Технология полупроводниковых приборов и изделий микроэлектроники. Книга 1. Общая технология - Козырь И.Я., Чернозубов Ю.С., Горбунов Ю.И., Пономарев А.С.

Author: Козырь И.Я. Чернозубов Ю.С. Горбунов Ю.И. Пономарев А.С.
Tags: электротехника электротехнические материалы и изделия физика микроэлектроника полупроводники полупроводниковые приборы
ISBN: 5-06-000303-5
Year: 1989
Similar
Микроэлектроника. Учебное пособие для вузов. Физические и технологические основы, надежность
Основы микроэлектроники
Конструкции и технология микросхем
Микроэлектроника
Text
                    ТЕХНОЛОГИЯ
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ
ПРИБОРОВ И ИЗДЕЛИЙ
МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ
КНИГА
ОБЩАЯ
ТЕХНОЛОГИЯ
Допущено Государственным комитетом СССР
по народному образованию
в качестве учебника
для профессионально-технических училищ
МОСКВА «ВЫСШАЯ ШКОЛА»
С П Т У №59
ББК 31.233
Т38
УДК 621.382
И.Я. Козырь, Ю.И. Горбунов,
Ю.С. Чернозубов, А.С. Пономарев
Рецензенты: канд. техн, наук И.Л. Малышева, преп.
В.Б. Журавлев
Технология полупроводниковых приборов и изделий
Т38 микроэлектроники. В 10 кн.: Учебник для ПТУ. Кн. 1.
Общая технология/И.Я. Козырь, Ю.И. Горбунов и др. —
М.: Высш, шк., 1989. — 223 с.: ил.
ISBN 5-06-000303-5
В книге рассмотрены основные направления развития микро-
электроники, описаны технологические процессы производства
полупроводниковых приборов и ИМС, особенности изготовления
индикаторных устройств. Особое внимание уделено автоматизации
и роботизации технологических процессов, качеству и надежности
изделий микроэлектроники, электронно-вакуумной гигиене, орга-
низации производства.
т 2302030700(4307000000) -476 gg
052 (01)-89
ББК 31.233
6Ф.32
ISBN 5-06-000303-5
© Коллектив авторов, 1989
ПРЕДИСЛОВИЕ
Интенсивное развитие современной науки и техники невоз-
можно представить без электроники и одной из ведущих ее об-
ластей - микроэлектроники. Изделия электроники и микро-
электроники широко применяются в вычислительной технике
и радиолокации, технике связи, промышленности и сельском
хозяйстве, медицине и бытовых приборах.
Элементной базой современной электронной аппаратуры
являются полупроводниковые приборы и интегральные микро-
схемы (ИМС), изготовление которых за сравнительно корот-
кое время стало самостоятельными производствами.
Современный рабочий, занятый изготовлением полупровод-
никовых приборов и ИМС, должен хорошо знать их конструк-
тивно-технологические особенности, разбираться в физико-хи-
мических свойствах используемых материалов, выполнять
технологические операции в необходимой последовательности
и на соответствующем оборудовании, уметь контролировать
и регулировать параметры технологических процессов.
Серия учебных пособий ’’Технология полупроводниковых
приборов и изделий микроэлектроники” предназначена для
подготовки в профессионально-технических училищах квалифи-
цированных рабочих по прецизионной механической обработке
полупроводниковых материалов, вакуумно-напылительным,
диффузионным, эпитаксиальным и фотолитографическим про-
цессам, изготовлению фотошаблонов, а также сборке и испыта-
нию полупроводниковых приборов и ИМС, наладке технологи-
ческого и испытательного оборудования.
Серия учебных пособий ’’Технология полупроводниковых
приборов и изделий микроэлектроники” состоит из 10 книг:
книга 1. ’’Общая технология”;
книга 2. ’’Материалы”;
книга 3. ’’Полупроводниковые приборы и интегральные
микросхемы”;
книга 4. ’’Механическая и химическая обработка”;
книга 5. ’’Термические процессы”;
книга 6. ’’Нанесение пленок в вакууме”;
книга 7. "Элионная обработка”;
книга 8. ’’Литографические процессы”;
книга 9. ’’Сборка”;
книга 10. ’’Контроль качества”.
Настоящая книга открывает серию и является учебником,
в котором изложены основные сведения о полупроводниковых
приборах и интегральных микросхемах с учетом технологии
3
их изготовления, рассмотрены физико-химические основы и
типовые схемы важнейших технологических процессов, кон-
структивно-технологические особенности индикаторных уст-
ройств. В учебнике нашли также отражение вопросы качества
и надежности полупроводниковых приборов и интегральных
микросхем, специфика организации их производства, основные
тенденции и перспективы развития полупроводниковой и мик-
роэлектронной технологии.
Авторы благодарны рецензентам, замечания и советы кото-
рых способствовали улучшению содержания книги.
Все отзывы и предложения просим направлять по адресу:
101430, Москва, ГСП-4, Неглинная ул., 29/14, издательство
’’Высшая школа”.
Авторы
ВВЕДЕНИЕ
Электроника — это прежде всего наука о процессах, проис-
ходящих с электронами в вакууме, газах, жидкостях и твердых
телах. Вместе с тем электроника — это и область техники, в ко-
торой взаимодействия электронов с электромагнитными поля-
ми используются для преобразования электромагнитной энер-
гии, создания электронных приборов, а также устройств пере-
дачи, обработки и хранения информации. Электроника исследу-
ет эти взаимодействия как в макрообьемах — рабочем простран-
стве электронных приборов, так и в микрообьемах — атомах,
молекулах или кристаллической решетке.
Принято считать электронику наукой XX века. Однако ее
корни уходят в середину XIX века, когда разрабатывалась тер-
модинамика — наука, изучающая законы преобразования энер-
гии. Вслед за этим был открыт ряд эффектов, которые легли
в основу создания фотоэлементов, детекторов, диодов, транзис-
торов и других электронных приборов. К.таким эффектам от-
носятся изменение сопротивления столбика селена под воздей-
ствием света, возникновение электродвижущей силы на его кон-
цах при освещении, односторонняя проводимость заостренной
металлической проволочки при ее контакте с сульфидами не-
которых металлов и, наконец, термоэлектронная эмиссия, отк-
рытая Т.А. Эдисоном в 1883 г.
Развитие электроники можно разделить на пять этапов.
Первый этап начался в конце XIX столетия, после того как
на заседании Русского физико-химического общества 7 мая
1895 г. А.С. Попов продемонстрировал прибор, по существу
явившийся первым в мире радиоприемником. Этот день мож-
но считать не только днем рождения радио, но и электроники.
Устройства, которые начали применять в это время, были пред-
назначены для передачи и приема электрических сигналов и сос-
тояли из сопротивлений (резисторов), конденсаторов, катушек
индуктивности и других пассивных элементов.
Второй этап, часто называемый ’’эрой электронных ламп”,
наступил в начале XX в. после изобретения в 1904 г. Дж. Фле-
мингом вакуумного диода, а в 1906 г. Л. Форестом — триода,
которые были первыми активными элементами, позволяющими
преобразовывать и усиливать электрические сигналы.
В эти же годы русский физик А.Г. Столетов провел иссле-
дования, которые легли в основу создания фотоэлектронных
умножителей, телевизионных трубок и др. В 1907 г. сотрудник
технологического института Санкт-Петербургского университета
Б.Л. Розинг разработал телевизионную систему. Эта работа бы-
5
ла продолжена одним из его учеников В.К. Зворыкиным в США,
где в 1923 г. он изобрел передающую трубку иконоскоп, а
год спустя - кинескоп. В 1918-1925 гг. в Нижегородской лабо-
раторий - первом радиотехническом научно-исследовательском
центре нашей страны плодотворно работал М.А. Бонч-Бруевич,
который в 1919 г. опубликовал основы теории и расчета радио-
ламп. В 1921 г. совместно с сотрудниками им были разработаны
мощные генераторные лампы для радиопередатчиков, исполь-
зуемых в системах дальней радиосвязи и радиовещания.
С этого времени электронные лампы становятся основной
элементной базой. На них создаются генераторы, передатчики,
усилители, выпрямители, радиоприемники и, наконец, в середи-
не 40-х годов — первые электронные вычислительные машины
(ЭВМ). Функциональное усложнение электронных устройств
привело к применению большого количества элементов (ламп,
резисторов, конденсаторов и др.), резко увеличило их массу
и габариты и снизило надежность. Так, в отечественных ЭВМ
’’Урал” насчитывалось около 1000 электронных ламп, каждая
из которых выходила из строя примерно через 50 ч. Вычисли-
тельные машины типа БЭСМ содержали по 5—6 тыс. ламп,
и количество их предполагалось довести до 10 тыс., что сокра-
щало время безотказной работы ЭВМ до 5 ч.
Ограниченные возможности электронных ламп, необходи-
мость улучшения функциональных характеристик различных
электронных устройств, снижения их массы и габаритов, а так-
же повышения надежности в жестких условиях эксплуатации
потребовали разработки новых материалов, совершенство-
вания технологии и привели к созданию принципиально новых
элементов.
Третий этап развития электроники начался в 1948 г. с изо-
бретением В. Шокли, Д. Бардином и У. Браттейном транзисто-
ра — полупроводникового прибора, предназначенного для уси-
ления, генерирования и преобразования электрических колеба-
ний различных частот и ставшего основой радиоэлектронной
аппаратуры.
Следует отметить, что возникновению и развитию полупро-
водниковой электроники во многом способствовали работы
русских и советских ученых. Еще в 1874 г. А.С. Поповым были
обнаружены выпрямительные свойства контактов между метал-
лами и их сернистыми соединениями, обладающими полупро-
водниковыми свойствами. В 20-е годы советский радиофизик
О.В. Лосев сконструировал и изучил кристаллические полупро-
водниковые детекторы и экспериментально доказал существо-
вание в детектирующем контакте слоя, обладающего вентиль-
ными свойствами, т.е. наличие р-п перехода. В 1922 г. он открыл
6
усилительные свойства детектора и первый в мире создал полу-
проводниковый высокочувствительный радиоприемник-криста-
дин. В дальнейшем Б.И. Давыдовым была предложена теория
процессов, происходящих в области контакта полупроводника
с металлом, объясняющая выпрямляющие свойства полупро-
водников.
Систематическое изучение свойств полупроводников нача-
лось в нашей стране еще в 30-е годы. Под руководством акаде-
мика А.Ф. Иоффе с 1928 г. в Ленинградском физико-техничес-
ком институте группой советских ученых исследовались полу-
проводники и были разработаны на их основе термо- и фото-
электрические приборы.
Малые размеры и большая надежность полупроводниковых
приборов, низкая потребляемая мощность и высокий кпд
обусловили их широкое применение в радиоэлектронной аппа-
ратуре и электронно-вычислительных устройствах.
Разработка и развитие в 1954—1959 гг. диффузионной
технологии, оксидного маскирования и фотолитографии позво-
лили в значительной степени усовершенствовать транзисторы,
улучшить их параметры. Наряду со снижением стоимости в пер-
вые годы производства транзисторов их надежность в среднем
повышалась в 10 раз каждые четыре года и за 20 лет возросла
в 100 тыс. раз.
Появление малогабаритных активных элементов потребова-
ло создания аналогичных пассивных. Так, размеры резисторов
и конденсаторов уменьшились в 50—70 раз. Вместе с тем харак-
терной чертой радиоэлектронной аппаратуры, создаваемой на
основе малогабаритных элементов и приборов, является слож-
ность сборки устройств и систем, состоящих из нескольких ты-
сяч электрорадиоэлементов. Так, ЭВМ, разработанные в конце
50-х годов, содержали около 100 тыс. диодов и 25 тыс. транзис-
торов. Поэтому для повышения надежности радиоэлектронных
устройств необходимо было обеспечить качество сборочно-мон-
тажных работ.
Четвертый этап развития электроники — разработка и про-
изводство в 1958—1960 гг. интегральных микросхем — связан
с планарной и пленочной технологиями, позволившими значи-
тельно уменьшить размеры элементов с десятков микромет-
ров до единиц микрометра и решить проблему надежности
межэлементных соединений. В этот период развивается микро-
электроника — область электроники, занимающаяся исследова-
нием, конструированием, изготовлением и применением элект-
ронных функциональных устройств микроминиатюрного интег-
рального исполнения.
Микроминиатюризация — это не только уменьшение объема
7
и массы изделий, но и создание таких устройств, принципы дей-
ствия которых основаны на новых физических явлениях. Интег-
рация предусматривает объединение как определенного коли-
чества элементов в заданном объеме (не менее пяти в 1 см3),
так и новых технологических методов формирования этих
элементов и микросхемы в целом.
Интегральные микросхемы в настоящее время являются
основой радиоэлектронной аппаратуры.
Пятый этап характеризуется разработкой устройств функ-
циональной электроники. Если в интегральных микросхемах
объединяется большое количество элементов, то в функциональ-
ных интегрируются магнитные, оптические, термоэлектричес-
кие и другие объемные и поверхностные физические эффекты.
В функциональных микросхемах трудно или невозможно вы-
делить отдельные элементы, эквивалентные традиционным
(транзисторам, диодам, конденсаторам, катушкам индуктив-
ности). Классическим примером устройства функциональной
электроники является кварцевый резонатор, служащий для
частотной селекции (избирательности).
Функциональная микроэлектроника — перспективное на-
правление развития электроники.
Несмотря на то что различные диоды, транзисторы, а также
ИМ С и устройства функциональной электроники отличаются
по конструктивным и функциональным признакам, все техно-
логические процессы их изготовления основаны на чередова-
нии ряда однотипных операций. Такими операциями являются:
ориентация и резка слитков полупроводниковых материалов
на пластины; механическая и химическая обработка пластин;
создание на их поверхности слоев диоксида или нитрида крем-
ния; эпитаксиальное наращивание слоев полупроводниковых
материалов (кремния, германия, арсенида или фосфида галлия
и др.); диффузия и ионная имплантация; осаждение тонких
металлических пленок; литографическая обработка; сборка,
герметизация, контроль, испытания, маркировка и упаковка
готовых изделий.
Описанию основных технологических процессов изготовле-
ния полупроводниковых приборов и интегральных микросхем
посвящена настоящая книга.
ГЛАВА ПЕРВАЯ
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРИБОРЫ
И ИНТЕГРАЛЬНЫЕ МИКРОСХЕМЫ
§ 1.	ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ
Полупроводниковые приборы — это обширный класс элект-
ронных устройств, предназначенных для выпрямления перемен-
ного тока, преобразования частот, усиления и генерации электри-
ческих сигналов. Кроме того, одни полупроводниковые при-
боры служат для регистрации излучений (светового, инфра-
красного, радиоактивного) или преобразования лучистой энер-
гии в световую, а другие играют роль источников световых
потоков и сигналов. Полупроводниковые приборы используют-
ся также для прямого преобразования тепловой энергии в элект-
рическую, термостатирования и охлаждения сред.
По конструктивно-технологическим признакам полупровод-
никовые приборы подразделяют на диоды, транзисторы, тирис-
торы, преобразователи лучистой энергии н приборы без р-п пе-
рехода.
Диоды - это полупроводниковые приборы с одним р-п
переходом и двумя выводами. В зависимости от назначения и
материалов, из которых их изготовляют, диоды делятся на
выпрямительные (для выпрямления тока низкой частоты —
до 50 кГц), импульсные ( длительность импульса тока от 10“6
до 10“9 с), высокочастотные (от 50 кГц до сотен мегагерц),
сверхвысокочастотные — СВЧ-диоды (выше 1 ГГц), туннель-
ные (основанные на туннельном механизме переноса носителей
заряда через р-п переход), варикапы (используемые в качест-
ве конденсаторов с электрически управляемой емкостью) и ста-
билитроны (для стабилизации напряжения).
Транзисторы — это полупроводниковые приборы
с двумя или более р-п переходами, предназначенные для усиле-
ния и генерации электрических сигналов. В зависимости от ха-
рактера движения носителей заряда транзисторы делятся на
бездрейфовые и дрейфовые (перенос неосновных носителей
заряда происходит соответственно посредством диффузии
н под действием электрического поля), а также полевые (пе-
ренос основных носителей заряда происходит через проводя-
щий канал, управляемый электрическим полем).
По рассеиваемой в определенном диапазоне частот мощ-
ности транзисторы подразделяют на маломощные (до 0,3 Вт),
средней (0,3-1,5 Вт) и большой (более 1,5 Вт) мощности.
Транзисторы, работающие при частотах до 3 МГц, называют
9
низкочастотными, при 3-30 МГц — среднечастотными, свыше
30 МГц — высокочастотными.
Тиристоры — зто переключающие приборы, имеющие
многослойную р-п-р-п структуру. Тиристоры могут быть не-
управляемыми (диодные) и управляемыми (триодные).
Преобразователи лучистой энергии—
это полупроводниковые приборы, изменяющие свое электри-
ческое сопротивление, создающие фототок или усиливающие
его под действием светового потока. К ним относятся фото-
резисторы, фотодиоды, фототранзисторы и оптроны.
Приборы без р-п перехода — это устройства,
принцип действия которых основан на использовании объемных
свойств полупроводникового материала. Так, сопротивление
варисторов с увеличением приложенного напряжения уменьша-
ется, а терморезисторов (в зависимости от их типа) при повы-
шении температуры как уменьшается, так и увеличивается.
Интегральные микросхемы (ИМС) — зто микроэлектронные
изделия, выполняющие функции преобразования и обработки
сигналов и имеющие высокую плотность упаковки электричес-
ки соединенных элементов, компонентов, кристаллов или их
сочетаний. Интегральная микросхема представляет собой единое
целое. Иногда интегральные микросхемы называют интегральны-
ми схемами или просто микросхемами.
Составной частью ИМС являются элементы, которые выпол-
няют роль электрорадиоэлементов (транзисторов, резисторов
и др.) и не могут быть выделены как самостоятельные изделия.
При этом активными называют элементы ИМС, выполняющие
функции усиления или другого преобразования сигналов (дио-
ды, транзисторы и др.), а пассивными — элементы, реализующие
линейную передаточную функцию (резисторы, конденсаторы,
катушки индуктивности).
В отличие от элементов компоненты ИМС являются само-
стоятельными изделиями. Части полупроводниковых пластин
(заготовок из полупроводниковых материалов), в объеме и на
поверхности которых сформированы элементы ИМС, а также
соединения между ними и контактные площадки, называют
кристаллами.
Электронную аппаратуру, выполненную на основе изделий
микроэлектроники, называют микроэлектронной. Повышение
надежности микроэлектронной аппаратуры по сравнению с ап-
паратурой на дискретных элементах объясняется значительным
уменьшением в ней количества сварных и паяных соединений,
использованием материалов высокой степени частоты и спе-
циальных технологических приемов и методов, позволяющих
формировать элементы и ИМС в идентичных условиях. Каждая
10
ИМС надежно защищена от внешних воздействий прочным и
герметичным корпусом или покрытием. Интегральные микро-
схемы позволяют создавать электронные функциональные бло-
ки и узлы, которые выдерживают большие механические нагруз-
ки и имеют в 100 раз и более меньшие габариты и массу, чем
аналогичные устройства на дискретных приборах. Это связано
с весьма малыми размерами элементов ИМС (единицы и деся-
тые доли микрометра). Малые габариты ИМС и низкая потреб-
ляемая мощность позволяют выполнять комплексную миниатю-
ризацию других элементов электронной аппаратуры (переклю-
чателей, разъемов, трансформаторов и катушек индуктивнос-
ти).
В настоящее время наибольшее распространение получили
два метода создания микросхем.
При первом методе локальным воздействием
(диффузией, ионным легированием или др.) микроучасткам
полупроводниковой пластины придают свойства, которыми об-
ладают соответствующие электро радио элементы (транзисторы,
диоды и др.). Соединением микроучастков между собой в соот-
ветствии с заданной электрической схемой получают полупро-
водниковые ИМС. Интегральные микросхемы, все элементы
и межэлементные соединения которых выполнены в объеме и
на поверхности полупроводника, называют полупроводнико-
выми.
При втором методе послойным нанесением пленок
различных материалов (испарением, распылением) на твердом
основании формируют микроэлементы, межэлементные соеди-
нения и микросхемы в целом. Интегральные микросхемы, все
элементы и межэлементные соединения которых выполнены в
виде пленок, называют пленочными.
Комбинированием этих методов, которые не являются
конкурирующими, а дополняют друг друга, на диэлектричес-
ких основаниях получают ИМС, состоящие из пленочных пас-
сивных элементов и активных компонентов или кристаллов.
Интегральные микросхемы, выполненные на диэлектрическом
основании и содержащие кроме элементов компоненты и крис-
таллы, называют гибридными.
Комбинированием полупроводниковой и пленочной техно-
логии получают также совмещенные ИМС. Интегральные микро-
схемы, в объеме полупроводникового основания которых фор-
мируют все активные и некоторые пассивные элементы, а ос-
тальные пассивные элементы создают на поверхности, называют
совмещенными.
Применение ИМС в различной радиоэлектронной аппарату-
ре привело к созданию микросборок (МСБ). Микрозлектрон-
11
ные изделия, предназначенные для выполнения определенных
функций и состоящие из элементов, компонентов, корпусных
и бескорпусных ИМС, называют микросборками. Микросборки
повышают степень миниатюризации электронной аппаратуры.
С этой же целью применяют микроблоки — микроэлектронные
изделия, которые кроме микросборок дополнительно содержат
ИМС и дискретные приборы.
Изделия микроэлектроники подразделяют на следующие
группы:
ИМС (в том числе СВЧ ИМС), БИС и МСБ;
функциональные приборы, не имеющие аналогов электро-
радиоэлементов;
микрокомпоненты, предназначенные для монтажа и сборки
микроэлектронных изделий первых двух групп в блоки и уст-
ройства. К ним относятся многослойные печатные платы, гибкие
кабели, электрические соединители, микропереключатели, кноп-
ки, индикаторы и др. Так как по конструктивным параметрам
и надежности эти изделия должны быть близки к ИМС и функ-
циональным приборам, при их изготовлении используют техно-
логические приемы микроэлектроники.
§ 2.	ОСНОВНЫЕ ЭТАПЫ РАЗВИТИЯ МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ
В конце 40-х — начале 50-х годов практически одновременно
были разработаны три конструктивно-технологических вариан-
та ИМС: толсто- и тонкопленочные гибридные и полупроводни-
ковые.
Условно толсто- и тонкопленочными гибридными называют
интегральные микросхемы, толщина пленочных элементов
которых соответственно составляет более 1 мкм и менее 1 мкм.
Прообразом гибридных ИМС являются печатные платы,
на поверхности которых проводники размещены в соответствии
с заданной электрической схемой и изготовлены групповым
методом локальным (выборочным) стравливанием медной
фольги с диэлектрического (текстолитового или гетинаксового)
основания. Несмотря на то что применение печатных плат не ре-
шало задач миниатюризации и создания элементов схем, не ис-
пользуя их, трудно было повысить надежность межэлементных
соединений.
В основу изготовления первых толстопленочных схем была
положена отработанная технология производства керамических
конденсаторов методом нанесения паст через специальный тра-
фарет на керамические основания. После нанесения паст, кото-
рые состояли из смесей порошков серебра и стекла в органичес-
ком связующем, их термообрабатывали (вжигали). Возмож-
12
иость формирования на одной подложке нескольких соединен-
ных между собой конденсаторов и резисторов позволила созда-
вать пассивные ЯС-схемы. Заготовку, предназначенную для
формирования на ней элементов, межэлементных соединений
и контактных площадок гибридных и пленочных ИМС, называют
подложкой.
Термин ’’интегральные микросхемы” появился в конце
60-х — начале 70-х годов, после того как в состав толсто-
пленочных схем были введены дискретные пассивные и ак-
тивные компоненты (резисторы, конденсаторы, диоды и тран-
зисторы). Так были созданы толстопленочные гибридные
ИМС.
Параллельно разрабатывались тонкопленочные гибридные
ИМС, основным отличием которых от толстопленочных являет-
ся формирование пассивных элементов, межсоединений и кон-
тактных площадок в виде тонких пленок. Так как к этому вре-
мени были исследованы зависимости давления паров всех ме-
таллов и большинства оксидов от температуры, появилась воз-
можность изготовления на диэлектрических подложках провод-
ников, резисторов и конденсаторов контролируемым испаре-
нием веществ и последующим осаждением их через специаль-
ные маски. Групповой метод формирования проводников на
печатных платах (локальным травлением) позволил аналогич-
но изготовлять резистивные и проводящие элементы ИМС.
При этом резистивную и проводящую пленки напыляют на
всю поверхность подложек, после чего стравливают с участ-
ков, где металлизация не нужна, формируя таким образом то-
копроводящие дорожки. Затем с отдельных участков этих до-
рожек избирательно стравливают проводящий слой и соз-
дают между проводниками резистивные участки (резисто-
ры).
Применение пленочной технологии (в первую очередь,
тонкопленочной) и методов прецизионного формирования
токопроводящих дорожек фотолитографией и избирательным
травлением, а также групповых методов обработки полупро-
водниковых подложек в значительной степени способствовало
разработке и совершенствованию полупроводниковых ИМС.
Так, в конце 50-х годов групповой метод начали применять
для изготовления дискретных транзисторов. При этом, напри-
7 мер, диффузией в объеме полупроводниковых пластин крем-
ния или германия одновременно создавали множество р-п пе-
ф!-реходов, т.е. большое количество транзисторов, затем пласти-
Й ны разрезали на отдельные кристаллы, содержащие по одному
Ж транзистору. Такие приборы (в корпусе или без него) можно
в было использовать в электронной аппаратуре.
13
к
Не менее важной для развития изделий микроэлектро-
ники является планарная технология, с помощью которой в
1960 г. были получены первые кремниевые интегральные микро-
схемы с электрическими связями только на одной стороне по-
лупроводниковой подложки. В выпускавшихся до этого ИМС
электрические контакты располагались с двух сторон подло-
жек, поэтому производство таких ИМС было весьма трудоемко.
Планарная технология позволила также изолировать друг от
друга элементы в кристалле.
Таким образом, пленочная и планарная технологии, а также
групповые методы применялись до освоения интегральных
микросхем, что создало определенные предпосылки для разви-
тия микроэлектроники, которое можно подразделить на пять
этапов.
Первый этап — начало 60-х годов — характеризу-
ется созданием очень простых ИМС с 10-100 элементами
в кристалле, минимальные размеры которых были около
100 мкм.
Показателем сложности ИМС является степень интеграции
К = lgN, которая определяется количеством N элементов и
компонентов и при расчете округляется до ближайшего больше-
го числа.
На первом этапе появляются ИМС малой (МИС) и
средней (СИС) степени интеграции (соответственно К = 1,
JV<10n№2,10<tf<102).
Второй этап — конец 60-х — начало 70-х годов —
характеризуется созданием первых больших интегральных
микросхем (БИС), являющихся ИМС третьей степени интегра-
ции (К = 3, 102 < N < 103) и имеющих элементы, размеры
которых составляют от 100 до 3 мкм.
Третий этап — конец 70-х годов — характеризуется
интенсивным освоением БИС четвертой степени интеграции
(К = 4,103 <7V< 104), размеры элементов которых составляют
до 1 мкм.
Четвертый этап — начало 80-х годов — характеризу-
ется разработкой сверхбольших интегральных микросхем
(СБИС) пятой степени интеграции (К = 5, 104 < N < 10s),
размеры элементов которых составляют до 0,1 мкм.
Пятый этап (современный) характеризуется появ-
лением СБИС шестой степени интеграции (К = 6,10s <N < 106).
Кроме того, разрабатываются и выпускаются БИС и СБИС,
выполняющие по заданной программе строго определенные
функции (например, ввод и вывод информации, ее хранение
и др.) и являющиеся основой микроЭВМ. Такие БИС и СБИС
называют микропроцессорами.
14
§ 3.	ОСОБЕННОСТИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ И ИМС
Сложность изделий микроэлектроники, их чрезвычайно вы-
сокая чувствительность к микроскопическим дозам загрязне-
ний и невозможность устранения брака после выполнения боль-
шинства технологических операций выдвигает специфические
требования к качеству исходных материалов, применяемой тех-
нологии изготовления, точности работы оборудования. Во мно-
гих случаях требования, предъявляемые к совершенству прове-
дения технологических операций и точности работы оборудова-
ния, являются предельно достижимыми при современном уров-
не развития техники.
Материалы. Для изготовления пассивных и активных эле-
ментов микроэлектронных изделий широко используют полу-
проводниковые материалы, проводящие и резистивные метал-
лы и сплавы, диэлектрики, фоторезисты, диффузанты, химичес-
кие реактивы и газы, а также различные конструкционные ма-
териалы. В связи с уменьшением размеров элементов и повы-
шением степени интеграции ИМС, т.е. стремлением разместить
все большее количество элементов на минимальной площади
и в минимальном объеме, требования к материалам непрерывно
повышаются. Так, для изготовления полупроводниковых прибо-
ров и ИМС используют материалы, содержание посторонних
примесей в которых не должно превышать 10~8 —10“9 мас.%,
а также имеющие низкую плотность дислокаций (дефектов
кристаллов), заданный уровень легирования, постоянный сте-
хиометрический состав (соответствие химической формуле).
В современной микроэлектронике применяют более 500
различных основных и вспомогательных материалов в виде га-
зов, жидкостей, растворов, гелей, золей, поли- и монокристал-
лов, порошков, гранул и др. Используемые материалы должны
быть химически совместимыми не только в готовых изделиях,
эксплуатируемых при нормальных температурах, но и во всем
диапазоне рабочих температур при технологической обработке.
Очень важен также контроль электрофизических парамет-
ров материалов. Так, пригодность полупроводниковых ма-
териалов для изготовления ИМС в основном определяется их
оптическими, термическими и термоэлектрическими свойства-
ми, зонной структурой, а также шириной запрещенной зоны и
энергией ионизации примесных атомов. Для примера в приложе-
ниях 1 и 2 приведены параметры кремния и энергия ионизации
атомов примесей в Ge и Si.
Технология. Особенностью производства полупроводнико-
вых приборов и изделий микроэлектроники является сложность
15
их технологической реализации. Так, если процесс формирова-
ния необходимых областей в полупроводниковом кристалле
при изготовлении различных типов полупроводниковых прибо-
ров последовательно осуществляется на 40—50 операциях, то
для производства современных ИМС требуется до 400 опера-
ций. При этом группа подложек обрабатывается три-четыре не-
дели и брак, допущенный на отдельных операциях, как пра-
вило, не может быть исправлен, дефекты суммируются и, накап-
ливаясь, приводят к браку изделий. Поэтому при производстве
полупроводниковых приборов и ИМС необходимо строго соблю-
дать технологическую дисциплину (поддерживать параметры
процессов на заданном уровне).
Рассматривая особенности электронной технологии, надо
отметить следующее. Диффузионные процессы отличаются
большой длительностью (30—40 ч) и крайне ограниченными
возможностями эффективного контроля.
Разнотипные (химические, оптико-механические и физико-
термические) операции плохо стыкуются между собой. Кроме
того, отсутствие в некоторых случаях эффективного межопера-
ционного контроля снижает процент выхода годных полупро-
водниковых приборов и ИМС, затрудняет автоматизацию их
производства. При выполнении операций фотолитографии воз-
никает необходимость многократного механического совмеще-
ния фотошаблонов, что ограничивает ширину линий и зазоров
до 3—10 мкм.
Технологические процессы изготовления полупроводнико-
вых приборов и ИМС обычно разделяют на три группы:
нанесение веществ в виде слоев или пленок на поверхность
подложек;
удаление вещества с поверхности подложек;
перераспределение атомов (ионов) примесей между внеш-
ней средой и поверхностью или объемом подложек.
При процессах первых двух групп изменяется только гео-
метрия подложек, а третьей — состав, свойства и структура их
внутренних областей без существенного изменения геометри-
ческих размеров.
Оборудование. Технологическое оборудование должно обес-
печивать режимы в пределах заданных допусков и поэтому об-
ладать высокой точностью. Требования, предъявляемые к точ-
ности работы оборудования, можно проиллюстрировать на при-
мере оптико-механических установок. Для создания на поверх-
ности полупроводниковых подложек диаметром 100—120 мм
нескольких миллионов элементов различных геометрических
размеров и конфигурации применяют фотошаблоны, с помощью
которых формируют маски для последовательного проведения
16
процессов диффузии, ионного легирования и нанесения металли-
зации. При изготовлении фотошаблонов и совмещении каждого
доследующего из них с ранее нанесенным на полупроводнико-
вую подложку рисунком точность работы оптико-механичес-
кого оборудования должна составлять десятые доли микромет-
ра. Поэтому оптическая часть оборудования, разработанного
специально для изготовления полупроводниковых приборов
и ИМС, характеризуется сверхвысокой разрешающей способ-
ностью, достигающей 1000—1200 линий/мм. Такой точностью
В настоящее врем не обладает никакое другое оборудование.
Размеры элементов современных изделий микроэлектро-
ники, достигающие 1 мкм.по мере дальнейшего развития техно-
логии будут уменьшаться до нескольких десятых долей микро-
метра. Такие размеры называют субмикронными. Создавать
элементы субмикронных размеров довольно трудно из-за влия-
ния дифракции светового излучения, используемого при
проведении фотолитографии. Использование вместо световых
лучей рентгеновских или электронных, которые могут фокуси-
роваться с точностью до десятых и сотых долей микрометра,
позволяет устранить дифракцию.
Механическая обработка исходных полупроводниковых
пластин должна осуществляться так, чтобы микровыступы и
микровпадины на поверхности были сравнимыми с размерами
атомов материала. Неплоскостность подложек не должна пре-
вышать 1 мкм.
Высокие требования предъявляют к термическому оборудо-
ванию, на котором выполняются высокотемпературные опера-
ции окисления, диффузии и эпитаксии. Так, при нанесении
полупроводниковых и диэлектрических слоев, обладающих за-
данными электрофизическими, химическими и механическими
свойствами, точность поддержания температуры 1000—1250 °C
должна составлять ± 0,5 °C. Кроме того, для конкретных типов
полупроводниковых приборов и ИМС должны быть рассчитаны
и экспериментально оптимизированы параметры технологичес-
ких режимов. Для стабилизации и поддержания с заданной точ-
ностью таких параметров технологических процессов, как тем-
пература, скорость введения технологических сред (газов,
реактивов), их дозированная подача, длительность технологи-
ческого цикла и отдельных его частей, используют различные
датчики, расходомеры, таймеры и электронные приборы.
§ 4.	ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ДОКУМЕНТАЦИЯ
Производство полупроводниковых приборов и ИМС состоит
из следующих основных этапов:
17
отработки технологических операций, позволяющих обес-
печить высокое качество выпускаемых изделий;
разработки технологических маршрутов, а также модели-
рования технологических процессов с целью их оптимизации;
нормирования, т.е. определения трудоемкости операций
и расчета норм расхода материалов;
конструирования и изготовления технологического спе-
циального и вспомогательного оборудования, а также оснастки.
Важнейшим этапом является разработка технологического
маршрута изготовления изделий. Технологический маршрут -
это последовательность выполнения технологических операций
обработки полупроводниковых подложек при изготовлении
полупроводниковых приборов или ИМС данного типа. Каждый
входящий в маршрут технологический процесс оформляется
технологической документацией, содержащей его подробное
описание и отражающей методы, средства и порядок проведения
отдельных операций и технологического процесса в целом.
Комплект технологической документации, необходимой для
организации производства полупроводниковых приборов и
ИМС, должен содержать: технологическую спецификацию, кар-
ты (маршрутные, операционные, эскизов), технологические
инструкции, а также ведомости материалов и операций. Если
необходимо, комплект технологической документации может
быть дополнен ведомостями оборудования, оснастки, тары и др.
Технологическая спецификация составля-
ется на каждое изделие (прибор или ИМС) и содержит перечень
маршрутных карт изготовления входящих в него деталей, сбор-
ки изделия, а также его упаковки. Кроме того, в технологичес-
кой спецификации перечисляются ведомости материалов, обору-
дования, оснастки и тары.
Маршрутная карта устанавливает последователь-
ность выполнения технологических, контрольных и транспорт-
ных операций при изготовлении конкретных деталей, сборке
изделия и его упаковке. Кроме наименования операции и крат-
кого изложения ее содержания в маршрутной карте указывает-
ся номер технологического документа, в котором дается под-
робное описание каждой операции с указанием цеха и участка,
где она выполняется, перечисляются детали, основные и вспомо-
гательные материалы, нормы их расхода, применяемое оборудо-
вание, а также производственные разряды операторов, нормы
времени изготовления 1000 изделий и расценки.
Так как номенклатура применяемой технологической ос-
настки довольно обширна, в маршрутной карте ее обычно
не указывают, а приводят в ведомостях оснастки и в ведомос-
тях деталей к типовым технологических операциям.
18
\ Операционная карта содержит описание операций
технологического процесса изготовления полупроводникового
Прибора или ИМС с указанием переходов, приемов, режимов
обработки, технологического оснащения, а также требования
-техники безопасности, технологической гигиены. Кроме того,
В операционной карте указывается порядок получения заго-
ловок и материалов, сдачи обработанных деталей, хранения
.неиспользованных материалов, подготовки и уборки рабочих
мест. Операционная карта является основным технологическим
документом и должна находиться на рабочем месте.
Так как процесс производства полупроводниковых прибо-
ров и ИМС включает однотипные повторяющиеся технологи-
ческие операции, используют типовые операционные карты.
Карты эскизов содержат схемы выполняемых опе-
раций, эскизы, таблицы и описание приемов безопасного выпол-
нения работы, а также правильной организации труда и являют-
ся приложением к операционным.
Ведомости материалов содержат сведения о
применяемых материалах и заготовках. Кроме того, в них при-
водятся эскизы рекомендуемого раскроя материалов, нормы
расхода и формулы для их расчета.
Технологические инструкции дополняют
операционные карты и разрабатываются для наиболее ответ-
ственных операций или операций, требующих разъяснений.
В технологических инструкциях даются общие указания по вы-
полнению технологических процессов и операций, объясняются
происходящие физические и химические явления и приводятся
правила использования технологического оснащения и обраще-
ния с материалами.
Ведомость операций и маршрутно-конт-
рольная карта содержат перечни и описания операций
технологического контроля, выполняемых при изготовлении
конкретных изделий или их деталей, с указанием средств и ме-
тодов контроля и требований к контролируемым параметрам.
Ведомость операций обычно дополняется контрольными кар-
тами, в которых приводятся подробные методики контроля и
описание применяемых средств. Контрольная карта является
Основным документом на производственном участке или рабо-
чем месте.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
OJ 1. Как различают полупроводниковые приборы по конструктивно-
Яихнологическим признакам?
2.	Какие микроэлектронные изделия вы знаете?
19
3.	Какова роль в развитии микроэлектроники пленочной и планар-
ной технологий, а также групповых методов обработки?
4.	Какие этапы развития микроэлектроники вам известны?
5.	Какие требования предъявляют к материалам, технологии и
оборудованию в производстве полупроводниковых приборов и ИМС?
6.	Из каких документов состоит технологическая документация
и каково их назначение?
ГЛАВА ВТОРАЯ
ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ТЕХНОЛОГИИ
ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ
ПРИБОРОВ И ИМС
Монокристаллические слитки полупроводникового материа-
ла (германия, кремния, арсенида галлия и др.), необходимые
для изготовления полупроводниковых приборов и ИМС, имеют
форму цилиндров диаметром от 12 до 150 мм и более. Из слит-
ков резкой получают пластины, толщина которых составляет
доли миллиметра.
После выполнения в определенной последовательности
соответствующих технологических операций пластины разре-
зают на кристаллы площадью от десятых долей квадратного
миллиметра до нескольких квадратных сантиметров. Затем
кристаллы заключают в корпуса и, сделав необходимые элект-
рические соединения (пайкой, сваркой), получают полупровод-
никовые приборы и ИМС.
Создание полупроводниковых приборов и ИМС — доста-
точно сложный технологический процесс, состоящий из десят-
ков и сотен операций; среди них можно выделить основные,
повторения которых составляет технологический цикл.
§ 5.	ОРИЕНТАЦИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ
МОНОКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ СЛИТКОВ
Монокристаллические слитки полупроводников имеют стро-
го упорядоченное, регулярно повторяющееся расположение ато-
мов в пространстве, создающее определенную кристаллическую
решетку. Расположение атомов обычно изображают в виде так
называемой элементарной кристаллической ячейки (рис. 1),
обозначая межатомные расстояния буквой а. Места расположе-
ния атомов в кристаллической решетке называют узлами.
Известно, что жидкости и аморфные тела изотропны, т.е.
обладают одинаковыми свойствами во всех направлениях
(электрическим сопротивлением, теплопроводностью и т.д.).
20
py 1. Элементарная кристаллическая ячейка
простой кубической решетки
рис. 2. Условные обозначения кристаллографи-
ческих плоскостей и направлений в кристалле
с кубической решеткой (а-в)
Кристаллические тела анизотропны, т.е. их свойства зависят от
направлений воздействия и измерения. В этом случае межатом-
ные расстояния определяют характер и значение энергетическо-
го взаимодействия атомов, прочность их сцепления, а следо-
вательно, способность противостоять (или способствовать)
электрическому, оптическому, химическому и другим внеш-
ним воздействиям.
Ориентацию направлений и плоскостей в кристаллической
решетке обозначают индексами Миллера, которые для кристал-
лов с кубической решеткой показаны на рис. 2, a-в. Для этого
из одного узла решетки (точки 0) проводят три кристаллогра-
фические оси OX, OY, OZ, параллельные ребрам ячейки. Целые
числа, соответствующие отрезкам, отсекаемым плоскостью от
Кристаллографических осей, являются индексами данных крис-
таллографических плоскости и направления. Для обозначения
Плоскостей используют круглые скобки, например (111),
1110), (100), а для обозначения направлений — квадратные,
например [111], [ПО], [100], Необходимо отметить, что коли-
чество атомов, расстояния между ними и плотность их упаков-
КИ в каждой плоскости неодинаковы.
£ Монокристаллы полупроводников, как правило, выращи-
вают в соответствии с определенным кристаллографическим
вправлением, обычно [111] (его ось совпадает с продольной
раю слитка, а плоскость (111) перпендикулярна ей). Однако
21
Рис. 3. Ориентация слит,
ка рентгеновским ме
годом:
1 — рентгеновская тру,
бка, 2, 5 - падающи,
и отраженный рентге
новские лучи, 3 — то.
рец слитка, 4 — слиток
6 — приемник излуче
ния
точность заданной ориентации обычно невелика, так как зави-
сит от многих технологических факторов. Поэтому для полу-
чения пластин с точно заданной плоскостью ориентации слиток
перед резкой дополнительно ориентируют, т.е. определяют отк-
лонение его оси от заданной кристаллографической оси. Сли-
ток, ориентированный в плоскости (111), можно разрезать на
пластины с любой другой плоскостью ориентации, если учесть
угол наклона каждой из них по отношению к плоскости
(111).
Ориентируют слитки перед резкой на пластины рентгеновс-
ким или оптическим методом.
Рентгеновский метод ориентации основан
на особенности рассеяния рентгеновских лучей атомами крис-
таллической решетки: угол падения пучка параллельных моно-
хроматических рентгеновских лучей равен углу отражения их
от любой кристаллографической плоскости (условие Вуль-
фа-Брегга) :
пХ = 2d sin ft
где Л — длина волны; п — целое число, равное 1, 2,... и т.д.
(обычно п = 1); а — межплоскостное расстояние; /? — угол
отражения.
Интенсивность отраженных рентгеновских лучей зависит от
плотности упаковки данной плоскости атомами и чем она боль-
ше, тем интенсивнее отражение. Поскольку плоскость (111)
наиболее плотно упакована атомами, ей соответствует и боль-
шая интенсивность отраженных лучей.
При ориентировании слиток, торец которого перпендикуля-
рен продольной оси, помещают на предметный столик рентге-
новской установки (рис. 3). Пучок рентгеновских лучей 2,
выходящих из трубки 1, должен быть направлен к торцу 3
слитка 4 под углом ft равным углу отражения от соответствую-
щей кристаллографической плоскости (табл. 1).
22
•rfH-4
$
JPV.'
Таблица 1. Углы отражения
рентгеновских лучей при ориентировании
слитков кремния и германия
Полупровод- никовый материал	Угол отражения для плоскостей		
	(111)	(НО)	(ЮО)
Кремний	17°56'	30’12'	45’23'
Германий	17° 14'	28’56'	43’10'
Приемник 6 (счетчик Гейгера), фиксирующий отраженные
лучи 5, устанавливают под углом 2/3 к плоскости падения рент-
геновских лучей. Развернув предметный столик со слитком
относительно вертикальной оси, находят такое положение,
gfU котором приемник б фиксирует максимальную интен-
(Эшность отраженных лучей. Угол между новым и исход-
ным положениями торца 3 слитка является углом его ори-
ентации.
Оптический метод ориентации состоит в
следующем. Торец слитка полупроводника полируют, затем
обрабатывают в селективном травителе. Вследствие различных
скоростей травления в разных кристаллографических направле-
ниях на его поверхности появляются фигуры травления (рис. 4,
в—в), которые можно наблюдать на специальных оптических
установках. В зависимости от степени отклонения кристалло-
графической плоскости от плоскости торца фигура будет нахо-
диться дальше от центра экрана или ближе к нему. По положе-
нию световой фигуры — рефлексограммы — ориентацию задан,
ной плоскости определяют по формуле
tg 2а = J//,
где 2а— угол ориентации; d — смещение центра световой фигу,
ры относительно центра экрана; I — расстояние от экрана до
образца.
Точность определения углов ориентации оптическим мето-
дом зависит от резкости изображения световых фигур на экра-
не, которая, в свою очередь, связана с четкостью фигуры трав-
ления на поверхности торца слитка и составляет для кремния
и германия соответственно ± 3' и ± 15'.
§ 6.	МЕХАНИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ СЛИТКОВ И ПЛАСТИН
Резка. Полупроводниковые материалы обладают высокой
твердостью и хрупкостью, поэтому при резке слитков и плас-
тин не используют традиционные применяемые при металлооб-
работке методы. Кроме того, большое значение имеет выбор
рациональных методов резки, предусматривающих минималь-
ные отходы дорогостоящего полупроводникового материала,
так как его потери являются одним из основных факторов,
определяющих стоимость готовых приборов и интегральных
микросхем.
В производстве полупроводниковых приборов и ИМС
резку осуществляют дважды: слитки режут на пластины и плас-
тины — на кристаллы. Наибольшее распространение получили
следующие способы резки:
дисками с наружной алмазной режущей кромкой (слитков
и пластин);
дисками с внутренней алмазной режущей кромкой (слит-
ков на пластины);
полотнами и проволокой с применением абразива (слитков
и пластин);
скрайбирование — нанесение рисок на пластины с последую-
щим разламыванием их на кристаллы.
Резка диском с наружной режущей кромкой
(рис. 5) является наиболее простым и легко осуществимым в
производственных условиях способом разделения слитков и
пластин. Алмазная кромка диска обладает высокой режущей
способностью, так как алмазные зерна размером 20—60 мкм,
закрепленные на металлической основе диска, представляют
собой микро резцы, снимающие мельчайшие стружки с обрабаты-
ваемой поверхности. При частоте вращения до 10 000 об/мин
24
!S'-Рис. 5. Резки полу-
>•проводниковой пла-
стины диском с иа-
- ружной режущей
кромкой:
алмазный диск,
fci 2 - фланец для креп-
пения диска, 3, 5 -
J полупроводниковая
^^металлическая пла-
Стины, 4 — клеящая
' .- Мастика, 6 — шпин-
дель станка
’ диска с большим количеством алмазных зерен (микрорезцов)
производительность обработки высока. Так как при резке из-за
. трения выделяется значительное количество теплоты, на алмаз-
ный диск необходимо непрерывно подавать охлаждающую жид-
 кость. Для получения нескольких параллельных с достаточно
высокой точностью прорезей, а также повышения производи-
тельности резки применяют установки, на шпиндель которых ус-
танавливают несколько дисков.
При использовании дисков большого диаметра возникает
проблема их стойкости, связанная с недостаточной жесткостью.
Для уменьшения потерь полупроводникового материала необ-
ходимы тонкие диски. Однако под действием сил резания и
вибрации неоптимальное соотношение между толщиной и диа-
метром дисков (1:300 и более) приводит к их деформации
(изгибу), увеличению ширины реза, уменьшению точности об-
работки, образованию дефектов (сколов, трещин и др.). Обыч-
но резку полупроводниковых слитков выполняют дисками
диаметром 80-125 мм и толщиной 0,3-0,7 мм. При этом мини-
мальная ширина прорези составляет 0,45 мм.
Диски с наружной режущей кромкой наиболее часто ис-
пользуют для разделения пластин на кристаллы. В этом случае
глубина прорези составляет 0,5—1 мм. Так как диаметр диска
при этом относительно невелик, его толщина может быть около
<0,1 мм, что обеспечивает ширину прорези 0,15 мм.
Резку полупроводниковых пластин на кристаллы выпол-
няют также металлическими дисками с подачей в зону резания
^абразивной суспензии, состоящей из порошков карбида бора
'йВ4С, карбида кремния SiC или электрокорунда А12О3 и воды,
^.взятых в соотношении 1:3 или 1:4. При вращении диск захва-
ЛрШвает суспензию, которая, ускоряясь, с силой ударяет в разре-
А^заемую пластину, в результате чего от нее откалываются микро-
К^стицы. В процессе резания частицы абразива, поступающие
f	25
в зазор между металлическим диском и полупроводниковым
материалом, постоянно обновляются. Кроме того, при такой
резке не требуется специального охлаждения, так как абразив-
ная суспензия достаточно хорошо отводит образующуюся тепло-
ту. В процессе резки изнашивается не только абразивный поро-
шок, но и диски, которые приходится заменять через 12—16 ч.
Резка диском с внутренней алмазной
режущей кромкой (рис. 6) используется для разделе-
ния слитков на пластины. Режущим инструментом является слой
алмазов, нанесенный на внутреннюю кромку диска из бронзовой
или стальной (1Х18Н9Т) фольги толщиной 0,1—0,15 мм. Высо-
кая производительность в сочетании с хорошим качеством
и небольшой шириной реза (около 0,25—0,3 мм), а следователь-
но, и меньшие (почти на 60%) потери полупроводникового ма-
териала выгодно отличают этот способ резки от рассмотренных.
Особенность крепления диска обеспечивает его высокую жест-
кость, значительно снижает вибрацию и позволяет получать по-
верхность пластин без глубоких царапин и сколов.
Резка полотнами, совершающими возвратно-посту-
пательное движение, является одним из наиболее старых спосо-
Рис. 6. Резка полупроводникового
слитка диском с внутренней режу-
щей кромкой:
1 — шпиндель, 2 — основа диска,
3 - режущая кромка, 4 — держа-
тель слитка, 5, 6 — полупроводни-
ковые слиток и пластина
Рис. 7. Скрайбирование пластины
(а) и разламывание ее на кристал-
лы (6):
1 - резец, 2 - полупроводнико-
вая пластина, 3 — риски
f| бов. Одновременное использование до 100 полотен (из стали
тиарок 70С2ХА, У8А или У10А) толщиной 0,1-0,2 мм, закреп-
ленных с фиксированным зазором, позволяет достаточно ка-
чественно и производительно разрезать как слитки, так и плас-
.тины. Суспензия, подаваемая со скоростью 1,5—2 л/мин, рабо-
тает как режущий инструмент и позволяет разрезать, например,
i.ga пластины слитки кремния диаметром 30—40 мм за 4—8 ч,
' & германия — за 2—5 ч.
। Для увеличения производительности применяют полотна
с алмазной режущей кромкой (штрипсы). Пр! толщине поло-
тен из пермаллоя 0,05—0,1 мм и ширине алмазного режущего
4 слоя 1,5—2 мм возможна резка как слитков, так и пластин.
1 Однако по качеству пластины, отрезаемые штрипсами, уступа-
 ют пластинам, отрезаемым дисками с применением абразивных
f суспензий.
? Резка проволокой диаметром 0,11—0,15 мм из вольфрама
или сплава МВ-50 (50% W, 50% Мо) не отличается от резки
; полотнами и ее достоинствами являются большая скорость
(100-200 м/с) и низкие отходы материала вследствие малой
ширины прорези. Недостаток этого способа — уход проволоки
в сторону при резке на большую глубину и длительная наладка
оборудования в случае обрыва проволоки.
Скрайбирование алмазными резцами при-
меняют для разделения пластин на кристаллы квадратной или
, прямоугольной формы. При этом способе на поверхность полу-
j, проводниковых пластин скрайбером (алмазным резцом) нано-
сят риски шириной 20—40 мкм и глубиной 7—15 мкм в двух
. взаимно перпендикулярных направлениях (рис. 7). Возникаю-
щие и концентрирующиеся под рисками механические напряже-
, ния локально снижают механическую прочность пластин, поэтому
достаточно приложить слабое изгибающее усиление вдоль рисок,
чтобы произошло разламывание пластин на кристаллы.
“ Основное достоинство этого метода — отсутствие пропила
J и отходов полупроводникового материала. Отсутствие сколов
I и непрерывность скрайбирования в значительной степени зави-
л сят от материала пластин, их толщины, степени износа резца
| и приложенной к нему силы. Так, при толщине германиевых и
н. кремниевых пластин 200 мкм нагрузка соответственно состав-
ft ляет 0,2-0,4 и 0,4-0,6 Н, а при их толщине 300-400 мкм равна
К 0,4—0,6 и 0,8-1,2 Н. Качество скрайбирования значительно зави-
 сит от кристаллографической ориентации пластин. Так, наибо-
К лее жесткие допуски на размеры кристаллов обеспечиваются при
Ж, разделении пластин, ориентированных в плоскости (110). Мини-
 мальный шаг резки кремниевых и германиевых пластин соот-
 ветственно равен 500 и 400 мкм.
27
Скрайбирование лучом лазера в настоящее
время находит все большее применение. При достаточно высо-
кой мощности (до 10® Вт), острой фокусировке (10"5-10_<5
см2) и малом времени воздействия (до 10“9 с) лазерного луча
вследствие больших перепадов (градиентов) температуры в
пластинах образуются локальные напряжения и, кроме того,
частично испаряется материал с образованием канавки. При
бо'льшей мощности луча или длительности импульса возможна
сквозная резка пластин.
Достоинствами этого способа являются небольшое коли-
чество микротрещин и сколов малых размеров, получение глу-
бокой канавки и высокая скорость обработки, а недостатками -
разбрызгивание материала, что требует специальных защитных
покрытий для пластин, и высокая стоимость оборудования.
Шлифовка и полировка. Эти операции, выполняемые после
резки, позволяют обеспечить плоскопараллельность сторон
пластин, соответствие их геометрических размеров заданным и
минимальную шероховатость поверхности, Кроме того, при шли-
фовке и полировке с пластин частично удаляется нарушенный
в процессе резки приповерхностный слой (рис. 8).
Шлифовку выполняют на специальных станках в не-
сколько стадий. Наиболее широко применяют два вида шлифов-
ки: свободным абразивом и алмазными кругами.
При шлифовке свободным абразивом используют круги
(шлифовальники) из чугуна, стекла, бронзы и др. Абразивом
служат суспензии или пасты на основе микропорошков А12О3,
SiC, В4С, или синтетического алмаза зернистостью от 28 до
Рис. 8. Структура нарушенного слоя:
1, 2, 3 - рельефный, трещиноватый и напряженный
слои, аГ3, d2, cf3 - толщина соответствующих слоев
28
Ня мкм. Частичное разрушение обрабатываемой поверхности про-
Имсходит за счет перекатывания частиц абразива между поверх-
Н'ностями пластин и шлифовальника. В результате многократно-
то воздействия поверхность пластин покрывается трещинами,
 сколами, царапинами, глубина которых в основном зависит от
размера зерен абразива.
» При шлифовке алмазными кругами материал с поверхности
 Йластин удаляется вследствие царапания и срезания острыми
К гранями зерен абразива.
К В процессе обработки сошлифовывается слой толщиной
 60—100 мкм. Для устранения больших микронеровностей и
К неравномерности пластин по толщине выполняют как односто-
В роннюю, так и двустороннюю шлифовку. Разброс пластин
ft по толщине не должен превышать 1 мкм, а по плоскопараллель-
 ности — 0,5 мкм.
Ж Полировка обеспечивает минимальные микронеров-
» ности поверхности и наименьшую толщину нарушенного слоя.
® Механическая полировка в основном происходит в результате
микрорезания, пластических деформаций и сглаживания микро-
неровностей. Полировка бывает предварительной и окончатель-
ной (тонкой). При предварительной полировке используют
алмазные пасты и суспензии на основе абразивных порошков
с размером зерен 1—3 мкм. Окончательную полировку выпол-
й няют субмикронными (менее 1 мкм) алмазными порошками
*1 и пастами или мягкими полирующими составами на основе ок-
£ сидов алюминия, хрома, циркония, кремния и др.
” Производят полировку на полировальниках, обтянутых
.^.замшей, сукном, фетром и др. При окончательной полировке
кремния используют полировальные суспензии на основе окси-
| дов циркония и кремния с добавлением растворов КОН и NaOH
(pH 10 т 11). Щелочи растворяют образовавшиеся на поверх-
R, ности оксиды и тем самым снижают твердость поверхностного
I слоя, что способствует более производительному удалению его
К зернами абразива. При pH < 9 преобладает абразивное действие
к суспензии, поэтому качество полировки ухудшается, а при
Ж pH >11 поверхность кремния растравливается. Однако незави-
Ксимо от того, насколько тщательно проводилась полировка,
в микротрещины и некоторая деформация поверхности остаются.
 Так, глубина поврежденного слоя механически полированных
(Германия и кремния соответственно составляет 1,5 и 0,7—
К 1,0 мкм.
К Полировка также может быть односторонней и двусторон-
к ней.
g Сразу после полировки, прежде чем приступить к дальней-
 Шим операциям жидкостной и сухой обработки, полупровод-
	29
никовые пластины тщательно отмывают от шлифовальных по-
рошков и загрязнений органического происхождения в мыльных
растворах, горячей деионизированной воде, толуоле, а затем су-
шат на центрифугах в потоке сухого теплого воздуха. В ином
случае загрязнения вызывают коррозию полированной поверх-
ности пластин.
§ 7. ЖИДКОСТНАЯ И СУХАЯ ОБРАБОТКА
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПЛАСТИН
Электрофизические параметры и надежность полупровод-
никовых приборов и ИМС во многом зависят от степени совер-
шенства поверхности пластин и отсутствия на них каких-либо
загрязнений.
Как уже отмечалось, нарушенный приповерхностный слой,
образующийся вследствие механической обработки, можно
окончательно удалить лишь на операциях жидкостной и сухой
(газовой) обработки пластин. Вместе с тем атомы Б (рис. 9)
материала пластин на поверхности имеют намного больше 'не-
скомпенсированных (ненасыщенных) связей, чем атомы Л в его
объеме. Этим объясняются высокие адсорбционные свойства
и химическая активность поверхности пластин по отношению к
различным загрязнениям, источниками которых могут быть аб-
разивные и клеящие материалы, пыль производственных поме-
щений, технологические среды, газы, вода, реактивы, оборудова-
ние, инструмент, одежда, открытые участки тела операторов и др.
Так как идеально чистой поверхности пластин не бывает,
вводится понятие технологически чистой, т.е. поверхности, кон-
центрация примесей на которой не препятствует воспроизводи-
мому получению заданных значений параметров приборов и
ИМС и их стабильности. Обычно допустимая концентрация при-
месей не должна превышать 10“8 г/см2.
Удаляют загрязнения жидкостными и сухими методами, ко-
торые подразделяются на физические и химические (рис. 10).
Жидкостная обработка - это обезжиривание и травление
пластин, а также обязательная их промывка после каждой опе-
рации в воде.
Обезжиривание в органических раство-
рителях основано на удалении с поверхностей молекул жи-
ров. При этом молекулы не разрушаются, а распределяются
по всему объему ванны, заполненной четыреххлористым угле-
родом, бензолом, толуолом, изопропиловым спиртом. Такая
очистка высокоэффективна, но многостадийна, требует большо-
го расхода растворителей, дорогостояща и в большинстве случа-
ев токсична.
30
рис. 9. Схема адсорбции:
д - внутренний атом, Б - поверх-
ностный атом
Рис. 10. Классификация методов
очистки пластин (подложек)
нений, реагентов и продуктов реакций в специально очищенной
(дистиллированной, бидистиллированной и деионизованной)
воде.
Обезжиривание в активных средах основа-
но на разрушении молекул жира растворителем, обычно горячим
(75—80 °C) перекисно-аммиачным раствором (Н2О2 + NH4OH +
+ Н2О). Выделяющийся в результате разложения перекиси во-
дорода Н2О2 атомарный кислород обладает высокой окисли-
тельной способностью по отношению к органическим (жиры,
масла, силиконы) и неорганическим загрязнениям. Очистку по-
верхности пластин от растительных и животных жиров выпол-
няют в мыльных растворах.
,.£. Химическое травление основано на растворении
поверхности пластин соответствующими жидкими химическими
31
реактивами (щелочами, кислотами и их солями) и состоит из
нескольких этапов: диффузии реагента к поверхности и адсорб-
ции его; поверхностных химических реакций; десорбции про-
дуктов реакции и диффузии их от поверхности.
Травители, при обработке в которых самыми медленными
стадиями, определяющими скорость процесса, являются диф-
фузионные, называют полирующими. Обработка в таких трави-
телях мало зависит от изменения температуры, но существенно
от их вязкости и перемешивания. Выступы на поверхности плас-
тин травятся быстрее впадин, при этом сглаживаются шерохо-
ватости и выравнивается микрорельеф. Германий и кремний,
например, обрабатывают в полирующих травителях, состоящих
из смеси азотной HNO3 и плавиковой HF кислот.
Травители, при обработке в которых самой медленной ста-
дией является химическая реакция, называют селективными
(например, NaOH, КОН). При этом скорость травления зависит
от температуры, а также структуры и кристаллографической
ориентации поверхности пластин. Селективные травители, зна-
чительно отличающиеся скоростями травления по разным крис-
таллографическим направлениям, называют анизотропными.
Электрохимическое травление является
разновидностью обработки в активных средах и основано на хи-
мических превращениях, происходящих при электролизе. Осно-
вой процесса являются реакции анодного окисления (растворе-
ния) и катодного восстановления. Травление производят в раст-
ворах, содержащих HF, при возрастающей плотности тока.
Такое травление называют также злектрополировкой.
Для ускорения наиболее медленных стадий очистки поверх-
ностей пластин ее интенсифицируют. Ультразвуковая вибрация
способствует перемешиванию всего раствора; при химико-дина-
мическом травлении перемешивание травителя производится
непосредственно над поверхностью пластин.
Сухая обработка — зто отжиг (термообработка), ионное,
газовое и плазмохимическое травление.
При термообработке удаляют при высоких тем-
пературах адсорбированные поверхностью пластин загрязнения
их разложением и испарением. Отжиг проводят в термических
установках в среде инертного газа или в вакууме непосред-
ственно перед операциями формирования полупроводниковых
или пленочных структур.
Ионное травление — процесс удаления слоев мате-
риала вместе с загрязнениями бомбардировкой его поверх-
ности потоком ионов инертных газов высокой энергии. Так, при
травлении кремния энергия ионов достигает 1-10 кзВ. При бом-
бардировке поверхности пластин ионы передают атомам обра-
32
Я»тЬ1ваемого материала дополнительные энергию и импульс.
Миали передаваемая атомам энергия превышает энергию их хи-
мических связей, а сообщаемые импульсы направлены наружу
поверхности, происходит смещение атомов, их отрыв от по-
верхности и распыление. Процесс выполняют в вакууме (в за-
висимости от метода давление аргона составляет 102 —10-2 Па)
*.при энергиях ионов, достаточных для распыления обрабатывае-
?;мых материалов.
i Эффективность удаления материала ионной бомбардиров-
ккой — коэффициент распыления S — определяется отношением
«количества испаряемых поверхностью атомов ла к количеству
бомбардирующих ионов ли, т.е. 5 = nalnn. Этот параметр явля-
ьется одним из основных для определения скорости травления,
В которая, в свою очередь, зависит от массы обрабатываемого
.^материала ma и состояния его поверхности к, энергии ЕЛ и угла
{радения в ионов, а также давления рабочего газа в камере.
В зависимости от способа генерации ионов и конструкции
п .установок различают и о н н о-п лазменное и ионно-
лучевое травление.
V При ионно-плазменном травлении держатель с пластинами,
I находящийся под отрицательным потенциалом, помещают в
^•плазму газового разряда. Положительно заряженные ионы ар-
угона устремляются к отрицательно заряженному держателю
^пластин, ускоряются электрическим полем и бомбардируют
^поверхность, очищая ее. В зависимости от напряжения на элект-
| родах, плотности ионного тока, давления инертного газа и про-
| должительности процесса скорость травления кремния, диэлект-
| риков и металлов соответственно равна 0,2; 0,1 и 0,3 мкм/мин.
В Процесс безынерционен. Так обрабатывают строго локализован-
1 ные участки поверхности.
I При ионно-лучевом травлении пластины помещают на спе-
С циальные мишени, расположенные вне зоны плазмы, и бомбар-
д даруют ионами, создаваемыми автономным (самоуправляе-
|мым) газоразрядным источником. Поток ионов фокусируется
Ли управляется электрическим и магнитным полями. Положи-
Ютельные заряды, накапливаемые на обрабатываемой поверх-
Жйости, компенсируются инжекцией электронов.
 Ионное травление позволяет не только очищать поверх-
«ость любых подложек (полупроводниковых, диэлектричес-
®ких и др.) от различных загрязнений, но и эффективно при их
•Прецизионной локальной обработке.
К При газовом травлении происходит химическое
 взаимодействие материала пластин с газообразными веществами
 и образующиеся при этом соединения улетучиваются. В качест-
• ве травителей используют смеси водорода или гелия с галогена-
В 2-540	33
ми (фтором, хлором, бромом), галогеноводородами НВг, НС1,
сероводородом H2S и др. Молярное соотношение этих веществ
в водороде или гелии составляет десятые доли — единицы про-
центов. Температура обработки 800—1300 °C.
Газовое травление позволяет окончательно удалить нару-
шенный слой и обеспечивает получение более чистой поверхнос-
ти, чем при жидкостной обработке. Однако необходимость ис-
пользования особо чистых газов и высокие температуры процес-
са ограничивают его применение.
При плазмохимическом травлении моле-
кулы активного газа распадаются в разряде на реакционноспо-
собные частицы — электроны, ионы и свободные радикалы,
химически взаимодействующие с поверхностью подложек. Так,
поток электронов высокочастотной плазмы разлагает тетрафто-
рид углерода CF4 на ионы фтора Р'и радикалы СРз,СР+, кото-
рые травят различные материалы (металлы, полимеры) с неоди-
наковой скоростью.
Скорость травления зависит также от температуры и газо-
вого состава плазмы. Например, введение в плазму инертного
газа (аргона) химически активного газа (например, кислоро-
да) изменяет скорость травления. Такое сочетание ионного и
плазмохимического травления называют ионно-химическим (ре-
активным) травлением.
Сухая очистка пластин и локальная их обработка наиболее
эффективны при создании БИС и СБИС.
При изготовлении полупроводниковых приборов и ИМС,
как правило, проводят комплексную очистку пластин, при ко-
торой практически удаляют все загрязнения. Так, обработка
пластин кремния перед термическим окислением состоит из
следующих операций:
обезжиривания в перекисно-аммиачном растворе при 75-
80 °C и промывки проточной деионизованной водой;
обработки в концентрированной азотной кислоте при 90—
100 °C и промывки проточной деионизованной водой;
гидродинамической обработки беличьими кистями в струе
деионизованной воды;
травления в растворе фтористоводородной кислоты и про-
мывки деионизованной проточной водой;
ультразвуковой обработки в нескольких порциях перекис-
но-аммначного раствора и промывки проточной деонизованной
водой;
сушки в центрифуге.
При изготовлении полупроводниковых приборов и ИМС
в большинстве случаев применяют жидкостную обработку.
Сухую очистку проводят на специальных установках перед
34
такой ответственной операцией, как, например, травление при
литографической обработке, а также непосредственно перед
напылением и эпитаксией.
§ 8. ЭПИТАКСИАЛЬНОЕ НАРАЩИВАНИЕ
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ СЛОЕВ
Для создания полупроводниковых приборов и элементов
ИМС широко применяют метод эпитаксиального наращивания,
или эпитаксию. Ориентированное наращивание слоев вещества
с воспроизведением кристаллической структуры подложки
называют эпитаксией. При этом поступающие извне атомы
осаждаемого вещества должны обладать достаточной энергией
и способностью мигрировать по поверхности подложки, чтобы
формирование кристаллической решетки происходило равно-
мерно и по всей поверхности без образования дефектов. С по-
вышением температуры подложек миграция атомов увеличи-
вается. При низких температурах растущие слои получаются
поликристаллическими.
В процессе роста эпитаксиальных слоев их легируют введе-
нием донорной или акцепторной примеси, что позволяет соот-
ветственно создавать слои п- или p-типа электропроводности.
Если наращиваемые эпитаксиальные слои по химическому
составу не отличаются (или незначительно отличаются) от ве-
щества подложек и в результате получают гомогенные (от греч.
homogenes — однородный) р-п переходы, такой процесс назы-
вают гомоэпитаксией или автоэпитаксией (от греч. autos —
само).
Процесс ориентированного наращивания эпитаксиальных
слоев, существенно отличающихся по химическому составу от
вещества подложек и не вступающих с ним в химическое вза-
имодействие, называют гетероэпитаксией (от греч. heteros —
другой). При этом образуются гетерогенные (неоднородные)
р-п переходы. Примером может служить эпитаксиальное наращи-
вание слоя арсенида галлия на монокристаллическую подложку
из кремния.
Ориентированное наращивание эпитаксиальных слоев, со-
провождающееся их химическим взаимодействием с вещест-
вом подложек, называют хемоэпитаксией. Образующийся при
этом промежуточный слой отличается по химическому составу
как от вещества подложек, так и от осаждаемого вещества, но
имеет такую же кристаллическую структуру, как исходная под-
ложка. Наиболее часто эпитаксиальные слои осаждают из газо-
вой фазы (газофазная эпитаксия) или кристаллизацией из жид-
кой фазы (жидкофазная эпитаксия).
2*
35
При газофазной эпитаксии используют раз-
личные химические реакции, происходящие в газовой (паровой)
фазе при высокой температуре. При эпитаксии кремния широко
применяют восстановление его тетрахлорида водородом:
SiCU + 2Н2 = Si + 4НС1
Процесс эпитаксиального роста можно рассматривать как
гетерогенную реакцию, состоящую из следующих стадий:
переноса реагирующих веществ через газовую фазу к по-
верхности исходной подложки и их адсорбции;
реакции или серии реакций на поверхности;
присоединения атомов кремния, образующихся в результа-
те реакций, к ступенькам роста на поверхности;
десорбции, переноса газообразных продуктов реакции к
основному потоку газа и удаления.
Процесс эпитаксиального наращивания выполняют на спе-
циальных установках (рис. 11), имеющих системы подачи,
очистки и осушки газов (присутствие посторонних примесей
и влаги в газах недопустимо). Основным элементом рабочей
камеры 2 является кварцевая труба, в которую на подставке 5
с наклонной по отношению к потоку газов плоскостью, поме-
щают монокристаллические подложки 4 из кремния и нагре-
вают их с помощью индуктора 3 до 1200—1275 °C.
Предварительно камеру продувают аргоном, который вы-
тесняет из системы воздух, так как при соединении его с водо-
родом при нагревании образуется взрывоопасная смесь. Как
и другие газы, аргон подают по отдельной магистрали, оснащен-
ной вентилем, приборами для измерения давления (манометр)
и расхода газа (ротаметр), а также клапаном с электромагнит-
Рис. 11. Установка эпитаксиального наращивания:
1 - вентили, 2 — рабочая камера, 3 — индуктор, 4 — кремниевая
подложка, 5 — подставка, 6, 8 - источники легирующей примеси
и тетрахлорида кремния, 7 — нагреватель
36
яым управлением. После продувки системы аргоном подложки
обрабатывают 5—20 мин при 1200—1290 °C в потоке водорода.
При этом всегда имеющийся на их поверхности диоксид крем-
ния восстанавливается до кремния по следующей реакции:
SiO2 + 2Н2 =Si+ 2Н2О
Затем в поток водорода добавляют 1—5 % сухого хлористо-
го водорода НС1 и при той же температуре за 5—10 мин страв-
ливают образовавшийся в результате механических операций
нарушенный слой:
Si + 4НС1 = SiCL, + 2Н2
Закончив травление в хлористом водороде, прекращают
его подачу, продувают систему водородом и начинают пропус-
кать водород через основной 8 и легирующий 6 источники.
Если необходимо получить эпитаксиальный слой и-типа, ис-
пользуют жидкие (РС13, РВг3) или газообразные (РН3) леги-
рующие вещества, содержащие фосфор или другие элементы
этой группы. Слой p-типа получают легированием кремния, на-
пример бором, из его соединений, находящихся в жидком
(ВВг3) или газообразном (В2Н6) состоянии.
В результате реакции восстановления из тетрахлорида
кремния SiCL» выделяется кремний, идущий на ’’строитель-
ство” эпитаксиальной пленки. Легирование этой пленки про-
исходит в результате одной из следующих реакций:
2РС13 + ЗН2 = 2Р + 6НС1
2РН3 = 2Р + ЗН2
или
2BBr3 + ЗН2 = 2В + 6НВг
В2Н6 = 2В + ЗН2
Необходимо отметить, что реакция восстановления тетра-
хлорида кремния водородом аналогична реакция травления
кремния хлористым водородом, но происходит в обратном на-
правлении. Это закономерно, так как протеканию реакции в
определенном направлении способствует изменение не только
температуры процесса (в данном случае она одинакова), но и
концентрации реагирующих веществ. Избыток НС1 приводит
к травлению кремния, а недостаток НС1 и избыток Н2 — к
эпитаксиальному наращиванию.
Таким образом, направление и полнота протекания основ-
ной реакции, а также скорость образования эпитаксиальной
пленки зависят от соотношения SiC14:H2 (рис. 12). Максималь-
ную скорость наращивания при температуре 1170 °C получают,
37
Рис. 12. Зависимость скорости
эпитаксиального наращивания от
соотношения SiCl4:H2
когда молярная концентрация
SiCl4 равна 0,1 г/л. Дальнейшее
увеличение концентрации SiCl4
до 0,28—0,3 г/л приводит к от-
носительному уменьшению ко-
личества водорода, избытку
НС1, травлению им кремния
и соответственно снижению ско-
рости эпитаксиального нара-
щивания. Обычно концентра-
ция еще меньше и составляет
0,02 г/л, что позволяет соз-
дать условия формирования
слоя, близкие к равновесным,
и получить бездефектную крис-
таллическую решетку.
Условия, при которых скорость выделения атомов крем-
ния в результате реакции равна скорости их встраивания в крис-
таллическую решетку, называют равновесными.
Скорость роста эпитаксиального слоя зависит также от
температуры и при 1100, 1200 и 1270 °C ее оптимальные зна-
чения соответственно составляют 0,1; 1,0 и 5,0 мкм/мин. Крис-
таллографическая ориентация также влияет на скорость наращи-
вания. Так, в направлении [100] слои растут медленнее, чем в
направлении [110].
Недостаток автолегирования — проникновение примесей
через газовую фазу в растущий эпитаксиальный слой с обратной
стороны подложек или их боковых поверхностей. Это явление
в значительной степени зависит от температуры.
Для снижения температуры эпитаксию можно проводить,
восстанавливая тетрабромид кремния в водороде при 1050 °C:
SiBr4 + 2Н2 = Si + 4НВг
или разлагая силан при 950—1050 °C:
SiH4 = Si + 2Н2
Существуют и другие реакции, используемые при эпитаксии.
В зависимости от типа реакции и различных технологических
факторов скорость получения высококачественных эпитакси-
альных слоев составляет от 0,2 до 3 мкм/ч.
При жидкофазной эпитаксии атомы растуще-
го слоя оседают на подложку из расплава или раствора. (В ме-
таллургии все высокотемпературные растворы называют рас-
плавами.) При этом подложки покрывают насыщенным полу-
проводниковым материалом расплавом, из которого нсобходи-
38
мо вырастить соответствующий слой, а затем охлаждают. При
уменьшении температуры растворимость полупроводникового
материала в расплаве (обычно в легкоплавком металле) пони-
жается и избыточное количество полупроводника оседает на под-
ложке.
Применительно к элементарным полупроводникам (Si, Ge)
этот метод не нашел широкого применения из-за отсутствия
легкоплавких металлов, способных растворять полупроводни-
ковые материалы в больших концентрациях, не загрязняя их
эпитаксиальные слои. Наиболее благоприятны для жидкофазной
эпитаксии соединения типа AIHBV (например, алюминия, галлия
и индия с фосфором, мышьяком, сурьмой), а также твердые
растворы на их основе.
Жидкофазную эпитаксию выполняют на следующих установ-
ках:
с поворотным реактором, при наклоне которого расплав
покрывает подложку;
с вертикальным реактором, в котором подложка окунает-
ся в расплав;
с многокамерным горизонтальным реактором, предназна-
ченным для наращивания различных слоев последовательным
созданием контакта с разными расплавами.
Жидкофазной эпитаксией можно получать слои полупро-
водников большой площади толщиной от долей микрометра
до сотен микрометров, легировать с заданным распределением
примеси по толщине, а также изготовлять многослойные струк-
туры из трех- и четырехкомпонентных твердых растворов. Ка-
чество р-п переходов, изготовляемых жидкофазной эпитакси-
ей, в большинстве случаев выше, чем получаемых другими
методами.
Метод жидкофазной эпитаксии широко применяют при из-
готовлении оптоэлектронных и СВЧ-устройств, люминесцентных
и фотоэлектрических приборов.
§ 9.	ФОРМИРОВАНИЕ ЗАЩИТНЫХ
И ПАССИВИРУЮЩИХ ПОКРЫТИЙ
После механической и предэпитаксиальной подготовки и,
если необходимо, после эпитаксии на поверхности подложек
формируют защитное покрытие. В технологии изготовления по-
лупроводниковых приборов и ИМС в качестве защитных покры-
тий используют слои диоксида SiO2 и нитрида Si3N4 кремния.
Эти слои выполняют роль маски при локальной обработке по-
лупроводниковых пластин, например их легировании в строго
заданных местах. Кроме того, слои SiO2 и Si3N4 служат для
39
1
изоляции элементов ИМС, в качестве подзатворного или ди-
электрического слоя в МДП-структурах, основанием для раз-
мещения пленочных контактных площадок и токоведущих
дорожек в ИМС, межслойной изоляцией в многослойных ком-
мутационных платах, а также для защиты кристаллов. Полу-
чение слоев Si02 и Si3N4 на подложках в сочетании с их лито-
графической обработкой — важнейшие операции планарной тех-
нологии.
Слои диоксида кремния SiO2 получили широкое примене-
ние, так как обладают следующими свойствами:
равномерностью толщины, прочностью и сплошностью
(отсутствуют трещины, каналы, поры и др.);
достаточной чистотой (не содержат примесей и включений,
приводящих к пробою, поверхностной электропроводности
и снижению надежности);
способностью защищать (маскировать) подложки от про-
никновения примесей при диффузии;
температурными коэффициентами линейного расширения,
близкими к ТКЛР кремния и других полупроводников (это
снижает механические напряжения, приводящие к короблению
пластин и растрескиванию слоев);
высокими диэлектрическими характеристиками (е =
= 3,2 4-8,0;р = 1013 4-1017 Ом-см).
В зависимости от способа получения слои SiO2 обычно име-
ют толщину 0,2-1,5 мкм и плотность 2,15-2,3 г/см3.
Методы формирования слоев SiO2 основаны на химичес-
ком взаимодействии окислителя с материалом пластин (напри-
мер, термический, ионно-плазменный) или разложении соедине-
ний, поступающих извне (например, пиролиз).
Термическое окисление — наиболее распростра-
ненный метод получения слоев SiO2 нагревом кремниевых плас-
тин в окислительной атмосфере. Этот метод отличается от дру-
гих высокими электрофизическими параметрами получаемых
диоксидных слоев и возможностью совмещения с необходимы-
ми технологическими процессами. Например, термическое окис-
ление совмещают с разгонкой примесей (перераспределением
примесей на второй стадии диффузии), так как оба эти процес-
са в большинстве случаев выполняются при одинаковой тем-
пературе.
Основными стадиями термического окисления являются
(рис. 13):
адсорбция окислителя вначале на поверхности кремния,
а затем диоксида;
перенос (диффузия) окислителя через слой диоксида;
реакция окислителя с кремнием на границе раздела Si-SiO2.
40
При достаточно вы-
сокой концентрации окис-
лителя в газовой среде
адсорбция не влияет на
скорость процесса, а при
правильно выбранной тем-
пературе (более 1000 °C)
не ограничивается ско-
рость химического вза-
имодействия окислителя
с материалом подло-
жек. Основной стадией,
определяющей скорость
протекания процесса окис-
ления, является диффу-
зия, о чем свидетельствует уменьшение скорости роста слоя
диоксида кремния с увеличением его толщины.
Зависимость толщины слоя диоксида кремния от времени
и других технологических параметров достаточно сложна и из-
меняется на протяжении всего процесса. Если считать, что дав-
ление окислителя отличается от атмосферного не более чем в
10 раз, а температура Т строго поддерживается выше 1000 °C,
то после формирования слоя диоксида кремния толщиной бо-
лее 0,01 мкм зависимость его толщины х от времени t может
быть представлена в общем виде так:
х2 =Ate
где е — основание натурального логарифма; А — коэффициент
пропорциональности; ДЕ — энергия активации процесса, зави-
сящая от физико-химических свойств окислителя и окисляе-
мого вещества; к — постоянная Больцмана.
Термическое окисление кремния в сухом кислороде про-
водят при атмосферном давлении и температуре 1000—1200 °C:
Si + О2 = SiO2
При высоком качестве слоев диоксида кремния (плотность
около 2,27 г/см3) скорость их роста составляет всего 0,04—
0,06 мкм/ч. Это объясняется малым коэффициентом диффу-
зии кислорода в диоксиде кремния (Dq = 10~14 см2/с). Энер-
гия активации ДЕ при этом составляет 1,33 эВ.
Термическое окисление кремния в атмосфере водяного па-
ра увеличивает скорость образования слоя диоксида до 0,8—1
мкм/ч при энергии активации ДЕ = 0,8 эВ:
Si + 2H2O = SiO2 + 2Н2
41
Скорость процесса при этом также в значительной степени за-
висит от интенсивности переноса окислителя через образую-
щийся слой диоксида кремния (£>н2О = Ю"11 см2/с, т.е. в ты-
сячу раз больше, чем при окислении в сухом кислороде). Объяс-
няется это, в первую очередь, выделением на границе раздела
SiO2 — Si водорода, который, обладая высоким коэффициентам
диффузии в SiO2 (-Он2 = Ю“6 см2/с), легко удаляется с места
реакции, разрыхляет диоксид кремния (плотность около
2 г/см3), что способствует более легкому проникновению
паров воды к поверхности кремния.
Термическое окисление кремния во влажном кислороде
является комбинированным процессом, который позволяет
создавать слои диоксида кремния оптимальной плотности с
минимальным количеством дефектов при максимальной ско-
рости.
Обычно кремний окисляют на специальных установках
(рис. 14) в три стадии: вначале в сухом кислороде в течение
15 мин (кран К1 открыт, а краныК2 тлКЗ закрыты), затем во
влажном в течение 1 ч 45 мин (К1 — закрыт, К2 и КЗ — откры-
ты) и вновь в течение 1 ч в сухом для уплотнения (подсушива-
ния) образовавшегося слоя SiO2 за счет удаления гидроксиль-
ных групп ОН и десорбции Н2.
Недостатком термического окисления кремния при атмо-
сферном давлении и температуре более 1000 °C является ’’раз-
гонка” примесей в ранее сформированных р-п переходах при
многократном окислении, т.е. сложность получения резких р-п
переходов. Уменьшение температуры значительно увеличивает
время окисления. Повышением давления до 20—50 МПа можно
активизировать процесс и снизить температуру до 400—700 ° С.
В этом случае скорость роста слоя диоксида кремния состав-
ляет 1—2 мкм/ч. Однако при этом требуются особо прочные
и герметичные установки и, кроме того, нельзя наращивать слои

оооооооо
Рис. 14. Установка терми-
ческого окисления:
7 - рабочая камера, 2 —
кремниевые подложки,
3 - нагреватели, 4 - пи-
татель
42
диоксида кремния на других полупроводниковых материалах,-
Пиролитическим разложением легколетучих
соединений кремния при высоких температурах наращивают
слои диоксида кремния на подложках германия, арсенида гал-
лия и др. Наиболее часто используют тетраэтоксисилан (ТЭОС),
представляющий собой в обычных условиях жидкость, темпе-
ратура кипения которой равна 165 С, а температура разложе-
ния 600—750 °C. При пиролитическом разложении тетраэтокси-
силана протекает следующая реакция:
Si(OC2H5)4 = SiO2 + R,
где R — газообразная смесь оксидов углерода и органических
веществ.
При этой реакции температура ниже, чем при термическом
окислении кремния, а скорость роста слоя диоксида равна
0,2 мкм/ч. Несоблюдение температурного режима ухудшает
маскирующие свойства слоев диоксида кремния из-за непол-
ного разложения ТЭОС или появления избыточного кисло-
рода.
Установки пиролитического разложения отличаются от ус-
тановок термического окисления лишь тем, что в питатель зали-
вают ТЭОС, а вместо кислорода используют аргон.
Разновидностью пиролиза являются происходящие при бо-
лее низких температурах реакции 'Окисления силана (Т =
= 250 4- 400 °C) и тетрахлорида кремния (Т = 200 4- 250 °C):
SiH4 + 2О2 =SiO2 + 2Н2О
SiCl4 + 2H2O = SiO2 +4НС1
Отсутствие газообразных органических радикалов (СН3,
С2Н5 и др.) и углерода позволяет наращивать слои диоксида
кремния высокого качества.
Возможны также другие методы получения слоев диоксида
кремния, целесообразность применения которых зависит от
типов изготовляемых ИМС, используемых материалов и др.
Слои нитрида кремния Si3N4 обладают более высокими,
чем слои SiO2, диэлектрическими свойствами, поэтому толщина
их может быть примерно вдвое меньше. Так как азотирование,
т.е. химическое взаимодействие кремния и азота, происходит
при высокой температуре (1300 °C) и скорость роста слоя
Si3N4 мала, широкое применение получили следующие газофаз-
ные реакции:
3SiH4 + 4NH3 = Si3N4 + 12Н2
3SiT4 + 4NH3 = Si3N4 + 12НГ,
где Г - галоген (Cl, Br, J).
43
Прозрачные, без примесей, обладающие высокой плотностью
и хорошей маскирующей способностью слои Si3N4 получают
при температуре 600-1100 °C и скорости роста 0,001—0,02
мкм/мин. Однако высокая химическая стойкость слоев Si3N4
затрудняет их травление при фотолитографии. Поэтому исполь-
зуют различные сочетания слоев SiO2 и Si3N4.
Перспективными являются также слои оксида алюми-
ния А12О3, которые получают анодным окислением алюми-
ния или осаждением его из металлоорганических соединений'
при их разложении. Так, при температуре 250—450 °C разложе-
нием изопропилата алюминия А1(ОС3Н7)3 получают слои А12О3,
обладающие высокими диэлектрическими (е = 9 + 10, £"Пр =
= 1,5 • 103 В/мкм и р = 1014 Ом • см) и оптическими (показа-
тель преломления п = 1,6 -г 1,7) свойствами.
Используя смеси органических соединений кремния и алю-
миния, наносят слои алюмосиликатов (пА12О3 • mSiO2),
обладающие промежуточными по сравнению с А12О3 и SiO2
свойствами.
§ 10.	ЛИТОГРАФИЯ
Неотъемлемой частью технологии изготовления полупровод-
никовых приборов и ИМС являются процессы литографии, ос-
нованные на использовании высокомолекулярных соединений,
Рис. 15. Схема процесса фотолитографии:
а — нанесение и экспонирование слоя фоторезиста, б, в -
проявление слоев негативного и позитивного фоторезистов;
1 - фотошаблон, 2 - фоторезист, 3 - слой диоксида крем-
ния, 4 - кремниевая подложка, 5, б - защитные маски из
позитивного и негативного фоторезистов .
44
называемых резистами и обладающих способностью изменять
свои свойства под действием различного рода излучений. При
фотолитографии применяют ультрафиолетовое излу-
чение, при рентгенолучевой литографии — рент-
геновское, а при электронолитографии — поток
электронов.
Наиболее широкое распространение получила контактная
(рис. 15, a-в) и проекционная фотолитография, с помощью
которой в пленочных слоях или непосредственно на подложках
создают по заданным рисункам высокоточные рельефы будущих
полупроводниковых приборов и ИМС. Рельефы могут быть
сформированы в диэлектрических (SiO2, Si3N4), металличес-
ких (Al, Си, Au, Ni) или полупроводниковых (Si, Ge) слоях.
Предварительно нанесенный на поверхность, например
кремниевой подложки^ с слоем 3 диоксида кремния (рис. 15,а),
светочувствительный материал 2, называемый фоторезистом,
подвергают воздействию ультрафиолетового излучения, т.е.
экспонируют через специальную стеклянную маску — фотошаб-
лон 1, имеющий прозрачные и непрозрачные участки. Под воз-
действием излучения свойства фоторезиста изменяются и при
последующей обработке в специальных химических реактивах,
т.е. проявлении, отдельные участки слоя фоторезиста удаляют-
ся. Если при проявлении фоторезист не растворяется и не удаля-
ется с участков, на которые воздействовало ультрафиолетовое
излучение (рис. 15, б), его называют негативным, а если раст-
воряется и удаляется (рис. 15, в), его называют позитив-
ным.
Свойства фоторезистов характеризуют рядом параметров.
Светочувствительность — зто способность фоторезиста
изменять свои свойства под действием светового излучения.
Светочувствительность фоторезистов 5 = 1/Et = 1/Я (где Е —
энерго облученность, Вт/см2, t — длительность облучения (вы-
держка), с; Н — экспозиция, Вт • с/см2) зависит от их физико-
химических свойств и тем больше, чем меньше экспозиция.
Необходимо, чтобы спектр излучения источника света макси-
мально возможно совпадал со спектром поглощения фоторе-
зиста. Большинство фоторезистов обладает максимальной
светочувствительностью в ультрафиолетовой области спектра,
т.е. в диапазоне длин волн 300—500 нм.
Разрешающая способность — это максимально возможное
количество линий, разделенных промежутками такой же шири-
ны на 1 мм поверхности, которое может быть воспроизведено
в слое фоторезиста, т.е. R = 1000/(2/), где R — разрешающая
способность, лин/мм, I — ширина линии (промежутка), мкм.
Иногда R — это наименьший размер элемента в микрометрах.
45
Разрешающая способность в основном зависит от зернистости
и дисперсности фоторезиста.
Различают разрешающие способности фоторезиста R„ и про-
цесса фотолитографии Лф. Так, если R$ — 1000 лин/мм, то
7?ф — 400 лин/мм, что объясняется отклонением световых
лучей в системе фотошаблон—фоторезист—подложка из-за
дифракции, рассеяния на границах зерен фоторезиста и отраже-
ния от поверхности подложки. Эти явления приводят к боково-
му засвечиванию, формированию размытого края и снижению
разрешающей способности. Еще в большей степени 7?ф умень-
шается в результате бокового подтравливания х под слоем фо-
торезиста 1 (рис. 16) на границах защитного рельефа при трав-
лении пленки 2 диоксида кремния толщиной h. С увеличением
толщины слоя фоторезиста R§ уменьшается. Кроме того, 7?ф
зависит от совершенства применяемых фотошаблонов и источ-
ников ультрафиолетового излучения.
Кислотостойкость — это способность фоторезиста противо-
стоять воздействию кислот (HF, HNO3, НС1 и др.), а в некото-
рых случаях и щелочей (КОН, NaOH и др.). Так как единого
метода определения кислотостойкости фоторезистов нет, ее
обычно характеризуют временем, в течение которого они выдер-
живают воздействие определенных химических реактивов.
Кислотостойкость зависит также от состава полимерной осно-
вы фоторезиста. Например, желатин, гуммиарабик и шеллак
имеют низкую кислотостойкость, а эпоксидные смолы, каучу-
ки — высокую и позволяют проводить ’’глубинное” травление
Si (до 100 мкм). Кроме того, кислотостойкость зависит от
адгезии, толщины и качества слоя фоторезиста (отсутствия
пустот, трещин, пор и др.) и определяется по формуле k = hjX
(где h — толщина слоя SiO2; X — боковое подтравливание).
При к — 1 травление качественное, а при к > 1 — некачествен-
ное.
Промышленностью выпускаются как позитивные фоторе-
зисты (ФП-330, ФП-333, ФП-334, ФП-309, ФП-617, ФП-618,
ФП-626, ФП-636 и др.), обеспечивающие при толщине слоя
0,3—0,4 мкм формирование линий шириной 1—2 мкм, так и не-
гативные (ФН-106, ФН-11, ФН-11К, ФН-4ТВ. и др.), позволяю-
Рис. 16. Схема боково-
го подтравливания:
1 — слой фоторезиста,
2 - слой диоксида
кремния толщиной h,
3 - кремниевая под-
ложка
46
щие при толщине слоя 0,4—0,5 мкм получать линии шириной
2—3 мкм.
Фотолитография состоит из ряда операций, которые вы-
полняют в определенной последовательности.
Очистку поверхности подложек произво-
дят различными методами, выбор которых зависит от материа-
ла, на который наносят фоторезист, и степени загрязненности:
обработкой в парах трихлорэтилена, кипячением в азотной кис-
лоте или деионизованной воде, с помощью ультразвука, термо-
обработкой.
Нанесение фоторезиста является одной из важ-
нейших операций. От качества ее выполнения и толщины нане-
сенного слоя фоторезиста зависят его разрешающая способ-
ность, кислотостсйкость и адгезия, а также воспроизводимость
геометрических размеров элементов изготовляемых ИМС.
Чаще всего фоторезист наносят центрифугированием, помещая
подложки в центре платформы центрифуги и прижимая их ва-
куумным присосом. При вращении платформы слой нанесенно-
го на подложки фоторезиста равномерно распределяется по их
поверхности. В зависимости от вязкости фоторезиста и частоты
вращения центрифуги (500-8000 об/мин) обычно за 20-30 с
формируется слой фоторезиста толщиной 0,5—20 мкм.
Кроме того, применяют электростатическое нанесение
фоторезиста, распыление его специальным пульверизатором,
окунание и накатку валками.
При первой сушке фоторезист равномерно распре-
деляется по поверхности и из него удаляются пары раствори-
теля. В конвекционных печах (с подачей горчего обеспыленно-
го воздуха) сушка фоторезистов в зависимости от их типов
продолжается при 80—120 °C не более 20 мин. Сушка фоторе-
зистов в ИК- и СВЧ-печах значительно короче (минуты и секун-
ды) и обеспечивает высокое качество слоев (отсутствие пор,
трещин, вздутий, отслоений). Это объясняется тем, что при
термической сушке растворитель в первую очередь испаряет-
ся с поверхности, т.е. образуется ’’корка”, препятствующая по-
следующему его удалению, что приводит к вздутию и отслаива-
нию слоя фоторезиста. При ИК- и СВЧ-сушке разогревается по-
верхность подложек и растворитель вначале удаляется изнутри.
Совмещение фотошаблона с подложкой
может выполняться оператором визуально при наблюдении фи-
гур совмещения (рис. 17, а, б) или контроле зазора 6 между
ними (рис. 17, в). Точность этого метода ±(0,25 -г 1) мкм, а
автоматизированного фотоэлектрического — не ниже 0,05 —
0,1 мкм.
При экспонировании фоторезистов исполь-
47
1
а)	б)	в)
Рис. 17. Фигуры совмещения "линия-линия” (а), ’’точка-линия”
(б) и с контролируемым зазором (в)
зуют ультрафиолетовые лампы СВД-120, СВДШ-250 или ДРШ-500,
обеспечивающие неравномерность освещения 5—10% по полю
подложки. Время экспонирования 1—2 мин.
Так как при контактной фотолитографии фотошаблон при-
жимают к поверхности подложки, большое значение имеет ме-
ханическая прочность нанесенного на него рисунка (прозрач-
ных и непрозрачных участков). Наименее прочны эмульсионные
фотошаблоны (стеклянные пластины с экспонированной эмуль-
сией), выдерживающие не более 20—30 контактов. Поэтому их
обычно используют только в качестве эталонных фотошаблонов,
с которых снимают копии — рабочие фотошаблоны. Рабочие
фотошаблоны выполняют в виде стеклянных пластин размером
70 X 70 X 2,5 мм с нанесенной на них пленкой хрома толщиной
0,1 мкм, в которой вытравлен необходимый рисунок. Такие
фотошаблоны имеют высокую износостойкость, но обладают
значительной отражательной способностью (50—60%), что вы-
зывает боковое засвечивание фоторезиста и снижает его разре-
шающую способность. Минимальный размер воспроизводимых
элементов 2 мкм.
Этого недостатка лишены цветные фотошаблоны (красно-
оранжевого цвета), на поверхность стеклянного основания ко-
торых нанесена пленка Fe2O3 и Fe(CO)5. Отражательная спо-
собность таких фотошаблонов 10—15%, а минимальные разме-
ры воспроизводимых элементов до 1 мкм.
При проявлении негативных и позитив-
ных фоторезистов в специальных растворителях уда-
ляют соответственно неэкспонированные и экспонированные
участки. Для проявления негативных фоторезистов применяют
органические растворители (толуол, бензол, уайт-спирит и др.),
а позитивных — слабые водные и в о до глицериновые щелочные
растворы (КОН, NaOH, Na3PO4 • 12Н2О — тринатрийфосфат).
При второй сушке (задубливании) полностью уда-
ляется проявитель и повышается химическая стойкость фото-
48
г
резиста вследствие завершения процесса его полимеризации и
улучшения адгезии к подложке. Эту сушку, как правило, про-
водят термообработкой при 120—180 °C в течение 20 мин.
Травление является предпоследней операцией процес-
са фотолитографии, служит для формирования в слое фоторе-
зиста заданного рельефа и оказывает значительное влияние на
электрические параметры изготовляемых полупроводниковых
Приборов и элементов ИМС. При этом используемые травители
. должны быть избирательными, т.е. растворять данный слой и
. .не воздействовать на лежащие ниже. Так, для травления SiO2
« Применяют водный раствор плавиковой кислоты HF. При этом
«протекает следующая реакция: SiO2 + 4HF = SiF4 + 2Н2О и
’ „начинает интенсивно выделяться газообразный SiF4, который
вызывает отслаивание, растравливание и разрывы пленки SiO2.
^Поэтому на производстве используют специальные травители,
’^.называемые буферными, позволяющие регулировать скорость
i травления, в которые кроме плавиковой кислоты HF входят
ее соли.
Кроме химического травления широко применяют также
методы, которые были описаны в § 7.
Удаление фоторезиста является последней
и исключительно ответственной операцией процесса фотолито-
графии, так как от нее зависит качество последующих техно-
I логических операций производства полупроводниковых прибо-
j ров и ИМС: окисления, диффузии, нанесения металлических
.пленок.
, В зависимости от типа фоторезиста для его удаления исполь-
зуют концентрированные кислоты (H2SO4, HNO3), щелочи
(КОН, NaOH) или органические растворители (трихлорэтан,
,> диоксан и др.). Для интенсификации процесса кислотные и ор-
I1 ганические растворители нагревают до 60—100 °C. Кроме того,
применяют ультразвуковую и высокочастотную плазменную
£ обработку.
fe Необходимо отметить, что при контактной фотолитографии
^размеры получаемых элементов ИМС составляют 1 мкм и бо-
жяее. Это объясняется механическими повреждениями рабочих
«фотошаблонов и подложек, попаданием пылинок и микрочас-
Яртиц в слой фоторезиста и прокалыванием его, а также налипа-
®нием фоторезиста на фотошаблоны.
Ь Проекционная фотолитография, при которой изображение
® фотошаблона проецируется через специальный объектив с вы-
®сокой разрешающей способностью на плоскость подложки, не
Жимеет этих недостатков. В результате увеличивается срок служ-
Ж бы фотошаблонов и уменьшается количество дефектов в слое
, ж-фоторезиста. Кроме того, процесс проекционной фотолитогра-
 49
। Як
фии можно автоматизировать в большей степени, чем контакт-
ной. Вместе с тем при этом методе предъявляют более высокие
требования к плоскостности подложек и однородности толщи
ны слоя фоторезиста. Разрешающая способность проекционной
фотолитографии 0,4—1 мкм.
Рентгенолучевая литография основана на воздействии мяг-
кого рентгеновского излучения (ускоряющее напряжение
U = 8 кВ) на рентгенорезист и позволяет за счет более корот-
ких длин волн, чем при ультрафиолетовом излучении, получать
размеры элементов 0,3—0,5 мкм. В качестве рентгенорезиста
используют материал на основе полиметилметакрилата, отли-
чающийся высокой стабильностью свойств, нечувствительностью
к ультрафиолетовому излучению и достаточной килостостой-
костью (кроме НС1). Рентгеношаблоны обычно изготовляют
из кремния, так он хорошо пропускает рентгеновские лучи,
а рисунок выполняют в виде тонкой золотой пленки, их не про-
пускающей.
Отсутствие отражения и рассеяния, а также контакта между
резистом и рентгеношаблоном и нечувствительность к загрязне-
ниям (рентгеновское излучение практически не поглощается)
позволяют считать рентгенолучевую литографию перспектив-
ным методом создания БИС и СБИС с субмикронными (менее
1 мкм) размерами элементов.
Электронолитография, позволяющая еще более повысить
разрешающую способность (минимальные размеры элементов
составляют 0,1—0,15 мкм), основана на взаимодействии пучка
ускоренных электронов с электронорезистом — полимерным
материалом, нечувствительным к ультрафиолетовому излу-
чению. При этом экспонирование может производиться как
сфокусированным (проекционным) пучком электронов, так и
его сканированием по заданной программе, что исключает при-
менение фотошаблонов.
§ 11.	ЛЕГИРОВАНИЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПОДЛОЖЕК
Одним из основных процессов современной технологии
изготовления полупроводниковых приборов и ИМС является
легирование — дозированное введение примесей в полупровод-
никовый материал для изменения его электропроводности.
В зависимости от физики процесса и применяемого технологи-
ческого оборудования различают следующие методы легирова-
ния: высокотемпературную и радиационно-стимулированную
диффузию, а также ионную имплантацию.
Высокотемпературная диффузия основана на перераспреде-
50
лении частиц одного вещества в другом в направлении убыва-
ния их концентрации при тепловом воздействии.
Математическое описание диффузионных процессов было
сделано в 1855 г. немецким ученым А. Фиком и в общем виде
может быть представлено следующим уравнением:
J--DhN,
где ДА’’ — градиент концентрации частиц (атомов примеси);
D — коэффициент диффузии; J — плотность потока, т.е. число
частиц, проходящих в единицу времени через единицу пло-
щади. Знак минус показывает, что диффузия идет в направле-
нии убывания концентрации.
Мерой скорости диффузии является коэффициент диффу-
> зии
ДЕ"
 D = Doe кт ,
где Do — величина, постоянная для данного вещества; ДЕ1 —
энергия, необходимая атому для диффузии (энергия актива-
ции); к - постоянная Больцмана, равная 1,38 • 10-16 Дж/К;
„ Т — температура диффузии; е = 2,7 — основание натурального
". логарифма.
Скорость диффузии, определяемая подвижностью диффун-
дирующих в кристаллической решетке полупроводника атомов,
зависит от идеальности их расположения в реальном кристалле,
. а также от выбранного кристаллографического направления.
Теоретически в реальных кристаллах предполагаются три
. механизма диффузии: взаимным замещением атомов; по меж-
доузлиям; по вакансиям. Основные электрические активные
’ примеси образуют в полупроводнике твердые растворы заме-
щения (например, бор и фосфор в кремнии), диффузия в кото-
Z рых может происходить одновременно тремя способами. Одна-
ко будут преобладать два последних, так как при них энергия
Ji активации значительно меньше, чем при первом.
ж Существенное влияние на скорость диффузии оказывает
№ наличие примесей в исходной подложке полупроводника, так
ж как из-за электрического взаимодействия их с диффундирую-
 щим веществом возникают дополнительные связи, которые
 уменьшают (или увеличивают) энергию активации. Дислока-
 ции (смещения слоев кристалла) ускоряют процесс диффузии,
к Диффузия — это объемный процесс, т.е. вещество перерас-
 пределяется в объеме исходной подложки полупроводника по
 трем направлениям (координатным осям х, у, z). Рассмотрим
И частный случай, когда вещество диффундирует с поверхности
В- подложки вглубь, например по координате х. Такое допущение
К	51
правомерно, если глубина диффузии значительно меньше, чем
площадь, на которой она происходит. Диффузию проводят из
неограниченного или ограниченного источника примеси.
При диффузии из неограниченного ис-
точника (бесконечного, постоянного) количество примеси,
уходящей с поверхности подложки в ее объем, равно коли-
честву примеси, поступающей на нее извне. Другими словами,
концентрация N вводимой примеси, называемой диффузантом,
на поверхности подложки постоянна. Если обозначить х —
расстояние от поверхности в глубь пластины, No — поверхност-
ную концентрацию примеси, N (х, t) - концентрацию примеси
на любой глубине х в любое время t, то N (х,	(7V0>- D; х; t).
Следовательно, можно заранее рассчитать, какое количест-
во примеси, на какой глубине от поверхности подложки и че-
рез какое время будет находиться в процессе диффузии с уче-
том физико-химических свойств подложки и диффузанта, а
также температуры процесса. Графически распределение при-
Рис. 18. Распределение приме-
си при диффузии из постоян-
ного (а) и ограниченного (6)
источников
Рис. 19. Реальное распределение
примеси в кремниевой подлож-
ке л-типа:
1 - точка инверсии типа элект-
ропроводности, 2 - кремниевая
подложка, 3 ~ диффузионная об-
ласть
52
W'MfCH при диффузии из неограниченного источника показано на
рис. 18, а.
Диффузию из ограниченного (конечного) источ-
Т, ника примеси проводят в две стадии. Вначале в тонком
ь приповерхностном слое подложки создают концентрацию приме-
i си No (загонка примеси). Затем на поверхность подложки на-
fl досят слой, коэффициент диффузии данной примеси в котором
; значительно меньше, чем в подложке (например, слой SiO2 на
S: подложке Si), и нагревают такую структуру до высокой темпе-
Кратуры. При этом происходит диффузия примеси в глубь плас-
Ктииы (разгонка) и поверхностная концентрация No примеси
уменьшается. Графически распределение примеси при диф-
фузии из ограниченного источника показано на рис. 18, б.
Реальные полупроводниковые подложки имеют определен-
'ную концентрацию основной легирующей примеси. Так, крем-
ниевая подложка 2, показанная на рис. 19, до создания диффу-
зионной области 3 была n-типа электропроводности, т.е. имела
неизменную по всей толщине концентрацию примеси. Диф-
фузией акцепторной примеси в соответствующие места поверх-
(ности была создана некоторая поверхностная концентрация
;зтой примеси . При этом иа определенном расстоянии от по-
верхности подложки концентрация донорной и акцепторной при-
месей стали одинаковыми. Точка 1 инверсии типа электропро-
водности соответствует уравниванию донорной и акцепторной
Примесей и характеризует глубину залегания р-п перехода
Диффузию обычно проводят при 1000—1300 °C, так как
ниже 1000 °C значения коэффициента диффузии D очень малы
и глубина залегания р-п перехода незначительна, а выше
1300 °C — получают диффузионные слои низкого качества и
резко снижается стойкость кварцевого реактора. Если в изоли-
рованный объем поместить полупроводниковую подложку и
легирующее вещество — диффузант, то при испарении устано-
вится парциальное давление ps паров диффузанта, молекулы
(атомы) которого начнут адсорбироваться поверхностью под-
ложки и при определенной температуре будут диффундировать
в нее. В идеальном случае поверхностная концентрация No
зависит от парциального давления ps. Если равновесие на поверх-
ности достигается за время t, меньшее времени диффузии,
поверхностная концентрация No постоянна.
; Диффузию проводят на установках в закрытой, открытой
;или полуоткрытой трубе (рис. 20, а-в).
При первом способе (рис. 20, а) подложки 1 и диффузант 3
загружают в кварцевую трубу 2, которую вакуумируют и в виде
герметичной ампулы помещают в печь 4.
53
Рис. 20. Схемы проведения диффузии в закрытой (а), открытой
(6) и полуоткрытой (s) трубах:
1 — кремниевая подложка, 2 - кварцевая труба, 3 - диффузант,
4 - печь, 5 - выходной конец трубы, 6 - кварцевая муфта, 7 -
уплотнение
При втором способе (рис. 20, б) входной и выходной 5 кон-
цы трубы 2 сообщаются с атмосферой. Для уменьшения загряз-
нения подложек примесями из атмосферы на выходном конце
трубы устанавливают вытяжную систему.
При третьем способе (рис. 20, в) кассету с пластинами 1
и лодочки с диффузантом 3 (диоксид кремния с необходимой
примесью) помещают в трубу 2, выполненную в виде двух по-
ловин, каждая из которых представляет собой кварцевый ста-
кан с полукруглым дном. Затем обе половины соединяют
встык, закрепляют кварцевой муфтой 6 с уплотнением 7 из
платиновой фольги и помещают в печь 4. При нагреве кисло-
род, поступая через микрозазоры между уплотнением 7, тру-
бой 2 и ее торцами к подложкам, окисляет их поверхность. Од-
новременно с окислением примесь из лодочки переходит в слой
диоксида кремния, образующийся на поверхности подложек.
Насыщаясь примесью, этот слой становится источником диф-
фузии на поверхности подложек.
В качестве диффузантов используют твердые, жидкие или
газообразные вещества. Диффузантами для кремния являют-
ся акцепторные примеси В, Al, Ga, Jn и донорные примеси
Р, As, Sb, которые, как правило, применяют в виде оксидов
(Р2О5, В2О3, As2O3), оксихлоридов (РОС13), галогенидов
(РВг3, РС13, ВВг3), гидридов (РН3, В2 Н6, AsH3 ).
В закрытой трубе диффузию проводят в одну стадию, в
открытой — как в одну, так и в две стадии, а в полузакрытой -
в две. Двухстадийная диффузия более управляема, воспроизво-
дима и контроль ее проще.
Необходимо отметить, что важную роль в диффузионных
процессах играет окислительная среда. Растущая при диффузии
примеси пленка SiO2 предохраняет поверхность кремния от
эрозии (в результате его возможного испарения), нежелатель-
ных химических реакций и существенно повышает воспроизво-
54
димость параметров (xp_n; No и др.) диффузионных облас-
тей.
Окислительный процесс при использовании, например,
жидких и газообразных диффузантов состоит из следующих ста-
• дий:
взаимодействия диффузанта с кислородом в газовой фазе
с образованием ангидрида легирующего элемента:
4ВВг3 + ЗО2 = 2В2О3 + 6Вг2
4РОС13 + ЗО2 = 2Р2О5 + 6С12
В2Н6 + ЗО2 =В2О3 + ЗН2О
2РН3 +4О2 =Р2О5 + ЗН2О и т.д.;
) диффузии ангидрида через слой растущего оксида к границе
раздела Si—SiO2;
' . взаимодействия ангидрида с кремнием и выделения атомар-
„ной примеси:
2P2OS + 5Si = 5SiO2+4Р
<	2В2О3 + 3Si = 3SiO2+4В
диффузии атомов легирующего вещества в кристалличес-
> кую решетку кремния.
“ Окисление происходит также в результате диффузии кисло-
рода через слой диоксида и последующего взаимодействия с
..кремнием (см. § 9).
; Высокотемпературная диффузия, являющаяся основой сов-
; ременной планарной технологии, позволяет получать в полупро-
; воднике легированные слои толщиной до единиц микрометра.
/Формировать этим методом слои толщиной менее 1 мкм невоз-
можно, так как при неоднократном проведении процесса высо-
кая температура способствует перераспределению примесей в
ранее полученных диффузионных областях, смещению р-п пе-
• реходов и необратимому изменению электрофизических свойств
основного полупроводника. Поэтому было разработано и освое-
. но ионное легирование (ионная имплантация).
Ионная имплантация — это введение в полупроводник необ-
' ходимых примесей в виде ионов. Обладая большой энергией
. (до 1000 кэВ), ионы примеси проникают через поверхность
полупроводника в его кристаллическую решетку. В результате
столкновений с атомами, расположенными в узлах кристал-
лической решетки, ионы примеси смещают их в междоузлия
с образованием вакансий или междоузельных атомов. Так как
энергия ионов примеси в 100—1000 раз больше энергии связи
атомов в решетке полупроводника, каждому из них передается
| огромное количество энергии. Этот лавинообразный процесс
К;®Ызывает каскад последовательных смещений в кристалличес-
К>	55
кой решетке, разупорядочение ее и возникновение нескольких
тысяч точечных дефектов. Поэтому полупроводниковые под-
ложки для восстановления их кристаллической структуры и
снятия напряжений после ионного легирования отжигают при
600—800 °C или обрабатывают лазером.
Ионное легирование проводят на установке, схема которой
показана на рис. 21. Легирующее вещество, предварительно пе-
реведенное в парообразное состояние, ионизируют электронной
бомбардировкой, дуговым разрядом или действием различных
излучений в ионизационной камере 1. Ускоренный электричес-
ким полем (сотни киловольт) поток ионов с помощью фокуси-
рующей системы 2 направляют на определенный участок поверх-
ности полупроводниковой подложки 5. Так как легирующие ве-
щества применяются в виде соединений, в потоке ионов одно-
временно присутствуют как необходимые для легирования ио-
ны (например, Р, В), так и бесполезные (С1, Вг и др.). Спе-
циальное устройство — масс-сепаратор 3 разделяет ионы по мас-
сам, а система сканирования 4 связанная с ЭВМ, управляет пе-
ремещением потока легирующих ионов по поверхности полупро-
водниковой подложки 5 в соответствии с заданной прог-
раммой.
Ионное легирование широко применяют при изготовлении
БИС и СБИС, так как при этом методе возможно точное и вос-
производимое дозирование внедряемой примеси в результате
строгого контроля тока ионного пучка и времени облучения,
а также проведения процесса за несколько минут, что невозмож-
но при термической диффузии. Кроме того, ионное легирование
Рис. 21. Схема установки ионного
легирования:
1 — ионизационная камера, 2, 4 -
фокусирующая и сканирующая сис-
темы, 3 — масс-сепаратор, 5 — крем-
ниевая подложка
3	2	4
56
Ждозволяет формировать р-п переходы с точностью до 0,02 мкм
# И совместимо с другими технологическими процессами.
Вместе с тем следует отметить такие недостатки ионного
легирования, вызывающие некоторые ограничения его приме-
£ нения, как отжиг полупроводниковых подложек при темпе-
'эд ратурах в несколько сотен градусов, сложность создания глубо-
и: ко легированных областей, а также расфокусировку ионного
пучка при обработке подложек больших диаметров, обуслов-
к ленную значительным его отклонением от главной оси.
L .	§ 12. НАНЕСЕНИЕ ТОНКИХ ПЛЕНОК
ж

*" В производстве полупроводниковых приборов и ИМС
£ широко используются тонкие металлические и диэлектрические
Ж пленки.
JS-  Металлические пленки применяют для изготов-
К пения тонкопленочных резисторов и конденсаторов, коммута-
® ционных элементов и контактных площадок, омических кон-
ft тактов и т.п. В зависимости от назначения элементов ИМС
® используют как пленки из платины, золота, серебра, никеля,
Т хрома, меди, алюминия, титана, молибдена, так и многослой-
ные пленочные структуры.
Диэлектрические пленки (SiO, SiO2, GeO,
»• А12О3, Si3N4 и т.д.) используют для изготовления тонкопле-
ночных конденсаторов, защиты тонкопленочных элементов,
р-п переходов и поверхности полупроводниковых пластин,
создания межслойной изоляции в многослойных коммутацион-
ных платах и др.
Наибольшее распространение получили следующие методы
нанесения тонких пленок: термическим испарением материалов
в вакууме (резистивным и высокочастотным нагревом, нагре-
вом электронным лучом или лазером), ионным распылением
(катодным, ионно-плазменным или магнетронным) и ионно-
термическим испарением.
Термическое испарение в вакууме по сравнению с другими
Й; методами обладает рядом преимуществ. Так, в высоком ваку-
4;,, уме (10“3 —10“7 Па) можно наносить особо чистые пленки, т.е.
мало загрязненные молекулами остаточных газов (О2, Н2,
Na> со2 и др.). Относительная простота метода, а также воз-
*;' можность автоматизации процесса позволяют осаждать пленки
; * . с воспроизводимыми параметрами. Кроме того, этот метод
наиболее выгоден при изготовлении БИС и СБИС, размеры
я элементов которых должны быть очень точными.
W Термическое испарение основано на создании направлен-
К ного потока пара вещества и последующей его конденсации
л
1 2
К насосу
Рис. 22. Схема термического
испарения в вакууме:
1 - колпак, 2 - нагреватель
подложек, 3 - подложкодер-
жатель, 4 — подложка, 5 -
заслонка, 6 - испаритель, 7-
уплотнительная прокладка,
8 — опорная плита установ-
ки
Процесс термического
на поверхности подложек, темпера-
тура которых ниже температуры,
источника пара. Рабочая камера ус-
тановки термического испарения
(рис. 22) представляет собой ци-
линдрический металлический или
стеклянный колпак 1, размещен-
ный на опорной плите 8 и уплот-
ненный резиновой прокладкой 7.
Внутри рабочей камеры располага-
ются подложкодержатель 3 с под-
ложками 4, их нагреватель 2 и ис-
паритель 6. Между испарителем
и подложками имеется заслонка 5,
позволяющая в нужный момент
прекращать подачу испаряемого ве-
щества. Рабочая камера откачивает-
ся вакуумным насосом до давле-
ния 10-3—10"4 Па, которое изме-
ряется вакуумметром.
испарения состоит из трех основных
этапов; испарения вещества; переноса его паров к подложкам;
конденсации на них и образовании пленочной структуры.
При нагревании до определенной температуры вещество ис-
паряется, кинетическая энергия его частиц (атомов и молекул)
возрастает, в результате чего увеличивается вероятность разры-
вов межатомных и межмолекулярных связей. Отрываясь от по-
верхности, частицы вещества распространяются в свободном
пространстве, образуя пар. При этом возможны две схемы ис-
парения; твердая фаза — жидкая фаза — парообразная фаза и
твердая фаза — парообразная фаза. Вторую схему испарения на-
зывают возгонкой или сублимацией. При этом частицы вещества
испаряются с поверхности, создавая в замкнутом объеме V не-
которое давление пара р. Одновременно происходит обратный
процесс — конденсация. При V = const, Т = const и р - cohst
скорости испарения ии и конденсации ик равны. Условия, при
которых соблюдается равенство, называют равновесными (сос-
тояние насыщения), а образующийся при этом пар — насыщен-
ным. При этом скорость испарения
ии = 0,0585pj у/М/Т,
где Ps — давление насыщенного пара; Т — температура испаре-
ния; М — молекулярная масса испаряемого вещества.
Температуру, при которой давление насыщенного пара
вещества примерно равно 1 Па, называют температурой испа-
58
.рения. При нанесении пленок вещество должно испаряться
-в молекулярном режиме, так как при этом создается моле-
кулярный пучок, частицы которого перемещаются от испарите-
ля к подложке прямолинейно, без столкновений и рассеяния.
Эти условия достигаются при давлении остаточных газов р <
< 10-2 Па, а насыщенного пара ps < 102 Па, т.е. при невысокой
скорости испарения уи.
При ps > 102 Па скорость испарения ии достаточно велика
и над поверхностью подложек образуется слой пара, затрудняю-
щий испарение. При р > 10"2 также создаются условия для не-
молекулярного режима испарения, так как длина свободного
пробега частиц X меньше расстояния между подложкой и испа-
рителем. Согласно кинетической теории газа,
Х = кТ/-п </2рЬ2,
где к — постоянная Больцмана; S — эффективный диаметр мо-
лекулы газа.
Как следует из табл. 2, для выполнения условия X > d и
создания прямолинейной траектории движения частиц необхо-
димо давление не выше 10-2 Па, так как обычно расстояние
d~ 15 -г 20 мм.
Таблица 2. Зависимость длины свободного пробега
частиц от давления остаточных газов
Р, Па
1,0	10-1	10"2	10"3	10-4
X, м	10"3	7-10-2	7-Ю'1	7	7 - 101
Кроме того, форма молекулярного пучка должна быть та-
кой, чтобы обеспечивалась максимальная направленность движе-
ния частиц испаряемого вещества к подложке. Для осаждения
равномерной по толщине пленки плотность падающего пучка
должна быть одинаковой по всей поверхности подложки.
Конденсация паров зависит от температуры подложки и
плотности молекулярного пучка. Приближаясь к подложке,
частицы вещества попадают в поле сил притяжения ее поверх-
ностных атомов и молекул. Вместе с тем на очень близком
расстоянии на частицы вещества действуют также силы оттал-
кивания. Атомы (молекулы) испаряемого вещества, достиг-
шие подложки, могут мгновенно отразиться от нее (упругое
столкновение), адсорбироваться и через некоторое время вновь
отразиться (реиспариться), а также адсорбироваться и после
кратковременного мигрирования по поверхности остаться на
» ней, т.е. происходит конденсация. Если энергия связи частиц
&	59
вещества с атомами подложки больше средней энергии атомов
подложки, они конденсируются, а в ином случае отражаются
от нее.
Температура подложки, выше которой все частицы вещест-
ва отражаются от ее поверхности и пленка при этом не образует-
ся, называемая критической температурой, зависит от физико-
химических свойств материалов осаждаемой пленки и подлож-
ки, а также от состояния поверхности подложки.
Наименьшую плотность, при которой частицы осаждаемого
вещества конденсируются на подложке при данной ее темпера-
туре, называют критической плотностью молекулярного потока.
При нахождении молекулами осаждаемого вещества мест, соот-
ветствующих минимуму свободной энергии системы молекула-
подложка, образуются зародыши. Рост зародышей происходит
в результате присоединения новых молекул, мигрирующих по
поверхности или попадающих на зародыш непосредственно из
пространства между источником и подложкой.
Размер зародыша, при котором он обладает минимальной
устойчивостью, называется критическим. Зародыш критическо-
го размера при удалении даже одной молекулы распадается и,
наоборот, при добавлении ее становится более устойчивым.
При росте и объединении зародышей образуются островковые
структуры, а затем — сплошная пленка.
Конденсация вещества на подложке определяется коэффи-
циентом конденсации (аккомодации)
ак ~ ил/иоб>
где n0Q — количество атомов или молекул, достигших поверх-
ности в единицу времени; пк — количество частиц, закрепивших-
ся на поверхности.
Электрофизические параметры тонких пленок, их надеж-
ность и качество зависят от таких основных технологических
факторов, как давление остаточных газов р, температура подло-
жек Тп и испарения Т и, кроме того, условий термообработки
нанесенной пленки (температуры, времени, среды).
Как уже отмечалось, при большом давлении в рабочей ка-
мере присутствуют остаточное (О2, Н2, N2, СО2) и другие газы,
которые не только уменьшают среднюю длину свободного про-
бега молекул, но насыщают пленку, химически взаимодейству-
ют с ней, образуя соединения, изменяющие первоначальные
свойства осаждаемого вещества.
Скоростью испарения зависящей от температуры, опре-
деляется производительность процесса, возможность хими-
ческого взаимодействия остаточных газов и испаряемого ве-
щества, а также условия его кристаллизации на подложке.
60
I
 Т«к, при низких скоростях испарения в пролетном пространст-
ве успевают произойти химические реакции и образуются окси-
ды, гидриды, нитриды и другие соединения, обладающие иными,
дем осаждаемое вещество, свойствами и скоростями миграции
по поверхности подложки. В результате этого изменяются ус-
ловия кристаллизации, структура и электрические параметры
осаждаемой пленки.
Температурой Тп подложки определяется взаимодействие
ее материала с остаточными газами, а также интенсивность
химического взаимодействия этих газов и материала пленки.
При повышении температуры улучшается десорбция, уменьша-
ется газонасыщение и создаются условия термодинамического
равновесия. В результате этого формируются сплошные и без-
i дефектные пленки, обладающие хорошей адгезией, имеющие
ненапряженную структуру и оптимальные размеры зерен. Одна-
ко следует помнить, что значительное повышение температуры
’ подложки увеличивает критический размер зародышей и может
ft. привести к сохранению островковой структуры, что, в свою
очередь, вызывает неравномерность пленки по толщине и ухуд-
шение ее электрофизических параметров. Это особенно важно
. При изготовлении тонкопленочных резисторов (толщина пленки
0,35—0,6 мкм). Обычно температуру подложек выбирают в
интервале от 30 до 400 °C.
Цель термической обработки осажденных пленок — снятие
в них напряжений и предотвращение рекристаллизации, которая
 может происходить при повышенных температурах, возникаю-
щих при прохождении тока через элементы. Правильный выбор
температуры термообработки Toq, ее времени и давления оста-
точных газов р способствует стабилизации структурных, а сле-
I. Рис. 23. Резистивные испарители:
t а, б - проволочные, в, г, д - ленточные, е - тигельный; 1 - нагреватель,
| 2 - испаряемое вещество, 3 - компенсаторы, 4 - крышка, 5 - тигель
61
дователыю, и электрофизических параметров пленок. Так,
для большинства резистивных пленок = 300	450 °C;
Г = 1 т4ч, р = 10'3 -г 10'4 Па. Ухудшение вакуума, т.е. увели-
чение давления, интенсифицирует процессы химического взаимо-
действия испаряемого вещества с остаточными газами.
В зависимости от способа нагрева осаждаемого вещества
различают резистивные, электронно-лучевые и индукционные
испарители.
Резистивные испарители изготовляют из прово-
локи и лент тугоплавких металлов, а также из графита и дибо-
рида титана TiB2.
Проволочные испарители (рис. 23, а, б) просты по конструк-
ции, хорошо компенсируют тепловое расширение, но недолго-
вечны, не позволяют испарять сыпучие вещества и объем их мал.
Ленточные испарители для устранения тепловой деформации
имеют компенсаторы (рис. 23, в) и позволяют испарять боль-
шее, чем проволочные, количество вещества. Материалы, склон-
ные к разбрызгиванию и выбрасыванию крупных частиц, осаж-
дают из испарителей, снабженных сетчатой крышкой (рис. 23, г).
Графитовые и из диборида титана испарители (рис. 23, д)
применяют при осаждении материалов, имеющих Т > 2200 °C.
В тигельных испарителях из теплостойкой керамики (Д12О3,
ВеО, ThO) устранен непосредственный контакт нагревателя
с испаряемым материалом и значительно увеличена загрузка
(рис. 23, е).
Недостатки резистивных испарителей — загрязнение наноси-
мой пленки материалом нагревателя или тигля, малый срок
службы, невозможность испарения тугоплавких металлов.
Электронно-лучевые испарители (рис. 24,а)
основаны на преобразовании кинетической энергии электронов
в энергию нагрева при бомбардировке ими испаряемого мате-
риала. Эти испарители применяются при нанесении пленок ту-
Рис. 24. Электронно-лу-
чевой (а) и индукцион-
ный (б) испарители:
1 - катод, 2 — управ-
’ ляющий электрод, 3 -
анод, 4 — магнитная
фокусирующая систе-
ма, 5 — электронный
луч, 6 — испаряемый
материал, 7 - индуктор
62
гоплавких материалов, не загрязняют камеру материалом на-
гревателя и тигля и могут быть использованы более длительное
время, чем резистивные. Однако при электронной бомбарди-
ровке некоторые материалы разлагаются на фракции с выделе-
нием газообразных веществ. Площадь сфокусированного элект-
ронного пучка 3-60 мм2, напряжение на аноде 6—10 кВ, ско-
рость испарения — до 5 мг/с.
Индукционные испарители (рис. 24, б) основа-
ны на разогреве материала высокочастотным магнитным полем,
создаваемым индуктором. Основной недостаток этих испарите-
лей — значительная зависимость скорости испарения вещества
от его массы.
Катодное, ионно-плазменное и магнетронное распыление
существенно отличаются от термического испарения. Так, при
катодном распылении материалов, особенность которого состо-
ят в том, что пленка формируется в газовом разряде, процесс
происходит при давлении от 1 до 102 Па и меньшей, чем при тер-
мическом испарении, скорости роста пленки.
Катодное распыление основано на том, что поток положитель-
но заряженных ионов газа (например, аргона), получивших
энергию от сотен электронвольт до единиц килоэлектронвольт,
направляют на мишень, выполненную из распыляемого вещест-
ва. Ионной бомбардировкой из мишени выбиваются частицы
вещества, которые оседают на подложке в виде тонкой пленки.
В зависимости от способов ионизации газа, т.е. создания
плазмы и распыления мишени, ионные источники подразделяют
на диодные, триодные и магнетронные.
В диодных источниках поток электронов, необ-
ходимый для ионизации рабочего газа, образуется в результате
автоэлектронной эмиссии. В таких источниках бомбардируемая
ионами газа мишень одновременно является катодом и поэтому
называется катодом-мишенью. Осаждение вещества происходит
на подложку, располагаемую на аноде. Если распыляемая ми-
шень металлическая, распыление ведется при постоянном токе,
а если диэлектрическая, — при переменном. Во втором случае
при отрицательной полярности мишень распыляется, а при по-
ложительной с нее снимается накопленный отрицательный за-
ряд.
Диодные системы (рис. 25, а) наиболее просты и состоят
из катода-мишени 1, анода J и подложки 2, размещенных в рабо-
чей камере, в которой первоначально создается вакуум 10~3 —
Ю“4 Па; затем в камеру напускается инертный газ до давле-
ния 1,3—13 Па. При подаче на электроды напряжения 1—5 кВ
электроны с катода-мишени устремляются в сторону анода,
Ионизируя инертный газ, в результате чего возникает нормаль-
63
Рис. 25. Ионные источники испарения:
а - диодный, б - триодный; 1 — катод-мишень, 2 - подложка, 3 -
анод, 4 - термокатод
ный тлеющий разряд и образуется плазма. Положительные ионы
плазмы, ускоряясь, устремляются к катоду-мишени, бомбарди-
руют и распыляют ее.
В триодных источниках, называемых также
ионно-плазменным и источниками распыления (рис. 25, б),
третий электрод выполняет функцию термоэмиссионного като-
да, увеличивая концентрацию электронов, а следовательно,
и ионизированных атомов рабочего газа (аргона). Причем
увеличение количества ионов аргона возможно при уменьшении
его давления до 10-1—10"2 Па, что обеспечивает нанесение
пленок, не загрязненных посторонними примесями. Кроме
того, наличие термокатода позволяет приблизить мишень к под-
ложке, что увеличивает скорость нанесения пленки. Как и в
диодных источниках, рабочую камеру предварительно откачи-
вают до давления около 10"4 Па. Затем подают ток накала на
вольфрамовый термокатод, который разогревается до темпе-
ратуры возникновения термоэлектронного тока высокой плот-
ности. Напряжение между раскаленным термокатодом и ано-
дом равно 200 В, а давление аргона в рабочей камере — 10"1 —
10-2 Па. Электроны, испускаемые термокатодом, ионизируют
модекулы аргона, которые после подачи отрицательного по-
тенциала на катод-мишень (3—5 кВ), вытягиваясь из плазмы,
бомбардируют и распыляют ее поверхность.
Особенностью триодных источников распыления является
безынерционность (распыление после снятия потенциала с ка-
тода-мишени мгновенно прекращается), возможность ионной
очистки поверхностей мишени и подложки без встраивания
специальной системы электродов. Так как энергия летящих
частиц очень велика, особенно при распылении тугоплавких
материалов, сплавов и соединений, в разрядной камере и на
64
тишени выделяется большое коли-
чество теплоты. Поэтому такие сис-
темы требуют охлаждения.
В магнетронных источ-
никах (рис. 26), выполненных
НЗ основе диодных систем, в разряд-
ном промежутке одновременно с
электрическим действует магнитное
доле, что позволяет без увеличения
. концентрации электронов повысить
.плотность плазмы. На электроны,
I эмиттированные автоэмиссиоиным ка-
йтодом-мишенью 3 и движущиеся к
^кольцевому аноду 2 в приложенном
к'между ними электрическом поле,
| действует магнитное поле Н, направ-
ленное перпендикулярно электричес-
тве. 26. Схема магнетрон-
ного распыления:
1 — поток распыляемого
вещества, 2 - кольцевой
анод, 3 — катод-мишень,
4 — магнитная система
| кому. При перекрещивании полей путь движения электронов
। удлиняется, что повышает вероятность их столкновения с моле-
кулами рабочего газа. В результате при давлении 10-1—10“2 Па
создается высокая концентрация ионов газа, которые движутся
к катоду-мишени, бомбардируя ее и распыляя с большой интен-
сивностью. Поток 1 распыляемого вещества устремляется
к подложке и осаждается на ней в виде пленки.
Достоинствами магнетронных систем, используемых для
распыления металлов, полупроводников и диэлектриков, явля-
ются:
низкое рабочее давление, позволяющее уменьшить коли-
чество газовых включений в осаждаемой пленке;
высокая скорость нанесения пленки;
надежность и стабильность параметров напылительной
системы;
широкий диапазон толщин пленок при их высокой адгезии
и однородности.
Ионно-термическое испарение является
комбинацией термического испарения и ионного распыления
и выполняется следующими методами;
резистивным или электронно-лучевым испарением вещества
с последующей ионизацией его паров в плазме рабочего газа;
резистивным или электронно-лучевым испарением вещества
с последующей ионизацией его паров (например, с помощью
высокочастотного индуктора);
высокочастотным термическим испарением вещества с од-
новременной высокочастотной ионизацией его паров.
Во всех случаях движение ионов испаряемого вещества к
3—540	65
подложке и осаждение на ней обусловлены действием электри-
ческого поля, создаваемого между испарителем и подложкой.
В зависимости от требуемой кристаллической структуры и адге-
зии осаждаемых пленок потенциал подложки может быть от О
до 104 В. Так, при низких температурах подложки, чтобы полу-
чить удовлетворительную адгезию пленки к ней, потенциал необ-
ходимо увеличивать.
Достоинствами ионно-термического испарения являются:
большая скорость процесса, свойственная термическому
испарению, в сочетании с высокой энергией конденсирующихся
частиц, характерной для ионного распыления;
однородность и равномерность осаждаемых пленок по
толщине;
возможность осаждения пленок сложного состава (карби-
дов, нитридов, оксидов и др.) с большими скоростями без высо-
котемпературного нагрева подложек.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1.	Какими методами ориентируют полупроводниковые монокристал-
лические слитки перед резкой их на пластины?
2.	Какие методы механической обработки полупроводниковых ма-
териалов вы знаете?
3.	Каковы особенности жидкостной и сухой очистки полупроводни-
ковых пластин и какими методами ее выполняют?
4.	Что такое эпитаксия и каково ее назначение в производстве полу-
проводниковых приборов и ЙМС?
5.	На чем основаны газофазное и жидкофазное наращивание эпитак-
сиальных слоев?
6.	Какими методами формируют защитные покрытия в виде слоев
диоксида и нитрида кремния?
7.	Каковы особенности различных методов литографии?
8.	Какие операции и в какой последовательности выполняют при
фотолитографии?
9.	Какие методы легирования полупроводников вы знаете?
10.	Каково назначение тонких пленок в микроэлектронной техноло-
гии и какими методами их наносят?
▼
" ГЛАВА ТРЕТЬЯ
ТИПОВЫЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ
ПРОЦЕССЫ ИЗГОТОВЛЕНИЯ
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ И ИМС
§ 13.	ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ
. ,R Современная технология изготовления как полупроводни-
ковых приборов, так и полупроводниковых ИМС состоит из
одинакового набора технологических процессов. Отличие состо-
ит лишь в том, что в технологии изготовления полупроводнико-
вых ИМС имеется дополнительная операция — выполнение
электрических соединений между элементами или компонента-
ми. Поэтому рассмотрим только технологию изготовления по-
лупроводниковых ИМС.
В общем технологическом процессе изготовления полупро-
водниковых ИМС выделяют первые и вторые технологические
операции. При первых технологических операциях, называемых
также циклом изготовления кристаллов, формируют в объеме
и на поверхности полупроводниковой подложки элементы ИМС,
выполняют электрические соединения между ними и создают
контактные площадки, а при вторых — разделяют подложки
на отдельные кристаллы, производят сборку, монтаж и герме-
тизацию ИМС.
Технология изготовления ИМС характеризуется рядом
особенностей.
Первая особенность состоит в так называемом интеграль-
но-групповом методе производства ИМС, основанном на одно-
временной обработке большого количества подложек. При этом
на каждой подложке изготовляют активные и пассивные эле-
менты, которые затем электрически соединяются (интегриру-
ются) токопроводящими дорожками. В результате за один тех-
нологический цикл создают десятки и даже сотни тысяч ИМС.
Интегрально-групповой метод способствует повышению про-
цента выхода годных и снижению стоимости ИМС, так как все
их элементы изготовляются в одинаковых условиях. Расчеты по-
казывают, что если технологический процесс включает до 40 опе-
раций, то для обеспечения результирующего 30%-ного выхода
годных ИМС необходимо, чтобы после каждой операции брак
не превышал 5 %. Такой уровень технологии может быть достиг-
нут только при интегрально-групповом методе производства.
При этом даже при весьма низком проценте выхода годных
стоимость изготовления всех ИМС незначительно превышает
стоимость изготовления одной.
Вторая особенность состоит в том, что все активные и пас-
: з*	67
г
сивные элементы ИМС формируют на подложке в виде одно-
типных структур, обычно биполярных или МДП-транзисторов.
В зависимости от выбора типа транзисторов различают биполяр-
ную или МДП-технологию изготовления ИМС.
Третья особенность проявляется в организации и реализа-
ции всего технологического цикла производства ИМС на одном
предприятии-изготовителе. В некоторых случаях на одном пред-
приятии только изготовляют кристаллы или выполняют сборку.
При этом технологический цикл должен быть организован так,
чтобы длительность транспортировки изделий в специальной
герметизированной таре сводилась к минимуму. Таким обра-
зом, общая длительность технологического цикла производства
ИМС в основном зависит от длительности технологических
операций.
Четвертой особенностью является использование типовых
технологических процессов для изготовления ИМС, отличающих-
ся как по функциональному назначению, так и по конструктив-
ному оформлению. Совокупность технологических операций,
выполняемых в определенной последовательности на специаль-
ном технологическом оборудовании для получения групповым
методом ИМС заданной структуры и конструктивного оформ-
ления, называют типовыми технологическими процессами.
Типовые процессы позволяют создавать на единой конструктив-
но-технологической основе множество различных по функцио-
нальному назначению ИМС, характеризующихся примерно оди-
наковыми качеством и надежностью. В этом проявляется зна-
чительный экономический эффект интегрально-групповых мето-
дов изготовления ИМС.
Для каждого вида ИМС, как правило, разрабатывается
типовой технологический процесс, основанный на выполнении
в определенной последовательности технологических операций
в соответствии с этапами формирования элементов ИМС.
Основными технологическими этапами производства полу-
проводниковых ИМС являются:
изготовление и подготовка к работе комплекта рабочих
фотошаблонов (РФШ);
подготовка оборудования, оснастки, реактивов и материа-
лов;
комплектование партии полупроводниковых подложек;
механическая и химическая обработка поверхности под-
ложек;
формирование в полупроводниковых подложках активных
и пассивных элементов;
создание контактных площадок и электрических соедине-
ний между элементами;
68
нанесение защитного покрытия;
сборка и герметизация.
Кроме того, технологический процесс изготовления ИМС
включает входной, пооперационный и выходной контроль, из-
мерение статических и динамических параметров, испытания
’‘готовых ИМС.
 Типовые технологические процессы реализуются на техно-
логических линиях, состоящих из комплекта технологического,
«Измерительного и испытательного оборудования, обеспечиваю-
щего непрерывное последовательное выполнение операций
изготовления ИМС.
При организации производства полупроводниковых ИМС
обычно создают следующие производственные технологичес-
кие участки: изготовления фотошаблонов, механической и хи-
мической обработки подложек, фотолитографии, диффузион-
ных и термических процессов (диффузии и окисления), эпи-
таксиального наращивания, пиролитического осаждения ди-
электрических пленок и поликристаллических слоев полупро-
водников, вакуумно-напылительный, герметизации, измери-
тельный и испытаний.
Изготовление корпусов не входит в типовой технологи-
ческий процесс. Объясняется это тем, что корпуса одного и то-
го же типа могут применяться для защиты ИМС разных кон-
струкций, изготовленных по различным типовым технологи-
ческим процессам. Поэтому технология изготовления корпу-
сов является общей для всех видов ИМС (кроме корпусов
СВЧ ИМС).
Важной особенностью технологии изготовления ИМС яв-
ляется дальнейшая интеграция (объединение) технологических
процессов, а также реализация нескольких технологических опе-
раций в пределах одного производственного участка на одной
технологической установке.
Основой полупроводниковых биполярных ИМС является
транзисторная структура и+-р-и-типа с равномерным распреде-
лением примесных атомов в коллекторной области. Такая
структура служит для создания как активных, так и пассивных
элементов ИМС. Например, для реализации диодов используют
какой-либо один (коллекторный или эмиттерный) р-п переход
транзистора или оба р-п перехода. Резисторы формируют на ба-
зовых или эмиттерных слоях транзисторов, создавая к ним
омические контакты. Конденсаторы создают на одном или
двух р-п переходах транзисторов, включенных в обратном
направлении, либо на МДП-структурах.
Таким образом, типовой технологический процесс изготов,-
ления полупроводниковых ИМС на биполярных транзисторах
69
сводится к формированию на кремниевых подложках тран-
зисторных структур я+-р-я-типа, имеющих одинаковое распре-
деление концентрации примесных атомов и различные геомет-
рические размеры. Количество таких структур должно быть
таким, чтобы обеспечивалось получение всех необходимых ак-
тивных и пассивных элементов, а также создание изоляции меж-
ду ними и внутрисхемных соединений.
Полупроводниковые ИМС на биполярных транзисторах
наиболее часто изготовляют по планарной и планарно-эпитак-
сиальной технологиям, основанным на следующих технологи-
ческих процессах создания транзисторных структур: окислении
поверхности полупроводниковых подложек; литографии; эпи-
таксиальном наращивании полупроводниковых слоев; локаль-
ном введении примесных атомов.
Особенностью планарно-эпитаксиальной технологии явля-
ется то, что коллекторные области структур создают эпитакси-
альным наращиванием слоя полупроводникового материала,
главным образом кремния я-типа, на подложке p-типа, а базо-
вые и эмиттерные — введением легирующих примесных атомов
в эпитаксиальный слой. При этом эмиттерные области формиру-
ют введением примесных атомов максимально возможной кон-
центрации. Это обеспечивает создание транзисторных структур,
обладающих высоким коэффициентом усиления по току. Фор-
мируют элементы и соединения между ними только на одной
стороне подложки (рабочей поверхности).
Примесные атомы вводят в полупроводниковые подложки
ионным легированием и диффузией. Причем, как правило, сна-
чала ионным легированием производят загонку атомов примеси,
а затем диффузией их разгонку, в процессе которой формиру-
ются слои, обладающие заранее заданными электрофизически-
ми свойствами. Кроме того, в планарной технологии широко
применяют нитридирование (выращивание слоев нитрида крем-
ния) .
Технологические процессы изготовления полупроводнико-
вых биполярных ИМС классифицируют по способам формиро-
вания транзисторных структур и изоляции элементов. Изоли-
руют элементы ИМС в основном включением р-п перехода в
обратном направлении, формированием локальных полупровод-
никовых областей, полностью разделенных слоем диэлектрика,
или комбинируя эти способы. Как уже отмечалось, технологи-
ческие процессы окисления, диффузии, фотолитографии и на-
пыления при изготовлении ИМС на биполярных транзисторах
проводятся так же, как при изготовлении дискретных планар-
ных биполярных транзисторов. Однако при производстве ИМС
на исходных подложках одновременно формируют различные
70
типы активных и пассивных элементов, которые должны быть
электрически изолированы, поэтому технологический маршрут
изготовления их сложнее.
Кроме того, при изготовлении биполярных ИМС для повы-
шения быстродействия транзисторов в их коллекторных облас-
тях введением примесных атомов в исходную подложку непо-
средственно перед эпитаксиальным наращиванием монокрис-
таллического полупроводникового слоя формируют скрытые
высоколегированные слои, что также усложняет технологию.
Качество и процент выхода годных ИМС в значительной степени
зависят от совершенства изоляции их элементов.
§ 14. ПЛАНАРНАЯ И ЭПИТАКСИАЛЬНО-ПЛАНАРНАЯ
ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ ИМС
При изготовлении современных полупроводниковых прибо-
ров и ИМС по планарной технологии используют монокристал-
лические полупроводниковые подложки определенного типа
электропроводности, а при эпитаксиально-планарной — на такие
подложки дополнительно наращивают эпитаксиальный слой про-
тивоположного типа электропроводности толщиной 2,5—10 мкм.
Так как при изготовлении планарных и эпитаксиально-планар-
ных транзисторов отличие состоит только в используемых под-
ложках, в дальнейшем будем называть оба типа этих транзисто-
ров планарными.
Рассмотрим технологический процесс изготовления планар-
ной транзисторной структуры полупроводниковой ИМС
(рис. 27). Будем считать, что для получения транзисторной
структуры в локальные области исходной подложки примесные
атомы вводят только диффузией, а исходной является кремние-
вая подложка p-типа с выращенным эпитаксиальным слоем п-
типа, имеющим удельное сопротивление 5-10 Ом • см.
Планарные транзисторы отличаются от других типов тран-
зисторов рядом свойств. Так, их р-п переходы база — коллек-
тор и эмиттер — база выходят на поверхность кристалла в одной
плоскости (плане). Области базы и эмиттера соответственно
получают диффузией акцепторных и донорных атомов (обычно
бора и фосфора) в эпитаксиальный слой. Для локализации
Рис. 27. Структура планарного п-р-п-
транзистора полупроводниковой бипо-
лярной ИМС:
1 — высокоомный коллекторный слой
п-типа, 2 — диффузионная база р-типа,
3 - диффузионный эмиттерный слой
И-типа, 4 — алюминиевая металлизация,
«У - слой оксида
/241 S
71
г
участков подложек, через которые проводят диффузию, ис-
пользуют маски.
При производстве кремниевых планарных транзисторов
наиболее широко применяют защиту, которая состоит в созда-
нии сплошной маскирующей пленки диоксида кремния по всей
поверхности будущей планарной структуры и последующем вы-
травливании (вскрытии) окон в этой пленке, через которые за-
тем проводят диффузию. Пленка диоксида кремния является
маской для диффундирующих атомов бора, фосфора и некото-
рых других элементов вследствие большого различия коэффи-
циентов диффузии атомов этих веществ в диоксиде кремния
и кремнии. Поэтому, вырастив пленку диоксида кремния нуж-
ной толщины, можно при заданном режиме обеспечить локализа-
цию процесса диффузии, т.е. в открытые участки кремниевой
подложки примесные атомы при заданной их концентрации про-
диффундируют на необходимую глубину от поверхности, тогда
как в маскирующую пленку они внедрятся весьма незначительно.
При таком способе проведения диффузии появляются иск-
ривленные по периферии участки р-п переходов. На границе
диоксидной маски диффузия атомов примеси идет не только
вглубь, но и вдоль поверхности подложки (под маску). Расстоя-
ние, на которое примесные атомы проникают параллельно по-
верхности (’’боковая диффузия”), примерно равно глубине
диффузии на открытых участках. Таким образом, р-п переходы
планарных транзисторов имеют искривленные участки, радиус
кривизны которых примерно равен глубине залегания р-п пе-
реходов. На поверхности подложек такие переходы оказывают-
ся защищенными маской.
Эта особенность планарных приборов имеет свои положи-
тельные стороны, заключающиеся прежде всего в том, что р-п
переходы не загрязняются при проведении последующих техно-
логических операций, так как оказываются скрытыми слоем
диоксида кремния. Кроме того, на заключительных стадиях из-
готовления планарных структур на основе слоя диоксида крем-
ния обычно создают пассивирующий слой, обеспечивающий вы-
сокую надежность планарных транзисторов и стабильность их
параметров. Между тем искривления р-п переходов, вызывае-
мые ’’боковой диффузией”, снижают пробивные напряжения
планарных транзисторов и диодов.
При получении структур планарных транзисторов диффу-
зию обычно проводят в две стадии. На первой стадии вводят
примесные атомы, а на второй происходит их перераспределе-
ние и одновременно окислением поверхности подложек форми-
руют маску из диоксида кремния для проведения следующего
диффузионного процесса.
72
1
Как уже отмечалось, при планарной технологии рельеф в
" пленке диоксида кремния создают с помощью фотолитографии,
качество проведения которой оказывает существенное влияние
на весь процесс формирования планарных структур.
Кроме того, в отличие от других р-п переходы планарных
Транзисторов защищены пленкой диоксида кремния, образую-
щейся непосредственно в процессе их создания. Так, при про-
изводстве меза-диффузионных транзисторов сначала формируют
'йруктуры, которые затем тщательно очищают и на конечной
: стадии индивидуально пассивируют. В планарной технологии
уже самая первая операция — окисление подложек — препят-
ствует последующему загрязнению изготовляемых р-п перехо-
дов, так как места их выхода на поверхность формируются
под пленкой диоксида кремния.
Окончательную пассивацию р-п переходов проводят группо-
вым методом на заключительных стадиях изготовления струк-
' тур и в большинстве случаев одновременно с перераспределени-
ем атомов змитгерной примеси. Это в значительной степени сни-
жает трудоемкость изготовления структур и, кроме того, позво-
ляет их контролировать по основным параметрам на подлож-
ках, что обеспечивает высокий процент выхода годных ИМС.
Схема типового технологического процесса и последователь-
ность выполнения операций при изготовлении биполярного
п-р-п-транзистора по эпитаксиально-планарной технологии пока-
заны на рис. 28, а-е. При этом диаметр подложек составляет
100 мм, их толщина — 400—450 мкм, а толщина эпитаксиально-
го слоя и-типа, выращенного на кремниевой подложке р-типа, —
5—10 мкм.
Для получения эпитаксиального слоя заданного удельного
сопротивления (определенного распределения примесных ато-
мов) подложки при эпитаксиальном наращивании легируют.
При этом, используя трехбромистый бор ВВг3 и треххлористый
фосфор РС13, соответственно получают слои р- и и-типов. Эти
химические соединения обладают близкой к используемому в
качестве источника осаждаемых атомов тетрахлориду кремния
упругостью паров, что существенно облегчает контроль роста
эпитаксиального слоя.
Поверхность кремниевых подложек с выращенным эпитак-
; спальным слоем перед термическим окислением полируют алмаз-
ным порошком с размером зерен до 0,5 мкм или шлифуют ок-
сидом алюминия А12О3, а затем обрабатывают в кислотном по-
лирующем травителе. При изготовлении транзисторов специаль-
•„ ного назначения часто применяют электрохимическую полиров-
lf Ку, позволяющую получать высокое качество поверхностей
подложек.
73
Рис. 28. Схема типового технологического процесса
(а) и последовательность выполнения операций
(б-е) при изготовлении биполярного и-р-и-транзис-
тора по эпитаксиально-планарной технологии
Затем тщательно удаляют всевозможные загрязнения. При
этом подложки обезжиривают в органических растворителях,
окисляя остатки органических загрязнений в азотной или сер-
ной кислоте, пергидроли и промывают деионизованной водой.
Если необходимо, чтобы обратный ток транзисторов был не бо-
лее нескольих наноампер, выполняют дополнительную очистку
подложек комплексообразующими веществами, способными
связывать загрязнения в виде ионов в легко удаляемые комп-
лексы. Очищенные подложки либо сушат на центрифуге, либо
погружают в чистый, легко испаряющийся растворитель, удаляе-
мый затем потоком горячего газа непосредственно в момент
загрузки подложек в реакционную камеру для термического
окисления.
Термическое окисление (рис. 28, б) проводят при темпера-
туре около 1200 °C в течение 2—3 ч в сухом кислороде, после
этого — в атмосфере увлажненного кислорода и вновь — в су-
хом кислороде. Образующаяся на поверхности подложек плен-
ка диоксида кремния имеет толщину 0,5—1 мкм.
74
Первая фотолитография (рис. 28, в) предназначена для
вскрытия в слое диоксида кремния окон под последующую диф-
фузию атомов бора для создания базовой области. Травление
слоя диоксида кремния производят в растворе плавиковой
кислоты и фторида аммония. Затем подложки очищают хими-
ческим способом от остатков органических соединений и прово-
дят диффузию атомов бора. В зависимости от необходимости
получения заданных параметров формируемого диффузионно-
го слоя первую стадию диффузии ведут при 900—1000 °C в
течение 20—60 мин. При этом образуется слой p-типа толщиной
менее 1 мкм с поверхностной концентрацией примесных атомов,
равной предельной растворимости бора в кремнии при темпе-
ратуре диффузии. Так как загонка атомов бора проводится в
окислительной атмосфере, то на поверхности открытых участ-
ков (окон) подложки образуется пленка боросиликатного
стекла, которую стравливают в растворе плавиковой кислоты.
Затем подложки промывают деионизованной водой и проводят
вторую стадию диффузии в сухом или увлажненном кислороде
для перераспределения атомов бора и одновременно окисления
поверхностей (при 1050—1250 °C в течение нескольких часов).
После окончания второй стадии диффузии контролируют элект-
рофизические параметры полученного диффузионного слоя.
При второй фотолитографии (рис. 28, г) локализируют бу-
дущие эмиттерные области, совмещая маску с рисунком на под-
ложке, нанесенном при первой фотолитографии. По окончании
фотолитографического процесса выполняют выборочный конт-
роль пробивного напряжения р-п переходов и отбраковывают
некачественные подложки.
Диффузию атомов фосфора для получения эмиттера прово-
дят во вскрытые окна также в две стадии соответственно при
температуре 870—1050 и 1000—1150 °C. Выбирают режим в
зависимости от требований, предъявляемых к электрическим
параметрам транзисторов. Технологический процесс диффузии
атомов фосфора для получения эмиттера отличается от про-
цесса диффузии атомов бора для получения базы меньшей дли-
тельностью.
После диффузии атомов фосфора образуются готовые
структуры, к которым необходимо создать омические контак-
ты. Для этого прежде всего третьей фотолитографией вскрывают
окна в слое диоксида кремния под контактные площадки
(рис. 28, <Э). Особенности третьей фотолитографии связаны с
тем, что адгезия наносимого фоторезиста к слою диоксида
кремния невелика из-за наличия пленки фосфорно-силикатного
стекла, образовавшейся на первой стадии диффузии, и различ-
ной скорости травления примесносиликатных стекол над облас-
75
1
тями эмиттера и базы. При этом для исключения растравливания
(травления под резистивную маску) необходимо особо тщатель-
но поддерживать режим, а иногда даже принимать специальные
меры, вплоть до раздельного вскрытия окон под контакты
к базовой и эмиттерной областям.
Металлизируют структуры обычно напылением в вакууме
пленки алюминия толщиной 0,5—1,2 мкм, лишние участки ко-
торой удаляют при четвертой фотолитографии (рис. 28, е), про-
водимой по типовым режимам с использованием в качестве тра-
вителя щелочи или ортофосфорной кислоты. Нанесенную плен-
ку алюминия вжигают при 500—550 °C в течение нескольких
минут в инертной атмосфере, что обеспечивает высокую адгезию
между пленкой металла и кремнием.
Особое внимание необходимо уделять межоперационной
транспортировке подложек, их хранению в процессе производ-
ства и соблюдению требований технологической дисциплины.
Это обусловлено высокой чувствительностью создаваемых
структур к неконтролируемым загрязнениям, которые могут
привести к появлению дефектов и резкому снижению процента
выхода годных ИМС.
Основным условием для получения бездефектных структур
является использование в технологическом цикле их производ-
ства контролируемых сред. Поэтому химическую и фотолито-
графическую обработку подложек проводят в обеспыленных
боксах (скафандрах), применяя высокочистые реактивы. Обес-
пыленную среду, содержащую не более трех-четырех пылинок
размером до 0,5 мкм в 1 л воздуха, создают постоянной фильт-
рацией очищенного воздуха в рабочем объеме скафандра. Лами-
нарный поток чистого воздуха в скафандре препятствует попа-
данию загрязнений из окружающей среды.
Применяемые в производстве реактивы должны поступать
на рабочие места для дополнительной финишной тонкой фильт-
рации. Это прежде всего относится к реактивам, используемым
для химической обработки подложек и фотолитографии, а так-
же к деионизованной воде и газам, используемым при терми-
ческих процессах. Передача подложек после химической обра-
ботки на термические операции, а также после диффузионных
процессов на фотолитографию осуществляется в герметизиро-
ванных контейнерах. Загружать подложки в контейнеры и разг-
ружать из них следует в обеспыленной атмосфере.
Длительное хранение подложек после химической обработ-
ки не допускается. Разрабатывают процессы химической обра-
ботки, как правило, так, чтобы в течение нескольких часов под-
ложки обязательно передавались на следующую операцию. В
случае задержки подложки подвергают дополнительной (обычно
76
f
менее сложной) химической обработке и только после этого
• продолжают технологический цикл.
Современное производство планарных приборов и ИМС
требует жесткого графика перемещения обрабатываемых под-
ложек по всем технологическим операциям. Обусловлено это
тем, что адгезия фоторезистов максимальна к свежеотожженной
пленке диоксида кремния, и только в этом случае можно до-
биться воспроизводимых результатов при процессе фотолито-
графии. Большое значение имеет также сокращение разрыва
между первой и второй стадиями диффузии, поскольку опе-
рации введения примесных атомов иногда сопровождаются
осаждением излишнего количества диффузанта на маскирую-
щую пленку диоксида кремния, что с течением времени ухудша-
ет ее качество.
Чтобы уменьшить попадание неконтролируемых загрязне-
ний на подложки, их загружают в диффузионные печи через
специальные обеспыленные шлюзы или предварительно устанав-
ливают в рабочие лодочки, затем транспортируемые к диффу-
зионной печи в герметичном контейнере, который в момент
загрузки стыкуют с ее рабочей камерой. Уменьшению дефектов
в значительной степени способствует соблюдение правил подго-
товки рабочих камер печей, в которых проводят диффузию,
отжиг держателей подложек непосредственно перед проведени-
ем диффузионных процессов, чистота приспособлений для конт-
роля температуры, загрузки лодочек и др.
§ 15. ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ
БИПОЛЯРНЫХ ИМС С ИЗОЛЯЦИЕЙ р-п ПЕРЕХОДАМИ
При изготовлении ИМС на биполярных транзисторных
структурах, изолированных р-п переходами, включенными
в обратном направлении, наибольшее распространение в зави-
симости от способа формирования изолирующих областей
получили следующие технологические процессы:
стандартный эпитаксиально-планарный с использованием
разделительной диффузии (стандартная технология);
коллекторной изолирующей диффузии (КИД-технология),
заключающейся в получении изолированных областей проведе-
i нием диффузии примесных атомов для формирования кол-
! лектора;
базовой изолирующей диффузии (БИД-технология), заклю-
; чающейся в получении изолированных областей проведением
диффузии примесных атомов для формирования базы;
д с использованием трех фотошаблонов;
i с использованием двойной диффузии примесных атомов.
1	77
Рассмотрим последовательность выполнения технологичес-
ких операций формирования структур ИМС, содержащих трап-
зистор, диод, резистор и конденсатор при различных типовых
технологических процессах. В качестве исходной выберем
кремниевую подложку р-типа.
Стандартная технология. Эта технология наиболее распро-
странена и состоит в том, что транзисторные структуры форми-
руют локальной диффузией в эпитаксиальном слое и-типа,
выращенном на подложке p-типа, а изолирующие области соз-
дают разделительной диффузией на всю глубину эпитаксиально-
го слоя.
Последовательность формирования транзистора, диода, ре-
зистора и конденсатора, а также внутрисхемных соединений
полупроводниковой ИМС по стандартной эпитаксиально-планар-
ной технологии показана на рис. 29, а—з. Поверхность исходных
кремниевых подложек подвергают химической очистке с после-
дующим травлением и промывкой деионизованной водой, а за-
тем окисляют в атмосфере влажного кислорода при температу-
ре 1150 °C. Первую фотолитографию проводят для вскрытия
в маскирующем слое диоксида кремния окон, через которые
на глубину 0,8—1,2 мкм проводят в две стадии диффузию
атомов сурьмы или мышьяка. Атомы этих веществ имеют срав-
нительно малые коэффициенты диффузии в кремнии. В резуль-
тате диффузии формируется высоколегированная «-область,
которая располагается под коллектором будущей транзистор-
ной структуры (рис. 29, а).
После этого с поверхности подложек удаляют слой диокси-
да кремния и наращивают эпитаксиальный слой кремния п-ти-
йа (рис. 29, б). Как правило, эпитаксиальное наращивание вы-
полняют хлоридным методом в эпитаксиальных вертикальных
реакторах при температуре около 1200 °C, получая слои крем-
ния толщиной 8—10 мкм, обладающие удельным объемным со-
противлением 0,1-1 Ом • см. Повторным термическим окисле-
нием на поверхности подложек с эпитаксиальным слоем созда-
ют слой диоксида кремния толщиной около 0,5 мкм. На опре-
деленных участках этого слоя второй фотолитографией форми-
руют окна (рис. 29, в) и разделительной диффузией атомов бо-
ра создают в две стадии изолирующие области p-типа. Первую
стадию диффузии проводят при более низкой температуре, чем
вторую, в течение достаточно короткого промежутка времени.
Продолжительность второй стадии диффузии определяет-
ся временем, необходимым для проникновения атомов бо-
ра на всю глубину эпитаксиального слоя. Так создают кол-
лекторные области n-типа с лежащими под ними скрыты-
ми высоколегированными областями того же типа злект-
78
Рис. 29. Последовательность формирования (а-з) активных и пассивных
элементов полупроводниковой биполярной ИМС по эпитаксиально-пла-
нарной технологии:
1 - исходная подложка р-типа, 2 — слой диоксида кремния, 3 — скрытый
слой и+-типа, 4 — эпитаксиальный слой и-типа, 5 - базовая область р-типа,
6 - эмиттерная область и+-типа, 7 - алюминиевая металлизация, 8 — кон-
денсатор на основе диоксида кремния, 9 - диод (области коллектора
И базы закорочены), 10 - биполярный транзистор, 11 - диффузионный
резистор р-типа
7 6 8 5	9 10 3 11 Al
ропроводности, изолированными областями p-типа (рис. 29, г).
Базовые области транзисторов, а также резисторы и диоды
создают диффузией в изолированные области n-типа атомов ка-
кой-либо акцепторной примеси (обычно — бора). Для этого в
слое диоксида кремния третьей фотолитографией получают ок-
на, размеры которых зависят от требуемых номинальных зна-
чений параметров элементов. Базовую диффузию также прово-
дят в две стадии, получая области базы глубиной 2,5—3,5 мкм,
обладающие удельным поверхностным сопротивлением 150—
300 Ом/а. Одновременно на поверхности подложек образуется
слой диоксида кремния (рис. 29, д).
Затем формируют высоколегированные эмиттерные облас-
ти, которые служат эмиттерами транзисторов, катодами диодов,
электродами конденсаторов, омическими контактами к коллек-
торным областям, а иногда и внутрисхемными соединениями.
Для этого проводят четвертую фотолитографию, в результате
которой в слое диоксида кремния получают окна под эмиттер-
ные области и контактные площадки к высокоомному коллек-
торному слою n-типа. Формируют высоколегированные эмит-
терные области и+-типа диффузией атомов фосфора, которую
проводят в одну или две стадии в среде кислорода на глубину
0,8—1 мкм. Такие высоколегированные области обладают
удельным поверхностным сопротивлением 2—5 Ом/п (рис. 29, е).
Заканчивается процесс создания структур полупроводнико-
вых ИМС формированием внутрисхемных соединений и защит-
ного покрытия. Для этого вначале удаляют с поверхности под-
ложек пленку фосфоросиликатного стекла, которая вырастает
при проведении диффузии атомов фосфора в окислительной ат-
мосфере, и проводят окисление, получая защитный слой диок-
сида кремния толщиной около 1 мкм. Этот слой одновременно
является маскирующим при создании пятой фотолитографией
омических контактов металл — полупроводник. После вскрытия
в слое диоксида кремния окон под омические контакты
(рис. 29, ж) поверхность подложек тщательно очищают, а затем
термическим испарением в вакууме наносят на нее слой алюми-
ния. Алюминий должен равномерно покрывать как слой диок-
сида кремния, так и участки, обработанные травлением при
фотолитографии.
Для получения внутрисхемных соединений необходимой
конфигурации и контактных площадок проводят шестую фото-
литографию. На заключительном этапе технологического про-
цесса наносят защитный слой диоксида кремния и с помощью
седьмой фотолитографии вскрывают в нем окна к контактным
площадкам. Структура кристалла полупроводниковой ИМС
(без защитного слоя диоксида кремния) показана на рис. 29, з.
80
К В производственных условиях после каждого этапа форми-
Т рования элементов ИМС проводят контроль. Так, после очист-
ки» окисления и фотолитографии подложки подвергают 100%-
яому визуальному контролю. Диффузионные области контро-
/ пируют, измеряя их удельное поверхностное сопротивление
цли снимая вольт-амперные характеристики образцов-спутни-
- ков. Подложки с готовыми ИМС контролируют на функциони-
рование на зондовых установках. Забракованные ИМС маркиру-
ют краской. После контроля подложки с ИМС поступают на опе-
’ рацию разделения на кристаллы (скрайбирование). Годные
Кристаллы направляются на операцию сборки.
1 Основным недостатком такого типового технологического
процесса изготовления ИМС является перераспределение в не-
г‘ которых случаях примесных атомов в сформированных облас-
# тях при проведении последующих высокотемпературных опера-
S ций. Это необходимо учитывать при расчете и проектирований
ИМС, параметры элементов которых не должны выходить за
установленные пределы. Кроме того, получаемые при этом
технологическом процессе изолирующие р-п переходы облада-
ют паразитными емкостями и токами утечки, что отрицатель-
но влияет на характеристики быстродействующих цифровых
и высокочастотных аналоговых ИМС.
КИД-технология. Создание элементов ИМС коллекторной
изолирующей диффузией основано на использовании тонких
эпитаксиальных слоев. При этой технологии получают гораз-
до более высокую плотность элементов, чем при стандартной.
В биполярных ИМС достаточно большая часть площади
кристаллов занята изолирующими диффузионными областями.
Площадь изолирующих областей дополнительно возрастает за
счет допусков, которые необходимо учитывать на различных
диффузионных операциях. Это обусловлено неточностью совме-
щения масок при фотолитографии, а также эффектами боковой
диффузии примесных атомов под края маскирующего слоя ди-
оксида кремния. Допуски тем больше, чем толще эпитаксиаль-
ные слои, используемые в качестве исходного материала для
изготовления элементов ИМС.
При КИД-технологии (рис. 30, а-д), разработанной приме-
нительно к эпитаксиальным слоям толщиной не более 2 мкм,
выполняется не более пяти фотолитографий, тогда как при
стандартной эпитаксиально-планарной — семь. Кроме того,
КИД-технология характеризуется меньшим количеством дру-
гих технологических операций, что, в свою очередь, повышает
процент выхода годных ИМС.
Процесс изготовления ИМС по КИД-технологии начинается
с формирования в кремниевых подложках p-типа скрытого
81
a)

ЖЖ
p
в)
3	4	5
/ /

p
г)
Рис. 30. Последовательность формирования
транзистора полупроводниковой биполяр-
ной ИМС по КИД-технопогнн:
а — диффузия примесных атомов для по-
лучения скрытого коллекторного слоя
п -типа, б - наращивание эпитаксиального
слоя кремния р-типа, в, г - коллекторная
и базовая диффузии, д - эмиттерная диф-
фузия, вскрытие контактных окон и соз-
дание алюминиевой металлизации; 1 -
исходная подложка р-типа, 2 - слой и+-
типа, 3 - эпитаксиальный слой р-типа,
4 - вывод коллектора, 5 - диффузион-
ный слой р-типа
высоколегированного л+-слоя (рис.
30, а). Такой слой формируется под
структурой каждого транзистора, дио-
да или резистора ИМС. Затем на по-
верхность подложек наращивают
эпитаксиальный слой р-типа толщиной
около 1,5 мкм (рис. 30, б). Удельное
сопротивление эпитаксиального слоя
р-типа, его толщину и глубину про-
никновения атомов легирующей при-
меси выбирают исходя из заданного
напряжения пробоя между отдельны-
ми элементами ИМС. Как правило,
это напряжение должно быть не мень-
ше 10 В.
4
После эпитаксии через специально
сформированные фотолитографией
п*	5Юг маски проводят диффузию атомов
донорной примеси на глубину эпитак-
сиального p-слоя (рис. 30, в). В ре-
зультате получают «-области, которые
образуют омические контакты со
скрытыми и+-слоями и, следователь-
но, выполняют функцию коллекто-
ров. Кроме того, они обеспечивают
изоляцию заключенных между ними участков p-слоя, которые
используются в качестве базовых областей транзисторов или
служат резисторами.
Далее проводят диффузию атомов акцепторной примеси
для формирования на всей поверхности подложек тонкого
слоя р-типа, обладающего повышенной по сравнению с эпитак-
сиальным слоем концентрацией примесных атомов (рис. 30, г).
Этой диффузией получают необходимое удельное поверхност-
82
Вдов сопротивление слоя p-типа для последующего формирова-
" ция на нем резисторов заданных номинальных сопротивлений
и температурных коэффициентов.
Заключительным этапом технологического процесса являет-
ся неглубокая диффузия атомов донорной примеси в эпитак-
сиальный p-слой для создания эмиттеров транзисторов (рис.
ЭМ) •
. 1 Так как КИД-технологию применяют только на тонких
эпитаксиальных слоях, влияние боковой диффузии примесных
атомов по сравнению со стандартной планарно-эпитаксиальной
технологией существенно уменьшается, что позволяет формиро-
• вать элементы ИМС меньших размеров. Например, размеры
.транзисторов соответственно составляют 5X5X9 мкм. Поэтому
ИМС, изготовленные по КИД-технологии, обладают лучшими
частотными свойствами. В настоящее время КИД-технология
благодаря сравнительной простоте изготовления ИМС, схемной
их универсальности и высокому быстродействию, а также в
1,5—2 раза большей плотности упаковки элементов получила
.наиболее широкое распространение.
БИД-технология. Создание элементов ИМС методом базовой
<5)	г)
Рис. 31. Последовательность формирования транзисто-
ра полупроводниковой биполярной ИМС по БИД-тех-
нологии:
а — эпитаксиальное наращивание слоя кремния и-типа,
б - базовая диффузия атомов акцепторной примеси
с одновременным формированием изолирующих участ-
ков р+-типа вокруг базовых областей, в - эмиттерная
диффузия атомов донорной примеси и создание коллек-
торных контактов, г - формирование омических кон-
тактов; 1 - исходная подложка р-типа, 2 - эпитаксиаль-
ный слой и-типа, 3, 4 - изолирующая и базовая облас-
ти р+-типа, 5 - коллекторная область и-типа, 6 - оми-
ческий контакт к коллектору, 7 - эмиттерная область
и+-типа, 8-11 — омические контакты к изолирующей,
коллекторной, базовой и эмиттерной областям
83
изолирующей диффузии основано на совмещении по времени
процессов формирования изолирующих и базовых областей
транзисторов. Эта технология является более простой, чем
КИД-технология, так как для ее проведения требуется только
четыре фотолитографии.
При изготовлении ИМС по БИД-технологии (рис. 31, а-г)
также используют подложки р-типа, на которых на первой ста-,
дни выращивают тонкий эпитаксиальный слой n-типа (рис.
31, а). В отличие от структур, формируемых по КИД-техноло-
гии, создание скрытого слоя и+-типа в этом случае необязатель-
но. На второй стадии технологического процесса проводят ло-
кальную диффузию атомов акцепторной примеси в эпитаксиаль-
ный слой, формируя базовые и изолирующие области р-типа.
При этом базовые области (рис. 31, б) оказываются заключен-
ными внутри изолирующих.
Диффузионные процессы создания эмиттеров и омических
контактов к коллекторам проводят на третьей стадии техноло-
гического процесса, вскрывая для этого окна в слое диоксида
кремния над базовой и коллекторной областями (рис. 31, в).
На четвертой стадии вскрывают окна в слое диоксида кремния
над эмиттерной, базовой и коллекторной областями и затем
напыляют в вакууме пленку алюминия для создания к ним оми-
ческих контактов. Пятая стадия — формирование межэлемент-
ных соединений. Структура транзистора ИМС, изготовленного
по БИД-технологии, показана на рис. 31, г.
Особенность БИД-технологии состоит в том, что изолирую-
щие области р-типа, сформированные одновременно с базовы-
ми, проникают не на всю глубину эпитаксиального и-слоя.
Для взаимной изоляции элементов на изолирующие области по-
дают обратное напряжение. В результате этого область объемно-
го заряда изолирующих р-п переходов расширяется до смыка-
ния с подложкой р-типа. Так изолируют транзисторы ИМС от
других элементов, изготовленных на том же эпитаксиальном
слое.
БИД-технология по сравнению с КИД-технологией более
проста, однако применяется ограниченно, так как для нормаль-
ного функционирования изготовленных ИМС необходим допол-
нительный источник питания, обратное включение которого
обеспечивает изоляцию структур.
Метод трех фотошаблонов. При создании элементов ИМС
этим методом (рис. 32, a-в) проводят только три фотолито-
графии. Особенностью метода является одновременная диффу-
зия примесных атомов для формирования эмиттерных и кол-
лекторных областей с образованием коллекторных колец,
изолирующих транзисторы в поперечном направлении. В качест-
84
V
Рис. 32. Последователь-
ность формирования тран-
зистора полупроводнико-
вой биполярной ИМС ме-
тодом трех фотошабло-
нов:
а — базовая диффузия в
кремниевую подложку р-
типа, б - одновременная
диффузия атомов акцеп-
торной примеси для полу-
чения эмиттерной и кол-
лекторной областей п+-ти-
па, в - создание омичес-
ких контактов; 1 - исход-
ная подложка р-типа, 2 —
эпитаксиальный слой «-ти-
па, 3 — кольцевая область
коллектора «+-типа, 4 —
эмиттерная область н+-ти-
па, 5 - область объемно-
го заряда, 6-8 — оми-
ческие контакты к кол-
лекторной, базовой и
эмиттерной областям, 9 —
слой диоксида кремния
ве исходных обычно используют подложки из слаболегирован-
ного кремния p-типа, удельное объемное сопротивление кото-
рых составляет около 1000 Ом • см.
На первой стадии технологического процесса (первая фото-
литография) проводят неглубокую диффузию атомов акцептор-
ной примеси для получения базовых областей с заданными
электрофизическими параметрами (рис. 32, а). Высоколегиро-
,. ванные эмиттерные и коллекторные области п -типа формируют
< на второй стадии технологического процесса одновременной
локальной диффузией атомов донорной примеси в базовые
области. При этом эмиттерные области располагаются внутри
Ж кольцевых коллекторных областей (рис. 32, б), а их изоляция
г обеспечивается образованием широкой области объемного за-
ряда перехода коллектор — низколегированная подложка р-ти-
па. На второй, а также третьей стадиях технологического про-
цесса формируются (второй и третьей фотолитографией) оми-
ческие контакты к эмиттерной, базовой и коллекторной облас-
тям и внутрисхемные соединения.
Структура транзистора ИМС, изготовленного методом трех
фотошаблонов, показана на рис. 32, в.
• Метод трех фотошаблонов проще рассмотренных выше,
^Однако не получил широкого распространения, так как при его
1	85
использовании формируются структуры транзисторов ИМС с
вертикальными р-п переходами. Такие ИМС из-за невозможнос-
ти создания узких базовых областей имеют малую плотность
упаковки элементов и низкую рабочую частоту.
Метод двойной диффузии. Основой этого метода является
создание изоляции транзисторов одновременной (или последова-
тельной) диффузией атомов фосфора и мышьяка. Обычно тех-
нологический процесс строят следующим образом. Сначала в
исходной подложке кремния p-типа вскрывают окна (рис.
33, а) и одновременной диффузией атомов фосфора и мышьяка
создают локальную область и+-типа (рис. 33, б). Затем на по-
верхности подложек выращивают тонкий эпитаксиальный
слой p-типа. В результате автолегирования в растущем эпитак-
сиальном слое создается область и-типа (рис. 33, в). Образова-
ние этой области обусловлено только диффузией атомов фосфо-
ра, для которых в кремнии по сравнению с атомами мышьяка
хапактерен гораздо больший коэффициент диффузии. Введе-
/>-51
в)
Рис. 33. Последовательность формирования транзистора
полупроводниковой биполярной ИМС методом двойной диф-
фузии:
а — окисление поверхности кремниевой пластины и вскрытие
окон для проведения диффузии, б — диффузия атомов
фосфора и мышьяка (одновременная или последователь-
ная), в - снятие слоя диоксида кремния и эпитаксиальное
наращивание слоя кремния p-типа, г - высокотемпературное
окисление слоя кремния p-типа, д - диффузия атомов приме-
сей для получения базы р+-типа, эмиттера и+-типа и создания
омических контактов; 1 - исходная подложка, 2 - слой ди-
оксида кремния, 3 - скрытый и+-слой коллектора, 4 - изо-
лирующая область р+-типа, 5 - эпитаксиальный слой и-типа,
6-8 - области коллектора, эмиттера и базы, 9 — омический
контакт к коллектору, 10 - алюминиевая металлизация
86
цием атомов мышьяка формируют скрытый и+-слой. Внутри
областей, образующихся в результате диффузии атомов фос-
фора (рис. 33, г) и автолегирования ими эпитаксиального
слоя, создают транзисторы и другие элементы ИМС (рис.
33, д) -
Метод двойной диффузии по сравнению со стандартной
технологией позволяет значительно уменьшить размеры элемен-
те и примерно в 2 раза повысить плотность их размещения
да подложках.
Дальнейшее совершенствование типовых технологических
процессов изготовления биполярных ИМС с изоляцией р-п пере-
ходами направлено на уменьшение площади элементов и изоли-
рующих областей. Это обеспечивается заменой процессов диф-
фузии ионным легированием, применением тонких эпитаксиаль-
ных слоев, маскирующих слоев нитрида кремния вместо диок-
сида и др. Простота различных методов изоляции элементов
ИМС р-п переходами позволила не только освоить массовый вы-
, пуск ИМС, но и создавать ИМС на основе приборов интеграль-
ной инжекционной логики (И2Л), а также с зарядовой связью
(ПЗС).
§ 16. ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ БИПОЛЯРНЫХ ИМС
С ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ИЗОЛЯЦИЕЙ
Технология изготовления биполярных ИМС с диэлектри-
ческой изоляцией предусматривает формирование элементов
ИМС, каждый из которых полностью изолирован от соседних
и исходной подложки слоем диэлектрика. Для создания изо-
лирующих областей чаще всего используют диоксид кремния,
хотя возможно применение и других диэлектрических материа-
лов (например, нитрида кремния, оксида алюминия, стекла,
ситалла, керамики).
В зависимости от используемых материалов и методов
выполнения диэлектрической изоляции элементов ИМС приме-
няют следующие типовые технологические процессы: ЕР1С-тех-
| Нологию; декаль-технологию и КНС-технологию.
EPIC-технология. Этот метод выполнения диэлектрической
изоляции наиболее отработан, находит более широкое приме-
нение, чем другие, и основан на создании изолирующих облас-
’> тей в виде слоев диоксида, нитрида кремния или поликристал-
лического кремния. В зависимости от последовательности фор-
мирования изолирующих областей EPIC-технология имеет
р несколько модификаций.
J' Последовательность изготовления простых ИМС на бипо-
f	87
Рис. 34. Последователь-
ность формирования
изолирующих областей
полупроводниковой би-
полярной ИМС по EPIC-
технологии:
а — вскрытие окон в
слое диоксида крем-
ния, б — глубинное хи-
мическое травление, в,
г — нанесение слоев
диоксида кремния и
поликристаллического
кремния на рельефную
поверхность, д - шли-
фовка нижней поверх-
ности до слоя диокси-
да кремния; 1 - исход-
ная кремниевая под-
ложка п-типа, 2 - скры-
тый диффузионный
слой п+-типа, 3, 5 -
слои диоксида крем-
ния, 4 - вытравленные
канавки, 6 — слой
поликристаллического
кремния, используе-
мый в качестве под-
ложки
лярных транзисторах с диэлектрической изоляцией элементов
слоем диоксида кремния показана на рис. 34, а-д.
Сначала отбирают партию кремниевых подложек л-Типа,
удельное объемное сопротивление которых равно 0,2—
10 Ом • см, и подвергают их химической очистке. Затем на всей
поверхности этих подложек диффузией атомов сурьмы или
мышьяка на глубину 1—2 мкм формируют скрытый н+-слой
и термическим окислением со стороны этого слоя создают
маскирующий слой диоксида кремния. Первой фотолитографи-
ей в слое диоксида кремния вскрывают окна под изолирую-
щие области (рис. 34, а) и глубинным химическим травлением
кремния через эти окна формируют канавки глубиной 8—
15 мкм (рис. 34, б).
Для создания на рельефной поверхности подложек слоя
диоксида кремния толщиной около 1 мкм используют пиролиз
силана или термическое окисление (рис. 34, в). Затем на поверх-
ность подложек со стороны канавок наращивают слой поликрис-
88
тал личе ского кремния толщиной 0,2—0,25 мкм (рис. 34, г),
который станет основанием (подложкой) изготовляемых ИМС.
После этого с нижней поверхности подложек сошлифовывают
или стравливают слой монокристаллического кремния и-типа
до созданного слоя диоксида кремния (рис. 34, <Э).
Так получают области кремния n-типа со скрытыми ^-слоя-
ми, изолированные друг от друга слоем диоксида кремния.
В этих областях окислением, фотолитографией и диффузией
формируют элементы ИМС по стандартной эпитаксиально-пла-
нарной технологии.
EPIC-технология позволяет создавать хорошую изоляцию
между элементами как по постоянному, так и по переменному
току, поскольку емкости, образующиеся между слоями исход-
. ного кремния и нанесенного поликристаллического, очень
малы (примерно 30 пФ/мм2 при толщине разделяющего их слоя
диоксида кремния 1 мкм). При напряжении 100 В сопротивле-
ние изоляции обычно превышает 1012 Ом, а пробивное напряже-
ние — 800 В. Кроме того, при этой технологии можно формиро-
вать на одном кристалле, используя селективную диффузию
атомов золота, высокочастотные и низкочастотные диоды,
а также транзисторы п-р-п- и р-и-р-типов. По этой технологии
целесообразно изготовлять микромощные и быстродействую-
щие цифровые и высокочастотные аналоговые ИМС. Однако
стоимость технологического процесса по сравнению с техноло-
. гическим процессом изоляции элементов р-п переходами
при этом высока.
Кроме описанной применяют так называемую модифици-
рованную EPIC-технологию, при которой используют селектив-
ное эпитаксиальное наращивание. При этом исходной является
кремниевая подложка и+-типа с вытравленными и окисленными
канавками, на поверхность которой (со стороны канавок)
наносят слой поликристаллического кремния. Затем подложку
шлифуют со стороны монокристаллического кремния, окис-
ляют поверхность и с помощью фотолитографии вскрывают
окна к слою и+-типа. После травления и+-слоя на определенную
глубину проводят селективное эпитаксиальное наращивание
1 слоя кремния n-типа заданного удельного сопротивления, поли-
руют поверхность и в локальных эпитаксиальных слоях фор-
1 мируют элементы ИМС.
I* Еще одной модификацией EPIC-технологии является так
| называемый позитивный метод создания изоляции, основан-
L ный на двукратном нанесении поликристаллического кремния,
ж В этом случае исходной служит кремниевая подложка и+-типа
i с. эпитаксиальным слоем n-типа, на которую после окисления
I со стороны и+-слоя наносят слой поликристаллического крем-
11	89
ния. Затем в эпитаксиальном и-слое формируют раздельные
канавки на всю глубину структуры п-п+, создают термичес-
ким окислением на рельефной поверхности слой диоксида крем-
ния и наносят на него поликристаллический кремний, который
заполняет также канавки. После этого поверхность шлифуют,
полируют и формируют в локальных областях эпитаксиального
слоя n-типа элементы ИМС.
Разработана также технология, сочетающая приемы стан-
дартной EPIC-технологии и позитивного метода.
При реализации EPIC-технологии необходимо применение
прецизионной механической обработки, которая затруднена
из-за прогиба подложек вследствие различных температурных
коэффициентов линейного расширения монокристаллического
и поликристаллического кремния, а также диоксида кремния.
Кроме того, эти материалы имеют разную микротвердость,
что приводит к появлению ступенек на поверхности и затрудняет
нанесение качественной металлизации.
Для устранения этих недостатков разработаны технологи-
ческие процессы, при которых изолирующие области и основа-
ния элементов ИМС выполняют не из поликристаллического
кремния, а из стекла, ситтала или керамики (рис. 35, а-е).
Такие технологические процессы, называемые ’’кремний в ди-
электрике” (КВД), имеют много общего с процессами обычной
EPIC-технологии. Отличие состоит лишь в том, что сначала фор-
мируют коллекторные, базовые и эмиттерные области тран-
зисторных структур (рис. 35, а), а затем подложки подвергают
локальному химическому травлению, в результате которого
получают раздельные мезаобласти (рис. 35, б). После этого
подложки со стороны мезаобластей приклеивают к вспомога-
тельным подложкам (рис. 35, в), а обратную сторону основной
подложки шлифуют (рис. 35, г), заполняют промежутки между
мезаобластями изолирующим диэлектриком (рис. 35, д), уда-
ляют вспомогательную подложку (рис. 35, е) и наносят метал-
лизацию.
Декаль-технология. Этот технологический метод основан на
создании изоляции воздушными зазорами, с помощью которых
элементы ИМС, расположенные на едином основании, отделяют
друг от друга по боковым сторонам.
По декаль-технологии изготовляют ИМС с балочными вы-
водами, которые выполняют роль электрических соединений
и механической опоры элементов. Сначала на кремниевых под-
ложках формируют элементы ИМС (рис. 36, а) и создают балоч-
ные выводы (рис. 36, б), используя многослойную металлиза-
цию (например, слои платины, титана, золота). Затем с обрат-
ной стороны подложек анизотропным химическим травле-
90
Рис. 35. Последовательность
формирования транзисторов
полупроводниковой биполяр-
ной ИМС с изоляцией стек-
лом, ситаллом или керами-
кой:
а — создание коллекторной,
базовой и эмиттерной облас-
тей, б - получение меза-
областей, в - наклейка вспо-
могательной подложки, г —
шлифовка нижней стороны
основной подложки, д — за-
полнение промежутков ди-
электриком (стеклом, ситал-
лом или керамикой), е —
удаление вспомогательной
подложки; 1, 4 - основная
и вспомогательная подложки,
2 — сформированные тран-
зисторные структуры, 3 —
мезаобласти, 5 — диэлект-
рик
: Рис. 36. Последовательность
формирования транзисторов с
полупроводниковой биполяр-
' ной ИМС по декаль-техноло-
ГИи:
а, б - изготовление элемен-
тов и балочных выводов,
. в — локальное травление для
разделения структур; 1 -
' Исходная подложка, 2 -
Сформированные транзистор-
ные структуры, 3 - слой ди-
. Оксида кремния, 4 - воз-
< Душный зазор
нием локально удаляют лишние участки между элементами,
в результате чего получают их полную взаимную изоляцию воз-
душными зазорами (рис. 36, в).
Достоинством декаль-технологии является отсутствие меха-
нической обработки и высокотемпературных процессов на эта-
пе формирования изолирующих областей. Так как изоляция
воздушными зазорами элементов очень надежна, декаль-техпо-
логию целесообразно применять при изготовлении прецизион-
ных цифровых и особенно аналоговых ИМС. Однако изготовле-
ние ИМС по этой технологии довольно дорого; что существенно
ограничивает ее применение.
КНС-технология. Технологический метод ’’кремний на сап-
фире” (КНС) находит все большее распространение при изго-
товлении биполярных ИМС, является разновидностью декаль-
технологии и основан на создании изолированных островков
кремния, выращенного на поверхности подложек из сапфира
(или шпинели), в которых элементы ИМС формируют по стан-
дартной эпитаксиально-планарной технологии. Следует отме-
тить, что КНС-технология весьма перспективна для изготовле-
ния не только биполярных, но и МДП ИМС.
Однако ей присущи следующие недостатки: высокая стои-
мость подложек; образование в эпитаксиальных кремниевых
слоях дефектов роста, плотность которых может достигать
107 —109 см-2 при проведении термических операций (вслед-
ствие разных температурных коэффициентов линейного расши-
рения кремния и сапфира) ; проникновение примесных атомов
из подложки в эпитаксиальный кремниевый слой, что сущест-
венно уменьшает подвижность носителей заряда.
Дальнейшее совершенствование методов создания полной
диэлектрической изоляции направлено на увеличение диаметра
исходных подложек, использование ионного легирования крем-
ниевых подложек азотом для формирования в них изолирую-
щих областей из нитрида кремния, а также получения биполяр-
ных транзисторов с эмиттером из поликристаллического крем-
ния. Полную диэлектрическую изоляцию применяют в основ-
ном при изготовлении ИМС первой и второй степеней интег-
рации.
§ 17. ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ
БИПОЛЯРНЫХ ИМС С КОМБИНИРОВАННОЙ ИЗОЛЯЦИЕЙ
При изготовлении полупроводниковых биполярных ИМС
используют также комбинированную изоляцию. При этом
горизонтальные участки элементов ИМС изолируют обратно
включенными р-п переходами, а вертикальные — диэлектриком
92
(диоксидом или нитридом кремния). Изготовляют биполярные
ИМС с комбинированной изоляцией по изопланарной, эпипланар-
ной и полипланарной технологии.
Изопланарная технология. Эта технология основана на ис-
пользовании кремниевых подложек с тонким (2—3 мкм) эпи-
•' таксиальным слоем и селективного термического окисления
) ^дремния на всю глубину этого слоя. На первых стадиях форми-
’ рования элементов ИМС используют маскирующие свойства
... .слоев нитрида кремния Si3N4, которые препятствуют окисле-
нию кремния в защищенных местах. Кроме того, нитрид крем-
• ния легко удаляется травителем, содержащим ортофосфорную
(. кислоту и не воздействующим на диоксид кремния. Изопланар-
ная технология позволяет создавать тонкие базовые и неболь-
if. щие коллекторные области, вертикальные стенки которых по-
крыты слоем диоксида кремния, что обеспечивает получение
транзисторных структур малых геометрических размеров.
В настоящее время используют две разновидности изопла-
нарной технологии: ”Изопланар-1” и ”Изопланар-П”.
При технологии ”Изопланар-1” (рис. 37, а-г) в качестве
исходных служат кремниевые подложки p-типа с эпитаксиаль-
ным п- и скрытым п+ -слоями. Сначала на поверхность подло-
жек наращивают слой нитрида кремния (рис. 37, а), в котором
фотолитографией формируют окна под изолирующие области
и производят травление кремния на глубину, превышающую
, половину толщины эпитаксиального слоя (рис. 37, б). Затем
окислением вытравленные канавки заполняют диоксидом
кремния (рис. 37, в). Оставшийся слой нитрида кремния уда-
ляют, методами стандартной эпитаксиально-планарной техно-
логии формируют в локализованных островках кремния и-типа
(’’карманах”) транзисторные структуры и, напыляя металли-
ческие пленки (обычно алюминия), создают межэлементные
соединения (рис. 37, г).
Технология ”Изопланар-И” отличается тем, что в создавае-
мых транзисторных структурах эмиттерные области вертикаль-
j ной стороной выходят на изолирующий слой, а приконтактные
1 области коллекторов формируются в самостоятельных карма-
нах и соединяются с базово-эмиттерными областями скрытыми
'г п -слоями. При этом упрощаются конфигарция элементов на
фотошаблонах и процессы совмещения фотошаблонов с под-
’ Ложками. Все это улучшает параметры транзисторов,
*’ Технология ”Изопланар-П” имеет несколько вариантов.
?. Рассмотрим наиболее характерный, при котором в качестве
>' .исходных используют двухслойные кремниевые подложки р-
'. ДИПа с эпитаксиальным и скрытым и+-слоями (рис. 38, а).
Д Электропроводность эпитаксиального слоя зависит от структу-
' ’	93
Рис. 37. Последовательность фор-
мирования транзисторов полупро-
водниковой биполярной ИМС по
технологии ”Изопланар-1”:
а — создание исходной структуры,
б - локальное травление эпитакси-
ального слоя, в - заполнение кана-
вок диоксидом кремния, г - полу-
чение транзисторных структур; I -
исходная подложка, 2 - эпитакси-
альный слой, 3 — скрытые слои
л+-типа, 4 - слой нитрида крем-
ния, 5 - вытравленная канавка,
6 - слой диоксида кремния
Рис. 38. Последовательность формирования транзистора полупроводни-
ковой биполярной ИМС по технологии ”Изопланар-П”:
а — создание исходной структуры, б — локальное травление эпитаксиаль-
ного слоя, в - заполнение канавок диоксидом кремния, г - получение
транзисторной структуры; 1 - исходная подложка, 2 - эпитаксиальный
слой, 3 - скрытые слои л+-типа, 4 - слой нитрида кремния, 5 - вытрав-
ленная канавка, 6 — слой диоксида кремния
$'рЫ формируемых транзисторов. Так, при изготовлении тран-
зисторных структур, база которых создана эпитаксиальным
наращиванием слоя кремния, этот слой имеет электропровод-
ность р-типа, а если база сформирована диффузией, — и-типа.
После формирования базы наносят слой нитрида кремния,
из которого формируют защитную маску для создания других
областей транзисторов и резисторов. Участки поверхности
кремниевых подложек, не защищенные слоем нитрида крем-
ния, подвергают локальному травлению на относительно боль-
шую глубину, создавая канавки, что уменьшает высоту ступенек
изолирующего слоя диоксида кремния (рис. 38, б). В результа-
те длительного низкотемпературного окисления канавки за-
„ полняются изолирующим слоем диоксида кремния, а участки,
покрытые слоем нитрида кремния, остаются неокислйнными
(рис. 38, в). При этом получают изолированные слоем диокси-
да кремния участки, в которых по стандартной эпитаксиально-
планарной технологии формируют активные и пассивные эле-
менты ИМС, затем наносят металлизацию, создают омические
контакты (рис. 38, г) и осаждают защитный слой диэлект-
рика.
Использование изопланарной технологии при изготовлении
полупроводниковых ИМС расширяет их функциональные воз-
можности вследствие создания различных по структурам и пара-
метрам транзисторов и резисторов. Такие ИМС имеют очень
высокую плотность размещения элементов, так как по сравне-
нию со стандартной планарно-эпитаксиальной технологией
примерно в 2 раза уменьшаются размеры транзисторов и площа-
ди, занимаемые изолирующими областями. Кроме того, при изо-
планарной технологии снижается диффузия примесных атомов
В боковых направлениях. Поэтому считают, что изопланарная
технология наиболее перспективна для изготовления быстро-
действующих полупроводниковых биполярных ИМС оператив-
ных и постоянных запоминающих устройств, а также некото-
рых микропроцессорных наборов. Использование ее для изго-
товления многоколлекторных транзисторов ИМС инжекционной
логики (И2 Л) резко улучшило их характеристики.
Эпипланарная технология. При этой технологии, являющей-
ся разновидностью планарной, изменена последовательность
выполнения операции при формировании структур. Сначала на
; Поверхность кремниевых подложек р-типа со скрытым слоем
и+-типа пиролитически осаждают слой диоксида кремния тол-
щиной 2—2,5 мкм, в котором вскрывают окна (рис. 39, а).
$атем производят локальное эпитаксиальное наращивание
, кремния и-типа (рис. 39, б) ив полученных таким образом
/. карманах и-и+-типа стандартными технологическими метода-
Рис. 39. Последовательность фор-
мирования транзистора полупро-
водниковой биполярной ИМС
по эпипланарной технологии:
а - создание исходной структу-
ры, б - заполнение канавок
эпитаксиальным наращиванием
кремния и-типа, в - получение
транзисторной структуры; 1 -
исходная подложка, 2 - слой
диоксида кремния, 3 — скрытый
и+-слой, 4 - вытравленные ка-
навки, 5 - кремний
Рис. 40. Последовательность фор-
мирования транзистора полупровод-
никовой биполярной ИМС по V-ATE-
процессу полипланарной техноло-
гии:
а - создание исходной структуры,
б - анизотропное химическое трав-
ление, в - нанесение двойного ди-
электрического слоя SiO2-Si3N4,
г — получение транзисторной струк-
туры; 1 - исходная подложка,
2 - базовая область р-типа, 3 -
эпитаксиальный слой и-типа, 4 -
скрытый слой и+-типа, 5 - V-об-
разные канавки, 6 - слой диоксида
кремния
ЕадИ формируют активные и пассивные элементы ИМС. Готовая
Транзисторная структура показана на рис. 39, в.
,	Эпипланарная технология позволяет создавать в локальных
эпитаксиальных слоях кремния толщиной около 2 мкм транзис-
Аторы, паразитные взаимодействия между которыми незначи-
тельны, и перспективна для получения ИМС ВЧ-и СВЧ-диапазо-
; ИОВ. Основной ее недостаток состоит в трудности проведения
* локальной эпитаксии.
I- Полипланарная технология. Основным принципом полипла-
Й'Йарной технологии является анизотропное травление кремние-
/*ых пластин, рабочие поверхности которых ориентированы в
Кристаллографических плоскостях (100). Это позволяет фор-
ировать в эпитаксиальном слое V-образные разделительные
Власти межэлементной изоляции. Различают две разновидности
$ЗТой технологии: V-ATE- и VIP-процессы.
Д Для формирования транзисторов полупроводниковой ИМС
до V-ATE-процессу (рис. 40, а-г) используют двуслойные крем-
Адаевые пластины р-типа с эпитаксиальным слоем и-типа и скры-
тыми и+-слоями, в которых локальной диффузией атомов ак-
цепторной примеси создают базовые области (рис. 40, а). Затем
через окна в слое диоксида кремния производят анизотропное
дамическое травление V-образных канавок на всю глубину
эпитаксиального слоя кремния (рис. 40, б). Поверхность этих
канавок покрывают двойным диэлектрическим слоем диоксид—
нитрид кремния (рис. 40, в) и формируют локальные высоколе-
гированные эмиттерные и приконтактные коллекторные облас-
ти и+-типа. Завершается процесс нанесением однослойной алю-
миниевой или трехслойной (титан — платина — золото) метал-
лизации (рис. 40, г). При этом металлизированная разводка рас-
полагается на рельефной поверхности.
Особенностью VIP-процесса (рис. 41, а-г) является форми-
рование транзисторов полупроводниковой ИМС с гладкой
.поверхностью, что повышает качество и надежность внутри-
схемных соединений. Для этого полученную после травления
^рельефную поверхность (рис. 41, а) защищают двойным слоем
ЭДКСид — нитрид кремния (рис. 41,6), поверх которого выращи-
itasi поликристаллический кремний, удаляя лишнюю часть его
(’^ЛИрованием до слоя нитрида кремния (рис. 41, в). Завершает-
ЯЙ процесс формированием элементов и межэлементных соеди-
^-вений стандартными технологическими процессами. Готовая
^Транзисторная структура показана на рис. 41, г.
Полипланарная технология обеспечивает создание полупро-
водниковых ИМС, которые по удельной плотности размещения
Элементов и электрическим характеристикам аналогичны ИМС,
изготовленным по изопланарной технологии, но имеют меньшую
ЛЙ-540	97
Рис. 41. Последовательность форми-
рования транзистора полупроводни-
ковой биполярной ИМС по VIP-
процессу полипланарной техноло-
гии:
а - создание исходной структуры,
б - нанесение двойного диэлектри-
ческого слоя SiO2-Si3N4, в - за-
полнение V-образных канавок поли-
кристаллическим кремнием, г -
получение транзисторной структу-
ры; 1 - исходная подложка, 2 —
V-образиые канавки, 3 - базовая
область р-типа, 4 — эпитаксиальный
слой л-типа, 5 - скрытый слой л+-
типа, 6 - поликристаллический
кремний
площадь изоляции. Полипла-
нарную технологию применяют
для изготовления не только по-
лупроводниковых биполярных,
но и МДП ИМС.
Сравнение всех рассмотрен-
ных технологий изготовления
полупроводниковых биполяр-
ных ИМС показывает, что на-
иболее простой является техно-
логия, основанная на исполь-
зовании трех фотошаблонов.
Однако изготовленные по этой
технологии ИМС характеризу-
ются малым быстродействием.
Перспективными являются
КИД- и БИД-технологии, ос-
нованные на применении изо-
лирующей коллекторной или
базовой диффузии, причем
БИД-технология состоит из меньшего количества операций, но
требует более высокой точности.
Эпитаксиально-планарная и EPIC-технологии наиболее дли-
тельны и трудоемки, но до настоящего времени являются самы-
ми распространенными и отработанными для производства ИМС
среднего уровня интеграции. Изопланарная технология сос-
тоит из меньшего, чем эпитаксиально-планарная, количества
операций, но сложнее КИД-технологии, хотя ее примене-
ние связано с глубоким окислением. Кроме того, она на-
иболее перспективна для получения высокого процента вы-
98
-хода годных БИС различной функциональной сложности.
-- В последнее время широкое распространение получает тех-
нология изготовления ИМС, в которой применяются процессы
ионного легирования. В этом случае структурные области ИМС
получают либо только ионным легированием, либо сочетанием
его с диффузией. Ионное легирование используют для форми-
рования базовых и эмиттерных областей транзисторных струк-
тур или только базовых. В последнем случае эмиттерные облас-
ти создают диффузией до формирования базы. Базовые облас-
ти, формируемые ионным легированием, используют в качест-
ве резисторов, причем внедряют ионы соответствующих приме-
сей в кремний через предварительно созданный слой терми-
ческого диоксида кремния. Остальные технологические опера-
ции выполняют по стандартной планарно-эпитаксиальной тех-
нологии.
§ 18.	ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ
БИПОЛЯРНЫХ СОВМЕЩЕННЫХ ИМС
Для расширения номинальных значений параметров пассив-
ных элементов (резисторов и конденсаторов), повышения
точности их воспроизведения, а также улучшения рабочих ха-
рактеристик ИМС используют комбинированную технологию.
Так как эта технология включает операции полупроводниковой
планарной, эпитаксиально-планарной и пленочной технологий,
ее называют совмещенной. По планарной и эпитаксиально-пла-
нарной технологии в объеме полупроводниковой подложки фор-
мируют активные элементы ИМС и, если возможно, некоторые
резисторы и конденсаторы (соответственно до 50 кОм и 300 пФ
и с отклонениями от номинальных значений около ±10%). Пле-
ночной технологией на предварительно пиролитически осажден-
ном на поверхность сформированных структур слое диоксида
кремния создают пассивные элементы.
Последовательность формирования элементов биполярной
ИМС по совмещенной технологии показана на рис. 42, а-г.
Сначала по эпитаксиально-планарной технологии формируют
.транзисторные структуры, а также некритичные по номиналь-
ным значениям параметров и, точности воспроизведения диф-
фузионные резисторы и конденсаторы. Затем наносят метал-
лизацию для получения межэлементных соединений и осаждают
толстый (около 1 мкм) слой диоксида кремния, который
служит изолирующим основанием для формирования пленоч-
ных резисторов и конденсаторов.
Материалом пленочных резисторов обычно служит нихром.
В качестве диэлектрика пленочных конденсаторов чаще всего
4*	99
Рис. 42. Последовательность фор-
мирования элементов биполяр-
ной ИМС по совмещенной тех-
нологии:
а - исходная подложка с сфор-
мированной транзисторной
структурой, б — создание нижне-
го электрода конденсатора, пле-
ночного резистора и омических
контактов, в, г - нанесение
диэлектрика и верхнего электро-
да конденсатора; 1 — исходная
подложка, 2 — слой диоксида
кремния, 3 - транзисторная
структура, 4, 7 — слои алюми-
ния, 5 - слой нихрома, 6 - слой
диэлектрика
используют диоксид или нит-
рид кремния, а их электроды
изготовляют из алюминия.
Первой фотолитографи-
ей в выращенном на подлож-
ке со структурами изолиру-
ющем слое диоксида крем-
ния (рис. 42, а) формируют
окна под омические кон-
такты. Затем на всю по-
верхность напыляют сплош-
ную пленку алюминия, кото-
рая заполняет также окна
под омические контакты и
служат переходными кон-
тактными площадками меж-
ду элементами, сформиро-
ванными в объеме подлож-
ки, и пленочными.
пленке алюминия формируют
окна под пленочные резисторы, после чего напыляют пленку
нихрома.
Третьей фотолитографией формируют в окнах пленочные
резисторы (рис. 42, 6), после чего удаляют пленку нихрома и
лежащую под ней пленку алюминия. Затем на всю поверхность
снова наносят сплошную пленку алюминия и четвертой фото-
литографией формируют нижние обкладки конденсаторов,
100
а также соединения между пленочными резисторами, переход-
ными контактными площадками и нижними обкладками кон-
денсаторов.
Последующим осаждением слоя диоксида или нитрида крем-
ния и пятой фотолитографией формируют диэлектрик конден-
сатора (рис. 42, в).
Завершающим этапом создания структуры совмещенных
ИМС является напыление на всю поверхность подложек пленки
алюминия, в которой шестой фотолитографией формируют
верхние обкладки конденсаторов и недостающие межэлемент-
ные соединения (рис. 42, г).
Совмещенная технология по сравнению со стандартной пла-
нарно-эпитаксиальной содержит дополнительное количество опе-
раций, необходимых для формирования тонкопленочных эле-
ментов, что кроме увеличения длительности технологического
процесса повышает стоимость изготовления ИМС. Однако та-
кие ИМС обладают преимуществами, характерными как для
полупроводниковых, так и для пленочных ИМС.
§ 19.	ОСОБЕННОСТИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ИМС
НА МДП-ТРАНЗИСТОРАХ
Разработка МДП-транзисторов и МДП ИМС, выполняемых
в виде структур металл — диэлектрик — полупроводник, явля-
ется крупнейшим достижением полупроводниковой электро-
ники. Серийное производство МДП-транзисторов и МДП ИМС
в течение длительного времени было невозможно из-за труднос-
ти формирования совершенной границы раздела между ди-
электриком и полупроводником, а также получения особо чис-
того слоя подзатворного диэлектрика. Совершенствование
технологии и улучшение качества исходных материалов позво-
лило в настоящее время освоить серийный выпуск МДП-тран-
зисторов и МДП ИМС.
В зависимости от вида подвижных носителей — дырки или
электроны — МДП-транзисторы соответственно подразделяют
на р- и п-канальные. Особенность МДП ИМС состоит в том,
что их изготовление и функционирование могут быть обеспе-
чены формированием транзисторных структур металл — ди-
электрик — полупроводник, отличающихся типом электропро-
водности канала.
Одним из основных вариантов технологии изготовления
МДП ИМС является формирование МДП-транзисторных струк-
тур с каналом p-типа (рис. 43). Исходными для получения та-
ких структур служат подложки из кремния и-типа, имеющие
толщину 200—250 мкм. Расположенные на небольшом расстоя-
101
Рис. 43. Структура МДП-транзисто-
ра с каналом р-типа:
1,4 — омические контакты к об-
ластям истока и стока, 2 — исход-
ная подложка и-типа, 3 - метал-
лический электрод затвора, 5 —
подзатворный диэлектрик, 6 - об-
ласти истока и стока
Рис. 44. Последовательность выпол-
нения операций при изготовлении
р-канального МОП-транзистора ИМС
с металлическим затвором по стан-
дартной технологии:
а, б — формирование окон и созда-
ние областей истока и стока, в -
нанесение тонкого подзатворного
слоя диоксида кремния, г, д -
вскрытие окон под контакты к ис-
току и стоку и нанесение слоя алю-
миния; 1 - исходная подложка,
2 - слой диоксида кремния, 3, 7-
окна в слое диоксида кремния,
4, 5 — области истока и стока,
6 - слой подзатворного диэлект-
рика, 8 — слой алюминия
Г нии высоколегированные области истока и стока электропро-
водности p-типа получают диффузией атомов акцепторных при-
месей на глубину 1—2 мкм через окна, вытравленные в диок-
сидной маске. Между областями истока и стока на поверхнос-
ти кремния должна быть сформирована очень чистая тонкая
(50—100 нм) пленка диоксида кремния, на которую наносят
пленку алюминия, служащую затвором МДП-транзисторов.
Омические контакты к областям истока и стока создают напы-
пением пленки алюминия. Отметим, что если в качестве подза-
1,: творного диэлектрика используют слой диоксида кремния, тран-
j зисторы и ИМС соответственно называют МОП-транзисторами
и МОП ИМС (металл — окисел — полупроводник).
А Основой для широкого внедрения в радиоэлектронные
I; устройства МОП ИМС послужил целый ряд факторов, к числу
которых, в первую очередь, относятся простота их конструкции
и технологии изготовления, высокие быстродействие и надеж-
ность, меньшая стоимость, чем биполярных ИМС.
Количество основных технологических операций при произ-
водстве МОП ИМС примерно равно 45, а биполярных — 130.
Меньшее количество технологических операций в технологии
изготовления МОП ИМС по сравнению с биполярными ИМС
резко повышает процент выхода годных изделий при их одина-
ковой функциональной сложности. Кроме того, малые геомет-
рические размеры МОП-транзисторов позволяют создавать
, на их основе МОП ИМС высокого уровня интеграции.
Особенностью МОП ИМС является то, что в них осуществ-
ляется электрическая самоизоляция элементов, обусловленная
принципом действия и структурой МОП-транзисторов. Поэтому
при изготовлении МОП ИМС не требуется формировать изоли-
рующие области, что увеличивает эффективность использова-
ния поверхности пластин.
Так как МОП ИМС выполняются только на МОП-транзис-
• торах, соединенных между собой согласно электрической схеме,
то, рассматривая общие принципы технологии их изготовления,
' ограничимся описанием лишь методов формирования этих
г транзисторов и межэлементных соединений.
Последовательность выполнения операций при изготовле-
нии р-канального транзистора МОП ИМС с металлическим за-
। Гтвором по стандартной технологии показана на рис. 44, а-д.
' После химической очистки на поверхности исходных полупро-
> водниковых подложек n-типа термическим окислением созда-
ют маскирующий слой диоксида кремния, в котором фотолито-
, графией получают окна под области истока и стока (рис. 44, а).
Затем двустадийной диффузией атомов бора формируют высо-
Г колегированные области истока и стока глубиной 1—2 мкм
I	103
(рис. 44, б). Далее фотолитографией получают окна для фор-
мирования тонкого слоя подзатворного диэлектрика и тща-
тельно очищают поверхность подложек. Слой диоксида крем-
ния под будущим затвором (толщиной около 0,1 мкм) полу-
чают термическим окислением в атмосфере сухого кислорода
(рис. 44, в). После этого фотолитографией вскрывают окна под
контакты к областям истока и стока (рис. 44, г), напыляют
тонкий слой алюминия и с помощью фотолитографии осуществ-
ляют необходимые внутрисхемные соединения (рис. 44, <Э).
Технологический процесс изготовления «-канальных МОП
ИМС отличается тем, что в качестве исходных используют под-
ложки кремния p-типа электропроводности, а области истока
и стока формируют диффузией атомов фосфора.
При изготовлении МОП ИМС возникает ряд трудностей.
Так, в тонком слое подзатворного диэлектрика обычно лока-
лизуются положительно заряженные ионы щелочных металлов
Li+, К+, Na+ и водорода Н+, а также отрицательно заряженные
ионы кислорода О' ". Это приводит к нестабильности парамет-
ров МОП-транзисторов при приложении напряжения, под дей-
ствием которого происходит дрейф зарядов.
Кроме того, при определенных значениях и полярностях
потенциалов, действующих на проводниках металлизирован-
ной разводки, возможно образование паразитных МОП-струк-
тур. В результате под слоем диоксида кремния, расположен-
ным под металлизированной разводкой, возникают проводя-
щие каналы, что вызывает токи утечки между областями исто-
ков и стоков МОП-транзисторов. Для МОП ИМС опасно также
короткое замыкание металла затвора или разводки на под-
ложку.
Существенной проблемой при изготовлении МОП ИМС яв-
ляется точное совмещение затвора с областями истока и стока.
Так, при отсутствии перекрытия канала металлическим затво-
ром МОП-транзистор может быть неработоспособным, а при
слишком большом перекрытии образуются большие емкости
затвор — исток и затвор — сток, что снижает быстродействие
МОП ИМС.
Для устранения этих недостатков разработаны различные
технологические приемы. Напрймер, для стабилизации пара-
метров транзисторов МОП ИМС непосредственно перед фор-
мированием слоя подзатворного диэлектрика поверхность под-
ложек очищают, наносят на нее слои фосфорно-силикатного
стекла, а затем отжигают при низкой температуре (450—550 °C)
в атмосфере водорода.
Эффективным методом очистки поверхности кремния яв-
ляется обработка подложек в плавиковой кислоте с последую-
104
щйм длительным кипячением их в деионизованной воде для
удаления атомов фтора, которые внедряются в кристалличес-
кую решетку кремния и вызывают появление дополнительно-
 уо заряда. Фосфорно-силикатное стекло, получаемое при нагре-
' ве окисленных подложек в водяном паре при температуре
'' около 1000 °C, геперирует (вытягивает) ионы натрия из ди-
; оксида кремния и является барьером против проникновения
'' в него различных примесей из металла. При этом весьма важен
режим получения диоксида кремния, при котором необходимо
\ строго контролировать количество подаваемого предваритель-
* до очищенного при температуре, близкой к температуре про-
$ цесса окисления, окислителя (кислорода).
i Для исключения образования паразитных МОП-транзисто-
® ров под металлизированной разводкой оставляют более толс-
г тый, чем подзатворный, слой диоксида кремния (до 1,5 мкм).
'!( Процесс изготовления МОП ИМС с использованием под Melan-
in лизированной разводкой толстого слоя диоксида кремния,
называемый МТОП-технологией (металл — толстый оксид —
•-J полупроводник), состоит в том, что вначале на поверхности
подложек выращивают этот слой и фотолитографией создают
Ь в нем окна под общую область истока, стока и канала. Затем
. подложки вторично окисляют и в выращенном тонком подзат-
ворном слое диоксида вскрывают фотолитографией окна под
- области истока и стока. После этого выполняют обычные опе-
: рации формирования структур МОП-транзисторов.
Для точного перекрытия затвором областей истока и стока
разработаны транзисторы с самосовмещающимся (фиксирован-
, ным) затвором, который может быть изготовлен из молибде-
на или поликристаллического кремния. Технология изготовле-
|г ния МОП-транзисторов с фиксированным затвором основана
li- на том, что после получения толстого маскирующего слоя ди-
[i оксида кремния в нем фотолитографией вскрывают окна для
f нанесения тонкого подзатворного слоя диоксида кремния, ко-
I торый для формирования электрода затвора покрывают слоем
молибдена, алюминия, вольфрама или поликристаллического
[г кремния. Следующей фотолитографией в полученных слоях
! вскрывают окна для формирования областей истока и стока.
! При этом слой металла (или поликристаллического кремния)
служит маской. Области истока и стока формируют как диф-
фузией, так и ионным легированием.
§ 20.	ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ИМС
НА МОП-ТРАНЗИСТОРАХ
Для классификации типовых технологических процессов
изготовления ИМС на МОП-транзисторах используют следую-
105
щие признаки: тип электропроводности подложек, технологию
изготовления МОП-структур, материал затвора и подзатворно-
го диэлектрика, а также способы формирования областей МОП-
транзисторов. Как уже отмечалось, в зависимости от типа элект-
ропроводности исходных подложек различают р-канальную
и и-канальную технологию, а структуры по виду подразделяют
на КМОП, V-МОП, Д-МОП и УД-МОП. Для изготовления МОП
ИМС могут использоваться как кремниевые подложки, так и
подложки типа ’’кремний на сапфире” или ’’кремний на ди-
электрике”. Наибольшее распространение получили самосов-
мещенная толстооксидная, изопланарная, КНС- и V-МОП тех-
нологии, а также самосовмещенная с использованием ионного
легирования.
Самосовмещенная толстооксидная технология. Эта техно-
логия наиболее универсальна, позволяет изготовлять МОП
ИМС с двумя и тремя слоями соединений и допускает широ-
кий выбор материалов затвора. Особенность ее состоит в выра-
щивании толстого защитного слоя диоксида кремния и исполь-
зования слоя нитрида кремния в качестве защитной маски при
диффузии.
Последовательность выполнения операций при изготов-
лении р-канального транзистора МОП ИМС с металлическим
затвором по самосовмещенной толстооксидной технологии
показана на рис. 45, а-г. В начале на подготовленную подлож-
ку осаждают слой нитрида кремния, в котором фотолитографи-
ей создают окна, и диффузией в них атомов бора формируют
области истока и стока (рис. 45, а). Слой нитрида кремния, на-
ходящийся между областями истока и стока, покрывают фото-
резистом, вскрывают в нем окна и производят локальное трав-
ление (рис. 45,6).
Затем выращивают толстый слой диоксида кремния (рис.
45, в), удаляют слой нитрида кремния между областями исто-
ка и стока и термическим окислением создают тонкий подза-
творный слой диоксида кремния. Заканчивается процесс
формированием электрода затвора и межэлементных сое-
динений. Для этого проводят операции нанесения алюминие-
вой металлизации и ее локального травления. Изготовлен-
ный по такой технологии МОП-транзистор показан на рис.
45, г.
Основным преимуществом самосовмещенной толстооксид-
ной технологии является отсутствие высокотемпературных
операций после формирования слоя подзатворного диэлектри-
ка. Кроме того, этот технологический процесс позволяет фор-
мировать затворы из поликристаллического кремния (рис.
46, a-в), что обеспечивает получение трехслойной системы сое-
106
i, Рис. 45. Последовательность выпол-
нения операций при изготовлении
•?.' р-канального МОП-транзистора ИМС
|с металлическим затвором по само-
совмещенной толстооксидной тех-
нологии:
а - структура транзистора с облас-
тями истока и стока, б — локаль-
ное травление слоя нитрида крем-
ния, 6 - нанесение толстого слоя
диоксида кремния, г — готовая
структура транзистора; 1 — исход-
ная подложка и-типа, 2 - слой
нитрида кремния, 3 - области ис-
тока и стока, 4 - слой диоксида
кремния, 5 - алюминиевая ме-
таллизация
Рис. 46. Последовательность вы;
полнения технологических опе-
раций при изготовлении «-ка-
нального МОП-транзистора ИМС
с поликремниевым затвором по
самосовмещенной толстооксид-
ной технологии:
а — формирование окон для
создания областей истока и сто-
ка, нанесение слоев подзатворно-
го диэлектрика и поликристал-
лического кремния, б — соз-
дание областей истока и стока,
в — нанесение алюминиевой ме-
таллизации; 7 - исходная под-
ложка р-типа, 2 — окна, 3 —
слой поликристаллического
кремния, 4, 8 - тонкие слои ди-
оксида кремния, 5 - толстый
слой диоксида кремния, б —
области истока и стока, 7 -
слой алюминия
динений (диффузионный слой — алюминий — поликристалли-
ческий кремний).
Изготовление ИМС на МОП-транзисторах с затворами из по-
ликристаллического кремния начинается с термического выра-
щивания на подложках p-типа толстого слоя диоксида крем-
ния и выполнения первой фотолитографии, а также удаления
слоя диоксида кремния с участков, на которых формируют
диффузионные и затворные области. Затем термическим окис-
лением создают подзатворный слой диоксида кремния, наносят
на него слой поликристаллического кремния и второй фото-
литографией формируют области затворов транзисторов и по-
ликремниевые проводники (рис. 46, а). Далее проводят диффу-
зию атомов донорной примеси, формируя области истока и
стока электропроводности и-типа и диффузионные проводни-
ки (рис. 46, 6).
После этого низкотемпературным разложением силана на
подложку осаждают слой стекла, в которой третьей фотолито-
графией создают окна под контакты к поликристаллическому
кремнию и диффузионным областям. Затем напыляют на под-
ложку слой алюминия и четвертой фотолитографией формиру-
ют внутрисхемные соединения (рис. 46, в). На заключительной
стадии наносят и вжигают слой алюминия для создания оми-
ческих контактов к кремнию и покрывают поверхность струк-
тур защитным слоем диоксида кремния. Для его удаления с кон-
тактных площадок и линий скрайбирования проводят пятую
фотолитографию.
Рассмотренная технология позволяет создавать МОП-тран-
зисторы, имеющие низкое пороговое напряжение и малые гео-
метрические размеры. Основным преимуществом ее является
уменьшение взаимодействия между паразитными структура-
ми за счет использования соединительных слоев с пороговыми
напряжениями, превышающими пороговые напряжения МОП
ИМС. Это исключает возможность образования участков с вы-
сокими токами утечки и большими емкостями, образование
которых обусловлено инверсией электропроводности под
затвором.
Изготовление ИМС на МОП-транзисторах с молибденовым
затвором по самосовмещенной технологии (рис. 47, a-в) ана-
логично рассмотренному и начинается с создания на поверх-
ности кремниевых подложек и-типа защитного толстого слоя
диоксида кремния (около 1,3 мкм). Методом фотолитографии
в местах формирования областей истока, стока и затвора слой
диоксида кремния селективно удаляют. Термическим окисле-
нием в полученных окнах создают тонкий (0,1 мкм) подзатвор-
ный слой диоксида кремния и осаждают на подложки сплош-
108
Рис. 47. Последователь-
ность выполнения техно-
логических операций при
изготовлении р-канально-
го МОП-транзистора ИМС
с молибденовым затвором
по самосовмещенной тол-
стооксидной технологии;
а - формирование окон
для создания областей ис-
тока и стока, нанесение
слоя подзатворного ди-
электрика и осаждение
пленки молибдена для по-
лучения электрода затво-
ра и межсоединений, б -
создание областей истока
и стока, в - нанесение
алюминиевой металлиза-
ции; 1 - исходная под-
ложка и-типа, 2 — пленка
молибдена, 3, 5 - тонкий
и толстый слои диоксида
кремния, 4 - окно, б -
области истока и стока,
7 - слой алюминия
ной слой молибдена. Затем проводят фотолитографию и травят
молибден, формируя металлические затворы и первый слой
соединительной металлизации над толстым слоем диоксида
кремния (рис. 47, а).
После этого наносят на подложки слой боросиликатного
стекла и при 1100 °C проводят диффузию. Атомы бора диф-
фундируют в кремниевые подложки только через тонкий слой
диоксида кремния, а толстый слой и слой молибдена служат
защитными масками, сквозь которые атомы бора не проника-
ют. Так обеспечивается само совмещение затвора. Области,
легированные атомами бора, образуют исток и сток транзисто-
ров (рис. 47,6),
На заключительном этапе с помощью фотолитографии
одновременно вскрывают контактные окна к слою молибде-
на и диффузионным областям, напыляют слой алюминия и еще
одной фотолитографией формируют в нем последний слой сое-
динений (рис. 47, в).
Особенностью этого процесса является отсутствие диффузии
примесных атомов в электрод затвора, как при изготовлении
ИМС на МОП-транзисторах с поликремниевым затвором, что
109
обеспечивает более высокий процент выхода годных изделий.
Кроме того, так как фоторезист не наносят на тонкий слой под-
затворного диэлектрика, снижается опасность его загрязнения
и, следовательно, повышается стабильность порогового напря-
жения МОП-транзисторов.
Изопланарная технология. При изготовлении ИМС по этой
технологии структуры МОП-транзисторов изолируют слоем ди-
оксида кремния. Создание структур самих МОП-транзисторов
основано на использовании толстооксидной самосовмещенной
технологии. Причем все их активные области (исток, сток, ка-
нал, поликремниевый затвор, диффузионные проводники) фор-
мируют на мезаобластях, окруженных слоем диоксида крем-
ния и выступающих над поверхностью подложки (рис. 48).
Для изоляции мезаобластей n-типа от подложек n-типа и защиты
от осаждения толстого слоя диоксида кремния их покрывают
двойным слоем, состоящим из нитрида и диоксида кремния.
Рассмотрим последовательность выполнения операций при
изготовлении ИМС на МОП-транзисторах с каналом н-типа
по изопланарной технологии. Сначала поверхность исходных
кремниевых подложек р-типа покрывают толстым слоем диок-
сида кремния, поверх которого наносят слой нитрида кремния,
и фотолитографией, а также селективным травлением форми-
руют мезаобласти. Затем в вытравленные в кремниевых под-
ложках канавки проводят на небольшую глубину диффузию
атомов акцепторной примеси. Селективное легирование повыша-
ет удельную плотность заряда в приповерхностных слоях, уве-
личивая пороговое напряжение паразитных МОП-транзисторов.
При термическом окислении поверхность вытравленных кана-
вок покрывают слоем диоксида кремния.
Следует отметить, что для формирования мезаобластей, про-
ведения термического окисления и селективного легирова-
ния необходим только один процесс фотолитографии.
После термического окисления слой нитрида кремния
удаляют, фотолитографией вскрывают в защитном толстом слое
диоксида кремния окна под области истоков, стоков и затворов
Рис. 48. Фрагмент структуры
ИМС с и-канальным МОП-
транзистором, изготовлен-
ным по изопланарной техно-
логии:
1 - исходная подложка р-ти-
па, 2, 3 - толстый и тонкий
слои диоксида кремния, 4 -
электрод затвора, 5 - алю-
миниевая металлизация, б -
области истока и стока
110
и по самосовмещенной технологии формируют МОП-транзисто-
ры. На заключительном этапе технологического процесса соз-
дают электроды затворов и межэлементные соединения.
Изопланарная технология по сравнению с другими техно-
логиями обладает следующими преимуществами:
получение мезаструктур, изолированных слоем диоксида
кремния, уменьшает паразитные электрические связи между
отдельными структурами и повышает плотность размещения
МОП-транзисторов;
селективное легирование кремния под слоем толстого ди-
оксида кремния улучшает электрические характеристики МОП-
транзисторов и позволяет уменьшить расстояние между диф-
фузионными областями соседних транзисторов до 4—5 мкм,
Что также повышает плотность размещения транзисторов на
подложке;
упрощается совмещение металлических контактов с диф-
фузионными областями, так как эти области граничат не с под-
ложкой, а со слоем диоксида кремния; при этом может быть
существенно уменьшена площадь под контакты;
полученные структуры имеют плоскую поверхность, что
снижает вероятность разрывов алюминиевой металлизации.
Таким образом, изготовленные по изопланарной технологии
МОП ИМС обладают высокой плотностью размещения элемен-
тов, а также хорошими электрическими характеристиками,
что объясняется высокими пороговыми напряжениями обра-
зующихся паразитных МОП-структур.
КНС-технология. Эта технология является одной из наибо-
лее перспективных и основана на формировании структур
типа ’’кремний на сапфире”. Для получения таких структур
на изолирующие сапфировые подложки наращивают эпитакси-
альный слой кремния, в котором селективным травлением
создают изолированные островки кремния. На последующих
этапах технологического процесса окислением, фотолитогра-
фией, легированием и металлизацией создают МОП-транзисто-
ры и необходимые соединения между ними.
Особенность КНС-технологии состоит в том, что с ее по-
мощью получают МОП ИМС с очень хорошей изоляцией между
отдельными элементами, отличающиеся высокой степенью
интеграции, повышенным быстродействием и обладающие все-
ми преимуществами ИМС, изготовленных на монолитных крем-
ниевых подложках.
V-МОП-технология. Эта технология является разновид-
ностью стандартной «-канальной и основана на анизотропном
травлении кремния для получения V-образных канавок, на
боковых поверхностях которых формируют «-канальные V-
111
МОП-транзисторы. Для изготовления МОП ИМС в качестве
исходных служат высоколегированные подложки кремния
и+-типа с нанесенными тонкими эпитаксиальными р- и п -слоя-
ми. Вместо эпитаксиальных слоев можно также использовать
сформированные диффузией локальные р- и п+ -области. На ис-
ходных подложках фотолитографией и анизотропным травле-
нием получают V-образные канавки, на поверхности которых
выращивают тонкий слой диоксида кремния, и наносят слой
металлизации для создания электродов затворов. Областью
истока является исходная подложка и+-типа, стока — эпитакси-
альный слой или диффузионная область и+-типа, а канал об-
разуется на боковой стенке канавки и его длина определяется
толщиной эпитаксиального слоя или диффузионной области и
углом наклона стенки канавки.
В настоящее время разработано несколько разновидностей
ИМС на основе V-МОП-транзисторов.
§ 21. ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КМОП ИМС
Одним из способов значительного повышения быстродей-
ствия МОП ИМС является создание комплементарных МОП-
Рис. 49. Электрическая схема
(а) и структура (б) комп-
лементарной пары МОП-тран-
зистора:
1 — исходная подложка «-ти-
па, 2 - слой диоксида крем-
ния, 3, 5 - области истоков
и стоков р- и и-канальных
транзисторов, 4 - алюминие-
вая металлизация
структур (КМОП-структур), кото-
рые состоят из сформированных
на общей подложке МОП-транзис-
торов с Каналами р- и п-типов.
Электрическая схема и структура
комплементарной пары МОП-тран-
зисторов показаны на рис. 49, а, б.
Такую пару МОП-транзисторов
называют также КМОП-инверто-
ром.
Электрические характеристики
КМОП ИМС (малая потребляе-
мая мощность, высокие быстродей-
ствие и помехоустойчивость), а так-
же малые геометрические размеры
определяются принципом их по-
строения. В стационарном состоя-
нии один из транзисторов компле-
ментарной пары всегда закрыт, поэ-
тому ток открытого транзистора за-
висит от тока утечки р-п перехо-
дов сток — подложка и при ком-
натной температуре равен едини-
цам наноампер. Это обеспечивает
112
в)
Рис, 50. Последовательность выполнения технологических операций при
изготовлении комплементарной пары МОП-транзисторов:
а - формирование кармана р-типа в подложке «-типа, б, в — создание
областей истоков и стоков р- и «-канальных транзисторов, г, д — вскры-
тие окон и нанесение тонкого подзатворного слоя диоксида кремния,
е — нанесение алюминиевой металлизации; 1 - исходная подложка «-ти-
па, 2 - карман р-типа, 3, 7 - толстый и тонкий слои диоксида кремния,
4, 5 - области истоков и стоков р- и «-канальных транзисторов, 6 — ок-
но, 8 - слой алюминия
мощность рассеивания одного инвертора в статическом режиме
порядка 10-8 Вт.
Изготовление комплементарной пары МОП-транзисторов
(рис. 50, а-е) начинается с формирования в подложке и-типа
диффузионного кармана p-типа, который в дальнейшем ис-
пользуется в качестве подложки для n-канального транзистора
(рис. 50, а). Затем диффузией атомов бора в подложку и-типа
создают стоковую и истоковую областир-канального транзисто-
ра (рис. 50, б), а с помощью диффузии атомов фосфора в кар-
ман р-типа — стоковую и истоковую области n-канального тран-
зистора (рис. 50, в).
113
Последующие операции маскирования и травления слоя ди-
оксида кремния проводят в местах, где будет наноситься слой
особо чистого подзатворного диоксида кремния (рис. 50, г).
Далее термическим окислением создают тонкий слой диоксида
кремния одновременно на обеих транзисторных структурах
(рис. 50, д), вскрывают контактные окна к диффузионным об-
ластям и формируют соединительную металлизацию (рис.
50, е).
Рассмотренный процесс основан на использовании стандарт-
ной технологии изготовления МОП ИМС, однако он более сло-
жен и включает три операции диффузии и шесть операций фото-
литографии. Поэтому процент выхода годных КМОП-элемен-
тов меньше и они имеют более высокую стоимость. В КМОП
ИМС общая площадь структур, занятых активными прибора-
ми, за счет диффузионных карманов р-типа больше, чем в МОП
ИМС. Для формирования n-канальных транзисторов, имеющих
пороговое напряжение около 2 В, необходимо, чтобы концент-
рация атомов бора в приповерхностной области карманов сос-
тавляла (2^5) • 1016 см-3. Получить такую концентрацию до-
статочно сложно, так как при последующей высокотемператур-
ной обработке происходит диффузия атомов бора в диоксид
кремния и, следовательно, обеднение приповерхностных слоев
кремния. Поэтому, несмотря на преимущества КМОП ИМС
(в том числе и возможность получения высокой рабочей часто-
ты до 40—50 МГц), их используют в настоящее время ограни-
ченно, в основном в тех случаях, когда стоимость не имеет су-
щественного значения.
§ 22. БАЗОВЫЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ
ПРОЦЕССЫ ИЗГОТОВЛЕНИЯ
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ БИПОЛЯРНЫХ И МОП ИМС
Биполярная технология. Последовательность выполнения
технологических операций при изготовлении полупроводнико-
вых биполярных ИМС с изоляцией активных и пассивных эле-
ментов обратно включенными р-п переходами приведена в
табл. 3.
Рабочие поверхности исходных подложек кремния диамет-
ром 100 или 125 мм, обладающих электропроводностью р-ти-
па, ориентированы в кристаллографической плоскости (111).
Высота микронеровностей на рабочих поверхностях подложек
должна быть не более 0,001 мкм.
Химическая обработка подложек перед
114
первым окислением производится в кислотных раст-
ворах при 60—70 °C. Качество поверхности подложек определя-
ют визуально в темном поле микроскопа, а количество дефек-
тов, приходящихся на единицу площади, — по количеству све-
тящихся точек.
Первое окисление подложек проводят при
1100—1150 °C в особо чистых технологических средах, выра-
щивая при этом слой диоксида кремния толщиной 0,5—1 мкм,
к качеству которого предъявляют очень высокие требования.
Толщину слоя диоксида определяют по его окраске, а качество
поверхности (наличие загрязнений и сквозных пор) — так же,
как после химической обработки.
Первой фотолитографией в слое диоксида
кремния формируют окна, в которые затем проводят диффу-
зию атомов мышьяка для получения высоколегированного
скрытого слоя коллектора. При проведении этой операции
необходимо контролировать качество поверхности подложек во
вскрытых окнах. Если на поверхности имеются островки диок-
сида кремния, то через них не проникнут диффундирующие ато-
мы и, следовательно, в этом месте не изменится тип электро-
проводности. Такие дефекты значительно повышают токи утеч-
ки ИМС.
Таблица 3. Последовательность выполнения
технологических операций
при изготовлении полупроводниковых биполярных ИМС
Операция
Сечение структуры
115

Продолжение табл. 3
Операция
Сечение структуры
После первой фотолитографии подложки вновь подвергают
химической обработке для удаления фоторезиста и подготовки
к второй фотолитографии. Удалив фоторезист в растворе горя-
чей серной кислоты, подложки обрабатывают в растворителях
и кислотах и передают на операцию диффузии.
Первой диффузией получают высоколегирован-
ный скрытый и+-слой коллекторов. Диффузию атомов мышьяка
проводят при 1100 °C из газообразного или твердого источни-
ка. Толщина образующегося скрытого и+-слоя составляет 0,6—
0,8 мкм, а поверхностная концентрация атомов мышьяка —
около 1О20 см-3.
Удаление слоя диоксида кремния в плави-
ковой кислоте производят для подготовки подложек к опера-
ции эпитаксиального наращивания.
Эпитаксиальным наращиванием получают
слой монокристаллического кремния и-типа, который легируют
атомами фосфора непосредственно в процессе роста. Удельное
объемное сопротивление этого слоя составляет 1 Ом • см, а тол-
щина — 0,2—10 мкм.
Второе окисление поверхности подло-
жек проводят так же, как первое, определяя толщину и качест-
во слоя диоксида кремния.
Второй фотолитографией в слое диоксида крем-
117
ния формируют окна под изолирующие и базовые области
транзисторов. Как и при первой фотолитографии, необходи-
мо контролировать качество поверхности подложек во вскры-
тых окнах. Неполное удаление из них слоя диоксида кремния
вызывает закорачивание эмиттерных и коллекторных облас-
тей, что снижает процент выхода годных ИМС.
Второй диффузией одновременно создают базовые
изолирующие области транзисторов. Изолирующие области име-
ют прямоугольную или квадратную форму и состоят из замк-
нутых участков кремния р-типа, внутри которых расположены
транзисторные структуры.
Вторую диффузию обычно проводят в две стадии, причем
на первой из них при 900—1000 °C через вскрытые окна вводят
примесные атомы (обычно бора) до получения их поверхност-
ной концентрации порядка 1019—1О20 см-3. Длительность пер-
вой стадии несколько десятков минут. На второй стадии при
1100—1200 °C происходит окисление поверхности и перераспре-
деление атомов, продиффундировавших на первой стадии. Од-
новременно идет процесс диффузии атомов акцепторной при-
меси из исходной кремниевой подложки р-типа в контактирую-
щий с ней выращенный эпитаксиальный слой н-типа. После
окончания второй стадии диффузии поверхностная концентра-
ция атомов бора должна быть (1-^5) • 1018 см-3.
Третье окисление поверхности подло-
жек проводят так же, как первое, определяя толщину и ка-
чество слоя диоксида кремния.
Третьей фотолитографией в слое диоксида
кремния формируют окна под эмиттерные области. Неудален-
ные островки диоксида кремния внутри вскрытых окон и
сквозные поры в слое диоксида кремния, изолирующем базо-
вую область, вызывают короткие замыкания между эмиттером
и коллектором и снижают пробивное напряжение переходов
база — коллектор.
Третьей диффузией при 1110 °C, создают эмиттер-
ные области транзисторов. Эту диффузию обычно проводят
в одну стадию, используя в качестве диффузанта атомы фосфо-
ра, поверхностная концентрация которых должна быть поряд-
ка 1019 см-3. Глубина переходов эмиттер — база должна быть
не менее 0,8—1 мкм.
Четвертое окисление поверхности под-
ложек проводят так же, как первое, определяя толщину
и качество слоя диоксида кремния.
Четвертой фотолитографией в слое диоксида
кремния формируют окна под омические контакты к эмиттер-
ным и коллекторным областям транзисторов. Наиболее слож-
ив
ной операцией при проведении четвертой фотолитографии яв-
ляется совмещение рисунков окон на рабочем фотошаблоне
с рисунками коллекторных, базовых и эмиттерных областей,
сформированных на предыдущих операциях. Точность выпол-
нения этой операции оказывает непосредственное влияние на
процент выхода годных ИМС.
Четвертой диффузией, которую проводят при
1100 °C, дополнительно легируют атомами фосфора области
эмиттеров и коллекторов, создавая низкоомные участки крем-
ния под омические контакты. При этом поверхностная концент-
рация атомов фосфора близка к пределу его растворимости
в кремнии. Технологический режим четвертой диффузии при-
мерно такой же, как при третьей.
Пятое окисление поверхности подложек
проводят аналогично четырем предыдущим.
Пятой фотолитографией в слое диоксида крем-
ния формируют окна под омические контакты к базовым об-
ластям транзисторов. Пятую фотолитографию проводят так же,
как четвертую.
Пятой диффузией, которую проводят при 1050 °C,
дополнительно легируют атомами бора области баз, создавая
низкоомные участки кремния с высокой поверхностной кон-
центрацией атомов бора.
Шестое окисление поверхности подло-
жек проводят, предварительно удалив слой диоксида крем-
ния, оставшийся после пятой фотолитографии.
Шестой фотолитографией формируют окна
под омические контакты к высоколегированным участкам
змиттерных, базовых и коллекторных областей.
Напыление пленки алюминия толщиной
0,1—0,2 мкм на всю поверхность подложек выполняют для
создания омических контактов и межэлементных соедине-
ний.
Седьмой фотолитографией в пленке алюминия
формируют межэлементные соединения. Затем подложки термо-
обрабатывают при 450 °C в аргоне 5—10 мин для улучшения
адгезии алюминиевых контактов к высоколегированным участ-
кам кремния и уменьшения их сопротивления.
При контроле структур определяют их вольт-
амперные характеристики на зондовых установках, одновремен-
но маркируя бракованные. После этого подложки с готовыми
структурами скрайбируют алмазным резцом и разделяют на
кристаллы.
МОП-технология. Технологические процессы изготовления
МОП-транэисторов и МОП ИМС состоят из тех же операций,
119
что и процессы изготовления биполярных полупроводниковых.
Как известно, МОП-технологця основывается на соответствую-
щих операциях формирования р- или n-канальных МОП-тран-
зисторов ИМС. Рассмотрим, как изготовляют р-канальные
МОП-транзисторы по одному из типовых технологических про-
цессов (табл. 4). Рабочие поверхности исходных подложек
кремния диаметром 100, 125 или 150 мм, обладающих электро-
проводностью и-типа, ориентированы в кристаллографической
плоскости (100). Высота микронеровностей на работах поверх-
ностях подложек должна быть не более 0,001 мкм.
Химическую обработку подложек и после-
дующий контроль перед первым окислением выполняют так
же, как при изготовлении биполярных полупроводниковых
ИМС.
Таблица 4. Последовательность выполнения
технологических операций
при изготовлении р-канальных МОП-транзисторов ИМС
Операция
План и сечение по А-А структуры
Первая фотолитогра-
фия
Химическая обработка
и первое окисление под-
ложек
I - область формирования транзистора, 2 -
слой диоксида кремния, 3 - подложка
/ 2 3
I - область истока, 2 - область затвора, 3 —
область стока
Вторая фотолитография
1 - область затвора, 2 — слой диоксида крем-
ния
120
Продолжение табл. 4
Операция
План и сечение по А-А структуры
Первая диффузия (соз-
дание областей р-типа
истоков и стоков)
1 - области истока и стока р-типа глубиной
2 мкм, 2 - слой диоксида кремния
Третья фотолитография
1 - слой диоксида кремния, 2 - области ис-
тока и стока
Второе окисление
1 - слой диоксида кремния (подзатворный)
толщиной 0,02 мкм, 2 — области истока и
стока
Четвертая фотолитогра-
фия
1 - окна под омические контакты, 2 - об-
ласти истока и стока, 3 — слой диокси-
да кремния-
Пятая фотолитография
металлизации, 3 — межсоединения, 4 - исток,
5 - электрод затвора, 6 - сток
121
1
Первым окислением поверхности подло-
жек наращивают слой диоксида кремния толщиной 0,1 —
0,3 мкм, толщину и качество которого контролируют так же,
как и при изготовлении биполярных ИМС.
Первой фотолитографией удаляют на 40-50%
толщины слой диоксида кремния из областей, внутри которых
будут формироваться истоки, затворы и стоки МОП-транзис-
торов.
Второй фотолитографией из областей, где
должны быть сформированы окна под истоки и стоки, удаляют
весь оставшийся после первой фотолитографии слой диокси-
да кремния, оставляя его только над областями, где будут
сформированы затворы.
Первой диффузией, проводимой в две стадии,
одновременно создают области истоков и стоков. На первой
стадии в течение 20—25 мин при 900—1000 °C через вскрытые
окна вводят атомы бора до получения их поверхностной кон-
центрации порядка 1018 см-3. На второй стадии при 1100—
1050 °C происходит окисление поверхности и перераспределе-
ние атомов бора, продиффундировавших на первой стадии.
После окончания второй стадии диффузии поверхностная кон-
центрация атомов бора должна быть 1016 см-3.
Третьей фотолитографией удаляют слой диок-
сида кремния, перекрывающий полученные первой диффузией
области истоков и стоков.
Вторым окислением создают тонкий слой подзат-
ворного диэлектрика. В МОП-транзисторах диэлектриком слу-
жит слой термически выращенного диоксида кремния, толщина
которого составляет 0,07—0,09 мкм. Операция получения слоя
подзатворно.го диэлектрика является самой ответственной в.
МОП-технологии, так как от его качества зависят все парамет-
ры МОП-транзисторов. Присутствие в этом слое посторонних
примесных атомов и дефекты приводят к нестабильности таких
параметров, как плотность заряда в объеме и на поверхности
диэлектрика, пробивное и пороговое напряжения, крутизна
вольт-амперной характеристики.
Четвертой фотолитографией формируют окна
для создания омических контактов к истокам и стокам.
Напыление пленки алюминия толщиной око-
ло 1 мкм на всю поверхность подложек выполняют для фор-
мирования электродов затворов и омических контактов к об-
ластям истоков и стоков.
Пятой фотолитографией формируют межэле-
ментные соединения.
Пассивация — пиролитическое осаждение (при темпе-
122
ратуре около 300 °C) слоя диоксида кремния толщиной 0,5-
0,8 мкм - предназначена для защиты металлических межэле-
ментных соединений от внешних воздействий (коррозии, меха-
нических повреждений).
Шестую фотолитографию проводят для удале-
ния пассивирующего слоя с контактных площадок транзистор-
ных структур.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1.	Каковы особенности технологии изготовления полупроводнико-
вых приборов н ИМС?
2.	Как вводят примесные атомы в полупроводниковые подложки
для создания областей р- и и-тнпов?
3.	На чем основана планарная технология?
4.	Каковы особенности КИД- и БИД-технологии?
5.	Какие методы создания диэлектрической изоляции вы знаете?
6.	Каковы преимущества КНС-технологни?
7.	Как изготовляют МОП н КМОП ИМС?
8.	Можно лн на одной подложке изготовлять биполярные н МОП
ИМС?
ГЛАВА Ч ЕТВЕРТАЯ
ТИПОВЫЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ
ПРОЦЕССЫ ИЗГОТОВЛЕНИЯ
ПЛАТ ГИБРИДНЫХ ИМС, БИС И МИКРОСБОРОК
Основой гибридных ИМС, БИС и микросборок (МСБ) яв-
ляются платы, которые в зависимости от назначения имеют сле-
дующие конструктивные особенности.
На поверхности плат гибридных ИМС в одном слое форми-
руют пленочные резисторы, конденсаторы, а также контактные
площадки, межэлементные и межкомпонентные соединения.
На поверхности плат гибридных БИС также формируют
аналогичные элементы. Но в связи с тем, что степень интеграции
таких БИС высока (2 < К < 4), создают несколько уровней.
Платы МСБ представляют собой многослойные межкомпо-
нентные соединения и контактные площадки и могут иногда
содержать пленочные резисторы.
Конструктивные особенности алат обусловливают изготов-
ление их различными методами из разных материалов. Класси-
фикация технологических процессов изготовления плат гибрид-
ных ИМС, БИС и МСБ приведена на рис. 51. Основными этапами
технологических процессов изготовления плат являются:
123
Пленочная технология
Рис. 51. Классификация технологических процессов изготовления
плат гибридных ИМС, БИС и МСБ
подготовка масок или фотошаблонов в зависимости от тех-
нологии нанесения пленок и способов формирования конфигу-
рации элементов;
подготовка технологического оборудования, оснастки и ма-
териалов для нанесения пленок (очистка поверхностей подкол-
пачных устройств установок термического испарения или ион-
но-плазменного распыления, а также испарителей и испаряемых
материалов);
подготовка партии подложек к нанесению пленок (входной
контроль геометрических размеров и отбраковка в соответствии
с техническими требованиями, очистка и контроль качества по-
верхности) ;
нанесение пленок на подложки;
формирование конфигурации пленочных элементов и струк-
тур (если это не было сделано на предыдущем этапе);
подгонка параметров пленочных элементов до заданных но-
минальных значений (если необходимо);
нанесение защитных покрытий на подложки с пленочными
элементами.
124
у
§ 23. ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПЛАТ
ТОНКОПЛЕНОЧНЫХ ГИБРИДНЫХ ИМС
В соответствии с приведенной на рис. 51 классификацией
типовые процессы тонкопленочной технологии основаны на раз-
личных методах нанесения пленок в вакууме и формирования
конфигурации элементов, межэлементных и межкомпонентных
соединений и контактных площадок плат гибридных ИМС с
помощью масок и фотолитографии.
Метод свободной маски является самым простым и наибо-
лее распространенным методом формирования пленочных эле-
ментов заданной конфигурации. При этом каждый слой тонко-
пленочной структуры наносится через специальный трафарет —
1 съемную маску, с определенной точностью повторяющую гео-
V, метрию проводящих, резистивных или диэлектрических элемен-
тов гибридных ИМС.
Съемные маски представляют собой моно- или биметалли-
ческие пластины с прорезями, соответствующими топологии
(форме и расположению) создаваемых пленочных элементов.
Такие маски позволяют формировать до нескольких сотен оди-
наковых (идентичных) слоев.
При нанесении пленок маски должны достаточно плотно
прилегать к поверхности подложек, не допуская подпыления ма-
териала в зазор между ними и искажения геометрических раз-
меров элементов, что приводит к изменению их электрических
параметров. Чем меньше толщина маски и затенение при напы-
лении от потока испаряемого вещества, направленного под уг-
лом к поверхности подложки, тем более четок рисунок и выше
точность изготовления элементов.
Так как маски находятся в тесном контакте с нагреваемы-
ми до 400 °C подложками, материалы, из которых изготовляют
маски, должны обладать низкой упругостью паров. В ином слу-
чае при такой температуре возможно испарение материала мас-
ки и загрязнение им пленки, растущей на подложке. Этим тре-
бованиям удовлетворяют нержавеющая сталь, молибден и неко-
торые медные сплавы (бронзы). Наиболее широко применяют
биметаллические маски из бериллиевой бронзы БрБ-2 (100—
150 мкм), покрытые тонким (10-15 мкм) слоем никеля,
обеспечивающие точность выполнения рисунка ± 5 мкм.
Технология изготовления масок основана на фотолитогра-
фии и предварительном изготовлении фотошаблонов. Требова-
ния, предъявляемые к фотошаблонам по их точности и дефект-
ности, в этом случае ниже, чем в производстве полупроводни-
ковых ИМС.
Последовательность изготовления биметаллических масок
125
Л |	| Л
Рис. 52. Последовательность изго-
товления биметаллической маски;
а - нанесение, сушка и экспониро-
вание слоя фоторезиста, б - фото-
резистивная маска после проявле-
ния н задубливания, в - электро-
химическое нанесение слоя нике-
ля, г — удаление фотореэистнвной
маски, д - биметаллическая мас-
ка после травления; 1 - ультра-
фиолетовое излучение, 2 — фото-
шаблоны, 3 — слой негативного
фоторезиста, 4 — заготовка из
бронзовой фольги, 5 — фоторезнс-
тивная маска, 6 - слой никеля
показана на рис. 52, а~д. Тща-
тельно обезжиренную и очищен-
ную заготовку 4 из бронзовой
фольги покрывают с обеих сто-
рон слоем 3 негативного фото-
резиста и через соответствую-
щие фотошаблоны 2 экспони-
руют ультрафиолетовым излу-
чением 1 (рис. 52, а). После
проявления и задубливания
слоя фоторезиста (рис. 52, б)
в местах будущих прорезей
(окнах) остается фоторезис-
тивная маска 5. Затем на
заготовку электролитически
осаждают слой 6 никеля (рис.
52, в), удаляют фоторезистив-
ную маску (рис. 52, г) и травят
заготовку (рис. 52, д) через
образовавшиеся окна в слое
никеля. Травитель должен быть
селективным, т.е. травить брон-
зу, не взаимодейтсвуя с никелем.
Рассмотрим типовой технологический процесс изготовле-
ния с помощью съемных масок пассивных элементов (резисто-
ров R1 и R2, конденсатора С, токоведущих дорожек и контакт-
ных площадок 1—4) платы гибридной ИМС (рис. 53).
Вначале подложку, например из ситалла, тщательно обезжи-
ривают и травят в химических реактивах, сушат в чистом аргоне
и для окончательной очистки ее поверхности обрабатывают в
потоке ионов, создаваемом в рабочей камере вакуумной уста-
новки термического испарения. Затем через первую маску
126

Рис. 53. Схема соединения
пассивных элементов гиб-
ридной ИМС
с прорезями (рис. 54, а), соответствующими конфигурации ре-
зисторов, напыляют резистивный материал. Далее через вторую
маску (рис. 54, б) напыляют тонкопленочные проводники,
контактные площадки 1-4 и нижний электрод конденсатора.
После этого через третью маску (рис. 54, в) напыляют диэлект-
рик конденсатора, а через четвертую — его верхний электрод
(рис. 54, г). Формирование структуры завершается напылением
через пятую маску диэлектрического слоя (рис. 54, б), служа-
щего для защиты элементов от внешних воздействий и меха-
нических повреждений.
Таким образом, используя метод свободной маски, совме-
щают процессы нанесения пленок из разных материалов и фор-
мирования конфигурации элементов. Обычно многослойные
пленочные структуры формируют через съемные маски в раз-
дельном или непрерывном вакуумном цикле.
При раздельном цикле каждый слой пленочной
структуры осаждают на одну или несколько подложек на от-
дельной технологической установке. При этом исключается
взаимное загрязнение испаряемых материалов, менее сложна
технологическая оснастка вакуумной камеры, возможен меж-
операционный (промежуточный) контроль качества и электро-
физических параметров нанесенных пленок.
При непрерывном цикле все слои последова-
тельно осаждают за один вакуумный цикл, что исключает ат-
мосферное загрязнение плат при их транспортировании из од-
ной установки в другую, а также значительно сокращает время
изготовления ИМС, так как уменьшается количество циклов
откачки вакуумной камеры, нагрева и охлаждения подложек.
Кроме того, при этом способе легче обеспечить автоматизацию
процесса.
В первом случае рабочие камеры вакуумных установок
оборудованы одним или несколькими испарителями и уст-
ройствами карусельного типа для смены подложек по мере
их напыления. Причем каждая подложка совмещается только
с одной съемной маской. Во втором случае каждая позиция
многопозиционной установки оснащается испарителем для на-
несения определенного материала и необходимой маской, а под-
ложки поочередно перемещаются с позиции на позицию. В не-
которых вакуумных установках непрерывного осаждения
пленок несколько разных материалов (два-три) загружают
127
S)
ж
в индивидуальные испарители, которые при напылении соот-
ветствующего слоя на подложки поочередно заменяются. При
этом на все подложки последовательно через одну и ту же мас-
ку наносят слой одного материала, затем другого и тд.
Резистивно-емкостные тонкопленочные микросхемы (RC-
схемы) часто изготовляют комбинированным способом: часть
слоев осаждают в раздельных вакуумных циклах, а часть — в
непрерывном. Например, резистивные полоски (рис. 54, а),
контактные площадки и проводники (рис. 54, б) наносят в раз-
дельных вакуумных циклах, а электроды конденсатора, его
диэлектрик, а также защитный слой — в непрерывном вакуум-
ном цикле. Такое построение технологического процесса позво-
ляет контролировать и подгонять (если необходимо) сопротив-
ление резисторов после нанесения проводящего слоя, а также
исключает воздействие атмосферы на тонкопленочные диэлект-
рические слои конденсаторов.
Метод свободной маски при всех его достоинствах (много-
разовое использование масок, высокая производительность
и экономичность) имеет ряд существенных недостатков, не
позволяющих рекомендовать его для изготовления микросхем
с малыми и очень точными размерами элементов и высокой
степенью интеграции. Такими недостатками являются короб-
ление масок, неплотное прилегание их к поверхности подложек
и, как следствие, подпыление, образование нечеткого (’’размы-
того”) края тонкопленочных элементов, искажение их геомет-
рических размеров.
Метод фотолитографии позволяет формировать элементы
любой сложности и конфигурации и имеет большую точность,
чем метод свободной маски, но более сложен, так как включает
ряд прецизионных операций. При использовании фотолитогра-
фии процессы нанесения пленок и формирования конфигурации
элементов разделены во времени. Этот метод имеет несколько
разновидностей.
При прямой фотолитографии характерна та-
кая последовательность выполнения операций: нанесение сплош-
ной пленки материала тонкопленочного элемента на подложку;
формирование на ее поверхности защитной фоторезистивной
маски; вытравливание через окна в фоторезисте ненужных уча-
Рис. 54. Последовательность изготовления плат гибридных ИМС мето-
дом свободной маски:
в — напыление резисторов, б — напыление контактных площадок, нижне-
го электрода конденсатора и проводников, в — напыление диэлектрика
Конденсатора, г - напыление верхнего электрода конденсатора, д —
•НЩыленне защитного слоя
5г~540
129

б)
в)	г)
Рис. 55. Последовательность изготовления плат гибридных ИМС методом
прямой фотолитографии:
а - фоторезистивная маска после травления резистивного материала, б —
тонкопленочные резисторы и фоторезистивная маска для создания про-
водников и контактных площадок, в - фоторезистивная маска на защит-
ном покрытии, г - топология пленочных элементов
стков пленки. Рассмотрим, как изготовляют методом прямой
фотолитографии платы гибридных ИМС, содержащие резисто-
ры, проводники и контактные площадки (рис. 55, а-г).
Вначале на диэлектрическую подложку наносят сплошную
пленку резистивного материала и проводят первую фотолито-
графию. При этом после экспонирования, проявления и задуб-
ливания создается фоторезистивная маска (темные области на
рис. 55, а), через которую травят резистивный слой. Затем эту
маску удаляют и сверху наносят (например, напыляют) сплош-
ную пленку алюминия. После второй фотолитографии и травле-
ния алюминия на поверхности подложки остаются полученные
130
ранее резисторы, а также сформированные проводники и кон-
тактные площадки, закрытые фоторезистивной маской, ко-
торая на рис. 55, б также показана в виде темных областей.
Удалив не нужную более маску, на проводящие элементы
и резисторы наносят защитное покрытие (например, пленку
SiO, алюмо- или боросиликатного стекла) и проводят третью
фотолитографию. В результате фоторезистивной маской (тем-
ные области на рис. 55, в) закрывают поверхность подложки,
оставляя открытыми участки защитного покрытия над контакт-
ными площадками. Протравив защитное покрытие и удалив
фоторезистивную маску, получают плату с пленочными элемен-
тами (рис. 55, г).
При двойной фотолитографии технологичес-
кий процесс формирования тонкопленочных резистивных и про-
водящих элементов ИМС стараются построить так, чтобы внача-
ле нанести оба слоя (резистивный и проводящий), а затем по-
следовательным избирательным травлением создать необходи-
мую конфигурацию элементов. Метод двойной фотолитографии
осуществляют двумя способами.
При первом способе (рис. 56, a-и) на очищенную подлож-
ку 1 последовательно напыляют сплошную резистивную 2 и про-
Рис. 56. Последовательность изготовления резистивного и проводя-
щего элементов плат гибридных ИМС методом двойно* фотолитогра-
фии (первый способ):
а — напыление сплошных резистивного и проводящего слоев, б, в —
нанесение, экспонирование и проявление первого слоя фоторезиста,
г - травление проводящего слоя, д - удаление первого слоя фото-
резиста, е, ж - нанесение, экспонирование и проявление второго слоя
фоторезиста, з - травление резистивного слоя, и — удаление второго
слоя фоторезиста, 1 - подложка, 2, 3 - слои резистивного и проводя-
щего материала, 4, 8 - слои фоторезиста, 5, 9 - фотошаблоны, 7 -
Контактная площадка, б, 10 — фоторезистивные мягки, 11 - резистор
t контактными площадками
5*	131
водящую 3 пленки (рис. 56, а). Затем наносят позитивный фо-
торезист 4 и проводят первую фотолитографию, используя фото-
шаблон 5 (рис. 56, б), В результате получают фоторезистивную
маску б (рис. 56, в), через которую травят проводящий слой 3
(рис. 56, г), формируя контактные площадки 7 (рис. 56, д').
Далее вновь наносят слой 8 фоторезиста и проводят вторую фо-
толитографию, используя фотошаблон 9 (рис. 56, е). Через
полученную таким образом фоторезистивную маску 10 (рис.
56, ж) стравливают резистивный слой 2 (рис. 56, з) и после уда-
ления фоторезиста (рис. 56, и) получают тонкопленочные резис-
тор 11 и контактные площадки.
При втором способе после напыления резистивной 2 и про-
водящей 3 пленок (рис. 57, а) сначала проводят первую фото-
литографию (рис. 57, б, в) и одновременное их травление (рис.
57, г, д). Затем после снятия первого слоя фоторезиста (рис.
57, е) проводят вторую фотолитографию (рис. 57, ж) и через
вновь полученную фоторезистивную маску 9 (рис. 57, з) страв-
ливают проводящий слой в местах формирования резистивных
элементов (рис. 57, и). На изготовленный резистор 10 (рис.
Рис. 57. Последовательность изготовления резистивного и проводя-
щего элементов плат гибридных ИМС методом двойной фотолитогра-
фии (второй способ):
а - напыление сплошных резистивного и проводящего слоев, б - на-
несение и экспонирование первого слоя фоторезиста, в — проявление,
г - травление проводящего слоя, д — травление резистивного слоя, е —
удаление слоя фоторезиста, ж — нанесение и экспонирование второго
слоя фоторезиста, з — проявление, и — травление проводящего слоя,
к — удаление слоя фоторезиста; 1 — подложка, 2 — слой резистивно-
го материала, 3 — слой проводящего материала, 4, 7 - слои фоторезис-
та, 5, 8 - фотошаблоны, б, 9 - фоторезистивные маски, 10 - резистор
с контактными площадками
132
IT
57, к) наносят защитный слой диэлектрического материала и
третьей фотолитографией вскрывают в нем окна над контакт-
ными площадками (на рис. 55, a-и и 57, а—к зти операции не
показаны).
Для изготовления плат гибридных ИМС, содержащих про-
водники и резисторы из двух различных (высокоомного и низ-
коомного) резистивных материалов, рекомендуется следую-
щий технологический процесс: последовательное напыление пле-
нок высокоомного, низкоомного и проводящего материалов,
последовательная фотолитография проводящей, низкоомной и
высокоомной пленок, нанесение защитного слоя.
Обратная (взрывная) фотолитография со-
четает особенности масочного и фотолитографического методов
формирования конфигурации тонкопленочных элементов и на-
зывается методом контактной маски, при этом тонкопленочные
слои наносят через тонкие металлические маски одноразового
использования, которые формируют на поверхности подложек,
например, напылением медных пленок с последующей фотоли-
тографией для создания в них окон, соответствующих заданной
конфигурации элементов. При невысоких температурах нагре-
ва подложек маски выполняют из фоторезиста. В отличие от
свободных контактные маски являются неотъемлемой частью
подложек и не имеют микрозазора с их поверхностью. Возмож-
ны два варианта формирования тонкопленочных элементов с
помощью контактных масок.
При первом варианте на очищенную диэлектрическую под-
ложку 1 наносят (ионным распылением, осаждением из парога-
зовой смеси) слой 2 меди толщиной 0,1 мкм, а затем — слой 3
фоторезиста (рис. 58, а). После сушки фоторезиста, экспониро-
вания его через фотошаблон 4 (рис. 58, б), травления и задуб-
ливания получают фоторезистивную маску 5 (рис. 58, в). Ло-
кальным травлением слоя меди (рис. 58, г) и снятием слоя
фоторезиста получают контактную маску 6 (рис. 58, 0), через
которую напыляют слой 7 резистивного материала (рис. 58, е).
При этом варианте резистивный материал осаждается как
на контактную маску 6, так и на свободные от нее участки под-
ложки 1. При быстром (взрывном) стравливании вместе с кон-
тактной маской 6 удаляются участки резистивного слоя 7, рас-
положенные поверх нее (селективное травление), но остается
резистивная полоска# (рис. 58,ж).
При втором варианте пленка осаждается только на свобод-
ные от маски участки подложки (селективное нанесение).
Обратную фотолитографию нельзя применять при создании
Многослойных плат гибридных ИМС. Это объясняется тем,
что для получения рисунков последующих слоев требуется
133
Рис. 58. Последовательность изготовления резистивного элемен-
та методом контактной маски:
а — напыление материала контактной маски и нанесение слоя
фоторезиста, б — экспонирование, в - проявление, г - травле-
ние материала контактной маски через фоторезистивную мас-
ку, д — удаление слоя фоторезиста, е - напыление резистивно-
го материала, ж — травление материала контактной маски;
1 — подложка, 2 - слой меди, 3 — слой фоторезиста, 4 — фото-
шаблон, 5, б - фоторезистнвная и контактная маски, 7 - слой
резистивного материала, 8 — резистивная полоска
их обработка травильными растворами, которые, воздействуя
на предыдущие слои, изменяют их электрофизические парамет-
ры. Следовательно, необходима очень тщательная очистка под-
ложек от химических реактивов, так как в ином случае невоз-
можно добиться удовлетворительной адгезии при осаждении
последующих слоев.
Комбинированный метод основан на совмещении фотоли-
тографического и масочного методов создания пленочных ре-
зисторов, проводников и конденсаторов заданной конфигура-
ции. При этом фотолитографией формируют сложные элементы,
а с помощью масок — простые или те, которые невозможно из-
готовить фотолитографией. Существует несколько вариантов
этого метода, но наибольшее распространение получили два
из них.
При первом варианте ,вначале напыляют резис-
тивные полоски через маску и сплошной проводящий слой на
них, а также открытые участки подложки. Затем фотолитогра-
фией проводящего слоя формируют токоведущие дорожки
и контактные площадки, и поочередным напылением через
свободные маски - нижние электроды, диэлектрик и верхние
электроды конденсаторов. После этого наносят защитный слой.
При втором варианте вначале напыляют сплош-
ные резистивный и проводящий слои, проводят их фотолитогра-
134
фию и травление через фоторезистивную маску 6 (рис. 57, а-ё),
еще раз проводят фотолитографию и травление проводящего
сдоя через фоторезистивную маску 9 (рис. 57, ж-к). Далее
последовательным напылением через свободные маски форми-
руют нижние электроды, диэлектрик и верхние электроды
конденсаторов и наносят защитный слой.
Если платы гибридных ИМС не содержат конденсаторов,
применяют один из следующих наиболее распространенных
вариантов:
последовательно напыляют резистивные полоски через
свободную маску и сплошной проводящий слой, проводят
фотолитографию проводящего слоя и наносят защитный слой;
наносят сплошную резистивную пленку, проводят фотоли-
тографию, напыляют через свободную маску проводники и кон-
тактные площадки, а затем наносят защитный слой;
напыляют сплошной резистивный слой, а затем через свобод?
ную маску — проводники и контактные площадки, проводят
фотолитографию резистивного слоя и наносят защитный слой.
При выборе технологического процесса изготовления плат
гибридных ИМС учитывают их конструктивные особенности,
точность формирования рисунков и тип промышленного про-
изводства. Так, масочный метод применяют при мелкосерийном
и серийном производстве. При этом точность изготовления
резисторов и конденсаторов составляет ± 10%. При фотолито-
графии, чаще используемой в массовом производстве, точность
изготовления этих элементов равна ±1%. Комбинированный
метод, применяемый при серийном и массовом производстве,
обеспечивает точность изготовления пленочных резисторов
± 1 %, а конденсаторов ± (5 -г 10)%.
Электронно-лучевой метод позволяет формировать элемен-
ты плат гибридных ИМС гравировкой электронным лучом
сплошных резистивных и проводящих слоев, ранее нанесенных
на поверхность подложек разными способами. Управляют
перемещением электронного луча по поверхности подложки
с помощью электрического и магнитного полей по заданной
программе. Такой способ изготовления плат гибридных ИМС
наиболее экономичен, если они содержат резисторы высокой
точности и плотно расположенные токоведущие дорожки (про-
водники.
§ 24. ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПЛАТ
ТОЛСТОПЛЕНОЧНЫХ ГИБРИДНЫХ ИМС
Изготовление плат гибридных ИМС по толстопленочной
технологии (рис. 59) основано на механическом нанесении
НЭ поверхность подложек пастообразных материалов (смесей
135

Рис. 59. Схема типового технологического процесса изготовления
толстопленочных гибридных ИМС
стеклянного порошка с наполнителем, органическим связую-
щим и добавками, обеспечивающими определенную консистен-
цию) . Пасты наносят через специальные трафареты, прорези в
которых соответствуют конфигурации элементов. При после-
дующей ступенчатой термической обработке пасту вжигают,
136
окончательно формируя таким образом элементы плат гиб-
ридных ИМС. Толщина слоев при этом составляет 10—
70 мкм.
Долгое время толстопленочную технологию не применяли
так широко, как тонкопленочную, которая появилась значи-
тельно раньше и, естественно, ее методы были исследованы и
отработаны более тщательно. Однако простота формирования
толстых пленок при сравнительно низких затратах на оборудова-
ние и рациональном использовании материалов, высокая эксплу-
атационная надежность плат при работе ИМС в жестких темпе-
ратурных условиях (от —180 до +300 °C), возможность созда-
ния ИМС большой мощности с электрофизическими параметра-
ми, близкими к параметрам тонкопленочных ИМС, привели к
широкому использованию толстопленочной технологии. Этому
способствовали также совершенствование существующих и раз-
работка на основе металлоорганических соединений новых ви-
дов паст, позволяющих шире применять фотолитографию и фор-
мировать точные рисунки элементов.
Пасты представляют собой суспензию тонкодисперсных
порошков (с размером частиц от десятых долей микрометра
до нескольких микрометров) функциональных материалов
и стекла в органическом связующем. В зависимости от назна-
чения паст (проводящая, диэлектрическая, резистивная и др.)
в качестве функциональных материалов, которые придают плен-
кам необходимые физические свойства, используют металлы,
их оксиды и смеси. Твердая фаза составляет около 75 %, из ко-
торых 5% приходится на порошок стекла. В жидкую фазу
(около 25%) входят компоненты, изменяющие текучесть и
вязкость паст, а также поверхностно-активные вещества (ПАВ),
улучшающие смачивание частиц порошка и поверхностей подло-
жек расплавленным стеклом.
В процессе вжигания пасты мелкодисперсное (с размером
частиц 1-3 мкм) легкоплавкое (температура размягчения 425—
600 °C) стекло С-72-ЗТ, С-5, С-14 или С-551, содержащее оксиды
свинца, кремния, висмута, цинка, магния, расплавляется и при
последующем затвердевании формирует монолитную структуру
элементов с равномерно распределенными частицами функцио-
нального материала (рис. 60). Образующийся на границе разде-
ла пленка-подложка переходный слой 2 стекла толщиной 6-8
мкм обеспечивает прочную связь нанесенной пленки с подлож-
Рис. 60. Структура толсто-
4 пленочного проводника:
1 — функциональный ма-
териал, 2 — стекло, 3 —
подложка
137
кой 3, в определенной мере компенсируя различие ТКЛР мате-
риалов, из которых они изготовлены.
Проводящие пасты предназначены для изготовле-
ния проводников и контактных площадок, которые должны об-
ладать следующими свойствами:
высокой удельной проводимостью во избежание заметного
падения напряжения и нагрева;
хорошей адгезией к подложкам;
возможностью пайки и сварки;
устойчивостью к воздействиям технологических и эксплуа-
тационных факторов (температуре, среде и др.);
совместимостью с элементами, выполненными из резистив-
ных и диэлектрических паст.
Наибольшее распространение при изготовлении проводни-
ков, контактных площадок и электродов конденсаторов плат
гибридных ИМС имеют пасты на основе Ag и Pd-Ag (палладий
вводят для снижения коррозии и миграции серебра, а также
уменьшения стоимости паст). Пасты ПП-1-ПП-5, КСС-1 и
КСС-2 обеспечивают широкий диапазон электрофизических па-
раметров различных элементов.
Пасты на основе золота незаменимы, когда требуется боль-
шая надежность при сохранении высоких электрофизических
параметров. Вместе с тем большая стоимость и относительно
быстрое растворение таких паст в припое ограничивает их приме-
нение. Наиболее широко применяют пасты ПЗП-1 (для нанесе-
ния проводников) и ПЗП-З, ПЗП-4, ПЗП-5 (для выполнения
монтажных площадок в корпусах). Перспективно также приме-
нение для многослойных плат золотых и марганцево-молибде-
новых (Mg-Mo) паст. В последнее время разработан ряд компо-
зиций, не содержащих драгоценных металлов, например пасты
на основе Си, Al, Ni, W.
Температура вжигания проводящих паст на воздухе, в азо-
те или аргоне составляет 500—1000 °C.
Припойные пасты предназначены для монтажа
компонентов на платы. Основу таких паст составляют припои
ПОС 61, ПОСК 50/18 или композиции Sn—Pb—Cd-Jn,a в каче-
стве флюса используется канифоль или производные органичес-
ких кислот. Температура оплавления припойных паст ПЛ 1-1,
ПЛ1-3, КЛ-1, КЛ-2 составляет 140—250 °C.
Резистивные пасты предназначены для изготовле-
ния резисторов и представляют собой сложные композиции из
металлов, их оксидов и стекла. Для обеспечения требуемых со-
противлений, шумовых характеристик, температурной и вре-
менной стабильности резистивной пленки используют пасты на
основе серебра и палладия (р, = 5 * 1 -10® Ом/п), рутения
138
F
(ps = 5 t 5 • IO6 Ом/о), оксидов индия (ps до 5 • 10б Ом/о),
таллия (ps = 2 • 101	1 • 10б Ом/п) и кадмия (ps = 102 -г 10б
Ом/а). Выбор пасты зависит от конструкции плат, применяе-
мых материалов и условий эксплуатации изделий.
Температура вжигания резистивных паст составляет 550—
1000 °C.
Значительные успехи, достигнутые в последние годы в об-
ласти синтеза, исследования и практического применения метал-
лоорганических соединений (МОС), открывают широкие перс-
пективы для использования их в качестве материалов электрон-
ной техники. Так, для получения резистивных слоев толщиной
200-350 нм применяют пастообразные композиции, представ-
ляющие собой смесь раствора МОС, органического связующего
и мелкодисперсного порошка стекла (например, борнилмер-
каптиды Ag, Pb, Au растворяют в формциклогексаноне в соот-
ношении 1:2,5). Для улучшения качества слоев в раствор добав-
ляют 10% канифоли от массы сухих компонентов при общем
содержании металлов 14%. Методом центрифугирования при
частоте вращения 1800—3000 об/мин на подложки наносят
равномерную по толщине пленку, которую вжигают при 750 °C
и скорости движения конвейера 4 см/мин. Последующей фото-
литографией получают резисторы, ps которых составляет от 5
до 500 Ом/о.
Используя разнообразные МОС, в состав которых могут
входить Pd, Та, Ru, Rh, Со и другие металлы, можно изготов-
лять резисторы с ps до 1 МОм/о, а также наносить проводники
и диэлектрические слои.
Диэлектрические пасты предназначены как для
изготовления конденсаторов, так и для создания многослойной
коммутации плат толстопленочных гибридных ИМС. Наиболее
широко применяют пасты на основе титаната бария, которые
позволяют получать конденсаторы с удельной емкостью Суд
до 7000 пФ/см2.
Диэлектрические пасты для многослойной коммутации
должны обладать низкой диэлектрической проницаемостью
и высоким сопротивлением, так как предназначены для изоля-
ции верхнего проводящего слоя от нижнего. Применение в этом
случае стекол нецелесообразно, так как они аморфны и при по-
следующей термической обработке их слои деформируются
(уменьшается толщина), что увеличивает паразитные емкости.
Композиции стекол и керамических наполнителей (до 50%)
не позволяют изготовлять беспористые слои (пористость снижа-
ет сопротивление изоляции под действием влаги). Наиболее
церспективны композиции, состоящие из кристаллизующихся
стекол, называемых ситаллоцементами (70—80 мас.%), и напол-
139
ft
нителя из глинозема, органической связки, ланолина и вазелино-
вого масла. При кристаллизации ситаллоцементов образуется
достаточно жесткий кристаллический каркас, препятствующий
растеканию стекла. Инертный наполнитель при спекании с си-
таллоцементом способствует созданию еще более жесткого кар-
каса. Диэлектрические пасты на основе ситаллоцемента СЦ-273
позволяют получать пленки, удельная емкость которых при тол-
щине 60—70 мкм и сопротивлении 1013 Ом равна 180—220
пФ/см2.
Температура кристаллизации диэлектрических паст около
750 °C.
Светочувствительные (фотополимерные)
пасты представляют собой суспензии порошков и их оксидов
в органическом связующем, содержащем светочувствительные
добавки — диазосоединения. Иными словами, светочувстви-
тельные пасты — это смеси традиционных паст с фоторезистом.
Применение светочувствительных паст позволяет разделить во
времени операции их нанесения и выполнения рисунка, совме-
щение которых характерно для общепринятой толстопленоч-
ной технологии, а также обеспечивает высокую точность фор-
мирования рисунка плат при высокой разрешающей способ-
ности фоторезисторов. Получаемый на подложке отпечаток све-
точувствительной пасты подсушивают для удаления растворите-
ля, а затем экспонируют ультрафиолетовым излучением, при
котором светочувствительные соединения полимеризуются и
становятся нерастворимыми в органических составах. После
традиционных для фотолитографии операций проявления, уда-
ления неэкспонированных участков и сушки сформированный
рисунок отжигают на воздухе при 800-900 °C.
Диэлектрические подложки являются основой конструкции
толстопленочных гибридных ИМС. Помимо изоляции элементов
друг от друга и рассеивания выделяющейся при работе ИМС
теплоты подложки защищают их от механических повреждений
и воздействия окружающей среды. Поэтому подложки толсто-
пленочных гибридных ИМС должны обладать хорошими ди-
электрическими и механическими свойствами, необходимой
точностью геометрических размеров и малой шероховатостью
поверхности, хорошими теплопроводностью и адгезией к нано-
симым пастам, достаточными термической (до 1000 °C) и хими-
ческой стойкостью, минимальным газовыделением и согласовы-
ваться по ТКЛР с наносимыми слоями.
В наибольшей степени этим требованиям удовлетворяют
различные виды керамики, в первую очередь высокоглинозе-
мистая керамика, состоящая иэ А12О3 (94,4-99,8%) и добавок
SiO2 (0,92-3,7%), МпО (2,35%), Сг2О3 (0,49%), СаО (0,91 —
140
2,1%). B2O3 (0,92%), MgO (0,2-1,49%). В зависимости от
соотношения компонентов подложки из такой керамики имеют
следующие параметры: высоту микронеровностей Rz - 2 -г 20
мкм; относительную диэлектрическую проницаемость е =
s® 8,9 -г9,6; коэффициент теплопроводности 35—36,7 Вт/(м • °C);
ТКЛР = (6 -г 6,4) • 10“6 1°/С. Наиболее часто для толстопленоч-
ных ИМС используют подложки, размеры которых равны
10 X 10 X 1 и 16 X 10 X 1 мм при допусках ± 0,05 мм, а реже -
60 X 48 X 1 и 30 X 24 X 0,5 мм.
Подложки из керамики на основе оксидов бериллия ВеО
(99,5 %) имеют следующие параметры: е = 6,4, ТКЛР = 6 • 10-6
1/°С и обладают значительно более высокой теплопроводностью
(около 230 Вт/(м • °C), чем из А12О3, что важно при создании
мощных ИМС высокой степени интеграции.
Еще лучшим коэффициентом теплопроводности обладают
металлические подложки со стекловидным покрытием, которые
будут рассмотрены далее.
Трафареты предназначены для дозированного нанесения паст
на подложки и создания определенного рисунка элементов
толстопленочных гибридных ИМС. В производстве используют
фольговые и сетчатые трафареты.
Фольговые трафареты представляют собой лис-
ты металлической (из одного или двух металлов) фольги тол-
щиной, равной заданной толщине слоя пасты, и закрепляются
на жесткой рамке. Эти трафареты изготовляют методом фото-
литографии, для чего на фольгу наносят слой фоторезиста и про-
водят необходимые операции (сушку, экспонирование, проявле-
: ние, задубливание). Так формируют фоторезистровую маску,
через которую травят фольгу. При одностороннем химическом
травлении обратную сторону фольги защищают слоем кислото-
стойкой краски или зарубленным слоем фоторезиста. Однако
при этом неизбежно искажение формы края окон из-за бокового
подтравливания. Более четкий край окон получают двусторон-
t ним травлением, для чего фоторезист наносят на обе поверхнос-
’ ти, а затем экспонируют.
и При изготовлении фольговых биметаллических трафаретов
фольгу из бронзы или меди с одной стороны покрывают слоем
; фоторезиста, который экспонируют и проявляют. Затем на эту
' же сторону фольги гальванически наносят слой металла (нике-
( ля). После удаления слоя фоторезиста на не защищенных им
местах фольги остается слой никеля, создающий маску, через
г которую, защитив обратную сторону фольги кислотостойким
f Лаком, проводят химическое (селективное) травление.
к Сетчатые трафареты выполняют из стальной, шел-
| ковой, капроновой или другой сетки, которую равномерно на-
|	141
тягиваюг на рамку. Обычно диаметр нитей сетки равен 20—
50 мкм, а сторона квадратных ячеек составляет 40-240 мкм.
На сетку наносят фоторезист и после фотолитографии форми-
руют защитный фото эмульсионный слой, закрывающий ее в
необходимых местах. Толщина, ширина, равномерность и точ-
ность отпечатка пасты зависит от степени натяжения сетки, тол-
щины ее нитей, размеров образуемых ими ячеек и толщины
защитного фотоэмульсионного слоя. Общий вид и фрагменты
сетчатого трафарета показаны на рис. 61, а—в.
Процесс трафаретной печати (рис. 62) состоит в дозирован-
ном нанесении пасты 4 на подложку 2 продавливанием ее через
трафарет 1 с помощью специальной пластины (ракеля) 3 из ре-
зины, фторопласта или полиуретана. Перемещаясь по трафарету,
Рис. 61. Сетчатый трафарет (а)
и его фрагменты (б, в):
1 - рамка, 2 — защитный слой,
3 ~ сетка
Рис. 62. Схема трафаретной пе-
чати:
1 - трафарет, 2 - подложка,
3 - ракель, 4 — паста
142
ракель продвигает перед собой пасту, которая под его давле-
нием заполняет отверстия в трафарете. Подача пасты происхо-
дит при прямом и обратном движениях ракеля. Существуют
два способа нанесения паст.
При бесконтактном способе трафарет распо-
лагается на некотором фиксированном расстоянии от подлож-
ки (0,25—1,5 мм). По мере перемещения ракеля трафарет изги-
бается, касается подложки и таким образом на нее наносится
паста в виде столбиков, копирующих отверстия в сетке. Расте-
каясь, столбики соединяются и образуют рисунок трафарета.
В установках трафаретной печати предусмотрены крепление
подложек (чаще всего вакуумной присоской), рама для разме-
щения маски, а также устройство приложения дозированного
усилия на ракель (0,05 кг/см2) и регулирования скорости его
перемещения (около 15 см/с). В зависимости от вязкости паст
(> 500 П) и размера ячеек сетки используют ракели с углом
заточки от 45 до 60°.
Следует отметить, что толщина отпечатка и его качество за-
висят от технологических режимов нанесения паст. Так, отпеча-
ток имеет большую толщину, если сетка трафарета натянута
сильнее и расстояние между ней и подложкой максимально,
а также при увеличении толщины защитного фоторезистивного
эмульсионного слоя, повышении давления и уменьшении ско-
рости перемещения ракеля.
При контактном способе нанесения паст
между трафаретом и подложкой нет зазора, что позволяет
получать, например, резисторы, разброс сопротивлений кото-
рых равен ±5% (при бесконтактном — ±10%). Кроме того,
этим способом формируют рисунки элементов в виде очень тон-
ких линий и маленькие контактные площадки.
Термическую обработку пасты — сушку и вжигание — вы-
полняют после нанесения каждого слоя.
Сушка необходима для выравнивания следов сетки,
усадки пасты и частичного удаления растворителя. В зависимос-
ти от способа сушки (термическая при 150 °C или инфракрас-
ное облучение) ее продолжительность составляет 5—20 мин.
Несоблюдение режима сушки приводит к интенсивному испаре-
нию растворителя при последующем обжиге и растрескиванию
отпечатка.
Вжигание способствует остекловыванию паст, их спека-
нию и созданию надежного контакта с подложкой. Режимами
вжигания (временем, температурой, средой и скоростью пере-
мещения подложек через определенные температурные зоны)
определяются параметры толстопленочных элементов, их вос-
производимость, стабильность и надежность.
143
На первой стадии вжигания пасты (при 300-400 °C) из нее
окончательно удаляется растворитель. Оптимальная скорость
роста температуры при этом составляет 20 °С/мин. На второй,
наиболее ответственной стадии происходит остекловывание
пасты, окисление входящих в нее металлов (если необходимо)
и спекание. При этом следует поддерживать температуру на
заданном уровне с точностью ±(1 -г 2) °C. В ином случае ско-
рость химических реакций, определяющих окончательный сос-
тав, физико-химические свойства и электрофизические парамет-
ры пленок, при повышении температуры, например, на 10 °C
увеличивается вдвое.
Третья стадия — постепенное охлаждение подложек.
Термическую обработку пасты проводят в конвейерных
печах, которые в зависимости от типа имеют пять - восемь зон
плавного регулирования режимов сушки и вжигания как на воз-
духе, так и в интертной атмосфере.
После изготовления пленочных элементов подложки арми-
руют выводами (если необходимо) и подгоняют сопротивление
резисторов до заданного номинала.
Монтаж компонентов на подложки и герметизация толсто-
пленочных гибридных ИМС не отличаются от аналогичных опе-
раций, выполняемых при изготовлении тонкопленочных ИМС,
и будут рассмотрены далее.
Изготовление толстопленочных гибридных ИМС завершает-
ся контролем их работоспособности и испытаниями. Так, все
100% плат контролируют по внешнему виду, затем по значению
емкости и добротности проверяют качество конденсаторов,
а по значению сопротивления — качество резисторов.
При испытаниях ИМС проверяют на работоспособность при
повышенных температурах, подвергают многократному цикли-
рованию и ударам, контролируют на герметичность и стабиль-
ность параметров во времени.
§ 25. ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ
ПЛАТ ГИБРИДНЫХ БИС И МСБ
Платы гибридных БИС и МСБ, представляющие собой
диэлектрические основания с многослойной электрической раз-
водкой (коммутацией) и контактными площадками для мон-
тажа компонентов или кристаллов полупроводниковых ИМС
(БИС) и выполнения соединения с внешними выводами корпу-
са или печатной платы, называют коммутационными. В отдель-
ных случаях на коммутационных платах формируют пленочные
резисторы и конденсаторы. Однако тенденцией при производ-
стве гибридных БИС и МСБ является использование либо ком-
144
поненгов, либо отдельно изготовляемых на диэлектрических
основаниях (например, из ситалла) пленочных элементов, ко-
торые затем монтируют на коммутационные платы в качестве
компонентов.
, Основные проблемы технологии изготовления многослой-
ных коммутационных плат обусловлены необходимостью соз-
дания на подложках большой площади (до 100 X 100 мм) сис-
темы пленочных проводников, расположенных в двух — деся-
ти слоях, и межслойной изоляции, обладающей высокой элект-
рической прочностью.
Удельное объемное электрическое сопротивление провод-
ников коммутационных плат должно быть не более 0,01 Ом • см,
сопротивление изоляции — не менее 1000 МОм при площади пе-
ресечения 0,5 мм2. Электрическая прочность межслойной изоля-
ции должна составлять до 4 • 107 В/см, а удельная емкость меж-
ду слоями быть не более 5 пФ/см2.
Кроме того, ширина проводников и зазоры между ними
должны быть не менее 50—100 мкм, а расстояния между кон-
тактными площадками — 0,2-0,625 мм. Необходимо также
обеспечивать хороший теплоотвод оснований коммутационных
плат, совместимость и автоматизацию технологических опера-
ций их изготовления, максимальное исключение драгоценных
металлов и остродефицитных материалов.
В зависимости от сложности разводки, материала подложек
и способов формирования пленочных структур многослойные
коммутационные платы гибридных БИС и МСБ (рис. 63) изго-
товляют, используя различные технологии.
Тонкопленочная технология предусматрива-
ет последовательное формирование на ситалловых подложках
проводящих и диэлектрических слоев, а также контактных
переходов между разными уровнями разводки и состоит из
следующих операций: напыления и фотолитографии первого
проводящего слоя; нанесения и фотолитографии изоляционного
слоя; напыления и фотолитографии второго проводящего слоя;
нанесения и фотолитографии защитного слоя.
В качестве изоляционного слоя используют неорганические
Рис. 63. Структура много-
слойной коммутационной
платы гибридной БИС:
I - подложка, 2, 4, б —
коммутационные слои, 3,
5 - диэлектрические слои,
7 - шариковый вывод,
8 - интегральная микро-
схема
145
(SiO, SiO2, A12O3) и органические (негативные фоторезисты,
полиимидные лаки) материалы, а в качестве проводящего —
хром, медь и др.
Особенность тонкопленочной технологии — возможность
формирования пленочных резисторов (если необходимо) перед
нанесением первого слоя металлизации. Тонкопленочные ком-
мутационные платы имеют сравнительно невысокую плотность
монтажа: не более 16 кристаллов на плате размером 24 X 30 мм.
Кроме того, в тонкопленочных коммутационных платах невоз-
можно свести к минимуму паразитные связи. Другими слова-
ми, чем тоньше слой диэлектрика между двумя проводящими
слоями, тем меньше электрическая прочность и больше электри-
ческая емкость С = 0,0885е5/б? (где е и d — диэлектрическая про-
ницаемость и толщина слоя диэлектрика; 5 — площадь перекры-
тия проводящих слоев).
Таким образом, для получения высококачественной меж-
слойной изоляции на подложках большой площади необходимо
использовать материалы, обладающие высокими изоляцион-
ными свойствами, и наносить их слои толщиной более 1—2 мкм,
а для уменьшения потерь и паразитных связей увеличивать тол-
щину проводников.
Толстопленочная технология, подробно рас-
смотренная в § 24, состоит в последовательном выполнении
операций нанесения и вжигания паст: первой проводящей, изо-
лирующей, второй проводящей и защитной.
По толстопленочной технологии можно изготовлять ком-
мутационные платы более чем с двумя слоями разводки. Однако
это сопряжено с определенными трудностями, так как последо-
вательное нанесение каждого слоя пасты и вжигание его при
высокой температуре нарушает стабильность состава предыду-
щих слоев. Температура вжигания каждого последующего слоя
пасты должна быть ниже, чем предыдущего, а следовательно,
второй, третий и т.д. проводящие и изолирующие слои следует
формировать из паст, отличающихся по составу.
Особенность этой технологии — двукратное нанесение и вжи-
гание изолирующего слоя, что необходимо для получения макси-
мально возможной его толщины и уменьшения паразитных ем-
костей между проводниками первого и второго коммутацион-
ных уровней. Кроме того, при создании тол сто пленочных ком-
мутационных плат возможно коробление и растрескивание под-
ложек большой площади. Поэтому подложки площадью до
60 X 48 мм имеют толщину 0,8-1,5 мм, а большие - от 2 до
4 мм. Однако и в этом случае процент выхода годных плат пло-
щадью 100 X 100 мм недостаточно высок, так как из-за дефек-
тов, обнаруженных хотя быв одном из слоев, бракуют всю плату.
146
Технология изготовления коммутацион-
ных плат из многослойной керамики не име-
ет этих недостатков и основана на спекании алунда А12О3 со
стеклом при температуре около 1500 °C. Проводники выполня-
ет из паст, содержащих тугоплавкие материалы (например,
молибден).
При изготовлении многослойных керамических плат сна-
чала отливают отдельные слои. Для этого смешивают порошки
керамики и стекла с органическим связующим и растворителем,
получая жидкую массу, из которой формуют листы определен-
ной толщины. После сушки в печи для удаления растворителя
листы разрезают на квадратные заготовки, в которых на быстро-
действующих многопуансонных перфо рационных установках
пробивают сквозные отверстия.
Затем на поверхности заготовок формируют из проводящей
пасты методом трафаретной печати проводники. Пасту наносят
под давлением, поэтому она заполняет также пробитые в заго-
, товках сквозные отверстия. Металлизированные листы сушат
и контролируют, так как для получения высокого процента
выхода годных изделий необходимо выявить дефекты до сбор-
ки плат из отдельных листов. Далее листы собирают в опреде-
ленной последовательности в пакеты и спрессовывают под вы-
соким давлением при температуре около 350 °C. При этом
сквозные отверстия, заполненные проводящей пастой, должны
для создания надежных межслойных переходов совпадать в слоях.
Спрессованные пакеты — платы — обрезают до нужных раз-
меров и подвергают длительному отжигу в атмосфере водоро-
да, медленно нагревая до температуры около 1800 °C. При
слишком высоких скоростях нагрева органическое связующее
разлагается излишне быстро и продукты его распада плохо уда-
ляются, в результате чего платы могут расслоиться. Открытые
участки металлизации электрохимически покрывают слоем
никеля или золота и лудят.
Основные параметры многослойных коммутационных кера-
мических плат приведены в табл. 5.
Таблица 5. Многослойные коммутационные керамические платы
Параметр	Платы
массового выпуска прецизионные
Минимальная ширина линий и
зазоров, мм................ 0,2-0,4	0,125
Минимальный диаметр переход-
Иых отверстий, мкм......... 0,3-0,4	0,125
, 147
Л
Продолжение табл. 5
Параметр
Платы
массового выпуска прецизионные
Минимальный шаг переходных
отверстий, мм		2,0-2,5	0,5-1,25
Толщина подложек, мм	 Максимальные размеры подло-	2,0-4,0	5,5
жек, мм	 Максимальное количество слоев	До 100X100	90X90
коммутации	 Удельное сопротивление провод-	6-8	До 33
ников, Ом/см	 Удельная паразитная емкость,	5-10	5-10
пФ/см		0,9-2,0	0,9-2,0
Технология изготовления коммутацион-
ных плат на полиимидной пленке основана на
раздельном формировании двусторонней пленочной электри-
ческой разводки на полиимидной пленке и пленочных провод-
ников на ситалловой подложке, а затем микроконтактирова-
нии их.
Последовательность изготовления коммутационной платы
гибридной БИС с трехуровневой системой разводки показана
на рис. 64, а-е. Первый уровень (внутренние и внешние кон-
тактные площадки, внутрисхемные соединения и, если необхо-
димо, пленочные резисторы и конденсаторы) формируют на си-
талловой подложке по тонкопленочной технологии, а второй
и третий - на полиимидной пленке. Для этого двусторонней фо-
толитографией в полиимидной пленке толщиной 25 или 50 мкм
формируют отверстия соответственно диаметром 20—30 или
50—60 мкм (рис. 64, а). При размерах подложек 60 X 48 мм ко-
личество отверстий может быть несколько тысяч, а при разме-
рах 100 X 100 или 150 X 150 мм — несколько десятков тысяч.
Двусторонняя фотолитография позволяет создавать удобные
для последующего вакуумного напыления металла конусооб-
разные отверстия, необходимые для коммутации второго и
третьего уровней разводки.
Напыляемый в вакууме на полиимидную пленку (рис. 64, б)
комбинированный слой 2 (Сг—Си—Сг) толщиной 1—2 мкм об-
ладает высокой адгезией и служит для формирования маски
из фоторезиста 3 (рис. 64, в). После гальванического нанесе-
ния на слой 2 слоя 4 и защитного слоя из сплава Sn—Bi, Sn-Ni
148
Рис. 64. Последователь-
ность изготовления ком-
мутационной платы гиб-
ридной БИС на полиимид-
ной пленке с трехуровне-
вой системой разводки:
а, б - полинмидная плен-
ка с отверстиями и ее ме-
таллизация, в - формиро-
вание фоторезистнвной
маски, г - гальваническое
наращивание, д - удаление
слоя фоторезиста, е — мон-
таж платы на ситалловую
подложку; 1 — полиимид-
ная пленка, 2 - слой
Сг-Си~Сг, 3 - слой фото-
резиста, 4 - слои Си и
Sn-Bi, 5 - столбиковый
вывод, 6 - ситалловая
подложка, 7 - полупро-
водниковый кристалл
или Sn—РЬ (рис. 64, г), а также удаления не нужных более
слоя 3 фоторезиста и слоя 2 получают платы с двусторонней
металлизацией (рис. 64, д).
Такие платы с помощью, например, столбиковых выво-
дов 5 монтируют (рис. 64, е) на ситалловые подложки 6 с пер-
вым уровнем разводки, создавая коммутацию между всеми
слоями разводки.
Коммутационные платы на полиимидной пленке характери-
зуются высокой разрешающей способностью (минимальная
ширина линий и зазоров 40—70 мкм). При этом плотность мон-
тажа кристаллов на платах площадью 30 X 24 мм достигает 24.
Благодаря высоким изоляционным свойствам полиимидной
пленки (р = 1017 Ом • см) такие платы обладают высокой на-
дежностью.
Полиимидные пленки применяют также при изготовлении
плат на металлических основаниях.
Технология изготовления коммутацион-
ных плат на металлических основаниях пло-
щадью до 100 X 100 мм обеспечивает высокие эксплуатационные
характеристики БИС и МСБ. Наряду с выполнением таких
функций, как многослойная разводка, хороший теплоотвод,
металлические платы могут одновременно служить одним из
Проводников разводки или частью корпуса БИС и МСБ.
В настоящее время разработано несколько типов комму-
тационных плат из стали, алюминия, титана, ковара и других
149
металлов и сплавов. Технология их изготовления состоит из
получения металлических оснований, нанесения диэлектричес-
кого слоя, а также формирования многослойной разводки и
металлизированных переходов от расположенных, на разных
уровнях проводников к металлическому основанию. Общими
операциями являются штамповка из листовых заготовок метал-
лических оснований, а также тщательная обработка и очистка
их поверхности от загрязнений. Затем в зависимости от материа-
ла на поверхность основания наносят необходимое диэлектри-
ческое покрытие.
Стальные платы с эмалевым покрытием получают осажде-
нием легкоплавких бесщелочных стекол с керамическим напол-
нителем и последующим обжигом при 860—1000 °C. В результа-
те этого на поверхности стального основания образуется эмаль —
стекловидное диэлектрическое покрытие толщиной 50—150 мкм
(е = 10 -г 12, р = 1011 Ом • см). Электрическую разводку (про-
водники) на эмалированных платах формируют трафаретной
печатью, используя неорганические проводящие, резистивные
и диэлектрические пасты на стекловидной основе. После вжига-
ния при температуре около 700 °C они образуют с эмалью проч-
ную химическую связь (на керамических платах — механичес-
кую). Теплопроводность таких плат 40Вт/(м • К), а максималь-
ная рабочая температура 800-1000 °C.
Стальные платы с полиимидпым покрытием получают нане-
сением и полимеризацией лака ПАК, который используют так-
же для изготовления изоляции между проводящими слоями.
Проводящие слои формируют вакуумным напылением алюми-
ния и фотолитографией.
Стальные платы с диэлектрическим покрытием на основе
эпоксидной смолы имеют следующие характеристики: е =
= 10 -г 12; р = 9,7 • 106 Ом • см; максимальную рабочую тем-
пературу 200—250 °C.
Алюминиевые платы для создания на их поверхности слоя
оксида алюминия А12О3 анодируют. Проводящие слои форми-
руют вакуумным напылением алюминия и фотолитографией.
Такие платы имеют следующие характеристики: е = 7; р =
= 10*2 Ом • см; максимальную рабочую температуру 400—
450 °C. Кроме того, платы из алюминия, как и стальные, могут
иметь диэлектрическое покрытие на основе эпоксидной смолы
(е = 4, р = 2,6 • 107 Ом • см и максимальную рабочую темпера-
туру 200-250 °C).
Платы из титана с покрытием А12О3 имеют следующие ха-
рактеристики: е = 7; р = 1012 Ом • см; максимальную рабочую
температуру 400-500 °C.
Отдать предпочтение какой-либо технологии изготовления
150
J
yv многослойных коммутационных плат трудно, однако несомнен-
- но, что сочетание гибких полиимидаых плат с жесткими (кера-
1лическими или металлическими) существенно повышает плот-
< цость монтажа и улучшает теплбвые и механические характе-
ристики гибридных БИС и МСБ.
В настоящее время наиболее перспективны коммутацион-
ные платы из анодированного алюминия с разводкой на поли-
имидной пленке. Такие платы имеют до десяти слоев развод-
ки, обладают необходимой жесткостью и эффективным тепло-
отводом, а гибридные БИС и МСБ на их основе наиболее техно-
логичны.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1.	Как классифицируют платы гибридных ИМС БИС и МСБ?
2.	Каковы особенности метода свободной маски?
'	3. Какова последовательность выполнения операций при двойной
фотолитографии?
4.	Какие варианты метода обратной фотолитографии вы знаете?
5.	Какие пасты и подложки применяют при изготовлении плат тол-
стопленочных гибридных ИМС?
6.	Через какие трафареты и какими способами выполняют трафарет-
ную печать?
7.	Зачем выполняют термообработку паст?
8.	Каковы особенности технологии изготовления коммутационных
плат из многослойной керамики?
9.	Как изготовляют коммутационные платы на полиамидной пленке?
10.	Какие материалы применяют для изготовления оснований ком-
мутационных металлических плат?
ГЛАВА ПЯТАЯ
ТЕХНОЛОГИЯ ПОДГОНКИ ПАРАМЕТРОВ
ПЛЕНОЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ,
МОНТАЖА КРИСТАЛЛОВ, СБОРКИ И ГЕРМЕТИЗАЦИИ
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ, ИМС И БИС
§ 26. ПОДГОНКА ПАРАМЕТРОВ ПЛЕНОЧНЫХ
ЭЛЕМЕНТОВ ГИБРИДНЫХ ИМС И БИС
Современная микроэлектронная технология обеспечивает
Точность выходных параметров пленочных пассивных элементов
ГЙбридных ИМС только ±(5 4- 10)%. Этого недостаточно для
прецизионных гибридных ИМС, а также БИС, точность которых
Должна быть не ниже ± 1 %. Кроме того, погрешности технологии
,	151
1
формирования пленок приводят к невоспроизводимое™ элект-
рофизических параметров и геометрических размеров пленоч-
ных элементов, увеличивают брак и снижают выход годных
ИМС и БИС. Этими причинами обусловлена необходимость под-
гонки пленочных элементов до близких к номинальным зна-
чениям в пределах установленных допусков.
При дискретной подгонке пленочных резисторов и конден-
саторов (рис. 65, а—в) их топологией предусматриваются спе-
циальные перемычки 1 и 4. Эти перемычки перерезают (напри-
мер, лучом лазера) или припаивают (приваривают), что позво-
ляет удалить или присоединить одну или несколько секций
пленочного резистора или конденсатора. Дискретная подгонка
резисторов и конденсаторов обеспечивает точность номиналов
соответственно ±(2^3)% и ± 5 %.
Плавная подгонка резисторов основана на изменении как
их удельного поверхностного сопротивления ps, так и геомет-
рических размеров и обеспечивает высокую точность номина-
лов. Изменяют значение ps, воздействуя на структуру материала
пленки. Известно, что пленки отличаются от массивного мате-
риала не только толщиной, но особенностями структуры, кото-
рая определяется технологией их нанесения (см. § 12). Напри-
мер, мелкозернистые пленки металлов и сплавов, нанесенные
в вакууме, имеют огромное количество дефектов (вакансий,
избыточных атомов и др.), искажающих их параметры и ис-
б)	в)
Рис. 65. Конфигурация пленочных резисторов
(а, б) и конденсатора (в) при дискретной
подгонке:
1,4- перемычки, 2 - резистор, 3 - контакт-
ная площадка, 5 - диэлектрик, 6, 7 - нижний
и верхний электроды конденсаторов
Рис. 66. Изменение сопротивления пленочного
резистора при термообработке
152
к' тинные электрофизические свойства материалов. Следовательно,
при подгонке необходимо перераспределить или ликвидировать
J дефекты в пленке, снять напряжения, изменить и стабилизиро-
fi вать структуру и фазовое состояние, т.е. довести параметры
резисторов до заданных значений.
Подгонка номиналов пленочных резисторов основана на из-
I менении структуры пленки ее термической обработкой, пропус-
канием электрического тока (термотоковая обработка) или
^ нагревом инфракрасным ИК либо лазерным излучением.
Так как эти методы связаны с интенсивным нагревом
резистивной пленки, в ней одновременно происходит два про-
X цесса (рис. 66): окисление поверхностного слоя (кривая 1)
й и упорядочение структуры (кривая 2) в результате перераспре-
деления (удаления) дефектов, изменения границ между зерна-
15’ ми и их укрупнения (рекристаллизации). Первый процесс уве-
J личивает как удельное поверхностное ps, так и номинальное
< сопротивление R резисторов, а второй — их проводимость,
$ но при этом уменьшается ps и R. Суммарное изменение сопро-
тивления зависит от интенсивности нагрева Q, его вре-
$ мени и условий. Другими словами, результирующая кривая 3
может быть сдвинута ближе к кривой 1 или 2 в зависимости от
' условий подгонки.
Так, при термической обработке пленочных резисторов
на воздухе преобладают процессы окисления, а в вакууме —
процессы упорядочения структуры. При пропускании импульс-
’ ного тока через резисторы происходят аналогичные процессы.
При нагреве резисторов ИК-излучением эффект может быть
различным. Длительный ИК-нагрев на воздухе необратимо уве-
личивает ps и R резисторов из-за диффузии кислорода в плен-
ку, а в вакууме — уменьшает, как при термообработке. При воз-
действии импульсного излучения происходят лишь структурные
изменения, снижаются ps и R, а окисление не успевает про-
изойти.
Изменение геометрических размеров элементов при плав-
ной подгонке осуществляется механическим, химическим и
лазерным методами.
, При механическом методе подгонки ре-
зисторов их поверхность обрабатывают абразивным порош-
 ком А12О3 с размером зерен около 25 мкм, который подается
из сопла. Ударяясь о поверхность, зерна порошка удаляют
часть резистивной пленки, уменьшая эффективное сечение ре-
зисторов, что увеличивает их сопротивление R. В процессе под-
гонки сопротивление резисторов постоянно сравнивается с со-
Противлением стандартного резистора, включенного в одно из
. Плеч мостовой схемы и соединенного со специальным устрой-
£	153
ством, обеспечивающим контроль и управление. В зависимости
от используемого оборудования этим методом за 1 ч можно по-
догнать сопротивления от 300 до 4000 резисторов.
В основном этот метод применяют при подгонке толстопле-
ночных резисторов. Невысокая точность (± 5 %), необходимость
вскрытия защитного слоя платы и воздействие абразива на со-
седние элементы ограничивают его применение.
Химический метод предусматривает уменьшение
толщины резистивной пленки травлением (т.е. увеличение ps
и R) или увеличение ее толщины гальваническим наращиванием
(т.е. уменьшение ps и R). Этот метод перспективен также для
подгонки номиналов пленочных конденсаторов (селективным
травлением верхнего электрода). Погрешность метода 1—2%.
Недостатки его — малая скорость процесса и необходимость
тщательной отмывки плат.
Лазерный метод получил наибольшее распростране-
ние, так как экономичен, производителен, обеспечивает высо-
кую точность, позволяет автоматизировать процесс и, кроме то-
го, строго локализовать его, фокусируя лазерный луч. Этот ме-
тод применяют как для подгонки резисторов, так и конденсато-
ров, соответственно выжигая часть резистивной пленки или
верхнего электрода.
Высокая плотность энергии сфокусированного лазерного
луча (W = 1010 4- 1015 Вт/см2) достаточна для испарения прак-
тически любого материала. Кратковременность воздействия
лазерного излучения (0,1—5 мкс) почти не изменяет свойства
соседних участков пленки, не подвергающихся обработке, а
небольшая глубина его поглощения не нарушает структуру
подложки или слоев, находящихся под обрабатываемой плен-
кой. Регулируя энергию лазерного излучения и длитель-
ность импульсов, можно термообрабатывать пленку (изме-
нять ps) или испарять ее (изменять геометрические разме-
ры).
Промышленностью выпускаются установки лазерной под-
гонки разных типов, работающие в полуавтоматическом и авто-
матическом режимах. Так, на установке АМЦ 0716 для подгон-
ки толстопленочных резисторов сопротивлением 102 —106 Ом
в полуавтоматическом режиме погрешность составляет ± 5 %
при производительности 250 шт/ч. Подгонку тонкопленочных
резисторов таких же сопротивлений на полуавтомате АМЦ 077
выполняют с погрешностью ± 0,5 %. При подгонке резисторов
на установке АМЦ 0637 в автоматическом режиме при прочих
равных условиях погрешность уменьшается до ±(0,054-0,1) %.
Подгонка может быть групповой и индивидуальной. Груп-
повая (параллельная) подгонка основана на одновременном из-
154
j
щенении параметров группы элементов, а индивидуальная (по-
следовательная) — на их поочередной обработке.
§ 27. МОНТАЖ КРИСТАЛЛОВ
И ПРИСОЕДИНЕНИЕ ВЫВОДОВ
При сборке полупроводниковых приборов и ИМС кристал-
лы или платы устанавливают на основания корпусов и выпол-
няют электрические соединения. В зависимости от типов прибо-
ров и ИМС электрические соединения создают между контакт-
ными площадками, представляющими собой металлизированные
участки кристаллов (плат), и гибкими (проволочными, ленточ-
ными) или жесткими (шариковыми, в виде выступов или ба-
лочными) выводами (рис. 67, а—г).
Следует отметить, что основные особенности, а следователь-
но, и трудности выполнения таких электрических соединений
связаны с небольшой толщиной (0,25—2,0 мкм) и сравнительно
невысокой прочностью нанесенных пленок, малыми размерами
контактных площадок и большой толщиной или диаметром
(25—180 мкм) выводов. Таким образом, из-за большой разни-
цы толщин (в лучшем случае 1:100) происходит либо перегрев
тонкопленочных контактных площадок, либо недостаточный
нагрев выводов и образуются непрочные соединения.
Создают электрические соединения, т.е. выполняют прово-
лочный и беспроволочный монтаж, различными методами мик-
роконтактирования.
Клеевые соединения выполняют, используя как токопро-
водящие (контактолы), так и непроводящие клеи.
Контактолы изготовляются на основе эпоксидных или по-
лиэфирных смол с наполнителем из мелкодисперсного (около
1 мкм) металлического порошка (Au, Ag, РфЬПидр.) и имеют
низкое удельное объемное электрическое сопротивление р =
= (2^-100) -10-4 0м-м.
Рис. 67. Выводы:
в - проволочный, б - балочный, в-в виде выступа, г - шариковый;
-4,- вывод, 2 - клей, 3 - интегральная микросхема, 4 - контактная
Площадка, 5 - подложка
155
После нанесения жидкого клея под действием электростати-
ческих и гидростатических сил в нем образуются металличес-
кие пятна касания в виде проводящих цепочек, которые при от-
верждении клея фиксируются. В зависимости от марки клея
его капля отверждается от 48 ч при комнатной температуре до
1 ч при 120-180 °C. Однако неоднородность состава контактола
от капли к капле, малый срок годности (так как жидкая состав-
ляющая быстро испаряется), плохая устойчивость к влаге и
температуре, недостаточная адгезия к некоторым металличес-
ким поверхностям, наличие внутренних напряжений, усадка
при охлаждении, высокий ТКЛР, резко отличающийся от ТКЛР
соединяемых деталей, и большая площадь соединений (0,2-
0,3 мм2) ограничивают применение этого вида контактирова-
ния. Еще реже используют непроводящие клеи.
Пайка — это процесс соединения двух металлических дета-
лей в твердом состоянии с помощью припоя, заполняющего
пространство между ними. При пайке места соединения деталей
и припой разогревают до температуры выше его температуры
плавления. Расплавленный припой, смачивая соединяемые по-
верхности, диффундирует в них на небольшую глубину, а соеди-
няемые поверхности частично растворяются в припое. Образую-
щийся шов после остывания прочно соединяет детали.
Пайку в основном применяют при проволочном монтаже
гибридных ИМС, БИС и микросборок, а также при монтаже
кристаллов, имеющих столбиковые или шариковые выводы.
При этом чаще всего используют припой ПОС 61 (61% Sn;
38,2% Pb; 0,8% Sb). Если материал контактных площадок
интенсивно растворяется в олове, используют модифицирован-
ный припой ПСрОС 3-58 (3% Ag; 0,5% Sb; 57,8% Sn; осталь-
ное — Pb). Для монтажа компонентов, чувствительных к пере-
греву, применяют припой ПОСК 50 (50% Sn; 18% Cd; 0,2% Sb;
0,008% Си; остальное - Pb), имеющий температуру плавления
142—145 °C (припои ПОС 61 и ПСрОС 3-58 имеют температуру
плавления 183-194 °C).
Обычно пайку выполняют без флюса или используя пассив-
ные флюсы, предохраняющие детали и припой от окисления.
Среди флюсов предпочтительнее те, которые не требуют после-
дующей отмывки: ФКСп (канифоль 10—60 мас.%, этиловый
спирт — 90—40 мас.%) и ФПЭт (полиэфирная смола 15—20
мас.%, метилэтилкетон или этилацетат 80—85 мас.%).
Пайку осуществляют в течение 2—3 с маломощным электри-
ческим микропаяльником (U = 6В; Р = 6Вт; Т = 260 °C) с авто-
матическим регулированием температуры или сдвоенным элект-
родом с импульсным нагревом в течение 1 с, используя припой в
виде таблеток диаметром 0,8 мм и толщиной 0,08—0,1 мм.
156
К Низкая надежность, сравнительно большие размеры паяного
К шва, возможность соединения лишь некоторых материалов
я И низкая производительность ограничивают применение этих
К методов пайки в технологии изготовления полупроводниковых
® ^приборов и ИМС.
ж г Более широкое распространение получила пайка при креп-
® пении подложек и кристаллов к основаниям корпусов. Так,
Е впайка с использованием мягких припоев или эвтектических
В сплавов обеспечивает малое сопротивление соединений, их хо-
* рошее согласование по ТКЛР с материалом корпуса (а следова-
В тельно, небольшие механические напряжения), достаточные теп-
да лопроводность и механическую прочность. Для этих целей при-
* меняют припои, например Au—Sn и Pb—Sn—Ag, температура
!' плавления которых соответственно равна 280 и 300 °C. На место
* соединения помещают припой в виде пасты или диска из фоль-
 ги. Так как для создания качественного контактирования
. соединяемые поверхности должны хорошо смачиваться припо-
j ем, установочную плоскость кристаллов покрывают слоем ме-
t таллизации (Au, Ag, Ni с подслоем Сг), а основания корпусов —
слоем Ni или Ag.
Эвтектический сплав Au-Si (94 и 6 мас.%), имеющий темпе-
ратуру плавления 370 °C, используют в виде фольговых дисков,
которые помещают между кристаллами и основаниями корпу-
> сов. Для создания надежных соединений температура должна
быть в пределах 390—420 °C, а давление 1—3 Н/мм2 поддержи-
1 ваться в течение 3—5 с.
Пайку стеклом применяют только при монтаже кристаллов
в корпуса. Легкоплавкие стекла С84-1, С88-1, С89-3, С90-1 име-
ют ТКЛР, равный (8,4—9,0) • 10~6 К"1, и температуру размяг-
. чения не более 550 °C. Использование стекла исключает элект-
рический контакт кристаллов с корпусами.
Микросварка — это процесс образования неразъемных сое-
динений деталей их сплавлением или деформированием, в ре-
зультате чего возникают прочные связи между атомами соеди-
; няемых материалов. Сварка отличается от пайки меньшими
- загрязнением и газонасыщением мест контактирования, что
. обусловлено отсутствием припоя.
Сварка давлением (термокомпрессионная, кос-
венным импульсным нагревом и ультразвуковая) основана
' на одновременном действии температуры и давления на соеди-
. няемые детали, которые при этом не расплавляются, а лишь
увеличивается их пластичность. В результате пластической
' -деформации одной или обеих соединяемых деталей между
<ИХ поверхностями вследствие металлических связей возникает
& -физический контакт и происходит взаимная диффузия.
157
Соединение металлических деталей с металлическими или
неметаллическими под действием высоких давлений и темпе-
ратуры называют термокомпрессией. Этим методом можно
сваривать круглые и плоские проводники с тонкими металли-
ческими пленками, нанесенными на хрупкие подложки. Изме-
нение технологических режимов термокомпрессии (времени,
температуры и давления) в пределах ±10% заметно не влияет
на качество соединений.
Термокомпрессией соединяют золотые и алюминиевые
проводники с контактными площадками из золота, алюминия,'
кремния, германия и др. Так, при соединении золотой проволо-
кой алюминиевых контактных площадок кристаллов с выво-
дами корпусов режим термокомпрессии следующий: темпера-
тура 350 °C; давление 108 Н/м2; время 0,5—3 с. При этом
деформация присоединяемой детали составляет 30—60%.
Сварочный инструмент обычно выполняют в виде иглы
(клина) или капилляра из твердых сплавов ВК-6М, ВК-15,
оксида бериллия или синтетического корунда (рис. 68, а, б).
Термокомпрессионная сварка имеет довольно много разно-
видностей, которые классифицируют по ряду признаков. Так,
по способу нагрева термокомпрессия бывает с индивидуальным
Рис. 68. Термокомпрессионная
сварка внахлестку клином (а)
и капилляром (б) :
1 - сварочный инструмент, 2 -
проволочный вывод, 3 — кон-
тактная площадка, 4 — плата
Рис. 69. Термокомпрессионная
сварка встык:
а — оплавление шарика, б - го-
товое соединение, 1 — капил-
ляр, 2 — проволочный вывод,
3 - шарик, 4 — водородная
горелка, 5 — контактная пло-
щадка, 6 - плата
158
", или одновременным подогревом рабочего столика (кристалла,
’’ платы) и сварочного инструмента, а по способу соединения —
внахлест (сшиванием — рис. 68, а, б) и встык (рис. 69, а, б).
В первом случае проволока подается под инструмент сбоку
г (рис. 68, а) или через рабочий инструмент (рис. 68, б), Во вто-
: ром случае (рис. 69, а, б) внутри капилляра и на конце прово-
„ доки из золота предварительно создают (например, водородной
микрогорелкой) оплавленные шарики, которые затем при
нагревании и деформировании привариваются к контактной
площадке. По форме образующегося соединения, которая за-
висит от типа инструмента и степени деформации вывода, судят
о качестве сварки.
Следует отметить, что не все материалы свариваются термо-
компрессией. Кроме того, соединяемые поверхности необхо-
. димо предварительно тщательно подготовлять (травить, зачи-
щать, обезжиривать, защищать от окисления).
Термокомпрессионную сварку выполняют как вручную,
так и на специальных полуавтоматических (ЭМ-439) и автома-
тических (ЭМ-490 и ЭМ-496) установках.
В отличие от термокомпрессионной при сварке косвенным
импульсным нагревом рабочий инструмент — электрод (рис. 70)
нагревается только в момент выполнения соединения, а его
формой предусмотрено сосредоточение выделяющейся теплоты
на торцевой части жала и локальный нагрев места сварки. Про-
. цесс взаимной диффузии соединяемых материалов при сварке
импульсным нагревом играет не менее важную роль, чем при
термокомпрессии. В зависимости от материала контактной пло-
щадки (Au, Al, Си, Ni) давление составляет 3 • 107 - 2 • 108 Н/м2,
температура — 300—700 °C, длительность импульса — 0,01—2 с.
Наиболее успешно сварку косвенным импульсным нагревом
применяют для присоединения проволоки из
водам транзисторов и корпусов ИМС, изготов-
ленных из ковара, никеля и др.
При этом способе сварки предъявляют
определенные требования к рабочему инстру-
менту (высокие первичное напряжение, плот-
ность тока и температура жала), который изго-
товляют из жаропрочной стали, нихрома и
твердых сплавов. Такой инструмент выдер-
живает от 6000 до 40 000 сварок. Сварку
выполняют на установках с ручным (”Кон-
Такт-ЗА”, СКИН-1, ЭМ-408А) и полуавтомати-
ческим (ЭМ-425А и ЭМ-441) управлением.
- В, тех случаях, когда свариваемые поверх-
Ности покрыты достаточно прочной оксидной
Au и А1 к вы-
Рис. 70. Инстру-
мент для свар-
ки косвенным
импульсным на-
гревом
159
пленкой (например, контактные площадки из алюминия), сое-
динение может быть непрочным, если не активизировать процесс
сварки и не разрушить пленку. С этой целью применяют.ультра-
звуковую сварку (рис. 71). Сварочный инструмент 1 из метал-
локерамического сплава или карбида титана прижимает с уси-
лием р = 20 4? 150 Н/мм2 вывод 4 к контактной площадке 5.
Электрические колебания от преобразователя 3 передаются
через волновод 2 инструменту 1 и преобразуются в механичес-
кие ультразвуковые, колебания, которые распространяются
вдоль свариваемых поверхностей. При амплитуде ультразвуко-
вых колебаний 0,5—5 мкм и частоте 20—60 кГц микронеров-
ности свариваемых поверхностей сминаются и срезаются, оксид-
ная пленка разрушается и в результате в зоне контакта интен-
сивно выделяется теплота. Таким образом менее чем за 1 с при
температуре, соответствующей 0,3—0,5 температуры плавления
соединяемых материалов, зти материалы становятся пластичны-
ми и свариваются.
Достоинства этого метода — возможность сварки деталей
из различных материалов (даже диэлектрических), значитель-
но отличающихся по толщине, невысокие требования к чистоте
свариваемых поверхностей и отсутствие структурных измене-
ний в зоне сварки вследствие незначительного локального пере-
грева. Ультразвуковую сварку выполняют на установках
ЭМ-423М, ЭМ-424А, УЗП-02, НПВ-2 с автоматической подстрой-
кой частоты, что позволяет выбирать оптимальные режимы.
Сварка плавлением (сдвоенным электродом,
лазерная, электронно-лучевая) основана на нагревании свари-
ваемых деталей до температуры плавления.
При сварке сдвоенным (расщепленным) электродом учи-
тывается особенность выполнения соединений в ИМС, которая
предопределяет одностороннее расположение электродов 2
Рис. 71. Схема ультразвуковой свар-
ки:
1 — сварочный инструмент, 2 - вол-
новод, 3 - преобразователь, 4 —
вывод, 5 - контактная площадка
160
Рис. 72. Сдвоенный электрод (а)
и схема сварки (6) :
1 — прокладка, 2 — электрод,
3 — проволочный вывод, 4 —
контактная площадка
Hr
Egptic. 72, а, б), объединенных в жесткую конструкцию с электро-
Жуаппянионной (из слюды или синтетического корунда) проклад-
Щ^сой 1, толщина которой равна 30—220 мкм. В зависимости
Жрт диаметра (30—150 мкм) проволочного вывода 3 длина и
ширина торца каждого электрода соответственно составляют
«ЙО—100 и 80-600 мкм. Изготовляют электроды из вольфрама,
Кмолибдена или твердого сплава ВК-8. Такие электроды выдер-
кЛкивают до 30—40 тыс. сварок.
& В процессе сварки участок вывод - контактная площадка
^является частью электрической цепи и место контакта при
^прохождении через него электрического тока вследствие выде-
»пения теплоты разогревается. Усилие прижатия электрода сос-
тавляет 3—10 Н, а время сварки — от 0,005 до 0,02 с.
ж При лазерной сварке материалы соединяемых деталей под
(действием электромагнитного излучения высокой интенсивнос-
Жти расплавляются, а после охлаждения образуют сварной шов.
ж Основное достоинство лазерной сварки — возможность кон-
Вцентрации больших энергий на малых площадях (10s—10б
® Вт/см2) в короткие промежутки времени. Это позволяет соеди-
Жнять лазерной сваркой практически любые металлы в непосред-
Ественной близости от металлостеклянных и металлокерамичес-
$1 ких спаев.
Отсутствие специальных сред (вакуума, защитной атмосфе-
и др.), легкость фокусировки лазерного луча до диаметра
*0,25-1 мм и возможность его проникновения через оптически
^ прозрачные вещества (стекло, кварц и др.) делают этот метод
5 наиболее перспективным для использования в микроэлектрон-
f ной технологии.
Электронно-лучевая сварка основана на тех же физических
принципах, что и электронно-лучевые испарители.
>{ Необходимо отметить, что сборочные операции в техноло-
। гии изготовления полупроводниковых приборов и ИМС явля-
1^, ются трудоемкими, так как значительную часть их выполняют
'ДВручную. В первую очередь, это относится к проволочному мон-
'^яажу с использованием выводов в виде тонких проволочек из
ЙШяота, меди или алюминия. С функциональным усложнением
Д-ЯЗделий микроэлектроники и увеличением степени их интег-
Градии появился метод группового беспроволочного мон-
^«»жа.
!•! Возможность применения этого метода обусловлена, во-пер-
f гвых, выполнением выводов либо в виде объемных элементов,
й Жестко связанных с кристаллом (шариковых, балочных и др. —
см. рис. 67), либо в виде ленточных носителей, которые будут
* рассмотрены далее. Поскольку такие выводы имеют строгую
^взаимную ориентацию, перед присоединением их к контакт-
i?«-540	161
ным площадкам плат требуется лишь общая ориентация крис-
талла.
Во-вторых, при групповом монтаже высота (или диаметр)
всех выводов должна быть равной, а условия его проведения
(температура, время и усилие сжатия контактируемых поверх-
ностей) - одинаковыми. Очень важно также, чтобы плоскости
платы и торца инструмента были параллельны. Кроме того, при
монтаже кристаллов с жесткими выводами рабочая сторона
кристаллов обычно обращена к плате, что затрудняет совмеще-
ние мест контактирования.
Монтаж кристаллов с жесткими выводами на одно-, двух-
или трехслойном ленточном носителе не имеет этих недостат-
ков и наиболее приемлем в массовом производстве. Однослой-
ный ленточный носитель представляет собой медную или алю-
миниевую фольгу, двухслойный — полиимидную пленку, фоль-
гированную алюминием, а трехслойный — раздельно изготов-
ленные фольгу и пленку диэлектрика, затем склеенные поли-
эфирной или эпоксидной смолой.
Лента-носитель с кристаллами ИМС показана на рис. 73, а
а)
Рис. 73. Лента-носитель с крис-
таллами ИМС:
1 — полупроводниковый крис-
талл, 2 — лента-носитель, 3 —
луженые жесткие выводы
е)
Рис. 74. Последовательность вы-
полнения - операций при монтаже
кристаллов с шариковыми вывода-
ми на ленте-носителе:
а - нанесение медной фольги на
ленту-носитель, б, в - фотолито-
графия и селективное травление,
г, д - монтаж кристаллов снизу
и сверху, е — нанесение гермети-
зирующего покрытия; 1 - медная
фольга, 2 - попиимидная пента,
3 — кристалл, 4 — шариковый
вывод, 5 - герметизирующее по-
крытие
162
V. последовательность выполнения операций при монтаже крис-
> галлов с шариковыми выводами — на рис. 74, а-е. При этом на
S перфорированную полиимидную ленту — носитель 2 наносят
В-, медную фольгу 1 (рис. 74, а). Для получения выводных рамок
JL применяют фотолитографию и селективное травление (рис. 74,
й, б, в). Кристаллы можно монтировать на лицевой или обрат-
га ной стороне медной фольги (рис. 74, г, д). Во втором случае
у полиимидную пленку вытравливают в нужном месте теплым
4 раствором соды с гидразином. Завершается процесс сборки
I нанесением герметизирующего покрытия (рис. 74, е).
Ij'
! р	§ 28. ГЕРМЕТИЗАЦИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ,
|	ИМС И БИС
а Герметизация является завершающим технологическим про-
® цессом изготовления полупроводниковых приборов и ИМС.
i Т_ Герметизацию проводят для полной изоляции элементов, ком-
, f понентов, кристаллов и электрических соединений от окружаю-
Л щей среды, содержащей влагу, а также активные вещества,
| способные вызвать коррозию, химические взаимодействия и,
как следствие, привести к выходу изделий из строя.
5 Различают корпусную, бескорпусную и комбинированную
герметизащоо. Выбор способа герметизации зависит от кон-
струкции полупроводникового прибора или ИМС и должен
обеспечивать механическую прочность изделия при его эксплу-
атации, исключать чрезмерный нагрев элементов и выделение
газов и паров металлов внутри корпуса в процессе герметиза-
у ции, выполняться в чистой и неактивной среде (инертный газ,
осушенный воздух и т.п.), допускать механизацию и автома-
тизацию.
При корпусной герметизации предварительно изготовляют
элементы корпусов — основания с изолированными выводами,
 крышки и вспомогательные детали. После монтажа прибора,
f кристалла или платы на основание корпуса и микроконтактиро-
нация выводов присоединяют крышку, в результате чего обра-
4 зуется замкнутый объем.
у В металлостеклянных корпусах (рис. 75, а)
' Основание 4 и крышку 1 выполняют из металла, а выводы 5 изо-
.. даруют от основания стеклом 3.
t Металлокерамические корпуса (рис. 75, б)
состоят из керамического основания 4 с выводами 5 и метал-
. лической крышки 1. Так как из-за высокой температуры спека-
!)' ния керамики армировать основание металлическими вывода-
ми невозможно, их в специальной технологической рамке впаи-
Ж вают в него стеклом 3. Кроме того, к бортику керамического
Ж к»	163
Рис. 75. Корпуса полупроводни-
ковых приборов и ИМС:
а - металлостеклянный, б - ме-
таллокерамический, в — стек-
лянный, г - пластмассовый, д -
металлополимерный; 1 — крыш-
ка, 2 - кристалл (сборка), 3 —
стекло, 4 — основание, 5 — вы-
вод, 6 - рамка, 7 - компаунд
основания стеклом припаивают металлическую рамку 6, к ко-
торой сваркой или пайкой присоединяют металлическую крыш-
ку 1. Так как рамка и крышка должны при пайке хорошо сма-
чиваться припоем на основе олова, их предварительно покрыва-
ют тонким слоем никеля, меди или золота. Выводы 5 можно
также присоединять к керамическому основанию 4 с помощью
проводящих паст.
Стеклянные корпуса (рис. 75, в) более техноло-
гичны и состоят из стеклянного основания 4 и металлической
или стеклянной крышки 1. В процессе формовки основание
армируют выводами 5 и металлической рамкой 6, а затем спе-
кают, в результате чего образуется металлостеклянный спай.
В керамических корпусах как крышка, так и
основание выполнены из керамики. Это позволяет монтировать
164
| внешние выводы и выполнять герметизацию пайкой стеклом
ft без рамки, что упрощает конструкцию.
Г Во избежание термических напряжений и растрескивания
f рассмотренные корпуса изготовляют из материалов, имею-
|щих близкие по значению температурные коэффициенты линей-
ного расширения (ТКЛР). Стекло, кроме того, в процессе сбор-
ки и герметизации приборов и ИМС не должно размягчаться
при нагревании. Наиболее удачными парами материалов являют-
ся железо-никель-кобальтовый сплав 29НК (ковар) — стекло
С48-2 или С49-2 (температуры размягчения 570 и 585 °C), желе-
зо-никель-медный сплав 47НД — стекло С89-8 или С90-1 (тем-
пературы размягчения 530 и 550 °C); керамика 22ХС или
! ’’Поликор” — стекло С72-4 (температура размягчения около
560 °C). При получении спаев стекло — металл металлическую
поверхность предварительно оксидируют.
В пластмассовых корпусах крышки 1 прикле-
!' ивают к основаниям 4 специальными клеями. Этот вариант
герметизации применяют только при изготовлении малоответ-
ственных ИМС, так как он не обеспечивает вакуумноплотную
защиту.
I Разнообразие конструкций и типоразмеров корпусов (от
Е: небольших со штыревыми выводами для герметизации полу-
к проводниковых приборов до многовыводных с планарными
| выводами для герметизации микросборок) обусловило приме-
t нение различных видов пайки и сварки, некоторые из которых
< были описаны в § 27. Вместе с тем следует рассмотреть другие
| виды сварки и пайки, наиболее часто применяемые при герме-
| тизации.
| Холодная сварка - это процесс получения не-
j разъемного соединения в результате пластической деформации
f двух деталей. При сближении свариваемых деталей на расстоя-
Г ние действия межатомных сил между поверхностными атомами
fc образуются металлические связи. Степень деформации сваривае-
| мых деталей должна быть 75—85 %, т.е. их суммарная толщина
после сварки составляет 15—25% от первоначальной. Усилие
сжатия при холодной сварке зависит от пластичности материалов
|; соединяемых деталей и контактной площади рабочего инстру-
! мента (пуансона), обычно выполняемого из инструменталь-
J НОЙ стали Х12, ХВГ, ШХ13 или твердого сплава ВК20. Так, для
' соединения деталей из меди МБ или Ml удельное давление
н' должно быть 1500-1800 Н/мм2, а деталей из меди с коваровы-
I' ми, стальными или из сплава 47НД составлять 2000—2500 Н/мм2.
j» В зависимости от свойств свариваемых материалов приме-
Ь няют дву- или одностороннюю холодную сварку. Двусторонней
к соединяют детали из материалов примерно одинаковой плас-
ft	165
Рис. 76. Односторонняя хо-
лодная сварка корпуса ИМС:
1, 4 — верхний и нижний
пуансоны, 2, 3 — крышка
и основание корпуса
тичности, а односторонней — раз-
личной пластичности. Причем в пер-
вом случае (рис. 76) пуансоны од-
новременно деформируют фланцы
крышки и корпуса и поэтому во
избежание подрезки более пластич-
ного фланца крышки воздействую-
щий на него верхний пуансон дол-
жен иметь плоскую широкую тор-
цевую поверхность.
Холодная сварка проста, до-
ступна и применяется в основном
для герметизации металлостеклян-
ных корпусов транзисторов и дио-
дов средней и большой мощнос-
ти, а также корпусов ИМС из
металлов, обладающий высокой те-
плопроводностью.
Электроконтактная сварка — это процесс по-
лучения неразъемного соединения нагревом свариваемых кро-
мок до пластичного состояния и последующим их сжатием (осад-
кой). Для иагрева свариваемых кромок через них пропускают
электрический ток. При этом количество необходимой теплоты
можно определить по следующей формуле (закон Джоуля-
Ленца) :
e = 0,24/2/?Z,
где 1 — сварочный ток; R — сопротивление участка цепи в месте
контакта; t - время действия тока.
Кроме сварочного тока, который обычно составляет не-
сколько десятков тысяч ампер, и длительности его прохождения
основным параметром электроконтактной сварки является
усилие сжатия электродов, которое в зависимости от сваривае-
мых материалов составляет 1—20 кН. Монолитные электроды
изготовляют из бронзы БрБ2, БрХБ или БрНБТ, основание
комбинированных - из меди Ml, М2 или М3, а рабочую часть -
из сплава ВМ (20-30% Си, 70-80% W).
Наиболее распространена электроконтактная сварка непод-
вижными электродами, при которой соединяемые детали уста-
навливают в специальное гнездо нижнего электрода, а верхний
электрод при опускании центрирует их и сжимает с удельным
давлением 50—100 Н/мм2. При роликовой электроконтактной
сварке соединяемые детали перемещаются между двумя вра-
щающимися роликами.
Электроконтактной сваркой чаще всего герметизируют
166
Рис. 77. Взаимное расположение
электрода и корпуса ИМС при
аргонно-дуговой сварке:
I — электрод, 2 - сопло, 3, 5 -
теплоотводы крышки и основа-
ния, 4 - корпус микросхемы,
6 — плита
Рис. 78. Выполненное соединение
корпуса ИМС с крышкой:
1 - сварочный шов, 2 - крышка,
3 - вывод, 4 - изолятор, 5 - ос-
нование
корпуса полупроводниковых приборов и микросхем круглой
и прямоугольной формы со штыревыми выводами.
Для герметизации ИМС широко используют корпуса с бо-
ковыми выводами и стеклянными или керамическими изоля-
торами, расположенными непосредственно под зоной гермети-
зации или вблизи нее. Так как при этом герметизация сваркой
давлением невозможна, применяют ультразвуковую, электрон-
но-лучевую или лазерную сварку (см. § 27), а также аргонщэ-
дуговую.
При аргонно-дуговой сварке (рис. 77), кото-
рая является одним из видов электродуговой, яргон, обтекаю-
щий электрод и зону соединения, предохраняет расплавленный
металл от воздействия кислорода и азота воздуха. Неплавящий-
ся вольфрамовый электрод служит для возбуждения и поддер-
жания горения дуги. При герметизации этим способом (рис. 78)
кромки крышки и основания корпуса микросхемы под воздей-
ствием теплоты электрической дуги оплавляются с образова-
нием сварочной ванны. Охлаждаясь, металл в месте сварки крис-
таллизуется, и образуется сварочный шов. Основное преимуще-
ство аргонно-дуговой сварки — возможность местного (локаль-
ного) нагрева деталей, а недостаток — повышенные требования
к точности их совмещения и изготовления оснастки. Аргонно-
дуговой сваркой герметизируют металлостеклянные корпуса
со штыревыми выводами, когда периметр соединения больше
50 мкм, а суммарная толщина фланцев 0,2—0,6 мм.
При микроплазменной сварке (рис. 79),
которая является разновидностью аргонно-дуговой, локализа-
ция и стабилизация плазменного луча достигается с помощью
167
Рис. 79. Микроплазменная го-
релка:
1 - электрод, 2 - сопло, 3, 5 -
плазмообразующий и защит-
ный газы, 4 - корпус плазмо-
трона, 6 - теплоотвод, 7 -
фланцы корпуса ИМС
сопла 2 с диаметром выходного
отверстия менее 1 мм. Так как
возбуждение дугового разряда
между электродом 1 и сваривае-
мым изделием (фланцы корпу-
са 7 микросхемы) через узкое
сопло невозможно, вначале воз-
буждают вспомогательную дугу
между электродом 1 и соплом 2,
включенным через токоограничи-
тельный резистор. Образующаяся
при этом низкотемпературная
плазма (10 000 К) возбуждает ос-
новную дугу между электродом
и изделием. При одинаковых по-
лярностях потенциалов изделия
сопла и электрода вспомогатель-
ный разряд шунтируется и гаснет.
Установка микроплазменной
сварки МПУ-4 может работать
как в непрерывном, так и им-
пульсном режимах постоянного тока. Ток основной дуги сос-
тавляет 1,5—30 А, ток вспомогательной — до 6 А. Плазмообра-
зующим и защитным газом чаще всего служит аргон.
При корпусной герметизации применяют также пайку
припоями и стеклом.
Пайка припоями выполняется при температурах
170—350 °C. Перед пайкой изделие облуживают расплавленным
припоем или помещают его между соединяемыми деталями в
виде прокладок, таблеток, колец и др. Далее корпуса гермети-
зируют, применяя различные способы нагрева, необходимые для
оплавления припоя.
При кондуктивном методе нагрева детали корпуса ИМС с
прокладкой припоя между ними, предварительно обработанной
раствором или расплавом флюса (канифоли), зажимают с не-
большим усилием между двумя нагревательными плитами. Не-
достаток этого метода — значительный нагрев основания корпу-
са, на котором расположена ИМС (или полупроводниковый
прибор), а также необходимость применения флюса, остатки
которого трудно полностью удалить, и они могут попасть внутрь
корпуса.
При обдуве струей горячего газа (азота или аргона) корпу-
са со стороны крышки применение флюса исключается, так
как пайка проводится в инертной атмосфере.
Конвективный нагрев применяют при крупносерийном и
168
массовом производстве. Собранные детали корпусов сжимают
и фиксируют на все время пайки, которую проводят в конвейер-
ных печах с защитной средой. Скорость движения конвейера
и температурный режим печи (подъем температуры до заданной,
выдержка и охлаждение) обеспечивают оптимальный цикл
пайки.
Этот метод пайки достаточно прост и доступен, однако из-за
высокой теплопроводности припоя необходимо нагревать весь
корпус. Кроме того, прочность паяного шва обычно ниже проч-
ности соединяемых материалов (меди, никеля и особенно ко-
вара) .
Пайку стеклом применяют не только для контакта
кристаллов с корпусами и крепления внешних выводов к ке-
рамическим основаниям, но и для соединения керамических
крышек с основаниями. Это значительно упрощает конструкцию
корпусов и сборку ИМС. При такой пайке в качестве припоев
используют низкотемпературные стекла (например, PbO—ZnO—
В2О3).
Бескорпусная герметизация предполагает совмещение гер-
метизации с формированием корпуса (т.е. его заранее не изго-
товляют) . При этом методе свободное пространство (конструк-
тивные промежутки) между элементами полупроводниковых
приборов и ИМС заполняют полимеризующимся электроизоля-
ционным составом (компаундом), который при затвердении
образует монолитную оболочку. Герметизирующие компаунды
преимущественно изготовляют на основе эпоксидных, кремний-
органических или полиэфирных смол.
Эпоксидные компаунды наряду с высокой адгезией, малой
усадкой (менее 1%) и высокими механическими свойствами
имеют низкую жизнеспособность и применяются как пресс-
материалы при литьевом прессовании.
Кремнийорганические смолы — это достаточно эластичные
композиции, термостойкость которых составляет до 250 °C, а
при кратковременных температурных воздействиях до 350—
400 °C. Однако из-за более низких, чем у эпоксидных компаун-
дов, механической прочности и адгезионных свойств их приме-
няют лишь для предварительной защиты изделий с целью фик-
сации гибких проволочных или ленточных выводов.
Полиэфирные компаунды, обладающие небольшой вяз-
костью и отвердевающие при комнатной температуре, в основ-
ном применяют для свободной заливки или обволакивания.
Преимущества бескорпусной герметизации — значитель-
ное сокращение количества технологических операций, повы-
шение производительности процесса и снижение стоимости
изделий. Кроме того, приборы и ИМС имеют меньшие габариты
169
и массу, чем загерметизированные в корпуса. Недостатки этого
метода герметизации — слабое уплотнение внешних выводов,
различие между ТКЛР изолирующего материала, полупровод-
ника и металла выводов, а также низкая теплопроводность
герметиков.
Бескорпусную герметизацию выполняют обволакиванием
герметиком, заливкой полимером, а также опрессовкой расп-
лавленным термопластическим или термореактивным материа-
лом.
Обволакивание — наиболее простой способ, при ко-
тором каплю герметика наносят на сборку или кратковремен-
но погружают сборку в герметик. Этот способ используют для
предварительной защиты изделий перед заливкой или опрессов-
кой.
Заливку выполняют в специальные многократного ис-
пользования литьевые формы из силиконовой резины. Заливка
может быть свободной или в вакууме.
Литьевое прессование является наиболее совер-
шенным способом создания бескорпусных оболочек, применяе-
мым в серийном производстве. Этот способ основан на исполь-
зовании разъемных пресс-форм и пресс-порошков, получаемых
из эпоксидных и кремнийорганических смол или их компози-
ций. Расплавленный в специальной камере пресс-порошок пода-
ют через литниковые каналы под давлением в формующие гнез-
да. Когда через 3—5 мин давление снимают и раскрывают пресс-
форму, изделие выталкивается из нее.
При комбинированной герметизации (см. рис. 75, д) пред-
варительно изготовляют крышку 1 в виде металлического кол-
пачка, в которую устанавливают сборку 2 с выводами 5, зали-
вая их компаундом 7. Так обычно герметизируют толстопле-
ночные гибридные ИМС невысокой степени интеграции.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1.	Каковы особенности дискретной и плавной подгонки пленочных
элементов гибридных ИМС?
2.	Какие методы точной подгонки пленочных элементов вы знаете?
3.	Каков состав проводящих клеев?
4.	Каково назначение пайки и какими методами ее выполняют при
сборке полупроводниковых приборов и ИМС?
5.	Какие методы сварки давлением и плавлением применяют для
соединения деталей ИМС?
6.	Каковы особенности монтажа кристаллов с жесткими выводами?
7.	Какие корпуса применяют для герметизации полупроводниковых
приборов и ИМС?
170
8.	Какие методы сварки применяют при герметизации полупровод-
никовых приборов и ИМС и каковы их особенности?
9.	В каких случаях при герметизации применяют пайку припоем
и стеклом?
10.	Как осуществляют бескорпусную герметизацию полупроводни-
ковых приборов и ИМС?
ГЛАВА Ш ЕСТАЯ
КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ
ИЗГОТОВЛЕНИЯ ИНДИКАТОРНЫХ УСТРОЙСТВ
§ 29.	ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ
Устройства, предназначенные для светового отображения
буквенных и цифровых символов, а также мнемонических схем
и преобразующие электрическую энергию в световую, называют-
ся индикаторами. Под действием тока р-п переходы или полу-
проводниковый слой люминофора индикаторов начинает излу-
чать свет. В соответствии с этим различают индикаторы на све-
тодиодах и электролюминесцентные, которые в зависимости от
назначения и вида светового поля подразделяют на точечные,
мнемонические, знаковые, знакосинтезирующие, матричные, а
также полупроводниковые шкалы.
Точечными индикаторами являются отдельные
светодиоды или небольшие ячейки с люминофорным покрыти-
ем. При прохождении тока через р-п переход светодиода или
через кристалл люминофорного покрытия ячейки появляется
светящаяся точка.
Мнемонические индикаторы имеют сплошное
светящееся поле обычно в виде прямоугольников н используют-
ся в светящихся технологических схемах, называемых мнемо-
ническими.
Знаковые индикаторы состоят из отдельных све-
то диодов или кристаллов люминофора и высвечивают очерта-
; .ния знаков	ц др.
Знако синтезирующие ин дикато ры состоят
из нескольких р-п переходов или кристаллов люминофора, рас-
положенных в одной плоскости по контурам изображения зна-
ков в виде сегментов. При подаче напряжения на выводы соот-
ветствующих сегментов высвечиваются соответствующие знаки
или буквы.
Матричные индикаторы представляют собой
плоскости с большим количеством регулярно расположенных и
соединенных между собой точечных светодиодов или люминес-
171
центных ячеек. При подаче напряжения на выводы светодиодов
в определенной комбинации высвечиваются буквы и цифры или
графическая информация.
Полупроводниковые шкалы выполняются в
виде одного или нескольких полупроводниковых р-п переходов,
расположенных в одной плоскости, и имеют управляемую гео-
метрию светящегося поля (рис. 80). Область 4, обладающая
электропроводностью и+-типа, выполняется низкоомной, а об-
ласть 3 р-типа — высокоомной. При подаче напряжения потен-
циалы всех точек п+ -области одинаковые, а в p-области распре-
деляются неравномерно и зависят от напряжения на управляю-
щем электроде 2. Чем больше управляющее напряжение, тем
большая часть поля шкалы светится. Таким образом, длина
светящейся части поля линейно зависит от напряжения управле-
ния.
Свет является электромагнитными колебаниями очень вы-
сокой частоты. Так как человеческий глаз реагирует только на
световые колебания, лежащие между ультрафиолетовой и ин-
фракрасной областями светового спектра, свечение индикато-
ров должно соответствовать этой части спектра.
В связи с тем что свет возникает внутри структуры полу-
проводниковых источников, отдельные ее элементы должны
быть прозрачными, а некоторые прозрачные элементы — элект-
ропроводными.
При распространении света внутри прибора происходит его
поглощение, преломление и отражение. Поглощение света зави-
сит от свойств полупроводниковой структуры и физических
явлений, происходящих в ией. Так, частично свет поглощается
материалом, используемым в качестве связующего при изго-
товлении электролюминесцентных индикаторов. Преломление
и отражение света происходят при переходе им границ раздела
областей, обладающих различными оптическими свойствами.
Рис. 80. Полупроводниковая шкала с управляемой геомет-
рией светящегося поля:
1 - омические контакты, 2 - управляющий электрод, 3, 4 -
р- и л+-области
172
Все это необходимо учитывать при создании различных инди-
каторов.
Цвет изображения значительно влияет на эффективность
восприятия глазом световой информации. Так как цвет свече-
ния полупроводниковых источников света зависит от материа-
лов, из которых они изготовлены, выбор материала определяет-
ся необходимым цветом свечения.
Человеческий глаз — очень чувствительный орган и может
реагировать на свет малой интенсивности. Однако системати-
ческое наблюдение источников малой интенсивности утомляет
зрение, поэтому индикаторы должны светиться достаточно ин-
тенсивно. В то же время очень яркое свечение вызывает ’’ослеп-
ление”, поэтому в некоторых индикаторах предусматривают
светорассеивающие элементы.
Особенностью зрительного восприятия является возмож-
ность различать по отдельности расположенные рядом точечные
источники только с определенного расстояния (при опреде-
ленных углах зрения). При увеличении расстояния эти источни-
ки воспринимаются как один, и изображение, получаемое на
матричном индикаторе, воспринимается как единое целое.
§ 30.	ИЗГОТОВЛЕНИЕ ИНДИКАТОРОВ НА СВЕТОДИОДАХ
Полупроводниковые светодиоды излуча-
ют свет в результате рекомбинации неравновесных носителей —
дырок и электронов — при прохождении через р-п переход пря-
мого тока. Освободившиеся при рекомбинации кванты энер-
гии — фотоны — представляют собой свет, длина волны излу-
чения которого зависит от ширины запрещенной зоны полу-
проводника. Для создания устройств отображения информации
выбирают полупроводники, имеющие большую ширину запре-
щенной зоны.
Излучающие свет рп переходы называют светоизлучающи-
ми, а приборы, содержащие такой р-п переход, — светоизлучаю-
щими диодами или светодиодами. Светодиоды используют в
качестве простейших индикаторов и создают из них более слож-
ные индикаторы.
Полупроводниковый светодиод с плоской «-областью пока-
зан на рис. 81, а. Излучение света р-п переходом происходит
через «-область. Омические контакты 6 я 2 соответственно рас-
положены на поверхностях р- и «-областей 5 и 3 перехода. Свет
распространяется через окно 1, образуемое омическим контак-
том 2. Поскольку распространение света происходит из опти-
чески более плотной среды в оптически менее плотную, все лу-
чи, которые попадают на границу под углом, большем угла пол-
173
РЙ':
7/SSSS/SSS//Sj">.
д)
a)
Рис. 81. Полупроводниковые светодиоды:
в — с плоской «-областью, б — с плоской «-областью и полусфери-
ческим покрытием, в — с полусферической «-областью; 1 — окно,
2, б - омические контакты, 3, 5 - «• и р-области, 4 - светоизлучаю-
щий р-п переход, 7 - светопропускающий компаунд
ного внутреннего отражения, возвращаются в «-область. В ре-
зультате этого, а также из-за экранирования верхним электро-
дом световая отдача светодиодов мала.
Более высокую световую отдачу имеют светодиоды с плос-
кой «-областью и полусферическим покрытием из светопропус-
кающего компаунда (рис. 81, б). Так как оптическая плотность
компаунда 7 больше, чем «-области, весь свет, излученный пере-
ходом, попадает в область покрытия. Геометрически покрытие
выполняют так, чтобы угол падения любого луча был меньше уг-
ла его полного внутреннего отражения. Таким образом, весь
световой поток диода излучается в окружающее пространство.
Интенсивность свечения таких светодиодов на порядок больше,
чем светодиодов без полусферического покрытия.
Для увеличения светоотдачи «-область выполняют также
в виде полусферы (рис. 81, в). В этом случае все световые лу-
чи, генерируемые р-п переходом, попадают на границу раздела
под углом, меньшим угла полного внутреннего отражения, и из-
лучаются. Светоотдача диода при этом максимальна. Однако
технология изготовления светодиодов с полусферической «-об-
ластью сложна, поэтому они дороги.
Светодиоды в основном изготовляют из арсенида и фосфида
галлия, а также из твердых растворов этих соединений. Как уже
отмечалось, выбор исходного материала зависит от необходимо-
го цвета свечения. При производстве диффузионных светодиод
дов исходными являются подложки из арсенида галлия «-типа,
легированные теллуром, оловом или кремнием; p-область соз-
дают диффузией цинка. Для обеспечения наибольшего светово-
го излучения распределение примесей в р-п переходе должно
быть равномерным.
Лучшие, чем диффузионные, с точки зрения эффективнос-
ти светового излучения светодиоды изготовляют жидкостной
эпитаксией. По этой технологии подложки из арсенида галлия
«-типа, легированные кремнием, закрепляют в графитовой ло-
174
дочке, в нижней части которой находится определенное коли-
i чество кремния, галлия и арсенида галлия, и помещают в печь.
При нагреве лодочки эти вещества расплавляются, и кремний,
• а также арсенид галлия растворяются в металлическом галлии.
> При контакте расплава с подложками в течение первой вы-
 сокотемпературной части процесса (850-900 °C) происходит
; замещение галлия в кристаллической решетке кремнием и об-
разуется слой n-типа. При температуре ниже 850 °C (вторая
часть процесса) мышьяк замещается в кристаллической решетке
h кремнием, в результате чего образуется слой р-типа.
Жидкостная эпитаксия позволяет формировать на подлож-
ках из арсенида галлия структуры, характеризующиеся равно-
‘ мерной толщиной и однородностью р-п переходов. После фор-
, мирования р-п переходов к р- и «-областям тонкопленочной тех-
нологией создают омические контакты, разделяют подложки на
I кристаллы, которые устанавливают на теплоотводы, и привари-
вают контакты к внешним выводам.
I Так изготовляют светодиоды из арсенида галлия, имеющие
: инфракрасное излучение. Излучением в видимой области спект-
j ра обладают светодиоды, изготовляемые газофазной эпитаксией
трехкомпонентных соединений GaAsP или GaAJAs. Например,
! для создания светодиодов красного свечения применяют зпи-
г таксиальное наращивание на подложки из арсенида галлия моно-
* кристаллических легированных слоев трехкомпонентного сое-
' динения GaAsP.
i Реактор установки эпитаксиального наращивания (рис. 82)
5 заключен в многозонную печь. Подложки из арсенида галлия,
£ закрепленные в держателе 5, помещают в рабочую камеру реак-
i тора 3, через которую пропускают газообразные вещества. В
Г зону смешивания III вводят отдельно арсин AsH3 и фосфин РН3
в токе водорода, а также хлориды галлия и алюминия, образую-
щиеся при пропускании хлористого водорода над источниками
галлия 1 и алюминия 2 (эти вещества находятся в жидком сос-
£ тоянии).
* Процесс наращивания эпитаксиального слоя происходит при
^ расходах водорода 2,5 л/мин, хлористого водорода 5 см3/мин
и суммарном расходе арсина и фосфина 15 см3/мин. Темпера-
. тура в эоне I источника галлия составляет 775—800 °C, в зоне II
источника алюминия - 790 °C, в зоне Ill смешивания — 850-
! 875 °C, а в зоне/И эпитаксиального наращивания - 725—775 °C.
При таком режиме скорость роста эпитаксиального слоя равна
* 0,5 мкм/мин.
| Для получения эпитаксиального слоя n-типа в качестве
Ii легирующей добавки используют селенистый водород H2Se,
который вводят в зону смешивания III в токе водорода. Эпи-
I	175
Рис. 82. Схема установки для эпитаксиаль-
ного наращивания монокристаллических
слоев соединения GaAlAs:
1, 2, 4 - источники галлия, алюминия и
цинка, 3 - реактор, 5 — держатель с под-
ложками, 6 — выход водорода с продук-
тами реакций; I - зона источника галлия,
II - зона источника алюминия, III - зона
смешения газообразных веществ, исход-
ных для синтеза, IV — зона эпитаксиально-
го наращивания
Рис. 83. Последовательность выполнения
технологических операций при изготов-
лении светодиода:
а - исходная подложка с р-п переходами,
б - создание омических контактов, в -
установка кристалла на теплоотвод и при-
соединение внешних выводов, г - опрес-
совка светорассеивающим компаундом;
1, 2 - п- и р-области, 3 - омический кон-
такт, 4 - золотой проводник, 5 — тепло-
отвод, б - внешний вывод, 7 - свето-
пропускающий компаунд
таксиальный слой р-типа получают введением из источника 4
в поток водорода паров цинка чистотой 99,999%.
Последовательность выполнения технологических операций
при изготовлении светодиодов показана на рис. 83, а-г. Вначале
на исходных подложках с р-п переходами (рис. 83, а) вакуум-
ным распылением создают омические контакты 3 к п- и р-об-
ластям (рис. 83, б). Затем подложки разделяют на кристаллы,
которые устанавливают на теплоотводы 5 (рис. 83, в).
Кристаллы, излучающие свет с торца р-п перехода, крепят
к теплоотводам р-областью 2. Поскольку толщина р-области
значительно меньше толщины «-области, охлаждение р-п пере-
176
ходов в этом случае эффективнее, чем при креплении кристал-
лов «-областью. Одновременно теплоотвод служит одним из
^внешних выводов светодиодов. Второй внешний вывод 6 соеди-
;няют с омическим контактом и «-областью, приваривая золотой
проводник 4 диаметром 0,03 мм. Для фиксации внешних выво-
дов и герметизации светодиодов их опрессовывают светорассеи-
вающим компаундом 7 (рис. 83, г).
Аналогично на подложках из фосфида галлия изготовляют
светодиоды зеленого свечения.
Светодиоды с изменяющимся цветом свечения получают
эпитаксиальным наращиванием на подложки из фосфида галлия
вначале слоя фосфид — арсенид галлия, а затем фосфида гал-
лия, формируя в них структуры. К областям каждого р-п пере-
хода создают омические контакты, которые соединяют с внеш-
' ними выводами. При подаче напряжения на один р-п переход
светодиод излучает зеленый свет, а при подаче на другой —
’ красный.
Светодиоды синего и голубого свечения выполняют в основ-
ном из селенида или оксида цинка. Трудность создания эффек-
тивных индикаторов этих цветов состоит в том, что в указан-
ных материалах рассмотренными методами невозможно сфор-
мировать р-п перехода, поэтому применяют МОП-технологию.
Недостаток таких светодиодов — очень низкий кпд. Более высо-
кий кпд имеют светодиоды, инфракрасное излучение перехода
которых преобразуется в видимое голубое с помощью люмино-
фора, однако и их кпд примерно в 50 раз ниже, чем кпд прибо-
ров зеленого свечения.
Рис. 84. Одноразрядные полупроводниковые знакосинтезирующие
индикаторы:
а - бескорпусный, б - в пластмассовом корпусе; 1 - контактные
площадки, 2 - светоизлучающие сегменты, 3 - подложка, 4 — выводы
177
Знакосинтезирующие полупроводнико-
вые индикаторы, высвечивающие какой-либо один
символ, называют одноразрядными. В зависимости от необхо-
димого цвета свечения их изготовляют на подложках из арсе-
нида или фосфида галлия. Светоизлучающие сегменты бескор-
пусных полупроводниковых знакосинтезирующих индикаторов
(рис. 84, а) представляют собой светодиоды, световое излуче-
ние которых проходит через тонкие р-области. Омические кон-
такты к p-областям создают вакуумным напылением тонких
прозрачных проводящих пленок оксидов металлов (CdO, In2 О3 )
и соединяют пленочными проводниками с контактными пло-
щадками. Омические контакты к «-областям и их соединения
с контактными площадками выполняют вакуумным напыле-
нием тонких пленок металлов (например, А1). Одноразрядные
бескорпусные знакосинтезирующие индикаторы используют
в микросборках.
При изготовлении одноразрядных защищенных индикато-
ров (рис. 84, б) . сначала присоединяют внешние выводы к
контактным площадкам, а затем герметизируют кристаллы,
опрессовывая их светопропускающим компаундом. Тонкий про-
зрачный слой компаунда иа лицевой части индикаторов обеспе-
чивает хорошую видимость светящихся сегментов.
Знакосинтезирующие индикаторы, высвечивающие несколь-
ко символов, называют многоразрядными и изготовляют по гиб-
ридной технологии из одноразрядных бескорпусных (рис. 85).
Предварительно на фольгированных стеклотекстолитовых под
ложках 2 фотолитографией и травлением фольги создают кон-
тактные площадки, проводники и выводы 1. Затем прикрепля-
ют кристаллы 4 одноразрядных индикаторов, соединяя сваркой
или пайкой их контактные площадки с контактными площадка-
ми подложек. Герметизируют индикаторы, закрепляя линзо-
вую крышку 3.
г з
Рис. 85. Многоразрядный зиакосинтезирующий монолитный полу-
проводниковый индикатор:
1 - выводы, 2 — подложка с металлизацией, 3 - накидная линзо-
вая крышка, 4 - кристалл
178
Гибридные знакосинтезирующие индикаторы герметизи-
руют также либо в полых керамических корпусах или держате-
лях со светорассеивающими светопроводами, либо в стеклян-
ных корпусах с воздушным зазором между кристаллом и кор-
пусом.
Многоразрядные монолитные полупроводниковые индика-
торы (рис. 86, a-в) изготовляют, как одноразрядные, но на од-
ной полупроводниковой подложке формируют группы сег-
ментов, которые при подаче напряжения высвечиваются в виде
нескольких символов. Располагая сегменты в определенном
порядке, можно получать на световом поле необходимое изобра-
, жение. Однако при этом очень велик расход полупроводнико-
: Вого материала.
Рис. 86. Герметизация монолит-
ных полупроводниковых инди-
каторов:
’fl - в полых керамических
корпусах со стеклянной крыш-
кой, б — свободной заливкой
«ветопропускающим компаун-
'дрм, в - накидной линзовой
крышкой; 1 — выводы, 2 —
(Кристалл, 3 — проводниковый
!сяой, 4 - керамический кор-
Клус, 5, 7 - стеклянная и линзо-
^кВая крышки, 6 - компаунд, 8 -
Яяодложка
Рис. 87. Матричный полупровод-
никовый индикатор отражающе-
го типа (а), его сечение (б)
и ход лучей в ячейке (в) :
7 - кристалл светодиода, 2 -
проводник из золота, 3 — кон-
тактная площадка, 4 - отражаю-
щая стеклянная пластинка, 5 -
алюминиевая подложка, б -
катод, 7 - светопоглощающий
компаунд, 8 - анод
179
Монолитные индикаторы могут быть различной конструк-
ции. В одной из них кристалл крепится в полом керамическом
корпусе, на внутреннюю поверхность которого пленочной тех-
нологией нанесена схема соединений. К контактным площадкам
этой схемы каким-либо методом контактирования присоединя-
ют контактные площадки кристалла и внешние выводы. Герме-
тизируют такие индикаторы, приклеивая стеклянную крышку
(рис. 86, а).
В другой конструкции проволочные выводы от кристалла
приваривают к внешним выводам и заливают индикатор свето-
пропускающим компаундом (рис. 86, б).
В третьей конструкции кристалл крепят на керамической
подложке с предварительно нанесенными вакуумным напыле-
нием пленочными проводниками и контактными площадками.
Сначала к контактным площадкам приваривают проволочные
выводы от кристалла, а затем присоединяют внешние выводы.
Герметизируют такие индикаторы, приклеивая к подложке
линзовую крышку (рис. 86, в).
Матричные полупроводниковые индикаторы отражающего
типа изготовляют по гибридной технологии (рис. 87, а, б). При
этом на подложку 5 из алюминия с диэлектрическим покрыти-
ем напыляют проводники, предназначенные для крепления като-
дов б, и контактные площадки 3, служащие для присоединения
анодов 8 светодиодов. Кроме того, на эту подложку черным све-
топоглощающим компаундом крепят отражающую стеклянную
пластинку 4, в окна которой приваривают кристаллы 1 свето-
диодов. Затем приваривают аноды 8 золотыми проводниками 2
к контактным площадкам 3. При подаче напряжения диод начи-
нает светиться. Ход лучей света в ячейке такого индикатора
показан на рис. 87, в.
§ 31. ИЗГОТОВЛЕНИЕ ЭЛЕКТРОЛЮМИНЕСЦЕНТНЫХ
ИНДИКАТОРОВ
Принцип действия электролюминесцентных индикаторов ос-
нован на электролюминесценции — излучении света некоторыми
кристаллическими веществами под воздействием электричес-
кого тока. Поглощая энергию, такие кристаллы излучают свет.
Вещества, способные люминесцировать под действием тока,
называют электролюминофорами. Это полупроводники с боль-
шой шириной запрещенной зоны (например, сульфид цинка).
Для возникновения люминесценции необходимо создать
большую напряженность электрического поля в части объема
кристалла люминофора или на его краю. Остальной объем слу-
жит балластным сопротивлением и не дает развиться пробою,
180
защищая кристалл люминофора от разрушения. Поэтому при
изготовлении электролюминесцентных индикаторов слой люми-
нофора должен быть тонким, а сопротивление — достаточно
большим, чтобы он не нагревался выше допустимой температу-
ры при прохождении тока.
i Электролюминесценция возникает при возбуждении крис-
таллов как постоянным, так и переменным полем. Более интен-
сивно излучают свет электролюминесцентные индикаторы,
питаемые переменным напряжением частотой около 30 гКц.
Тонкопленочные ячейки электролюминесцентных индикато-
ров (рис. 88) изготовляют на прозрачных стеклянных подлож-
ках 3, которые перед вакуумным напылением тонких пленок
тщательно обезжиривают и очищают. Затем напыляют тонкий
(около 0,2 мкм) прозрачный электропроводящий слой оксида
металла (CdO или 1п2О3), который служит одним из электро-
дов. Активный слой люминофора имеет толщину около 0,5 мкм
и выполняется иэ сульфида цинка с добавлением марганца для
величения яркости свечения. Активный слой защищают с обеих
торон диэлектрической пленкой 3 нитрида кремния Si3N4,
:оторую наносят реактивным катодным распылением. Поверх
той пленки осаждают проводящий слой, служащий вторым
лектродом. Обычно вторые электроды злектролюминесцент-
ых индикаторов выполняют в виде общего непрозрачного
электрода 1.
. При подаче переменного напряжения на электроды индика-
ор начинает светиться. Цвет излучения зависит от добавок,
соторые вводят в люминофор, и может быть синим, зеленым,
желтым или красным.
 Более прогрессивной является технология изготовления
электролюминесцентных индикаторов на гибких, например
Полиимидных, пленках. Такие индикаторы имеют малые тол-
щину и массу, а структура их
ячеек такая же, как у люминес-
центных ячеек на стеклянных
подложках.
Изображения, высвечивае-
мое электролюминесцентными
Индикаторами, зависят от поло-
жения и конфигурации прозрач-
ных электродов. Прозрачные
Электроды ячеек злектролюми-
:есцентных мнемонических ин-
1каторов выполняются в виде
тошной пленки, поэтому их
ютовое поле представляет со-
Рис. 88. Тонкопленочная ячейка
электролюминесцентного инди-
катора:
1,4- непрозрачный и прозрач-
ный электроды, 2 — активный
слой (~ 0,5 мкм), 3 — пленка
нитрида кремния, 5 - стеклян-
ная подложка
181
бой сплошной прямоугольник, а знакосинтезирующих — в виде
сегментов, при подаче напряжения на которые высвечиваются
изображения знаков.
Электролюминесцентные индикаторы также могут быть
одноразрядными и многоразрядными. Многоразрядные изго-
товляют на одной подложке или объединением нескольких
одноразрядных по гибридной технологии. Герметизируют
электролюминесцентные индикаторы в пластмассовых или
стеклянных корпусах.
При герметизации в пластмассовых корпусах (рис. 89, а)
для соединения элементов корпуса со стеклянной крышкой
применяют органические герметики. Однако вследствие раз-
личных температурных коэффициентов линейного расшире-
ния пластмассы и стекла такая герметизация не обеспечивает
защиту от влаги.
Лучшие результаты дает герметизация индикаторов в стек-
лянные корпуса с воздушным зазором между слоем люминофо-
ра и приклеиваемой стеклянной крышкой (рис. 89, 6). При
этом стеклянную подложку 2 с нанесенными на нее тонкопле-
ночными электролюминесцентными ячейками крепят в кор-
пусе 7 и соединяют проводниками 6 в виде пленки, на-
несенной на внутреннюю поверхность корпуса, электроды
с внешними выводами 4. Такой способ герметизации по-
зволяет отказаться от нанесения защитных слоев на люми-
нофор, что повышает светотехнические показатели индика-
торов.
Рис. 89. Герметизация электролюминесцентных инди-
каторов в пластмассовый (а) и стеклянный (6)
корпуса:
1,7— пластмассовый и стеклянный корпуса, 2 —
стеклянная подложка с прозрачными электродами
и люминофором, 3 — элементы крепления, 4 — вы-
воды, 5 - непрозрачный электрод, 6 - пленочный
проводник, 8 - наружное стекло, 9 - свободное
пространство
182
Л* КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Какие устройства используют для отображения информации?
’	2. Из каких материалов изготовляют светодиоды?
3. Какова технология изготовления светодиодов из арсенида гал-
лия?
1	4. Из каких материалов изготавливают электролюминесцентные
индикаторы?
5. От чего зависит цвет свечения светодиодов и электролюминесцент-
1 ных индикаторов?
6. Как герметизируют светодиоды и электролюминесцентные инди-
каторы?
ГЛАВА СЕДЬМАЯ
ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВОЙ
И МИКРОЭЛЕКТРОННОЙ ТЕХНОЛОГИИ
-	§ 32. ОСНОВНЫЕ ТЕНДЕНЦИИ
Основными тенденциями развития полупроводниковой и
'Микроэлектронной технологии являются:
расширение использования кремния в качестве основного
материала, а также применение других полупроводников;
разработка новых конструкций полупроводниковых при-
• боров и ИМС, обладающих большими мощностью, граничной час-
|тотой и способностью выдерживать высокие напряжения;
создание новых устройств функциональной микроэлектро-
ники;
совершенствование систем автоматизированного проекти-
рования ИМС, освоение новых технологий, обеспечивающих
дальнейшее увеличение плотности компоновки элементов ИМС,
их быстродействия и уменьшения потребляемой мощности;
; создание роботизированного и автоматического технологи-
; ческого оборудования высокой производительности.
В настоящее время основным материалом в производстве
ИМС является кремний, обладающий уникальными электрофи-
зическими свойствами. В ближайшие десятилетия его ведущее
положение в микроэлектронике и полупроводниковой техно-
логии не изменится. Однако малая подвижность носителей
зарядов в кремнии не позволяет создавать на его основе прибо-
ры высокого быстродействия. Поэтому применяют арсенид и
' фосфид галлия и другие соединения. Арсенид галлия обладает
। значительной подвижностью носителей зарядов, что позволяет
.Изготовлять из него приборы СВЧ и быстродействующие ИМС
(например, ультра БИС). Между тем широкое применение арсе-
нида галлия ограничивается такими технологическими труднос-
тями, как получение материала высокой чистоты и структур-
ного совершенства, а также пластин большого диаметра, отсут-
ствие надежных методов осаждения на их поверхности прочных
оксидных или других диэлектрических пленок.
Недостатком наиболее распространенных в настоящее вре-
мя способов изготовления ИМС, при которых основным мето-
дом формирования рисунков структур служит фотолитография,
является большая зависимость качества и процента выхода год-
ных изделий от чистоты и химического состава окружающей
среды. Капельное нанесение на подложки слоев фоторезиста,
их экспонирование и обработка в открытых ваннах, а также дру-
гие процессы обработки в условиях постоянного соприкосно-
вения с атмосферой ухудшают качество изготовляемых изделий.
Оборудование технологических ’’чистых комнат”, ужесто-
чение требований вакуумной гигиены и другие мероприятия
способствуют производству качественных ИМС, размеры эле-
ментов которых составляют 2—5 мкм. Для изготовления ИМС
с элементами меньших размеров этого недостаточно, поэтому
необходимо создание вакуумных технологических линий.
Поскольку такие операции с использованием жидкостей,
как нанесение слоев фоторезиста, травление пленок, промыв-
ка, выполняться в вакууме не могут, применяют ’’сухую тех-
нологию”. При этом трудно управляемое жидкостное удаление
остатков фоторезиста заменяется, например, управляемой
’’сухой” плазмохимической обработкой. Для ’’сухой техноло-
гии” созданы технологические модули, имеющие однотипные
стыковочные узлы, отличающиеся лишь конструкцией средств
технологического воздействия и подсоединяемые к единой ва-
куумной транспортной магистрали. Это позволяет обрабатывать
подложки в контролируемой среде, уменьшает количество
вносимых в формируемые структуры загрязнений и повыша-
ет качество выпускаемых изделий. Так как операции ’’сухой тех-
нологии” легко управляемы, возможно создание автоматизи-
рованных и автоматических линий.
Основным направлением развития технологии изготовления
ИМС с элементами субмикронных размеров является примене-
ние сверхвысоковакуумных технологических установок, на ко-
торых выполняются операции молекулярно-лучевой эпитаксии
и ионно-лучевого осаждения для формирования сложных струк-
тур.
Совершенствование методов и средств контроля является
важным направлением развития современной технологии.
Традиционные методы визуального (с помощью микроскопа)
184
I .контроля чистоты поверхности подложек и точность их совме-
Е.щения с фотошаблонами, а также зондовый контроль электри-
г ческих параметров структур оказываются при изготовлении
Е БИС и СБИС недостаточными. При этом возникает необходи-
I мость контроля среды, обрабатываемых подложек и нанесенных
к на них пленок более ’’тонкими” методами. Так, при подготов-
| ке подложек необходимо контролировать химический состав
ь неоднородностей на их поверхностях и посторонних микровклю-
f чений. Например, при окислении поверхности кремниевых под-
[' ложек контролируют однородность состава осажденной оксид-
Ь>. ной пленки по толщине, состав химических соединений в погра-
| личном слое кремний — диоксид кремния, а при формировании
| структур определяют химический состав загрязнений на их по-
| верхности.
I	§ 33. НОВЫЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ
I	И КОНСТРУКТИВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ
[ Как уже отмечалось, одним из направлений совершенство-
| вания полупроводниковых приборов и ИМС является повыше-
I ние их граничной частоты и мощности. В настоящее время
| осваивается производство транзисторов в основном из арсенида
| галлия, граничная частота которых достигает 200 ГГц. Разрабо-
I тайная технология достаточно совершенна и позволяет наладить
| крупносерийный выпуск таких приборов.
I Как известно, граничная частота транзисторов в большой
I степени определяется подвижностью носителей зарядов в полу-
| проводнике. Большую, чем арсенид галлия, подвижность заря-
Е дов имеют сложные полупроводники. Перспективным является
I также фосфид индия InP. Исследованиями установлено, что по-
f левые транзисторы с затвором Шотки (ПТШ), выполненные из
! фосфида индия, обладают большей мощностью, чем аналогичные
► приборы из арсенида галлия.
I Экспериментальные работы по повышению граничной часто-
| ты ПТШ из арсенида галлия показали, что при длине затвора
[ 0,25 мкм и ширине 0,75 мкм их максимальная частота усиле-
| .Ния превышает 100 ГГц. Вследствие малой ширины затвора та-
| кие транзисторы могут усиливать сигналы, мощность которых
Г не превышает нескольких милливатт. Для создания ПТШ из ар-
। сенида галлия может быть использована ионная имплантация,
’ эпитаксиальное наращивание из газовой фазы или молекуляр-
 но-лучевая эпитаксия.
Для серийного производства транзисторов, предназначенных
для работы в диапазоне миллиметровых волн, в настоящее
 время наиболее применимо эпитаксиальное наращивание слоев
185
из газовой фазы. Перспективной для создания таких приборов
является молекулярно-лучевая эпитаксия, при которой можно
с высокой точностью контролировать толщину выращиваемых
слоев, а также уровень их легирования. Формировать структуры
полевых транзисторов с затвором Шотки длиной 0,2—0,5 мкм
целесообразно злектронно-лучевой литографией.
Для работы в диапазоне миллиметровых волн разработаны
полевые транзисторы с затвором Шотки, имеющие гетеропере-
ход (ГСП ПТШ). Для создания таких переходов полупроводник
с большой шириной запрещенной зоны (например, соединение
GaAs—AlAs) сильно легируют, а с малой не легируют. Вследствие
высокой подвижности носителей зарядов максимальная частота
усиления таких транзисторов может достигать 200 ГГц, но их
структура и соответственно технология изготовления значитель-
но сложнее, чем ПТШ. Серийное производство ГСП ПТШ воз-
можно лишь при освоении технологии нанесения хорошо конт-
ролируемых по основным электрофизическим параметрам слоев
сложных соединений. Наиболее перспективными при этом счи-
тают молекулярно-лучевую эпитаксию и осаждение слоев пиро-
литическим разложением металлоорганических соединений.
Разработка технологии изготовления высококачественных
гетероструктур привела к созданию биполярных транзисторов
с гетеропереходом (БТГ). Формирование гетеропереходов в
полупроводниках с различной шириной запрещенной зоны
позволяет повысить уровень легирования базы, что уменьшает
ее сопротивление и увеличивает граничную частоту БТГ. Коэф-
фициент усиления тока современных БТГ, созданных молеку-
лярно-лучевой зтаксией, достигает 500, а их рабочие частоты рав-
ны 60—100 ГГц.
Новыми являются СВЧ-транзисторы с вертикальной струк-
турой. Движение электронов в таких транзисторах происходит
в плоскости, перпендикулярной плоскости подложки, а электро-
ды стока и истока расположены друг над другом. Поскольку
длина свободного пути носителей заряда зависит от толщины
эпитаксиального слоя (0,1-0,2 мкм), при осаждении ее контро-
лируют. Граничная частота этих транзисторов достигает 100 ГГЦ
и они обладают большей, чем ПТШ и ГСП ПТШ, выходной мощ-
ностью. Между тем выпуск СВЧ-транзисторов с вертикальной
структурой не велик, что объясняется технологическими труд-
ностями их изготовления.
Производство тонкопленочных полупроводниковых ИМС
некоторых типов обусловлено развитием телевидения и вычис-
лительной техники: для портативных телевизоров и персональ-
ных компьютеров необходимы плоские экраны. Интегральные
схемы управления плоскими экранами создают в виде матриц
186
тонкопленочных полевых транзисторов из аморфного или
поликристаллического кремния.
При изготовлении тонкопленочных транзисторов из аморф-
ного кремния пленку полупроводника, а также подзатворного
диэлектрика (нитрида кремния) осаждают разложением силана
SiH4 при температуре 250 °C. Тонкопленочные транзисторы из
поликристаллического кремния изготовляют по МОП-техноло-
гии. Матрицы тонкопленочных транзисторов из аморфного
кремния могут содержать более 3 • 10s элементов, а из поли-
кристаллического — меньшее их количество. Между тем при из-
готовлении первых необходимо использовать дорогие плавленые
оксид-кремниевые подложки, поэтому наиболее перспективны
вторые.
§ 34. УСТРОЙСТВА ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ
Как уже отмечалось, при возрастании степени интеграции
уменьшаются размеры элементов и расстояния между ними, сни-
жается предельно допустимая мощность и ограничивается интер-
вал рабочих температур ИМС. Это затрудняет их изготовление
существующими технологическими методами, ухудшает пока-
затели качества, воспроизводимость электрофизических пара-
метров и уменьшает процент выхода годных изделий. Так, вы-
ход годных БИС третьей (К = 3) и СБИС пятой (К = 5) степе-
ней интеграции соответственно составляет 99 и 1 %.
Этих недостатков во многих случаях лишены устройства
функциональной микроэлектроники, предназначенные для уси-
ления, интегрирования и преобразования различных сигналов,
а также выполнения других функций. Принцип действия их
основан на физических явлениях и процессах, происходящих в
твердом теле. При этом отпадает необходимость формирования
в объеме и на поверхности подложек традиционных активных
и пассивных элементов. Функциональные микросхемы выпол-
няются на основе не только полупроводников, но и сверхпро-
водников, сегнетоэлектриков, а также материалов, обладающйх
фотопроводящими свойствами.
Рассмотрим основные направления развития функциональ-
ной микроэлектроники.
О птоэлектроника характеризуется применением
устройств, которые при обработке информации преобразуют
электрические сигналы в оптические и наоборот. Особенность
оптоэлектронных устройств состоит в том, что их элементы
связаны оптически, а электрически изолированы друг от друга.
Благодаря этому обеспечивается хорошее согласование высоко-
вольтных цепей с низковольтными.
187
Наибольший интерес представляют электронно-оптические
приборы, в которых используются внутренний фотоэффект
и люминесценция. Замена в традиционных электронных цепях
гальванических и магнитных связей оптическими существенно
уменьшает паразитные влияния как внутри ИМС, так и между
ними, повышает плотность информации в каналах связи, их
быстродействие и помехозащищенность.
М агнетозлектроника характеризуется использова-
нием тонких магнитных пленок, энергия и время перемагничи-
вания которых соответственно в 10—20 и 10—30 раз меньше,
чем у ферритовых сердечников. Это позволяет создавать на та-
ких пленках быстродействующие запоминающие устройства
(ЗУ) с малой мощностью управления, логические ИМС, маг-
нитные усилители и др.
Акустоэлектроника основана на преобразовании
акустических сигналов в электрические и наоборот. Одним из
наиболее перспективных направлений акустоэлектроники явля-
ется использование поверхностных акустических волн, на кото-
рые можно легко воздействовать, а также управлять ими по ме-
ре необходимости на всем пути распространения вдоль линии.
Технология изготовления таких линий совместима с технологи-
ей изготовления ИМС.
Примером акустоэлектронного устройства может служить
резонистор (рис. 90), работающий в режиме механического
резонанса. В кремниевой подложке между стоком 2 и истоком 4
имеется канал, над которым расположен затвор 3 в виде упру-
гой балки из золота, закрепленной одним концом на подложке.
На затвор подается постоянное напряжение. При подаче на вход-
ной электрод 5 переменного напряжения сигнала происходит
взаимодействие полей, создаваемых постоянным и переменным
Рис. 90. Резонистор:
1 - изолирующий слой, 2 - сток, 3 - затвор, 4 -
исток, 5 — входной электрод, 6 — подложка
188
напряжениями, в результате чего затвор начинает вибрировать.
Так как при колебаниях затвора изменяется ток в цепи исток —
сток, в нагрузке 7?н появляется переменная составляющая и
происходит усиление сигнала.
Добротность резонисторов на частоте 1—45 кГц равна 100—
750. Получить такую добротность на низких частотах другими
способами трудно. Промышленностью выпускаются резонисто-
ры, работающие на частотах до 1 МГц.
Еще одним примером акустоэлектронного прибора являет-
ся усилитель на поверхностных волнах (рис. 91), выполненный
на сапфировой подложке 3 с выращенным монокристалличес-
ким слоем 2 кремния л-типа, на который подается напряжение
питания. При поступлении на вход прибора высокочастотного
сигнала на поверхности подложки возникает акустическая по-
верхностная волна. Между n-слоем кремния и сапфировой под-
ложкой имеется воздушный зазор, при распространении в ко-
тором поверхностная волна усиливается, и на выходе прибора
снимается усиленный электрический сигнал. Такой усилитель,
имеющий длину 10 мм и ширину 1,25 мм, обеспечивает усиле-
ние 30 дБ на частоте 108 МГц при потребляемой мощности
0,7 Вт. Это весьма высокие показатели.
Для исследования спектрального состава электрических сиг-
налов используют функциональные микроэлектронные преобра-
зователи, принцип действия которых основан на взаимодействии
упругих акустических поверхностных волн с электромагнитным
полем. Достоинствами этих преобразователей являются малые
объем и масса. Габаритные размеры некоторых из них не превы-
Рис. 91. Акустоэлектронный усилитель:
1 — воздушный зазор, 2 — монокристал-
лический слой кремния и-типа, 3 - сап-
фировая подложка
Рис. 92. Принцип действия
ионистора:
1 - серебряный катод, 2 -
твердый электролит, 3 —
ионы серебра, 4 -* уголь-
ный анод
189
шают 30 X 20 X 15 мм. Анализаторы спектра, выполняющие ана-
логичные функции, но изготовленные на интегральных микро-
схемах, имеют объем на два порядка больше.
Хемотроника возникла на стыке двух направлений —
электрохимии и электроники и основана на использовании физи-
ческих, физико-химических и электрохимических процессов,
происходящих в жидкостях или на границах их раздела. При-
мером хемотронного функционального устройства является
ионистор, предназначенный для интегрирования (т.е. накопле-
ния) напряжения. Интегрирование напряжения в течение дли-
тельного времени является непростой задачей. Ионистор отлич-
но выполняет эту функцию.
Ионистор (рис. 92) представляет собой твердотельный
элемент из высокопроводящих твердых электролитов (напри-
мер, RbAg4J5). При подключении источника входного напря-
жения минусом к серебрянному катоду, а плюсом к угольному
аноду подвижные ионы серебра, содержащиеся в электролите,
будут двигаться к катоду и оседать на нем в виде металличес-
кого серебра. При этом на аноде происходит разделение заряда,
образуется двойной электрический слой и результирующее
напряжение будет пропорционально амплитуде приложенного
напряжения и времени его действия, т.е. равно интегралу прило-
женного напряжения за это время.
Достоинством ионисторов являются простота конструкции
и стабильность параметров. В течение 16 месяцев они сохраняют
до 97 % заряда.
Криоэлектроника основана на взаимодействии
электромагнитного поля с электронами в твердых телах при их
охлаждении до температуры от 80 до 0 К. В криотронных прибо-
рах используются явления сверхпроводимости, зависимости
диэлектрической проницаемости некоторых диэлектриков от на-
пряженности электрического поля и аномального увеличения
подвижности носителей зарядов при температуре ниже 80 К.
Высокое быстродействие небольшие размеры этих приборов
позволяют создавать на их основе криотронные БИС, обладаю-
щие ничтожно малым уровнем шумов, широкой полосой про-
пускания (десятки гигагерц) и усилением (до 10 000).
Диэлектрическая электроника основананй
эффектах, обусловленных прохождением эмиссионных токов-в
неметаллических твердых телах. Приборы диэлектрической
электроники удачно сочетают достоинства полупроводниковых
и электровакуумных: они микроминиатюрны, имеют низкий
уровень шумов и малочувствительны к изменениям температу-
ры и воздействию радиации.
Квантовая микроэлектроника основана на
190
эффекте вынужденного электромагнитного излучения в полу-
проводниках при прохождении через них тока. Наибольший ин-
терес представляют оптические квантовые генераторы — лазеры,
' излучающие световые волны одинаковой частоты и применяе-
мые, например, в оптических линиях связи. В квантовой микро-
, электронике все более широко применяются приборы, основан-
, ные на эффектах Ганна и Джозефсона.
Эффект Ганна — это явление генерации высокочастотных
колебаний электрического тока в р-п переходе при приложении
 к нему постоянного напряжения, превышающего некоторое кри-
тическое значение.
Эффект Джозефсона состоит в том, что через диэлектричес-
кую пленку толщиной около 2 им, помещенную между двумя
сверхпроводящими слоями, в условиях низких температур да-
же при отсутствии разности потенциалов проходит туннельный
ток, которым можно управлять сравнительно слабыми внешни-
»ми сигналами.
Биоэлектроника основана на анализе структур
и жизнедеятельности живых организмов. Так, изучая и модели-
 руя нервные клетки человека и животных, полученные модели
> применяют в биоэлектронике для создания совершенных, высо-
конадежных, микроминиатюрных, экономичных и быстро при-
. способляющихся к новым ситуациям устройств вычислительной
техники.
§ 35. ЗАКАЗНЫЕ И ЛОЛУЗАКАЗНЫЕ ИМС
Интегральные микросхемы изготовляют по заказной или
полузаказной технологии.
При изготовлении заказных ИМСиспользуют
системы автоматизированного проектирования (САПР), с по-
мощью которых разрабатывают специальную, пригодную толь-
ко для создания данных ИМС схему размещения и метод форми-
рования элементов на подложках. Одним из современных мето-
дов автоматизированного проектирования и изготовления ИМС
является метод стандартных элементов.
При этом методе, используя записанные в памяти ЭВМ раз-
личные топологии элементарных схем (расположение на под-
ложках транзисторов, резисторов, конденсаторов и межсоеди-
нений) и их математические модели, компонуют ИМС любой
сложности, а ЭВМ по специальной программе автоматически син-
тезирует их математические модели.
В математическое обеспечение САПР входят также програм-
мы, с помощью которых определяются основные параметры
ИМС (коэффициент усиления, время задержки, выходная мощ-
191
ность и др.) и технология их изготовления. Например, по прог-
раммам для всех операций разрабатывается конфигурация ри-
сунков фотошаблонов и графопостроители ЭВМ вычерчивают
их чертежи. Эта информация записывается на магнитный носи-
тель, затем используется для изготовления фотошаблонов на
автоматизированных фотонаборных генераторах изображения.
Кроме того, по программам разрабатывается необходимая тех-
нологическая документация, по которой изготовляют ИМС.
Достоинством заказной технологии является хорошее ис-
пользование площади поверхности кристаллов, поскольку ЭВМ
выбирает наилучший вариант размещения стандартных элемен-
тов при компоновке ИМС. Заказную технологию применяют
при объеме выпуска ИМС более 30 тыс. в год.
Для изготовления полузаказных ИМС
используют подложки с предварительно созданными базовыми
матричными кристаллами (БМК). В центре такого кристалла
(рис. 93) расположена прямоугольная матрица транзисторов,
необходимых для реализации одной или нескольких электрон-
ных схем и объединенных в базовые ячейки 2. В кристалле
имеются каналы для вертикальных 4 и горизонтальных 3 соеди-
нительных проводников (трасс) и контактные площадки 1 для
подключения внешних выводов.
Базовые ячейки могут быть вентильными и компонентны-
талла:
1 - контактные площадки, 2 — базовые ячейки, 3 - каналы
для горизонтальных трасс (второй слой металлизации), 4 —
каналы для вертикальных трасс (первый слой металлиза-
ции)
192
I[ ZSZ |
I 1____________j i_______________________iL_______________!
К a)	6)	6)
	Рис. 94. Нсскоммутироваиные резисторы (а), транзисторы (б) и частич-
	но скоммутироваиныс транзисторы (в) компонентной базовой ячейки
К ми. Вентильные представляют собой набор заранее скоммути-
К рованных на кристалле с помощью проводников элементов,
| а компонентные (рис. 94, а-в) — нескоммутированных или
I частично скоммутированных. Примером может служить пред-
I назначенный для создания аналоговых микросхем БМК, имею-
| щий размеры 3,6 X 3,9 мм, в котором сформировано 1170 эле-
I ментов: 60 р-и-р-транзисторов, 250 и-р-и-транзисторов, 680 ре-
I зисторов и 20 конденсаторов.
I При изготовлении ИМС из БМК разрабатывают схему ком-
I мутации элементов, соединяют их, проверяют схему ивыполня-
| ют герметизацию.
I Многие БМК собраны в функциональные библиотеки —
I комплексы схемотехнических и топологических описаний ва-
I риантов реализации различных логических схем — триггеров,
I регистров и др. Такие библиотеки обычно состоят из 50—100
| наиболее часто встречающихся логических схем и используют-
| ся для проектирования ИМС на основе БМК. Функциональные
I библиотеки БМК и современные системы автоматизированного
К проектирования позволяют оперативно разрабатывать прин-
I ципиальные схемы и топологию ИМС.
f При создании полузаказных ИМС на основе БМК вначале
I изготовляют фотошаблоны для нанесения первого и второго
I слоев металлизации, а также изолирующих слоев. Затем ва-
I куумным распылением наносят эти слои на БМК, проводят
I зондовый контроль, при котором бракованные структуры с
| помощью специального устройства маркируются краской.
Г- Технология разделения, сборки и герметизации ИМС на основе
I. БМК, называемых матричными БИС (МБИС), такая же, как при
| изготовлении ИМС других типов. Большинство БМК совмести-
I мы с другими ИМС по электрическим и конструктивным пара-
[ метрам. Выпускаемые БМК имеют различные степени интегра-
I 7-540	193
или, площадь, потребляемую мощность и стоимость. Поэтому
при необходимости можно выбирать БМК, параметры которых
наиболее соответствуют требованиям, предъявляемым к МБИС,
проектируемым на их основе.
Создание полузаказных ИМС целесообразно при выпуске
менее 30 тыс. в год. Срок разработки МБИС составляет лишь
8—9 недель, тогда как при использовании метода стандартных
элементов он равен 12—16 неделям.
§ 36.	АВТОМАТИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
Основным направлением интенсификации производства по-
лупроводниковых приборов и ИМС является автоматизация
технологических процессов, которая обеспечивает повышение
производительности труда, качества продукции, ее коккуренто-
' способности и снижение себестоимости.
Автоматизация технологических процессов — это комплекс
мероприятий по разработке и внедрению прогрессивных техно-
логий и созданию на их основе высокопроизводительного обору-
дования для выполнения технологических операций без не-
посредственного участия человека.
Особенностью производства большинства полупроводнико-
вых приборов и ИМС является невозможность их качественного
изготовления непосредственно человеком, который физиологи-
чески нс способен осуществлять необходимые микроперемеще-
ния и микропозиционирования. Кроме того, при работе человек
загрязняет технологическую зону микрочастицами одежды и ор-
ганических веществ. Все это определяет направления автоматиза-
ции технологических процессов: создание комплексов техноло-
гического оборудования, работающего под управлением ЭВМ,
использование роботов и манипуляторов для выполнения техно-
логических и вспомогательных операций, а также вакуумных ав-
томатических линий для многооперационной обработки подло-
жек в полностью контролируемой среде.
Примером автоматизации технологического процесса с ис-
пользованием ЭВМ является автоматическая линия сборки ИМС
(рис. 95), которая состоит из модулей — высокопроизводитель-
ных автоматов, работающих по сигналам, поступающим с поста
управления от микроЭВМ ’’Электроника”. Модули связаны меж-
ду собой автоматической транспортной системой, накопители 2
которой расположены па входе и выходе, а также между груп-
пами технологических модулей одного назначения. Модули
5, 4 и 5 соответственно предназначены для монтажа кристаллов,
присоединения к ним проволочных выводов и нанесения предва-
рительной защиты. Система управления обеспечивает автомати-
зм
4
i г
Рис. 95. Автоматическая линия сборки ИМС:
1 - модуль системы управления, 2 - накопители транспортной системы,
3 — модуль монтажа кристаллов, 4 - модуль присоединения проволочных
выводов, 5 - модуль нанесения предварительной защиты
ческую адресацию отрезков металлической ленты в соответст-
вии с последовательностью выполнения операций сборки.
Так как разработка новых ИМС в некоторых случаях про-
должается всего несколько месяцев, технологическое оборудо-
вание должно легко переналаживаться. Модуль 1 системы управ-
ления рассматриваемой линии обеспечивает возможность ее гиб-
кой переналадки на сборку различных типов ИМС.
Для упрощения эксплуатации линии предусмотрены конт-
роль настройки и состояния ее технологических модулей, а так-
же выдача на дисплей поста управления инструкций оператору
по их переналадке на выпуск запланированной партии изделий.
Кроме того, при работе линии автоматически контролируется
правильность функционирования технологического вспомога-
тельного оборудования и выдается соответствующая оператив-
ная информация, что обеспечивает быстрое определение и устра-
нение неисправностей.
Операции электронолитографии, ионной имплантации, плаз-
мохимического травления резиста, ионно-плазменной обработки
и вакуумного нанесения пленок выполняются на вакуумной ав-
томатической линии (рис. 96, а). Подложки, предварительно
загруженные в кассету, из вакуумного загрузочного устройст-
ва 1 поштучно через шлюзовые устройства 2 подаются магист-
ральным конвейером 10 в вакуумные технологические модули
3-9 для обработки в соответствии с технологическим маршру-
7.	195
Рис. 96. Вакуумная автоматическая линия обработки подложек
(а) и один из вариантов технологического маршрута (б) :
1,2 — вакуумные загрузочное и шлюзовое устройства, 3 - модуль
электронной литографии, 4 - модуль ионной имплаитации, 5 -
модуль плазмо-химического травления, б — модуль отжига, 7 -
модуль ионло-химического травления, 8 - модуль плазмохимичес-
кого травления резиста, 9 - модуль нанесения пленки, 10 - маги-
стральный конвейер
том (рис. 96, б). После обработки подложки поступают в кас-
сету, которая затем извлекается из разгрузочного устройства.
При обработке подложек в полностью контролируемой
среде, какой является вакуум в рабочем пространстве линии,
уменьшается количество загрязнений, что повышает выход
годных структур. Однако создаваемые на вакуумных автомати-
ческих линиях условия непригодны для изготовления тонкопле-
ночных СБИС и ультра БИС.
Для реализации молекулярно-лучевой эпитаксии, ионно-
лучевого осаждения и других современных технологических
процессов, а также поверхностно-чувствительных методов конт-
роля созданы сверхвысоковакуумные технологические комп-
лексы, которые являются новым поколением автоматизирован-
ных линий. Такие комплексы служат для автоматического вы-
полнения операций очистки поверхности подложек от загрязне-
ний и примесей, формирования тонких пленок и их металлиза-
ции, нанесения диэлектрических покрытий. Рабочие модули
комплексов оснащаются манипуляторами и высокочувствитель-
ной аналитической аппаратурой (например, вторично-ионным
масс-спектрометром) или другими диагностическими устрой-
ствами, позволяющими на различных стадиях формирования
структур контролировать их свойства.
Сверхвысоковакуумиый магистрально-модульный комп-
196
Рис. 97. Сверхвысоковакуумный магистрально-модульный комплекс:
1 - вакуумная транспортная магистраль, 2, 10 - загрузочный и разгру-
зочный модули, 3 - кассета с подложками, 4 - каретка конвейера, 5, 6,
7, 8 - модули подготовки подложек, молекулярно-лучевой эпитаксии,
нанесения диэлектриков и металлизации, 9 - поперечные манипуляторы,
11 - вакуумные затворы
леке (рис. 97) оснащен вакуумной транспортной магистралью 1,
связывающей через вакуумные затворы 11 загрузочный 2 и раз-
грузочный 10 модули, а также модули подготовки подложек 5,
молекулярно-лучевой эпитаксии 6, нанесения диэлектриков 7
и металлизации 8. Поперечные манипуляторы 9 перемещают
кассеты 3 из загрузочного модуля на магистраль и с магистра-
ли — в технологические модули и обратно, а вакуумные затво-
ры 11 позволяют поддерживать высокий вакуум в технологи-
ческих модулях.
При перемещении вакуумной транспортной магистрали 1
на шаг каретки 4 передают кассеты с подложками на очередную
позицию обработки, после чего одновременно срабатывают все
вакуумные затворы и поперечные манипуляторы.. При этом
кассета из шлюзовой камеры загрузки перемещается транспорт-
ной магистралью на первую позицию, а кассета, находящаяся
на последней позиции, передается в шлюзовое разгрузочное
устройство. На остальных позициях производится замена обра-
ботанных подложек вновь поданными, начинается выполнение
технологических операций, в модуль загрузки поступает новая
кассета, а из модуля разгрузки извлекается обработанная.
§ 37.	РОБОТИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
Автоматическую стационарную или передвижную машину,
выполненную в виде исполнительного механизма — манипуля-
тора, имеющего несколько степеней подвижности, а также
197
программируемую систему управления, предназначенную для
выполнения двигательных управляющих функций, называют
промышленным роботом. В производстве полупроводниковых
приборов и ИМС роботы освобождают персонал от выполнения
монотонных ручных операций (например, при сварке, контро-
ле), а также служат для выполнения транспортных операций
в вакуумных технологических модулях.
Существует довольно сложная классификация роботов.
Применительно к технологии изготовления полупроводнико-
вых приборов и ИМС роботы разделяют по точности манипули-
рования и степени воздействия на атмосферу рабочих прост-
ранств. Так, ультрапрецизионные роботы обеспечивают точность
позиционирования до 0,03 мкм, прецизионные — до 5 мкм, а
нормальной точности — до 0,15 мкм. По степени газо- и пылевы-
деления роботы бывают вакуумные, чистые и обычные. Вакуум-
ные роботы при работе существенно не изменяют параметров
вакуума, а чистые (или ’’белые”) не ухудшают атмосферу
чистых комнат; к обычным роботам не предъявляют требова-
ний по герметичности, газо- и пылевыделениям.
Ультрапрецизионные роботы служат, например, для переме-
щения контрольных зондов на операциях промежуточного конт-
роля подложек, а также применяются на операциях литографии.
Ультрапрецизионным чистым роботом является автоматическая
установка проекционной фотолитографии ЭМ-589.
Прецизионные промышленные роботы ОЗУМ-1200МЗ
(рис. 98) предназначены для микросварки внешних выводов
ИМС с контактными площадками кристаллов. Так как при
монтаже невозможно очень точно установить кристаллы отно-
сительно корпусов, такие роботы оснащены системой ’’машинно-
го зрения” с телевизионным датчиком 10, позволяющим опре-
делять индивидуальное смещение и разворот кристаллов. Для
обработки информации, поступающей от этого датчика, и опре-
деления координат точек, в которые должны перемещаться сва-
рочные электроды блока микросварки 12 для точного присоеди-
нения проводников к контактным площадкам и внешним вы-
водам ИМС, служит микроЭВМ ”Электроника-60”. Вместе с бло-
ком управления 3 эта ЭВМ является системой управления ро-
ботом.
Робот может работать в режимах обучения и автоматичес-
ком. Работа в режиме обучения начинается с юстировки и на-
стройки ’’машинного зрения” оператором-наладчиком. Мони-
тор 8 позволяет оператору наблюдать картинку, находящуюся
в поле зрения телевизионного датчика, а оптическая головка
13 (ОСМЭ-П2), перемещаемая механизмом 14, и проектор 11 —
видеть микросхему и процесс сварки.
198
Рис. 98. Прецизионный робот ОЗУН-12000МЗ для микросварки
выводов ИМС:
1 — панель включения, 2 — устройство загрузки-выгрузки, 3, 9 —
блок и панель управления, 4 - ультразвуковой генератор УЗГ-2,5,
5 - ЭВМ ”Электроника-60”, 6, 7 - лампы сигнализации работы и
аварии, 8 - монитор, 10 — телевизионный датчик, 11 - проектор,
12 — блок микросварки, 13, 14 - оптическая головка ОСМЭ-П2
и механизм ее Перемещения, 15 - стол
После юстировки ’’машинного зрения” оператор задает тем-
пературу электродов, мощность ультразвуковых колебаний, по-
ступающих от генератора 4 (УЗГ-2,5), время присоединения
и другие режимы, обеспечивающие качественное выполнение
сварки, и вручную выполняет сварку. Система управления запо-
минает координаты всех точек сварки и последовательность вы-
полняемых операций. В результате робот готов к работе в ав-
томатическом режиме. При этом корпус микросхемы автомати-
чески подается устройством загрузки—выгрузки 2 в рабочую
зону, определяются координаты точек сварки, вычисляются
необходимые коррекции и производится микросварка всех вы-
водов с контактными площадками кристалла. Затем корпус
извлекается из рабочей зоны блока микросварки, и цикл повто-
ряется.
Применение роботов ОЗУМ-1200 ty3 увеличивает произво-
дительность труда и снижает брак на операции микросварки.
199
Один оператор-наладчик может обслуживать до 10 таких робо-
тов.
В настоящее время наиболее прогрессивным является соз-
дание робототехнических комплексов (РТК) — систем, состоя-
щих из технологических установок и роботов, которые могут
функционировать автономно, выполняя многократные циклы.
Как правило, современные РТК выполняются в виде легко пере-
страиваемых на производство новых изделий модулей, встраи-
ваемых в технологические системы и называемых в этом слу-
чае гибкими производственными модулями (ГПМ).
Базовые конструкции гибких производственных модулей
с вакуумными роботами показаны на рис. 99, a-в. Обрабаты-
ваемые подложки подаются через шлюз 1 роботом-перегрузчи-
ком 3 в рабочую камеру 5, которая отсекается от его камеры
2 вакуумным затвором.
В первой конструкции ГПМ (рис. 99, а) робот-перегрузчик
перемещается над расположенными по кольцу рабочими каме-
рами. Во второй конструкции (рис. 99, б) ГПМ оснащается
линейным транспортным роботом-перегрузчиком, а рабочие
камеры монтируются в один—три или более рядов вдоль обслу-
живаемой им трассы. В третьей конструкции ГПМ (рис. 99, в)
роботы-погрузчики устанавливаются у рабочих камер, смонти-
рованных вдоль вакуумной магистрали.
В гибкой вакуумной производственной системе, состоящей
из трех ГПМ (рис. 100), рабочие камеры 2 с роботом-погрузчи-
ком 3 объединены в типовой модуль. Унифицированные ваку-
умные шлюзы 1 позволяют создавать из таких модулей легко
а)	б)	б)
Рис. 99. Базовые конструкции (a-е) гибких производственных моду-
лей с вакуумными роботами:
1 - шлюз, 2 - камера робота-перегрузчика, 3 ~ робот-перегрузчик,
4 - вакуумный затвор, 5 - рабочая камера, 6 - воздействующая сре-
да, 7 - обрабатываемая подложка, 8 - крышка рабочей камеры, 9 -
рабочая камера в положении профилактических работ
200
Рис. 100. Гибкая вакуумная производственная система:
1 — шлюз, 2 — рабочая камера, 3 — робот-перегрузчик, 4 — транспорт-
ный робот-склад, 5 - вакуумный затвор в положении ’’Открыто”
перестраиваемые на выпуск новых изделий комплексы. Для
исключения загрязнений в процессе изготовления ИМС их
транспортирование между ГПМ осуществляют вакуумные тран-
спортные роботы-склады 4.
Применение вакуумных роботов нормальной точности, до-
вольно простых по конструкции и обладающих одной—тремя
степенями подвижности, позволяет не только проводить техно-
логические процессы при глубоком вакууме, но и способству-
ют повышению качества выпускаемых ИМС.
§ 38.	ИНТЕГРАЦИЯ В МИКРОЭЛЕКТРОНИКЕ
Одним из основных направлений интеграции и миниатюри-
зации в электронике является увеличение количества элемен-
тов ИМС на единице площади в результате уменьшения их раз-
меров. Стремление к уменьшению размеров элементов объяс-
няется не только желанием снизить габариты и массу ИМС, а
также радиоэлектронной аппаратуры, но и тем, что через актив-
ные элементы малых размеров проходят меньшие токи. Вслед-
ствие этого уменьшается потребляемая ИМС мощность, увели-
чиваются их быстродействие и надежность.
С 1985 г. началось промышленное производство ИМС с суб-
микронными размерами элементов, что значительно повышает
их степень интеграции. Так, при длине канала МОП-транзисто-
ров 0,1 мкм и минимальной'толщине слоя подзатворного ди-
электрика 5 нм на кристалле площадью 1 см2 размещается
10б КМОП инверторов. Кроме того, при этом уменьшается пло-
щадь кристаллов, что позволяет формировать на подложках в
едином технологическом цикле большее количество структур
и соответственно снижает стоимость ИМС.
Другим направлением интеграции является создание ИМС
201
осаждением топких монокристаллических кремниевых пленок
па аморфные изолирующие подложки, например из окисленно-
го кремния. После зонной перекристаллизации получают плеики
высокого качества, предназначенные для формирования элемен-
тов ИМС, размеры которых менее микрометра.
Повышению степени интеграции способствует также созда-
ние объемных или вертикальных многослойных пленочных
структур. При этом сформированные структуры одного слоя
соединяют пленочной металлизацией и покрывают слоем ди-
электрика, на который осаждают еще одну пленку полупровод-
ника и формируют в ней структуры, которые соединяют метал-
лизацией второго уровня и т.д.
Перспективным направлением является разработка техно-
логии одновременного изготовления на подложках большого
количества однотипных простых структур, соединенных между
собой системой перемычек, и программируемых перемычками
логических схем. Зондовым контролем определяют годные
структуры, адреса которых программируются логическими схе-
мами, и соединяют эти структуры пленочной металлизацией вто-
рого уровня в соответствии со схемой создаваемого устройства
(например, устройства памяти ЭВМ), а негодные или частично
годные отключают пережиганием перемычек. Такие подложки
не разделяют на кристаллы, а вырезают из них полученные
устройства, размеры которых могут быть, например, 64X76 мм.
Плотность упаковки элементов в таких устройствах весьма вы-
сока, и поскольку они имеют мало внешних выводов и прово-
лочных соединений, их надежность во много раз выше, чем вы-
полненных из нескольких ИМС.
Между тем повышение плотности упаковки элементов ИМС
значительно усложняет технологию и увеличивает количество
операций, способных привести к браку. Так, если технологии,
применявшиеся в 60-х годах, состояли примерно из 40 операций,
то в настоящее время количество их достигает 300 и более. Для
снижения брака на разных операциях необходимо использовать
все более совершенные технологические установки и контроль-
но-измерительные приборы, что, в свою очередь, повышает
капитальные затраты. Однако увеличение процента выхода год-
ных ИМС эти затраты компенсирует.
Следует отметить, что повышение плотности упаковки эле-
ментов ИМС и связанное с ним уменьшение их размеров имеют
определенные пределы. Так, создание более 500—700 тыс. эле-
ментов на одном кристалле технологически сложно и экономи-
чески нецелесообразно, поскольку пока не существуют эф-
фективные методы проектирования многофункциональных уст-
ройств на микросхемах такого уровня интеграции.
202
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1.	Какие полупроводники используют для изготовления СВЧ-тран-
зисторов?
2.	Какие эффекты и процессы используются при создании устройств
функциональной микроэлектроники?
3.	Какова технология изготовления полузаказиых ИМС на основе
матричных кристаллов?
4.	Каков принцип действия вакуумной автоматической линии для
производства ИМС?
5.	Каково назначение роботов в современных производствах ИМС?
б.	Поясните достоинства и недостатки увеличения плотности упаков-
ки элементов ИМС.
ГЛАВА ВОСЬМАЯ
КАЧЕСТВО И НАДЕЖНОСТЬ
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ И ИМС
§ 39. ОСНОВНЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ КАЧЕСТВА И НАДЕЖНОСТИ
Качество и надежность полупроводниковых приборов и
ИМС закладываются при их проектировании, обеспечиваются в
процессе изготовления и поддерживаются при эксплуатации.
Качество и надежность полупроводниковых приборов и ИМС
зависят прежде всего от их конструкции, используемых мате-
риалов и комплектующих изделий, а также от сложности техно-
логических процессов и стабильности их режимов. При этом оп-
ределяющим является выбор технологии.
Качество изделий микроэлектроники — это совокупность
свойств, обусловливающих их способность удовлетворять оп-
ределенным требованиям в соответствии с назначением. Основ-
ные показатели качества полупроводниковых приборов и ИМС
регламентируются Государственными стандартами. Так,
ГОСТ 4.465—87 устанавливает показатели их назначения, эко-
номного использования энергии, технологичности, стандартиза-
ции и унификации, объемно-массовые, стойкости к внешним
воздействиям, надежности.
Показатели назначения характеризуют основные свойства
изделий. Например, показатель ’’время включения” характери-
зует быстродействие прибора (ИМС), а ’’полоса пропускания” —
его работоспособность в заданном диапазоне частот.
Показателями экономного использования энергии являют-
ся потребляемые мощность, ток, удельная энергоемкость.
Показателями технологичности являются выход годных из-
203
делий (%), трудоемкость изготовления 1000 изделий, коэф-
фициенты использования дефицитных материалов и драгоцен-
ных металлов. Особенно важный показатель — процент выхода
годных изделий. Это объясняется тем, что им определяется не
только уровень и стабильность производства изделий но и их
стоимость, а также надежность.
Показателем стандартизации и унификации является коэф-
фициент применяемости конструкций, который характеризует
процент использования в изделиях стандартизованных элемен-
тов и деталей.
Объемно-массовыми показателями являются объем, масса,
удельная материалоемкость изделий микроэлектроники, а так-
же степень их интеграции.
Показателями стойкости к внешним воздействиям являют-
ся, например, предельные значения повышенной и пониженной
температуры, давления, влажности, при которых изделия сохра-
няют работоспособность.
Показатели надежности характеризуют свойство изделий
сохранять значения установленных параметров функционирова-
ния в определенных пределах, соответствующих заданным ре-
жимам и условиям эксплуатации, хранения и транспортировки.
Надежность любого устройства характеризуется следующими
свойствами: безотказностью, долговечностью, ремонтопригод-
ностью и сохраняемостью.
Безотказность — это свойство изделий сохранять ра-
ботоспособность в течение требуемого времени необходимой
наработки без перерывов.
Долговечность — это свойство изделий сохранять ра-
ботоспособность до полного износа при эксплуатации с необ-
ходимыми для ремонта и обслуживания перерывами.
Ремонтопригодность — это возможность обнару-
жения,устранения и предупреждения отказов. Все изделия под-
разделяются на ремонтируемые (восстанавливаемые) и пере-
монтируемые (невоостанавливаемые). Большинство изделий
микроэлектроники являются нев о останавливаемыми. Бескор-
пусные гибридные ИМС и БИС, а также микросборки допускают
восстановление работоспособности при отказах частичной заме-
ной компонентов.
Сохраняемость — это свойство изделий непре-
рывно находиться в исправном и работоспособном состоя-
нии в течение хранения и транспортирования, а также после
них.
Количественно безотказность оценивают вероятностью без-
отказной работы в течение определенного времени, интенсив-
ностью отказов и средней наработкой до отказа, долговеч-
204
ность — ресурсом и сроком службы, а сохраняемость — дли-
тельностью хранения.
Вероятность безотказной работы — это вероятность того,
что в течение определенного времени не произойдет отказа
изделия.
Интенсивность отказов — среднее число отказов за единицу
времени.
Средняя наработка до отказа — это время работы изделия,
в течение которого отказы отсутствуют.
Ресурс, или срок службы — это время работы изделия до
выхода его из строя.
Срок сохраняемости — это время, в течение которого изде-
лия сохраняют свои свойства при хранении в специальных поме-
щениях или в составе аппаратуры.
Одним из методов оценки качества полупроводниковых
приборов и ИМС на этапах их производства и эксплуатации
является оценка единым комплексным показателем, называе-
мым коэффициентом качества. За высшую оценку условно при-
нимают коэффициент качества, равный единице. Коэффициент
качества определяют с учетом процента сдачи продукции с пер-
вого предъявления, претензий потребителя, процента брака,
состояния технологической дисциплины и других показателей.
§ 40. СТАНДАРТИЗАЦИЯ И КОНТРОЛЬ КАЧЕСТВА
Государственные стандарты (ГОСТы) представляют собой
документы, определяющие нормы, правила, методы производ-
ства, свойства конкретной продукции и т.д., и предназначены
для применения в разных сферах народного хозяйства.
Способы и методы проверки различных параметров полу-
проводниковых приборов и ИМС определяются Государствен-
ными стандартами системы контроля качества изделий элект-
ронной техники. Оценивают качество полупроводниковых при-
боров и ИМС, сравнивая результаты их испытаний с требования-
ми стандартов.
Цель испытаний полупроводниковых приборов и ИМС —
определение количественных показателей качества и надежнос-
ти, получение гарантии качества и снижения возможных отказов
в будущем. В ходе испытаний необходимо проверять устойчи-
вость полупроводниковых приборов и ИМС к воздействию раз-
личных эксплуатационных факторов (климатических, механи-
ческих и электрических), которые оказывают разное влияние
на их работоспособность. Повышенная температура, например,
приводит к нестабильности и деградации электрических пара-
метров, потере герметичности корпусов, пониженная — к обры-
205
вам и коротким замыканиям, нарушениям механической це-
лостности, а низкое атмосферное давление — к ухудшению усло-
вий теплообмена, перегреву и другим нежелательным последст-
виям.
Перечень и методы испытаний полупроводниковых прибо-
ров и ИМС на воздействие различных факторов регламентируют-
ся ГОСТ 20.57.406-81.
Испытания обычно регулярно повторяют и проводят в ла-
бораторных или эксплуатационных условиях. В промышленнос-
ти испытания, как правило, проводят в лабораторных условиях,
имитируя различные воздействующие факторы с помощью спе-
циальных испытательных стендов. Испытательный стенд пред-
ставляет собой устройство для установки объекта испытаний в
заданных положениях, создания необходимых воздействий,
управления процессом и объектом испытаний, а также получе-
ния информации.
Категории испытаний. Для контроля качества полупровод-
никовых приборов и ИМС проводят квалификационные, прие-
мо-сдаточные, периодические, типовые и контрольно-выбороч-
ные испытания.
При квалификационных испытаниях оп-
ределяют соответствие изделий данной новой серии полному
объему требований стандартов и ТУ и готовность производства
к их массовому изготовлению.
При приемо-сдаточных и с п ы т а н и я х конт-
ролируют качество каждой предъявляемой к сдаче партии изде-
лий и по результатам принимают решение о возможности ее при-
емки и поставки.
Периодические испытан и я служат для периоди-
ческого (в определенные сроки) контроля качества изделий
и подтверждения стабильности технологического процесса их
производства за контролируемый период.
Типовые испытания проводят при изменении кон-
струкции, технологии, материалов, полуфабрикатов и компо-
нентов, используемых при изготовлении данных изделий.
При контрольно-выборочных испытаниях
определяют соответствие серийно выпускаемых изделий полно-
му объему требований стандартов и ТУ.
Кроме того, проводят следующие испытания на надежность:
на безотказность, долговечность, сохраняемость и ресурсные.
Особое значение имеют так называемые технологические испы-
тания, целью которых является своевременная отбраковка по-
тенциально ненадежных полупроводниковых приборов и
ИМС.
Виды испытаний. По характеру воздействий испытания под-
206
разделяют на конструктивные, электрические, механические
и климатические.
При конструктивных испытаниях проверя-
ют конструкцию полупроводниковых приборов и ИМС как в
целом, так и отдельных их элементов. При этом контролируют
размеры и массу изделий, их герметичность, механическую
прочность выводов и соединений и др.
Механическую прочность гибких и балочных выводов при-
боров и ИМС контролируют испытаниями на изгиб и растяжение,
а жестких — на сдвиг. Количество изгибов, прикладываемые
усилия и время их действия установлены нормативно-техни-
ческой документацией для каждого типа приборов и ИМС.
Испытания на герметичность в основном выполняют ваку-
умно-жидкостным и масс-спектрометрическим методами.
При вакуумно-жидкостном методе загерметизированные
приборы или ИМС помещают в жидкость, над которой создают
вакуум, и регистрируют появление пузырьков воздуха из от-
верстий, щелей или неплотностей в корпусах. В качестве жид-
кости чаще всего используют прозрачное масло, которое нагре-
вают до температуры 120 °C. Вакуумно-жидкостный метод кон-
троля герметичности — самый простой.
Масс-спектрометрический метод основан на обработке гели-
ем изделий в корпусах, последующем удалении его с их поверх-
ности и обнаружении с помощью гелиевых течеискателей при
вытекании из корпуса.
Электрические испытания служат для провер-
ки работоспособности полупроводниковых приборов и ИМС,
а также стабильности их параметров в различных режимах. Рабо-
тоспособность ИМС проверяют электрической или термоэлект-
рической тренировкой. При электрической тренировке вклю-
чают изделия в электрическую схему, подавая на их выводы
максимальные напряжения и пропуская максимально допусти-
мые токи, а затем выдерживают в соответствии с ТУ определен-
ное время. Электрические испытания проводят на специальных
стендах (ИИС-1М, ИИС-3 или других), обеспечивающих конт-
роль и регистрацию параметров по заданной программе.
При термоэлектрической тренировке изделия помещают
в термокамеру и подвергают их действию максимальных на-
пряжений и токов при определенной температуре, указанной
в ТУ.
При механических испытаниях изделия про-
веряют на виброустойчивость и вибропрочность, ударную проч-
ность и воздействие линейных нагрузок.
Климатические испытания включают проверки
на теплоустойчивость при эксплуатации, холодоустойчивость
207
при эксплуатации и транспортировке, влагоустойчивость, устой-
чивость к пониженному и повышенному атомсферному давле-
нию и воздействию морского тумана.
Производственный контроль и контроль готовых изделий.
Производственный контроль является составной
частью типового технологического процесса и сводится к выяв-
лению явных дефектов, определяющих процент выхода годных
изделий, и скрытых дефектов, которые снижают надежность.
В обоих случаях контроль может носить как активный, диагнос-
тирующий, характер, так и пассивный. Диагностирующий конт-
роль (диагностика) дает информацию о природе дефектов.
В зависимости от его результатов вносят изменения в техноло-
гический процесс. Пассивным контролем регистрируют по прин-
ципу ’’годен — не годен” наличие дефекта, не вскрывая его
механизма. При контроле качества по явным дефектам пассив-
ный контроль сводится к сортировке, т.е. разделению изделий
или полуфабрикатов на группы или по принципу 100%-ной про-
верки ’’годен — не годен”.
Следует отметить, что целью производственного контроля
является не только своевременная отбраковка дефектных из-
делий на различных стадиях их изготовления, но и обеспечение
требуемого качества. При этом можно как измерять параметры
структур, сформированных при выполнении технологической
операции, так и контролировать технологические режимы и
параметры данной операции.
Производственный контроль подразделяют на входной,
пооперационный (межоперационный) и финишный.
При входном контроле проверяют качество поступающих на
данную операцию полупроводниковых материалов, металлов
и диэлектриков, органических и неорганических веществ, дета-
лей корпусов, фотошаблонов и масок, а также дискретных ком-
понентов (для сборки гибридных ИМС).
При пооперационном контроле оценивают качество выпол-
нения определенных операций (например, очистки поверхнос-
тей, эпитаксиального наращивания пленок, окисления, диф-
фузии и др.). Пооперационный контроль проводят либо после
выполнения технологической операции, либо в ходе ее, причем
объектами его являются как изготовленные структуры, так и
технологические режимы и среды.
Финишный контроль проводят по завершении определенно-
го этапа изготовления ИМС (например, после формирования
пассивных элементов гибридных ИМС, проверки функциониро-
вания полупроводниковых ИМС на неразделенной подложке
и др.). На завершающем этапе производства финишный конт-
роль совпадает с контролем качества готовых изделий.
208
Контроль готовых изделий является заключи-
тельной операцией типового технологического процесса и, кро-
ме того, применяется при использовании изделий (например,
перед установкой в аппаратуру) или их исследовании (напри-
мер, при испытаниях, анализе отказов и др.).
Контролируют качество готовых полупроводниковых при-
боров и ИМС, измеряя их электрические параметры при нор-
мальных условиях окружающей среды или в режимах, имити-
рующих условия эксплуатации. Во втором случае электричес-
кие параметры изделий измеряют при выполнении соответст-
вующих испытаний. При этом проводят сплошной 100%-ный
контроль или выборочно контролируют определенную часть
изделий, статистически обрабатывая результаты.
Для повышения качества изделий на промышленных пред-
приятиях введена Государственная приемка. Основными целями
ее являются обеспечение строгого соответствия качества выпус-
каемых изделий ГОСТам, отраслевым стандартам, ТУ и помощь
предприятиям в налаживании их изготовления.
Государственной приемкой готовых изделий занимаются
представители отдела госприемки, подчиняющиеся только Госу-
дарственному комитету по стандартизации. В состав подразде-
лений Госприемки направляются специалисты высшей квали-
фикации, которые могут не только определить истинный уро-
вень качества выпускаемых изделий, но и установить причины
возникновения дефектов, дать рекомендации по их устранению,
наметить мероприятия по повышению качества.
По действующему положению изделия, не принятые Гос-
приемкой, не могут быть поставлены потребителям, т.е. пред-
приятие не может получить за них деньги и оказывается мате-
риально заинтересованным в повышении качества выпускаемых
изделий. Поскольку продукция высокого качества оплачивает-
ся по более высоким ценам, прибыли предприятия, а следова-
тельно, и фонды на жилищное строительство, премии и другие
поощрения увеличиваются. Это обеспечивает материальную за-
интересованность работающих в высоком качестве продукции.
Вся выпускаемая продукция регулярно проходит Государ-
ственную аттестацию качества на высшую, первую или вторую
категорию. При этом качество продукции, аттестованной по выс-
шей категории, должно соответствовать качеству лучших оте-
чественных и зарубежных образцов. Такой продукции присваи-
вается Знак качества на срок до 3 лет. Качество продукции пер-
вой категории должно соответствовать требованиям ГОСТа
или ТУ. Продукция, аттестованная по второй и тертьей катего-
риям качества, является морально устаревшей и подлежит сня-
тию с производства. Предприятие некоторое время может про-
209
должать изготовлять продукцию второй категории качества,
но ее цена уменьшается на 30%. Это значительно снижает при-
быль предприятия и делает невыгодной дальнейшее производ-
ство такой продукции.
Для поощрения предприятия за выпуск аттестованной по
высшей категории качества продукции на нее устанавливаются
повышенные цены.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1.	Что называют качеством изделий и какими показателями оно ха-
рактеризуется?
2.	Что называют надежностью изделий и какие свойства се характе-
ризуют?
3.	Какой документацией регламентируются параметры полупровод-
никовых приборов и ИМС?
4.	Как оценивают качество и надежность изделий микроэлектро-
ники?
5.	Каковы цели различных испытаний полупроводниковых приборов
и ИМС?
6.	Для чего выполняют производственный контроль?
7.	Какие виды производственного контроля вы знаете?
ГЛАВА ДЕВЯТАЯ
ОРГАНИЗАЦИЯ ПРОИЗВОДСТВА
§ 41.	ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ
Прежде чем рассматривать и изучать организацию производ-
ства полупроводниковых приборов и ИМС, необходимо дать
основные определения.
Производственный процесс — это совокуп-
ность всех действий людей и орудий труда, необходимых для
изготовления выпускаемых изделий. Следует отметить, что в
производственный процесс входят не только обработка материа-
лов и полуфабрикатов, сборка и выпуск изделий, но и вспомога-
тельные процессы, например подготовка производства, изготов-
ление оснастки, ремонт оборудования, технический контроль
и др.
Основой производственного процесса являются технологи-
ческие процессы.
Технологический процесс — это часть произ-
водственного процесса, содержащая действия по изменению и
последующему определению состояния предмета производства.
210
Технологический процесс непосредственно связан с изменением
размеров, формы или свойств обрабатываемых заготовок и
состоит из одной или нескольких операций.
Операция — это часть технологического процесса, вы-
полняемая на одном рабочем месте (установке, стенде и т.д.)
и состоящая из ряда действий над каждой заготовкой или груп-
пой совместно обрабатываемых заготовок. Большинство опера-
ций по изготовлению полупроводниковых приборов и ИМС
выполняются на специализированных рабочих местах.
Специализированное рабочее место - это
часть производственной площади, оборудованной и оснащенной
для выполнения определенных операций технологического про-
цесса и закрепленной за одним рабочим или группой рабочих,
выполняющих одно задание.
Рациональная планировка рабочих мест, размещение и хра-
нение на них инструментов, приспособлений, материалов, заго-
товок и деталей разрабатываются технологическими службами
предприятия. Расстановка оборудования на рабочем месте и
оснастка должны обеспечивать технологическую последователь-
ность выполнения операций, экономию производственных пло-
щадей, свободный подход. Кроме того, на рабочих местах долж-
ны быть созданы условия, отвечающие современным требовани-
ям безопасности труда, культуры производства, эргономики
и эстетики.
Технологические процессы изготовления полупроводнико-
вых приборов и ИМС делятся на заготовительные, обрабатываю-
щие и сборочные. При заготовительных процессах, например,
выполняются операции резки полупроводниковых слитков на
пластины, штамповка заготовок металлических и пластмассо-
вых деталей и др. Обрабатывающие процессы включают опера-
ции механической, химической и термической обработки полу-
проводниковых пластин, эпитаксиального наращивания слоев,
литографии, скрайбирования и др. Сборочные процессы содер-
жат операции присоединения к контактным площадкам кристал-
лов проводников и приварки их к выводам, контроля функцио-
нирования ИМС и герметизации их корпусов.
В электронной промышленности различают три основных
типа производства — опытное, серийное и массовое, каждое из
которых характеризуется постоянством номенклатуры изде-
лий, специализацией рабочих мест, универсальностью применяе-
мого оборудования и технологической оснастки, а также квали-
фикацией рабочих.
Опытное производство характеризуется постоян-
но изменяющейся номенклатурой изготовляемых изделий,
малым объемом их выпуска и неповторяемостью на протяжении
211
года. При этом рабочие места практически универсальны, а ква-
лификация рабочих основных цехов не ниже 5-го разряда.
Серийное производство характеризуется ограни-
ченной номенклатурой изделий, изготовляемых периодически
повторяющимися партиями, и сравнительно большим объемом
выпуска. Рабочие места частично специализированы, а квалифи-
кация рабочих соответствует 3—4-му разрядам. В зависимости
от количества изделий в партии различают мелко-, средне-
и крупносерийное производство.
Массовое производство характеризуется срав-
нительно небольшой и постоянной в течение года номенклату-
рой изделий, большим объемом их выпуска, высоким уровнем
специализации, широким применением поточных линий, специа-
лизированного оборудования и технологической оснастки.
Квалификационный уровень рабочих в основном ниже 4-го
разряда.
Типом производства в значительной степени определяются
виды и назначение основных цехов и участков.
§ 42.	ВИДЫ И НАЗНАЧЕНИЕ ОСНОВНЫХ ЦЕХОВ
И УЧАСТКОВ
Основной структурной производственной единицей пред-
приятия являются цеха, специализироанные на выполнении
однородных технологических процессов или изготовлении из-
делий одинакового назначения. Цеха предприятий подразделяют-
ся на основные, вспомогательные и обслуживающие и обычно
состоят из нескольких производственных участков. Производ-
ственный участок — это группа рабочих мест, объединенных по
видам выполняемых технологических операций. Специализация
цехов и участков может быть предметной, технологической,
а также подетальной.
В цехах с предметной специализацией
выполняется весь комплекс технологических операций по изго-
товлению нескольких однотипных изделий с применением раз-
личных технологических процессов и операций (например, цех
транзисторов). Предметную специализацию в основном при-
меняют на предприятиях с массовым характером производства.
В этом случае фотолитографическое, диффузионное и другое
технологическое оборудование устанавливают в цепочку в
соответствии с последовательностью выполнения технологи-
ческих операций, что обеспечивает высокую производитель-
ность труда.
В цехах с технологической специализа-
цией выполняются строго определенные технологические
212
операции при изготовлении изделий любых типов. Технологи-
ческую специализацию в основном применяют на предприяти-
ях с серийным характером производства, выделяя, например,
цехи подготовки полупроводниковых материалов, химико-
механической обработки пластин, эпитаксиального наращива-
ния пленок, окисления и диффузии, фотолитографии, сборки
и др.
При подетальной специализации, внедряю-
щейся в последнее время, отдельные предприятия специализи-
руются на изготовлении, например, только полупроводниковых
подложек или корпусов ИМС. Это позволяет полностью автома-
тизировать технологические процессы и значительно увеличить
выпуск ИМС, а также освобождает другие предприятия от не-
обходимости иметь соответствующие цеха.
Рассмотрим для примера схему цеха по изготовлению тон-
копленочных микросборок, производственные участки кото-
рого оснащаются соответствующим оборудованием и имеют
технологическую специализацию. В зависимости от требований
электронно-вакуумной гигиены производственные помещения
участков подразделяются по чистоте, температуре и влажности
на пять классов. Наиболее жесткие требования предъявляют к
помещениям первого класса.
Участок изготовления фотошаблонов раз-
мещается в помещении третьего класса по чистоте и первого по
температуре и влажности. Это объясняется значительной зави-
симостью качества фотошаблонов от температуры и влажности.
Химико-подготовительный участок, где
выполняют операции обезжиривания и очистки подложек, при
которых выделяются пары химических веществ, располагается
в помещении третьего класса по чистоте, температуре и влаж-
ности.
Участок фотолитографии размещается в поме-
щении первого класса по температуре и влажности и третьего —
по чистоте. Это обусловлено необходимостью обеспечения вы-
сокой точности совмещения подложек с фотошаблонами и зави-
симостью выхода годных структур от степени чистоты подло-
жек и фотошаблонов.
Участок вакуумного напыления пленок раз-
мещается в помещении третьего класса по чистоте, влажности
и температуре.
Участок резки подложек на кристаллы
размещается в помещении пятого класса по чистоте и третьего —
по температуре и влажности.
Участок сборки размещается в помещении пятого
класса по чистоте и третьего — по температуре и влажности, так
213
как на этом этапе изготовления ИМС условия окружающей сре-
ды оказывают незначительное влияние на их параметры.
Участок герметизации оснащен комплектом
оборудования для сварки и пайки корпусов, при работе кото-
рого выделяются различные газы, и размещается в помещении
пятого класса по чистоте и третьего — по температуре и влаж-
ности.
Участок контроля, где проводят все определяемые
техническими условиями виды контроля ИМС, а также участ-
ки маркировки и упаковки размещаются в обыч-
ных рабочих помещениях. Кроме того, в состав цеха входят
технологическое бюро, бюро технического нормирования и кон-
троля, а также планово-диспетчерское бюро цеха микросборок,
снабжающие его технологической, нормативной и плановой до-
кументацией, оказывают технологическую помощь, осуществля-
ют технический контроль и др.
Ремонт оборудования проводит ремонтная группа цеха.
Группа технологического обеспечения отвечает за своевремен-
ную поставку в цех химических реактивов, газов и материалов.
Макетный участок выполняет подготовительные работы, свя-
занные с освоением новых изделий. Цех может также иметь
участок входного контроля материалов и компонентов.
При производстве толстопленочных микросборок в цех
дополнительно входят участки приготовления пасты, изготов-
ления трафаретов и плат, подгонки параметров элементов.
§ 43.	ЭЛЕКТРОННО-ВАКУУМНАЯ ГИГИЕНА
И СОСТОЯНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СРЕД
Электронно-вакуумная гигиена — это система мер по устрой-
ству производственных помещений, вентиляции и отопления,
применению специальной технологической одежды, а также
специальные правила поведения работающих, обеспечивающие
высокую чистоту в зоне выполнения технологических операций.
Необходимость поддержания в производственных помеще-
ниях высокой чистоты объясняется тем, что влага, кислоты,
пыль и другие загрязнения, попавшие на подложки или полу-
проводниковые структуры в процессе йзготовления полупро-
водниковых приборов и ИМС, могут привести к появлению де-
фектов, что снижает их качество или выводит из строя.
Дефекты эпитаксиальных слоев определяются наличием
загрязнений на исходных подложках и загрязнений,захватывае-
мых в процессе наращивания. Загрязнения способствуют также
образованию дислокаций. Основными источниками загрязнений
подложек являются воздух производственных помещений и ра-
214
бочих объемов, технологические газы, реактивы, деионизован-
ная вода.
Наиболее опасно присутствие в воздухе частиц размером
менее 0,5 мкм, поскольку им свойствешю долго находиться
во взвешенном состоянии и они могут оседать на подложки.
Стандартом установлено следующее разделение производствен-
ных помещений и рабочих объемов в зависимости от максималь-
ной концентрации частиц размером менее 0,5 мкм в 1 л воздуха:
0, 5, 35, 350, 1000, 3500, 10 000, 35 000. Операции окисления,
диффузии, наращивания эпитаксиальных слоев выполняются в
рабочих объемах, концентрация частиц пыли в 1 л воздуха ко-
торых составляет не более 5, а вакуумного нанесения диэлектри-
ческих и проводящих слоев — не более 35.
Наиболее важные технологические операции (например,
фотолитографические) проводят в ’’чистых” комнатах, распо-
ложенных внутри рабочих помещений. Атмосфера ’’чистых”
комнат должна соответствовать самым высоким требованиям
электронно-вакуумной гигиены. Воздух, подаваемый в ’’чистые”
комнаты, тщательно фильтруют, пропуская через волокнистые
фильтры, обладающие высокой производительностью.
Работать в ’’чистых” комнатах можно только в специальной
одежде, изготовленной из малопылящих материалов, и перчат-
ках. Комплект одежды закрепляется за каждым работающим
персонально. При работе в ’’чистых” комнатах следует соблю-
дать определенные правила (например, нельзя делать резких
движений, разговаривать).
В зависимости от характера выполняемых работ в рабочих
помещениях специальными установками кондиционирования
воздуха круглосуточно поддерживается относительная влаж-
ность от 40 до 60% и температура 20—26 °C. Вентиляционное
оборудование включается за час до начала работы. Запыленность
воздуха производственных помещений контролируют 2 раза в
смену не менее чем в шести точках.
Технологические газы (водород, азот, аргон, кислород и
др.), поступающие в баллонах по своим характеристикам, не-
пригодны для использования в технологических процессах, поэ-
тому их дополнительно очищают от примесей других газов
и микрочастиц. Так, водород, аргон и азот очищают от кислоро-
да и паров воды, присутствие которых вызывает нежелательное
окисление подложек при нагреве. Особо чистый водород полу-
чают диффузионной очисткой, пропуская его через мембрану из
сплава палладия с серебром.
В производстве ИМС используют особо чистые жидкие реак-
тивы, которые предварительно фильтруют для удаления посто-
ронних микрочастиц. Деионизованную воду также приходится
215
очищать фильтрованием от микрочастиц (содержание их может
быть до 300 в 1 л).
В процессе производства полупроводниковых приборов
и ИМС состояние технологических сред надо постоянно контро-
лировать, для чего применяют различные измерительные прибо-
ры. Так, размеры и объемные концентрации микрочастиц в жид-
ких и газообразных средах определяют лазерными счетчиками
ЛАМ-2 и ЛАМ-3. Эти счетчики позволяют регистрировать содер-
жание частиц размерами больше 0,1 мкм в 1 дм3 среды.
§ 44.	ТРАНСПОРТИРОВКА ИЗДЕЛИЙ
В ПРОЦЕССЕ ПРОИЗВОДСТВА
Загрязнения подложек и структур могут произойти также
при межоперационном транспортировании или хранении. Одно-
временно возможно, кроме того, окисление или другие нежела-
тельные изменения их поверхности. Поэтому в технологичес-
ких процессах предусматриваются специальные межоперацион-
ные переходы и используется технологическая тара нескольких
типоразмеров. Производственную тару изготовляют из таких
износостойких и негигроскопических материалов, не накапли-
вающих и не выделяющих со временем загрязнений, как поли-
стирол , полиэтилен, винипласт или алюминиевый сплав АМЦ.
Производственная тара может быть герметизированной и негер-
метизированной. Тара для фотошаблонов и светочувствительных
материалов должна быть непрозрачной.
Так как в процессе изготовления или использования тара
загрязняется, ее перед каждой загрузкой очищают: обезжири-
вают, моют и сушат. Очистка тары ветошью и щетками не допус-
кается. Очищенную тару упаковывают в чистые сухие полиэти-
леновые пакеты и в таком виде подают на рабочие места.
Керамические или полупроводниковые подложки с сформи-
рованными структурами, компоненты для гибридных схем, фо-
тошаблоны, а также детали корпусов можно брать только пин-
цетом или руками, защищенными резиновыми перчатками (на-
пальчниками) . Способы загрузки деталей в тару регламентиру-
ются технологической документацией. Время межоперационного
хранения подложек также устанавливается технологической до-
кументацией. Тару с подложками хранят в пылезащищенных
шкафах, а фотошаблоны, фотооригиналы и сетчатые трафаре-
ты — в таких шкафах, но обязательно в вертикальном положе-
нии.
В современных технологических линиях, представляющих
собой гибкие вакуумные системы, транспортировка подложек
с операции на операцию осуществляется автоматически (рис.
216
Рис. 101. Транспортировка пластин в вакуумной технологи-
ческой линии:
1 - технологические модули, 2 - центральная камера, 3 —
вакуумный затвор, 4 - робот, 5, 7 - вакуумные загрузочное
и разгрузочное устройства, 6 - линейный конвейер-манипу-
лятор
101). Кассеты с подложками загружаются в вакуумное загру-
зочное устройство 5. Роботы 4, расположенные внутри цент-
ральных камер 2, подают подложки через вакуумные затворы 3
в обрабатывающие технологические модули 1, а затем пере-
гружают их на линейный конвейер-манипулятор 6, соединяю-
щий центральные камеры. Обработанные подложки поступают
в кассеты, которые выгружаются разгрузочным устройством 7.
Перемещение подложек из модуля в модуль определяется
технологическим маршрутом и осуществляется в полностью
контролируемой среде, что резко уменьшает их загрязнения
и увеличивает процент выхода годных изделий. Работа манипу-
ляторов происходит под управлением ЭВМ.
Для транспортирования подложек между отдельными тех-
нологическими модулями гибких вакуумных производственных
систем используются также вакуумные роботы-склады, снаб-
женные типовыми вакуумными шлюзами. Через такой шлюз
кассеты с подложками поступают на склад или выгружаются
со склада в рабочую камеру для обработки.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1.	Из каких элементов состоит производственный процесс?
2.	По какому принципу специализируют цеха предприятия?
3.	Какова структура цеха изготовления мнкросборок?
4.	Какие правила электронно-вакуумной гигиены надо со-
блюдать при изготовлении полупроводниковых изделий и ЙМС?
5.	Каковы правила транспортирования и хранения подложек?
217
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Уважаемый читатель! Вы, конечно, понимаете, что в данном
учебнике изложены лишь основы технологии изготовления
полупроводниковых приборов и интегральных микросхем.
Вместе с тем вы получили представление о современном уров-
не и перспективах развития важнейших направлений полупро-
водниковой и микроэлектронной технологии, что позволит вам
овладеть выбранной профессией.
Рассмотренные в книге технологические процессы не явля-
ются единственно возможными. При изготовлении полупро-
водниковых приборов и ИМС различных типов применяют на-
бор универсальных технологических операций, выполняемых
в определенной последовательности. Многие из этих операций
являются общими для большинства технологических процес-
сов, которые подробно описываются во второй—десятой книгах
предлагаемой серии учебных пособий.
С развитием электроники, появлением функционально бо-
лее сложных и принципиально новых полупроводниковых при-
боров и ИМС технология их изготовления непрерывно совершен-
ствуется и обновляется. Поэтому в практической деятельности
вам следует постоянно пополнять и углублять свои знания,
обращаясь к новым книгам и периодическим изданиям по
специальности, перенимая опыт высококвалифицированных ра-
бочих, осваивая передовые методы и приемы труда. Все это
будет способствовать освоению вами выбранной профессии и
позволит успешно выполнять сложные технологические опера-
ции при создании изделий микроэлектроники.
В добрый путь!
ПРИЛОЖЕНИЯ
Приложение 1. Параметры кремния
 Параметр	Значение
Атомный номер................................14
Атомная масса, г............................. 28,086
Количество валентных электронов .............4
Концентрация атомов, см-3....................4,96 •	10
Плотность, г/см3.............................2,328
Постоянная элементарной кристаллической решетки,
нм......................................0,543
Твердость по шкале Мосса.....................7,0
Температура плавления, °C....................1417±4
Удельная теплопроводность, Вт/(см • С)....... 1,57
Удельная теплота плавления, Дж/г.............1800
з
Теплота возгонки (сублимации), Дж/г.......... (18±2) -10
Температурный коэффициент линейного расшире-
ния, 1/°С................................... (2,62±О,3)	•	10'6
Коэффициент преломления......................3,42
Относительная диэлектрическая проницаемость .... 12
Ширина запрещенной зоны, эВ..................1,115
Температурный коэффициент ширины запрещенной
зоны, эВ/°С...................................~2,3 • 10 4
Работа выхода электрона из беспримесного матери-
ала, эВ.......................................5,05 ±0,2
Концентрация подвижных носителей в беспримесном
материале (собственная концентрация), см-3 . . 1,5- 1О10
Подвижность электронов в беспримесном материале,
см2/(В - с)...................................135О±1ОО
Подвижность дырок в беспримесном материале,
см2/ (В • с).................................. 480± 15
Приложение 2. Энергия ионизации (зВ) атомов
примесных элементов в германии и кремнии
Примесный	В германии	В кремнии
ап е м с п т --------------------------------------------
донора акцептора донора акцептора
В(1)*	-	0,0104	-	0,045
Al (1)	-	0,0102	-	0,057
Ga (1)	-	0,0108	-	0,065
*В скобках указано количество энергетических уровнен атомов при-
месных элементов в германии и кремнии.
219
Продолжение
Примесный элемент	В германии		В кремнии	
	донора	акцептора	донора	акцептора
In (1)	—	0,0112	—	0,072
р (1)	0,0120	-	0,044	-
As (1)	0,0127	-	0,049	-
Sb (1)	0,0096	-	0,039	—
Си (1)	—	0,04	-	0,24
Си (2)	-	0,33		0,49
Си (3)	0,026	-	-	-
Au (1)	—	0,05	-	0,35
Аи (2)	—	0,16	-	0,34
Ли (3)	0,20	-	0,3	-
Аи (4)	0,04	-	-	-
Те (1)	0,10		-	-
Sc (1)	0,14	-	-	-
Cd (1)	—	0,05	-	-
Cd (2)	-	0,16	-	-
Ag (1)	-	0,13	-	-
Ag (2)	0,29	-	-	-
Ag (3)	0,09	-	-	-
Pt (1)	—	0,04	—	—
рекомендуемая литература
Бер А.Ю., Минс к е р Ф.Е. Сборка полупроводниковых прибо-
ров и интегральных микросхем. М., 1981.
Бочкин О.И., Брук В.А., Никифоров а-Д с н и с о в а С.Н.
Механическая обработка полупроводниковых материалов. М„ 1983.
Волчкевич Л.И. Автоматизация производства электронной тех-
ники. М., 1988.
Ефимов И.Е., Козырь И.Я., Горбунов Ю.И. Микроэлект-
роника: Физические и технологические основы, надежность. М., 1986.
К р а с о в В.Г., Петраускас Г.Б., Чериозубов Ю.С. Тол-
стоплсио'шая технология в СВЧ-микроэлектронике. М., 1985.
Малышева И.А. Технология производства микроэлектронных
устройств. М., 1980.
Материалы для производства изделий электронной техники,
М„ 1987.
М о к с с в О.К., Романов А.С. Химическая обработка и фото-
литография в производстве полупроводниковых приборов и микросхем.
М., 1985.
М о к с е в О.К. Полупроводниковые Приборы и микросхемы. М.,
1987.
Моряков О.С. Сварка и пайка в полупроводниковом производ-
стве. М., 1982.
Моряков О.С. Термические процессы в микроэлектронике. М.,
1987.
Перельман Б.Л., С и д о р о в В.Г. Методы испытаний и обо-
рудование для контроля качества полупроводниковых приборов, М„
1986.
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие...............................................   3
Введение................................................     5
Глава первая. Полупроводниковые приборы и интегральные
микросхемы............................................ 9
§ 1.	Основные сведения..............................   9
§ 2.	Основные этапы развития микроэлектроники......	12
§ 3.	Особенности изготовления полупроводниковых прибо-
ров и ИМС ............................	15
§ 4.	Технологическая документация...................  17
Глава вторая. Физико-химические основы технологии из-
готовления полупроводниковых приборов и ИМС.........  20
§ 5.	Ориентация полупроводниковых монокристалличес-
ких слитков......................................... 20
§ 6.	Механическая обработка полупроводниковых слитков
и пластин....................................... 24
§ 7.	Жидкостная и сухая обработка полупроводниковых
пластин......................................... 30
§ 8.	Эпитаксиальное наращивание полупроводниковых
слоев.........................................   35
§ 9.	Формирование защитных и пассивирующих покрытий .	39
§ 10.	Литография....................................   44
§ 11.	Легирование полупроводниковых подложек.......... 50
§ 12.	Нанесение тонких пленок......................... 57
Глава третья. Типовые технологические процессы изготовле-
ния полупроводниковых приборов и	ИМС............ 67
§ 13.	Основные сведения............................... 67
§ 14.	Планарная и эпитаксиально-планарная технология изго-
товления элементов ИМС.......................... 71
§ 15.	Технология изготовления полупроводниковых бипо-
лярных ИМС с изоляцией р-п переходами .......... 77
§ 16.	Технология изготовления полупроводниковых бипо-
лярных ИМС с диэлектрической изоляцией.............. 87
§ 17.	Технология изготовления полупроводниковых бипо-
лярных ИМС с комбинированной изоляцией.............. 92
§ 18.	Технология изготовления биполярных совмещенных
ИМС................................................. 99
§ 19.	Особенности изготовления ИМС на МДП-транзисторах 101
§ 20. Технология изготовления ИМС на МОП-транзисторах 105
§21. Технология изготовления КМОП ИМС................ 112
§ 22.	Базовые технологические процессы изготовления по-
лупроводниковых биполярных и МОП ИМС............... 114
Глава четвертая. Типовые технологические процессы
изготовления плат гибридных ИМС, БИС и мнкросборок 123
§ 23. Технология изготовления плат тонкопленочных гиб-
ридных ИМС................................................ 125
§ 24.	Технология изготовления плат тол сто пленочных гиб-
ридных ИМС......................................... 135
§ 25.	Технология изготовления плат гибридных БИС н МСБ 144
222
Глава пятая. Технология подгонки параметров пленочных
элементов, монтажа кристаллов, сборки и герметизации по-
лупроводниковых приборов, ИМС и БИС................... 151
§ 26.	Подгонка параметров пленочных элементов гибридных
ИМС и БИС............................................ 151
§ 27.	Монтаж кристаллов и присоединение выводов..... 155
§ 28.	Герметизация полупроводниковых приборов, ИМС
и БИС................................................ 163
Глава шестая. Конструктивно-технологические особенности
изготовления индикаторных устройств................... 171
§ 29.	Основные сведения............................... 171
§ 30.	Изготовление индикаторов	на светодиодах......... 173
§ 31.	Изготовление электролюминесцентных индикаторов . . 180
Глава седьмая. Перспективы развития полупроводниковой
и микроэлектронной технологии......................... 183
§ 32.	Основные тенденции............................. 183
§ 33.	Новые технологические и конструктивные направле-
ния ................................................. 185
§ 34.	Устройства функциональной микроэлектроники......	187
§35.	Заказные и полузаказные ИМС..................... 191
§36.	Автоматизация технологических процессов......... 194
§ 37.	Роботизация технологических процессов........... 197
§ 38.	Интеграция в микроэлектронике................... 201
Глава восьмая. Качество ц надежность полупроводниковых
приборов и ИМС......................................... 203
§39.	Основные показатели качества н надежности....... 203
§ 40.	Стандартизация и контроль качества.............. 205
Глава девятая. Организация производства...................... 210
§ 41.	Основные сведения...............................  210
§ 42.	Виды и назначение основных цехов н участков.....	212
§ 43.	Электронно-вакуумная гигиена и состояние техноло-
гических сред.......................................... 214
§44.	Транспортировка изделий в процессе производства . . .	216
Заключение............................................... 218
Приложения............................................... 219
Рекомендуемая литература................................. 221
Учебное издание
Технология полупроводниковых приборов
и изделий микроэлектроники
Книга 1
Козырь Иван Яковлевич, Горбунов Юрий Иванович,
Чсрпозубов Юрий Сергеевич, Пономарев Александр Сергеевич
ОБЩАЯ ТЕХНОЛОГИЯ
Заведующая редакцией С.В. Никитина. Редактор А.Ш. Долгова. Мл. ре-
дактор Т.В. Шсгаиова. Художник П.Б. Борисовский. Художественный
редактор В.Г. Пасичпик. Технический редактор Л.М. Матюшина. Коррек-
тор Р.К. Косинова. Оператор В.А. Фетисова.
ИБ № 7885
Изд. № ЭГ-256. Сдано в набор 24.03.89. Поди, в печать 15.08.89. Формат
84хЮ81/32. Бум. кн.-журн. Гарнитура Пресс-Роман. Печать высокая.
Объем 11,76 усл. печ. л. 11,97 усл. кр.-отт. 13,22 уч.-изд. л. Тираж
30 000 экз. Зак. № 540. Цена 30 коп.
Издательство ’’Высшая школа”, 101430, Москва, ГСП-4, Неглинная ул.,
д. 29/14.
Набрано на наборно-пишущих машинах издательства.
Отпечатано в Ярославском полиграфкомбинате при Госкомпечати СССР.
150014, Ярославль, ул. Свободы, 97.