пластину с непрозрачным для ультрафиолетового излучения рисунком из оксида титана ТЮг, поверх которого нанесен слой палладия, служащего фотокатодом — излучателем электронов при воздействии света. Ультрафиолетовое излучение, проходя через прозрачные участки фотошаблона, эмиттирует на них электроны, которые направляются к пластине, находящейся под положительным потенциалом. Фокусируется электронный пучок системой электромагнитов. Электронно-лучевой литографией получают минимальные размеры рисунка —0,5 мкм.
На электронорезисте можно создавать рисунок и без фотошаблона: по принципу сканирования электронного луча (перемещение по плоскости) в соответствии с
РентгеношоблонРентгеношоблонРентгеновская трубка Рентгеновские лу^иРентгеновская трубка Рентгеновские лу^иРентгенорезист®Рентгенорезист®
Рентгеношоблон
Рентгеношоблон
Рентгеновская трубка Рентгеновские лу^и
Рентгеновская трубка Рентгеновские лу^и
Рентгенорезист
®
Рентгенорезист
®
заданной программой, заложенной в ЭВМ. Образно говоря, электронный луч, работая в режиме «гиперболоида инженера Г арина», подчиняется вычислительной машине и выжигает необходимый рисунок. Основными трудностями применения этого метода являются сложность установки и необходимость помещения пластин в вакуум.
При рентгенолитографии пластину с рентгеноре- зистом облучают через шаблон рентгеновскими лучами (рис. 13). Шаблон обычно представляет собой тонкую пластину кремния, хорошо пропускающего рентгеновские лучи. Рисунок его, выполненный в виде золотой пленки, лучи не пропускает, Рентгенолитография обеспечивает минимальные размеры рисунка на резисте, примерно 0,1 мкм.
ЕЩЕ ОДИН ШАГ
Рассматривая окисление кремния, мы столкнулись с явлением диффузии, с которым вы знакомы из школьного курса физики. Следует отметить, что с переносом и перераспределением вещества в пространстве (газе, жидкости и твердых телах) мы встречаемся повседневно. Идет ли речь об аромате цветов, растворении сиропа или сахара в чае, приготовлении лекарств или создании сталей и сплавов, везде имеет место диффузия. Без диффузии невозможны и многие технологические методы, используемые в микроэлектронике. Более того, диффузия является самостоятельной и одной из основных операций в производстве интегральных микросхем. Именно благодаря ей оказалось возможным изготовить высококачественные р——п-переходы на площади от тысячных долей квадратного миллиметра до нескольких квадратных сантиметров.
При этом поддаются контролю и управлению такие важные параметры, как концентрация примеси на поверхности полупроводниковой пластины (NJ, распределение ее в объеме формируемой области (например, донорная примесь в области п+-типа или акцепторная примесь в области p-типа, показанные на рисунке 2) и глубина залегания р——п-перехода — хр_„ (расстояние от границы SiO2 — Si до горизонтальных участков 九+ — р- и р — n-переходов, см. рис. 2).
Но сначала вспомним, а может быть, только сейчас узнаем некоторые положения теории диффузии. Если дать более строгое определение этому явлению, то под диффузией будем понимать перемещение частиц вещества (атомов, ионов, молекул), обусловлеиное тепловым воздействием в направлении убывания их концентрации.
Например, запах розы сильнее чувствуется возле цветка и становится слабее с увеличением расстояния до него.
В кристаллах перемещение частиц другого вещества (диффузия) осуществляется между узлами кристаллической решетки, по вакансиям, т. е. пустым, свободным узлам, а также в результате замещения атомов. Однако преобладать будут два первых варианта диффузии, так как это более простой путь и энергетические затраты значительно меньше. Чем больше дефектов имеет полупроводниковая пластина, тем быстрее проходит диффузия (вспомните диффузию окислителя через слой имеющегося оксида в случае окисления кремния).
Математическое описание диффузионных процессов было впервые предложено в 1855 г. немецким ученым А. Фиком, которое в общем виде может быть представлено так:戶=—DAC, где 戶一поток вещества, проходящий через единицу площади в любой момент времени; D — коэффициент диффузии; АС — градиент (перепад, изменение) концентрации диффундирующего вещества. Знак минус указывает на то, что диффузия идет от большего значения концентрации к меньшему, т. е. в направлении ее убывания.
Мерой скорости диффузии является коэффициент диффузии (D). Он зависит от того, какое вещество диффундирует и в каком веществе происходит это перемещение. У местно еще раз вспомнить и сравнить диффузию кислорода и водяного пара в оксиде кремния при термическом окислении кремния. Кроме того, ско-
рость процесса диффузии будет тем больше, чем выше температура.
Диффузия ——это объемный эффект, т. е. перераспределение вещества осуществляется в объеме (пространстве) • Следовательно, для математического описания положения любой частицы диффундирующего вещества в пространстве нужно использовать ту или иную систему координат. Например, для этого подходят декартовы координаты, хорошо знакомые вам из школьных уроков математики. С их помощью любой объем может быть
представлен как трехмерная система с координатами х, у, z. Но нас интересует частный (одномерный) случай, когда вещество диффундирует с поверхности пластины в ее объем по одному из направлений, например по координате х.
Таким образом, если через N обозначить концентрацию вводимой в кремний примеси, через No — ее значение на поверхности, через х ——расстояние от поверхности до любой точки внутри пластины, через t — время диффузии, то нетрудно заметить следующее: количество примеси на какой-либо глубине в тот или иной момент времени ^ (х, /) зависит от исходной концентрации
N(X,力=f (M)； D; x;力.
Из курса физики известно, что для создания прово- 1МОСТи n-типа в кремнии (IV группа периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева) необходимо ввести элементы (примеси) V группы, например фосфор. Для проводимости p-типа вводят элементы примеси Ш группы, например бор. Источником этих примесей служат газообразные, жидкие и твердые соединения, называемые диффузантами.
При проведении диффузии применяют аппаратуру, которая почти не отличается от аппаратуры термического окисления кремния (см. рис 6). В ней в качестве газа-носителя применяют чаще всего аргон, а в пита* Тель заливают, например, треххлористый фосфор РС1з или трехбромистый бор ВВгз. Если же это газообразный или твердый источник, конструкция будет несколько иная.
При температуре в рабочей камере 1000... 1300 ℃ в течение заданного времени Г формируется область р-тапа в области кремния n-типа и наоборот. При этом следует учесть, что в реальных полупроводниковых пластинах уже имеется определенная концентрация основной легирующей примеси. Например, на рисунке 14 пластина до создания диффузионной области обладает проводимостью п-типа, а концентрация донорной примеси (^o) неизменна по всей ее толщине.
После диффузии акцепторной примеси в соответствующих местах поверхности получаем некоторую поверхностную концентрацию этой примеси (帝)・ На определенном расстоянии от поверхности кривая распределения вновь введенной примеси пересечется с линией, характеризующей исходную концентрацию донорной примеси в пластине. Точка пересечения носит название точки инверсии (перемены, перестановки) типа проводимости, в которой происходит компенсация — уравнивание донорной и акцепторной примесей. Эта точка характеризует глубину залегания р — «-перехода (Хр-З
В результате последовательного и многократного окисления, фотолитографии и диффузии в пластине может быть создано столько р — "-переходов, сколько необходимо ддя данного элемента (транзистора, диода и др.). Такую технологию называют диффузионной.
Однако термическая диффузия, о которой до сих
пор шла речь, наряду с перечисленными достоинствами имеет ряд ограничений и недостатков.
Во-первых, высокая температура процесса приводит к перераспределению примеси в ранее сформированных областях и смещению (размыванию) р ——п-переходов, что затрудняет воспроизводимость очень малых по размерам и точных полупроводниковых элементов.
Во-вторых, будучи пространственным явлением, диффузия проходит не только по коорданате х, но и по у и z, т. е. имеет место боковая диффузия, которая увеличивает площадь отдельных диффузионных областей и элементов в целом. Данный фактор весьма нежелателен в микросхемах с малыми размерами элементов и высокой степенью интеграции.
Наконец, третьим ограничением является зависимость коэффициента диффузии и растворимости примеси в кремнии от температуры. Это, к сожалению, делает невозможным использование многих перспективных для микроэлектроники материалов, имеющих малые коэффициенты диффузии и невысокую растворимость. Иными словами, в ряде случаев высокая температура процесса недостаточна для перераспределения примеси в полупроводнике.
Ученые решили пойти по другому пути, применив в качестве активатора процесса не температуру, а электрическое поле. Процесс назвали ионным внедрением или ионной имплантацией, а также его можно назвать ионным легированием, так как вводимую примесь предварительно ионизируют, а затем при напряжении в несколько сотен киловольт сообщают энергию, необходимую для проникновения примеси в кристалл. В целом процесс ионного легирования достаточно сложный и без специальной подготовки трудный для понимания. Однако в общих чертах процесс и схему установки (рис. 15) можно представить следующим образом.
В ионизационной камере действием различных излучений, применением дугового разряда или электронной бомбардировкой (ионизация ударом) осуществляют ионизацию частиц легирующего вещества, предварительно переведенного в парообразное состояние. Возникающий при этом ускоренный поток ионов необходимо сфокусировать и направить в определенное место полупроводниковой пластины. Это достигается применением электрического и магнитного полей, что называется фокусирующей системой. Если исходными материалами
одновременно присутствовать как нужные ионы (фосфор, бор), так и бесполезные (хлор, бром и т. д.). Специальным устройством, называемым масс-сепаратором, выделяют ионы нужной массы (фосфор, бор) и с помощью системы сканирования, связанной с ЭВМ, обеспечивают управление потоком ионов по поверхности полупроводниковой пластины в соответствии с заданной программой.
Несмотря на ряд трудностей, связанных со сложностью оборудования, данный метод сегодня широко используют для изготовления микросхем с чрезвычайно малыми размерами элементов и высокой степенью интеграции (БИС и СБИС). Этому способствует точное и воспроизводимое дозирование внедряемой примеси за счет строгого контроля ионного пучка и времени облучения. Осуществляется этот процесс буквально за несколько минут, что невозможно при термической диффузии. Формирование р — «-перехода с точностью до 0,02 мкм и удобство совмещения этого метода с другими технологическими процессами микроэлектроники позволяют ионную имплантацию отнести к числу наиболее перспективных методов производства полупроводниковых ИС.
Заканчивая разговор о диффузии и ионной имплантации, следует напомнить, что при обоих методах р ——n-переход, как известно, образуется в результате перекомпенсации одного типа проводимости в исходной пластине другим, создаваемым в диффузионной облас-
ти. Иными словами, возможность или невозможность получения областей высокого легирования (и+ или р+) зависит от степени легирования исходной пластины. Задача еще более усложняется, когда необходимо многократно провести диффузию или ионное внедрение, а следовательно, и многократно осуществить переком- пенсацию. Есть ли выход из создавшегося положения? Или невозможно выбраться из этого замкнутого круга?
ЗАЧЕМ НАДСТРАИВАЮТ КРИСТАЛЛИЧЕСКУЮ СТРУКТУРУ?
Таким образом, диффузия, которая долгое время была базовым процессом изготовления полупроводниковых приборов (диодов, транзисторов) и различных типов микросхем, оказалась неспособной в одиночку решать задачи дальнейшей микроминиатюризации аппаратуры и создания высоко качественных и стабильно работающих микросхем. Оглядываясь в прошлое, можно сказать, что выход 1...5 % годных микросхем ни в коей мере не устраивал промышленность. Но другого быть не могло! Природа диффузионного процесса такова, что необходима высокая концентрация примеси на поверхности пластины, которая довольно резко убывает вглубь. Градиент (мера убывания) концентрации, лежащей в основе диффузии, вместе с тем создает неравномерность распределения примесей по толщине диффузионных областей, нестабильность в работе приборов, а также дрейф параметров. Кроме того, длительность диффузионной технологии в еще большей степени выявляет недостатки процесса, а само производство микросхем становится дорогим. Поэтому перед технологами возникла задача разработать метод, который позволит создать структуры с равномерным распределением примесей, необходимые для широкого класса полупроводниковых приборов.
Более пятидесяти лет назад был введен в техническую литературу термин эпитаксия для обозначения ориентированного наращивания монокристаллического слоя на монокристаллическую пластину. Он происходит от греческих слов эпи, что значит 〃а, и формы прошедшего времени таксис от глагола тайнен, означающего располагать в порядке^ Это сочетание слов правильно отражает смысл слова эпитаксия: окружающее пластину пространство выделяет атомы кремния, которые попадают на поверхность этой пластины и перемеща-
тнся до тех пор, пока не займут наиболее упорядоченнОе положение и не станут частью растущей таким образом пленки. При правильно подобранных условиях (температура, время процесса, скорость подачи атомов кремния к поверхности и др.) пленка получается монокриста лли ческой. Она оказывается ориентированной по отношению к определенной кристаллографической плоскости исходной полупроводниковой пластины.
Эпитаксия как самостоятельный процесс в технологии микросхем оформилась в конце 60-х — начале 70-х гг. нашего столетия. Благодаря применению эпитаксиального наращивания выход качественных интегральных микросхем увеличился с 1...5 % в 1962 г. до 30...50 % в 1965 т., а за последние 12——14 лет достиг 97...98 %. Полученные в настоящее время эпитаксиальные слои отличаются от объемных монокристаллов совершенством структуры, идеально равномерным распределением примесей по толщине и существенно меньшим содержанием неконтролируемых загрязнений. Эпитаксия позволила значительно сократить время и затраты на процесс изготовления микросхем, так как число диффузий уменьшилось, а скорость роста эпитаксиальных слоев оказалась относительно высокой. В настоящее время в промышленности применяют самые разнообразные методы эпитаксиального наращивания. В ряде случаев атомы полупроводникового материала переносятся от источника к поверхности пластины путем испарения из жидкой фазы, возгонки (сублимации) или распыления, о которых речь пойдет в последующих главах. При этом никаких промежуточных реакций не происходит.
Для создания структур сложных полупроводников (например, GaAs — GaAlAs) разработана жидкофазная эпитаксия, в основу которой положен принцип формирования монокристаллов из расплава.
В производстве кремниевых ИС наибольшее распространение получила газофазная эпитаксия. При этом процессе на поверхность исходной полупроводниковой пластины попадают атомы кремния в результате разложения паров кремнийсодержащих соединений. Чаще всего это реакции восстановления хлоридов, бромидов, иодидов кремния в водороде, хотя могут быть использованы и реакции разложения паров соединений при высоких температурах.
Независимо от применяемого метода, попадающие
на полупроводниковую пластину (в нашем случае из кремния) атомы кремния должны обладать достаточной энергией и с по со бно стью мигрировать (перемещаться, передвигаться) по поверхности. Это необходимо для того, чтобы достройка кристаллической решетки происходила равномерно на всей поверхности без дефектов. Поскольку миграция атомов увеличивается с повышением температуры, процесс ведут при 1200 ℃ и более. При температуре менее 1050..Л100 ℃ кремний формируется в виде поликристаллической пленки.
Рассмотрим эпитаксиальное наращивание на примере восстановления тетрахлорида кремния (SiCU) в водороде, который наиболее часто применяется в производстве (рис. 16).
В рабочую камеру из особо чистого кварца, нагреваемую с помощью индуктора, помещают подставку с пластинами кремния. По системе трубопроводов к зоне образования эпитаксиальной пленки могут быть поданы различные газы и парообразные вещества, необходимые как для нормальной работы установки, так и для обеспечения проводимости слоя (л или р) заданного типа. Каждый из газов проходит по отдельной магистрали, имеющей вентиль для перекрытия потока газа. Прежде чем нагреть пластины до заданной температуры, камеру продувают азотом и таким образом из системы вытесняют воздух.
Далее с пластин кремния удаляют оксид, нагревая их в потоке водорода при температуре 1200...12900. Идет реакция восстановления:
SiO2 + 2Н2 = Si + 2Н2О (8>
По истечении 5...20 мин в поток водорода добавляют обезвоженный хлористый водород (НС1) до 5 % и при той же температуре за 5... 10 мин стравливают нарушенный слой, от которого трудно было избавиться при операциях шлифовки, полировки и травления пластин в растворах:
Si + 4HCI …SiC& + 2Н2 (9)
Продукты реакции (SiCk и Н2) постоянно удаляются из системы.
После стравливания слоя кремния заданной толщины подачу хлористого водорода прекращают, систему продувают водородом, а затем его начинают пропускать через основной (SiCl4) и легирующий (ВВгз) источники. На этой стадии процесса реагирующие вещества (SiC14, ВВгз и Н2) переносятся к поверхности кремния, адсорбируются ею и вступают в химическое взаимодействие. В результате реакций восстановления из соединений выделяются кремний, идущий на строительство эпитаксиальной пленки, и легирующий элемент (в нашем случае бор):
SiCl4 + 2H2=Si + 4НС1 (10) 2ВВгз + ЗН2=2В + 6НВг (11)
Нетрудно заметить, что реакция (10) аналогична реакции (9), но идет в обратном направлении. И это закономерно, так как протеканию реакции в том или ином направлении способствует не только изменение температуры процесса (а в данном случае она одинакова), но и изменение концентрации реагирующих веществ. Избыток НС1 (реакция (9)) приводит к травлению кремния. Недостаток НС1 и избыток Н2 — к эпитаксиальному наращиванию кремния (реакция (10)).
Выделяющийся в результате реакции (11) бор (В) —— элемент III группы периодической системы —— встраивается в кристаллическую решетку и создает дырочную проводимость.
Производительность процесса наращивания пленки зависит не только от соотношения SiC】4 и Н2, но и от температуры, скорости общего газового потока и кристаллографической ориентации исходной полупроводниковой пластины (см. анизотропию свойств материалов).
В настоящее время удается наращивать эпитаксиальные слои п- или p-типа с концентрацией примесей
5 • 1O14..,5 • 1020 см-"3, что соответствует удельным сопротивлениям 0,00 L.. 10 Ом • см.
Изготовленную таким методом эпитаксиальную пленку необходимо закрыть слоем оксида. Это даст возможность, во-первых, предохранить ее от механических повреждений и воздействий окружающей среды. Во-вторых, из установки эпитаксиального наращивания извлекается структура, пригодная для дальнейшей фотолитографии и диффузии. Одной из типичных реакций формирования оксида может быть
SiCh + 2СО2 + 2H2qSQ + 2СО + 4НС1 (12)
Вот для чего необходима магистраль СО? в установке, представленной на рисунке 16. Процесс осуществляется при температуре 1200... 1250 ℃ со скоростью у 0/ мкм/мин. Такой вид технологии производства микросхем в отличие от диффузионной носит название эпитаксиально-диффузионной.
НАЧАЛО НАЧАЛ
Мы с вами познакомились с базовыми технологическими методами, с помощью которых могут быть сформированы области п- и p-типа, составляющие основу элементов полупроводниковых микросхем. При этом в зависимости от конкретных целей используются самые разнообразные активные и пассивные элементы, на некоторых наиболее важных разновидностях их нам предстоит остановиться. Начнем с наиболее простых элементов.
Резисторы* Как уже отмечалось в первой главе книги, полупроводниковые материалы недостаточно хороши для изготовления резисторов. Это связано в первую очередь с тем, что диапазон сопротивлений таких резисторов ограничен. Кроме того, температурный коэффициент сопротивления (ТКС) полупроводников — величина, характеризующая зависимость сопротивления от температуры,——делает их более подходящими для изготовления термисторов. Однако вследствие экономичности изготовления кремниевых резисторов, а также в случае сравнительно невысоких требований к значениям сопротивлений последние достаточно распространены и широко применяются.
Так, диффузионный резистор в виде области р-типа (см. рис. 3, б) может быть изготовлен, например в
пластине кремния 九-тмпа, последовательным проведе- ннем операций: окисление исходной пластины; фотоли- т0Графия по SiO2 с целью вскрытия окон для формирования области p-типа диффузией; диффузия акцепторнОй примеси; окисление кремния в окнах; вскрытие окон под контактные площадки фотолитографией; напыление по всей поверхности металлической пленки толщиной 7…8 тыс. А; фотолитография по металлической пленке для формирования электрического соединения (разводки) в соответствии с заданной электрической схемой.
Таким образом могут быть получены резисторы с сопротивлением (R) от 100 Ом до 30 кОм, с ТКС, равным 5 • 10—з... 5 • Ю~5 ℃—1, и точностью ± 5…2° %• Из-за невысокой точности изготовления и значительного ТКС такие резисторы лучше применять в схемах, где используются отношения сопротивлений, а не их абсолютные значения. Такое использование диффузионных резисторов основано на одном из существенных преимуществ — возможности следить друг за другом, т. е. отношение сопротивлений двух резисторов, изготовленных одной диффузией в одной пластине кремния, будет сохраняться, несмотря на большую величину ТКС (А1/支2= const).
Эпитаксиальный резистор конструктивно аналогичен диффузионному, но технология его изготовления несколько отличается. Основное преимущество эпитаксиальных резисторов ——почти равномерное распределение примесей по толщине слоя, что улучшает стабильность работы этого резистора, повышает надежность и уменьшает дрейф параметров с изменением температуры.
В совмещенных микросхемах часто применяют резисторы из поликристаллического кремния, осажденного на слое оксида кремния (рис. 17, а). Не уступая по электрическим параметрам эпитаксиальным резисторам, поликристаллические резисторы вместе с тем хорошо изолированы оксидом от пластины кремния.
В ряде микросхем возникает необходимость использовать резисторы с переменным сопротивлением. Такие резисторы называются полевыми (рис. 17, б). Их работа основана на эффекте поля, т. е. на изменении проводимости (величина, обратная сопротивлению) под действием поперечного электрического поля. Сечение рабочего канала (область р-тнпа), расположенного
©©
©
©
между двумя областями 九-типа, может быть изменено за счет напряжения на управляющем электроде.
Вспомните опыты Г. Ома, в результате которых им было установлено, что сопротивление прямо пропорционально длине проводника 厶 обратно пропорционально площади его поперечного сечения S и зависит от мате
риала проводника, т. е. R =р ~. Следовательно, уменьшение площади поперечного сечения канала приведет к увеличению сопротивления и наоборот.
Такой резистор изготовляют, применяя традиционные базовые методы: окисление, фотографию, диффузию, напыление.
Конденсаторы. В настоящее время в полупроводниковых ИС применяют следующие типы конденсаторов: диффузионные на основе р — п-перехода, МДП- конденсаторы и тонкопленочные,
Изучая в школьном курсе электродинамики электроемкость и принцип работы конденсатора, вы, наверное, обратили внимание на то, что электроемкость конденсатора С зависит от геометрических факторов: площади пластин S и расстояния между ними J, а также от электрических свойств среды между пластинами. Иными словами, электроемкость конденсатора во многом зависит от электрической постоянной £о и диэлектрической про ни цаемо сти е:
Независимо от способа формирования р —— «-перехода ему обязательно соответствует некоторая электроемкость, Как известно, она возникает в обратно смещенных (обратных) р—«-переходах при образовании запирающего (обедненного) слоя, поскольку последний практически не содержит носителей заряда и может
рассматриваться как изолятор. Относительная диэлектрическая проницаемость для кремния достигает 12. Области п- и р-типа (см. рис. 3, а), разделенные запн- рающим слоем, выполняют роль обкладок конденсатора (пластин).
Такие конденсаторы назыают диффузионными, так как они полностью могут быть изготовлены диффузией. Эти конденсаторы имеют удельную электроемкость, равную 2000...2400 пФ/мм2, температурный коэффициент ее (ТКЕ) соответствует 2・10一 ℃-1. Недостаток диффузионных конденсаторов состоит в том, что они работают только при подаче напряжения определенной полярности (к области n-типа подключается плюс источника тока, к области p-типа — минус источника тока). Только в этом случае образуется запирающий слой. При перемене полярности р ——n-переход начинает работать в режиме диода. Кроме того, электроемкость конденсатора зависит от величины приложенного напряжения и градиента концентраций примеси в переходе.
Перечисленные недостатки несколько ограничивают применение диффузионных конденсаторов со структурой р ——n-перехода. Более совершенными в этом отношении являются МДП-конденсаторы, т. е. конденсаторы на основе структуры металл ——диэлектрик — полупроводник. Частный случай их ——МОП-конденсатор (металл —оксид — полупроводник), в котором в качестве диэлектрика применяют, например, оксид кремния (см. цветную вклейку I, полупроводниковая интегральная микросхема). Из рисунка видно, что этот конденсатор более близок к обычным образцам конденсаторов, использующих диэлектрический слой, а не обедненную область р ——n-перехода. Одной обкладкой является кремний р+-тнпа, полученный легированием в процессе диффузии, другой ——алюминий, напыленный одновременно с токоведущими дорожками на поверхность оксида кремнн兄.
МДП-конденсаторы неполярны и не меняют емкость в зависимости от приложенного напряжения на обкладках. Однако емкость их составляет всего лишь несколько сотен пикофарад (1 пФ = 10~12 Ф). С чем же это связано? Из формулы электроемкости конденсатора следует, что С тем больше, чем меньше d. Но уменьшение толщины диэлектрика не может быть беспредельным. При d & 500 А в слое оксида значительное коли-
чество дефектов, а при еще меньших толщинах диэлектрик имеет неодинаковую толщину по всей площади и может быть даже несплошным. В конечном итоге уменьшение толщины диэлектрика в погоне за емкостью неизбежно приведет к снижению пробивного напряжения и”，достигающего не более 50 В.
Электрическую емкость конденсатора можно было, бы повысить за счет увеличения площади обкладок S. Однако и здесь возникают ограничения. В пленках оксида кремния всегда имеются дефекты в виде мельчайших сквозных отверстий (проколов) и ямок, не доходящих до поверхности кремния. С увеличением площади обкладок увеличивается вероятность того, что в диэлектрике между обкладками окажется дефект, приводящий к пробою конденсатора.
Тонкопленочный конденсатор (ТПК) представляет собой классический вариант конденсатора из двух металлических обкладок (верхняя и нижняя) и диэлектрика между ними, выполненными в виде тонких пленок (см. цветную вклейку I, гибридная интегральная микросхема). Об изготовлении таких конденсаторов более подробно будет рассказано в главе, посвященной тонкопленочным микросхемам.
Транзисторы. Так обычно называют биполярные транзисторы, в которых электрический ток через кристалл полупроводника обусловлен движением носителей заряда обоих знаков. Транзистор полупроводниковой интегральной микросхемы отличается от обычного транзистора прежде всего тем, что его коллекторный вывод выполнен на верхней поверхности изделия (рис. 18, а, 6)・ Но обратите внимание, как небольшое конструктивное изменение влияет на работу транзистора и технологию его изготовления.
К л* У6Si О?11\IК л* У6Si О?11\IВ обычном транзисторе, который используется, как
К л* У6Si О?
11\I
К л* У6Si О?
11\I
СкрытойЛинии тока
слойколлектора
правило, в качестве самостоятельного прибора, ток течет от эмиттера через базу к коллектору сверху вниз, встречая сравнительно небольшое сопротивление пластины кремния (рис. 18, а).
В транзисторе ИС, являющемся элементом схемы и имеющем контактные площадки всех трех электродов (эмиттера, базы и коллектора) на одной поверхности пластины, ток протекает окольным путем через слой кремния n-типа между коллекторным и изолирующим переходом (рис. 18, 6). Такой транзистор, имея толщину слоя эмиттера 2 мкм, базы 0,7 мкм и коллектора 10...i2 мкм, в миниатюрных устройствах может быть использован и как самостоятельный элемент (компонент) в корпусе и без него. Все это неплохо, но суть проблемы в другом. При таком протекании тока коллекторное (последовательное) сопротивление транзистора значительно увеличивается (от единиц до сотен ом). Усовершенствование транзисторов рассматриваемого типа в последние десятилетия шло главным образом по пути преодоления именно этой трудности.
Некоторого уменьшения последовательного сопротивления удалось добиться путем создания диффузионного слоя и +-типа с высокой поверхностной концентрацией (в случае транзистора п — р — л-типа) у выхода коллектора на поверхность. Одновременно обеспечивалось хорошее соединение с этой областью металлических контактов.
Однако, оказывается, важнее уменьшать сопротивление горизонтального участка коллектора, для чего было предложено в области изолирующего перехода создать низкоомный слой и +-типа толщиной 1...3 мкм» названный заглубленным или скрытым слоем. Таким способом сопротивление коллектора было уменьшено от нескольких сотен до десятков ом, но прибавилось работы технологам. Действительно, появление лишь одной новой области вызвало необходимость дополнительного проведения еще одного окисления, фотолитографии и диффузии (или эпитаксии).
В последнее десятилетие все более широкое применение находят ИС с униполярными транзисторами, в которых протекание тока через кристалл обусловлено носителями заряда только одного знака ——электронами или дырками (рис. 19, а). При этом ток между истоком И (входом) и стоком С (выходом) осуществляется основными носителями заряда. Током на выходе управ-
Исток 3amRop Сток SQ
(川\(3)⑵/
Обедненный слой
ляют с помощью поля, создаваемого приложенным к затвору 3 потенциалом со знаком минус. Если на область л-типа подан положительный потенциал, то в результате возникающего электрического поля на р — и-переходе образуется обедненный носителями заряда слой. Проникая в область n-типа, обедненный слой уменьшает как площадь сечения этой области, так и концентрацию носителей в ней, тем самым изменяет силу тока. Таким образом, работа униполярного транзистора основана на том же эффекте поля, что и в случае переменных резисторов. Отсюда второе название этих транзисторов — полевые.
По структуре и физическому принципу работы различают полевые транзисторы с управляющим р ——и- переходом (рис. 19, а) и транзисторы с управлением посредством изолированного электрода- затвора (рис. 19, б). Первая группа транзисторов носит название диффузионные, так как основа их — диффузионная структура. Транзисторы второй группы называют МДП-транзисторы, поскольку основной является структура металл — диэлектрик ——полупроводник, где диэлектриком служит оксид кремния. Оба типа транзисторов могут быть изготовлены последовательным и многократным проведением процессов окисления, фотолитографии и диффузии.
Итак, мы узнали, что представляют собой различные элементы полупроводниковых ИС, познакомились с базовыми методами их изготовления. Но этим еще не все сказано!
Теперь необходимо выяснить: как изготовить сотни и тысячи одинаковых элементов на одной полупроводниковой пластине? Каковы должны быть сочетание и последовательность известных нам базовых технологических процессов при формировании той или иной структуры, того или иного элемента? И наконец, как
изолировать друг от друга это огромное количество элементов? Вопросов немало. Но мы с вами вполне подготовлены, чтобы получить на них исчерпывающий ответ.
Начнем с того, что изолировать элементы друг от друга в объеме одной микросхемы можно различными способами, одним из которых является изоляция обратно смещенным р ——п-переходом. Для этого на пластине кремния, например p-типа, наращивают эпитаксиальный слой п-типа и затем проводят локальную (в определенных местах) диффузию акцепторной примеси на всю глубину эпитаксиального слоя. В результате эпитаксиальный слой как бы разделяется на множество областей (карманов) 九-типа, отделенных друг от друга кремнием проводимости p-типа. В каждом из этих карманов последовательно окислением, фотолитографией и диффузией можно сформировать необходимое количество р — n-переходов и на их базе создать нужные полупроводниковые элементы. Но суть проблемы в другом! Если теперь основание пластины p-типа подключить к отрицательному потенциалу, а карман области 九-типа ——к положительному, то р ——п- переход окажется смещенным в обратном направлении; при этом образуется запирающий слой, и поэтому ток между элементами через основание очень мал или практически отсутствует. Элементы эффективно изолированы друг от друга. Такую изоляцию иногда называют диодной.
Представим теперь ранее рассмотреиные операции в виде единой технологии изготовления биполярных транзисторов ИС п ——p-типа, изолированных друг от друга р ——п-переходом (см. цветную вклейку IV).
Первоначально пластину кремния p-типа окисляют в атмосфере сухого кислорода при температуре 1000 ℃. После фотолитографии и вскрытия окон в оксиде проводят диффузию сурьмы или мышьяка с целью создания хорошо проводящей области под коллектором будущего транзистора (создание скрытого слоя).
Далее шлифованием удаляют слой SiOg со всей пластины и наращивают эпитаксиальный коллекторный слой с проводимостью п-типа (п-эпи). Например, для этого вполне подходит традиционный процесс восстановления SiCh в Н2 при температуре 1200 ℃.
Затем осуществляют так называемую разделительную диффузию, для чего полученную структуру вновь
окисляют во влажном кислороде до толщины оксида примерно 1 мкм. Фотолитографией селективно удаляют SiOg и проводят диффузию бора в окна. Диффузию бора совмещают с поверхностным окислением кремния при температуре 1250 ℃ для получения оксида толщиной 1,5 мкм. В результате образуются изолирующие р+-области, закрытые сверху SiO2.
Для создания базы транзистора в оксиде фотолитографией вскрывают окна и за 30 мин осуществляют диффузию бора при температуре 950 ℃. Как и в предыдущем случае, диффузию бора сочетают с окислением во влажном кислороде.
Долгая и кропотливая работа по изготовлению транзисторных структур, самых сложных из всех существующих, завершается созданием эмиттерной области, для чего в очередной раз вскрывают окна в оксиде и в течение 10...20 мин при температуре 1100 ℃ загоняют диффузией фосфор в область р, формируя тем самым п+ -слой у выхода эмиттера на поверхность. Процесс завершается окислением кремния в водяном паре.
После вскрытия окон под контактные площадки, напыления проводящей пленки на поверхность оксида и фотолитографии по этой пленке можно сказать, что созданы транзисторы в объеме полупроводниковой пластины, изолированные друг от друга и соединенные между собой в соответствии с заданной электрической схемой.
Этот способ изоляции, часто называемый методом разделительной диффузии, имеет много числе н ные разновидности, с которыми при желании можно познакомиться в специальной литературе, посвященной технологии микросхем. Однако все эти разновидности имеют недостатки, ограничивающие применение их в БИС и СБИС. В первую очередь следует отметить сравнительно большую площадь изолирующего р ——п- перехода и каждого элемента ИС, а следовательно, и низкую степень интеграции. Кроме того, изолирующие переходы для работы элементов схемы не нужны и даже вредны, так как дополнительные электрические связи приводят к электрическим потерям и токам утечки, а поэтому и к ухудшению работы схемы в целом. Эти побочные связи и возникающие дополнительные элементы в технике называют паразитными. Немаловажная роль в потерях принадлежит паразит-
ним транзисторам р ——п——p-типа, которые образуются между базой и изолирующим слоем р+-типа (см. цветную вклейку IV, 0) • Такое положение совершенно недопустимо при разработке логических полупроводниковых ИС с малой потребляемой мощностью (несколько микроватт), широко применяемых в ЭВМ.
Попытки устранить эти недостатки привели к созданию новых технологических методов, в которых изолирующие р — «-переходы заменены слоем SiO2. Метод изготовления транзисторов с диэлектрической изоляцией для ИС имеет несколько вариантов, каждый из которых обладает как достоинствами, так и недостатками. В литературе можно встретить описание их под названием эпик-процесс, или метод с применением поли кристаллыческого кремния. Но суть не в названии! Основу рассматриваемой технологии составляет формирование структуры с диэлектрической изоляцией (рис. 20). Каждый элемент размещается в своеобразном цветочном горшочке, выполненном из оксида кремния. Изготовление структур с диэлектрической изоляцией начинают с формирования диффузией или эпитаксией в пластине кремния n-типа скрытого слоя л+ толщиной 1...3 мкм. Затем поверхность окисляют в сухом кислороде и глубокой фотолитографией вытравливают канавки. Глубина травления должна быть несколько больше толщины коллекторной области и должна составлять 15...20 мкм. Далее на внутренней поверхности канавок создают слой оксида кремния. Возможно применение нитрида 0з№), карбида
(SiC) или сложного диэлектрика типа SiO2 — SisN^ SiC>2 —SiC толщиной примерно 1 мкм. Нитрид и карбид обладают лучшими диэлектрическими свойствами, что уменьшает ток утечки и повышает пробивное напряжение. Затем со стороны окисленных канавок выращивают опорный (не рабочий) поликристаллический кремний толщиной 100... 175 мкм, играющий роль основания для размещения элементов ИС. Слой кремния может быть получен разложением тетрахлорида кремния в водороде (реакция (10)). Данная операция позволяет в последующем сошлифовать или стравить монокристалличес кий кремний до слоя оксида или пока не покажется поликристаллический кремний. Этот процесс наиболее критичен и требует специального прецизионного оборудования.
В изолированно访 таким образом коллекторной области со скрытым слоем обычными операциями (окисление, фото лито гра фия, диффузия) изготовляют базу и эмиттер транзистора.
Обеспечивая надежную изоляцию, метод на основе эпик-процесса позволяет сократить расстояние между элементами до 8——10 мкм, значительно уменьшить площадь элементов и более компактно разместить их на пластине.
Еще более существенно уменьшить элемент и одновременно упростить технологию можно, используя МДП-структуры (рис. 21). Для этого высокоомный кремний (2,5—Ю Ом) к-тнпа окисляют, создавая оксид кремния толщиной 0,6 мкм. После вскрытия
окон фотолитографией проводят диффузию акцепторной примеси до глубины 2 мкм и вновь закрывают поверхность пластины слоем оксида. В данном случае требования к диффузии менее жесткие, чем при изготовлении биполярных транзисторов, так как нет необходимости строго выдерживать толщину областей р+-тапа. Последующа я фотолитография позволяет протравить окно и в нем окислить кремний в сухом кислороде, создав плотный подзатворный слой оксида толщиной 0J...0J5 мкм. Фотолитографией по оксиду с целью вскрытия окон под контактные площадки, а затем напылением сплошного слоя алюминия и фотолитографией по нему завершают процесс формирования полевого транзистора микросхемы. Изолировать элементы друг от друга можно, использовав эпик-процесс.
Аналогичным образом изготовляют и изолируют более простые элементы полупроводниковых микросхем, например диоды, резисторы, конденсаторы. Но это в том случае, когда в объеме пластины формируют однотипные элементы. А как быть, если необходимо иметь в пределах одной и той же полупроводниковой заготовки транзисторы р——п ——р- и п ——р ——п- типа, так называемые комплементарные структуры? Что делать, когда электрическая схема предусматривает наличие в ИС одновременно транзисторов, диодов, конденсаторов и резисторов? Подобные затруднения легко устраняются применением основных базовых процессов, которые мы рассмотрели ранее,——окисления, фотолитографии, диффузии. Естественно, сочетание операций и количество их в каждом конкретном случае будет иным. Но это и неважно! Ваших знаний теперь вполне достаточно, чтобы представить себе технологию изготовления любой заинтересовавшей вас полупроводниковой микросхемы.
Сцепленьем атомов мир сотворить иной.
Вот человека цель! Ее достигнет он.
Павийон
Глава III
ТОНКОПЛЕНОЧНЫЕ ГИБРИДНЫЕИНТЕГРАЛЬНЫЕ МИКРОСХЕМЫ
К
ак было отмечено в главе I, уже в процессе создания первых полупро во дни ковых интегральных микросхем появились недостатки и ограничения. Кроме того, с увеличением степени интеграции и переходом к БИС и СБИС процент брака увеличивался и, следовательно, уменьшался выход качественных микросхем. Поэтому почти одновременно стала развиваться гибридно-пленочная технология, которая позволила изготовить функционально сложные устройства высокой степени интеграции, но не на одной полупроводниковой пластине, а на диэлектрической подложке в виде нескольких кристаллов, помещенных в общий корпус. Такую конструкцию называют многокристальной гибридной интегральной микросхемой или микросборкой.
Вы, вероятно, помните, что основой тонкопленочных элементов являются пленки, толщина которых находится в пределах 0,01„.1,0 мкм (100... 10 000 А). Более тонкие пленки не применяют из-за их неравномерности по толщине и большой степени дефектности. Получать более толстые пленки методами тонкопленочной технологии ——процесс долгий и экономически нецелесообразный.
Для формирования тонких пленок применяют много различных способов, но все их можно разбить на два основных класса:
Физический (термовакуумное осаждение, ионное распыление и др.).
Химический (химическое, электрохимическое, пиролитическое осаждение, термическое окисление и др.).
ТЕМПЕРАТУРА ПЛЮС ВАКУУМ...
Метод, о котором пойдет речь, имеет много различных названий: термовакуумное осаждение, вакуумнотермическое испарение, термическое вакуумное напыление, термическое испарение в вакууме и т. д. Но главное не в названии, а в том, что под воздействием высокой температуры в вакууме вещество из твердого состояния переводится в парообразное (испаряется) и затем в определенном месте заданной поверхности пар вновь превращается в твердую пленку. Иными словами, вещество помещают в испаритель рабочей камеры (рис. 22), нагревают до высокой температуры, предварительно откачав из камеры воздух, затем испаряют. Попадая в зону подложки, пар конденсируется на ней в виде тонкой пленки. Определенные условия формирования тонкой пленки создаются температурой подложки, хотя это и не единственный фактор управления ростом пленки. Но об этом разговор пойдет немного позже. Начало и окончание формирования пленки регулируются открытием и закрытием заслонки.
Условия, в которых вещество испаряется, распространяется в пространстве и конденсируется, во многом определяют свойства и качества пленочной структуры. Действительно, электрофизические параметры тонких пленок, полученных различными методами, и пластин из аналогичного материала в значительной степени отличаются. Так, у металлических пластин значительно больше проводимость, т. е. меньше сопротивление, чем у таких же металлических пленок- Объясняется это следующим. Электрическое общее сопротивление пленки R^ зависит не только от сопротивления ее материала 屏，нс связано также с сопротивлением, созданным рассеиванием электронов проводимости на дефектах кри стал личе ско й решетки, т. е. с &. В тонких
WWWWPn^ovw каперс Нагребатель подложки 'Подложка
WW
WW
Заслонка
Испаритель
К бакдумному насосу
пленках концентрация дефектов велика; значительно больше, чем в пластинах. В связи с этим подчас &＞凡 и К°6Щ может в основном зависеть от Кд・ Иными словами, электрофизические свойства тонких пленок зависят от совершенства структуры последних, которая в свою очередь зависит от условий испарения вещества, распространения его паров в пролетном пространстве (от испарителя до подложки, см. рис. 22) и условий конденсации, т. е. структура и свойства определяются условиями формирования пленки.
На первом этапе термовакуумного осаждения вещество должно испариться и переместиться от испарителя к подложке. Вследствие теплового движения атомов все вещества принципиально способны испаряться даже при низких температурах. С ростом температуры увеличивается кинетическая энергия частиц, возрастает вероятность их отрыва от поверхности и распространения в окружающем пространстве.
В замкнутом объеме атомы вещества при испарении будут создавать в нем некоторое давление пара. Одновременно с испарением происходит и обратный процесс: некоторые атомы пара возвращаются в испаряемое вещество (конденсируются). С увеличением давления над поверхностью вещества скорость конденсации возрастает и наступает такой момент, когда скорости испарения уисп и конденсации vKoh станут равными. Условия, при которых Унсп = Укон, называют равновесными, т. е. наблюдается состояние насыщения пара, а сам пар, находящийся в равновесии с жидкостью или твердым веществом, называется насыщенным. Его давление /\, или упругость пара, является характеристикой данного вещества и зависит от исходных свойств материала и температуры испарения. Однако при низких температурах значения ps и уисп малы. Достаточно быстро испарение идет начиная с R》1,33 Па. Температуру, при которой давление пара достигает указанного значения, называют температурой испарения. Для разных веществ она неодинакова. Так, для алюминия 1148 ℃, золота 1465 ℃, вольфрама 3229 ℃. Но вместе с тем давление пара не должно превышать 133 Па, так как в противном случае резко возрастает скорость испарения вещества и пар не успевает перераспределиться от испарителя в окружающее пространство; над поверхностью нагретого вещества возникает слой пара, препятствующий дальнейшему
испарению. Атомы испарившегося вещества должны диффундировать через этот приповерхностный слой, иЗ-за чего перенос вещества от поверхности испарения замедляется.
На распространение пара значительно влияет также степень вакуума в рабочей камере, которая тесно связана с давлением остаточных газов р и оценивается длиной свободного пробега атомов Л . Средняя длина свободного пробега — это расстояние, которое проходят частицы (атомы, молекулы) газа между двумя последовательными столкновениями. Если через г обозначить расстояние между испарителем и подложкой (см. рис. 22), то при X >г наступает глубокий вакуум, при 入。尸 —— средний, при Л Сг —— низкий. Так как в установках термовакуумного осаждения г равно 15…25 см, то для создания прямолинейной траектории движения атомов, а также для исключения их рассеивания и отражения от частиц остаточных газов необходим вакуум, где р< 1,33.10~2Па. Условия, при которых давление пара меньше 133 Па, давление остаточных газов меньше 1,33 - 10~2Па и атомы вещества беспрепятственно достигают поверхности подложки, называют молекулярным режимом испарения, а возникающий при этом парообразный поток —— молекулярным потоком.
Частицы испаряемого вещества вылетают из испарителя со скоростью около 500 м/с, достигают поверхности подложки и сталкиваются с ней. При этом возможны следующие варианты их поведения.
Попадая на подложку, у которой также высокая внутренняя энергия, полученная при нагревании, частицы вещества находятся в контакте с поверхностью приблизительно 10-14 с. За столь короткий промежуток времени частица не может придти в равновесие с подложкой, т. е. не успевает адсорбироваться и закрепиться. В данном случае переход вещества из парообразного состояния в жидкое или твердое (конденсация) невозможен.
Быть или не быть пленке, во многом зависит от плотности молекулярного потока испаренных частиц на поверхности подложки и от температуры подложки. При очень малой плотности молекулярного потока конденсация не происходит.
Температура, при превышении которой все молекулы (атомы) отражаются от поверхности подложки и пленка не образуется, называется критической температур 3—2465
рой. Она зависит от физико-химических свойств испаряемого и конденсируемого вещества, природы и состояния поверхности подложки.
Однако нас больше интересует, когда же осуществляется конденсация и образуется пленка, т. е. в какой момент частица при столкновении с поверхностью подложки отдаст ей значительную часть своей энергии. Оказывается, если отсутствуют условия, необходимые для отражения от поверхности, частица адсорбируется и мигрирует (перемещается) некоторое время на поверхности подложки в поиске родственных частиц и наиболее выгодного энергетического состояния. Миграция происходит в потенциальном энергетическом поле поверхности, рельеф которого характеризуется наличием горбов и впадин и представляет собой некоторое распределение сил связи на поверхности подложки (рис. 23). Для частицы важно попасть на ту часть поверхности подложки, энергия которой меньше некоторого вполне определенного значения энергии активации (旦^). Встретив на поверхности энергетический горб, превышающий Еакт> частица попадает в зону избыточной энергии подложки (положение I) и не может передать ей свою энергию. В этом случае из-за слабой связи с поверхностью частица покидает подложку. Встретив на поверхности подложки энергетическую впадину (сильная связь), частица отдает ей избыток своей энергии, фиксируется на подложке, становясь центром образования зародыша будущего кристалла (положение II). Если же частица попадает в положение III, она может мигрировать по поверхности в поиске родственной частицьк Вступая с поверхностью в сильную энергетическую связь, она закрепляется в определенном месте, и начинается рост зародыша — основы будущего кристалла. В свою оче-
пххо-ои ЗП-ЗНЕпххо-ои ЗП-ЗНЕ
пххо-ои ЗП-ЗНЕ
пххо-ои ЗП-ЗНЕ
Рост зародышейРост зародышейКоалесценцияКоалесценцияОстровковая структураОстровковая структураСПЛОШНАЯСПЛОШНАЯпленкапленка
Рост зародышей
Рост зародышей
Коалесценция
Коалесценция
Островковая структура
Островковая структура
СПЛОШНАЯ
СПЛОШНАЯ
пленка
пленка
редь совокупность кристаллов и представляет собой пленку.
Существует критический размер зародыша кристалла, при котором зародыш обладает минимальной устойчивостью, т. е. при удалении одной частицы от него зародыш распадается и, наоборот, при добавлении одной частицы он становится более устойчивым. При превышении критического размера зародыша начинается устойчивый рост пленки： зародыши становятся крупнее, объединяются (коалесценция), затем образуется островковая структура и, наконец, сплошная пленка (рис. 24).
О полноте процесса конденсации позволяет судить коэффициент конденсации а^, представляющий собой отношение количества частиц, фактически закрепляющихся на подложке в единицу времени (пк), к общему количеству частиц, достигающих ее поверхности за то же время (лоб). Иными словами, а к =• Вероятно, «об
а к будет тем больше, чем выше вакуум, ниже температура подложки, а также когда пленка становится сплошной и пропадает островковая структура.
Итак, краткий экскурс в теорию кристаллизации пленок приводит нас к выводу, что их скорость образования и электрофизические параметры значительно зависят от некоторых факторов термовакуумного осаждения, называемых технологическими. С их помощью управляют процессом, получают качественные изделия с воспроизводимыми параметрами.
Можно назвать более десяти факторов, в большей
O~O~~O~O^®^O~ CT
О о о二⑤=o о о
О О О О О О О
или меньшей степени влияющих на конечное значение параметров элементов ИС. К ним следует в первую очередь отнести давление остаточных газов в рабочей камере, о котором так много говорилось, скорость испарения материала, температуру подложки, чистоту исходных продуктов и условия их подготовки к напылению, строгую последовательность операций напыления и соблюдение не только температурных, но и временных режимов формирования пленок.
Например, перед напылением с подложки необходимо не только тщательно удалять следы полировочной пасты, влагу и газы окружающей атмосферы (кислород, водород, азот, и др.), но и хранить очищенные подложки перед их установкой в рабочую камеру в определенных условиях. Почему это так важно и что произойдет, если не выполнить названные требования?
Рассматривая окисление кремния, мы с вами столкнулись с адсорбционными процессами, характерными для очень многих простых и сложных веществ. Адсорбционную способность можно объяснить следующим образом.
Молекулы или атомы, расположенные вблизи поверхности, находятся в условиях, отличающихся от условий внутри подложки (рис. 25). Действительно, молекула А окружена молекулами со всех сторон и ее энергетическое поле одинаково компенсировано подобными же полями соседних молекул. В ином положении находится молекула Б, так как ее поле с внешней стороны не компенсировано. На поверхности остаются свободные энергетические связи молекулы Б9 за счет которых к ней, а следовательно, и к подложке могут притягиваться и удерживаться молекулы посторонних веществ, в том числе и соприкасающихся с ней газов. Таким образом, поверхность обладает свободной
энергией, уровень которой тем больше, чем поверхность чище. Это приводит к ее быстрому повторному загрязнению находящимися в окружающей среде газами, пылью, влагой. Наличие загрязнений на подложке ухудшает адгезию растущей пленки (прочность сцепления с поверхностью подложки), способствует ее газонасы- щению, меняет условия кристаллизации.
В худшем случае могут пройти даже хемосорб- ционные процессы (адсорбция + химическая реакция) • Например, наличие кислорода на поверхности приводит к окислению проводящих пленок и увеличению их сопротивления в десятки и сотни раз. В связи с этим понятно, почему при изготовлении микросхем огромное внимание уделяется чистоте применяемых материалов и газов, а также помещений в которых проводят технологические операции.
Не менее важным фактором для получения качественных пленок является давление остаточных газов в рабочей камере или степень вакуума. В этом вы уже убедились ранее. Можно добавить, что при низком вакууме, когда р > 10—3...10~4 Па, в камере присутствуют такие газы, как кислород, азот, водород и другие, которые при повышенных температурах не только препятствуют перемещению молекул испаряемого вещества, но вызывают такие же процессы, как и при наличии загрязнений и газов на поверхности подложки. Следовательно, необходим глубокий вакуум. Создать его можно, но это дело очень сложное и трудное. Гораздо проще для управления процессом конденсации пленок варьировать температурой на испарителе и скоростью испарения вещества. «Возможно! — воскликнет читатель. — Но какое отношение имеет количество частиц остаточных газов к скорости испарения?» Дело в том, что нас интересует не абсолютное количество этих частиц, а относительное. Иными словами, чем больше будет частиц основного вещества на подложке в момент конденсации и меньше остаточных газов, тем более воспроизводим и управляем процесс формирования пленок, качественнее тонкопленочные элементы. А этого можно достигнуть, применяя более высокие скорости напыления, разумеется, если процесс испарения не выходит за рамки молекулярного режима.
Адгезия пленок и вероятность взаимодействия их с остаточными газами связаны и с такими технологическими факторами, как температура, время пред- 69
варительного прогрева испарителя, испаряемого вещества и подложки. Именно они способствуют удалению остаточных газов и проведению чистого напыления.
Температура подложки в процессе напыления без преувеличения считается одним из наиболее важных и определяющих технологических факторов. От нее зависит степень насыщения подложки остаточными газами и, следовательно, вероятность и интенсивность химического взаимодействия их с материалом образующейся пленки. Условия кристаллизации также связаны с температурой подложки, повышение которой при незначительном уменьшении коэффициента ак одновременно способствует приближению процесса конденсации к термодинамически равновесному. Частицы вещества, мигрируя по поверхности подложки, находят энергетически наиболее выгодные положения, закрепляются в них, и таким образом формируется ненапряженная структура с определенной величиной зерна. Вспомним, что от величины зерна зависят в конечном итоге электрические характеристики пленок. Если сравнить крупнокристаллическую структуру с мелкокристаллической, то при одинаковой толщине в последней межзеренная прослойка развита сильнее, больше дефектов и соответственно выше значение общего сопротивления Я общ. Однако основная неприятность состоит в том, что в элементах, изготовленных на основе мелкокристаллических пленок, может меняться структура и переходить в крупнокристаллическую при повышенных температурах эксплуатации микросхем. Процесс изменения кристаллического состояния без расплавления под влиянием температуры называется рекристаллизацией, Рекристаллизация в тонкопленочных элементах приведет к уменьшению межзеренной прослойки, снижению дефектности структуры и уменьшению Яобщ. Все это способствует общей разбалансировке электрической схемы. Микросхема выйдет из строя. Следовательно, необходимо, чтобы рекристаллизация была проведена заранее, на этапе изготовления элементов схемы. Именно поэтому пленки напыляют на подложку, нагретую до такой температуры, при которой образуется оптимальная величина зерна, не меняющаяся при работе пленочных элементов.
Для окончательной рекристаллизации и полного предотвращения ее в процессе работы тонкопленочных элементов, снятия напряжений, исключения растрески-
вания и отслаивания от подложки пленки на заключительном этапе напыления отжигают в вакууме при температуре 300...400 ℃ в течение 1...4 ч.
По завершении формирования и термообработки пленки рабочую камеру, находящуюся при температуре не более 50 ℃, заполняют воздухом. Температура подложки, как и давление остаточных газов, при поступлении воздуха определяют степень химического взаимодействия (в первую очередь окисления) материала пленки.
Этим далеко не исчерпывается перечень сложных и интересных физико-химических явлений в тонких пленках.
Термовакуумное осаждение, будучи относительно простым, давно известным и хорошо освоенным, имеет вместе с тем и существенные недостатки. Так, получаемые этим методом пленки сложного состава в значительной степени могут отличаться от состава исходных испаряемых веществ. Нарушаются количественные отношения ——стехиометрия, в которых вещества соединяются друг с другом или вступают в химическое взаимодействие. Проблема обеспечения стехиометрии возникает при термовакуумном осаждении многокомпонентных соединений, которые при нагревании и испарении распадаются на исходные вещества. Этот процесс часто называют фракционированием. Например, при нагревании соединения из двух компонентов происходит разложение:
AmBn^rmA + пВ.
Компоненты Л и В отличаются друг от друга физикохимическими свойствами и, следовательно, при одинаковой температуре испарения будут иметь различные значения упругости пара и испаряться с различной скоростью. Это приведет к тому, что в паре, а затем и на подложке при конденсации компоненты окажутся не в том соотношении, какое наобходимо для образования соединения AmBm. Иными словами, на по/ртожке растет пленка, обогащенная тем или иным компонентом, что приводит к изменению ее свойств по отношению к исходному материалу. Вероятно, необходим более высокий уровень энергий, который обеспечил бы испарение компонентов сплава одновременно и в заданном соотношении, даже если сплав фракционирует.
Первоначально инженеры и исследователи пошли по
пути усовершенствования старого и испытанного термовакуумного метода осаждения. Было сделано предположение, что фракционирующий и неравномерно испаряющийся при относительно низких температурах сплав и должен вести себя иначе при температуре 2000 ℃ и более. Действительно, если создать условия, при которых компоненты сплава как с низкой, так и с высокой упругостью пара могут испаряться практически одновременно, переходить в паровую фазу, а затем и конденсироваться в стехиометрическом соотношении, то задача получения пленок заданного состава решена. Так, было предложено взрывное испарение, при котором смесь порошков (даже не сплав!), приготовленную в определенном соотношении компонентов, подают на испаритель, нагретый до 2000 ℃. Важно, чтобы скорость подачи смеси (сплава) была не больше скорости испарения. Мгновенное испарение и перемещение частиц вещества от испарителя к подложке способствуют образованию на ее поверхности пленки того же состава, что и сплав. Этот способ иногда также называют методом вибродозирования или дискретного испарения, поскольку ско* рость подачи сплава на испаритель осуществляется определенными порциями с помохцью вибродозатора.
Для этих же целей был предложен метод трех температур, или испарение из двух раздельных источников, при котором каждый из компонентов испаряется при своей температуре. Подложка также имеет свою вполне определенную температуру. С учетом индивидуальных особенностей компонентов и давления насыщенного пара в паровой фазе создается именно такая концентрация компонентов, которая необходима для получения пленок стехиометрического состава.
Задача обеспечения стехиометрии (соответствие химической формуле), казалось бы, решена, но при высоких температурах резко повышается химическая активность испаряемых веществ и материала испарителя (вольфрама, молибдена, тантала). Конечный результат —— загрязнение пленок этими элементами.
И вновь ученые в поиске! Было предложено испарять вещество с помощью сфокусированного пучка электронов. При этом зона нагрева строго локализуется (ограничивается), испаряемый материал нагревается не весь, отсутствуют тепловые контакты и химические взаимодействия с материалом испарителя. Более того, испаряемый материал закреплен в водоохлаждаемом держа-
теле. Всем хорош метод электронно-лучевого испарения, но при этом имеет место случай, когда поверхность испарения гораздо меньше поверхности конденсации. Например, площадь вещества, расплавленного электронным пучком, приблизительно равна 60 мм2, а площадь подложки — 2900 мм2. Такое несоответствие приведет к неравномерному распределению молекулярного потока по площади подложки, а также к неравномерной конденсации и уменьшению толхцины пленки от середины подложки к периферии. Исправить положение можно, заставив луч перемещаться (сканировать) по поверхности испаряемого вещества или передвигать подложку над источником испарения. Подобные конструктивные усовершенствования в сочетании с достаточно сложным электронным прожектором (так часто называют электронно-лучевой испаритель) не позволяют рекомендовать метод повсеместно. Но одно несомненно! Электроннолучевое испарение — один из перспективных способов изготовления пленок стехиометрического состава.
Недостаток энергии при термовакуумном испарении затрудняет, а подчас делает невозможным получение пленок тугоплавких металлов (вольфрама, молибдена, рения), перспективных для микроэлектроники.
Эти и другие ранее высказанные трудности заставили инженеров и ученых исследовать и разработать еще более совершенные методы формирования тонкопленочных структур.
ЧЕТВЕРТОЕ СОСТОЯНИЕ ВЕЩЕСТВА
Молекулярный поток испаряемого вещества, направленный в сторону подложки, может быть получен не только при нагревании вещества до высокой температуры, но и бомбардировкой твердого образца ионами газа с энергией в сотни и тысячи электронвольт. При этом частицам распыляемого (здесь более уместен именно этот термин) вещества сообщается энергия 200...300 эВ, что в тысячу раз больше, чем при термовакуумном осаждении. Все это дает возможность испарять тугоплавкие материалы, обеспечивает стехиометрию в многокомпонентных системах, улучшает адгезию пленок к подложке. Последнее обстоятельство также связано с высокой энергией частиц распыляемого вещества, которые перед началом конденсации активно воздействуют на поверхность подложки, разрушают и удаляют загрязнения.
Этот процесс носит название эффект ионной очистки.
Одна из простейших разновидно стей ионной бомбардировки —катодное распыление^ физическая сущность которого состоит в следующем. Из физики вам известно, что в стеклянной трубке с двумя металлическими электродами при низком давлении возникает тлеющий разряд, если на эти электроды подать напряжение в несколько сотен вольт. Именно этот разряд и является основой катодного распыления. На практике (рис. 26) из рабочей камеры откачивают воздух до 10一3...10一4 па, наполняют ее инертным газом (чаще всего аргоном), устанавливая давление 1...10 Па. При подаче напряжения от сотен до нескольких тысяч вольт между катодом и анодом возникает поток электронов, который на своем пути к аноду бомбардирует и ионизует молекулы аргона. Возникающие таким образом положительно заряженные ионы направляются к катоду. Катод часто называют катодом-мишенью, так как он принимает «огонь на себя» — энергию бомбардирующих его положительных ионов. При бомбардировке с поверхности катода, выполненного из распыляемого вещества, выбиваются атомы, из которых формируется молекулярный поток, направленный к подложке.
В подобной двухэлектродной системе, называемой также диодной, при давлении аргона 1...10 Па можно создать и любой другой тип разряда, требующий, однако, более высоких значений тока или напряжения. Тлеющий разряд энергетически более выгоден, относительно легко поддерживается и управляется. Кроме того, коэффициент распыления S = ла/ли, где "а —— число распыленных атомов,侬一число бомбардирующих ионов, достаточно высок и обеспечивает приличную скорость осаждения.
Процесс, при котором материал распыляемой мишени переносится без изменения состава на цодложку и при этом химических реакций между распыляемым веществом и окружающим газом нс происходит, называют физическим катодным распылением. Если же в аргон дополнительно ввести какой-нибудь газ или вещество в парообразном состоянии, с молекулами которого распыляемый материал образует химическое соединение, то наблюдается реактивное катодное распыление. Так, например, оксиды можно получать в среде Аг + Ог, нитриды — в Ar4-N2 и т. д. Пусть необходимо изготовить пленочные элементы из сульфида
Ро^о^ая^ комера-Ногреболзель подложки“ Подложка-АнодТерпокотодкото^--нишеньРо^о^ая^ комера-Ногреболзель подложки“ Подложка-АнодТерпокотодкото^--нишеньК насосу ^26)К но сосуК насосу ^26)К но сосу
Ро^о^ая
^ комера
-Ногреболзель подложки
“ Подложка
-Анод
Терпокотод
кото^-
-нишень
Ро^о^ая
^ комера
-Ногреболзель подложки
“ Подложка
-Анод
Терпокотод
кото^-
-нишень
К насосу ^26)К но сосу
К насосу ^26)К но сосу
кадмия (CdS)・ Этот полупроводниковый материал легко фракционирует при нагревании. Пленки на его основе, как правило, имеют значительные отклонения от стехиометрии. Задача решается достаточно просто, если при распылении катод-мишень будет выполнен из кадмия, а в рабочий газ добавлены пары серы. Образование химического соединения может происходить на поверхности катода, в пролетном пространстве и на поверхности подаожки при конденсации.
Наряду с отмеченными ранее преимуществами катодное распыление позволяет получать также большие поверхности пленок, равномерные по толхцине. Объясняется это тем, что распыление проводится не из точечного источника, а с достаточно большой поверхности катода диаметром 300...350 мм. Равномерность по толщине 土(L・・2) % особенно важна для осуществления группового метода обработки подложек и создания микросхем с высокой степенью интеграции.
К сожалению, катодное распыление не является универсальным способом формирования пленочных структур. Специфические особенности процесса определили некоторые его недостатки. Сравнительно высокое давление остаточных газов при рабочем давлении аргона 1...10 Па приводит к повышенному значению кислорода в пленках. При таких и более высоких давлениях сокращается длина свободного пробега частиц распыляемого вещества, уменьшается плотность потока, что способствует снижению скорости распыления н некоторому загрязнению растущей пленки остаточными газами. Действительно, при малой скорости распыления
(см. выше — термовакуумное осаждение) имеющееся соотношение количества атомов остаточных газов и частиц основного вещества на подложке оказывается не в пользу последних.
Увеличение рабочего давления в системе нежелательно еще и потому, что достаточно большое количество электронов с высокой энергией приводит к интенсивной бомбардировке поверхности подложки и ее разогреву. В результате — снижение скорости осаждения, а в ряде случаев ——и нарушение поверхностного слоя. Таким образом, напрашивается вывод: необходимо снизить давление рабочего газа 6 системе. Но это приведет к резкому уменьшению количества электронов и ионов, к снижению интенсивности распыления и даже к его прекращению! Где же выход из этого замкнутого круга?
Выход был найден в использовании несамостоятельного газового разряда. В качестве источника электронов в подобных установках используют нагреваемый до большой температуры катод, который начинает испускать электроны. Для направленного движения потока электронов и возникновения разряда в системе (рис. 27) создают давление аргона 10~2 Па, а напряжение между катодом и анодом ——100...200 В. Начинается ионизация частиц аргона быстро движущимися электронами. Чтобы получить максимально возможную плотность тока в разряде и увеличить количество (концентрацию) ионов, по оси разряда от термокатода к аноду создают продольное магнитное поле, заставляющее двигаться электроны по спирали вокруг оси разряда, в результате чего степень ионизации повышается в 10..Л00 раз по сравнению с катодным распылением. Состояние газа при этом условно называют плазменным, а процесс — ионно-плазменным. Если теперь подать отрицательный потенциал 2...3 кВ на мишень, то положительные ионы будут вытягиваться из плазмы разряда и бомбардировать поверхность мишени. Далее процесс идет так же, как и при катодном распылении.
Этот процесс практически безынерционный, т. е. распыление мгновенно прекращается после отключения напряжения. Не встраивая специальную систему электродов, можно осуществлять как ионную очистку подложек, так и катода-мишени. Трехэлектродная система, каковой является ионно-плазменное распыление, обеспечивает гибкость управления процессом. Скорость
осаждения в несколько раз выше, чем при катодном распылении,
В последнее время появились и другие весьма эффективные, но достаточно сложные распылительные системы. Для первого знакомства, надеюсь, вполне достаточно того, что было рассмотрено выше.
НЕСКОЛЬКО СЛОВ о химии
Завершая разговор о способах формирования тонких пленок для гибридных микросхем, заметим, что химические методы используются здесь гораздо реже, чем физические. С некоторыми из химических методов вы познакомились во второй главе (термическое окисление, пиролиз и др.). К традиционным химическим методам, применяемым в микроэлектронике, можно отнести также химическое и электролитическое осаждение, анодное окисление.
В основе химического осаждения пленок лежат реакции во с становления металлов из водных растворов их солей. Химическим методом могут быть получены пленки никеля, серебра, золота, палладия и других материалов на проводящих и диэлектрических подложках.
В отличие от чисто химических методов при электролитическом осаждении пленки получают из водных растворов солей металлов (электролитов) под действием электрического тока. В специальные ванны, заполненные электролитом, опускают два электрода* Катодом является подложка из проводящего материала. Анод изготовлен из материала, инертного по отношению к электролиту, или из материала получаемой пленки. На аноде отрицательно заряженные ионы отдают лишние электроны — идет реакция окисления. На катоде положительные ионы получают недостающие электроны — реакция восстановления. Так могут быть изготовлены пленки меди, никеля, золота, серебра и др.
Анодное окисление ——процесс, предусматривающий химическое взаимодействие металлов с ионами кислорода, выделяющимися у анода при электролизе. В отличие от электролитического осаждения в этом случае пленка оксида формируется на аноде, роль которого выполняет подложка. Анодирование основано на электрохимической реакции оьсисления металла кислородом без растворения анода. Инициатором роста оксидной пленки является электрическое поле, приложенное между катодом и
анодом и способствующее переносу ионов кислорода через растущий слой оксида. Скорость роста связана не только с величиной напряжения, но и с составом электролита и температурой проведения процесса. Пленки оксидов тантала (TagOo) и алюминия (А12Оз), изготовленные данным способом, очень плотные, бездефектные и характеризуются высокой электрической прочностью. Эти свойства позволяют использовать их в пленочных конденсаторах, а также в качестве изолирующих слоев при многослойной разводке (многослойные коммутационные платы). Такие платы находят широкое применение в технологии изготовления БИС, а точнее БГИС (больших гибридных интегральных микросхем). Они позволяют электрически соединить огромное количество элементов (компонентов), что весьма затруднительно обычными способами из-за необходимости пересечения металлических коммутирующих шин.
ТПР, тпк и т. п.
Так сокращенно называют тонкопленочные резисторы (ТПР) и тонкопленочные конденсаторы (ТПК), изготовить которые можно методами, изложеиными *в предыдущем разделе. Но прежде чем говорить о них, кратко остановимся на более простых, но не менее важных составных частях и элементах гибридных интегральных микросхем (ГИС).
Подложка в ГИС играет очень важную роль и является ее основанием, изолирует элементы друг от друга, служит для теплоотвода. Она во многом определяет электрофизические и эксплуатационные параметры схемы, стабильность и надежность ее работы. Отсюдц вытекает ряд требований к подложкам ГИС, выполнив которые мы тем самым обеспечим высокое качество микросхем.
Из главы I следует» что подложка ГИС должна быть из диэлектрического (изоляционного, непроводящего электричество) материала, обладающего комплексом необходимых свойств. Например, термостойкость обеспечивает возможность нагревания подложки до 500... 600 ℃. Такие температуры необходимы для формирования тонкопленочных элементов, а также могут возникнуть в процессе работы уже готовых микросхем в составе радиоэлектронной аппаратуры. При этом
теплопроводность материала должна быть достаточно высокой, чтобы исключить перегрев элементов микросхемы и выход их из строя. Особенно это требование важно для ИС высокой степени интеграции и большой плотности упаковки, а также достаточно мощных микросхем с интенсивным выделением тепла. Не менее важна механическая прочность подложек. И дело не только в том, что с прочными изделиями проще работать, не боясь поломки и растрескивания. Механическая прочность необходима при работе микросхем в экстремальных условиях (повышенных температурах, ударных и других нагрузках).
Гибридная микросхема представляет собой многослойную конструкцию, выполненную из материалов с неодинаковыми температурными коэффициентами линейного расширения (ТКЛР). Вспомним биметаллическую пластину, состоящую из двух слоев разнородных металлов с отличающимися ТКЛР. Она при нагревании изгибается в направлении того слоя, ТКЛР которого ниже. Аналогичное происходит и с многослойной конструкцией ГИС: подложка деформируется или растрескивается, не выдержав возникающих внутренних напряжений. Следовательно, еще одним требованием при выборе подложек является возможно более полное совпадение ТКЛР ее материала и напыляемых пленок.
Беспористостъ подложек позволит исключить высокое газонасыщеиие, выделение этих газов при нагревании» протекание побочных химических взаимодействий с материалом пленки.
Химическая стойкость подложки обеспечивает свободу выбора реагентов, необходимых для фотолитографического и других способов формирования ГИС, связанных с химическими процессами.
Шероховатость поверхности подложки (величина микронеровностей) как в случае полупроводниковых пластин является одним из критических параметров тонкопленочных элементов (см. рис. 4), имеющих толщину 200... 10 000 А. Неравномерная толщина тонких пленок может привести к концентрации электрического поля в узких местах, локальному (местному) перегреву и выходу элемента из строя.
Так как по одному из методов изготовления тонкопленочных элементов предусматривается применение масок, т. е. трафаретов, достаточно плотно прилегающих к поверхности подложки, то необходима высокая ее
плоскостность. В противном случае напыляемый материал будет попадать на подложку не только через специальные прорези в маске, выполненные в соответствии с конфигурацией тонкопленочных элементов, но и в зазор между маской и подложкой. При этом геометрические размеры элементов искажаются, меняются их электрические параметры.
В настоящее время нет универсального материала подложек, в полной мере удовлетворяющего этим разнообразным требованиям. Поэтому материал выбирают с учетом специфики изготовления и работы микросхем.
Так, керамические подложки на основе оксидов различных металлов (А1гОз, ВеО и др.) обладают комть лексом необходимых свойств, среди которых выделяется высокая теплопроводность. Это позволяет использовать их в схемах СВЧ (сверхвысокие частоты), работающих со значительным выделением тепла. Теплопроводность керамики в 200...250 раз выше стекла. Однако керамика очень пористый и, следовательно, газонасыщаемый материал.
Стеклянные подложки, обладая малой теплопровод* ностью и хрупкостью, имеют и самую гладкую поверхность (неровности менее 100 А), что очень важно при изготовлении пленочных элементов толщиной до тысячи ангстрем.
Наибольшее распространение получили подложки из ситалла. В отличие от стекла — аморфного вещества, не имеющего строгого порядка в расположении атомов, —ситалл — материал, который имеет как аморфную, так и кристаллическую форму. Кристаллы ситалла размером 0,01 мкм и составляющие по объему 50...95 % получаются при специальных условиях термической обработки материала, что и придает ему в конечном итоге ряд замечательных свойств. Ситалл в 2…3 раза прочнее стекла, непорист, газонепроницаем и имеет малую газо- отдачу, химически стоек в кислотах. Ситалл выдерживает перепады температур от — 60 до + 700 ℃.
Тонкопленочные проводники служат для соединения отдельных элементов между собой в соответствии с заданной электрической схемой.
Контактные площадки предназначены для присоединения к ним выводов компонентов, внешних выводов микросхемы и контроля ее электрических параметров. Высокая электропроводность, хорошая адгезия (сцепление с подложкой), способность к сварке или пайке,
химическая инертность по отношению к другим слоям и при внешних воздействиях ——далеко не полный перечень непременных требовании, которым должны удовлетворять тонкопленочные проводники и контактные площадки.
Наиболее часто для наших целей применяют медь, золото и алюминий. В силу индивидуальных особенностей каждый из этих материалов имеет определенные достоинства и недостатки. Так, при хорошей электропроводности и способности к сварке и пайке медь обладает низкой коррозионной стойкостью, металл разрушается вследствие химического и электрохимического взаимодействия с кислородом окружающей среды. Для защиты от коррозии проводники из меди покрывают пленкой золота. Однако не следует забывать, что золото имеет очень высокий коэффициент диффузии, в силу чего при повышенных температурах относительно легко проникает в пленки, изменяя таким образом их электрофизические свойства. Кроме того, золото с алюминием в присутствии кремния образует рыхлое соединение под названием «пурпурная чума». Медь и золото плохо адгезируют к поверхности подложки и поэтому необходимо предварительно напылять тонкий адгезионный подслой из хрома, титана, нихрома и др.
На практике очень часто в качестве материала проводников используют алюминий, имеющий хорошую электропроводность, коррозионную стойкость (на поверхности образуется тонкий защитный слой AI2O3) и адгезию к диэлектрическим подложкам. Однако малая твердость и определенные трудности при пайке несколько ограничивают его применение.
Тонкопленочный резистор (сопротивление) представляет собой полоску из пленки на поверхности подложки между двумя пленочными проводниками (рис. 28, а). Сопротивление любого резистора длиной Z, толщиной h и шириной b из заданного материала с удельным сопротивлением р по закону Ома может быть представлено как К = р、. Для их изготовления используют самые разнообразные материалы: металлы (хром, тантал, вольфрам, рений и др.), сплавы металлов и их смеси.
Пусть читателя не удивляет, что из металлов можно сделать сопротивления. Проводниками металлы проявляют себя в монолите (куске, бруске, прутке). В тонкой
подложкаподложка"口附方月月 Диэлектрик Верхняя обкладкаобкладка
подложка
подложка
пленке, как мы уже отмечали в начале настоящей главы, общее сопротивление &бщ зависит не только от свойств материала, но и от дефектов структуры, доля которых значительна. Именно они и определяют сопротивление резистивной пленки. При этом за счет дефектности пленок можно создать не только низкоомные резисторы, но и высокоомные, сопротивления которых в десятки раз выше.
Для получения высокоомных резисторов часто применяют сплавы, например металлосилицидные. Название говорит о том, что в составе их имеются металлы и кремний (siUcium). Кремний, как известно, полупроводник и его электрическое сопротивление выше, чем у металлов, но ниже, чем у диэлектриков. Добавки кремния в определенном количестве позволяют повысить сопротивление металлов в несколько десятков раз.
Еще более значительного увеличения сопротивления достигают путем смешивания металлов с диэлектриками, например с различными керамиками на основе оксидов. Так, из керметов (керамика + металл) на основе Сг и SiO можно изготовить резисторы с сопротинлением в сотни и тысячи раз большим, чем из элементарного хрома.
Так, целенаправленно изменяя структуру и состав пленки, повышая количество структурных дефектов, увеличивающих рассеивание электронов проводимости, можно получить сопротивление резисторов от нескольких ом до 100 кОм.
Тонкопленочные конденсаторы представляют собой трехслойную конструкцию из двух пленочных метал-
лических обкладок и пленочного диэлектрика между ними (рис. 28,6). Электроемкость конденсатора зависит от площади взаимного перекрытия обкладок (пластин) ——5, расстояния между ними (толщина диэлектрика) — d и диэлектрической проницаемости этого диэлектрика ——е:
С = 0,0885 号.
Следовательно, емкость определяется не только геометрическими факторами S и d, но и свойствами диэлектрика, который наряду с высоким значением е должен выдерживать большие электрические нагрузки, иметь мало дефектов в структуре, хорошо адгезировать к подложке и обкладкам, быть устойчивым к температуре и влаге.
Для изготовления тонкопленочных конденсаторов используют оксиды кремния (SiO и SiO2), германия (GeO), алюминия (AI2O3), тантала (ТагОб), боросиликатные (nSiO2- WB2O3) и алюмосиликатные (九SiOzX X /пА12Оз) стекла. Разнообразие диэлектриков объясняется тем, что невозможно выполнить все требования, используя только один материал.
Как известно, наиболее характерным и устойчивым соединением кремния с кислородом является оксид SiO2. Однако при температуре 1250 ℃ и избытке кремния возможен синтез монооксида кремния SiO по реакции
SiO2 + Si = 2SiO (13)
Диэлектрическая пленка на основе SiO может быть получена термовакуумным осаждением при температуре испарения 1200... 1300 ℃. Однако вещество испаряется неравномерно, с выбросом микрочастиц, ухудшающих характеристики конденсаторов. Кроме того, из-за сравнительно малого значения е нельзя получить конденсаторы большой емкости. Электрическая прочность таких конденсаторов также невелика (10... 100 кВ/мм).
Большую емкость и пробивное напряжение имеют конденсаторы на основе SiO2. Однако изготовление их сопряжено с определенными трудностями, связанными с высокой температурой распыления (1700 ℃) и нарушением стехиометрии. Именно это обстоятельство заставляет технологов применять реактивное катодное, ионно-плазменное распыление или электронно-лучевое испарение.
Оксид германия GeO по сравнению с SiO имеет лучшие диэлектрические свойства (е= 10..Л2), что позволяет при тех же толщинах диэлектрика получать в несколько раз большую емкость. Да и процесс испарения менее капризен и требует относительно невысоких температур (800...850 ℃). Однако пленки GeO по адгезии, механической и электрической прочности уступают пленкам SiO.
Оксиды алюминия и тантала обладают комплексом необходимых свойств и достаточно перспективны для микроэлектроники, но недостатком их следует считать специфику изготовления — анодное окисление или реактивное катодное распыление, где первый способ требует чистых и в большом количестве химических реактивов, тщательной отмывки подложек от них и плохо вписывается в обхцую технологическую схему изготовления, а второй достаточно сложен.
В последние годы пшрокое распространение получили боро- и алюмосиликатные стекла. Имея невысокое значение относительной диэлектрической проницаемости е , стекло вместе с тем является основой плотных, бездефектных пленок, полученных одним из самых простых методов — термовакуумным осаждением. Все это и позволяет увеличить емкость конденсаторов в 2... 3 раза за счет уменьшения толщины диэлектрического слоя.
Наш рассказ о тонкопленочных конденсаторах будет неполным без упоминания о материале обкладок, который должен обладать высокой электропроводностью, химической стойкостью и малым коэффициентом диффузии по отношению к диэлектрику. Последние два требования особенно важны. Например, при температурах более 200 ℃ в конденсаторах из GeO возможно химическое взаимодействие диэлектрика с обкладками：
3GeO + 2А1 = А12О3 + 3Ge (14)
Теряя кислород, GeO превращается в полупроводник Ge, диэлектрические свойства которого хуже. Кроме того, окисление обкладок из А1 увеличивает толщину диэлектрика и в конечном итоге уменьшает емкость конденсатора.
Однако именно алюминий с его способностью образовывать тонкую защитную пленку А12О3 на поверхности и границе раздела между слоями широко используется при изготовлении конденсаторов. Золото и медь
при хорошей электропроводности обладают высокой диффузионной способностью во многих диэлектрических пленках, что приводит к короткому замыканию и выходу из строя конденсатора.
Изготовление тонкопленочных индуктивностей не представляет особых технологических трудностей. Методами вакуумного напыления, катодного распыления или электрохимического осаждения из материалов с высокой проводимостью можно получить одно-, двух- или трехслойную структуру, имеющую форму круглой и прямоугольной спирали (рис. 29). Толщина проводников составляет 0,25...0,5 мкм, минимальная ширина 10...30 мкм. Однако применение таких индуктивностей ограничено из-за относительно больших размеров и малой величины индуктивности. Например, круглая индуктивность с диаметром спирали 10 мм и числом витков 100 имеет индуктивность всего лишь 15 мкГн (пятнадцать миллионных генри). И это при степени интеграции современных микросхем К== 4...5 и размерах элементов меньше одного микрометра! Здесь еще есть над чем подумать разработчикам микросхем и технологам.
Меньшее применение нашли тонкопленочные диоды и транзисторы. Несмотря на то что давно доказана принципиальная возможность изготовления тонкопленочных активных элементов, в настоящее время микроэлектронная промышленность не сумела наладить их выпуск. Это связано с чрезвычайно тонкими пленками (50...200 А), нестабильностью и плохой воспроизводимостью параметров элементов.
Подводя итог сказанному, мы приходим к выводу, что тонкопленочная технология хороша для изготовления пассивной части микросхем, состоящей из прецизиоиных (высокоточных) резисторов, конденсаторов, токоведущих дорожек и контактных площадок.
ЧЕРТЕЖ ЕСТЬ, А ЧТО ДАЛЬШЕ?
Теперь мы достаточно ясно представляем, какие элементы микросхем могут быть выполнены из тонких пленок, какова структура этих элементов и какие материалы необходимы для них. Все это служит основой выполнения чертежей, на которых должны быть изображены не только нужные элементы, объединенные в соответствии с заданной электрической схемой в конкретное микроэлектронное изделие, но и послойная топология^ т. е. конфигурация и расположение каждого тонкопленочного слоя с указанием материала, из которого он выполняется. В сочетании с выбранным методом формирования тонкопленочных структур этот комплект чертежей ——основа технологии изготовления (технологической реализации) пассивных элементов гибридных интегральных микросхем.
Одним из основных, давно известных и широко доступных методов формирования тонкопленочных элементов является метод свободных масок, при котором конфигурацию элементов на подложке получают напылением через специальный трафарет, который представляет собой моно- или биметаллическую пластину с прорезями, соответствующими форме и расположению элементов, и негативно отражает топологию слоя пленочного элемента. Трафареты, или маски, существуют независимо (свободно) от подложки, и через каждый из них можно сформировать несколько сотен одинаковых слоев. Они должны достаточно плотно прилегать к поверхности подложки, не допуская подпыления материала в зазор между ними и искажения геометрических размеров элементов, приводящих к изменению электрических параметров. Чем меньше толщина маски, тем меньше затенение при напылении от потока вещества, падающего под углом к поверхности подложки, более четкий край, выше точность изготовления элементов. Кроме того, материал масок должен иметь низкое значение упругости пара при температуре 400...450 ℃ в вакууме, где давление равно 10~4 Па, что обеспечивает чистоту получаемых пленок. В противном случае при указанных температурах материал маски будет испаряться, попадать на подложку, загрязняя тем самым и растущую пленку. Этим требованиям удовлетворяют вольфрам, молибден, никель, бронза (медный сплав) и другие металлы. Наибольшее распространение получи-
НикельНикельа У(Р-излучениеа У(Р-излучение
Никель
Никель
а У(Р-излучение
а У(Р-излучение
ли маски толщиной 100... 150 мкм на основе бериллиевой бронзы, покрытые тонким слоем никеля (10...15 мкм), обеспечивающего точность выполнения рисунка (прорезей).
Изготовляют такие маски (рис. 30) фотохимическим способом (фотолитографией). Для этого на тщательно очищенную и обезжиренную заготовку из бронзы с обеих сторон наносят негативный фоторезист и через фотошаблоны экспонируют ультрафиолетовым светом (рис. 30, q) • После проявления и задубливания в месте будущей прорези (окна) образуются участки фоторезиста, защищающие поверхность заготовки (рис. 30, 6). Далее проводят электрохимическое нанесение никеля (рис. 30, в), затем удаляют фоторезист и травят заготовку через окна в никеле (рис. 30, г, д). Травитель должен травить только бронзу (быть селективным), не взаимодействуя с никелем.
Через изготовленные таким образом маски последовательно напыляют тонкопленочные слои, создавая пассивную часть гибридных микросхем. Познакомимся с тем, как это делается, на примере условной микросхемы, состоящей из двух резисторов, конденсатора, токоведущих дорожек и контактных площадок (рис. 31).
Подложку из ситалла вначале очищают химическим травлением в реактивах, а затем сушат в очищенном аргоне и обрабатывают потоком быстролетящих ионов в рабочей камере установки вакуумного напыления с целью окончательной очистки поверхности. Далее через маску с прорезями, соответствующими конфигура-
®
ции резисторов, напыляют резистивный материал, необходимый для получения заданных значений резисторов, а через маску М2 — тонкопленочные проводники, контактные площадки и нижнюю обкладку конденсатора. После этого через маску М3 нанос兄т диэлектрик конденсатора, а через маску М4 — его верхнюю обкладку. Формирование структуры завершается напылением через маску М5 диэлектрического слоя-защиты от внешних воздействий и механических повреждений.
Метод свободной маски при всех его достоинствах (многоразовое использование, хорошая производительность, экономичность и др.) имеет и ряд существенных недостатков, не позволяющих рекомендовать его для изготовления микросхем с малыми и очень точными размерами элементов и высокой степенью интеграции. К таким недостаткам следует отнести в первую очередь неплотное прилегание масок к поверхности подложек, подпыление, получение нечеткого (размытого) края тонкопленочных элементов, искажение их геометрической формы.
Для изготовления прецизионных элементов микросхем чаще используют метод контактной маски и метод двойной фотолитографии.
Контактная маска в отличие от свободной не имеет микрозазора между подложкой и поверхностью маски, т. е. является неотъемлемой частью подложки. Это маска одноразового пользования, изготовлена вакуумным осаждением тонкой металлической пленки или нанесением фоторезиста.
Рассмотрим метод контактной маски на примере изготовления тонкопленочного резистора (рис. 32). На очищенную диэлектрическую подложку напыляют слой меди толщиной 1000 А. Далее следуют все фотолитографические операции (см. главу II), в данном случае необходимые для формирования однослойной маски: нанесение, сушка, экспонирование через фотошаблон, проявление и задубливание фоторезиста. Полученная фоторезистивная маска позволяет провести локальное (местное) травление пленки меди, в результате чего после снятия фоторезиста получается контактная металлическая маска-трафарет. Через нее затем напыляют резистивный материал, излишки которого удаляются механическим путем после стравливания медной маски селективным травлением. На изготовленную таким образом резистивную полоску вновь наносят
У^-издуиени^У^-издуиени^>7)77) 72>7)77) 723— фотошаблон3— фотошаблон丿丿川川丿й丿丿川川丿йФоторезист-^.Контактнаяпаска 、 ((роторезист)^>Фоторезист-^.Контактнаяпаска 、 ((роторезист)^>Illi ш|Illi ш|》»)Ак\гкЗ»)風》»)Ак\гкЗ»)風конпюктная / паска / ( меОь)Неталлическоя пленка Резистибноя пленкаконпюктная / паска / ( меОь)Неталлическоя пленка Резистибноя пленка
У^-издуиени^
У^-издуиени^
>7)77) 72
>7)77) 72
3— фотошаблон
3— фотошаблон
丿丿川川丿й
丿丿川川丿й
Фоторезист-^.
Контактная
паска 、 ((роторезист)^>
Фоторезист-^.
Контактная
паска 、 ((роторезист)^>
Illi ш|
Illi ш|
》»)Ак\гкЗ»)風
》»)Ак\гкЗ»)風
конпюктная / паска / ( меОь)
Неталлическоя пленка Резистибноя пленка
конпюктная / паска / ( меОь)
Неталлическоя пленка Резистибноя пленка
слой фоторезиста, проводят фотолитографию и после задубливания получают термостойкую защитную фото- резистивную маску, через которую в дальнейшем и напыляют контактные площадки. После удаления ненужной более фоторезистивной маски с напыленным на нее материалом контактных площадок на подложке остаются сформированные резисторы.
Метод двойной фотолитографии (рис. 33) исключает применение масок-трафаретов, через которые напыляют тонкие пленки определенной конфигурации. Изготовление резистора начинается с последовательного напыления сплошных пленок резистивного и проводящего материалов на поверхность очищенной диэлектрической подложки. В результате первой фотолитогра-
УР-изАуивниеУР-изАуивние
УР-изАуивние
УР-изАуивние
фии формируются контактные площадки. После вторичного нанесения фоторезиста и проведения второй фотолитографии по резистивному слою получают резисторы, форма которых несколько отличается от предыдущих. В данном методе очень важен подбор травителя с резко выраженными селективными свойствами. Например, при травлении материала контактных площадок травитель должен быть практически инертен по отношению к материалу резистора и наоборот.
Этот метод находит широкое применение как при выполнении точных, так и достаточно сложных, ажурных рисунков микросхем.
Рассмотренные методы не конкурируют между собой, а дополняют друг друга. Так, при изготовлении микросхем с резисторами и конденсаторами двойную фотолитографию применяют только для формирования резисторов. Составные части конденсаторов и защитный слой напыляют через свободные маски.
Нами рассмотрены случаи формирования тонкопленочных элементов, когда технологическая точность изготовления их вполне удовлетворяет и совпадает с требуемой точностью микросхем. Или, говоря иначе, функциональная точность и технологическая воспроизводимость от операции к операции таковы, что не требуется каких-либо дополнительных мероприятий по их улучшению. Однако в условиях завода современные технологические процессы изготовления тонкопленочных ГИС не позволяют получать выходные параметры микросхем с высокой точностью. Например, тонкопленочные резисторы имеют разброс сопротивлений ±(2...1О) %, в то время как часто требуется точность 《1 %. Достигается это подгонкой элементов, которая является необходимым и экономически обоснованным процессом.
Не останавливаясь на многообразии методов подгонки, отметим лигпь, что подгонка резисторов (именно они чаще всего подгоняются в заданные пределы) может быть групповой и индивидуальной.
При групповой подгонке изменение параметров происходит у всех элементов на подложке одновременно. Например, повысить сопротивление всех резисторов можно путем частичного стравливания резистивных полосок или нагревания их в окислительной атмосфере, в результате чего уменьшается их толщина 力.Понижают сопротивление гальваническим наращиванием и,
следовательно, увеличением толщины резистора. Кроме того, не изменяя геометрическую форму элемента при нагревании в вакууме или инертном газе, можно уменьшить сопротивление за счет рекристаллизации материала резистора.
Индивидуальная подгонка связана с изменением конфигурации выборочного резистора, удалением части резистивной пленки и уменьшением поперечного сечения резистора. Наиболее экономичным и производительным средством индивидуальной подгонки (до ±0,1 %), нашедшим широкое применение в производстве, является лазерный метод.
Формирование пассивной части микросхем с помощью тонких пленок далеко не единственный способ. Если не требуется при изготовлении высоких допусков и точности, а, с друго访 стороны, необходимы пассивные элементы больших значений и мощности, целесообразнее применять толстопленочную технологию, речь о которой пойдет в следующей главе книги.
Природа на каждом шагу показывает нам свою неисчерпаемость.
Кювье
...Развитие науки не имеет предела. И. Е. Тамм
Глава IV
ТОЛСТОПЛЕНОЧНЫЕ ГИБРИДНЫЕИНТЕГРАЛЬНЫЕ МИКРОСХЕМЫ
Г
ибридные интехральные микросхемы могут быть выполнены и на основе толстых пленок, как было отмечено в главе I. Толщина их более 1 мкм и достигает 50 мкм при ширине полосок 50 мкм и менее. Однако понятие тонко- и толстопленочная технология в значительной степени характеризует не толщину пленок, а способ их нанесения и применяемые материалы. Для изготовления толстых пленок используют давно известную трафаретную печать, позволяющую воспроизводить графическое изображение или текст при помощи печатной формы (трафарета), через которую на печатный материал продавливают краску специальной дощечкой. В данном случае трафарет — это приспособление в виде пластины из металла, дерева, картона и другого материала с отверстиями (прорезями), через которые краска наносится на какую-либо другую поверхность. Именно так древние египтяне раскрашивали стены сооружений, усьшальниц, гончарные изделия. В настоящее время разновидности этого метода широко используют для выполнения рисунка на тканях, бумаге, картоне, стекле, при размножении графических произведений, рекламных плакатов, изготовлении упаковок, шкал, надписей и др.
Для изделий микроэлектроники формирование толстых пленок основано на механическом нанесении соответствующих паст (смесь стеклянного порошка, органического связующего вещества и добавок, обеспечивающих как определенные электрические свойства пленок, так и необходимую консистенцию — густоту, вязкость, текучесть) на поверхность диэлектрической подложки через специальный трафарет. После выдерж-
км при заданной температуре в течение определенного времени (вжигание) элемент ГИС приобретает необходимые сво访ства и форму. В зависимости от типа добавок (металлы, оксиды), а также от соотношения их и стеклянного порошка могут быть получены самые разнообразные типы паст, позволяющие изготовить практически все виды пассивных элементов ГИС. Кроме того, существуют пасты припойные для создания межслойной изоляции, защитных пскрнта访 и другие, о которых более подробно будет рассказано в последующих разделах.
До сравнительно недавнего времени более широкое применение находила тонкопленочная технология, так как давала возможность получать более точную геометрию элементов и лучшие электрические характеристики. Это вполне естественно, потому что в микроэлектронике тонкопленочная технология имеет больший период развития. Ее методы исследованы и отработаны тщательнее, чем толстопленочные. Однако данное обстоятельство не может служить поводом для пренебрежительного отношения к толстым пленкам. Наряду с характеристиками, близкими к параметрам тонкопленочных микросхем, толстопленочные имеют и явные преимущества.
Толстые пленки способны выдерживать более высокое воздействие электрического тока и потому предпочтительнее в мощных схемах. Микроэлектронные устройства на их основе могут работать при исключительно жестких условиях (от —180 до +300 ℃) и резком перепаде температур, чего не выдерживают тонкопленочные схемы.
Толстопленочная технология более простая, трудоемкость ее в три раза ниже; она менее дорогостоящая и не требует высококвалифицированного персонала, менее чувствительна к загрязнениям и пыли, которые просто выгорают при высоких температурах вжигания, достигающих 800...1000 ℃. Кроме того, толщина пленок во много раз превышает размеры загрязняющих частиц. Это позволяет, с одной стороны, увеличить выход качественных микросхем до 80...100 % и, с другой стороны, снизить затраты на создание особо чистых комнат, боксов, камер, широко применяемых в производстве других видов микросхем.
Вместе с тем не следует считать толстопленочную технологию абсолютно пригодной и универсальной.
Оба вида технологий не столько конкурируют, сколько дополняют друг друга. Более того, в последние годы все шире начинают применять различные варианты совмещения толстых и тонких пленок, позволяющие полнее использовать их достоинства.
С ЧЕГО НАЧИНАЕТСЯ КОНСТРУКЦИЯ?
Когда говорят о каком-то изделии, то в первую очередь характеризуют особенности его конструкции (строение, взаимное расположение частей, их взаимо- де访сгвие). Далее переходят к оценке материалов, из которых выполнено это изделие, и завершают его описание рассмотрением методов изготовления (технологии), целесообразности применения тех или иных способов. Мы не будем отступать от общепринятой схемы и знакомство с толстопленочными ГИС начнем с кон-
струкции.
Наиболее распространенная конструкция гибридных толстопленочных схем представляет собой подложку из керамики с пассивными элементами и активными компонентами, имеющую необходимое количество выводов^ закрытую с одной стороны металлическим колпачком, а с другой —— залитую компаундом —— изоляционным материалом с низкой температурой плавления (рис. 34).
Как и в тонкопленочных ГИС, диэлектрическая подложка — основа конструкции толстопленочных схем. На ней элементы формируются и соединяются в соответствии с заданной электрической схемой. Из требований к подложкам, перечисленных в главе Ш, особое внимание уделяется высокой прочности, хорошей теплопроводности, а также термической и химической стойкостям.
Теплопроводность, как известно, весьма необходима при изготовлении мощных микросхем высокой степени
ПодложкаПодложкаКимпаунОКимпаунО
Подложка
Подложка
КимпаунО
КимпаунО
миниатюризации с большой рассеиваемой мощностью. Именно таковыми в большинстве являются толстоиле- ночные ГИС.
Так как рисунок микросхемы (конфигурация элементов и их расположение) создается продавливанием паст через отверстия в трафарете, то очень важна механическая стойкость подложек и способность выдерживать некоторое прилагаемое усилие.
Для закрепления рисунка и обеспечения элементам необходимых электрофизических свойств подложку подвергают многократному температурному воздействию. (Схема технологического процесса изготовления толстопленочных ГИС представлена на рис. 35.) Это накладывает отпечаток на термосто访кость подложек. А если вспомнить, что при температуре вжигания 800... 1000 ℃ компоненты пасты становятся агрессивными, то очень важным требованием окажется химическая стойкость подложек, которая тем более необходима, когда при формировании элементов микросхем применяют фотолитографию.
К сказанному следует добавить, что необходимо иметь минимальное газовыделение, идентичность температурного коэффициента линейного расширения материала подложки и получаемой пленки во избежание разрыва последней, плоскостность поверхности подложки и ряд других свойств, без которых невозможно иметь высококачественную микросхему.
Всем этим требованиям не может удовлетворить ни один материал. Например, оксид бериллия обладает хорошими тепловыми свойствами, но по прочности
ИНТЕГРАЛЬНЫЕ МИКРОСХЕМЫ
StO2
ПОЛУПРОВОДНИКОВАЯ
ГИБРИДНАЯ
СОВМЕЩЕННАЯ
①
ЗОННАЯ ПЛАВКА КРЕМНИЯ
ВЫРАЩИВАНИЕ
МОНОКРИСТАЛЛА
3~ Расплавленная зона
4-Зажим
1— Слиток
5 ^Кварцевая труба
- Затравка 1 дг
Монокристалл ▼ N2 3_ Расплав
Тигель из графита
5一 Индуктор
Кристалл
Расплав
Граница раздела
МОЛЕКУЛЯРНЫЙ РЕЛЬЕФ ПОВЕРХНОСТИ РАЗДЕЛА МЕЖДУ ТВЕРДОЙ И ЖИДНОЙ ФАЗАМИ
ДЕФЕКТЫ КРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ РЕШЕТКИ
ВАКАНСИЯ
АТОМ В МЕЖДОУЗЛИИ
^^^1^^^
Q。。：'.■■,v;个^VA^-X^i^i^v.^-
ЛИНЕЙНАЯ ДИСЛОКАЦИЯ
ЗАМЕЩЕННЫЙ АТОМ
ВИНТОВАЯ ДИСЛОКАЦИЯ
®
SiO2SiO2ОКИСЛЕНИЕОКИСЛЕНИЕ
SiO2
SiO2
ОКИСЛЕНИЕ
ОКИСЛЕНИЕ
ИЗГОТОВЛЕНИЕ БИПОЛЯРНОГО ТРАНЗИСТОРА
Диффузия Sb
“in半
СОЗДАНИЕ 'СКРЫТОГО** СЛОЯ
ЭПИТАКСИЯ
Диффузия В
РАЗДЕЛИТЕЛЬНАЯ
ДИФФУЗИЯ
Диффузия Р
s,。?
ФОРМИРОВАНИЕ БАЗЫ
СОЗДАНИЕ ЭМИТТЕРА
СЕТЧАТЫЙ ТРАФАРЕТ
ТРАФАРЕТНАЯ ПЕЧАТЬ
РЕЖИМЫ ТЕРМООБРАБОТКИ ПАСТ
СХЕМА ЗОНДОВОГО КОНТРОЛЯ
Пластина
Кристалл
ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЬ ИЗМЕРЕНИЯ КРИСТАЛЛОВНА ПЛАСТИНЕ
МИНРОНОНТАНТИРОВАНИЕ ВЫВОДОВ
Сварочный инструмент
ТЕРМОНОМПРЕССИОННАЯСВАРНА
ИНСТРУМЕНТ ДЛЯСВ АРНИ КОСВЕННЫМИМПУЛЬСНЫМНАГРЕВОМ
Вьгвод
ГЕРМЕТИЗАЦИЯ МИКРОСХЕМ
НрышнаОснованиеМикросхемаВыводНрышнаОснованиеМикросхемаВывод
Нрышна
Основание
Микросхема
Вывод
Нрышна
Основание
Микросхема
Вывод
ПЛАСТМАССОВЫЙ КОРПУС
НрышнаНрышнаМикросхемаМикросхемаСтеклоСтеклоОснованиеОснованиеВыводВывод
Нрышна
Нрышна
Микросхема
Микросхема
Стекло
Стекло
Основание
Основание
Вывод
Вывод
МЕТАЛЛОСТЕНЛЯННЫИ КОРПУС
НрышнаНрышнаМ“нрс хемаМ“нрс хемаРамнаСтеклоВыводОснованиеРамнаСтеклоВыводОснование
Нрышна
Нрышна
М“нрс хема
М“нрс хема
Рамна
Стекло
Вывод
Основание
Рамна
Стекло
Вывод
Основание
МЕТАЛЛОКЕРАМИЧЕСКИЙ КОРПУС
Cl V С2
Полупроницаемая- пленка
ВОЗНИКНОВЕНИЕ ОСМОСА
уступает оксиду алюминия. Имея хорошие диэлектрические свойства, фарфор вместе с тем менее теплопроводен, чем большинство материалов и, кроме того, обладает низкими прочностными свойствами. Подложки из стекла и пластиков не выдерживают высоких температур и недостаточно теплопроводны. С учетом сказанного наибольшее предпочтение в настоящее время отдается керамическим подложкам, содержащим 94... 96 % оксида алюминия и 4...6 % оксидов кремния, кальция, магния и других элементов. Именно эти соединения обеспечивают на среднем уровне практически все необходимые свойства и способствуют хорошей адгезии толстых пленок к подложке. Для толстопленочных схем применяют подложки в 5... 10 раз менее гладкие, чем для тонкопленочных. Объясняется это повышением адгезии толсто пленочных элементов к керамике при более высокой шероховатости поверхности (0,5...0,75 мкм).
Перед формированием элементов на поверхности подложек последние тщательно отмываются в специальных ваннах с мыльным раствором. После промывки в проточной дистиллированной воде и прокаливания в печах с температурой 600 ℃ подложки поступают на следующую операцию технологического процесса.
НЕОБЫЧНЫЙ МАТЕРИАЛ
Исходные материалы для изготовления толстопленочных элементов микросхем принято называть пастами, которые представляют собой суспензии порошков благородных металлов, оксидов и стекла в органических связующих веществах. Вы, вероятно, помните, что суспензия — это смесь двух или более веществ, из которых одно, например твердое вещество (твердая фаза), распределено в виде мельчайших частичек в другом — жидкости (жидкая фаза) — во взвешенном состоянии. Например, мутная вода, в которой мельчайшие частицы глины, ила находятся во взвешенном состоянии,——суспензия.
В пастах твердая фаза составляет 75 % по объему, остальные 25 % приходятся на долю жидкой фазы. В зависимости от назначения пасты твердая фаза включает компоненты, определяющие электрофизические параметры (электропроводность или сопротивление, диэлектрические свойства, возможность пайки или
сварки), а также порошок легкоплавкого стекла (до 5 %). Последний необходим для обеспечения хорошего сцепления пленки с подложкой после вжигания. При вжигании компоненты стеклянного порошка (оксиды кремния, бора, висмута, кадмия и др.) в той или иной степени взаимодействуют с поверхностью подложки, создавая промежуточный слой и улучшая адгезию.
В состав жидкой (связующей) фазы входят орга1- нические растворители (17 %) и смолообразные вещества (3,5 %), необходимые для получения пасты определенной густоты и вязкости. Текучесть пасты и ее смачивающие свойства регулируются введением специальных жидких компонентов (1,5 %). Кроме того, в пасты добавляют до 3 % поверхностно-активных веществ (ПАВ), весьма необходимых для лучшего смачивания основного порошка (металла или оксидов) и поверхности подложки расплавленным стеклом.
В зависимости от назначения различают пасты проводниковые, припойные, резистивные, диэлектрические и для создания многослойной коммутации.
Основным компонентом проводниковых паст, предназначенных для изготовления соединений между элементами схемы, контактных площадок, выводов резисторов и обкладок конденсаторов, являются на сегодня благородные металлы ——золото, платина, палладий и серебро. Это связано с тем, что при высоких температурах вжигания и применения химически активных стекол многие другие металлы и сплавы, взаимодействуя с компонентами пасты, образуют химические соединения, в значительной степени меняющие электрофизические свойства толстых пленок. В ряде случаев происходит растворение металлов в жидком припое.
Наибольшее распространение дл兄 изготовления толстопленочных ГИС получили пасты на основе серебра и системы палладий ——серебро. Прочность сцепления с подложкой при низких температурах вжигания (500... 850 ℃) в сочетании с высокими электрофизическими параметрами позволяет использовать их для широкой номенклатуры изделий. Кроме того, это самые дешевые пасты по сравнению с пастами на основе золота и систем золото——платина, золото—палладий. Однако, когда необходима хорошая электрическая проводимость и повышенная надежность (безаварийность работы изделия в течение определенного отрезка времени) в экстремальных условиях (высокая температура, влажность
и т. п.), пасты на основе золота и его соединений незаменимы, и это несмотря на их высокую стоимость и температуру вжигания, достигающую 900... 1000 ℃.
В настоящее время исследуются новые проводящие композиции, не содержащие драгоценных металлов, в частности, оценивается возможность использования меди, никеля и алюминия. Тщательная отработка режимов вжигания (температура, среда, время) позволила получить обнадеживающие результаты.
В производстве толсто пленочных ГИС, как вы узнаете из последующей главы, важное место занимает монтаж компонентов. Его трудоемкость при осуществлении вручную составляет до 50 % от общей трудоемкости изготовления ГИС. Упрощению монтажных операций в значительной степени способствует использование так называемых припойных паст, состоящих из порошкообразного припоя (смесь олова, свинца, сурьмы, висмута) и органического связующего вещества, в состав которого входит флюс (например, канифоль) .Последний необходим, как известно, для удаления оксидной пленки с поверхности металлов и припоя, защиты поверхностей от окисления в процессе пайки.
Как и проводящие пасты, в толстопленочных ГИС нашли широкое применение резистивные композиции, так как в схемах до 60 % общего числа элементов и компонентов составляют резисторы. Строго говоря, резистивные пасты близки по составу к проводящим. Из любой смеси металлического порошка и стекла можно изготовить резистор. Однако незначительное отклонение их соотношения приводит к существен ному изменению сопротивления, что затрудняет изготовление резисторов с необходимыми свойствами. Например, уменьшение количества серебра или золота в пастах на их основе всего лишь на 2...2,5 % увеличивает сопротивление толстопленочного резистора в 10 и более раз.
Для более «тонкой» регулировки и управления свойствами резисторов применяют пасты на основе оксида рутения с температурой вжигания 650...850 ℃, оксидов таллия (550...600 ℃), кадмия (700...900 ℃), индия (900...1000 ℃) и др. Сопротивления резисторов могут отличаться в зависимости от материала и условий термо обработки паст в 1О4...1О6 раз. Именно условия термической обработки (вжигание) паст позволяют использовать для изготовления резисторов систему се-
ребро—палладий, известную как проводниковую композицию. Проведение вжигания на воздухе, варьирование температурой, временем и соотношением компонентов позволяют в конечном итоге получить необходимый состав пленки и электрофизические параметры резистора. Исходными компонентами являются палладий (Pd), его оксид (PdO), серебро (Ag), боросиликатное стекло (nSiOg • 7ПВ2О3) и органический растворитель. Механизм образования пленки из этого материала достаточно сложен и до конца не выяснен, но предполагается, что при температуре 300...400 ℃ идет реакция окисления 2Pd + О2 — 2PdO и сплавление палладия с серебром Pd + Ag = PdAg・ По мере дальнейшего нагревания до температуры 750...850 ℃ происходит частичное разложение PdO. Окончательные свойства зависят от соотношения компонентов. Количество серебра определяет уровень, до которого идет реакция, и регулирует содержание оксида палладия в пленке. Поскольку в пленке находятся PdO, PdAg, Ag и стекло, электропроводность является комплексной величиной и зависит от проводимости серебра и сплава PdAg, полупроводимости PdO и диэлектрических свойств стекла.
Диэлектрические пасты применяют для изготовления конденсаторов, многослойной коммутации больших гибридных интегральных микросхем (БГИС) и в качестве слоя, защищающего пассивные элементы от внешних воздействий. Пасты для конденсаторов наряду с хорошей адгезией к подложке и обкладкам (электродам), химической инертностью при высоких температурах и необходимыми диэлектрическими свойствами должны иметь температурный коэффициент линейного расширения, близкий к ТКЛР подложки и материалов обкладок. В противном случае в трехслойной конструкции (металл — диэлектрик — металл) будут возникать напряжения, а также возможны образование микротрещин в диэлектрике и пробой конденсатора.
Схема технологического процесса изготовления толстопленочных конденсаторов предусматривает последовательное формирование (нанесение пасты, сушка, вжигание) нижней обкладки, диэлектрика и верхней обкладки. Это накладывает определенный отпечаток на свойства применяемых диэлектрических паст. Во-первых, они должны быть устойчивы к многократным температурным воздействиям, так как ранее изготовленные слои в процессе формирования последующих
вновь и вновь нагревают до высоких температур. Во- вторых (и это вытекает из только что сказанного), температуры последующих вжиганий должны быть по возможности более низкими. Отсюда понятно требование к пастам при изготовлении толстопленочных конденсаторов: температура вжигания диэлектрических материалов должна быть ниже температуры вжигания нижних обкладок и выше верхних.
Для изготовления конденсаторов небольшой емкости применяют различные сорта стекол. Увеличение емкости и улучшение диэлектрических свойств паст можно достигнуть, применяя пасты на основе титаната бария (ТЮг • ВаО) с добавкой 20...30 % стекла, которое позволяет уменьшить различие в ТКЛР диэлектрика и подложки, характерное для титаната. Кроме того, существенным недостатком использования титаната бария является то, что при наложении постоянного электрического поля в условиях повышенных температур он подвергается старению — изменению параметров диэлектрика во времени. Более перспективен в этом отношении оксид иттрия (Y2O3).
Особое место среди диэлектрических материалов, применяемых в технологии толстопленочных микросхем, занимают пасты для создания многослойной коммутации (электрические соединения, расположенные н нескольких слоях). Непрерывная тенденция к увеличению числа элементов в одной микросхеме и переход к БИС выдвинули новые требования к коммутации элементов. Однослойная коммутация (электрические проводники на одной поверхности и в одном слое) не может обеспечить необходимое объединение элементов в схему. Возникла необходимость пересечения соединительных металлических шин и соответственно введения в местах пересечения изолирующих диэлектрических слоев (см., например, схему коммутации с тремя проводящими пленочными слоями на рис. 36). Диэлектрический слой в пересечениях должен иметь высокое сопротивление и низкое значение диэлектрической проницаемости. Так как два металлических проводника и слой диэлектрика между ними образуют конденсатор, для многослойной коммутационной платы характерно возникновение паразитных емкостей, влияющих на работу микросхемы.
До недавнего времени считалось, что в качестве изолирующего материала пересечений лучше всего ис-
пользовать стекло, а не керамику, так как последняя имеет пористую структуру и насыщается газами и влагой. Это приводит к снижению сопротивления изоляции между проводниками. Вместе с тем использование стекла также ограничено из-за деформации его при многократных термообработках, растекания и трудности контроля толщины.
Применение для изоляционных слоев композиций стекла с керамическим наполнителем дает возможность получать пленки, выдерживающие многократные температурные воздействия, так как керамика создает достаточно жесткий каркас и деформация при этом практически отсутствует. Однако для получения таких пленок необходимо использовать композиции, в которых до 50 % керамического наполнителя, а это создает повышенную пористость и снижает сопротивление изоляции под действием влаги.
Наиболее перспективными материалами для создания межслойной изоляции в настоящее время признаны ситаллоцементы (кристаллизующиеся стекла). Харак* терная особенность их — образование и сохранение кристаллической фазы при нагревании, что предотвращает размягчение слоя при повторных термообработках, вплоть до температуры кристаллизации. Это позволяет успешно использовать данные материалы в многослойной разводке больших интегральных микросхем.
ПЕЧАТАЕМ МИКРОСХЕМУ
Прежде чем пойдет разговор о трафаретной печати, ее разновидностях и методах, кратко ознакомимся с трафаретами и способами их изготовления. Как в тонкопленочной технологии, так и в технологии толстых пленок созданию трафаретов для нанесения паст пред-
шествует разработка топологии (взаимного расположения элементов, соединений, контактных площадок на чертеже) по заданной электрической схеме. На основе общей топологии разрабатывают топологию отдельных слоев и изготовляют фотошаблоны, необходимые для выполнения трафаретов. Одна из особенностей создания трафаретов для толстопленочных микросхем заключается в том, что все резисторы должны располагаться в одном направлении. Иными словами, длина резистора должна быть параллельна направлению нанесения пасты, так как это существенно влияет на точность их изготовления.
Для получения рисунка толстопленочных микросхем с помощью устройств трафаретной печати используют различные типы трафаретов, среди которых наибольшее распространение получили сетчатые и фольговые. Трафарет не только обеспечивает конфигурацию элементов, но и помогает дозировать пасту, поступающую на подложку.
Фольговый трафарет представляет собой фольгу из одного или двух металлов толщиной, равной заданной толщине слоя пасты, закрепленную на жесткой рамке.
Сетчатый трафарет состоит из стальной (шелковой, капроновой и др.) сетки, равномерно натянутой на рамке (см. цветную вклейку V). Обычно используют сетки диаметром проволоки 0,1——0,02 мм и размером ячейки до сотых долей миллиметра. Мелкие ячейки обеспечивают четкость края рисунка, крупные — высокую однородность пленки по толщине, так как отверстия мелкоячеистых сеток часто закупориваются пастой.
Трафареты изготовляют фотолитографией, для чего слой фоторезиста наносят на сетку или фольгу. Далее следуют обычные операции, характерные для этого процесса: сушка, экспонирование, проявление, задублива- ние. Процесс изготовления сетчатого трафарета на этом заканчивается, а для фольгового — необходимы еще операции травления фольги через окна в фоторезисте и его последующее удаление. Как правило, проводят двухстороннее травление, а для этого необходимо нанесение фоторезиста с обеих сторон заготовки и двухстороннее экспонирование (аналогично изготовлению трафарета для напыления тонких пленок).
Применение фольговых биметаллических трафаретов повышает точность размеров рисунка и дает возможность получать линии и промежутки между ними шири-
ной 75... 100 мкм, в то время как при использовании сетчатых трафаретов всего лишь 125...150 мкм.
Для нанесения пасты подложка устанавливается под трафаретом на некотором расстоянии от него (0,25... 1,5 мм). Процесс трафаретной печати состоит в дозировании пасты на подложку путем продавливания ее через трафарет с помощью ракеля. При этом паста размещается поверх трафарета м передвижением ракеля переносится на подложку через отверстия в трафарете в виде столбиков, копирующих отверстия в сетке. Растекаясь, эти столбики соединяются м образуют такой же рисунок, как на трафарете (см. цветную вклейку V). Ракель представляет собой пластину из резины, полиуретана, фторопласта и других материалов, имеющую вполне определенный угол заточки (угол атаки — а), который с учетом вязкости пасты и размера ячеек в сетке составляет 45...600.
Качество получаемых толстопленочных элементов во многом зависит от свойств пасты (вязкость, текучесть), давления ракеля, скорости его движения и угла наклона к поверхности, а также от плотности прилегания ракеля к трафарету и зазора между трафаретом и подложкой. Эти технологические факторы очень важно соблюдать, в противном случае могут быть непропечатывание рисунка, малая или излишне большая толщина пленок, растекание пасты и др.
Важным свойством паст, на котором основана трафаретная печать, является их способность менять вязкость и текучесть под давлением — тиксотропия. Паста на трафарете не будет самопроизвольно просачиваться через сетку на подложку, пока к ней не приложат определенные усилия через ракель. При скорости перемещения ракеля около 15 м/с и заданном усилии на него уменьшается вязкость пасты и увеличивается текучесть, т. е. паста поступает на подложку. После снятия усилия ракеля вязкость и текучесть восстанавливаются до исходных значений и паста практически не растекается по поверхности подложки. Растекание, в результате которого выравнивается нанесенный слой по толщине, происходит лишь в пределах сформированного рисунка.
Так образуется пленка при бесконтактном методе трафаретной печати, когда равномерно натянутая и закрепленная на жесткой рамке сетка трафарета находится на некотором расстоянии от подложки, образуя
зазор, который выбирается с учетом усилия продавливания пасты. После прохода ракеля зазор восстанавливается благодаря упругости сетки.
КогггакгныИ метод нанесения паст предусматривает непосредственный контакт трафарета и подложки без зазора. Это дает возможность повысить точность изготовления толстопленочных элементов. Например, при выполнении резисторов разброс значений уменьшается в 2・・・3 раза и достигает 土 (2...3) %• Однако применение данного метода может привести к резкому увеличению брака при несоблюдении технологических режимов нанесения и особенно при использовании паст с повышенной текучестью и малой вязкостью. Паста затекает под трафарет подобно тому, как при вычерчивании рисунка на бумаге тушью последняя попадает под линейку.
СРОДНИ ГОНЧАРНОМУ ИСКУССТВУ
В давние-давние времена огонь был предметом поклонения, божеством для людей. И это не случайно. Огонь мог уничтожить леса, поля и жилища, но он мог обогреть, высушить и накормить вкусной и горячей пищей. Позднее удивительная способность огня придавать определенные свойства глине в результате ее обжига была использована человеком для создания гончарных изделий. После обжига предметы становились почти такими же твердыми, как камень или кость. Не обошлось без высокотемпературного обжига и при изготовлении разрисованных и очень красочных ваз, кувшинов, керамических плиток и др. Иными словами, высокая температура, свойственная огню, видоизменяет предметы, придает им удивительные качества.
Эта способность высокой температуры была использована и при выполнении рисунка толстопленочных микросхем, при его окончательном формировании, закреплении и обеспечении необходимых физических и электрических свойств. В результате термической обработки нанесенные на подложку пасты вначале сушат. Если из гончарных изделий при сушке удаляется вода, с добавлением которой глина способна приобретать необходимую форму, то при сушке паст из них выделяется жидкая органическая составляющая, от которой зависят, как вы помните, вязкость и текучесть пасты. Но сушка — это не окончательный, а начальный этап
температурного воздействия. После нее на солнце глиняный кувшин сохраняет форму, но не в состоянии удерживать воду. Такая, например, чашка быстро намокает и расползается. Точно так же и с элементами толстопленочной микросхемы. После сушки паста сохраняет форму, заданную в результате трафаретной печати, но легко отслаивается и пока не имеет нужных электрических свойств (проводягцих, резистивных, диэлектрических) .Сушке обычно предшествует выдержка подложек с нанесенной пастой при комнатной температуре в течение 5...15 мин для выравнивания поверхностного слоя пленки и устранения отпечатка ячеек сетки. В зависимости от типа паст сушка продолжается 5... 20 мин при температуре 100...200 ℃, что вы и видите на цветной вклейке V, где показаны кривые термообработки двух видов паст: для проводников и резисторов. Эта стадия термообработки проводится при замедленном увеличении температуры от комнатной до 200 ℃, так как при форсированном (ускоренном) режиме нагрева возможны быстрое испарение жидкой органической связки, создание больших упругостей пара, возникновение давления внутри пленки, приводящее к ее растрескиванию. Для такой термообработки применяют специальные печи с постоянной скоростью перемещения подложек на конвейере через все зоны термического воздействия. При этом температуры в этих зонах печи остаются постоянными и каждой точке соответствует своя вполне определенная температура. Как это видно из графика (см. цветную вклейку V), подложка с пастой должна постепенно нагреться от комнатной температуры до максимально необходимой и вновь охладиться до комнатной. В любом случае сушка начинается с поверхности, на которой быстро образуется корка подсушенной пасты, затрудняющая выход паров органики и приводящая к вспучиванию и отслаиванию пленки. Это недостаток термической обработки.
В последние годы для сушки широко используют инфракрасные лучи с длиной волны более 5 мкм. Обладая высокой проникающей способностью, инфракрасные лучи проходят через слой пасты и нагревают подложку. Корка не образуется, так как пленка сушится изнутри, повышается качество элементов и уменьшается число бракованных микросхем.
Вжигание (обжиг) паст осуществляется в две стадии и является одной из ответственных операций, от ре*и-
ма которой (время и температура вжигания, скорость перемещения подложек, среда вжигания и т. п.) зависят параметры толстопленочных элементов, их воспроизводимость, стабильность и надежность в рабочих условиях,
В первой фазе вжигания при температуре 300...400 ℃ окончательно удаляется органическая связка и остатки ее выгорают. Как и на предыдущей стадии, очень важно, как быстро увеличивается температура. Чтобы не происходило быстрого испарения и не образовывались пузырьки, разрывающие пленку, скорость увеличения температуры должна составлять не более 20 градусов в минуту.
Не менее важна (особенно для резистивных паст) вторая фаза вжигания, в результате которой стеклянный порошок расплавляется, смачивает частицы наполнителя (порошка, определяющего свойства пасты) и поверхность подложки. В зависимости от среды вжигания (воздух, аргон) происходит окисление наполнителя, и порошки спекаются. Напечатанные части элементов приобретают прочность и необходимые электрофизические свойства. Если на первой фазе вжигания температура не очень важна и точность ее регулирования может быть невысокой, то на данном этапе отклонение от заданной температуры не должно быть более 士 1 ℃. Химические реакции, определяющие окончательный состав пленки и ее характеристики, протекают со скоростью, которая удваивается при повышении температуры на каждые десять градусов.
Все химические процессы могут контролироваться и регулироваться в широких пределах путем изменения состава газовой среды печи. Воздух сам по себе является хорошим окислителем, и состав его довольно стабилен. Но очень важно, чтобы газы, выделяющиеся при выгорании связующих веществ, удалялись из системы, не влияя на процесс обжига пленок. Например, водород может взаимодействовать с оксидами металлов, восстанавливая их до металлов, увеличивая проводимость и уменьшая сопротивление образующих пленок, А это не всегда нужно! По этой же причине необходимо контролировать и влажность атмосферы. Избыток влаги, наоборот, способствует более быстрому окислению.
Заключительная стадия вжигания — это медленное охлаждение, необходимое для формирования бездефектных и ненапряженных пленок. Как и в случае тонких пленок, возникающие в результате быстрого
охлаждения напряжения приводят к деформации структур, растрескиванию и отслаиванию пленок.
Современные печи для вжигания пленок имеют длину 3...14 м и состоят из 3...8 зон плавного регулиро* вания процесса. При этом температуру контролируют и регулируют как по длине печи, так и по ее сечению.
Однако даже при очень хорошо отработанной техно^ логии изготовления толстопленочные резисторы после обжига имеют разброс сопротивлений до 土 (10...20) %, что в ряде случаев нас не устраивает. Следовательно, не менее важной операцией в производстве толстопленочных ГИС является подгонка элементов, о которой говорилось в главе III.
ВОЗМОЖНЫ ВАРИАНТЫ ...
Значительные успехи, достигнутые в последние годы в области синтеза сложных химических соединений, исследований и практического применения элементоорганических соединений (ЭОС), открывают широкие возможности для их использования в микроэлектронике. Современная химия обеспечивает синтез органических соединений почти всех элементов пери о дичес кой системы Д. И. Менделеева, что позволяет получать металлические, полупроводниковые и диэлектрические пленки, используемые в производстве активных и пассивных элементов микросхем.
Одним из наиболее распространенных методов изготовления таких пленок является пиролиз (от греческих слов руг — огонь и lysis — разложение), основанный на термическом разложении ЭОС. Например, нагревая изопропилат алюминия А1(ОСзН7)з до температуры 450 ℃, можно получить диэлектрическую пленку оксида алюминия：
2А1(ОС3Н7)з = А12Оз + 6СзНб + ЗН2О. (15)
Аналогичным способом получают металлические пленки из металлоорганических соединений (МОС).
Таким образом, одним из компонентов пасты может быть ЭОС (или МОС) в смеси с органическим связующим. При вжигании происходит разложение ЭОС с выделением необходимой металлической, полупроводниковой или диэлектрической составляющих. Этот метод позволяет в ряде случаев исключить приготовление заранее тонкодисперсных порошков для создания необ-
ходимых композиций, кроме того, применение ЭОС дает возможность изготовить плотные, высокого качсст- ва пленки с точным дозированием компонентов.
Одним из ограничений использования толсто пленочной технологии является уменьшение точности изготовления рисунка микросхемы из-за растекания паст после их нанесения через трафарет. Применение традиционной фото лит огра фии, с которой вы познакомились во второй главе, в некоторой мере улучшает положение, но не намного. Травление термообработанной пленки через фоторезистивную маску не позволяет получить точный и ровный край элемента, так как после вжигания в пленке присутствуют основной компонент и стеклянная связка, которые травятся одним и тем же химическим реактивом с разной скоростью.
Выход из создавшегося положения был найден введением в пасты специальных с вет очувс твительных добавок. Это дало возможность повысить точность изготовления элементов за счет исключения трафаретов сложной геометрической формы и применения фотолитографии.
После нанесения пасты отпечаток подсушивается для удаления растворителей, затем проводят операцию экспонирования. При экспонировании в ультрафиолетовом свете светочувствительные соединения полимеризуются, а проэкспонированные участки становятся нерастворимыми в органических растворителях. Затем следует операция проявления, смывания неэкспонированных участков. После проявления во избежание размягчения экспонированного участка проводят сушку на воздухе. Процесс обработки завершается обжигом пленки на воздухе при температуре 800...900 ℃.
Эти и другие нетрадиционные для толстопленочной технологии материалы и методы позволяют ей вплотную приблизиться к тонкопленочной технологии по точности изготовления. В сочетании с относительно низкой стоимостью, малыми сроками разработки и выпуска, универсальностью применения и высокой надежностью новые перспективные материалы и технологические приемы обеспечат большое будущее толстопленочным гибридным интегральным микросхемам.
Эта сложная работа была выполнена. Результатом явились микро миниатю- ризованные изделия высокого качества.
А. В. Кириллин
Глава V
СБОРКА МИКРОСХЕМ
И
так, мы познакомились с технологическими процессами изготовления различных типов интегральных микросхем. Процесс формирования их близок к завершению. Не хватает заключительных операций, которые позволили бы представить микросхему как вполне законченное самостоятельное изделие. Именно этому и посвящена настоящая глава, из которой вы узнаете о том, как разрезают пластины на кристаллы и подложки на платы, о способах крепления и соединения составных частей микросхемы, защите их от внешних воздействий, надежности и необходимости испытаний.
СКРАЙБИРОВАНИЕ ! ЧТО ЭТО?
Как известно, интегрально-групповой метод изготовления микросхем позволяет одновременно в едином технологическом процессе и на одной подложке или пластине изготовить десятки и сотни плат или кристаллов, включающих сотни и тысячи элементов. Каждую из таких плат или кристаллов необходимо выделить, для чего подложки и пластины следует разрезать (распилить) на составные части.
Этой операции предшествует контроль электрических параметров элементов микросхем, сформированных на пластине (подложке). Невольно возникает вопрос: а можно ли сотни, тысячи и десятки тысяч элементов проконтролировать с достаточной точностью и быстро? Разумеется, вручную это практически невозможно. Мало помогают и специальные линзы, увеличивающие размеры элементов в поле зрения.
Глаза контролеров быстро устают, точность измерений падает, А ведь речь идет об огромном количестве элементов микронных размеров! Как же быть? Выручает автоматическая установка многозондового контроля. Зондом, как вы, вероятно, знаете, называют металлический щуп — острие, соединенное с прибором, замеряющим электрические параметры (сопротивление, ток, напряжение). Контролируемую заготовку с помощью вакуумного держателя (см. цветную вклейку VI) закрепляют на предметном столике под зондовой и маркировочной головками. Количество зондов может достигать шестидесяти и более штук, одновременно контролирующих электрические параметры. В случае выявления брака по сигналу с контрольной аппаратуры маркировочная головка ставит метку краской определенного цвета на негодную микросхему. Предметный столик автоматически в соответствии с заданной программой измерений сначала перемещается на установленный шаг по горизонтали, а после завершения измерений в первой строке ——по вертикали и таким образом оказывается на второй строке. Перед началом очередного перемещения предметный столик опускается и пластина отводится от зондов. Завершив перемещение, столик поднимается, обеспечивая тем самым контакт зондов со следующей микросхемой. Производительность современных автоматов разбраковки микросхем составляет 12 тыс. и более штук в час.
Разделение полупроводниковых пластин на кристаллы и подложек из стекла и ситалла на платы выполняют различными методами, один из которых ——скрайбирование. Вам, вероятно, приходилось видеть, как стекольщик вырезает стекло необходимого размера. Вначале алмазным резцом по линейке он наносит на поверхности стекла риску, после чего быстрым движением отламывает пластинку. Разламывание стекла происходит точно по риске, что вполне естественно, так как именно в данном месте возникли микротрещинки, уходящие в глубь стекла. Именно здесь наибольшая концентрация дефектов и, следовательно, самая низкая прочность. Это и есть скрайбирование. Только риски шириной 20...40 мкм и глубиной 10...15 мкм выполняются алмазным резцом не вручную, а на специальных автоматических установках с вакуумным закреплением пластин, точной установкой резца, дозированной нагрузкой и перемещением резца в двух
взаимно перпендикулярных направлениях. Затем пластину (подложку) разламывают на кристаллы (платы) по линиям скрайбирования. Делается это либо вручную, пропуская заготовку через резиновые валики, либо на специальном устройстве машинным способом, для чего пластины или подложки укладывают рисками вниз на резиновую подушку и валиком последовательно прокатывают пластины в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Именно так пластины вначале разламываются на полоски, а затем на отдельные прямоугольники или квадраты. Бракованные микросхемы с соответствующей цветной меткой отсортировываются и на сборку не поступают.
Механическое скрайбирование — достаточно экономичный метод, позволяющий эффективно использовать площадь заготовки. Он характеризуется высокой производительностью и быстрой переналадкой оборудования с одного размера кристалла (платы) на другой. Однако точность геометрических размеров изделий после разламывания относительно невысока, так как получается неровный край с зазубринами и сколами. Качество ломки зависит от соотношения между шириной и толщиной кристалла (платы), которое должно быть 6:1, минимум 4:1. Если же толщина пластины становится соизмеримой с шириной (длиной) кристалла, то разламывание пластины после скрайбирования происходит в произвольном направлении. Последнее обстоятельство особенно важно, так как переход к производству СБИС и пластинам диаметром 150 мм и более требует применения пластин толщиной более 200...400 мкм. Чтобы разделить такие пластины, необходимо предварительно создать более глубокие риски, а это связано с увеличением нагрузки на резец и снижением его стойкости, увеличением числа дефектов в зоне рисок, потерей полезной площади пластины и повышением брака на данной операции. Использование пластин больших диаметров и толщин потребовало применения немеханических способов разделения. Например, лазерный луч, сфокусированный до пятна диаметром 25 мкм и работающий в режиме «гиперболоида инженера Гарина» (большая мощность импульсов при высокой частоте их следования), позволяет значительно улучшить качество резания пластины и в несколько раз повысить скорость их разделения. Многократные проходы по линии разреза позволяют пол-
ностью разделить пластины на кристаллы. Этот метод успешно применяют и для разделения керамических подложек толстопленочных микросхем.
Пластину или подложку можно разделить на составные части еще и алмазным диском. Этот способ применяется для резки пластин, толщина которых не позволяет производить скрайбирование, а также заготовок из особо прочных материалов. Так разрезают полупроводниковые материалы из карбида кремния SiC, керамические подложки толстопленочных ГИС, отличающиеся высокой твердостью и неровным сколом. Если на общей оси закрепить несколько дисков на определенном расстоянии друг от друга, то возможно получение большого числа параллельных разрезов с достаточно высокой точностью. Обычно имеют два набора дисков для резки во взаимно перпендикулярных направлениях. Этот метод требует прочного закрепления заготовки на предметном столике с помощью специальной мастики, для сушки которой необходим нагрев в течение определенного времени.
Перспективен метод скоростной резки одиночным алмазным диском, где пластину можно достаточно быстро закрепить на вакуумном столике, скорость перемещения которого 50...250 мм/с, число оборотов диска — 50 тыс. об/мин.
Существует ряд и других способов разделения пластин и подложек, не только оригинальных, но и нужных для микроэлектроники. Основаны они либо на физических явлениях (например, воздействие ультразвука), либо на химических. Более подробно читатель может узнать о них из специальной технической литературы.
ПРОДОЛЖАЕМ СБОРКУ МИКРОСХЕМ
Как следует из предыдущих разделов, основные электрические параметры элементов определяются характеристиками р — л-переходов (в полупроводниковых микросхемах), а также свойствами резистивных полосок и конденсаторных структур в гибридных интегральных микросхемах. Чтобы р—л-переходы, слои и структуры превратились в соответствующие элементы —— транзисторы, диоды, резисторы, конденсаторы, необходимо присоединить к ним металлические проводники —— выводы (гибкие и жесткие), посредством которых они могут быть включены в электрическую цепь-
Применительно к микросхемам выводом называют проводник, соединенный с контактной площадкой кристалла или платы и предназначенный не только для соединения их с внешними электрическими цепями, но и для механического крепления (см. цветную вклейку VI).
Гибкие выводы (проволочные, балочные) применяются только для электрического соединения, а для механического крепления необходимы жесткие выводы: шариковые, в виде выступов и др.
При микроконтактировании выводов необходимо, чтобы прочность соединения была не менее 75 % прочности проводников. Материалы и режимы микроконтактирования (температура, давление, время) должны обеспечивать минимальное сопротивление самого контакта (элемент и проводник). Иными словами, на месте микроконтактирования не должно быть повышенного сопротивления, перегрева и создания условий для выхода из строя микросхемы за счет образования сплавов и соединений с иными свойствами. Параметры процесса микроконтактирования важно соблюдать еще и потому, что длительное, например, температурное воздействие окажет нежелательное влияние не только на микроконтакт, но и на близлежащие элементы микросхемы. Большое соотношение микроконтактирующих толщин материалов усложняет положение. Так, толщина контактных площадок в зависимости от материала (золото, медь, алюминий) находится в пределах 0,6..,2 мкм, а выводы компонентов и проводники из тех же материалов имеют толщину от 25 до 150 мкм, т. е. соотношение составляет 1:10 и даже 1:250. Это приводит к тому, что температура и время разогрева при сварке или пайке, вполне достаточные для тонкой контактной площадки, абсолютно недостаточны для толстого проводника. В итоге имеем непрочное и ненадежное соединение. Если же ориентироваться на проводник, то из-за перегрева контактная площадка перегорит или растворится в припое. И к сожалению, это вполне реальная картина, определяющая надежность микросхем. Наибольшее число отказов микросхем связано с микроконтактированием. Получается замкнутый круг?
Ничего подобного! Наших знаний в области физики, химии, материаловедения и других наук вполне достаточно для грамотного определения и правильного вы-
бора методов, режимов н материалов при микроконтактировании.
В технологии изготовления микросхем основными методами присоединения являются пайка и микросварка.
Пайкой называется процесс соединения материалов путем введения между ними в расплавленном состоянии сплава, называемого припоем. Сами материалы не подвергаются расплавлению, а лишь нагреваются до температуры плавления припоя, при которой он, растекаясь, смачивает соединенные поверхности, заполняет зазоры между ними и сцепляет их при кристаллизации. Образование паяных соединений характеризуется растворением основного металла в жидком припое и взаимной диффузией металлов. При этом возможно образование химического соединения.
Учитывая малую толщину и объем пленки, а также относительно слабую адгезию, целесообразно применять припои, практически не растворяющие пленку металла, не вступающие в химическое взаимодействие, но хорошо смачивающие контактную площадку.
В микросхемах в основном используют припои на основе олова и свинца. Добавки сурьмы и серебра снижают взаимное растворение металлов.
Для улучшения смачивания поверхности соединяемых припоем материалов, удаления с этих поверхностей загрязнений, оксидных пленок и для защиты их от окисления применяют флюсы, состоящие из канифоли и этилового спирта.
Основное преимущество пайки заключается в том, что в отсутствие плавления металлов и относительно низкого их нагрева при пайке обеспечивается неизменность их химического состава, сохранение структуры и механических свойств.
Однако пайку выводов и перемычек применяют далеко не для всех материалов микроэлектроники. Чаще всего пайку используют, когда дело имеют с золотом, медью, серебром, никелем, так как они хорошо смачиваются низкотемпературными припоями (до 450 ℃). Сложность дозировамной подачи припоя и значительные размеры контактных площадок также ограничивают применение пайки.
Наибольшее распространение в микроконтактировании получила сварка, при которой неразъемное соединение двух материалов получают локальным сплавле-
нием (сварка плавлением) или совместным деформированием (сварка давлением). В результате возникают прочные связи между атомами соединяемых тел. Более широкое применение нашла сварка давлением, так как в отличие от плавления при этом методе отсутствуют сильный местный нагрев, образование химических соединений и ухудшение адгезии тонких пленок. Возможность управления параметрами технологического процесса (температурой, силой давления соединяемых деталей, временем, средой), его механизация и автоматизация, высокое качество соединения позволили сварке давлением занять главенствующее положение в микроэлектронике.
В зависимости от материала вывода и контактной площадки, а также конструктивных особенностей микросхемы применяют следующие виды сварки материалов.
Термокомпрессионная сварка существует в нескольких вариантах, один из которых представлен на цветной вклейке VII. В результате подогрева и сжатия соединяемых поверхностей возникает пластическая деформация в зоне контакта. Пластической деформацией называют необратимое изменение формы материала под воздействием внешних сил без изменения массы. При такой деформации адсорбированные газы и поверхностные загрязнения вытесняются из контактной зоны. На чистых поверхностях оказывается возможным электронное вз аим о действие соединяемых материалов, т. е. образование межатомных связей. Взаимная диффузия материалов и образование сплава в переходной области от одного металла к другому способствуют получению прочного соединения. Термокомпрессионная сварка осуществляется при температуре 300...400 ℃, что ниже температуры плавления металлов и образования легкоплавких соединений (эвтектика). Давление, при котором инструмент деформирует проволоку на 25...75 % после ее нагрева, обычно составляет 100 МПа. Время выдержки различных пар свариваемых материалов под давлением при заданной температуре составляет 0,5...10 с. В качестве материала инструмента используют износо- и нагревостойкие твердые сплавы, нержавеющие стали, оксиды бериллия, синтетический корунд. Таким образом к контактным площадкам из золота, меди, никеля и алюминия хорошо привариваются выводы из золота, несколько хуже ——из алюми-
ния. Медные проводники к названным материалам практически не привариваются, так как пластичность меди при данных режимах сварки низкая. Необходима более строгая локализация нагрева в зоне сварки.
Метод, предусматривающий разогрев в момент сварки импульсом тока, проходящего через инструмент, называется сваркой косвенным импульсным нагревом. Специальная F-образная форма инструмента (см. цветную вклейку VII) позволяет сосредоточить выде/т兄ю・ щуюся теплоту на его торцевой части (жале электрода), увеличить пластичность выводов материала, локально де формир овать их и образовать прочное соединение. При сварке косвенным импульсным нагревом процесс взаимного проникновения свариваемых материалов (диффузия) играет не менее существенную роль, чем при термокомпрессии. В зависимости от материала контактной площадки и вывода давление инструмента составляет 30...200 МПа, температура 300...650 ℃, длительность импульса 0,1...1,0 с, степень деформации проводника достигает 50...70 %, толщина его в месте сварки уменьшается, но площадь контакта увеличивается. Инструмент, изготовленный из твердосплавных материалов на основе вольфрама, молибдена, и других металлов, позволяет выполнить 40...50 тыс. сварных точек. Таким способом можно сваривать все названные выше металлы, кроме пары алюминий — алюминий. Дело в том, что на поверхности алюминия практически всегда образуется тонкая, но очень прочная пленка оксида алюминия (AI2O3), препятствующая созданию надежного контакта и образованию сварного соединения.
И снова вопросы: как быть? Как выйти из этого затруднительного положения, тем более что алюминий, как известно, из-за хороших электрофизических параметров, радиационной стойкости и других свойств весьма пригоден для микроэлектронных изделий? Ответ был найден с изобретением ультразвуковой сварки.
При ультразвуковой сварке (см. цветную вклейку VII) инструмент из металлокерамического сплава или карбида титана (TiC) давлением 20..Л50 Н/мм2 прижимают к свариваемым материалам. От преобразователя через волновод электрические колебания передаются инструменту и трасформируются (преобразуются, превращаются) в механические колебания вдоль
свариваемой поверхности. Под действием продольных ультразвуковых колебаний на частоте 20...60 кГц и с амплитудой 0,5...5 мкм стираются и срезаются микронеровности свариваемых поверхностей, оксидная пленка разрушается и трение приводит к интенсивному выделению тепла в зоне контакта. Температура сварки составляет 0,3,..0,5 от температуры плавления металлов и позволяет менее чем за одну секунду перевести их в пластическое состояние и сварить. Сварка разнообразных материалов (даже диэлектриков), резко отличающихся по толщине, и при этом невысокие требования к чистоте свариваемых материалов, а также отсутствие структурных изменений в зоне сварки за счет незначительного локального перегрева открывают большие перспективы данному методу.
Особенностью сборки кристаллов с шариковыми, столбчатыми, балочными выводами и контактными выступами является монтаж их в перевернутом виде, т. е. рабочей стороной кристалла к подложке (см. цветную вклейку VI). Это создает определенные трудности при ориентации кристаллов и совмещении их контактных площадок с контактными площадками подложки. Специальные оптические системы позволяют выполнять данную операцию с большой точностью (±0,015 мм). Малые размеры выводов (20... 180 мкм) и контактных площадок (250 X 250 мкм) делают практически невозможной индивидуальную микросварку или пайку. Наиболее приемлем групповой монтаж, при котором осуществляется одновременное присоединение всех выводов. Автоматы со специальным инструментом позволяют микроконтактировать до четырехсот штук в час, что в 20 раз производительнее обычных методов индивидуальной пайки и сварки.
Р ассмотренные способы микроконтактирования являются основными среди большого разнообразия методов, применяемых в микроэлектронике.
БЕЗ ОКОН И ДВЕРЕЙ...
Изготовленные таким образом микросхемы носят название бескорпусных интегральных микросхем. Для защиты от внешних воздействий (механических, грязи и пыли, влаги, температуры и др.), а также для надежного механического и электрического присоединения при монтаже радиоэлектронной аппаратуры микро
схемы должны быть помещены в специальные защитные оболочки. Иными словами, необходима герметизация микросхем.
Самый простой, дешевый и производительный метод герметизации — заливка компаундом (изоляционным материалом на основе эпоксидных или кремнийорга- нических смол, полиэфиров и полисульфидов). Низкие влагостойкость, теплопроводность и механическая прочность ограничивают применение такого вида защиты.
Несколько лучшими свойствами обладает пластмассовый корпус (см. цветную вклейку VIII), состоящий из пластмассового основания с металлическими выводами, к которому приваривается или приклеивается крышка из пластмассы. Однако значительное различие в температурных коэффициентах линейного расширения (ТКЛР) пластмассы и металла способствует проникновению влаги вдоль границы металл — полимер и не позволяет надежно герметизировать выводы и микросхему.
Так как металлы и керамика имеют влагопрони- цаемость во много раз меньше, чем полимеры, то были предложены конструкции металлостеклянных и металлокерамических корпусов (цветная вклейка VIII).
Металлостеклянный корпус имеет металлическое основание и крышку, а изоляция выводов от основания осуществляется пайкой стеклом с ТКЛР, близким к ТКЛР металла. Наиболее удовлетворительно согласуются, например, железоникелевомедные сплавы и стекла с температурой размягчения 530...550 ℃.
Металлокерамический корпус представляет собой керамическое основание с выводами и металлическую крышку. Так как из-за высокой температуры спекания керамики невозможно армировать ее металлическими выводами, последние впаивают в пазы керамического основания с помощью стекла. Точно так же стеклом припаивают к бортику основания металлическую рамку, необходимую для пайки или приварки крышки. В корпусах чаще других используют керамику на основе оксида алюминия.
Другие виды корпусов (металлополимерные, стеклянные, керамические) являются фактически разновидностями перечисленных. Их применение зависит от типа микросхем и условий эксплуатации.
Полупроводниковые кристаллы и диэлектрические платы после резки, химической обработки и перед
присоединением выводов необходимо закрепить на основании корпуса. Будучи достаточно простым, метод крепления должен обеспечивать воспроизводимость параметров и облегчать процесс последующего присоединения выводов без значительных механических и термических воздействий* Для этих целей наиболее часто применяют пайку, приклеивание, закрепление стеклом. Очень важны для присоединительного слоя (металла, клея, стекла) эффективный отвод тепла, выделяемого микросхемой в процессе работы, хорошее согласование по ТКЛР с материалом корпуса, стойкость к динамическим нагрузкам (вибрации, ударам и т. п.), электропроводность.
Пайка металлическими сплавами обеспечивает высокую тепло- и электропроводность, механическую прочность, хорошее согласование по ТКЛР. Она чаще применяется для монтажа полупроводниковых кристаллов. Не исключено присоединение этим методом плат из керамики и ситалла с предварительно металлизированной обратной поверхностью.
Пайкой стеклом закрепляют в основном керамические, ситалловые и другие платы из оксидов металлов и их смесей* Согласование таких плат по ТКЛР со стеклом, представляющим также смесь оксидов, обеспечивает отличную адгезию, прочность и надежность соединения.
Приклеивание материалов дает возможность соединять самые разнообразные материалы в различных сочетаниях, но используется в основном для микросхем и компонентов пониженной мощности. Отличаясь простотой изготовления, вместе с тем клеевые соединения (особенно на основе эпоксидных смол) имеют пониженную теплопроводность и высокий ТКЛР, что приводит к возникновению внутренних напряжений. В определенной мере эти недостатки могут быть уменьшены введением в клей металлических порошков (наполнителей ).
ДОВЕРЯЙ, НО ПРОВЕРЯЙ
Познакомившись с полным технологическим циклом изготовления полупроводниковых и гибридных микросхем, будем считать, что в наших руках законченное изделие с вполне определенными характеристиками и функциональными возможностями. Означает ли это,
что его можно рекомендовать для повсеместного применения? Одинаково ли надежно будет оно работать в стационарной (неподвижной, постоянной) радиоэлектронной аппаратуре и на самолете в условиях вибрации, при высокой (100 и более градусов) и низкой температуре, в абсолютно сухом воздухе и в условиях 100 %-ной влажности? А морской туман с большим количеством соли, солнечная радиация, различные микроорганизмы и другие факторы, которые в той или иной степени могут» вероятно, повлиять на работу микроэлектронной аппаратуры, на выход ее из строя. Но как и когда это произойдет? Следует ли подобные факторы учитывать или нет? Ответ может быть получен только в результате проверки и испытаний микросхем на работоспособность в соответствующих условиях.
И здесь нет ничего удивительного и необыкновенного. Например, с течением времени организм человека начинает болезненно реагировать на внешние воздействия —переохлаждение, перегрев, изменение влажности и др. Картина художника (например, «Ночь на Днепре», А. И. Куинджи), потеряв первоначальную сочность красок, производит меньшее впечатление на зрителя. В телевизионном приемнике со временем ухудшается качество звука и изображения. Появляются сбои в работе и отказы, представляющие собой изменения физико-химического состояния системы из-за химических реакций или фазовых превращений в объеме и на поверхности. При этом параметры аппаратуры существенно меняются, выходя за пределы заданных значений.
Внешние воздействия (факторы) можно условно разделить на две основные группы: механические и климатические. Механические факторы характеризуются ускорением, частотой и амплитудой вибрации, длительностью удара и др. Следует заметить, что если с такой физической величиной, как ускорение, вы давно знакомы, то с постоянным ускорением, вибрационным и ударным встречаетесь впервые. Но не сказать о них нельзя, так как эти ускорения влияют на работу микросхем. Постоянное ускорение возникает при плавном разгоне, поворотах и торможении транспорта и равно оно ускорению свободного падения тела, т. е. g= 9,816 м/с2. Вибрационное появляется при колебаниях, вызванных работой двигателя, винта
судна, ездой по булыжной мостовой, и может достигать 5... 10 g. Ударное ускорение возникает во время резкого изменения скорости или при соударении и имеет импульсный характер. Таким воздействиям подвергается, например, аппаратура в железнодорожных поездах вследствие колебаний вагонов, их толчков на стыках рельсов и резкого торможения. Максимальные ударные ускорения могут достигать 10...20 g.
Все эти воздействия, как показывает практика, оказывают различное влияние на целостность электронной аппаратуры и микросхем. Так, вибрации вызывают короткие замыкания и обрывы в электрических цепях, разгерметизацию, нарушение сварных и паяных соединений. Н аиболее опасен резонанс, когда частота собственных колебаний элементов аппаратуры совпадает с частотой внешней вибрации и ускорение увеличивается в несколько раз. Под действием удара могут растрескиваться кристаллы полупроводника, платы, стеклянные изоляторы в корпусах, обрываться внутренние проволочные соединения и др.
Климата чес кие факторы определяются особенностями тех или иных климатических зон земного шара. Выделяют зоны сухого, тропического, холодного, морского и высотного климата. Например, в Африке и Иране температура меняется от +60° днем до ——10 ℃ ночью при низкой влажности, повышенном ультрафиолетовом воздействии, обилии песка и пыли. В тропиках количество осадков достигает 1500 мм в год, относительная влажность составляет 98...100%. Для морского климата характерны повышенная влажность, обилие дождей, тумана, соляная водяная пыль, способствующая интенсивной коррозии. Низкие температуры, достигающие в северных районах ——80 ℃, ухудшают условия работы микроэлектронной аппаратуры. Верхние слои атмосферы и космического пространства характеризуются глубоким вакуумом, низкой температурой (до —55 ℃) и значительными ее перепадами, что приводит к разрушению изоляции и изделий из пластмассы. Нарушаются паяные соединения, возможны отказы в электрическом монтаже.
Влага, создавая на аппаратуре пленку и загрязняя ее, создает повышенную электропроводность, становится электролитом и может вызвать короткие замыкания. Попадая между двумя различными металлами, электролит образует гальваническую пару, возникает
электрический ток, способствующий ускорению коррозии металлов. Поскольку диаметр молекул воды составляет 0,0003 мкм, влага способна проникать через микропоры, микротрещины и даже через достаточно плотную пленку защитного компаунда или пластмассового корпуса. В условиях повышенных температур и электрических нагрузок эта влага внутри корпуса на поверхности плзты или кристзлла химически взаимодействует с материалами элементов микросхемы, образуя концентрированный раствор солей. Так как с внешней стороны корпуса раствор менее концентрирован и практически имеет чистый растворитель, т. е. воду, а внутри корпуса раствор более концентрирован, возникают условия, благоприятные для осмоса — проникновения воды под защитную пленку. В результате под пленкой возникает значительное давление, приводящее к ее вспучиванию и отслаиванию. Чтобы картина была более ясной, представим сосуд, объем которого разделен полупроницаемой пленочной перегородкой (цветная вклейка VIII). Под пленкой находится концентрированный раствор соли, над ней ——чистая вода. В целом система неравновесная, так как концентрация (с?) соли в растворе гораздо больше, чем в чистой воде (ci). Система стремится к равновесию, и вода из верхней части будет просачиваться через перегородку в нижнюю, стараясь тем самым уменьшить концентрацию соли под пленкой. В результате объем верхнего раствора будет уменьшаться, а нижнего увеличиваться, создавая давление на пленку и выгибая ее вверх.
Воздействие солнечной радиации приводит к химическому разложению пластмасс, их растрескиванию, ухудшению электрических и механических свойств синтетических материалов. Плесень способствует поглощению влаги и адсорбирует ее. В запыленной аппаратуре возникают утечки тока, снижается сопротивление изоляции и т. д.
Таким образом, для микросхем оказывается очень важной оценка поведения их в различных условиях до того момента, когда они будут включены в состав аппаратуры. Иными словами, очень необходимы заранее спланированные испытания микросхем с учетом условий их дальнейшей эксплуатации. Так, механические испытания предусматривают обнаружение резонансных частот, проверку на виброустойчивость и вибропрочность, устойчивость к воздействию одиночных ударов.
центробежных нагрузок, акустических шумов. К климатическим относятся испытания на тепло- и холодоустойчивость при эксплуатации и транспортировке, воздействие смены температур, влагоустойчивость, воздействие инея, солнечной радиации, соляного тумана, грибоустойчивость и водонепроницаемость. Т акому достаточно сложному и трудоемкому комплексу испытаний подвергают микросхемы после их изготовления. По результатам испытаний дорабатывают конструкцию микросхемы, пересматривают применяемые материалы, корректируют технологию изготовления, сборки, монтажа и герметизации.
Также очень важно не только знать условия, допустимые для работы микросхем, но и оценить их способность выполнять определенные функции, сохраняя необходимые значения в условиях эксплуатации, хранения, транспортировки, т. е. то, что называют надежностью микросхем.
После оценки качества и надежности микросхемы на нее заполняется паспорт, в котором оговариваются функциовальные возможности, предельно допустимые значения параметров и условия эксплуатации. На этом технологический процесс производства завершается. Рождение микросхемы состоялось!
Вместо заключения
И
так, завершается наш разговор о микросхемах и методах их изготовления. Возможно, временами кому-то он казался излишне подробным и утомительным, требовал внимания и сосредоточенности, но иначе и нельзя. Микросхемы ——дело важное, нужное, весьма ответственное и не терпит несерьезного, поверхностного отношения к себе. Одно несомненно: если вы набрались терпения и прочли книгу до конца, перед вами открылся мир интересных и подчас сложных явлений, без которых немыслима современная микроэлектроника. Если же возникли интерес и желание посвятить себя микроэлектронике, микросхемам и технологии их производства, автор считает свою задачу выполненной и будет рад узнать об этом из ваших писем.
Тем, кто хотел бы получить специальность в областях, о которых говорилось в книге, советую продолжить обучение в профессионально-техническом училище, техникуме, институте. Теперь вам гораздо
проще ориентироваться в специальностях, перечень которых можно найти в справочниках «Куда пойти учиться?» для ПТУ, техникумов и вузов.
Например, чтобы стать квалифицированным рабо- чиму лучше всего поступить в техническое училище, окончив которое можно получить 2...3-Й разряд по любой из приведенных ниже специальностей:
С крайбировщик пластин.
Сортировщик приборов, узлов, пластин и кристаллов.
Шлифовщик по прецизионной обработке полупроводниковых материалов.
_ Оператор ва куумно-напылительных процессов.
Оператор диффузионных процессов.
Оператор по наращиванию эпитаксиальных пленок.
Координатографист прецизионной фотолитографии.
Фотограф прецизионной фотолитографии.
Эмульсировщик прецизионной фотолитографии.
Сборщик микросхем.
Сборщик полупроводниковых приборов,
Сварщик полупроводниковых приборов и микросхем.
Измеритель электрофизических свойств полупроводниковых приборов, микросхем, микромодулей и квантовых приборов,
Испытатель деталей и приборов электронной техники.
Н аладчик-монтажник испытательного оборудования полупроводникового производства.
Не менее многочисленный отряд специалистов нашего народного хозяйства представляют воспитанники средних специальных учебных заведений ——техникумов. Из их числа выросли известные всей стране новаторы и организаторы производства, Герои Социалистического Труда, лауреаты Ленинской и Государственной премий. Первый космонавт мира Ю. А. Гагарин, окончивший техникум в Саратове, б своей книге «Дорога в космос» писал: «Техникум был и для меня, и для всех комсомольцев не только школой знаний, но и замечательной школой жизни».
Вопросы, на которых я остановился в настоящей книге, не остануться вне ваших интересов, если поступите в техникум по специальное тям: производство микроэлектронных устройств, производство полупроводниковых приборов, радиоаппаратостроение, электронные вычислительные машины, приборы и радиоустройства и др.
Если же вы твердо решили получить высшее образование по микроэлектронике и поступить в высшее учебное заведение (институт), советую обратить внимание на специальности: полупроводники и диэлектрики, полупроводниковые и микроэлектронные приборы, промышленная электроника, физическая электроника, радиофизика и электроника, конструирование и производство радиоаппаратуры, конструирование и производство электронно-вычислительной аппаратуры, электронные приборы.
Дорог и путей в жизни много, но важно всегда и везде помнить главное, что «...только труд всему основа, честный труд людской». Что же касается специальностей, как сказал В. В. Маяковский: «...Все работы хороши, выбирай на вкус!» Ищите, дерзайте!
Удачи вам, друзья!
ОГЛАВЛЕНИЕ
От автора
3
Глава первая
ЭЛЕКТРОН, ЭЛЕКТРОНИКА,МИКРОЭЛЕКТРОНИКА...
4
В ту давнюю пору... (4). Легенда выдержала проверкуопытом (6). Электроника вчера и сегодня (8).Микросхемы, микросхемы... (14).
Г ла в а в т ора*
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ИНТЕГРАЛЬНЫЕ
МИКРОСХЕМЫ
20
Самые компактные, самые... (20). А как их делают? (22). И снова — оксид кремния (28). Рисунок на камне (33). Еще один шаг (40). Зачем надстраивают кристаллическую структуру? (46). Начало начал (50).
Глава третья
ТОНКОПЛЕНОЧНЫЕ ГИБРИДНЫЕИНТЕГРАЛЬНЫЕ МИКРОСХЕМЫ62
Температура плюс вакуум... (63). Четвертое состоя-ние вещества (73). Несколько слов о химии (77).ТПР, ТПК и т. п. (78). Чертеж есть, а что даль-ше? (86).
Г лава четвертая
ТОЛСТОПЛЕНОЧНЫЕ ГИБРИДНЫЕ
ИНТЕГРАЛЬНЫЕ МИКРОСХЕМЫ93
С чего начинается конструкция? (95). Необычныйматериал (97). Печатаем микросхему (102). Сроднигончарному искусству (105). Возможны вари-анты... (108).
Глава пятаяСБОРКА МИКРОСХЕМ110
Скрайбирование! Что это? (110). Продолжаем сборкумикросхем (113). Без окон и дверей... (118). Доверяй,но проверяй (120).
Вместо заключения125
Учебное издание
ЧЕРНОЗУБОВ ЮРИЙ СЕРГЕЕВИЧ
КАК РОЖДАЮТСЯ МИКРОСХЕМЫ
Зав. редакцией В. Л. ОбменинаРедактор О. В. СерышеваМладшие редакторы О. В. Агапова, £. Л. БуюклянХудожники В. С. Давыдов, О. М. ШмелевX у доже стве нный редактор В. М. ПрокофьевТехнический редактор Т. Е. МолозеваКорректор Н. С. Соболева
ИБ № 11418
Сдано в набор 06.01.89. По/щнсано к печати 14.04.89. Формат84Х Ю8'/з!- Бум. кн.-жур. отеч. Гарнит. Таймс. Печать высокая.Усл. печ. л. 6,72+0,42 вкл. Усл. кр.-отт. 8,82. Уч.-изд. л. 6,69++0,45 вкл. Тираж 100 000 экз. Заказ 24. Цена 35 к.
Ордена Трудового Красного Знаменн издательство «Просвеще-ние» Государственного комитета РСФСР по делам издательств,полиграфии н книжной торговли. 129846, Москва, 3-й проездМарьиной рощи, 41.
Ярославский полиграфкомбннат Госкомиздата СССР. 150014,Ярославль, ул. Свободы, 97.
МИР ЗНАНИЙ
ЮСЧЕРНОЗУБОВ
Как рождаютсямикросхемы
Книгадля внеклассного чтения учащихся8—10 классов средней школы
ББК 32.973 4-49
Рецензенты:
доцент кафедры промышленной электроники МИРЭА, кандидат технических наук М. А. Ожогин; учитель-методист рижской школы № 74, кандидат педагогических наук А. Д. Ревунов
Чернозубов Ю. С.
4-49 Как рождаются микросхемы: Кн. для внеклас. чтения учащихся 8——10 кл. сред. шк.—— М.: Просвещение, 1989.—128 с.: ил.— (Мир знаний).
ISBN 5-09-001324-1
Книга знакомит читателя с историей развития электроники, возникновением микроэлектроники, дает основные понятия о видах микросхем и методах их изготовления. В ней в доступной форме рассказывается о производстве микросхем, пшроко применяемых в радиоэлектронной аппаратуре и электронных вычислительных машинах.
Книга предназначена для учащихся старших классов средней школы.
4306020000-494 Ч175-894306020000-494 Ч175-89103(03)-89103(03)-89ББК 32.973ББК 32.973
4306020000-494 Ч175-89
4306020000-494 Ч175-89
103(03)-89
103(03)-89
ББК 32.973
ББК 32.973
ISBN 5-09-001324-1ISBN 5-09-001324-1© Издательство «Просвещение», 1989
ISBN 5-09-001324-1
ISBN 5-09-001324-1
Решись стать разумным, начни!
Гораций
От автора
З
а плечами долгие годы учебы в школе» годы становления. Это время радостей, волнений и раздумий, время познания и открытий нового. Быстро оно летит. Еще так недавно вас впервые вели в школу, а сейчас уже и паспорт в кармане, и окончание школы не за горами, и совершеннолетие близко, и настает пора задуматься над тем, что делать дальше, какую дорогу выбрать. Нет, друзья, не пугайтесь, пожалуйста! Я не собираюсь настоятельно доказывать, что раздел науки и техники, о котором пойдет речь в настоящей книге, — самый лучший и интересный. Для кого-то более привлекательными окажутся медицина, биология, сельское хозяйство, самолетостроение, космонавтика, география, история, педагогика и другие науки, но одно несомненно： без электроники, микроэлектроники и микросхем немыслима сегодня ни одна отрасль народного хозяйства. С ними будут встречи всегда и всюду независимо от того, станете ли вы рабочим, техником, инженером или ученым. И если вас интересует физика, химия, есть желание расширить знания в области этих естественных наук, а заодно почерпнуть новое об электронике и истории ее развития, микроэлектронике (одно из ведущих направлений электроники), о современных микросхемах и технологии их производства, найдите свободное время и прочитайте эту книгу. Автор надеется, что книга окажется для вас полезной, позволит сформировать определенное отношение к микроэлектронике и технологии микросхем и, может быть подскажет, какую выбрать профессию.
Желаю вам удачи, дорогие читатели!
...О великих вещах помогают составить понятье малые вещи, пути намечая для их постиженья. Лукреций
Глава I