Билет № 1 введение

Основные технологические группы процессов в производстве ЭС: нанесение и модификация материалов, удаление материалов и получение заданной конфигурации технологических структурных элементов микросхем, в том числе полупроводниковая технология, пленочная технология, микролитография, технология изготовления, сборки и монтажа конструктивно-технологических элементов ЭС. Использование современных достижений физики и химии в технологии производства ЭС: электрон­ные, ионные, атомные, лазерные, фотонные пучки, плазма, плазмохимия.

Электроника является основой совре­менного научно-технического прогресса. Она обладает самыми высокими темпами развития научных исследований, разработки техноло­гий, расширения номенклатуры и объемов промышленного выпуска ИЭТ.

Научные исследования в электронике ох­ватывают широкий круг явлений, связанных с электронными и ионными процессами в ва­кууме, газовых и жидких средах, твердых телах и на границе раздела сред, а также оптоэлектронными фотонными явлениями, глубоким изучением свойств вещества под действием сверхвысоких магнитных и электрических полей, электромагнитных полей сверхвысоких частот, квантово размерных дефектов, явлений сверхпроводимости и т.д.

Технологии электроники основаны на использовании процессов получения монокристаллических и сверхчистых материалов, пре­цизионной размерной обработки их в контро­лируемых технологических средах с обеспече­нием низкого уровня вносимых загрязнений и дефектов, последовательным формированием физической структуры ИЭТ с высокой вос­производимостью характеристик, заданным уровнем качества и надежности.

Специфика электронных технологий со­стоит в строгой детерминации последователь­ности технологических операций, необходимо­сти вести высокоточную и бездефектную обра­ботку, так как для большинства типов ИЭТ возникновение хотя бы одного случайного дефекта в процессе изготовления ведет к не­устранимому браку.

Технологическая обработка, как правило, проводится в специальных технологических помещениях - чистых комнатах, что снижает вероятность образования дефектов или загряз­нений ИЭТ путем создания очищающих кон­диционных технологических сред, защиты обрабатываемого изделия от загрязняющего воздействия оператора с помощью специаль­ного оборудования.

Необходимость обеспечения массового производства ИЭТ требует создания высоко­производительного надежного автоматизиро­ванного специального технологического обо­рудования (СТО), которое работает на самых различных принципах в широком диапазоне измерения физических параметров: от гелие­вых температур до 1600–1700 К; от давлений 10^-9 до 10⁹ Па; от перемещений на расстояния в несколько атомных слоев до десятков метров и т.д.

Высокие темпы развития электронных технологий (средний срок разработки принци­пиально новых технологий составляет около 5–6 лет, срок "жизни" технологий не превы­шает 15 лет) существенным образом сказыва­ются и на темпах смены поколений техноло­гического оборудования. Существует довольно значительная разница потребности в смене оборудования в отдельных отраслях электро­ники, и она, в первую очередь, обусловлена степенью специализации оборудования.

Поддержание необходимого технологиче­ского уровня, например, в микроэлектронном производстве, по опыту зарубежных фирм, тре­бует смены основного парка специального техно­логического оборудования через 4–5 лет.

Технологический процесс создания ИЭТ характеризуется специфическими требования­ми к оборудованию, материалам, условиям проведения операции обработки и методам контроля.

Основу ИЭТ составляют интегральные микросхемы (ИС).

Технологический процесс изготовления ИС включает большое число операций (до нескольких со­тен) и представляют совокупность различных методов обработки: механических, химиче­ских, термических, оптических, плазменных и др. Технологический маршрут можно разде­лить на три этапа, объединяющие входящие в них операции в самостоятельные технологиче­ские процессы.

Первый этап – заготовительные опера­ции: ориентация монокристаллических слит­ков, резка их, шлифование, полирование и очистка пластин.

Второй этап объединяет опе­рации, обеспечивающие формирование мик­роструктур ИС: эпитаксию, диффузию, окис­ление, имплантацию, литографию, осаждение слоев из газовой фазы и в вакууме. Большин­ство из этих операций повторяется по не­сколько раз в технологическом процессе изго­товления ИС.

Третий этап – монтажно-сборочные опе­рации: разделение пластин на кристаллы, ус­тановка в корпус, монтаж выводов, герметиза­ция, испытания, маркировка и упаковка.

Каждый из этих этапов включает, кроме указанных, различные контрольные операции, обеспечивающие отбраковку изделий, кон­троль за ходом технологического процесса и проверку на функционирование.

Основная часть производственного цик­ла – формирование микроструктур ИС – наи­более полно характеризует особенности мето­дов обработки в электронном машинострое­нии. Несмотря на многообразие различных по своей природе операций этого этапа, они имеют ряд общих особенностей.

Первой, наи­более важной особенностью является принцип групповой обработки, когда одновременной обработке подвергаются несколько подложек (десятки, сотни), на каждой из которых нахо­дится большое число (до несколько сотен) микросхем. Обработка партий изделий в оди­наковых условиях позволяет повысить воспро­изводимость их параметров, увеличить произ­водительность операций и снизить стоимость продукции.

Второй особенностью интеграль­ной технологии, вытекающей из принципа групповой обработки, является универсаль­ность методов. Она заключается в том, что для создания различных элементов ИС применя­ются одинаковые по физической природе и режимам процессы.

Третья особенность про­изводства ИС – совместимость операций – связана с наличием в технологическом процес­се многократно повторяющихся комплексов операций. Неизменность уже созданных струк­тур при последующих технологических опера­циях должна обеспечить согласованность ме­тодов и режимов обработки на всем маршруте создания микроструктуры.

Основными технологическими направле­ниями, позволяющими формировать микро­структуры ИС, являются гибридно-пленочное и полупроводниковое. В гибридных ИС на диэлектрической подложке путем нане­сения различных пленок создаются пассивные элементы схем (в основном резисторы R и конденсаторы С) и соединения между ними, а активные элементы АЭ (диоды, транзисторы, полупроводниковые ИС) устанавливаются посредством навесного монтажа. В некоторых случаях в качестве навесных элементов используют и пассивные элементы – резисторы и конденсаторы. Гибридная технология может быть реализована в двух вариантах: тонкопленочном и толстопленочном.

В тонкопленочной технологии пассивные элементы схем обычно получают путем нане­сения слоев в вакууме: либо с помощью тер­мовакуумного испарения, либо ионным рас­пылением материалов. Технологический мар­шрут изготовления гибридных тонкопленоч­ных ИС определяется методикой формирова­ния рисунка функциональных слоев. Конфи­гурация резистивных, проводящих и диэлек­трических слоев может быть получена с при­менением свободной и контактной масок или фотолитографией. Для получения отдельных слоев со специальными свойствами (диэлектрик с высокой удельной емкостью, толстый проводящий слой и др.) наряду с осаждением в вакууме применяют электрохи­мический, химический и другие методы полу­чения слоев.

В гибридных толстопленочных ИС пас­сивные элементы схем и межсоединения полу­чают путем последовательного нанесения на поверхность подложек различных функцио­нальных паст, затем проводят их сушку и вжигание для придания необходимых элек­трофизических свойств и закрепления на под­ложке. Рисунок элементов ИС обычно полу­чают путем нанесения паст через сетчатые трафареты.

В полупроводниковых ИС реализуются и активные и пассивные элементы, они создают­ся как в объеме подложки - полупроводника, так и на ее поверхности. Основными процес­сами при создании элементов являются эпитаксия, диффузия, имплантация, пассивация, осаждение слоев в вакууме и литография. По­лупроводниковые ИС имеют более высокую по сравнению с гибридными ИС степень ин­теграции и меньшие размеры элементов, кон­фигурацию которых выполняют фотолитогра­фией, рентгено-, электроно- и ионолитографией, обеспечивающими получение субмик­ронных размеров.

По типу активных элементов (транзисто­ров) полупроводниковые ИС подразделяются на биполярные и полевые на МДП-структурах (металл-диэлектрик-полупроводник). В отли­чие от гибридных в полупроводниковых ИС серьезной проблемой является создание изо­ляции элементов, которая может быть выпол­нена р-n-переходами, смещенными в обрат­ном направлении, с помощью воздушных промежутков и диэлектрических материалов. Тип активного прибора и метод изоляции являются определяющими факторами для раз­работки технологического процесса формиро­вания полупроводниковых микроструктур.

Схема типового технологического процесса изготовления полупроводниковой ИС.

1 – формирование партий пластин;

2 – обезжиривание;

3 – химическая обработка;

4 – вы­борочный контроль качества очистки;

5 – снятие стекла и оксида;

6 – плазмохимическое напыление;

7 – имплантация ионов бора;

8 – имплантация ионов фосфора;

9 – переуклад­ка пластин в кварцевую лодочку;

10 – высокотемпературное окисление;

11 – отжиг базы;

12 – окисление низкотемпературное;

13 – отжиг эмиттера;

14 – отжиг стабилизирующий;

15 – разделительная диффузия;

16 – вплавление алюминия;

17 – переукладка пластин в кас­сету;

18 – определение толщины оксида;

19 – снятие оксида с пластины;

20 – измерение поверхностного сопротивления;

21– измерение глубины диффузионного слоя;

22– нанесение пленки алюминия;

23 – нанесение пленки фоторезиста и термокомпрессионная сушка;

24 – контроль выборочный;

25 – совмещение и экспонирование;

26 – проявление фотослоя;

27 – контроль качества проявления (выборочно);

28 – травление оксида;

29 – контроль качества травления (выборочно);

30 – травление металла;

31 – контроль травления металла (выбо­рочно);

32–удаление фоторезиста;

33 – контроль полноты удаления фоторезиста;

34 – контроль после фотолитографии;

35 – контроль вольт-амперных характеристик;

36 – конт­роль по тестовым структурам;

37 – контроль статических параметров ИМС;

38 – упаковка пластин

Технологический процесс как большая система рассматривает­ся на различных этапах производства изделия. Поскольку ТП подвергается воздействию многочисленных факторов, степень влияния которых различна, то совместное их действие приводит к существенному разбросу электрофизических параметров изде­лий. Для каждого процесса (например, вакуумного напыления, эпитаксии, диффузии) число таких факторов может быть не­сколько десятков. В течение всего периода изготовления изделие (ИМС) может подвергаться воздействию нескольких сотен тех­нологических факторов. Поэтому анализировать весь технологиче­ский процесс возможно только на основе системного подхода с применением ЭВМ.

Любой техноло­гический процесс можно представить, как показано на рисунке.

Х₁, Х₂, ..., Х_n – входы системы (подложки, испаряемые материалы, диффузанты и т. д.);

Y₁, Y₂, ..., Y_n – выходы системы (параметры интеграль­ной схемы или ее частей);

Z₁, Z₂, ..., Z_n – контролируемые и уп­равляемые факторы (температура подложек, давление в камере, расход газа и т. д.);

У₁, V₂, …, V_n – контролируемые, но неуправ­ляемые факторы (чистота исходного кремния, растворов, газов и т. п.);

W₁, W₂, ..., W_n – неконтролируемые факторы, оказываю­щие случайные возмущающие воздействия на процесс.

Одной из основных целей исследования технологических про­цессов, анализа существующих и синтеза новых технологий яв­ляется решение задач оптимального управления технологически­ми процессами.

Технологические процессы изготовления радиоэлектронной аппа­ратуры и, в частности, интеграль­ных микросхем обычно настоль­ко сложны, что наиболее целе­сообразно изучать их с помощью экспериментально-статистических методов, позволяющих выявить наиболее существенные технологические факторы, определить характер их влияния на качество изделия и построить модель иссле­дуемого процесса.

Одним из первых шагов в использовании методов математиче­ской статистики для исследования технологических процессов был дисперсионный анализ. Для многофакторного процесса дисперсионный анализ позво­ляет оценить дисперсии, вызванные каждым фактором в отдель­ности, и выявить технологические факторы, оказывающие влияние на выходные параметры изделия. Однако степень и характер это­го влияния могут быть определены только с помощью корреляци­онно-регрессионного анализа.

Корреляционно-регрессионный анализ. Очень часто при изуче­нии сложных технологических процессов из-за воздействия слу­чайных факторов трудно или невозможно расшифровать механизм тех или иных явлений, происходящих при изготовлении изделия. В этом случае функциональная зависимость

превращается в корреляционную, а полином

связывающий выходной и входные параметры процесса, – в урав­нение регрессии.

Значительные изменения в методике исследования технологи­ческих процессов произошли с развитием и внедрением планиро­вания эксперимента. Этот метод подразумевает использование и тесное взаимодействие дисперсионного и корреляционно-регресси­онного анализов, поскольку его задача также состоит в нахожде­нии уравнения регрессии. Однако получение такого мате­матического описания для сложных технологических процессов требует значительных затрат и постановки большого числа опы­тов. Поэтому при планировании экспериментов стремятся повы­сить эффективность исследований, получить при минимально возможном числе опытов максимальное количество информации об изучаемом процессе для описания его с наибольшей точно­стью.

Перечисленные выше задачи решаются на этапе проектирова­ния технологического процесса. Однако в производственных усло­виях может происходить изменение некоторых из входных пере­менных Х₁, Х₂, ..., Х_п. Кроме того, ТП подвергается действию не­контролируемых возмущений. Поэтому найденные на этапе проек­тирования оптимальные режимы становятся неоптимальными. Чтобы иметь возможность вести процесс при наиболее благопри­ятных режимах, необходимо продолжать исследование технологи­ческого процесса и в производственных условиях.