Печатные платы

Введение

Термин "технология" происходит от двух греческих слов:  – искусство, мастерст-во, умение и  – наука. В производственных процессах он применяется для обозначе-ния технологических процессов: операционных, маршрутных, полных, а также методов и способов их выполнения.

Интегральная схема (микросхема) ¬–¬¬¬ микроэлектронное изде¬лие, выполняющее опреде-ленную функцию преобразования, об¬работки сигнала, накапливания информации и имею-щее высокую плотность электрически соединенных элементов (или элементов и компонен-тов), которые с точки зрения требований к испытани¬ям, приемке, поставке и эксплуатации рассматриваются как еди¬ное целое.

Важным показателем качества технологии и конструкции ИС является плотность упа-ковки элементов на кристалле – число элементов, приходящихся на единицу его площади. Кроме умень¬шения размеров элементов для повышения плотности элементов на кристалле используется совмещение нескольких (обычно двух) функций некоторыми областями полу-проводникового кристалла, а также трехмерные структуры, разделенные диэлектрическими про¬слойками.

Конструктивно-технологическая классификация ИС отражает способ изготовления и по-лучаемую при этом структуру. По этому критерию различают полупроводниковые и гиб-ридные ИС. В полу¬проводниковых ИС все элементы и межэлементные соединения из¬готовлены в объеме и на поверхности полупроводника. В гибридных ИС на диэлектриче-ской подложке изготовляются пленочные пассив¬ные элементы (резисторы, конденсаторы) и устанавливаются наве¬сные активные и пассивные компоненты. Промежуточным типом ИС являются совмещенные интегральные схемы, в которых транзисторы изготовля¬ются в ак-тивном слое кремния, а пленочные резисторы и диоды ¬– как и проводники на изолирующем слое двуокиси кремния.

По типу применяемых активных элементов (транзисторов) инте¬гральные схемы делятся на ИС на биполярных транзисторах (бипо¬лярных структурах) и ИС на МДП-транзисторах (МДП-структурах).

Данная работа посвящена описанию основных технологических операций производства интегральных микросхем:

• выращивание монокристаллов;

• изготовление пластин;

• обработка поверхности пластин;

• 4

• 5

• 6

• 7

• 8

• 9

• 10

1 Выращивание монокристаллов

Качество полупроводниковых приборов в значительной степени зависит от качества ис-ходных полупроводниковых материалов. Поэтому создание полупроводниковой интеграль-ной схемы начинается с изготовления монокристаллических слитков полупроводников. Особую проблему при этом представляет их очистка от примесей.

В настоящее время для промышленного изготовления большинства полупроводниковых микросхем применяют кремний. Это объясняется тем, что кремний по сравнению с также хорошо изученным и освоенным полупроводниковой промышленностью германием обла-дает рядом преимуществ. Так, кремний имеет большую ширину запрещенной зоны, что обеспечивает более широкий интервал рабочих температур, меньшие обратные токи пере-ходов и меньшую их зависимость от температуры, а также позволяет изготавливать рези-сторы с большими значениями сопротивлений, слабо зависящими от тока утечки. Кремние-вые переходы имеют большие пробивные напряжения, их пробой наступает при больших температурах. Кроме того, кремний является самым распространенным в природе элемен-том после кислорода. Содержание кремния в земной коре составляет по массе 27,7 %, что обеспечивает неограниченную возможность расширения его производства по сравнению с другими полупроводниками, относящимися к рассеянным элементам. Помимо дешевизны и недефицитности, кремний обладает существенно большим значением напряжения образо-вания дислокаций, чем другие полупроводники. Это делает возможным выращивание без-дислокационных монокристаллических слитков диаметром до 150 мм и более с массой бо-лее 100 кг. Известно несколько способов получения монокристаллических слитков, основанных на следующем принципе.

Растворимость большинства примесей гораздо больше в жидкой фазе, чем в твердой. Поэтому если постепенно охлаждать расплавленный полупроводник, то в затвердевшей части будет меньше примесей, чем в оставшейся жидкой части, словно примеси оттесняются в жидкую фазу. Отрезая же от полностью затвердевшего слитка ту часть, которая затвердела последней (и в которой, соответственно, сконцентрирована основная масса примесей) и повторяя операцию несколько раз, можно получить очень чистый материал. В рамках данной работы остановимся на двух методах: методе Чорхальского и зонной плавке.

1.1 Метод Чорхальского

Схема процесса изображена на рис 1. В расплавленное нагревателем вещество, которое на¬ходится в тигле и имеет температуру, близкую к температуре плавления, опускают моно-кристаллическую затравку того же состава, что и расплав. Далее при¬водится в действие ме-ханизм подъема и вращения затравки; при этом затравка сма¬чивается расплавом и увлекает его вверх, вследствие чего расплав на затравке нара¬стает в виде кристаллической фазы. Ме-тод обеспечивает получение полупроводни¬кового материала в форме совершенных моно-кристаллов с определенной кристал¬лической ориентацией и минимальным числом дефек-тов. Нагреватель может быть резистивным, высокочастотным, электронно-лучевым.

При этом необходимо выдерживать должный температурный режим на поверхности со-прикосновения кристалл-расплав, скорость вращения стержня и скорость вытягивания. Вращение стержня обуславливает перемешивание расплава, а также вывод дислокаций за пределы кристалла. Процесс производится в атмосфере инертных газов или водорода, кото-рые также должны быть достаточно чистыми.

1.2 Метод зонной плавки (метод перекристаллизации)

На рис 2 показана схема безтигельной вертикальной зонной плавки. Достоинством мето-да является совмещение процесса глубокой очистки полу¬проводника с последующим вы-ращивани¬ем его монокристалла. Отливка в форме стержня из предварительно очищенного и легированного поликристаллического полупроводника прикрепляется одним концом к затравочному кристаллу. Небольшая зона контакта на границе затравочного кристалла разогревается до температуры плавления полем высокой частоты или электронным пучком и медленно сдвигается к противоположному концу стержня. На затравочной стороне происходит отвердение кремния в виде монокристалла. Как уже было сказано, большинство примесей обладают хорошей растворимостью в жидкой фазе по сравнению с твердой. Поэтому по мере продвижения зона плавления все больше насыщается примесями, которые по завершении процесса концентрируются на конце слитка. Обычно про¬цесс зонной плавки повторяют несколько раз, по окончании очистки загрязненный конец слитка отрезают.

Обычно изготовля¬ют монокристаллы с равномерным распре¬делением легирующей примеси (донорной или акцепторной). Легирование кремния или германия элементами осуществляется введением в расплав соответствующей примеси. Таким образом, слитки могут иметь электронную электропроводность (n-тип) или дырочную (р-тип). Максималь¬ная длина может достигать 100, 150 см, а диаметр слитка до 150 мм и более.

2 Изготовление пластин

Полученные путем метода Чорхальского и метода зонной плавки массивные монокри-сталлические слитки непосредственно не используются. Их нарезают на множество тонких пластин, на основе которых уже изготавливаются отдельные интегральные микросхемы.

Механическая обработка полупроводников затруднена их высокими твердостью и хруп-костью. Использовать обычные методы механической обработки, применяемые в металло-обрабатывающей промышленности, такие, например, как прокатка, штамповка, вырубка, нельзя. Для изготовления пластин из монокристаллических слитков применяют метод абра-зивной обработки, т.е. обработки более твердым, но менее хрупким, чем обрабатываемая поверхность, материалом, а также другие эффективные методы.

Перед началом резки слиток необходимо прочно закрепить на неподвижном основании, причем очень важно обеспечить точное расположение слитка относительно полотен или дисков с тем, чтобы пластины имели необходимую кристаллографическую ориентацию. Как правило, пластины нарезаются в плоскости или .

Наиболее распространенным способом крепления является закрепление с помощью раз-личных наклеечных материалов, например, воска, канифоли, шеллака, глифталевой смазки, клея БФ, эпоксидных смол и крепежных мастик на их основе. Наклеечное вещество рас-плавляется и наносится на заготовки и крепежные приспособления и, застывая, скрепляет их в заданном положении.

После механической обработки материал нагревают, расплавляя наклеечный материал. Затем заготовки отмывают от наклеечного материала в специально подобранных раствори-телях. Для закрепления на держателе рабочего стола слиток сначала ориентированно приклеивают к специальной оправке торцом или цилиндрической поверхностью, а слитки большого диаметра ¬¬– одновременно торцевой и цилиндрической поверхностями (рис 4).

Держатель рабочего стола станка с помощью поворотной головки позволяет по-ворачивать слиток и устанавливать его относительно плоскости отрезного круга так, чтобы получить пластины с заданной ориентацией поверхности.

Обычно, резка слитка на пластины осуществляется либо с помощью комплекта тонких длинных стальных полотен, либо с помощью "алмазных дисков".

2.1 Резка стальными полотнами и дисками

На рис