3 Основные этапы изготовления микросхем
В технологии изготовления любой микросхемы можно выделить основные этапы (рис.6), общие для всех микросхем:
изготовление и очистка пластин или подложек,
формирование структур микросхем,
сборка,
испытания и измерения,
заключительные операции.
Если микросхему герметизируют в корпус, то подготовительными для сборки являются процессы изготовления деталей и узлов, корпусов; для бескорпусных микросхем перед выполнением сборки проводят процессы подготовки герметизирующих составов и процессы изготовления арматуры для подсоединения структур (выводные рамки, ленты и пр.).
Рис. 6. Этапы изготовления микросхем
Процесс изготовления любой микросхемы сопровождается контрольными операциями и завершается испытаниями. После испытаний и измерения параметров удовлетворяющие требованиям микросхемы проходят заключительные операции (окраска, лакировка, маркировка, упаковка), поступают на склад готовой продукции для передачи заказчику, изготовителю электронной аппаратуры.
Укрупненные схемы технологических процессов изготовления полупроводниковых (монолитных) и гибридно-пленочных ИС приведены соответственно на рис. 1 и 2. В последующих разделах приведено описание характерных особенностей выполнения отдельных технологических операций, в основном определяющих основные параметры интегральных микросхем.
Рис. 7. Укрупненная схема технологического процесса изготовления полупроводниковых (монолитных) ИС.
Рис. 8. Укрупненная схема технологического процесса изготовления гибридно-пленочных ИС.
Изготовление пластин и подложек.
Полупроводниковые пластины и диэлектрические подложки являются групповыми заготовками для изготовления структур микросхем.
Полупроводниковые пластины применяют также для изготовления навесных активных компонентов и кристаллов для гибридных микросхем.
На диэлектрических подложках изготавливают пассивную часть структур гибридных микросхем, а также пленочные микросхемы. В настоящее время для промышленного изготовления полупроводниковых микросхем применяют кремний (Si). Кроме кремния для полупроводниковых микросхем и навесных активных компонентов и кристаллов для микросхем применяют арсенид галлия (GaAs) и другие полупроводниковые соединения.
Структура и свойства полупроводников определяют параметры и характеристики микросхем. В соответствие с требованиями к параметрам микросхем выбирают полупроводниковый материал определенной марки и определенной кристаллографической ориентации.
Для гибридных и пленочных микросхем применяют подложки из стекол, ситаллов, фотоситаллов, керамик. Сравнительно недавно начали применять гибкие полимерные подложки, в основном из полиимида, а также металлические подложки с диэлектрическим покрытием (Al-Al2 O3). Кроме этого, применяют монокристаллические диэлектрические подложки из сапфира.
Изготовление пластин и подложек включает: механическую обработку полупроводниковых или диэлектрических материалов и очистку поверхности полученных заготовок.
Механическая обработка полупроводников и диэлектриков затруднена их высокими твердостью и хрупкостью. Использовать обычные методы механической обработки, применяемые в металлообрабатывающей промышленности, такие, например, как прокатка, штамповка, вырубка, нельзя. Для изготовления пластин и подложек из монокристаллических слитков и из листовых заготовок применяют метод абразивной обработки, т. е. обработки более твердым, но менее хрупким, чем обрабатываемая поверхность, материалом.
У монокристаллических слитков до начала абразивной обработки проверяют кристаллографическую ориентацию, так как оборудование для выращивания слитков не обеспечивает точного совпадения геометрической оси слитка с заданным кристаллографическим направлением.
Очистка пластин, подложек после абразивной обработки обязательна, так как на их поверхностях остаются загрязнения, которые недопустимы в дальнейшем технологическом процессе. Удаление загрязнений до требуемого уровня чистоты представляет сложную задачу, так как источниками загрязнений могут быть сами технологические обработки и окружающая среда. Именно поэтому очистку поверхности пластин и подложек выполняют несколько раз, как в процессе абразивной обработки при их изготовлении, так и после, т.е. непосредственно перед операциями изготовления структур.
В процессе механической обработки и перед изготовлением структур очистку пластин и подложек в промышленном производстве, в настоящее время, выполняют в различных жидких составах: органических растворителях, воде, смесях на основе кислот, щелочей, сильных окислителей. Сухая очистка является финишной и, как правило, совмещена с последующими операциями изготовления структур.
Изготовление структур. Этот этап включает процессы формирования элементов, соединений между элементами и контактных площадок. Для реализации элементов в определенных местах пластины создают области с необходимыми типами электропроводности (область n- или р-типа) и удельным сопротивлением. Для формирования областей вводят акцепторные или донорные примеси, другими словами, легируют полупроводник методами диффузии или ионной имплантации или наращивают слои на поверхность. Конфигурация, геометрические размеры, взаимное расположение областей в плоскости, параллельной плоскости поверхности, задается масками. Маски формируют с помощью литографии. Одновременно обрабатывается партия пластин и на любой из них формируется не одна, а большое количество структур. Структуры микросхем изготовляют только групповым методом. Более подробно процессы изготовления структур микросхем описаны далее.
Сборка микросхем. Параллельно с изготовлением структур изготовляют детали и узлы корпусов или дополнительную арматуру. Для сборки бескорпусных микросхем подготавливают герметизирующие смеси и изготовляют арматуру для соединения кристаллов с внешними электрическими цепями. Кристаллы устанавливают в корпус, соединяют контактные площадки кристаллов с выводами корпуса (монтаж выводов) и герметизируют корпус.
Испытание и измерения. Для определения непригодных микросхем, имеющих дефекты после герметизации, и их отбраковки проводят технологические испытания и измерение параметров. Технологические испытания делятся на климатические, механические и электрические. Климатические испытания позволяют проверить микросхемы на влагостойкость, теплостойкость, холодоустойчивость и на стойкость к циклическим изменениям температуры. С помощью механических испытаний на удар и вибропрочность проверяют механическую прочность конструкции и внутренних соединений микросхемы. В процессе электрических испытаний проверяется работа микросхемы вообще и измеряются ее параметры.
Контрольно-сборочные операции и испытание осуществляются индивидуально для каждой микросхемы, поэтому они в значительной мере определяют трудоемкость изготовления, стоимость и надежность микросхемы.
Заключительные операции. К заключительным операциям относятся покрытие красками, лаками, гальваническое покрытие, нанесение маркировки, подготовка выводов к соединению в аппаратуре, упаковка. Маркировка наносится на каждую микросхему. Она содержит условное обозначение микросхемы, обозначение первого вывода (ключ), год и месяц выпуска, товарную метку предприятия и клеймо отдела технического контроля. Упакованные микросхемы поступают в склад готовой продукции.