
- •1. Подготовка подложки 56
- •6. Травление 57
- •Классификация процессов микротехнологии
- •1. Процессы формирования слоёв
- •Чистота и микроклимат производственных помещений.
- •2. Микроклимат производственных помещений
- •3. Оборудование для контроля чистоты и микроклимата
- •4. Значение чистоты и микроклимата
- •Классы чистоты материалов и веществ. Примеры.
- •1. Классы чистоты воздуха (iso 14644)
- •2. Классы чистоты материалов
- •3. Классы чистоты материалов и веществ
- •Способы очистки поверхности пластин в микроэлектронном производстве.
- •1. Мокрая химическая очистка
- •2. Сухая очистка
- •Базовые операции планарной технологии.
- •1. Подготовка подложек
- •2. Формирование тонких плёнок
- •3. Литография
- •4. Удаление вещества
- •5. Легирование
- •6. Формирование контактов
- •7. Пассивация
- •8. Соединение и сборка
- •Базовые операции изопланарной технологии.I
- •1. Подготовка подложки
- •2. Формирование изолирующих слоёв
- •Технология «кремний на изоляторе».
- •Уровни вакуума. Способы получения вакуума.
- •Форвакуумные насосы:
- •Приборы для измерения уровня вакуума.
- •Форвакуумные насосы.
- •1. Пластинчато-роторные насосы
- •2. Мембранные насосы
- •3. Поршневые насосы
- •4. Винтовые насосы
- •5. Водокольцевые насосы
- •Насосы для получения высокого и сверхвысокого вакуума.
- •3. Криогенные насосы
- •4. Сорбционные насосы
- •5. Геттерные насосы
- •Термическое вакуумное нанесение.
- •Методы осаждения вещества из газовой фазы.
- •Газофазная эпитаксия кремния: пиролиз, восстановление водородом.
- •Подготовка подложки:
- •1. Пиролиз
- •2. Восстановление водородом
- •Газовая эпитаксия соединений аiii bv.
- •Газофазное осаждение окислов и нитридов.
- •Молекулярно-лучевая эпитаксия.
- •Магнетронное нанесение металлических слоёв.
- •Литографический процесс. Оценка качества и разрешения.
- •Подготовка подложки:
- •Травление:
- •Литографический процесс. Негативный и позитивный резисты.
- •Фотошаблоны. Совмещение.
- •1. Фотошаблоны
- •2. Совмещение (Aligment)
- •Последовательность операций стандартного фотолитографического процесса.
- •1. Подготовка подложки
- •2. Нанесение фоторезиста
- •3. Экспонирование
- •4. Проявление
- •5. Постобработка резиста
- •6. Травление
- •7. Удаление резиста
- •8. Контроль качества
- •Методы нанесения резистов. Адгезия.
- •1. Центрифугирование (спин-костинг, spin-coating)
- •2. Нанесение методом погружения (дип-костинг, dip-coating)
- •3. Напыление (спрей-костинг, spray-coating)
- •4. Литьё (casting)
- •5. Нанесение методом распыления центрифугой
- •Ультразвуковая очистка.
- •Фотолитография. Способы экспонирования. Разрешающая способность.
- •1. Основы фотолитографии
- •4. Применение фотолитографии
- •Виды дефектов при проведении литографии.
- •1. Виды дефектов в литографии
- •1.1. Дефекты, возникающие на этапе нанесения фоторезиста
- •1.2. Дефекты, возникающие на этапе экспонирования
- •1.3. Дефекты, возникающие на этапе проявления
- •1.4. Дефекты, возникающие на этапе травления
- •2. Типы литографических дефектов по механизму их возникновения
- •2.1. Геометрические дефекты
- •2.2. Дефекты из-за взаимодействия с окружающей средой
- •2.3. Дефекты, связанные с оптическими эффектами
- •3. Способы борьбы с дефектами литографии
- •Методы термического окисления кремния. Способы реализации и особенности.
- •1. Принципы термического окисления
- •2. Методы термического окисления
- •2.1. Сухое окисление
- •2.2. Мокрое окисление
- •2.3. Комбинированное (двухэтапное) окисление
- •3. Способы реализации процесса термического окисления
- •3.1. Печи для термического окисления
- •3.2. Локальное окисление (locos)
- •3.3. Быстрое термическое окисление (rto)
- •3.4. Плазмохимическое окисление
- •4. Особенности термического окисления
- •5. Применение термического окисления
- •Распределение примесей при термическом окислении
- •1. Принципы распределения примесей
- •6. Методы контроля распределения примесей
- •Физика диффузионных процессов. Двухстадийная диффузия.
- •Математическое описание диффузионных процессов в твёрдых телах. Законы диффузии.
- •1. Основные законы диффузии
- •1.1. Первый закон Фика (статический)
- •5. Влияние температуры на диффузию
- •6. Примеры диффузионных процессов
- •Распределение примесей при диффузии. Стадия «загонки» (введение примесей).
- •1. Основные этапы процесса диффузии
- •1.1. Стадия загонки (введение примесей)
- •Распределение примесей при диффузии. Стадия «разгонки» (перераспределение примесей).
- •1. Характеристики стадии «разгонки»
- •2. Модели перераспределения примесей
- •2.1. Диффузия с неограниченным источником
- •2.2. Диффузия с ограниченным источником
- •3. Основные параметры распределения
- •4. Факторы, влияющие на перераспределение примесей
- •5. Применение стадии разгонки
- •6. Пример: Диффузия бора в кремнии
- •Методы осуществления процесса диффузии. Источники и способы введения примесей. Оборудование для диффузии.
- •5. Применение процесса диффузии
- •Математическое описание процесса ионной имплантации.
- •1. Прямолинейное распределение (наивная модель)
- •2. Гауссово распределение ионов
- •3. Влияние каналирования
- •Физика процесса ионной имплантации. Эффекты разупорядочивания и каналирования.
- •Ионная имплантация. Процессы дефектообразования. Отжиг дефектов.
- •Применение методов ионной имплантации в микротехнологии. Легирование, окисление, нитрирование, протонизация.
- •1. Легирование полупроводников
- •2. Окисление ионной имплантацией
- •3. Нитрирование ионной имплантацией
- •4. Протонизация
- •Аппаратурная реализация процессов ионной имплантации.
- •Форвакуумные насосы.
- •Жидкостное химическое травление. Травители, стадии процесса, управление скоростью процесса.
- •Изотропное жидкостное травление кремния.
- •Подготовка подложки:
- •Травление:
- •Ориентационно-чувствительное анизотропное травление.
- •Плазменное и ионное травление.
- •1. Плазменное травление
- •2. Ионное травление
- •Свойства материалов, необходимые для создания проводящих и изолирующих слоёв интегральных микросхем.
- •2. Изолирующие материалы
- •Ионно-химическое осаждение слоёв.
- •Ионно-химическое травление.
Термическое вакуумное нанесение.
Термическое вакуумное нанесение — это метод формирования тонкоплёночных покрытий на поверхности подложек в условиях вакуума. Основан на испарении материала с последующей конденсацией паров на холодной подложке. Данный метод используется для получения металлических, диэлектрических и полупроводниковых слоёв с высокой чистотой и однородностью.
Принцип термического вакуумного нанесения
Испарение материала:
Материал для покрытия нагревается в вакуумной камере до температуры испарения.
Испарение достигается за счёт термического воздействия (резистивного нагрева, электронной пушки, лазера и др.).
Движение паров:
Частицы испарённого материала перемещаются по прямым траекториям благодаря низкому давлению (10^{-3} – 10^{-6} Торр), минимизирующему столкновения с молекулами остаточного газа.
Осаждение на подложке:
Частицы конденсируются на охлаждённой поверхности подложки, формируя тонкий плёночный слой.
Основные этапы процесса
Подготовка вакуумной камеры:
Очистка камеры и создание требуемого уровня вакуума.
Подготовка материала и подложки:
Материал-мишень очищается от загрязнений.
Подложка очищается и устанавливается на держатель с возможностью нагрева или вращения для равномерного покрытия.
Испарение материала:
Материал нагревается до испарения.
Конденсация:
Частицы материала осаждаются на подложке, образуя равномерное покрытие.
Завершение процесса:
Остановка испарения, постепенная вентиляция камеры и извлечение подложки с покрытием.
Методы нагрева при термическом нанесении
Резистивное нагревание:
Материал нагревается в тигле или проволочной катушке из тугоплавкого металла.
Простота и низкая стоимость.
Подходит для материалов с невысокой температурой плавления (например, алюминий, золото).
Электронно-лучевое испарение:
Электронный пучок высокой энергии нагревает материал, превращая его в пар.
Используется для тугоплавких материалов (например, вольфрам, тантал).
Преимущество: высокая скорость испарения, высокая чистота покрытия.
Лазерное испарение:
Интенсивный лазерный луч нагревает материал.
Преимущество: возможность локального нагрева и испарения.
Индукционное нагревание:
Используется высокочастотное электромагнитное поле.
Преимущество: равномерный нагрев материала.
Преимущества термического вакуумного нанесения
возможность реализации высоких скоростей нанесения материалов в высоком вакууме, простота
отработанность технологических операций
наличие современного высокопроизводительного оборудования
Высокая чистота покрытия:
Минимальное количество загрязнений благодаря вакуумной среде.
Однородность плёнки:
Контроль толщины и структуры покрытия.
Универсальность:
Подходит для нанесения металлов, диэлектриков, полупроводников.
Экономичность:
Простое оборудование для резистивного испарения.
Недостатки метода
трудность обеспечения высокой производимости свойств плёнок при осаждении веществ сложного состава
трудность испарения тугоплавких материалов
высокая инерционность испарителей и сравнительной небольшой срок их использования
Ограничение материалов:
Трудности при испарении материалов с низким давлением пара или склонностью к разложению.
Температурное воздействие:
Возможность термического повреждения подложки.
Ограничение по площади покрытия:
Неравномерность осаждения на крупных подложках.
Применение термического вакуумного нанесения
Электроника:
Формирование тонких плёнок для транзисторов, диодов, конденсаторов.
Нанесение проводящих слоёв (например, алюминия, меди, золота).
Оптика:
Нанесение антибликовых и отражающих покрытий.
Производство зеркал и линз с высокими оптическими характеристиками.
Микроэлектромеханические системы (MEMS):
Формирование структур на подложках для сенсоров, микроустройств.
Ювелирная промышленность:
Нанесение декоративных и защитных покрытий (золото, платина).
Космическая техника:
Создание зеркал и защитных покрытий для спутников и телескопов.
Инструментальная промышленность:
Покрытие режущих и штамповочных инструментов для повышения их стойкости.
Контроль качества покрытий
Толщина покрытия:
Контролируется кварцевыми микробалансами или оптическими интерферометрами.
Чистота:
Анализ проводится с использованием спектроскопии, масс-спектрометрии.
Адгезия:
Проверяется с помощью механических и термических тестов.
Термическое вакуумное нанесение остаётся одним из наиболее универсальных и экономически эффективных методов для создания высококачественных тонкоплёночных покрытий.
Требования к системам металлизации ИС
высокая проводимость (ρ < 10-6 Ом·см);
хорошая адгезия как к Si, так и к SiO2;
качественный омический контакт к n- и p-Si;
не образует интерметаллических соединений;
не образует примесные уровни в кремнии;
технологичность методов осаждения и формирования рисунков;
устойчивость к электродиффузии в металле;
металлургическая совместимость со сплавами, применяемыми для присоединения внешних проводов;
термическая стабильность;
гладкая межфазная граница.
Плёнки алюминия |
|
+ |
– |
|
|
Основные методы осаждения тонких плёнок
вакуумное испарение (напыление) с косвенным подогревом;
ионно-плазменное распыление;
осаждение из газовой фазы с помощью газотранспортных реакций;
восстановление в атмосфере водорода;
термохимическое разложение;
электрохимическое осаждение
Этапы образования плёнки
Перевод напыляемого материала в парообразное состояние
Перенос пара от источника испарения к подложке;
Конденсация пара на подложке и образование плёнки
В производстве гибридных микросхем металлические плёнки напыляют на диэлектрические подложки. Для таких сочетаний химически неродственных материалов (конденсата и подложек) велико реиспарение, зародышеобразование и рост тонких плёнок затруднены.
Испарение металлов осуществляют в испарителях. В зависимости от способа нагрева испарители можно подразделить на резистивные и электронно-лучевые. По конструктивным признакам различают проволочные, ленточные и тигельные резистивные испарители.
К материалам, используемым для изготовления нагревателей резистивных испарителей, предъявляют следующие требования:
давление пара материала нагревателя при температуре испарения осаждаемого вещества должно быть пренебрежимо малым
материал нагревателя должен хорошо смачиваться расплавленным испаряемым материалом, что необходимо для обеспечения хорошего теплового контакта между ними
между материалами нагревателя и испаряемым веществом не должно возникать никаких химических реакций
Электронно-лучевой испаритель, используемый в установках для осаждения тонких плёнок, должен, удовлетворять ряду специфических требований:
малогабаритность
низкие рабочие напряжения
широкий диапазон удельных мощностей электронного луча
стабильность и воспроизводимость удельной мощности после замены катода и разборки испарителя
Наиболее полно этим требованиям удовлетворяют электронно-лучевые испарители со щелевой формой электродов электронного прожектора и секторным магнитным отклонением ленточного пучка на угл от 90 до 180 с использованием трехэлектродной электронно-оптической системы.
Нагрев подложки осуществляют с целью уменьшения количества загрязнений на ее поверхности и улучшения сцепления плёнки с подложкой. В установках термического испарения части используют систему лучистого нагрева подложек, содержащую излучатель и рефлектор. Температура подложки выбирается оптимальной, чтобы обеспечить конденсацию пара и адгезию к ней плёнок. нагрев подложек необходим для десорбции вредных веществ, являющихся основной причиной плохой адгезии.
Структура напиленной плёнки зависит от материала, состояния поверхности и температуры подложек, скорости напыления. Они могут быть аморфными, поликристаллическими, монокристаллическими. Размер зерна металлических плёнок зависит от температуры плавления металла. Металлы с высокой температурой плавления образуют плёнки с малыми размерами зёрен. Металлы с низкой температурой плавления – крупнозернистые. Крупнозернистые плёнки имеют большую стабильность электрофизических свойств, чем мелкозернистые. Таким образом, пр вакуумном напылении необходимо повышать скорость напыления, а размеры зёрен плёнки увеличивать за счёт повышения температуры подложки при напылении и отжиге.
Отжиг плёнок производится в вакуумных установках непосредственно после напыления при температурах подложек несколько превышающих температуры напыления. Это делается для упорядочения структуры и уменьшения внутренних механических напряжений плёнок с целью повышения их стабильности и улучшения адгезии к подложкам. В процессе отжига межзеренные промежутки в плёнках уменьшаются, и следовательно снижается число структурных дефектов. При этом сопротивление резистивных и проводящих плёнок уменьшается.
Для улучшения воспроизведения плёнками рельефа подложки особенно на заключительных стадиях изготовления микросхемы, хорошего облегания плёнками ступенек ее структуры, часто в установках термовакуумного напыления используют совершающие планетарное движение подложко-держатели сферической формы, способствующие организации подлёта испарённых атомов к подложке под разными углами.