Лазерные технологии в электронном машиностроении (96

– области осаждения и травления локализуются. Основная часть покрытия осаждается в области, размеры которой сравнимы с диаметром пучка в зоне лазерного воздействия [2].

5. ЛАЗЕРНОЕ ЛЕГИРОВАНИЕ ПОВЕРХНОСТИ ПОЛУПРОВОДНИКОВ

Данная технология разработана с целью формирования токоподводов, омических и шоттковских электрических контактов с требуемыми переходами за счет регулирования вакансий или наличия избыточных атомов.

Формирование омических контактов. Обычная технология включает нанесение на поверхность присадочного слоя и нагрев при длительной выдержке в печи, т. е. отжиг.

Недостатками этой технологии являются:

–большая длительность процесса;

–трудности сохранения стехиометрического состава материалов из-за диффузии атомов легирующей присадки в подложку, сопровождаемой изменением свойств поверхностного слоя.

Лазерная технология формирования омических контактов (переходов) включает нанесение на поверхность подложки присадочного материала (иногда методом ионного осаждения) и оплавление поверхности лазерным излучением.

Формирование токоподводов в интегральных схемах. В

электронной промышленности на полупроводниковых элементах, например кремниевых пластинах, необходимо наличие электроконтактов и токоведущих дорожек, которые обычно формируются из силицидов металлов. Для этого металлические компоненты осаждают тонким слоем на кремниевую подложку, затем систему «металл — кремний» нагревают до нескольких сотен градусов Цельсия в атмосфере инертного газа, в процессе нагрева образуются силициды металла. Например, на кремний наносятся металлы

Pt, Pb, Nb, Ni, Mo, Au, а при нагреве образуются силициды Pt2Si, PbSi, NbSi и т. п.

Эта технология формирования токопроводов с нагревом в электропечи имеет некоторые недостатки:

–большая длительность процесса нагрева;

11

–прогрев всего полупроводника вследствие диффузионного характера процесса образования силицида;

–возможность загрязнения в поверхностном слое;

–достаточно высокое электрическое сопротивление слоя. Лазерная технология включает нанесение на поверхность

кремния тонкого слоя металла и оплавление этого слоя вместе с подложкой.

Лазерное излучение обеспечивает возможность насыщения различными элементами небольших участков поверхностей деталей, изготовленных из различных конструкционных материалов, в целях направленного изменения их свойств, повышения их коррозионной стойкости, износостойкости, прочности и т. п. При легировании поверхности для повышения ее твердости на нее наносят порошок, содержащий легирующие присадки, а затем подвергают поверхность обработке лазерным лучом. Как правило, для этой цели используют непрерывные СО2-лазеры мощностью в несколько киловатт. Для легирования поверхности микродеталей применяют импульсные лазеры [2].

При обучении происходит плавление и взаимное перемешивание тонкого поверхностного слоя и порошка, а после прохождения пучка поверхность вновь затвердевает. При этом твердость тонкого слоя, содержащего примесные компоненты, оказывается выше, чем твердость необработанного материала.

6. ПОДГОНКА ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ПЛЕНОЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

Любая электрическая схема после сборки требует настройки, которая обеспечивает ее нормальное функционирование. Необходимость этой операции вызвана конечными значениями экономичных допусков на элементы схемы. Эта проблема технически решается двумя методами: 1) введением в схему регулируемого элемента (подстроечного резистора, конденсатора и т. д.); 2) введением подгоночной технологической операции.

Альтернативой подгонке является ужесточение допусков на параметры микроэлементов схем, однако это приводит к увеличению их стоимости. Поскольку в пленочной микроэлектронике приходит-

12

ся иметь дело с микрообъектами, первый метод здесь неприменим. Единственнымвыходом являетсяподгонка параметров схемы.

В настоящее время существует целый ряд методов подгонки:

–механические (в том числе абразивные);

–химические (травление анодирование);

–термические (в том числе токовые).

По общепризнанному мнению, одним из лучших методов подстройки параметров пленочных элементов является лазерная подстройка.

Метод лазерной подстройки обладает следующими достоинствами [2]:

–хорошая управляемость и безынерционность процесса;

–возможность обратной связи по подстраиваемому параметру, что обеспечивает требуемую точность подстройки;

–высокая локальность, что позволяет применять данный метод для подстройки схем с высокой плотностью и малыми размерами элементов;

–минимальное воздействие на подложку;

–бесконтактность, что позволяет подстраивать элементы в работающей схеме;

–достаточно высокая производительность.

6.1. Подстройка параметров пленочных резисторов

Лазерная обработка пленочных элементов осуществляется с 1963 г. Известны два способа лазерной подстройки пленочных резисторов:

–с испарением частиц пленки (изменение конфигурации);

–с нагревом без разрушения (изменение кристаллической структуры).

Подстройка сопротивлений пленочных резисторов испарением части резистивного слоя. Этот метод получил широкое распространение в промышленности и признан лучшим среди не-

скольких технологий. Изменение сопротивления резистора R в этом случае зависит от площади удаленной пленки, длины и ширины прорези и от ее ориентации. При современных требованиях к точности резисторов ступенчатая регулировка сопротивлений (рис. 2) применяется крайне редко.

13

Рис. 2. Топология пленочных резисторов, предусматривающая их ступенчатую подгонку[2]

Можно разработать много различных вариантов топологии резисторов и геометрии подгонки, но процесс проще всего автоматизируется при унификации формы резисторов и формы прорезей в них. Наиболее употребительными формами резисторов являются прямоугольная и трапециевидная (рис. 3, а — з). Для плавной подстройки параметров пленочных резисторов используют следующие виды прорезей: Х-рез вдоль линии тока (см. рис. 3, д), Y- рез поперек линии тока (см. рис. 3, е), L-рез — комбинация Х- и Y-резов (см. рис. 3, ж) и J-рез (см. рис. 3, з). При Y-резе происходит деформация линий тока. Этот процесс более производительный, но менее точный. При Х-резе производительность невелика, однако достигается высокая точность регулировки сопротивления. На практике наибольшее распространение получил L-рез. Оптимальный вариант геометрии подгонки следует предусмотреть на стадии проектирования топологии схемы.

Рис. 3. Наиболее распространенные топологии пленочных резисторов [2] 14

Обычно при исходном разбросе 40 % от номинального значения сопротивления Rном после подгонки достигается точность регулировки резисторов: тонкопленочных до 0,01 % от Rном, а толстопленочных 0,3 % от Rном. Такую точность, как правило, нельзя получить другими методами подгонки.

Если допуски подстройки не превышают 0,1 %, необходимую точность регулировки нельзя получить не только с помощью формул и номограмм для расчета длины реза, но даже в результате предварительного эксперимента и измерения R в процессе подгонки. Необходимпрогноз изменения R на данном участке резистора.

В этом случае применяют метод подстройки с предсказанием.

Метод подстройки нагреванием без разрушения. Этот метод сходен с рекристаллизацией или отжигом пленок. При лазерном воздействии протекают два процесса:

–отжиг дефектов и собирательная рекристаллизация, сопровождающаяся снижением сопротивления;

–окисление нагретых слоев на воздухе, сопровождающееся увеличением сопротивления [3].

Оба эти процесса могут быть положены в основу технологии подгонки резисторов без разрушения. Они позволяют увеличивать

иуменьшать сопротивление резистора и стабилизируют его параметры.

Испытания показали, что параметры резисторов, термообработанных лазерным лучом, обладают значительно большей стабильностью.

Данный метод можно целенаправленно использовать для стабилизации параметров резисторов, так как он обладает такими достоинствами, как быстрота, локальность, удобство, гибкость реализации.

6.2.Подгонка емкостей пленочных конденсаторов

Вгибридных интегральных схемах нашли применение два основных типа пленочных конденсаторов: планарные (плоские) и щелевые (гребенчатые). Наиболее выгодна подгонка щелевых конденсаторов (рис. 4), которая, позволяя эффективно регулировать их емкость, не создает в них опасных для электрического пробоя участков.

15

Рис. 4. Щелевой конденсатор

Щелевой конденсатор представляет собой систему металлических проводников (обкладок), выполненных в виде гребенок, вдвинутых одна в другую с зазорами. Среда между проводящими частями служит диэлектриком конденсатора [3].

Как правило, наилучшие параметры щелевого конденсатора достигаются на специальных подложках из керамики с высокими диэлектрическими характеристиками, в частности, с большим значением диэлектрической проницаемости ε (например, на основе бария BaTiO3 и т. п.).

Настройка конденсаторов по емкости выполняется перерезанием одной или нескольких полос, что эквивалентно уменьшению площади обкладок. Изменение емкости конденсатора пропорционально числу перерезанных полос.

7. ВОССТАНОВЛЕНИЕ ГИБРИДНЫХ ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМ

По мере совершенствования методов расчета, проектирования и технологии гибридных интегральных схем (ГИС) растет их сложность, и одной из постоянных тенденций является увеличение плотности элементов схем. При этом по мере перехода к концепции больших интегральных схем (микроблоков) и применения в них в качестве неизвестных элементов полупроводниковых чипов требуется все большая плотность пленочных межсоединений. В этих условиях процент выхода годных ГИС существенно снижается из-за смыкания отдельных проводников металлическими пере-

16

мычками, остающимися на подложке, на той или иной операции технологического цикла.

Дефекты в виде металлических перемычек часто возникают и в конфигурациях типа щелевого конденсатора, что приводит к его закорачиванию. Устранение таких дефектов — чрезвычайно трудоемкая, а при большой плотности элементов — попросту невыполнимая традиционными методами технологии микросхем операция. В данной ситуации лазерный луч является инструментом, позволяющим эффективно устранять подобные дефекты.

Причинами возникновения таких дефектов являются недотравы отдельных участков пленочного слоя во время фотолитографирования, а также проколы в фоторезисте-изоляторе, которые приводят к замыканиюотдельных проводящих слоев микросхемы междусобой.

Недотравы и участки замыкания удаляют методом лазерного испарения. Недостающие соединения выполняют навесным методом или методами лазерной микрохимии, например, локальным лазерным нанесением покрытий из газовой фазы, термоили фотохимическим разложением [2].

8. ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ ПОДСТРОЙКА ПЛЕНОЧНЫХ СХЕМ

Суть данной технологии состоит в том, что выходные параметры схемы (ток, напряжение, частота, период, фаза в рабочем режиме) контролируются в процессе подстройки параметров ее отдельных составляющих в реальном масштабе времени. Принципиальными достоинствами лазерной подгонки являются ее бесконтактность и безынерционность.

Лазерная подстройка пленочных ГИС целесообразна в следующих случаях:

–когда для достижения необходимых выходных параметров прецизионных схем (например, цифроаналоговых и аналогоцифровых преобразователей), требуется последовательная многоэтапная подстройка;

–когда активные элементы устанавливаются на схему после изготовления и подгонки пассивных, номинал последних может выйти из допуска во время операций монтажа.

17

Данная технология позволяет расширить допуски на неподстраиваемые элементы (активные элементы, конденсаторы), что в итоге снижает себестоимость схем.

Функциональная подстройка успешно применяется при изготовлении активных фильтров (регулировка коэффициентов передачи, ширины полосы пропускания и добротности), операционных усилителей (настройка первоначального напряжения), усилителей мощности, низкочастотных генераторов, а также при изготовлении пьезокварцевых устройств, в частности многорезонаторных кварцевых фильтров и часовых кварцевых резонаторов [2].

9. ПОДСТРОЙКА ПАРАМЕТРОВ КВАРЦЕВЫХ ПЬЕЗОЭЛЕМЕНТОВ

Кварцевые резонаторы и фильтры широко применяются в современной аппаратуре связи, навигационной и измерительной аппаратуре. Они используются для стабилизации частоты либо в качестве фильтров высокой избирательности. При этом к точности частоты кварцевых пьезоэлементов предъявляются жесткие требования. После сборки этих приборов и схем на их базе также необходима подстройка частоты.

Высокую точность частоты резонаторов и фильтров можно получить в результате прецизионной подстройки на завершающих стадиях их изготовления. Большинство способов подстройки частоты основано на различных видах обработки электродов. Наиболее распространенными из них являются:

–гальваническое наращивание электродов;

–вакуумное осаждение пленок на поверхность электродов;

–подстройка в высокочастотном разряде;

–ионная бомбардировка электродов;

–ионизация электродов.

Данные технологии достаточно сложны, кроме того, они способствуют образованию в слое дефектов.

В последние годы наибольшее внимание уделяется методу подстройки частоты, основанному на изменении массы пьезоэлемента при локальном испарении материала электродов сфокусированным излучением лазера.

18

Основными достоинствами лазерной подстройки являются:

–высокая точность метода;

–достаточно широкий диапазон перестройки частоты;

–возможность подстройки вакуумных и газонаполненных пьезоэлементов в стеклянных баллонах после их откачки и заварки;

–возможность увеличения и уменьшения частоты в процессе подстройки;

–хорошая управляемость и повторяемость процесса, возможность его автоматизации [2].

10. РАЗМЕРНАЯ ОБРАБОТКА ТОНКИХ ПЛЕНОК

Задачи размерной обработки тонких пленок, т. е. формирования топологических пленочных элементов, значительно труднее решить при лазерной обработке, чем задачи подгонки. Широкому распространениюданной технологии препятствуют следующиефакторы:

–жесткие требования к точности, стабильности и производительности процесса размерной обработки;

–конкуренция с фотолитографией хорошо разработанным высокопроизводительным и весьма точным процессом.

Вместе с тем имеются объективные причины для развития лазерной размерной обработки пленок (лазерной литографии):

–возможность контроля процесса формирования топологии в реальном масштабе времени (благодаря отсутствию этапа образования скрытого изображения);

–высокая производительность лазерной обработки при изготовлении оригинальных единичных элементов и схем;

–одноступенчатость процесса, резкое снижение стоимости оборудования;

–большая чистота процесса (вследствие отсутствия химических операций);

–возможность исправления ошибок в процессе формирования топологии за счет введения обратной связи по размерам, например введением согласованной оптической фильтрации.

В связи с перечисленными достоинствами первой широко применяемой и эффективной операцией лазерной литографии стала корректировка фотошаблонов.

19

В процессе изготовления фотошаблонов ГИС в них возникают дефекты, число которых быстро возрастает по мере увеличения степени интеграции и снижения размеров элементов. Изза сложности изготовления комплекта фотошаблонов больших интегральных схем оперативное устранение возникающих в них дефектов является весьма актуальной задачей. Различают два типа дефектов:

1)участки маскирующего покрытия, оставшиеся на поверхности светлого поля (недотрав, выступ, перемычка, закоротка и т. п.).

2)отверстия на темном поле фотошаблона (прокол, разрыв, вырыв и т. п.).

Рис. 5. Виды дефектов фотошаблона [2]:

А — испарение недотравов; Б — напыление проколов; 1 — царапина; 2 — разрыв; 3 — темная точка; 4 — перемычка; 5 — выступ; 6 — неровности края; 7 — светлая точка; 8 — вырыв

Наиболее прост и эффективен лазерный метод ретуширования дефектов светлого поля фотошаблона типа недотравов. Их устранение основано на локальном удалении дефекта лазерным испарением.

Для ликвидации дефектов темного поля можно использовать метод локального лазерного переноса вещества. Для этого приемлемы методы прямого и обратного переноса вещества, а также лазерного химического осаждения маскирующего слоя. В качестве материала донора может быть выбран любой материал, имеющий хорошую адгезию к пленке и подложке и обладающий необходимыми оптическими свойствами [3].

20