Лазеры. Лазерные технологии. Учебное пособие

или при относительно большом времени воздействия возможно формирование однородного аустенита. Уменьшение температуры нагрева и времени воздействия в результате повышения критических точек и замедления процесса гомогенизации приводит к большой неоднородности аустенита в стали, особенно по углероду.

Кроме аустенита в этих условиях при высокой температуре возможно существование нерастворившихся карбидов.

Степень неоднородности структуры, образовавшейся в результате лазерного нагрева, зависит от дисперсности исходной структуры. Причем чем дисперснее исходная структура, тем меньше неоднородность аустенита.

§ 4.7 Получение поверхностных покрытий с применением лазерного излучения,

лазерное легирование неметаллическими компонентами

Лазерное легирование углеродом, азотом, кремнием и бором заключается в нанесении на поверхность обмазок или паст и последующем оплавлении поверхности импульсным или непрерывным лазерным излучением. Реже производят лазерное легирование в газовой или жидкой фазе. Средняя глубина образующихся легированных слоев составляет 0,3 -0,4 мм при импульсной обработке и 0,3 -1,0 мм при обработке непрерывным излучением. Рассмотрим основные виды лазерного легирования [37, 39].

§ 4.8 Цементация

Лазерную цементацию осуществляют на основе растворов графита или сажи в ацетоне, спирте и других растворителях. Используют также растворы в различных лаках. В состав обмазок добавляют различные активизирующие добавки (бура,

хлористый аммоний и др.).

Для насыщения углеродом из газовой фазы над обрабатываемой поверхностью необходимо создавать высокое давление (10 МПа) для усиления диссоциации углеродсодержащих газов.

51

Лазерная цементация из жидкой фазы, иначе называемая гидролучевой обработкой [35, 39], осуществляется в углеродсодержащих растворах.

Обрабатываемую деталь помещают в жидкость, содержащую углерод (гексан,

толуол, четыреххлористый углерод, минеральное масло и др.). При лазерном воздействии в жидкости образуется парогазовый канал, через который излучение попадает на поверхность изделия. Непосредственно над изделием в жидкости образуется куполообразная газовая полость, насыщенная парами углерода.

В зависимости от количества введенного углерода фазовый состав легированного участка поверхности и его микротвердость могут быть различными.

Если в зону оплавления низкоили среднеуглеродистой стали вводится небольшое количество углерода, то структура состоит из мартенсита и остаточного аустенита.

Микротвердость в этом случае достигает достаточно высоких значений (9000 МПа)

вследствие высокой насыщенности мартенсита. При введении большого количества углерода в зону оплавления количество аустенита может заметно увеличиваться и микротвердость будет колебаться в широких пределах (4500 - 9000 МПа).

Дальнейшее повышение содержания углерода приводит к появлению в структуре кроме мартенсита и аустенита карбидов. Подобный эффект наблюдается и при лазерной цементации высокоуглеродистых сталей. Микротвердость с увеличением количества карбидной фазы повышается от 9000 до 14 000 МПа.

Лазерную цементацию целесообразно использовать для повышения твердости углеродистых сталей.

§ 4.9 Азотирование.

Лазерное азотирование выполняют с использованием паст на основе аммиачной соли, карбамида и др. Для азотирования сталей из газовой фазы над обрабатываемой поверхностью необходимо создать давление азота порядка 9 МПа,

что затрудняет практическое применение этого процесса.

Легко осуществляется газовое азотирование титана, циркония, гафния и сплавов на их основе. Для этого достаточно провести лазерное оплавление в струе азота. При

52

азотировании титановых сплавов в зоне оплавления формируется альфированный слой, содержащий нитриды титана с высокой микротвердостью (17000 - 20 000

МПа) [39] .

Анализ структуры зоны азотирования сталей указывает на наличие азотного мартенсита, остаточного аустенита и нитридов железа. Следует отметить, что азотистый мартенсит сохраняется при нагреве до высоких температур, что позволяет рекомендовать лазерное азотирование для повышения теплостойкости.

Основное же назначение лазерного азотирования - увеличивать твердость и износостойкость.

§ 4.10 Силицирование

Лазерное силицирование осуществляется из твердой фазы с нанесением обмазок, содержащих порошок кремния, или из жидкой фазы типа суспензии силикагеля [41].

При силицировании сталей с концентрацией кремния до 0,1 % в структуре образуется фаза α - Fе, очевидно мартенсит. При последующем увеличении концентрации кремния в структуре зоны легирования кроме фазы α—Fе также образуются силициды Fе3Si, Fе5Si3, FеSi и FеSi. Микротвердость в этой зоне возрастает от 8000 до 15000 МПа.

Кроме повышения износостойкости лазерное силицирование приводит к увеличению теплостойкости и коррозионной стойкости сталей.

§ 4.11 Борирование.

Лазерное борирование проводят, в основном, с использованием легирующих составляющих в твердой фазе в виде смеси порошков бора, карбида бора, борного ангидрида, буры, ферробора со связующим веществом. Также используются водные суспензии этих порошков [41].

Борирование может выполняться оплавлением поверхностных слоев,

напыленных плазмой, а также оплавлением диффузионных покрытий.

53

Если легирование осуществляется при небольшом содержании бора, то структура борированной зоны представляет собой фазу α - Fе и боридную эвтектику с микротвердостью 6000 - 12000 МПа. При увеличении концентрации бора в структуре появляется большое количество боридов, таких как Fе3В, Fе2В, FеВ,

обеспечивающих повышение микротвердости до 21000 Мпа [23].

В отличие от цементации и азотирования при борировании в структуре отсутствует остаточный аустенит, что обеспечивает высокие твердость и износостойкость. При увеличении в структуре содержания борида FеВ

обеспечивается высокая стойкость поверхности к абразивному износу. Для повышения вязкости в структуре необходимо получать другие бориды - Fе3В и

Fе2В. Если в структуре имеются бориды Fе2В и FеВ, то в зоне легирования высокая твердость сохраняется и при нагреве до 600 °С.

54

Глава 5. Применение лазеров в микроэлектронике.

§ 5.1 Скрайбирование лазером

Скрайбирование является эффективным методом разделения таких неметаллических материалов, как керамика, кремний или стекло. При скрайбировании лазером прорезаются риски, слегка углубляющиеся в подложку.

Затем, приложив механическое усилие, разделяют пластину на отдельные части [30, 42, 43, 44, 49] .

Метод лазерного скрайбирования имеет ряд преимуществ по сравнению с другими методами: отсутствие трещин и микросколов; обработка практически всех полупроводниковых материалов с различными покрытиями и с любым соотношением размера кристалла в плане к его толщине, сквозное разделение пластин; высокая скорость обработки (до 250 мм/с), экономия полупроводниковых материалов благодаря более тесному расположению приборов на пластине из-за малой ширины реза и дефектной зоны, которая не превышает 50 мкм.

Однако при лазерном скрайбировании недостаточно стабильны механические характеристики боковых граней некоторых приборов, в результате этого кристаллы малопригодны для дальнейшей автоматической сборки. Поэтому лазерное скрайбирование в основном применяют для производства дискретных приборов.

Кроме того, этот метод мало используют для разделения пластин с интегральными микросхемами, содержащими 100 и более элементов на кристалле.

Это вызвано загрязнением поверхности полупроводниковой пластины продуктами обработки.

Для лазерного скрайбирования кремниевых пластин используют лазеры,

характеризующиеся следующими основными параметрами:

Длина волны излучений - 1,06 мкм, фокусировка излучения в пятно диаметром - 25 мкм, высокие импульсная мощность и частота следования импульсов.

При скрайбировании керамики на основе Аl2О3 следует использовать непрерывный СО2-лазер

55

В отечественной промышленности нашла распространение установка лазерного скрайбирования "КВАНТ-14", формирующая на пластинах кремния риски глубиной 0,05 и шириной 0,04 мм со скоростью 6000 мм/мин.

§ 5.2 Лазерная пайка

Пайка является одной из самых массовых технологических операций в современном производстве изделий электронной техники. Для изготовления прочных и надежных паяных соединений необходимо плотное сцепление припоя с изделиями, отсутствие раковин, пузырей и посторонних включений. Большинству этих требований отвечает лазерная пайка. Благодаря возможности концентрации лазерного излучения на малой площади поверхности обрабатываемой детали легко достигают температурных условий для любых видов пайки.

Основными преимуществами лазерной пайки являются [43,45] : -высокая скорость нагрева обрабатываемых объектов;

-точное дозирование энергии в процессе пайки;

-нагрев труднодоступных участков обрабатываемых деталей;

-пайка в изолированном объеме и строго контролируемой среде;

-совмещение процессов пайки с другими технологическими процессами

(очисткой поверхности, изменением ее химического состава и др.);

-возможность механизации и автоматизации пайки, быстрой перестройке лазерного оборудования и, как следствие, легкой встраиваемости в гибкие производственные системы.

Для навески элементов печатных плат со скоростью 300-500 точек в минуту используют установку "КВАНТ-20", основу которой составляет лазер на гранате непpepывнoгo действия (ЛТН-101) мощностью 63 Вт.

56

§ 5.3 Лазерная микротехнология. Селективное осаждение металлических

слоев.

В настоящее время разработано несколько методов лазерного селективного осаждения металлических пленок на разные подложки. Перспективным является применение лазера для осаждения металлических пленок из газовой фазы на подложки, поверхность которых поглощает лазерное излучение. В результате химической реакции на разогретой поверхности происходит разложение металлорганических или других металлсодержащих соединений и освобождающиеся атомы металла формируют пленку [46, 47].

Процесс протекает следующим образом. На первом этапе термическим испарением твердого металла в тигле с резистивным нагревом, расположенном в кварцевом откаченном контейнере, получают, например, пары цинка. Далее пары металла транспортируются потоком гелия к подложке, которую локально засвечивают лазерным лучом через окно, пропускающее излучение. В результате осаждения в зоне облучения подложки выращивается пленка цинка. Край выращенной пленки четко соответствует краю световою пятна.

Разработанную методику лазерного фотоосаждения используют для непосредственного формирования и подгонки сложных активных элементов на кристалле интегральной микросхемы. Кроме того, по этой методике осуществляют индивидуальную тонкую подстройку параметров всех приборов, характеристики которых должны быть точно согласованы между собой лазерное излучение разрушает молекулы металлорганических соединений и обеспечивает конденсацию атомов металла на поверхности кристалла. Фактически этим полностью заменяется многоэтапная фотолитографическая операция формирования слоев на поверхности.

Таким методом на заранее подготовленные кремниевые МДП-транзисторы наносят

("рисуют") кадмиевые электроды затворов. Каждый электрод формируется многократным сканированием с помощью лазерного луча, наносящего металлические полоски шириной 2 мкм поэтому, изменяя число и продолжительность циклов сканирования, можно регулировать размеры электрода,

57

определяющие пороговое напряжение и крутизну характеристики отдельных полевых транзисторов.

Этот метод осаждения металлов используют для формирования монтажных соединений между бескорпусными полупроводниковыми приборами,

установленными непосредственно на платах. Плату с приклеенными приборами помещают в камеру, заполненную парами металлсодержащих соединений. С

помощью аргонового лазера на подложке разогревают полосы, на которые осаждаются токоведущие дорожки из вольфрама, золота и др. Ширина соединений может достигать 1 мкм.

Другими методами осаждения, основанными на прямом фотохимическом разложении реагентов, находящихся в паровой фазе, получают слои алюминия из триметилалюминия для возбуждения фотохимической реакции требуется излучение определенной длины волны, например лазеры, излучающие в ультрафиолетовой области спектра. В этом случае также происходит осаждение лишь в локальной области воздействия лазерного пучка.

Лазерное излучение используют для ускорения процесса нанесения гальванических покрытии лазерным пучком нагревают поглощающую излучение подложку, что приводит к ускоренному в сотни раз росту покрытия на нагретых участках в результате этого на подложке создается металлизированный рисунок размером в несколько микрометров.

§5.4. Подгонка пленочных резисторов микросхем.

Внастоящее время активные и пассивные DC-фильтры, генераторы,

различные усилители и преобразователи, как правило, изготовляют на базе тонко-

либо толстопленочной технологии. Заданные выходные характеристики обеспечиваются точностью номиналов пленочных резисторов и подгонкой их сопротивления [45] .

В современных микросхемах допуск на номинал резисторов не должен превышать ± (0,01...0,0002)%, что соизмеримо со стабильностью резистивного

элемента.

58

Существующие методы получения резистивных пленок и создания структуры пленочных резисторов в настоящее время не обеспечивают точности сопротивления более чем 10% поэтому применяют различные методы подгонки, основанные на технологической обработке структуры пленочных резисторов (изменение геометрических размеров или электрофизических свойств материала резистивной пленки).

Методом лазерной подгонки можно создавать монолитные интегральные микросхемы источника опорного напряжения с прецизионными тонкопленочными резисторами, отличающиеся высокой стабильностью. Погрешность сопротивления таких резисторов составляет 0,02 %. Ранее добиться таких результатов не удавалось,

поскольку традиционно используемые в монолитных интегральных микросхемах диффузионные резисторы, как правило, имели разброс номиналов около 1%.

§ 5.5 Ремонт устройств памяти и других микросхем

Создание строчек и столбцов резервных элементов в сверхбольших интегральных микросхемах запоминающих устройств (СБИСЗУ) является средством повышения выхода годных приборов на уровне значительной информационной емкости. Резервирование, предусматривающее дополнение динамических запоминающих устройств (ЗУ) с произвольной выборкой (ЗУПВ)

запасными запоминающими элементами для замены неисправных схемных блоков,

позволяет повышать выход годных кристаллов в пять раз [45] .

Резервирование в сочетании с технологией восстановления неисправных ЗУ отключением дефектных и подключением вместо них исправных запасных элементов, выполняемых с помощью лазерного луча, обеспечивает высокий экономический эффект.

Благодаря применению резервирования и лазерного метода восстановления кристаллов возможно удвоить выпуск работоспособных ЗУ на существующих производственных линиях. Для этого требуется примерно в пять раз меньше средств

59

и вдвое меньше времени, чем на непосредственное удвоение всего комплекса производственных мощностей по изготовлению кристаллов. Это экономически выгодно и для серийного производства ЗУПВ большой емкости.

§ 5.6 Лазерная технология полупроводников.

Мощные лазеры нашли широкое применение в производстве полупроводниковых приборов. Лазеры используют для отжига пластин после ионного легирования, увеличения размера зерен в поликристаллическом кремнии,

подгонки стабилитронов и создания металлических контактов [42, 43, 45, 47].

Все это оказалось возможным благодаря прецизионному характеру обработки лазерным лучом, который нагревает небольшое пятно в том месте, куда он сфокусирован, и точно на заданную глубину. Кроме перечисленных преимуществ лазерная термообработка является энергосберегающей. Например, термообработка,

необходимая для восстановления монокристаллической структуры кремния,

нарушенной в результате легирования ионами высокой энергии, занимает около 30

мин при 1000 °С. Эта же операция, проведенная лазером, занимает в 10 раз меньше времени при таком же снижении затраченной энергии.

Как правило, для лазерной обработки полупроводников используют стандартные серийно выпускаемые твердотельные и газовые лазеры, излучающие в широком интервале длин волн. В последнее время разработаны новые типы лазеров,

дающие возможность облучать большие площади, что является перспективным методом для больших интегральных схем, формируемых на пластинах большего диаметра.

К областям технологии производства полупроводников, в которых наиболее эффективно применяется лазерная обработка, относятся очистка и улучшение рельефа поверхности; легирование и перераспределение примеси; отжиг дефектов;

генерирование примесей; изменение сопротивления поликристаллических кремниевых проводников;

60