книги из ГПНТБ / Мазель Е.З. Планарная технология кремниевых приборов

К несомненным достоинствам этого метода следует отнести возможность получения пленок при низких тем­ пературах на подложках практически любого типа и формы, например с узкими каналами и отверстиями. Получены пленки всех металлов, включая такие трудные, как платина, вольфрам, титан. Серьезными недостатка­ ми, сдерживающими освоение метода, являются токсич­ ность, взрывоопасность и дефицитность многих металл­ содержащих соединений. Использование света и элек­ тронных пучков позволяет осуществить локальное осаж­ дение пленок металла. В частности, следует отметить осаждение пленок с помощью лазера; при использова­ нии этого метода источник энергии можно располагать вне рабочей камеры. Это обеспечивает более чистые условия нанесения пленок и широкие возможности соз­ дания в камере требуемой среды. Кроме того, при ис­ пользовании мощных лазеров достигаются исключи­ тельно высокие скорости нанесения •— до 1 мкм/сек [Л. 7-23].

Мы рассмотрели основные способы создания металли­ ческих покрытий, обеспечивающих омический контакт с поверхностью кремния. В соответствии с приведенной в гл. 1 типовой схемой планарного технологического про­ цесса после металлизации проводят фотолитографию, формируя контактные площадки или соединения необ­ ходимой конфигурации. После вжнгания металла кон­ тактов планарные структуры полностью готовы, и пла­ стина поступает на контроль годных структур, а затем разделяется на отдельные кристаллы.

Отступлением от такой схемы является сборка при­ боров с объемными выводами. В этом случае операции создания контакта и вывода объединены: они являются групповыми, т. е. выполняются на пластине. Одним из первых был разработан метод создания шариковых вы­ водов. Согласно этому методу [Л. 7-24] пластину после того, как сформированы алюминиевые контактные пло­ щадки, покрывают слоем боросиликатного стекла тол­ щиной 1,5 мкм, в котором с помощью фотолитографии вытравливают отверстия над контактными площадками. Используя молибденовую маску, на контактных площад­ ках создают многослойное покрытие хром — медь — зо­ лото— припой. Затем помещают на подготовленные та­ ким способом площадки миниатюрные медные шарики, покрытые золотом (рис. 7-4,а), и нагревают пластину

324

i3 атмосфере водорода. Шариковые выводы выдержива­ ют большие нагрузки: усилие на отрыв достигает 100 г. Надежность интегральных схем с шариковыми выводами

кропотлива, и размеры шариков сравнительно велики. Лучшим вариантом является способ создания на кон-

Элвктроосажден-

Напыленнов

золото

ние. В первом случае толщина слоя алюминия состав­ ляет 10—15 мкм; осуществить точную фотолитографию на слоях такой толщины довольно сложно. При гальва­ ническом выращивании вначале наносят токопроводящий подслой, затем выращивают выступы, удаляют ма­ ску с подслоем и облуживают выступы. Наиболее труд­ но при этом обеспечить надежную защиту от действия электролитов. Применение кислотных электролитов до­ пускает защиту слоем позитивного фоторезиста. В случае использования щелочных электролитов, разрушающих позитивные фоторезисты, можно применить защитную маску, например из напыленного слоя боросиликатного стекла толщиной около 1 мкм, в котором отверстия вы­ травливаются с помощью фотолитографии.

1

тодного распыления в среде аргона. Толщина слоев со­ ставляет: первый слой платины 0,05 мкм; слой титана 0,15 мкм; второй слой платины до 0,3 мкм. Поверх ^этой

чают автоматизацию сборки. Последнее обстоятельство связано с тем, что выводы выступают за край кристал­ ла, в результате чего снижаются требования к точности поддержания размеров и расположения внешних соеди­ нений. Выступающие выводы уменьшают также воздей­ ствие нагрева (в момент присоединения) па активные области прибора. Наконец, балочные выводы более устойчивы к термоцпклпрованшо, нежели шариковые.

К недостаткам балочных выводов следует отнести в первую очередь сложность технологии их изготовле­ ния. Далее, балочные выводы характеризует повышен­ ное тепловое сопротивление — в 2 раза выше, чем для шариковых выводов, и значительная хрупкость мест со­ единений их с контактными площадками. Серьезную трудность представляет операция разделения на кри­ сталлы пластин с балочными структурами.

7-3. РАЗДЕЛЕНИЕ ПЛАСТИН С О СТРУКТУРАМИ НА КРИСТАЛЛЫ

Разделение на кристаллы, казалось бы, несложная операция, на которой должны отсутствовать технологические потери. К сожале­ нию, это не так: выход годных кристаллов колеблется в пределах 70—80%, производительность низка, многое зависит от внимательного

326

обращения оператора с кристаллами. Добавим, что к процедуре раз­ деления предъявляются серьезные требовтния, среди которых сведе­ ние к минимуму механических нарушений, вносимых в активные области приборов и систему металлизации, точность поддержания размеров и формы кристаллов (например, ±2 0 мкм для автоматиче­ ской сборки), минимум потерь площади кристаллов, т. е. малая ши­ рина реза.

В настоящее время для разделения пластины применяют такие методы, как скрайбированне, абразивная резка, лазерное разделение и химическое травление.

Наиболее широко распространено скрайбированне — способ пазделения, заключающийся в создании трещин — концентраторов напря­

тате деформации кремний приподнимается «а высоту до 1 мкм по границам линии скрайбировання.

После того как резец прочертил линию вдоль пластины, следует холостой ход возврата, сдвиг на шаг и снова рабочий ход. Повернув пластину па 90°, повторяют скрайбированне. Далее пластину разде­ ляют иа кристаллы, например, помещая на упругое основание и про­ катывая через тонкую прокладку резиновым валиком. Кремний раз­ ламывается по линиям, оставленным резцом. Отметим, что после раз­ деления пластины на кристаллы ширина деформированных областей снижается в 2—3 раза [Л. 7-25]. Возможны другие варианты разде­ ления скрайбированпых пластин иа кристаллы, например с помощью устройства, показанного на рис. 7-7. Двухстадийный характер способа скрайбировання является недостатком, так как снижается произво­ дительность и появляется вероятность появления брака.

Ограничения скрайбировання также проявляются в том, что тол- . шина пластин не может превышать 0,5—0,7 мм. Пластины с поликри­

алмазной пирамиды, качество линии меньше зависит от колебания нагрузки и других факторов, чем если резать вершиной 2. При уменьшении угла Эчс 60 до 33° (рис. 7-8) количество хороших линий увеличивается даже в широком диапазоне изменений нагрузок и

327

само оборудование для скрайбирования несложно. Этим и объяс­ няется широкое использование скрайбирования в настоящее время.

Абразивная резка ъ принципе отличается от описанных в гл. 2 способов механической обработки только сложными оптическими си­

на большую глубину любые материалы, будь то кремний, металли­ зированный или окисленный кремний, керамика.

Существенным недостатком является загрязнение пластины абра­ зивами и материалами, используемыми для наклейки пластин.

Лазерное разделение похоже на скрайбирование тем, что тре­ бует разламывания пластины, хотя глубина реза у лазера больше и составляет обычно 50 мкм при ширине 25 мкм. Применяемые мощные импульсные лазеры (рубин с неодимовыми добавками) обеспечивают на кремнии — чистом, окисленном и покрытом металлом — скорость реза до 50 мм/сек, причем в отличие от скрайбирования отсутствуют холостые ходы. Собственно, говорить о резании в этом случае непра-

329

вйльно, так как под действием лазерного пучка материал испаряем­ ся. Выделяющиеся пары отсасываются специальной вакуумной си­ стемой.

Лазерное разделение еще не нашло широкого применения, в ча­ стности, из-за сложности и дороговизны оборудования. Известно, однако [Л. 7-26], что применение лазерной установки позволило за­ менить четыре скрайбериых станка п увеличить выход годных кри­

в основном из-за низкого качества защитного кислотостойкого покры­ тия. Наилучшие результаты обеспечивает защита воском, по при этом усложняется отмывка, нельзя получить малые размеры и сложные конфигурации кристаллов. Переход к фотолитографии дает выигрыш в размерах, но не обеспечивает надежной защиты. Кроме того, шири­ на линии травления при использовании полирующих травптелеп на основе азотной и плавиковой кислот получается большой (и тем больше, чем толще пластина). Интересен в этом отношении способ травления в селективных травителях, например, на основе пирокате­ хина и этнленднамниа, описанных в гл. 2. Защитной маской при се- лект1гвном травлении служит двуокись кремния или металл (алюми­

ний, золото).

Чтобы надежнее защитить ту поверхность пластины, на которой расположены структуры, обычно применяют травление с обратной стороны. Пластину наклеивают воском на сапфировый диск, сошлпфовывают с обратной стороны до толщины 50 мкм и травят насквозь с защитой из фоторезиста. Для фотолитографического совмещения используют совмещение либо в инфракрасном свете, либо с предва­ рительно выставленным фотошаблоном. Второй вариант разделения показан на схеме рис. 7-10.

7-4. М Е Т О Д Ы М О Н Т А Ж А К Р И С Т А Л Л О В В К О Р П У С И П Р И С О Е Д И Н Е Н И Я В Ы В О Д О В

Целью операции монтажа кристаллов с готовой пла­ нарной структурой является осуществление надежного механического, электрического и теплового контакта кристалла с основанием корпуса. Иногда кристалл изо­ лируют от корпуса электрически, но отвод рассеиваемой мощности осуществляется все равно через контактную границу кристалла с основанием. В отличие от контактов к эмиттеру, базе и т. д. контакт с основанием осущест­ вляется по площади, на 2—3 порядка большей. Суще­ ственным отличием является также почти не лимити­ руемая глубина проникновения контактного материа­ ла. Сочетание этих факторов и обусловило выбор для монтажа кристалла способа эвтектического вплавления (рис. 7 - М) .

330

Эвтектическое вплавление может быть осуществлено либо с помощью прокладок из сплавов (припоев), либо непосредственно контактным образрм. В качестве припо­ ев используют эвтектические сплавы золота с кремнием (6%) или с германием (12%) с низкими температурами плавления: 370 и 356°С соответственно. Обычно приме­ няют шарики из эвтектического припоя; шарики сначала

стину разделяют на кристаллы. Для сборки кристаллов основание корпуса покрывают тонким слоем золота.

Непосредственно сборка осуществляется с примене­ нием ультразвуковых или механических колебаний (с ча­ стотой 50—100 гц). Процесс протекает следующим об­ разом:

1. Основание нагревают до температуры, близкой

кэвтектической.

2.Кристалл захватывают вакуумным капилляром (рис. 7-11), помещают на основание и придают ему ко­

лебания, направленные параллельно поверхности осно­ вания. При достижении в месте контакта температуры 370 °С образуется эвтектика.

3. Нагрев прекращают после образования эвтектики. Прекращение нагрева на этой стадии — довольно крити­ ческая операция. При перегреве может раствориться

Щ

слишком много кремния, и механические свойства кон­ такта ухудшатся. С другой стороны, недостаточные температура или время сплавления также могут приве­ сти к снижению надежности контакта.

Для контроля температуры применяют инфракрас­ ный детектор, который вводится через вакуумный капил­ ляр [Л. 7-2]. На рис. 7-12 показана зависимость реаль­ ной температуры от времени, снятая подобным детекто­

щает время до долей секунды и позволяет уменьшить необходимое количество эвтектики. Если основание кор­ пуса (имеются в виду маломощные приборы) покрыто слоем золота толще 10 мкм, ультразвуковое приплавление можно производить без золочения поверхности кри­ сталла. В мощных транзисторах из-за различия коэф­ фициентов термического расширения кремния и материала

рующие прокладки. Материал прокладки должен иметь коэффициент термического расширения, как можно бо­ лее близкий к коэффициенту расширения кремния, а тол­ щина прокладки должна превышать толщину кристалла. Тогда (в первом приближении) напряжения в кристал­ ле снизятся во столько раз, во сколько суммарная тол­ щина кристалла и прокладки больше толщины самого кристалла. Модуль упругости материала прокладки дол­ жен быть высок, если различие между коэффициентом расширения прокладки и кремния мало, и, наоборот, низок, если это различие заметно. Кроме того, у мате­ риала прокладки должна быть как можно большая теп­ лопроводность.

332

Наиболее подходящими материалами для прокладок являются молибден, вольфрам и керамика на основе оки­ си бериллия.

В маломощных приборах для монтажа кристалла в корпус используют проводящие клеи или легкоплавкие стекла, если не нужен электрический контакт.

Собранные на основании кристаллы поступают на операцию присоединения проволочных выводов методом термокомпрессии или ультразвуковой сварки. Основание

проволоку к контактной площадке структуры. После осу­ ществления соединения проволоку отрезают. Эту опера­ цию осуществляют ко всем контактным площадкам, а затем ко внешним выводам корпуса. Последователь­ ный характер этих операций резко снижает производи­ тельность метода.

Достичь высокой производительности позволяет спо­ соб сборки с использованием уже упоминавшихся паучковых выводов. В алюминиевой или медной ленте тол­ щиной 0,02—0,07 мм штампуют группами выводы, напо­ минающие по виду паучков. На автоматической установке кристалл с помощью специальной оптической системы устанавливается таким образом, чтобы концы выводов паучка совместились с контактными площадками струк­ туры. Ультразвуковой сваркой все выводы одновременно присоединяют к контактным площадкам; кристалл герметизуют пластмассой и отрезают ненужную часть ленты.

С разработкой методов герметизации планарных структур пластмассами появилась возможность автома­ тизации операции монтажа кристаллов. При автомати­ ческой сборке используют металлическую ленту, в кото­

Концы лепестков покрыты тонким слоем золота. На сред­ них широких лепестках монтируют кристаллы. Эту опе­ рацию осуществляет автоматическая установка, раскла­ дывающая кристаллы на прерывисто передвигающуюся ленту. После приплавления кристаллов также автомати­ чески осуществляется присоединение выводов к контакт­ ным площадкам структуры и крайним лепесткам. Нако­ нец, кристалл герметизируют пластмассой и, отрезав перемычки между ячейками ленты, получают готовые приборы.

333