МИНИCTEPCTBO ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«СЕВЕРО-КАВКАЗСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

УТВЕРЖДАЮ

Заведующий кафедрой физики и электроники Валюхов Д.П.

__________________________

"__" _____________ 20____ г.

Методические указания для лабораторных работ

по дисциплине «МИКРОЭЛЕКТРОНИКА»

Направление подготовки

210100.62 Электроника и микроэлектроника

Квалификация (степень) выпускника

Бакалавр

С таврополь, 2013

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 1

ИЗУЧЕНИЕ СВОЙСТВ ИСХОДНЫХ ПЛАСТИН ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМ.

Цель работы:

Изучить свойства и конструкцию исходных пластин (заготовок) для изготовления полупроводниковых ИМС.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

Термины и определения (гост 17021-88)

Полупроводниковая интегральная микросхема – микросхема, все элементы и межэлементные соединения которой выполнены в объеме и на поверхности полупроводника.

Полупроводниковая пластина – заготовка из полупроводникового материала, используемая для изготовления полупроводниковых ИМС.

Кристалл интегральной микросхемы – часть полупроводниковой пластины, в объеме и на поверхности которой сформированы элементы полупроводниковой микросхемы, межэлементные соединения и контактные площадки.

Характеристика полупроводниковых пластин

Полупроводниковая пластина, являясь частью конструкции микросхемы, выполняет функции механического основания и теплоотвода.

К полупроводниковым пластинам предъявляются следующие требования:

1. стойкость к химическому воздействию окружающей среды;

2. монокристаллическая структура;

3. однородность распределения легирующих примесей в объеме монокристалла;

4. устойчивость к химическим реагентам;

5. механическая прочность;

6. термостойкость;

7. устойчивость к старению и долговечность.

Основные характеристики полупроводниковых материалов

Материал	Температура плавления, С	Ширина запрещенной зоны, эВ (при 300 К)	Подвижность носителей зарядов, см2/(Вс) (при 300 К)
			электроны	дырки
Кремний (Si)	1412	1,11	1450	480
Германий (Ge)	958	0,66	3900	1900
Арсенид галлия (GaAs)	1237	1,43	8800	400
Фосфид галлия (GaP)	1500	2,25	300	150

Пластины из кремния широко применяются для создания полупроводниковых ИМС и дискретных кремниевых диодов и транзисторов. Кремний имеет отличные диэлектрические и технологические свойства, стабильный окисел, его природные запасы велики. Верхний диапазон температур кремния достигает 120  150 С, а нижний предел – минус 70 С. В производстве микросхем используется в виде пластин толщиной 200  400 мкм и диаметром до 200 мм, шероховатость поверхности рабочей стороны соответствует 14 классу.

Пластины из германия применяют для создания дискретных германиевых диодов и транзисторов для гибридных ИМС и микросборок. Подвижность носителей заряда в германии значительно выше, чем в кремнии. Поэтому германиевые транзисторы по сравнению с кремниевыми при прочих равных условиях будут более высокочастотными.

Из-за сравнительно малой ширины запрещенной зоны (0,66 эВ при Т = 27 С) предельная рабочая температура составляет 70 – 80 С, а устойчивая работа германиевых приборов возможна только при температурах на 20 % меньше верхнего предела (из-за высокого температурного коэффициента ширины запрещенной зоны).

Главные недостатки германия – неприменимость планарной технологии из-за низкой температуры плавления, а вследствие этого и низкой скорости диффузии. Собственного стабильного окисла не имеет, поэтому не пригоден для массового производства ИМС.

Пластины из арсенида галлия. Арсенид галлия относится к группе соединений A^IIIB^V, он имеет высокую подвижность носителей заряда, сравнительно большую ширину запрещенной зоны, что обусловливает его применение для создания быстродействующих, устойчивых к температурным воздействиям полупроводниковых и полупроводниковых совмещенных ИМС.

Его недостатками являются низкая растворимость легирующих примесей, отсутствие собственных окислов со стабильными свойствами и образование вредных и токсичных для окружающей среды отходов при обработке.

Пластины из фосфида галлия. Принадлежат к перспективным полупроводниковым материалам типа A^IIIB^V. Они имеют самую большую ширину запрещенной зоны и низкую подвижность носителей зарядов, что позволяет создавать приборы с рабочей температурой p-n-перехода до 500 С. Наиболее широко фосфид галлия применяют для создания полупроводниковых светоизлучающих приборов видимого диапазона (светодиодов).

Основными недостатками фосфида галлия являются отсутствие собственных окислов со стабильными свойствами и образование токсичных соединений при химической обработке.

АППАРАТУРА

Для выполнения работы используется следующая аппаратура:

1. лабораторный макет, состоящий из кассет с образцами;

2. Микроскоп;

3. лупа.

ВНИМАНИЕ! Пластины с образцами очень хрупки. После рассмотрения пластин сразу же вставьте их в кассету.

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

1. Рассмотреть образцы исходных пластин, находящиеся в кассете 2-1, и определить их характерные признаки, свойства и область применения.

2. Рассмотреть под микроскопом образцы исходных пластин с номерами от 01 до 04:

01 – кремниевая пластина;

02 – германиевая пластина;

03 – арсенидгаллиевая пластина;

4. – фосфидгаллиевая пластина

3. Заполнить характерные признаки внешнего вида пластин (цвет, матовая или зеркальная поверхность, наличие рисок) и занести данные в таблицу:

Характеристики исходных полупроводниковых пластин

Материал пластины	Характерные признаки внешнего вида	Область применения	Параметры и характеристики, определяющие область применения

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1.Поясните следующие термины: полупроводниковая микросхема, полупроводниковая пластина и кристалл.

2. Как вычисляют показатели степени сложности микросхем: степень интеграции и плотность упаковки?

3. Какие материалы используют для изготовления исходных пластин?

4.Поясните следующие термины: серия, тип и типономинал микросхем?

5.Из каких элементов состоит обозначение микросхем?

6.Что относят к характерным признакам внешнего вида исходных полупроводниковых пластин?

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 2

ИЗУЧЕНИЕ ТЕХПРОЦЕССА ИЗГОТОВЛЕНИЯ ДВУХСЛОЙНОЙ ТОНКОПЛЕНОЧНОЙ ГИС.

Цель работы:

1. Изучить методы формирования конфигураций элементов тонкопленочных гибридных интегральных микросхем (ГИС).

2. Изучить методы нанесения тонких пленок на подложку ГИС.

3. Изучить технологические процессы изготовления и конструкции тонкопленочных ГИС.

4.Ознакомиться с видами и причинами брака в технологии тон­копленочных ГИС.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

Совокупность технологических операций, составляющих техно­логический маршрут производства тонкопленочных ГИС, включает в себя подготовку поверхности подложки, нанесение пленок на подложку и формирование конфигураций тонкопленочных элементов, монтаж и сборку навесных компонентов, защиту и герметизацию ГИС от внешних воздействий.

Подложки, Подложка в ГИС служит диэлектрическим и механическим основанием для расположения активных и пассивных элементов.

Наиболее часто используются ситалловые подложки, содержащие 30 – 90% Si0₂, окислы Al, Ti, В, Mg, К, Li и поликоровые подложки, содержащие до 99,7% окиси алюминия.

Промышленностью выпускаются подложки разных размеров. При выборе подложки ориентируются на ряд типоразмеров, которые могут быть получены делением сторон по безотходной технологии базовой подложки (размером 96х120 мм²) на части, кратные 2-м и 3-м. В результате получаются подложки, часть которых предназначена для размещения в стандартных корпусах, а остальные – для изготовления бескорпусных ГИС и микросборок. Толщина подложек составляет 0,35 –0,6 мм.

Непосредственно перед нанесением пленок подложки подвергаются очистке.

Очистка. Выбор способа очистки зависит от вида загрязнений.

Возможна жидкостная и сухая очистка. Эффективная очистка достигается при сочетании нескольких способов очистки. В составе таких процессов основными операциями являются обезжиривание, травление, промывка, сушка.

В тонкопленочных ГИС наибольшее распространение получила жидкостная очистка. Для интенсификации процесса очистки используют нагрев, кипячение, вибрацию, центрифугирование, ультразвуковую обработку, плазму. Например, типовой процесс очистки ситалловых подложек включает следующие операции:

1) обезжиривание кипячением в перекисно-аммиачном растворе;

2) промывание в проточной деионизованной или дистиллированной воде;

3) промывка кипячением в дистиллированной воде;

4) сушка в парах изопропилового спирта или в потоке нагретого (до 320°С ) инертного газа (аргона, азота).

Метод сухой очистки используют перед наиболее ответственными операциями. Наряду с традиционным отжигом и газовым травлением успешно используют ионное и плазмохимическое травление.

Создание пассивных тонкопленочных элементов ГИС

Резисторы. Для тонкопленочных резисторов используют чистые металлы, сплавы, а также специальные материалы – керметы, которые состоят из частиц металла и диэлектрика. Широко распространены пленки хрома и тантала. Из сплавов наиболее часто используют нихром. На основе керметов, в состав которых входят хром и монооксид кремния, получают высокоомные резисторы. В зависимости от содержания хрома можно получить резистивные пленки с удельным сопротивлением от сотен Ом на квадрат до десятков кОм на квадрат. Однако в связи с тем, что свойства керметных пленок сильно зависят от технологических факторов, резисторы имеют худшую воспроизводимость номиналов и больший ТК R по сравнению с металлическими. В настоящее время промышленностью освоена большая группа металлосилицидных сплавов системы Si - Cr, легированных небольшими добавками железа, никеля, кобальта, вольфрама (PC-3001, PC-3710, РС-5404К, МЛТ-ЗМ, РС-5405Н). При сравнительно малом ТК R и высокой стабильности воспроизведения удельного поверхностного сопротивления диапазон номиналов сплавов PC достаточно широк: 0,5 – 50 кОм/. Наиболее часто используют сплавы PC - 3001, PC - 3710 (37,9% Cr, 9,4% Ni, 52,7% Si), МЛТ-ЗМ ( 43,6% Si, 17,6% Cr, 14,1% Fe, 24,7% W).

Конденсаторы. Характеристики конденсаторов определяются свойствами применяемых материалов. К диэлектрику конденсаторов предъявляются следующие требования: высокие – диэлектрическая проницаемость с, электрическая прочность и сопротивление изоляции, малые – температурный коэффициент емкости и тангенс угла диэлектрических потерь, хорошая адгезия, совместимость с технологическими процессами изготовления других элементов микросхемы.

Для изготовления диэлектрических тонких пленок применяют монооксиды кремния SiO и германия GeO, оксиды алюминия АlО₃, тантала Та₂O₅, титана TiO₂ и редкоземельных металлов. Высокие удельные емкости имеют титанаты кальция и бария.

Материал обкладок конденсатора должен удовлетворять следующим требованиям: иметь малое электрическое сопротивление обкладок, особенно для высокочастотных конденсаторов, ТКЛР, близкий к ТКЛР подложки и диэлектрика, хорошую адгезию как к подложке, так и к ранее сформированным пленкам, обладать малой миграционной подвижностью атомов, высокой коррозионной стойкостью.

Для изготовления обкладок тонкопленочных конденсаторов применяют алюминий с подслоем титана или ванадия для нижней обкладки и без подслоя при напылении на диэлектрик верхней обкладки.

Элементы коммутации. Такие элементы (проводники и контактные площадки) служат для электрического соединения компонентов и элементов ГИС между собой, а также для присоединения к выводам корпуса.

К материалам элементов коммутации предъявляются следующие требования: высокая электропроводность; хорошая адгезия к подложке; высокая коррозионная стойкость; обеспечение низкого и воспроизводимого переходного сопротивления контактов; возможность пайки или сварки выводов навесных компонентов и проволочных перемычек для электрического соединения контактных площадок платы с выводами корпуса.

Самым распространенным материалом тонкопленочных проводников и контактных площадок в ГИС повышенной надежности является золото с подслоем хрома, нихрома или титана. Подслой обеспечивает высокую адгезию, а золото – нужную электропроводность, высокую коррозионную стойкость, возможность пайки и сварки. Толщина пленочного проводника обычно составляет 0,5 – 1,0 мкм.

В аппаратуре с менее жесткими требованиями к надежности в качестве проводников используют пленки меди или алюминия с подслоем хрома, нихрома, ванадия и титана. Для предотвращения оксидирования меди и улучшения условий пайки или сварки медные контактные площадки покрывают хромом, никелем, золотом или ванадием. Для пайки их целесообразно облуживать погружением схемы в припой, при этом остальные пленочные элементы должны быть защищены.

Алюминий обладает достаточно высокой коррозионной стойкостью и может использоваться как с защитным покрытием никеля или ванадия для обеспечения возможности пайки, так и без него, если присоединение навесных компонентов и создание внешних контактов осуществляется сваркой. Толщина медных медных и алюминиевых проводников – 1 мкм, а толщина никелевого или золотого покрытия – десятые – сотые доли микрометра.

Пленочные индуктивные элементы. Такие элементы широко рас­пространены в аналоговых ИМС. Индуктивные элементы входят в состав колебательных контуров автогенераторов, полосовых фильтров и т. д.

Для изготовления пленочных спиралей применяют материалы с высокой электропроводностью. Для повышения добротности спирали образующие ее проводники должны быть большой толщины (30 – 100 мкм). С этой целью проводят электрохимическое осаждение меди или золота (в ответственных изделиях) на тонкий подслой титана или ванадия.

Защита. Применяется для защиты от внешних воздействий и для предотвращения замыкания проводников и пересечений. Для однослойной разводки распространена защита негативным фоторезистом, как наиболее простая. Для многослойной разводки используют те же материалы, что и для диэлектрика конденсаторов, но с малым значением диэлектрической проницаемости с целью уменьшения паразитных связей между проводниками слоев.