7. Исследование технологических процессов изготовления тонкопленочных интегральных микросхем.
Обратимся к знаниям, полученным в курсе "Технология РЭС", рассмотрим методы и ряд технологических процессов (ТП) изготовления тонкопленочных интегральных микросхем (ИМС).
Вспомним, что тонкопленочными ИМС называются схемы, получаемые в результате последовательного изготовления на одной общей подложке элементов и соединительных проводников, представляющих собой пленки из резистивных, диэлектрических, проводящих и других материалов толщиной от нескольких сотых до десятых долей микрометра (но не более 1 мкм).
Методами тонкопленочной технологии можно получить все пассивные элементы схемы (резисторы, конденсаторы и др.).
Активные элементы схемы (диоды, транзисторы и др.) дискретные элементы в миниатюрном или микроминиатюрном в бескорпусном исполнении. Их монтируют на подложку к соответствующим пассивным элементам. Тонкопленочные ИМС, в которых используют навесные активные элементы, называют гибридными интегральными схемами (ГИС). ГИС имеют очень широкое применение. В дальнейшем будем рассматривать ТП для ГИС. Упрощенная схема для типового технологического процесса (ТТП) приведена на следующем рисунке 7.1, где.
1-подготовка испарителей;
2-очистка подложек;
3-изготовление пассивной части ИМС;
4-изготовление маски;
5-изготовление зеркального изображения схемы и
совмещение с негативом;
6-изготовление негатива и позитива;
7-изготовление фотооригинала схемы;
8-нарезка подложек на схемы;
9-сборка и монтаж микросхем;
10-контроль электрических параметров;
11-герметизация;
12-изготовление корпуса;
13-изготовление основания;
14-выходной контроль активных элементов;
15-контроль
и упаковка
На рисунке показаны этапы изготовления пленочных ГИС массовым способом. Наряду с этим методом все большее применение находят методы получения рельефа микросхемы с помощью фотолитографии (ФЛГ). Технологическая схема типового фотолитографического процесса представлена на рисунке 7.2., где
1-изготовление подложки;
2-приготовление обезжиривающих составов;
3-подготовка поверхности;
4-приготовление фоторезиста;
5-нанесение слоя фоторезиста и сушка;
6-изготовление фотошаблона
7-приготовление проявляющих составов
8-экспонирование, проявление и термообработка;
9-приготовление составов травления;
10-травление;
11-приготовление составов для удаления фоторезиста и
промывки;
12-снятие фоторезиста и промывка.
Каждый метод имеет свои достоинства и недостатки. Рассмотрим их более подробно.
7.1 ПОДЛОЖКИ И ТП ПОДГОТОВКИ ПОДЛОЖЕК К НАНЕСЕНИЮ ПЛЕНОК.
Подложка является конструктивной основой ГИС. К ним предъявляются следующие требования:
высокая механическая прочность;
высокое значение диэлектрической проницаемости;
высокая плоскостность;
беспористость;
хорошая теплопроводность;
стойкость к термоударам;
химическая стойкость;
большое электросопротивление;
минимальная шероховатость;
поверхности;
низкая стоимость.
Упрощенный ТП приведен на рис.7.3.
Механическая - Химическая - Контроль
очистка очистка качества
Рис.7.3
Перед нанесением тонких пленок, подложки тщательно очищают; механическую очистку осуществляют путем протирания шелковыми или ватными тампонами, смоченными растворителем. Для удаления ионов металла, подложку последовательно промывают в царской водке, плавиковой кислоте, денокизованной воде . Органические загрязнения (масла, жиры) удаляют путем промывки в нагретом трихлорэтилене с последующей обработкой в растворе щелочи с перекисью водорода. Чистоту поверхности подложек тщательно контролируют. К методам контроля можно отнести:
испытание на разрыв высыхающей пленки воды;
метод царапины.
Наиболее простым методом контроля качества очистки является испытание на разрыв высыхающей пленки воды. При хорошей очистке подложки пленки воды распределяется ровным сплошным слоем, если поверхность загрязнена, то пленка будет разрываться и стягиваться к смоченным участкам.
Метод царапины основан на измерении усилия перемещения металлической иглы (обычно титановой) по поверхности подложки. При таких испытаниях груз увеличивают до тех пор, пока не получится видимой царапина.(Например для получения видимой царапины на неочищенных стеклах требуется груз в 400 г, а для хорошо очищенных всего 30 г). Очищенные подложки хранят в герметичных боксах, заполненных осушенным инертным газом, или в 95%-м этиловом спирте. Окончательную очистку производят непосредственно перед напылением с помощью ионной бомбардировки или другими методами.
7.2. МЕТОДЫ НАНЕСЕНИЯ ТОНКИХ ПЛЕНОК.
Рассмотрим методы нанесения тонких пленок, которые получили широкое применение в технологии изготовления тонкопленочных ГИС.
Наиболее широко используемые методы нанесения тонких пленок приведены в таблицах 7.1, 7.2 и 7.3.
Таблица 1
МЕТОД ТЕРМИЧЕСКОГО ИСПАРЕНИЯ В ВАКУУМЕ.
|
Суть метода |
основан на свойстве металлов и некоторых других материалов условиях высокого вакуума перемещаться прямолинейно и оседать на поверхности расположенной на пути их движения. |
|
Применение |
получение резистивных пленок , проводников из меди, алюминия и некоторых других сплавов, диэлектрических пленок из окисла кремния. |
|
Преимущества |
высокая чистота пленки, удобство контроля ее толщины в процессе напыления, простота и низкая себестоимость, легкая автоматизация процесса, возможность создания комплексов, управляемых ЭВМ. |
|
Недостатки |
малая равномерность пленки по толщине при осаждении набольшую площадь , невысокая прочность сцепления пленки с подложкой |
Таблица 7.2
РАСПЫЛЕНИЕ ИОННОЙ БОМБАРДИРОВКОЙ.
Суть метода Основан на прямом воздействии
электрического поля на распыляемый
материал. Мишень из материала, который
надо распылить, бомбардируется
быстрыми частицами, в результате чего ее
поверхности выбиваются атомы,
осаждающиеся на расположенную вблизи
подложку.
Применение Получение высокоомных резисторов,
пленок для диэлектриков и
полупроводников.
Преимущества Высокая адгезия пленки к подложке, малая
инерционность процесса, равномерность
пленки по толщине, возможна
автоматизация процесса, низкая
себестоимость.
Недостатки Возможность загрязнения пленки
остаточными газами, небольшой срок
службы мишеней.
Таблица 7.3
ХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ.
Суть метода В результате химического процесса,
протекающего в газовой фазе, образуется
твердый продукт реакции, который оседает
на подложку в виде пленки.
Применение Получение пленок практически любого
материала.
Преимущества Возможность получения пленок
практически любых материалов
при условиях, обеспечивающих их высокую
чистоту, производительность и
автоматизацию процесса.
Недостатки Трудность контроля и управления
процессом.