Technológia výroby integrovaných mikroobvodov

Výroba integrovaných obvodov pozostáva zo série operácií, pri ktorých sa z východiskových materiálov postupne získava hotový výrobok. Počet operácií technologického procesu môže dosiahnuť 200 a viac, preto budeme brať do úvahy iba základné.

Epitaxia je operácia rastu monokryštálovej vrstvy na substráte, ktorá opakuje štruktúru substrátu a jeho kryštalografickú orientáciu. Na získanie epitaxných filmov s hrúbkou 1 až 15 μm sa zvyčajne používa chloridová metóda, pri ktorej sa polovodičové doštičky po dôkladnom očistení povrchu od rôznych druhov nečistôt vložia do kremennej trubice s vysokofrekvenčným ohrevom, kde sa doštičky sa zahrejú na 1200 ± 3 °C. Cez potrubie prechádza prúd vodíka s malým obsahom chloridu kremičitého. Atómy kremíka vznikajúce v priebehu reakcie zaberajú miesta v miestach kryštálovej mriežky, vďaka čomu rastúci film pokračuje v kryštálovej štruktúre substrátu. Keď sa do zmesi plynov pridajú plynné donorové zlúčeniny, získaná vrstva získa vodivosť typu p.

Doping je operácia zavádzania nečistôt do substrátu. Existujú dva spôsoby dopingu: difúzia nečistôt a implantácia iónov.

Difúzia nečistôt je pohyb častíc v dôsledku tepelného pohybu v smere znižovania ich koncentrácie. Hlavný mechanizmus prenikania atómov nečistôt do kryštálovej mriežky spočíva v ich postupnom pohybe pozdĺž mriežkových voľných miest. Difúzia nečistôt sa uskutočňuje v kremenných peciach pri teplote 1100-1200 °C, udržiavanej s presnosťou ±0,5 °C. Cez pec prechádza neutrálny nosný plyn (N2 alebo Ar), ktorý transportuje častice difúzneho činidla (B2O3 alebo P2O5) na povrch platní, kde sa v dôsledku chemických reakcií uvoľňujú atómy nečistôt (B alebo P). ktoré difundujú hlboko do platní.

Iónový doping je široko používaný pri vytváraní LSI a VLSI. V porovnaní s difúziou proces iónového dopovania trvá menej času a umožňuje vytváranie vrstiev so submikrónovými horizontálnymi rozmermi, hrúbkou menšou ako 0,1 µm, s vysokou reprodukovateľnosťou parametrov.

Tepelná oxidácia sa používa na získanie tenkých vrstiev oxidu kremičitého SiO2, je založená na vysokoteplotných reakciách kremíka s kyslíkom alebo látkami obsahujúcimi kyslík. Oxidácia prebieha v kremenných peciach pri teplote 800-1200 °C s presnosťou ±1 °C.

Leptanie sa používa na čistenie povrchu polovodičových doštičiek od rôznych druhov nečistôt, odstraňovanie vrstvy SiO2 a tiež na vytváranie drážok a priehlbín na povrchu substrátov. Leptanie môže byť tekuté aj suché.

Tekuté leptanie sa vykonáva pomocou kyseliny alebo zásady. Leptanie kyselinou sa používa pri príprave kremíkových doštičiek na výrobu mikročipových štruktúr s cieľom získať zrkadlovo hladký povrch, ako aj odstrániť film Si02 a vytvoriť v ňom otvory. Alkalické leptanie sa používa na získanie drážok a priehlbín.

Litografia je proces vytvárania otvorov v maskách používaných na lokálnu difúziu, leptanie, oxidáciu a iné operácie. Existuje niekoľko variácií tohto procesu.

Fotolitografia je založená na použití svetlocitlivých materiálov – fotorezistov, ktoré môžu byť negatívne aj pozitívne. Negatívne fotorezisty pôsobením svetla polymerizujú a stávajú sa odolnými voči leptadlám. V pozitívnych fotorezistoch svetlo naopak ničí polymérne reťazce, takže exponované oblasti fotorezistu sú zničené leptadlom. Pri výrobe FPGA sa vrstva fotorezistu nanáša na povrch SiO2 a pri výrobe GIS sa nanáša na tenkú vrstvu kovu nanesenú na substrát alebo na tenkú kovovú platňu, ktorá funguje ako odnímateľná maska. .

Požadovaný vzor IC prvkov sa získa ožiarením fotorezistu svetlom cez fotomasku, čo je sklenená platňa, na ktorej jednej strane je pozitívny alebo negatívny vzor IC prvkov v mierke 1:1. Pri výrobe integrovaných obvodov sa používa niekoľko fotomasiek, z ktorých každá nastavuje vzor určitých vrstiev (oblasť bázy a žiariča, kontaktné vodiče atď.).

Po ožiarení svetlom sa nepolymerizované plochy fotorezistu odstránia leptadlom a na povrchu SiO2 (alebo kovového filmu) sa vytvorí fotorezitívna maska.

Röntgenová litografia využíva mäkké röntgenové lúče s vlnovou dĺžkou okolo 1 nm, čo umožňuje získať D » 0,1 µm. Fotomaska ​​je v tomto prípade membrána (asi 5 μm) priepustná pre röntgenové lúče, na ktorej je pomocou elektrónovej litografie vytvorený obrazec IC prvkov.

Litografia s iónovým lúčom využíva ožarovanie rezistu iónovým lúčom. Citlivosť rezistu na ožarovanie iónmi je mnohonásobne vyššia ako na ožarovanie elektrónmi, čo umožňuje použitie lúčov s nízkymi prúdmi, a teda s malým priemerom (do 0,01 μm). Systém iónovej litografie je technologicky kompatibilný s jednotkami iónového dopingu.

3 TECHNOLOGICKÝ ZÁKLAD VÝROBY

POLOVODIČOVÝ INTEGROVANÝ MIKROBVOD

Technológia výroby polovodičových integrovaných obvodov (SSIMS) sa vyvinula na báze technológie planárnych tranzistorov. Preto, aby sme pochopili technologické cykly výroby IC, je potrebné oboznámiť sa s typickými technologickými procesmi, z ktorých sa tieto cykly skladajú.

3.1 Prípravné operácie

Monokryštálové kremíkové ingoty, podobne ako iné polovodiče, sa zvyčajne získavajú kryštalizáciou z taveniny - Czochralského metóda. Pri tejto metóde sa naočkovaná tyčinka (vo forme monokryštálu kremíka) po kontakte s taveninou pomaly zdvihne za súčasnej rotácie. V tomto prípade sa po semene vytiahne rastúci a tuhnúci ingot.

Kryštalografická orientácia ingotu (jeho prierez) je určená kryštalografickou orientáciou zárodku. Častejšie ako iné sa používajú ingoty s prierezom ležiacim v rovine (111) alebo (100).

Typický priemer ingotov je v súčasnosti 80 mm a maximálny priemer môže dosiahnuť 300 mm alebo viac. Dĺžka ingotov môže dosiahnuť 1-1,5 m, ale zvyčajne je niekoľkonásobne menšia.

Kremíkové ingoty sú narezané na mnoho tenkých plátov (hrúbka 0,4-1,0 mm), na ktorých sa potom vyrábajú integrované obvody. Povrch dosiek po rezaní je veľmi nerovný: rozmery škrabancov, výčnelkov a jamiek ďaleko presahujú rozmery budúcich prvkov IC. Preto sa pred začatím hlavných technologických operácií dosky opakovane brúsia a následne leštia. Účelom brúsenia je okrem odstránenia mechanických defektov aj zabezpečenie požadovanej hrúbky plechu (200-500 mikrónov), ktorá je pri rezaní nedosiahnuteľná a rovnobežnosť rovín. Na konci brúsenia zostáva na povrchu ešte mechanicky narušená vrstva hrubá niekoľko mikrónov, pod ktorou je ešte tenšia, takzvaná fyzikálne narušená vrstva. Ten je charakterizovaný prítomnosťou "neviditeľných" deformácií kryštálovej mriežky a mechanického namáhania, ktoré vzniká počas procesu brúsenia.

Leštenie spočíva v odstránení oboch poškodených vrstiev a redukcii povrchových nerovností na úroveň charakteristickú pre optické systémy – stotiny mikrometra. Okrem mechanického leštenia sa používa chemické leštenie (leptanie), teda v podstate rozpustenie povrchovej vrstvy polovodiča v určitých činidlách. Výčnelky a praskliny na povrchu sú vyleptané rýchlejšie ako základný materiál a povrch je spravidla vyrovnaný.

Dôležitým procesom v polovodičovej technike je aj čistenie povrchu od kontaminácie organickými látkami, najmä tukmi. Čistenie a odmasťovanie sa vykonáva v organických rozpúšťadlách (toluén, acetón, etylalkohol atď.) pri zvýšených teplotách.

Leptanie, čistenie a mnohé ďalšie procesy sú sprevádzané umývaním platní deionizované voda.

3.2 Epitaxia

epitaxia nazývaný proces rastu monokryštálových vrstiev na substráte, v ktorom kryštalografická orientácia vrstvy, ktorá sa pestuje, opakuje kryštalografickú orientáciu substrátu.

V súčasnosti sa epitaxia zvyčajne používa na získanie tenkých pracovných vrstiev do 15 µm homogénneho polovodiča na relatívne hrubom substráte, ktorý plní úlohu nosnej konštrukcie.

Typické - chlorid proces epitaxie vo vzťahu ku kremíku je nasledovný (obrázok 3.1). Monokryštalické kremíkové doštičky sa vložia do téglika "lodného" a umiestnia sa do kremennej trubice. Cez potrubie prechádza prúd vodíka, ktorý obsahuje malú prímes chloridu kremičitého SiCl4. Pri vysokej teplote (asi 1200°C) nastáva na povrchu platní reakcia SiCl4 + 2H2 = Si + 4HC1.

Výsledkom reakcie je vrstva čistého

kremík a para HCl sú unášané prúdom vodíka. Epitaxná vrstva naneseného kremíka je monokryštál a má rovnakú kryštalografickú orientáciu ako substrát. Chemická reakcia v dôsledku výberu teploty prebieha iba na povrchu platne a nie v okolitom priestore.

Obrázok 3.1 - Proces epitaxie

Proces, ktorý prebieha v prúde plynu, sa nazýva preprava plynu reakciu a hlavný plyn (v tomto prípade vodík), ktorý nesie nečistotu do reakčnej zóny, je nosný plyn.

Ak sa k parám chloridu kremičitého pridajú páry zlúčenín fosforu (РН3) alebo zlúčenín bóru (В2Н6), epitaxná vrstva už nebude mať svoju vlastnú, ale podľa toho elektrónovú alebo dierovú vodivosť (obrázok 3.2a), pretože donorové atómy budú Do naneseného kremíka sa počas reakcie zavádzajú atómy fosforu alebo akceptoru bóru.

Epitaxia teda umožňuje rásť na substráte monokryštálové vrstvy akéhokoľvek typu vodivosti a akéhokoľvek špecifického odporu, ktoré majú akýkoľvek typ a hodnotu vodivosti, napríklad na obrázku 3.2a je znázornená vrstva n a vrstva môže vzniknúť n+ alebo p+.

Obrázok 3.2 - Substráty s epitaxnými a oxidovými filmami

Hranica medzi epitaxnou vrstvou a substrátom nie je dokonale ostrá, pretože nečistoty čiastočne difundujú z jednej vrstvy do druhej počas procesu epitaxie. Táto okolnosť sťažuje vytvorenie ultratenkých (menej ako 1 μm) a viacvrstvových epitaxných štruktúr. Hlavnú úlohu v súčasnosti zohráva jednovrstvová epitaxia. Výrazne rozšírila arzenál polovodičovej techniky; získanie takých tenkých homogénnych vrstiev, aké poskytuje epitaxia, je nemožné inými prostriedkami.

Na obrázku 3.2a a nasledujúcich nie je dodržaná vertikálna mierka.

V inštalácii znázornenej na obrázku 3.1 sú poskytnuté niektoré ďalšie operácie: prečistenie potrubia dusíkom a plytké leptanie povrchu kremíka v pare HCl (na účely čistenia). Tieto operácie sa vykonávajú pred začiatkom hlavných.

Epitaxný film sa môže líšiť od substrátu v chemickom zložení. Spôsob získavania takýchto filmov je tzv heteroepitaxia, Na rozdiel od homoepitaxia, popísané vyššie. Samozrejme, pri heteroepitaxii musia mať materiály filmu aj substrátu stále rovnakú kryštálovú mriežku. Napríklad silikónový film môže byť pestovaný na zafírovom substráte.

Na záver poznamenávame, že okrem opísanej plynovej epitaxie existuje kvapalná epitaxia, pri ktorej sa rast monokryštálovej vrstvy uskutočňuje z kvapalnej fázy, t.j. z roztoku obsahujúceho potrebné zložky.

3.3 Tepelná oxidácia

Oxidácia kremíka je jedným z najcharakteristickejších procesov v technológii moderných FPIM. Výsledný film oxidu kremičitého SiO2 (obrázok 3.2b) plní niekoľko dôležitých funkcií vrátane:

ochranná funkcia - pasivácia povrch a najmä ochrana zvislých úsekov p - n prechody vystupujúce na povrch;

Funkcia masky cez okienka, do ktorých sa difúziou vnášajú potrebné nečistoty (obrázok 3.4b);

Funkcia tenkého dielektrika pod bránou MOSFET alebo kondenzátora (obrázky 4.15 a 4.18c);

Dielektrická základňa na spojenie prvkov PCB IC s kovovým filmom (obrázok 4.1).

Povrch kremíka je vždy pokrytý „vlastným“ oxidovým filmom, ktorý vzniká „prirodzenou“ oxidáciou pri najnižších teplotách. Tento film je však príliš tenký (asi 5 nm) na to, aby vykonával niektorú z uvedených funkcií. Preto sa pri výrobe polovodičových integrovaných obvodov umelo získavajú hrubšie filmy SiO2.

Umelá oxidácia kremíka sa zvyčajne vykonáva pri vysokej teplote (°C). Takáto tepelná oxidácia sa môže uskutočňovať v kyslíkovej atmosfére. (suchá oxidácia), v zmesi kyslíka a vodnej pary ( mokrá oxidácia) alebo jednoducho vo vodnej pare.

Vo všetkých prípadoch sa proces uskutočňuje v oxidačných peciach. Základom takýchto pecí je ako pri epitaxii kremenná trubica, v ktorej je umiestnená „loďka“ s kremíkovými platňami, vyhrievaná buď vysokofrekvenčnými prúdmi alebo iným spôsobom. Cez potrubie prechádza prúd kyslíka (suchého alebo zvlhčeného) alebo vodnej pary, ktorá vo vysokoteplotnej zóne reaguje s kremíkom. Takto získaný film Si02 má amorfnú štruktúru (obrázok 3.2b).

Je zrejmé, že rýchlosť rastu oxidu sa musí časom znižovať, pretože nové atómy kyslíka musia difundovať cez čoraz silnejšiu vrstvu oxidu. Semi-empirický vzorec týkajúci sa hrúbky oxidového filmu k času tepelnej oxidácie má tvar:

kde k - parameter v závislosti od teploty a vlhkosti kyslíka.

Suchá oxidácia je desaťkrát pomalšia ako mokrá oxidácia. Napríklad rast filmu SiO2 s hrúbkou 0,5 μm v suchom kyslíku pri 1000 °C trvá asi 5 hodín a vo vlhkom kyslíku iba 20 minút. Kvalita filmov získaných vo vlhkom kyslíku je však nižšia. S poklesom teploty na každých 100 ° C sa doba oxidácie zvyšuje 2-3 krát.

V technológii IC sa rozlišujú „hrubé“ a „tenké“ oxidy SiO2. Husté oxidy ( d = 0,7-1,0 mikrónov) vykonávajú funkcie ochrany a maskovania a tenké (d = 0,1-0,2 µm) - hradlové dielektrické funkcie v MOSFEToch a kondenzátoroch.

Jedným z dôležitých problémov pri pestovaní filmu SiO2 je zabezpečiť jeho rovnomernosť. V závislosti od kvality povrchu plátku, čistoty činidiel a režimu rastu vznikajú vo filme niektoré alebo iné problémy. vady. Bežným typom defektov sú mikro- a makropóry, až po priechodné otvory (najmä v tenkom oxide).

Kvalita oxidového filmu sa zvyšuje s poklesom jeho rastovej teploty, ako aj s použitím suchého kyslíka. Preto sa suchou oxidáciou získa tenký hradlový oxid, ktorého kvalita určuje stabilitu parametrov MOS tranzistora. Pri pestovaní hustého oxidu sa strieda suchá a mokrá oxidácia: prvá zaisťuje absenciu defektov a druhá umožňuje skrátiť čas procesu.

Ďalšie spôsoby získania filmu Si02 sú diskutované v.

3.4 Litografia

Masky zaujímajú dôležité miesto v technológii polovodičových zariadení: zabezpečujú lokálny charakter depozície, dopingu, leptania a v niektorých prípadoch aj epitaxie. Každá maska ​​obsahuje sadu vopred navrhnutých otvorov - okienok. Výroba takýchto okien je úloha litografie(gravírovanie). Vedúce miesto v technológii výroby masiek je zachované fotolitografia a elektrónová litografia.

3.4.1. Fotolitografia. Fotolitografia je založená na použití materiálov tzv fotorezistom. Ide o typ fotografickej emulzie známej v konvenčnej fotografii. Fotorezisty sú citlivé na ultrafialové svetlo, takže môžu byť spracované v miestnosti, ktorá nie je príliš tmavá.

Fotorezisty sú negatívne a pozitívne. Negatívne fotorezisty pôsobením svetla polymerizujú a stávajú sa odolnými voči leptadlám (kyslým alebo zásaditým). To znamená, že po lokálnej expozícii budú neexponované oblasti vyleptané (ako v bežnom foto negatíve). V pozitívnych fotorezistoch svetlo naopak ničí polymérne reťazce, a preto budú osvetlené oblasti vyleptané.

Nákres budúcej masky je vyhotovený formou tzv pho­ predloha. Fotomaska ​​je hrubá sklenená doska, na ktorej jednej strane je nanesená tenká nepriehľadná fólia s potrebným kreslenie vo forme priehľadných otvorov. Rozmery týchto otvorov (výkresových prvkov) v mierke 1: 1 zodpovedajú rozmerom budúcich prvkov IC, t.j. môžu byť 20-50 mikrónov alebo menej (do 2-3 mikrónov). Keďže integrované obvody sa vyrábajú skupinovou metódou, na fotomasku sa pozdĺž „riadkov“ a „stĺpcov“ umiestni veľa výkresov rovnakého typu. Veľkosť každého výkresu zodpovedá veľkosti budúceho IC čipu.

Proces fotolitografie na získanie okienok v maske oxidu SiO2 pokrývajúceho povrch kremíkového plátku je nasledujúci (obrázok 3.3). Na oxidovaný povrch platne je nanesený napríklad negatívny fotorezist (FR). Fotomaska ​​FS sa aplikuje na dosku potiahnutú fotorezistom (so vzorom fotorezistu) a vystaví sa ultrafialovým (UV) lúčom kremennej lampy (obrázok 3.3a). Potom sa fotomaska ​​odstráni a fotorezist sa vyvolá a zafixuje.

Ak sa použije pozitívny fotorezist, tak po vyvolaní a fixácii (ktorá spočíva vo vytvrdení a tepelnom spracovaní fotorezistu) sa v ňom získajú okienka na tých miestach, ktoré zodpovedajú priehľadným oblastiam na fotomaske.

Ako vravia, obrázok presunutý od fotomasky po fotorezist. Teraz je vrstva fotorezistu maska, ktorá tesne prilieha k vrstve oxidu (obrázok 3.3b).

Prostredníctvom fotorezistívnej masky sa vrstva oxidu vyleptá až na kremík (toto leptadlo neovplyvňuje kremík). Kyselina fluorovodíková a jej soli sa používajú ako leptadlo. Výsledkom je, že vzor z fotorezistu sa prenesie na oxid. Po odstránení (leptaní) fotorezistívnej masky je konečným výsledkom fotolitografie kremíkový plátok pokrytý oxidovou maskou s okienkami (obrázok 3.3c). Cez okná sa môže uskutočňovať difúzia, implantácia iónov, leptanie atď.

Obrázok 3.3 - Proces fotolitografie

V technologických cykloch výroby IC prvkov sa fotolitografia využíva opakovane (samostatne na získanie základných vrstiev, žiaričov, ohmických kontaktov a pod.). V tomto prípade vzniká takzvaný problém zarovnania fotomasky. Pri opakovanom použití fotolitografie (až 5-7 krát v technológii PPIMS) tolerancia zarovnania dosahuje zlomky mikrónu. Kombinovaná technika spočíva vo vytvorení špeciálnych „značiek“ (napríklad krížikov alebo štvorcov) na fotomaskách, ktoré sa premenia na vzor na oxide a presvitajú cez tenký film fotorezistu. Pri aplikácii ďalšej fotomasky sa najpresnejším spôsobom (pod mikroskopom) spoja značky na oxide s podobnými značkami na fotomaske.

Uvažovaný proces fotolitografie je typický pre získanie oxidových masiek na kremíkových doštičkách za účelom následnej lokálnej difúzie. V tomto prípade je fotoodporová maska ​​stredná, pomocná, pretože nemôže odolať vysokej teplote, pri ktorej sa difúzia uskutočňuje. Avšak v niektorých prípadoch, keď proces prebieha pri nízkej teplote, môžu byť fotoodporové masky základné – pracovné. Príkladom je proces vytvárania kovových vodičov v polovodičových integrovaných obvodoch.

Pri použití fotomasky sa jej emulzná vrstva po 15-20 aplikáciách opotrebuje (vymaže). Životnosť fotomasiek sa môže zvýšiť o dva rády alebo viac pokovovaním: nahradením emulzného filmu filmom z kovu odolného voči opotrebovaniu, zvyčajne chrómu.

Fotomasky sa vyrábajú v sadách podľa počtu fotolitografických operácií v technologickom cykle. V rámci sady sú fotomasky koordinované, t.j. zabezpečujú zarovnanie vzorov pri zarovnaní zodpovedajúcich značiek.

3.4.2 Elektrolitografia. Opísané metódy sú už dlho jedným zo základov mikroelektronických technológií. Stále nestratili svoj význam. S narastajúcim stupňom integrácie a znižovaním veľkosti prvkov IS však vyvstalo množstvo problémov, ktoré sú už čiastočne vyriešené a čiastočne sa skúmajú.

Jedno zo základných obmedzení sa týka rozhodnutie t.j. minimálne rozmery vo vygenerovanom vzore masky. Faktom je, že vlnové dĺžky ultrafialového svetla sú 0,3-0,4 mikrónov. Preto bez ohľadu na to, aký malý je otvor vo vzore fotomasky, rozmery obrazu tohto otvoru vo fotorezise nemôžu dosiahnuť špecifikované hodnoty (v dôsledku difrakcie). Preto je minimálna šírka prvkov asi 2 mikróny a pri hlbokom ultrafialovom (vlnová dĺžka 0,2 - 0,3 mikrónu) - asi 1 mikrón. Medzitým veľkosti rádovo 1–2 μm už nie sú dostatočne malé pri vytváraní veľkých a super veľkých integrovaných obvodov.

Najzrejmejším spôsobom zvýšenia rozlíšenia litografie je použitie žiarenia s kratšou vlnovou dĺžkou počas expozície.

V posledných rokoch boli vyvinuté metódy elektronická litografia . Ich podstatou je sústredený lúč elektrónov skenovať(t. j. posúvajú sa „riadok po riadku“) po povrchu platne potiahnutej elektrónovým rezistom a intenzita lúča je riadená v súlade s daným programom. V tých bodoch, ktoré by mali byť „osvetlené“, je prúd lúča maximálny a v tých bodoch, ktoré by mali byť „stmavené“, je rovný nule. Priemer elektrónového lúča je priamo úmerný prúdu v lúči: čím menší je priemer, tým nižší je prúd. So znižovaním prúdu sa však zvyšuje expozičný čas. Preto je zvýšenie rozlíšenia (zníženie priemeru lúča) sprevádzané predĺžením trvania procesu. Napríklad pri priemere lúča 0,2-0,5 μm sa môže doba skenovania plátku v závislosti od typu elektronorezistu a veľkosti plátku pohybovať od desiatok minút až po niekoľko hodín.

Jedna z odrôd elektrónovej litografie je založená na odmietnutí elektrón-rezistentných masiek a zahŕňa pôsobenie elektrónového lúča priamo na oxidovú vrstvu SiO2. Ukazuje sa, že v miestach „vzplanutia“ je táto vrstva následne vyleptaná niekoľkonásobne rýchlejšie ako v „tmavých“ oblastiach.

Minimálne rozmery pre elektrónovú litografiu sú 0,2 µm, hoci maximálne dosiahnuteľné rozmery sú 0,1 µm.

Iné metódy litografie sa skúmajú, napríklad mäkké röntgenové lúče (s vlnovými dĺžkami 1-2 nm) umožňujú získať minimálne rozmery 0,1 µm a iónová litografia 0,03 µm.

3.5 Doping

Vnášanie nečistôt do pôvodného plátku (alebo do epitaxnej vrstvy) difúziou pri vysokej teplote je počiatočnou a stále hlavnou metódou dopovania polovodičov za účelom vytvorenia tranzistorových štruktúr a iných prvkov na nich založených. Nedávno sa však rozšírila ďalšia metóda dopingu, iónová implantácia.

3.5.1 Difúzne metódy. Difúzia môže byť všeobecná a lokálna. V prvom prípade sa vykonáva po celom povrchu platne (obrázok 3.4a) a v druhom - v určitých oblastiach platne cez okná v maske, napríklad v hrubej vrstve SiO2 (obrázok 3.4b) .

Všeobecná difúzia vedie k vytvoreniu tenkej difúznej vrstvy v plátku, ktorá sa líši od epitaxnej vrstvy nehomogénnym (do hĺbky) rozdelenia nečistôt (pozri krivky N(x) na obrázkoch 3.6a a b).

Obrázok 3.4 - Všeobecná a lokálna difúzia

V prípade lokálnej difúzie (obrázok 3.4b) sa nečistota šíri nielen do hĺbky platne, ale aj vo všetkých kolmých smeroch, teda pod masku. V dôsledku tejto takzvanej laterálnej difúzie sa ukáže, že oblasť prechodu p-n, ktorá prichádza na povrch, je „automaticky“ chránená oxidom . Pomer medzi hĺbkami bočných a hlavných -

„vertikálna“ difúzia závisí od množstva faktorov, vrátane hĺbky difúznej vrstvy . Za typickú pre hĺbku laterálnej difúzie možno považovať hodnotu 0,8×L .

Difúzia sa môže uskutočniť jednorazovo alebo opakovane. Napríklad počas 1. difúzie sa môže do pôvodnej platne typu n zaviesť akceptorová nečistota a môže sa získať p-vrstva a potom počas 2. difúzie sa môže do výslednej p-vrstvy zaviesť donorová nečistota. (do menšej hĺbky) a tým poskytujú trojvrstvovú štruktúru. Podľa toho sa rozlišuje dvojitá a trojitá difúzia (pozri časť 4.2).

Pri vykonávaní viacnásobnej difúzie je potrebné mať na pamäti, že koncentrácia každej novej privedenej nečistoty musí prekročiť koncentráciu predchádzajúcej, inak sa typ vodivosti nezmení, čo znamená, že sa nevytvorí spojenie p-n. Medzitým koncentrácia nečistôt v kremíku (alebo inom zdrojovom materiáli) nemôže byť ľubovoľne veľká: je obmedzená špeciálnym parametrom - limit rozpustnosť nečistôtNS. Limitná rozpustnosť závisí od teploty. Pri určitej teplote dosiahne maximálnu hodnotu a potom opäť klesne. Maximálne limitné rozpustnosti spolu s príslušnými teplotami sú uvedené v tabuľke 3.1.

Tabuľka 3.1

Preto, ak sa vykonáva viacnásobná difúzia, potom pre poslednú difúziu je potrebné zvoliť materiál s maximálnou obmedzujúcou rozpustnosťou. Keďže rozsah nečistôt je obmedzený,

nie je možné poskytnúť viac ako 3 po sebe idúce difúzie.

Nečistoty vnesené difúziou sú tzv difúzory(bór, fosfor atď.). Zdrojom difúzantov sú ich chemické zlúčeniny. Môžu to byť kvapaliny (ВВr3, ROSl), pevné látky (В2О3, P2O5) alebo plyny (В2Н6, РН3).

Inkorporácia nečistôt sa zvyčajne uskutočňuje pomocou reakcií transportu plynu, rovnakým spôsobom ako pri epitaxii a oxidácii. K tomu buď jednozónové alebo dvojzónové difúzne pece.

V prípade pevných difúzantov sa používajú dvojzónové pece. V takýchto peciach (obrázok 3.5) sú dve vysokoteplotné zóny, jedna na odparovanie difúzneho zdroja, druhá na samotnú difúziu.

Obrázok 3.5 - Proces difúzie

Pary difúzneho zdroja získané v 1. zóne sa miešajú s prúdom neutrálneho nosného plynu (napríklad argónu) a spolu s ním sa dostávajú do 2. zóny, kde sa nachádzajú kremíkové doštičky. Teplota v 2. zóne je vyššia ako v 1. zóne. Tu sa difúzne atómy zavádzajú do platní, zatiaľ čo ostatné zložky chemickej zlúčeniny sú unášané nosným plynom zo zóny.

V prípade kvapalných a plynných difúznych zdrojov nie je potrebné ich vysokoteplotné odparovanie. Preto sa používajú jednozónové pece ako pri epitaxii, do ktorých difúzny zdroj vstupuje už v plynnom stave.

Pri použití kvapalných zdrojov difuzantu sa difúzia uskutočňuje v oxidačnom prostredí pridaním kyslíka do nosného plynu. Kyslík oxiduje povrch kremíka za vzniku oxidu SiO2, t.j. v podstate skla. V prítomnosti difúzneho činidla (bór alebo fosfor), borosilikát alebo fosfosilikát sklo. Pri teplotách nad 1000°C sú tieto sklá v tekutom stave a pokrývajú kremíkový povrch tenkým filmom. , tak, že difúzia nečistoty prebieha, prísne vzaté, z kvapalnej fázy. Po stuhnutí sklo chráni povrch kremíka v miestach difúzie,

t.j. v oknách oxidovej masky. Pri použití pevných zdrojov difúzantu - oxidov - dochádza k tvorbe skiel v procese difúzie bez špeciálne privádzaného kyslíka.

Existujú dva prípady distribúcie nečistôt v difúznej vrstve.

1 Prípad neobmedzeného zdroja nečistôt. V tomto prípade difuzant nepretržite prúdi k doske, takže koncentrácia nečistôt v jej povrchovej vrstve je udržiavaná konštantná rovnajúca sa NS. So zvyšujúcim sa časom difúzie sa hĺbka difúznej vrstvy zväčšuje (obrázok 3.6a).

2 Prípad obmedzeného zdroja nečistôt. V tomto prípade sa najprv určité množstvo difúznych atómov zavedie do tenkej povrchovej vrstvy platne (čas t1) a potom sa vypne difúzny zdroj a atómy nečistôt sa prerozdelia po hĺbke platne svojimi celkový počet nezmenený (obrázok 3.6b). V tomto prípade sa koncentrácia nečistôt na povrchu znižuje, zatiaľ čo hĺbka difúznej vrstvy sa zvyšuje (krivky t2 a t3). Prvá fáza procesu sa nazýva "nútenie", druhá - "destilácia" nečistoty.

Obrázok 3.6 - Rozdelenie difúzora

3.5.2 Implantácia iónov.

Iónová implantácia je metóda dopovania plátku (alebo epitaxnej vrstvy) bombardovaním iónov nečistôt zrýchlených na energiu dostatočnú na ich prienik do hĺbky pevnej látky.

Ionizácia atómov nečistôt, zrýchlenie iónov a zaostrenie iónového lúča sa vykonávajú v špeciálnych zariadeniach, ako sú urýchľovače častíc v jadrovej fyzike. Ako nečistoty sa používajú rovnaké materiály ako pri difúzii.

Hĺbka prieniku iónov závisí od ich energie a hmotnosti. Čím väčšia je energia, tým väčšia je hrúbka implantovanej vrstvy. S pribúdajúcou energiou sa však zvyšuje aj množstvo radiačné defekty v kryštáli, t.j. zhoršujú sa jeho elektrické parametre. Preto je energia iónov obmedzená na 100–150 keV. Spodná úroveň je 5-10 keV. Pri takomto energetickom rozsahu leží hĺbka vrstiev v rozsahu 0,1 - 0,4 μm, t.j. je oveľa menšia ako typická hĺbka difúznych vrstiev.

Koncentrácia nečistôt v implantovanej vrstve závisí od hustoty prúdu v iónovom lúči a doby procesu, alebo, ako sa hovorí, od výstavný čas-pozície. V závislosti od hustoty prúdu a požadovanej koncentrácie sa doba expozície pohybuje od niekoľkých sekúnd po 3-5 minút alebo viac (niekedy až

1-2 hodiny). Samozrejme, čím dlhší expozičný čas, tým väčší počet radiačných defektov.

Typická distribúcia nečistôt počas implantácie iónov je znázornená na obrázku 3.6c ako plná krivka. Ako vidíme, toto rozloženie sa výrazne líši od rozdelenia difúzie prítomnosťou maxima v určitej hĺbke.

Pretože plocha iónového lúča (1-2 mm2) je menšia ako plocha dosky (a niekedy aj kryštálu), je potrebné skenovať lúč, t. j. posúvať ho plynulo alebo „po krokoch“ (pomocou špeciálnych vychyľovacích systémov) jeden po druhom pozdĺž všetkých „radov“ platne, na ktorej sú umiestnené jednotlivé IO.

Po dokončení procesu legovania sa musí platňa podrobiť žíhanie pri teplote °C za účelom usporiadania kremíkovej kryštálovej mriežky a eliminácie (aspoň čiastočne) nevyhnutných radiačných defektov. Pri teplote žíhania difúzne procesy trochu menia distribučný profil (pozri prerušovanú krivku na obrázku 3.6c).

Implantácia iónov sa uskutočňuje cez masky, v ktorých musí byť dráha iónov oveľa kratšia ako v kremíku. Materiálom pre masky môže byť oxid kremičitý alebo hliník bežný v integrovaných obvodoch. Dôležitou výhodou implantácie iónov je zároveň to, že ióny, pohybujúce sa v priamke, prenikajú iba do hĺbky platne a prakticky neexistuje analógia s laterálnou difúziou (pod maskou).

V zásade môže byť implantácia iónov, podobne ako difúzia, opakovaná "zapustením" jednej vrstvy do druhej. Avšak kombinácia energií, expozičných časov a režimov žíhania potrebných na viacnásobnú implantáciu sa ukazuje ako ťažká. Preto iónová implantácia získala hlavnú distribúciu pri vytváraní tenkých jednotlivých vrstiev.

3.6 Depozícia tenkých vrstiev

Tenké vrstvy nie sú len základom tenkovrstvových hybridných integrovaných obvodov, ale sú široko používané aj v polovodičových integrovaných obvodoch. Preto metódy na získanie tenkých vrstiev patria medzi všeobecné problémy mikroelektronických technológií.

Existujú tri hlavné spôsoby nanášania tenkých vrstiev na substrát a na seba: tepelný(vákuum) a ión-plazma striekanie, ktorý má dve odrody: katódové naprašovanie a vlastne iónovo-plazma.

3.6.1 Tepelné (vákuové) striekanie.

Princíp tejto metódy naprašovania je znázornený na obrázku 3.7a. Na základnej doske 2 je umiestnená kovová alebo sklenená čiapočka 1. Medzi nimi je tesnenie 3, ktoré zaisťuje udržanie podtlaku po odsatí vzduchu z priestoru uzáveru. Substrát 4, na ktorý sa nanášanie vykonáva, je upevnený na držiaku 5 . K držiaku prilieha nahrievanie (naprašovanie sa vykonáva na vyhrievanom substráte). Výparník 7 obsahuje ohrievač a zdroj rozprašovaného materiálu. Rotačná klapka 8 blokuje prúdenie pary z výparníka k podkladu: nános trvá po dobu, kedy je klapka otvorená.

Ohrievač je zvyčajne vlákno alebo špirála vyrobená zo žiaruvzdorného kovu (volfrám, molybdén atď.), ktorým prechádza dostatočne veľký prúd. Zdroj striekanej látky je spojený s ohrievačom rôznymi spôsobmi: vo forme konzol ("husár"), zavesených na vlákne; vo forme malých tyčiniek pokrytých špirálou, vo forme prášku, naliateho do

Obrázok 3.7 - Aplikácia fólií

téglik vyhrievaný špirálou a pod.. Namiesto filamentov sa v poslednom čase používa vyhrievanie pomocou elektrónového lúča alebo laserového lúča.

Najpriaznivejšie podmienky pre kondenzáciu pár sú vytvorené na podklade, hoci k čiastočnej kondenzácii dochádza aj na stenách digestora. Príliš nízka teplota substrátu bráni rovnomernej distribúcii adsorbovaných atómov: sú zoskupené do „ostrovov“ rôznych hrúbok, ktoré často nie sú navzájom spojené. Naopak, príliš vysoká teplota substrátu vedie k oddeľovaniu novo usadených atómov, k ich „opätovnému vyparovaniu“. Pre získanie vysokokvalitného filmu preto musí teplota podkladu ležať v určitých optimálnych medziach (zvyčajne 200–400 °C). Rýchlosť rastu filmu v závislosti od množstva faktorov (teplota substrátu, vzdialenosť od výparníka k substrátu, typ ukladaného materiálu atď.) sa pohybuje od desatín až po desiatky nanometrov za sekundu.

Pevnosť väzby - priľnavosť fólie k substrátu alebo inej fólii - sa nazýva priľnavosť. Niektoré bežné materiály (napríklad zlato) majú slabú priľnavosť k typickým substrátom vrátane kremíka. V takýchto prípadoch sa používa tzv podkladová vrstva, ktorý sa vyznačuje dobrou priľnavosťou a následne sa naň nastrieka podkladový materiál, ktorý má tiež dobrú priľnavosť k podvrstve. Napríklad pre zlato môže byť podvrstvou nikel alebo titán.

Aby atómy naneseného materiálu letiace z výparníka na substrát zažili minimálny počet zrážok s atómami zvyškového plynu a tým aj minimálny rozptyl, musí byť v priestore pod výparníkom zabezpečené dostatočne vysoké vákuum. čiapka. Kritériom pre požadované vákuum môže byť podmienka, že stredná voľná dráha atómov je niekoľkonásobne väčšia ako vzdialenosť medzi výparníkom a substrátom. Táto podmienka je však často nedostatočná, pretože akékoľvek množstvo zvyškového plynu je spojené s kontamináciou naneseného filmu a zmenami jeho vlastností. Preto by v zásade malo byť vákuum v tepelných striekacích zariadeniach čo najvyššie. Vákuum je momentálne pod 10-6 mmHg. čl. sa považuje za neprijateľné a v mnohých prvotriednych zariadeniach na naprašovanie sa zvýšila na 10-11 mm Hg. čl.

Princíp tvorby mikroobvodových štruktúr. Elektronická vákuová hygiena

Základné princípy integrovanej technológie. Princíp lokality. Princíp vrstvenia. Prašné vzduchové prostredie. Teplota a vlhkosť vzduchu. Čistota priestorov a miestnych objemov. Modulárne čisté miestnosti.

Voda, plyny a plynné médiá používané pri výrobe integrovaných obvodov

Potreba používať čistú vodu, plyn a zmesi plynov. Čistota zariadení, priestorov a osobná hygiena pracovníkov.

Požiadavky na technologické procesy. Požiadavky na podmienky výroby mikroelektronických zariadení

Spoľahlivosť. Ziskovosť. Bezpečnosť. Vyrobiteľnosť. Potreba vypracovať projektovú a technologickú dokumentáciu.

Príprava ingotov a ich rezanie na oblátky

Orientácia ingotu. Tvorba základného rezu. Rezanie ingotov na taniere.

Obrábanie plechov. Abrazívne materiály a nástroje

Nevyhnutnosť a podstata obrábania plechov. Brúsne materiály a nástroje používané na brúsenie a leštenie platní.

Brúsenie a zrážanie hrán, leštenie platní

Brúsenie platní. Leštenie platní. Odstránenie skosenia. Metódy a technológie

9Kontrola kvality doštičiek a substrátov po obrábaní

Meranie geometrických rozmerov platní po opracovaní. Kontrola kvality povrchu platní. Meranie výšky mikrodrsností na platni.

10 Čistenie tanierov. Metódy a prostriedky

Klasifikácia kontaminantov a metódy čistenia. Odmasťovanie ponorením, prúdom a pod. Metódy monitorovania čistoty povrchu platní.

11Chemické ošetrenie a čistenie povrchu platní. Intenzifikácia čistiacich procesov

Odmasťovanie v rozpúšťadlách, odmasťovanie v parách rozpúšťadiel, odmasťovanie v detergentných práškoch, v alkáliách, v roztokoch peroxidu amoniaku. Ultrazvukové odmasťovanie, hydromechanické čistenie, tryskové čistenie, vyváranie atď.

Doštičkové leptanie

Kinetika leptania kremíka. Selektívne a leštiace leptanie. Závislosť rýchlosti leptania od vlastností použitých materiálov.

13 Chemické čistenie. Plyn sa uvoľňuje pri nízkom tlaku

Koeficient postreku. Charakteristické črty leptania. Leptanie iónovým lúčom.

14 Metódy plazmového leptania

Fyzika procesu iónového leptania. Účinnosť povrchového nástreku. Leptanie v diódových a triódových komorách. Vlastnosti ich dizajnu, výhody a nevýhody.

15Iónové plazmové a iónové leptanie.

Reaktívne metódy plazmového leptania: ión-lúčové a iónovo-plazmové leptanie. Plazmové leptanie pomocou zmesí obsahujúcich plyn.

16Plazmachemické leptanie, reaktívne iónové leptanie

plazmové leptanie. Radikálne plazmovo-chemické leptanie. Reaktívne iónovo-plazmové leptanie a iónové leptanie Anizotropia a selektivita leptania.

17Faktory určujúce rýchlosť a selektivitu leptania

Energia a uhol dopadu iónov. Zloženie pracovného plynu. Tlak, hustota výkonu a frekvencia. Prietok. Teplota ošetrovaného povrchu.

18Kontrola kvality doštičiek a substrátov

Kontrola povrchu taniera. Kontrola kvality čistenia povrchu (metóda žeravého bodu, kvapková metóda, tribometrická metóda, nepriama metóda).

19Fotolitografia. Fotorezisty. Fotolitografické operácie

aktívne odpory. Fotochemické procesy prebiehajúce vo fotorezistoch po ožiarení negatívnych a pozitívnych fotorezistov. Vlastnosti operácií na získanie vzoru na fotoodporovom filme.

20Technológia fotolitografických operácií

Metódy a podstata fungovania fotolitografie. Režimy spracovania fotorezistívnych filmov a nutnosť ich presného dodržiavania.

21Bezkontaktná fotolitografia. Obmedzenia kontaktnej fotolitografie. Projekčná fotolitografia

Mikrogapová fotolitografia. Projekčná fotolitografia s prenosom obrazu 1:1 a redukciou obrazu. Fyzikálne a technické obmedzenia kontaktnej fotolitografie.

22Tepelné vákuové nanášanie

Tvorba pary látky. Šírenie pary od zdroja k substrátom. Kondenzácia pár na povrchu substrátu. Tvorba tenkého filmu. Technika tepelného vákuového striekania. Výhody a nevýhody metódy.

Varianty metód na získanie oxidových vrstiev na kremíkových doštičkách

Tepelná oxidácia pri zvýšenom tlaku. Tepelná oxidácia s prídavkom pár chlorovodíka. Výber režimov a podmienok pestovania termického oxidu.

26 Vlastnosti oxidu kremičitého

Štruktúra oxidu kremičitého Faktory ovplyvňujúce pórovitosť oxidu kremičitého.

Metalizácia konštrukcií

Požiadavky na ohmické kontakty, prúdové dráhy a podložky. Technológia a vlastnosti pokovovania konštrukcií.

Príprava polovodičových štruktúr na montáž

Kontrola hotových konštrukcií podľa elektrických parametrov. Lepenie dosiek na lepiaci nosič. Požiadavky na proces oddeľovania doštičiek na kryštály. Diamantové a laserové ryhovanie dosiek a substrátov. Ryhovacie taniere s diamantovou frézou. Vlastnosti procesu, výhody a nevýhody.

61 Metódy separácie orientovaných platní

Separácia platní na kryštály so zachovaním ich orientácie. Vlastnosti technologického procesu. Výhody a nevýhody kotúčového rezania. Rozbíjanie tanierov. Separácia plátov bez použitia ďalšieho lámania

Šatalová V.V.

Otázky pripravené učiteľom

1. Malysheva I.A. Technológia výroby integrovaných obvodov. - M .: Rádio a komunikácia, 1991

2. Technológia Zee S. VLSI. - M.: Mir, 1986

3. Till U., Lakson J. Integrované obvody, materiály, zariadenia, výroba. – M.: Mir, 1985.

4. Maller R., Keimins T. Prvky integrovaných obvodov. – M.: Mir, 1989.

5. Koledov L.A. Technológia a návrhy mikroobvodov, mikroprocesorov a mikrozostáv - M .: Lan-press LLC, 2008.

6. Onegin E.E. Automatická montáž IC - Minsk: Vyššia škola, 1990.

7. Chernyaev V.N. Technológia výroby integrovaných obvodov a mikroprocesorov. - M.: Rádio a komunikácia, 1987

8. Parfenov O.D. Technológia mikročipov, - M .: Vysoká škola, 1986.

9. Turtsevič A.S. Filmy polykryštalického kremíka v technológii výroby integrovaných obvodov a polovodičových súčiastok. - Minsk: Bel science, 2006.

10. Shchuka A.A. Nanoelektronika. – M.: Fizmatkniga, 2007.

Všeobecné charakteristiky technológie výroby mikroobvodov

Základné pojmy. Klasifikácia a charakteristiky integrovaných obvodov (IC). Hlavné fázy technológie výroby IC, ich účel a úloha. Princípy integrovanej technológie, metódy výroby mikroobvodových štruktúr, vlastnosti technológie výroby IC.

Hlavné technologické procesy používané pri výrobe polovodičových integrovaných obvodov sú oxidácia, fotolitografia, difúzia, epitaxia a iónové dopovanie.

Oxidácia kremíka. Tento proces má veľký význam v technológii výroby polovodičových integrovaných obvodov. Oxid kremičitý Si02 je sklovitý oxid s rovnakým chemickým zložením ako kremenné sklo. Tieto oxidy sú dobrými izolantmi pre jednotlivé prvky obvodu, slúžia ako maska, ktorá zabraňuje prenikaniu nečistôt pri difúzii, používajú sa na ochranu povrchu a vytvárajú aktívne dielektrické prvky (napríklad v MOSFEToch). Vytvárajú rovnomerný súvislý povlak na povrchu kremíka, ktorý sa ľahko leptá a odstraňuje z miestnych oblastí. Reoxidácia poskytuje ochranu P-N-prechod z vplyvov prostredia. Koeficienty tepelnej rozťažnosti kremíka a oxidu kremičitého sú blízke. Oxid kremičitý má dobrú priľnavosť a relatívne ľahko sa vytvára na povrchu plátku.

Podľa spôsobu prípravy sa rozlišujú termické a anodické oxidy.

Tepelné oxidy sa získavajú zahrievaním urýchlenými reakciami kremíka s kyslíkom a inými látkami obsahujúcimi kyslík. Takéto oxidy majú hrúbku ~ 1 µm a majú vysokú hustotu.

Metóda tepelnej oxidácie má dve odrody:

1) vysokoteplotná oxidácia v prúde suchého kyslíka a zvlhčených plynov;

2) oxidácia vo vodnej pare pri vysokom tlaku (do 50 MPa), pri relatívne nízkych teplotách (5OO...900°C).

Oxidácia v prúde zvlhčených plynov vykonaná podľa obr. 1.8. Kremíkové doštičky sú umiestnené v kremennej trubici, kde je teplota nastavená na 1100°C. Jeden koniec potrubia je pripojený k zvlhčovaču (deionizovaná voda), cez ktorý prechádza plyn (argón, dusík atď.). Keď je zvlhčovač vypnutý, suchý kyslík vstupuje priamo do kremennej trubice. Oxidácia sa uskutočňuje v nasledujúcom poradí: predbežné udržiavanie v suchom kyslíku (~15 minút); dlhodobá oxidácia vo vlhkom kyslíku (2 h) a konečná oxidácia v suchom kyslíku. Prvá operácia poskytuje silný film malej hrúbky. Tepelné spracovanie vo vlhkom kyslíku poskytuje rýchly rast filmu (až do 1 μm), ale jeho hustota je nedostatočná. Následná úprava v suchom kyslíku vedie k zahusteniu filmu a zlepšeniu jeho štruktúry.

Najbežnejšie používaná hrúbka oxidu sú desatiny mikrometra a horná hranica hrúbky je 1 µm. Prídavok zložiek obsahujúcich chlór do oxidovaného média zvyšuje rýchlosť oxidácie a zvyšuje intenzitu rozkladu. Hlavnou úlohou chlóru je premena atómov nečistôt (draslík, sodík atď.), ktoré sa náhodne dostali do oxidu kremičitého, na elektricky neaktívne.

Oxidácia kremíka vo vodnej pare pri vysokom tlaku sa uskutočňuje v komore, ktorej vnútorný povrch je potiahnutý zlatom alebo iným inertným kovom, aby sa zabránilo nežiaducim reakciám. V komore sú umiestnené kremíkové doštičky a určité množstvo vysoko čistej vody, ktorá sa zahrieva na oxidačnú teplotu (500...800°C). Hrúbka filmu závisí od trvania oxidácie, tlaku a koncentrácie vodnej pary.

Kvalita oxidového filmu je ovplyvnená čistotou pracovného objemu, v ktorom sa proces vykonáva. Vniknutie aj nepatrného množstva atómov nečistôt môže výrazne zmeniť vlastnosti materiálu pôvodného obrobku. Najškodlivejší vplyv majú medené nečistoty, ktorých difúzny koeficient v kremíku je veľmi vysoký.

Veľký význam má preoxidačné čistenie kremíka od kontaminantov, ktoré vedie k diskontinuite vo filmoch. Výhodou vysokotlakovej oxidácie je možnosť zníženia teploty procesu bez predĺženia doby trvania.

Anódová oxidácia kremík má dve modifikácie: oxidáciu v kvapalnom elektrolyte a v plynnej plazme. Proces anodickej oxidácie umožňuje získať oxidové filmy pri nižších teplotách, čo obmedzuje redistribúciu nečistôt vo vopred vytvorených difúznych oblastiach.

Na vytvorenie medzivrstvovej izolácie sa nepoužíva oxidačný proces a dielektrické vrstvy sa získavajú nanášaním.

Filmy oxidu kremičitého ako ochranné vrstvy majú nasledujúce nevýhody: 1) pórovitosť štruktúry, ktorá vedie k možnosti preniknutia vodnej pary a niektorých nečistôt k pôvodnému povrchu kremíka; 2) schopnosť atómov viacerých prvkov migrovať cez film oxidu kremičitého, čo vedie k nestabilite charakteristík polovodičových zariadení.

Fotolitografia. Fotolitografia je proces vytvárania fotorezistového obrazu topológie obvodu na povrchu substrátu oxidu uhličitého a jeho prenosu na substrát. V štruktúre sa zhoduje s metódami používanými pri vytváraní vodičov dosiek plošných spojov. Tento proces má však svoje špecifiká, dané požiadavkami na vysoké rozlíšenie a zvýšenými požiadavkami na kvalitu použitých materiálov a čistotu prostredia.

Fotorezisty sú tenké vrstvy organických roztokov, ktoré by po vystavení ultrafialovému svetlu mali mať vlastnosti polymerizovať a stať sa nerozpustnými. Hlavnými požiadavkami na fotorezisty sú vysoké rozlíšenie, citlivosť na svetlo, odolnosť voči leptadlám a rôznym chemickým roztokom, dobrá priľnavosť k povrchu produktu.

Rozlíšenie fotorezistu je počet čiar, ktoré možno aplikovať na jeden milimeter povrchu dosky so vzdialenosťou medzi nimi rovnajúcou sa ich šírke. Rozlíšenie závisí od typu fotorezistu a hrúbky vrstvy. Pri tenkých vrstvách je väčší ako pri hrubých.

Podľa spôsobu tvorby obrazca sa fotorezisty delia na negatívne a pozitívne (obr. 1.9).

Oblasti negatívneho fotorezistu, ktoré sú pod priehľadnými plochami fotomasky, pôsobením ultrafialového svetla získavajú vlastnosť nerozpúšťať sa pri vyvolávaní. Oblasti fotorezistu umiestnené pod nepriehľadnými oblasťami fotomasky sa pri vyvolávaní v rozpúšťadle ľahko odstránia. Takto je vytvorený; reliéf, ktorý je obrazom svetelných prvkov fotomasky (obr. 1.9, a).

Negatívne fotorezisty sú vyrobené z polyvinylalkoholu. Sú široko používané kvôli absencii toxických zložiek, prijateľnému rozlíšeniu (až 50 riadkov/mm), jednoduchosti vývoja a nízkej cene. Nevýhodou je nemožnosť skladovania viac ako 3 ... 5 hodín prírezov s nanesenou vrstvou, pretože táto je vytvrdená aj v tme. Navyše s poklesom vlhkosti a teploty okolia klesá mechanická pevnosť fotocitlivej vrstvy a jej priľnavosť k povrchu.

Pozitívny fotorezist pôsobením ožiarenia mení svoje vlastnosti tak, že pri spracovaní sa jeho ožiarené plochy rozpustia vo vývojkách a neožiarené plochy (nachádzajú sa pod nepriehľadnými plochami fotomasky) zostanú na povrchu dosky (obr. 1.9). , b).

Pre pozitívne fotorezisty sa používajú materiály na báze diazozlúčenín, ktoré pozostávajú z fotocitlivej polymérnej bázy (novolakovej živice), rozpúšťadla a niektorých ďalších zložiek. Z hľadiska priľnavosti a rozlíšenia sú lepšie ako negatívne fotorezisty, sú však drahšie a obsahujú toxické rozpúšťadlá. Rozlíšenie pozitívnych fotorezistov je až 350 riadkov/mm. Výhodou pozitívneho fotorezistu je absencia opálenia pri skladovaní prírezov s nanesenou fotocitlivou vrstvou.

V technologickom procese výroby IC sa používajú tekuté a suché fotorezisty.

Kvapalné fotorezisty sa nanášajú máčaním (máčaním), liatím s odstreďovaním, valcovaním rebrovaným valčekom a inými metódami.

Suché fotorezisty, ktoré sa rozšírili vďaka svojej väčšej vyrobiteľnosti a jednoduchosti použitia, sú tenkou štruktúrou troch vrstiev: opticky priehľadný film (zvyčajne polyetyléntereftalát), fotosenzitívny polymér a ochranný film lavsan. Aplikujú sa pri zvýšenej teplote s predbežným odstránením ochrannej vrstvy a nalepením fotorezistu. Po exponovaní vzoru sa optický film odstráni a obraz sa vyvolá vo vode. V tomto prípade sa odstránia neexponované oblasti obrázka.

Vysoké rozlíšenie vzoru obvodu je zabezpečené pozitívnymi fotorezistami. Ich výhody však nevylučujú možnosť použitia negatívnych fotorezistov, ktoré sú odolnejšie voči kyselinám a ľahšie sa vyvíjajú.

Hlavné fázy procesu fotolitografie pri realizácii kontaktnej tlače sú znázornené na obr. 1.10.

Príprava povrchu substrátu (obr. 1.10, a) výrazne ovplyvňuje priľnavosť fotorezistu. Ten by mal byť aplikovaný ihneď po oxidácii dosky bez akýchkoľvek ďalších povrchových úprav. Ak sa substráty skladujú dlhšie ako hodinu, potom sa tepelné spracovanie vykonáva v suchom kyslíku alebo dusíku pri t=1000 °C počas niekoľkých minút. Eliminuje hydrofilnosť povrchu substrátu.

Fotorezist sa aplikuje centrifugáciou (obr. 1.10.6). Optimálna hrúbka vrstvy fotorezistu je v rozsahu 0,3...0,8 µm. Keď je hrúbka vrstvy menšia ako 0,2 μm, pravdepodobnosť prepichnutia sa prudko zvyšuje a pri hrúbkach väčších ako 1 μm sa rozlišovacia schopnosť procesu znižuje, čo znemožňuje získať prvky s malými rozmermi.

Pri aplikácii fotorezistu je potrebné zabezpečiť rovnomernosť vrstvy (neprítomnosť pórov, cudzorodých častíc a pod.) a jej rovnomernosť hrúbky. Homogenita vrstvy závisí od čistoty počiatočného fotorezistu, čistoty prostredia, režimov a spôsobu sušenia. Rovnomernosť hrúbky vrstvy závisí od viskozity fotorezistu a spôsobov jeho nanášania. Nerovnomernosť vrstvy v hrúbke je príčinou zhoršenia kontrastu v dôsledku neúplného priliehania fotomasky k fotovrstve počas expozície.

Odstránenie rozpúšťadla z vrstvy fotorezistu na vytvorenie pevného a rovnomerného filmu sa uskutočňuje sušením pri t = 18...20 °C počas 15...30 minút a potom pri t=90...100 °C na 30 min.

Prenos obrazu z fotomasky na platňu pokrytú vrstvou fotorezistu sa realizuje expozíciou (obr. 1.10, c). Ak sa proces fotolitografie opakuje, potom je potrebné skombinovať predtým získaný vzor so vzorom na fotomaske. Presnosť nastavenia je 0,25 ... 0,5 µm. Ako zdroj svetla sa používajú xenónové a ortuťovo-kremenné výbojky.

Kvalitu prenosu výrazne ovplyvňujú difrakčné javy, ku ktorým dochádza, keď sú medzi šablónou a platňou medzery. Medzery vznikajú v dôsledku nerovinnosti podkladu, dosahujúc 20 μm. Kvalitu prenosu obrazu z fotomasky na vrstvu fotorezistu možno posúdiť až po vyvolaní.

Vyvolanie latentného obrazu (obr. 1.10, d) v negatívnom fotorezise spočíva v odstránení oblastí, ktoré boli pod tmavými miestami fotomasky. V prípade pozitívneho fotorezistu sa ožiarené miesta odstránia. Negatívne fotorezisty sú zobrazené v organických rozpúšťadlách (trichlóretylén atď.) A pozitívne - v alkalických roztokoch. Na zlepšenie ochranných vlastností sa výsledná vrstva suší pri t=100...120°C a potom sa opaľuje pri t=200...250°C počas 30...40 min.

Požadovaný vzor obvodu sa získa leptaním oblastí substrátu nechránených fotorezistom v zmesi kyseliny dusičnej a fluorovodíkovej (obr. 1.10, e).

Leptanie by malo zabezpečiť úplné vyleptanie oxidových filmov. V tomto prípade existujú prípady, keď je potrebné súčasne leptať oxidové filmy rôznych hrúbok. Presnosť leptacích operácií závisí od presnosti negatívu a kvality fotorezistu. V prípade zlej priľnavosti vrstvy k povrchu obrobku môže kyselina fluorovodíková preniknúť pod vyčinenú vrstvu a rozleptať ňou chránené oblasti oxidového filmu. Vrstva fotorezistu zostávajúca na povrchu sa odstráni v rozpúšťadle, ktoré sa používa ako organické kvapaliny a kyselina sírová. Po napučaní sa fotorezistové filmy odstránia tampónom.

Fotolitografia je jedným z hlavných technologických procesov pri výrobe polovodičových mikroobvodov. Jeho široké použitie sa vysvetľuje jeho vysokou reprodukovateľnosťou a rozlíšením, ktoré umožňuje získať vzor malých rozmerov, všestrannosťou a flexibilitou metódy a vysokou produktivitou. Nevýhodou kontaktnej fotolitografie je rýchle opotrebovanie fotomasky a výskyt defektov na kontaktných plochách. Fotomaska ​​pri kontakte vtlačí do vrstvy fotorezistu akékoľvek častice (napríklad prachové častice), ktoré vedú k defektom v ochrannej vrstve fotorezistu.

Zrnko prachu na povrchu fotorezistu môže zabrániť jeho vytvrdnutiu a viesť k vytvoreniu diery („prepichnutia“) v oxide. Zrnko prachu alebo niekoľko tmavých bodiek na priehľadnej časti fotomasky môže poskytnúť rovnaký efekt. Otvor v stmavenej časti fotomasky môže viesť k neúplnému odstráneniu oxidového filmu. Veľkosti prachových častíc sú úmerné veľkostiam plôch kontaktných prvkov. Ich prítomnosť vedie k manželstvu mikroobvodu.

Pravdepodobnosť defektov, ktoré sa objavia v dôsledku nerozpustných prachových častíc a iných bodových nečistôt vstupujúcich na povrch kremíka, je úmerná ploche plátku. Prítomnosť takýchto defektov obmedzuje maximálnu plochu mikroobvodov.

Bezkontaktná (projekčná) fotolitografia eliminuje kontakt medzi fotomaskou a vrstvou fotorezistu, čo umožňuje vyhnúť sa mnohým nevýhodám, ktoré sú vlastné kontaktnej fotolitografii.

Spôsob projekčnej tlače spočíva v premietaní obrazu z fotomasky na dosku pokrytú vrstvou fotorezistu, umiestnenú v značnej vzdialenosti od seba. Rozmery obrázku na fotomaske je možné vyrobiť vo zväčšenej mierke. Touto metódou sa zvyšujú požiadavky na rovinnosť podkladov a rovnomernosť hrúbky vrstvy fotorezistu. Vysoké nároky sú kladené na šošovku, ktorá musí poskytnúť požadované rozlíšenie na celom pracovnom poli substrátu. V súčasnosti možno najlepšie rozlíšenie (0,4 µm) získať na ploche 2x2 mm. Ťažkosti pri vytváraní šošoviek, ktoré poskytujú vysoké rozlíšenie na veľkej ploche, bránia širokému zavedeniu metódy projekčnej fotolitografie.

Mikrogapová fotolitografia spája výhody kontaktných a projekčných metód fotolitografie. Pri tejto metóde sa medzi platňou a fotomaskou vytvorí medzera 10 ... 20 mikrónov. Takáto medzera je dostatočne veľká na to, aby minimalizovala jav difrakcie, a zároveň dostatočne malá na to, aby sa zanedbali nelineárne skreslenia v medzere pri prenose obrazu. Priemyselné expozičné zariadenie s mikro-medzerou je oveľa zložitejšie ako kontaktné expozičné zariadenie.

Difúzia. Toto je proces prenosu dopujúcich látok z oblastí s vyššou koncentráciou do oblastí s nižšou koncentráciou. Ak existuje koncentračný gradient atómov akéhokoľvek prvku v pevnej látke, potom vzniká riadený difúzny pohyb, ktorý má tendenciu vyrovnávať koncentráciu týchto atómov v celom objeme. Procesy vyrovnávania koncentrácie sa vyskytujú pri dostatočne vysokých teplotách, keď sa rýchlosť častíc prudko zvyšuje. Vyznačujú sa difúznym koeficientom D, ktorý je určený hmotnosťou látky, ktorá preniká jednou plochou za jednotku času s koncentračným gradientom rovným jednej.

Difúzny koeficient pre určitý materiál a difúznu prímes v prvej aproximácii závisí len od teploty (exponenciálna závislosť).

Koeficient difúzie prvkov skupiny III (B, Al, Ip) do kremíka je o 1 ... 1,5 rádu vyšší ako koeficient prvkov skupiny V (As; P; Sb). Napríklad koeficient difúzie bóru do kremíka pri t == 1473 K je 10,5 cm 2 /s, arzén - 0,3 cm 2 /s.

Proces difúzie sa uskutočňuje v dvoch fázach. V prvej fáze sa na kryštáli vytvorí vrstva nasýtená nečistotami z nekonečného zdroja (plynnej fázy). Táto fáza sa nazýva jazda na nečistoty. Uskutočňuje sa za prítomnosti kyslíka, čo prispieva k vytvoreniu vrstvy borokremičitého skla (pre nečistoty B 2 0 3) alebo fosfor-silikátového skla (pre nečistoty P 2 O 5) na povrchu. Parametrami hnacieho procesu sú koncentrácia difúzneho činidla a kyslíka v nosnom plyne, rýchlosť plynnej zmesi a čas procesu. V druhej fáze dochádza k redistribúcii prímesi. Táto fáza sa nazýva rozptýlenie nečistôt. Uskutočňuje sa pri t = 800...1000 °C v neprítomnosti vonkajšieho zdroja nečistôt. Pracovná atmosféra je zmesou inertného plynu a kyslíka. Rozptýlenie nečistoty do hĺbky plátku je sprevádzané rastom ochranného filmu oxidu kremičitého.

Difúzia sa uskutočňuje v teplotnom rozsahu 1100...1300°C as prihliadnutím na proces pohonu v dvojstupňovom procese -1000...1300°. Pod 1000 °C sú koeficienty difúzie veľmi malé a hĺbka difúzie je zanedbateľná. Nad 1300°C dochádza pôsobením vysokej teploty k narušeniu povrchu platní.

Ako zdroje nečistôt sa používajú tuhé, kvapalné a plynné zlúčeniny. Bór a fosfor sa najčastejšie používajú vo forme chemických zlúčenín B 2 0 5, P 2 O 5 atď.

Difúzia v prúde nosného plynu z pevného zdroja sa vykonáva v dvojzónových inštaláciách (obr. 1.11). Zdroj nečistôt je umiestnený v zóne nízkej teploty a kremíkové doštičky sú umiestnené v zóne vysokej teploty (1100 ... 1200 ° C). Potrubie sa prepláchne zmesou inertného plynu s kyslíkom a po nastavení teplotného režimu sa dosky umiestnia do pracovného priestoru. Vyparujúce sa molekuly nečistôt sú prenášané nosným plynom na dosky a cez vrstvu tekutého skla padajú na ich povrch. Tekuté sklo chráni povrchy platní pred vyparovaním a vniknutím cudzích častíc. Nevýhody procesu difúzie z pevného zdroja - zložitosť inštalácie a obtiažnosť kontroly tlaku pary.

Difúzia v prúde nosného plynu z kvapalného zdroja sa uskutočňuje na jednoduchšom jednozónovom usporiadaní, kde je možné získať širší rozsah povrchových koncentrácií. Nevýhodou takéhoto procesu je vysoká toxicita koncentrácií.

Difúzia v uzavretom objeme. Takáto difúzia poskytuje dobrú reprodukovateľnosť parametrov difúznych vrstiev. V tomto prípade sa kremíkový plátok a zdroj nečistôt umiestni do kremennej ampulky, ktorá sa odčerpá na tlak 10 -3 Pa alebo sa naplní inertným plynom. Potom sa ampulka uzatvorí a umiestni do ohrievacej pece. Molekuly pár nečistôt sú adsorbované povrchmi polovodičového plátku a difundujú do jeho hĺbky. Táto metóda sa používa na difúziu bóru, antimónu, arzénu, fosforu. Tieto nečistoty sú vysoko toxické a difúzia v ampulke eliminuje možnosť otravy.

Výhodou metódy je možnosť použitia jednej pece na difúziu viacerých nečistôt bez ich vzájomnej kontaminácie, nevýhodou je nízka produktivita a nutnosť starostlivého procesu plnenia, nakoľko akákoľvek látka, ktorá sa dostane do ampulky, difunduje spolu s hlavnou nečistotou.

Pri všetkých difúznych metódach je potrebné zabezpečiť rovnomerné rozloženie teploty pozdĺž osi horúcej zóny. Ak je tolerancia hĺbky difúznej vrstvy 100%, potom stačí udržiavať teplotu s presnosťou ±5°C. S toleranciou 20% sa teplota musí udržiavať s presnosťou ± 0,5 °C.

Hĺbka difúzie sa pohybuje od niekoľkých mikrometrov (pre obvodové prvky) do 10 ... 100 mikrónov pre ich izoláciu. Veľká hĺbka difúzie vyžaduje značný čas (až 60 hodín).

Nečistoty difundujúce do kremíka cez otvor v oxide sa bočne šíria takmer rovnakým množstvom ako do hĺbky.

Najčastejšími chybami difúzie sú odchýlky v hĺbke difúznej vrstvy. Príčinou takýchto odchýlok je prach a iné častice na povrchu platne, ako aj zvyškový fotorezist. Povrchové defekty a poruchy v kryštálovej mriežke prispievajú k hlbšiemu prenikaniu difúzantu do materiálu. Na zníženie počtu takýchto defektov je potrebné počas prípravných operácií a počas difúzneho procesu starostlivo sledovať čistotu prostredia, materiálov a zariadení.

Potvrdenie P-N-prechody difúznymi metódami umožňuje presne kontrolovať hĺbku a umiestnenie prechodu, koncentráciu nečistôt atď. Nevýhodou difúzneho procesu je nemožnosť získať zreteľné prechody medzi oblasťami s rôznymi typmi vodivosti.

Epitaxia. Toto je proces rastu vrstiev s usporiadanou kryštálovou štruktúrou implementáciou orientačného pôsobenia substrátu. Pri výrobe integrovaných obvodov sa používajú dva typy epitaxie: homoepitaxia a heteroepitaxia.

Homoepitaxia (autoepitaxia) je proces orientovaného rastu kryštalickej látky, ktorá sa chemickým zložením nelíši od substrátovej látky. Heteroepitaxia je proces orientovaného rastu látky, ktorá sa chemickým zložením líši od materiálu substrátu.

V procese pestovania epitaxného filmu sa do neho môžu zavádzať dopanty, čím sa vytvárajú polovodičové filmy s požadovanou distribúciou koncentrácie a daným typom vodivosti. To umožňuje získať jasné hranice medzi oblasťami s rôznymi typmi vodivosti.

Najrozšírenejšia je v súčasnosti takzvaná chloridová metóda na získanie epitaxných vrstiev kremíka, založená na redukcii chloridu kremičitého. Proces sa uskutočňuje v reaktore, ktorým je kremenná trubica umiestnená v induktore RF generátora. Reaktory môžu byť horizontálneho a vertikálneho typu.

V horizontálnom reaktore (obr. 1.12) sú kremíkové doštičky umiestnené na grafitových podložkách. Vykurovanie je zabezpečené vysokofrekvenčným generátorom. Pred spustením procesu sa systém naplní dusíkom alebo héliom na odstránenie vzduchu a prepláchne čistým vodíkom, ktorý pri teplote 1200°C reaguje so zvyškami oxidových filmov na povrchu substrátov a takmer úplne ich odstraňuje. Potom sa komora naplní

zmes HC1 a H 2 na leptanie vrstvy hrubej niekoľko mikrometrov z kremíkového plátku. Operácia plynového leptania odstraňuje poškodenú vrstvu a zvyšky Si02. Epitaxné filmy sa získajú bez štrukturálnych defektov. Po vyčistení sa systém niekoľko minút preplachuje vodíkom SiCl4 a dopant. V dôsledku reakcie

5iС1 4(plyn) + 2H 2(plyn) ↔ Si(HARD) ↓ + 4HC1(plyn)

Chlorid kremičitý sa rozkladá a kremík sa ukladá na kremíkový substrát, ktorý preberá štruktúru podkladovej vrstvy. Po ukončení procesu sa substrát ochladí prúdom čistého vodíka.

Určité pomery vodíka, chloridu kremičitého a nečistôt sa dosahujú riadením rýchlosti privádzania a teploty. Typický prietok nosného plynu (vodíka) je 10 l/min a pomer medzi množstvom H 2 a SiCl4 je 1000:1. Do tejto zmesi sa zavádza plynný difuzant v množstve približne 300 dielov na 1 000 000 dielov plynnej zmesi.

Fosfín sa používa ako donorová nečistota. (RN 3) a získať vrstvu P-typ - diboran (B 2 H 6).

Rýchlosť rastu epitaxného filmu závisí od spotreby SiCl4 a H 2 teplota substrátu, množstvo vnesených nečistôt atď. Tieto premenné, ktoré je možné pomerne presne riadiť, určujú trvanie procesu.

Najmenšia hrúbka epitaxného filmu je určená prítomnosťou kryštalizačných centier. Horná hranica hrúbky vrstvy bez defektov je 250 µm. Najčastejšie je hrúbka epitaxného filmu od 1 do 25 um.

Kvalita epitaxnej vrstvy je vo veľkej miere ovplyvnená čistotou povrchu substrátu a použitými plynmi. Ako substrát sú použité silikónové doštičky s hrúbkou 150...200 µm, bez štrukturálnych defektov. Prípustný obsah nečistôt v plynoch sa rovná niekoľkým dielom nečistôt na milión dielov plynu.

Kontrola polovodičových doštičiek sa vykonáva po dokončení leštenia, epitaxie, oxidácie a difúzie. Je založená na vizuálnom pozorovaní a analýze obrazu platne vytvoreného na obrazovke homocentrickým lúčom viditeľného svetla odrazeným od povrchu platne.

Časti plátku s porušenou štruktúrou vnášajú do svetelného lúča poruchy, v dôsledku ktorých sú chyby plátku viditeľné na obrazovke ako zmeny intenzity svetla v obraze plátku, čo umožňuje vyhodnotiť jeho kvalitu.

Naprašovanie tenkých vrstiev. Hlavnými metódami získavania tenkých vrstiev sú tepelné striekanie (odparovanie) vo vákuu a iónové naprašovanie.

Tepelné striekanie vo vákuu. Takáto depozícia je založená na vlastnosti atómov (molekúl) kovov a niektorých ďalších materiálov počas vyparovania v podmienkach vysokého vákua pohybovať sa priamočiaro (lúčovito) a usadzovať sa na povrchu umiestnenom v dráhe ich pohybu.

Zariadenie na vákuové naprašovanie (obr. 1.13) pozostáva z plochej dosky 6, na ktorom je nainštalovaný sklenený alebo kovový uzáver 9. V druhom prípade sa dodáva s priezorom. Doska má dva izolované vákuovo-tesné vývody. 4 na napájanie výparníka 3. Substrát je umiestnený v určitej vzdialenosti od výparníka 10, na ktorý sa nanesie tenký film. Podklad sa zahrieva a je uzavretý klapkou, kým sa nedosiahne nastavený režim. 1.

V súlade s fyzikálnymi procesmi, ku ktorým dochádza pri odparovaní vo vákuu, možno rozlíšiť nasledujúce štádiá tvorby filmu: 1) prenos naneseného materiálu do parného stavu; 2) prenos pary zo zdroja vyparovania na podklad; 3) kondenzácia pár na podklade a tvorba filmu.

Prevod striekaného materiálu do stavu pary. V oblasti tvorby pár sa materiál vyparuje a zahrieva, kým tlak pár neprekročí tlak zvyškových plynov. V tomto prípade najviac zahrievané molekuly s vysokou kinetickou energiou prekonávajú sily molekulárnej príťažlivosti a odtrhávajú sa od povrchu taveniny. V dôsledku výrazne zníženého prenosu tepla v podmienkach vysokého vákua nedochádza k prehrievaniu substrátov.

Pre niektoré materiály je nominálna teplota vyparovania nižšia ako teplota topenia. Napríklad chróm má teplotu topenia 1800 °C a pri zahrievaní vo vákuu pri teplote 1205 °C sa vyparuje. Prechod látky z tuhého skupenstva do skupenstva pary bez prechodu cez kvapalné skupenstvo sa nazýva sublimácia.

Prenos pár zo zdroja vyparovania na podklad. Plocha prestupu pár je 10...20 cm, aby trajektórie molekúl odparovanej látky boli priamočiare, stredná voľná dráha molekúl zvyškového plynu musí byť 5...10 krát väčšie ako lineárne rozmery oblasti prenosu pár.

Voľná ​​cesta l- vzdialenosť, ktorú prejde molekula pary látky bez toho, aby sa zrazila s molekulami zvyškových plynov. Vo vysokom vákuu, keď l ³ d(d- vzdialenosť od zdroja vyparovania k substrátu), molekuly odparovanej látky preletia vzdialenosť prakticky bez zrážok. Tento tok vyparenej hmoty sa nazýva molekulárne a na jeho vytvorenie je potrebné vákuum rádovo 10-5 ... 10-6Pa.

Kondenzácia pár na podklade a tvorba filmu. Kondenzácia pár závisí od teploty substrátu a hustoty atómového toku. Atómy odparenej látky sa adsorbujú na substrát po náhodnej migrácii po jeho povrchu.

Z hľadiska mechanických a fyzikálnych vlastností sa tenké vrstvy výrazne líšia od sypkých materiálov. Napríklad špecifická pevnosť niektorých fólií je asi 200-krát vyššia ako pevnosť dobre vyžíhaných objemových vzoriek a niekoľkonásobne vyššia ako pevnosť materiálov spracovaných za studena. Je to spôsobené jemnou kryštalickou štruktúrou a nízkou plasticitou. Teplota vyparovania kovov sa pohybuje od niekoľkých stoviek stupňov (napríklad 430 °C pre cézium) až po niekoľko tisíc (napríklad 3500 °C pre volfrám). V tomto ohľade sa pri vákuovom naparovaní používajú odparky rôznych konštrukcií. Podľa spôsobu ohrevu látky sa výparníky delia na odporové, elektronické a indukčné.

V odporových výparníkoch sa tepelná energia získava v dôsledku uvoľňovania tepla, keď prúd prechádza ohrievačom alebo priamo materiálom, ktorý sa má odparovať. Najčastejšie používané výparníky s nepriamym ohrevom. V tomto prípade sú k dispozícii špeciálne ohrievače, pomocou ktorých sa odparená látka zahrieva na požadovanú teplotu. Materiál výparníka je zvyčajne volfrám, tantal, molybdén atď.

Výber materiálu ohrievača je určený nasledujúcimi požiadavkami: odparený materiál v roztavenom stave musí ohrievač dobre zvlhčovať, vytvárať dobrý tepelný kontakt a nesmie vstúpiť do chemickej reakcie s materiálom ohrievača. V zásade sa používajú ohrievače vyrobené z volfrámu, molybdénu, tantalu.

Odporové výparníky neposkytujú požadované zloženie filmov počas odparovania zliatin. V dôsledku rozdielu v tlaku pár rôznych zložiek sa zloženie filmu výrazne líši od zloženia východiskového materiálu. Napríklad zliatina naprašovaného nichrómu (80 % Ni a 20 % Cr) vytvára na substráte film so zložením 60 % Ni a 40 % Cr. Na získanie filmov požadovaného zloženia z viaczložkových zliatin (napríklad MLT atď.) sa používa metóda mikrodávkovania alebo explozívneho odparovania. Pri tejto metóde sa páskový výparník zahriaty na teplotu presahujúcu teplotu vyparovania najžiaruvzdornejšieho komponentu o 200 ... 300 ° C naplní mikrodávkou odpareného zliatinového prášku s veľkosťou častíc 100 ... 200 mikrónov. K odparovaniu mikrodávky dochádza takmer okamžite.

V elektronických výparníkoch sa kinetická energia elektrónov premieňa na tepelnú energiu. Odparený materiál sa používa vo forme pevného drôtu, ktorého voľný koniec je vystavený elektrónovému lúču. V dôsledku krátkeho trvania zahrievania (10 -8 ... 10 -9 s) sa rôzne zložky komplexnej zlúčeniny odparujú a usadzujú na substráte takmer súčasne. Ohrev elektrónovým lúčom umožňuje odparovanie žiaruvzdorných kovov a ich zliatin.

Na zvýšenie stability parametrov sa tenké kovové filmy podrobia tepelnému spracovaniu zahriatím na t=300 ... 400 ° C. V tomto prípade sa kryštály stávajú hrubšími, väzba medzi nimi sa zvyšuje, film sa stáva hustejším a kompaktnejším a elektrický odpor klesá.

Vákuové nanášanie je široko používané na získanie odporových fólií, vodičov vyrobených z medi, hliníka a niektorých ďalších zliatin, dielektrických povlakov oxidu kremičitého atď. Hlavnými výhodami procesu sú vysoká čistota výsledného filmu, pohodlnosť kontroly jeho hrúbky počas proces ukladania a jednoduchosť implementácie. Najvýznamnejšími nevýhodami procesu sú zmena percentuálneho pomeru zložiek počas odparovania látok komplexného zloženia; nízka rovnomernosť hrúbky filmu počas nanášania na veľkej ploche z bodových zdrojov; ťažkosti s odparovaním žiaruvzdorných materiálov; vysoká zotrvačnosť procesu pri použití odporových výparníkov; relatívne nízka priľnavosť fólie k podkladu.

Iónové naprašovanie. Je založená na fenoméne deštrukcie pevných materiálov, keď je ich povrch bombardovaný ionizovanými molekulami riedeného plynu. Proces nie je spojený s vysokými teplotami a umožňuje získať filmy zo žiaruvzdorných kovov a zliatin. Existujú nasledujúce typy iónového rozprašovania: katóda, iónovo-plazma a magnetrón.

Katódové naprašovanie („diódový“ systém) (obr. 1.14) sa vykonáva vo vákuovej komore, kde sú umiestnené dve planparalelné elektródy. Jedna elektróda (katóda) je vyrobená zo sprejového materiálu a je terčom pre bombardovanie. Druhá elektróda (anóda) slúži ako substrát, na ktorý sa nanáša film. Vo vákuovej komore sa vytvorí nízky tlak (10 -3 ... 10 -4 Pa), po ktorom sa naplní inertným plynom (zvyčajne argónom) pri tlaku 1 ... 10 Pa. Keď je aplikované vysoké napätie (1 ... 3 kV), medzi elektródami dochádza k nezávislému výboju žeravého plynu, excitovanému emisiou elektrónov. Katóda je zdrojom elektrónov potrebných na udržanie žeravého výboja. Elektróny sa pohybujú smerom k anóde a pri zrážke s molekulami neutrálneho plynu vyradia nové elektróny, čo vedie k prudkému zvýšeniu toku elektrónov. V tomto prípade sa molekula inertného plynu zmení z neutrálneho na kladný ión, ktorý má väčšiu hmotnosť v porovnaní s elektrónom. Takto dochádza k ionizácii plynu, ktorý sa s väčším alebo rovnakým počtom elektrónov a iónov nazýva plazma. Elektróny sa pohybujú k anóde a sú neutralizované. Kladné ióny sa pohybujú na inú hranicu plazmy a sú urýchľované v tmavom katódovom priestore, pričom získavajú vysoké energie na rozprašovanie cieľa (katódy). Atómy materiálu terča s vysokou energiou sú uložené na povrchu substrátu, ktorý je umiestnený dostatočne blízko katóde. Zvyčajne je táto vzdialenosť jeden a pol až dve dĺžky tmavého katódového priestoru.

Katódové reaktívne naprašovanie sa uskutočňuje v zmesi inertných a aktívnych plynov. Umožňuje vám získať inú kompozíciu filmu. Na získanie oxidov sa využíva výboj v zmesi plynov „argón – kyslík“. Reaktívne naprašovanie tantalu v argónovej atmosfére s prídavkom kyslíka, dusíka a uhlíka umožňuje získať množstvo zlúčenín s veľmi odlišnými vlastnosťami.

Iónovo-plazmové naprašovanie (trojelektródový systém) sa uskutočňuje pri nižších tlakoch (obr. 1.15).

V komore sa vytvorí tlak 10 - 3 Pa a zapne sa katódové žeravenie. Potom sa naplní inertným plynom pri tlaku 10-1 Pa. Vytvorenie plazmy s plynovým výbojom je zabezpečené oblúkovým výbojom, ktorý vzniká medzi anódou a katódou pri napätí 150 ... 250 V. Horúca katóda slúži ako zdroj elektrónov. Naprašovaný materiál (terč) sa zavádza do plynového výboja ako nezávislá elektróda, ktorá nie je spojená s udržiavaním výboja. Elektróny simulované termionickou katódou sú urýchľované smerom k anóde a ionizujú molekuly zvyškového plynu pozdĺž cesty. Hustota výslednej plazmy je o rádovo vyššia ako hustota plazmy žeravého výboja. Cieľová katóda a substrát sú umiestnené na opačných hraniciach priestoru aktívnej plazmy. Rozprašovanie začína od okamihu, keď sa na terč vzhľadom na anódu aplikuje negatívny potenciál 200 ... 1000 V. Tento potenciál odpudzuje elektróny a priťahuje ióny z priestoru plazmy. Ióny bombardujú cieľ rovnakým spôsobom ako v uvažovanej „diódovej“ verzii. Naprašované atómy, pohybujúce sa hlavne v smere kolmom na povrch, sa ukladajú na substrát. Naprašovanie pri nízkych tlakoch umožňuje dosiahnuť vysokú priľnavosť filmu k substrátu vďaka väčšej energii rozprašovaných častíc. Keďže pri tomto tlaku je stredná voľná dráha molekúl niekoľko centimetrov, rozprášené atómy na svojej ceste z terča k substrátu takmer nekolidujú s molekulami a iónmi inertného plynu a nečistotami plynu, čo výrazne znižuje stupeň kontaminácie. filmu s inklúziami cudzích plynov. Možnosť zmenšenia vzdialenosti medzi terčom a substrátmi je spôsobená tým, že v systéme triódového naprašovania dochádza k tvorbe elektrónov a iónov autonómne od terča.

Nevýhodou triódového systému je krátka životnosť drôtenej katódy a rozdielne rýchlosti rozprašovania v určitých oblastiach plochého terča.

Vysokofrekvenčné iónové naprašovanie sa používa na naprašovanie dielektrík a polovodičových materiálov. Počas obvyklého rozprašovania vodivých materiálov, ktoré zasiahnu cieľovú katódu, neutrálny ión pracovného plynu prijme elektrón z cieľa a vybije sa, pričom sa na nejaký čas zmení na neutrálnu molekulu. Ak je materiál terča, ktorý sa rozprašuje, dielektrikum, nedôjde k neutralizácii iónov na terči a terč sa rýchlo pokryje vrstvou kladných nábojov, ktoré bránia ďalšiemu rozprašovaniu terča.

Vplyv kladného náboja je možné eliminovať privedením striedavého napätia na kovovú elektródu, na ktorej je fixované rozprašované dielektrikum. Počas obdobia, keď je napätie na terči záporné, dochádza k jeho rozprašovaniu, sprevádzanému akumuláciou kladného náboja. Pri obrátenej polarite je kladný náboj kompenzovaný elektrónmi odoberanými z plazmy. Dielektrické materiály môžu byť rozprašované takmer pri akejkoľvek frekvencii.

Bez čoho je ťažké si predstaviť existenciu moderného človeka? Samozrejme, bez moderných technológií. Niektoré veci nám tak vstúpili do života, stali sa tak nudnými. Internet, televízia, mikrovlnné rúry, chladničky, práčky - bez toho je ťažké si predstaviť moderný svet a samozrejme seba v ňom.

Prečo sú takmer všetky dnešné technológie skutočne užitočné a potrebné?

Ktorý vynález poskytoval najväčšie príležitosti na pokrok?

Jedným z najnevyhnutnejších objavov človeka je technológia výroby mikroobvodov.

Vďaka nej sú moderné technológie také malé. Je kompaktný a pohodlný.

Všetci vieme, že do domu sa zmestí obrovské množstvo vecí pozostávajúcich z mikroobvodov. Mnohé z nich sa zmestia do vrecka nohavíc a majú nízku hmotnosť.

tŕnistá cesta

Na dosiahnutí výsledku a získaní mikroobvodu vedci pracovali mnoho rokov. Počiatočné okruhy boli na dnešné pomery obrovské, boli väčšie a ťažšie ako chladnička, napriek tomu, že moderná chladnička sa neskladá výlučne zo zložitých a zložitých okruhov. Nič také! Má jeden malý, ale užitočnejší ako staré a objemné. Objav vyvolal rozruch, dal impulz ďalšiemu rozvoju vedy a techniky, došlo k prielomu. Uvoľnené zariadenie na výrobu čipov.

Vybavenie

Výroba mikroobvodov nie je ľahká úloha, ale našťastie má človek tie technológie, ktoré čo najviac zjednodušujú úlohu výroby. Napriek zložitosti sa na celom svete denne vyrába obrovské množstvo mikroobvodov. Neustále sa vylepšujú, získavajú nové funkcie a zvyšujú výkon. Ako sa tieto malé, ale inteligentné systémy objavujú? To pomáha zariadeniam na výrobu mikroobvodov, o ktorých sa v skutočnosti hovorí nižšie.

Pri vytváraní mikroobvodov sa používajú elektrochemické depozičné systémy, čistiace komory, laboratórne oxidačné komory, medené elektrodepozičné systémy, fotolitografické a iné technologické zariadenia.

Fotolitografické zariadenia sú najdrahšie a najpresnejšie v strojárstve. Je zodpovedný za vytváranie obrazov na kremíkovom substráte, aby sa vytvorila zamýšľaná topológia čipu. Na tenkú vrstvu materiálu sa nanesie fotorezist, ktorý sa následne ožiari fotomaskou a optickým systémom. Počas prevádzky zariadenia sa veľkosť prvkov vzoru znižuje.

V polohovacích systémoch zohráva vedúcu úlohu lineárny elektromotor a laserový interferometer, ktoré majú často spätnú väzbu. Ale napríklad v technológii vyvinutej moskovským laboratóriom "Amphora" takéto spojenie neexistuje. Toto domáce vybavenie má presnejší pohyb a plynulé opakovanie na obe strany, čo eliminuje možnosť spätného nárazu.

Špeciálne filtre chránia masku pred teplom generovaným hlbokou ultrafialovou oblasťou, ktorá vydrží teploty presahujúce 1000 stupňov počas dlhých mesiacov prevádzky.

Nízkoenergetické ióny sú zvládnuté pri ukladaní na viacvrstvové povlaky. Predtým sa tieto práce vykonávali výlučne metódou magnetrónového naprašovania.

Technológia výroby čipov

Celý proces tvorby začína výberom polovodičových kryštálov. Najrelevantnejší je kremík. Tenká polovodičová doska sa leští, kým sa v nej neobjaví zrkadlový obraz. V budúcnosti bude povinným krokom pri tvorbe fotolitografia s použitím ultrafialového svetla pri kreslení obrázka. To pomáha stroju na výrobu mikroobvodov.

Čo je mikročip? Ide o taký viacvrstvový koláč vyrobený z tenkých kremíkových plátkov. Každý z nich má špecifický dizajn. Rovnaký vzor je vytvorený vo fáze fotolitografie. Platne sú starostlivo umiestnené v špeciálnom zariadení s teplotou nad 700 stupňov. Po upražení sa premyjú vodou.

Proces vytvárania viacvrstvovej platne trvá až dva týždne. Fotolitografia sa vykonáva niekoľkokrát, kým sa nedosiahne požadovaný výsledok.

Vytvorenie mikroobvodov v Rusku

Domáci vedci v tomto odvetví majú aj vlastnú technológiu na výrobu digitálnych mikroobvodov. Závody zodpovedajúceho profilu fungujú po celej krajine. Na výstupe nie sú technické vlastnosti oveľa horšie ako konkurenti z iných krajín. Ruské mikroobvody sú preferované v niekoľkých štátoch. To všetko vďaka pevnej cene, ktorá je nižšia ako u západných výrobcov.

Nevyhnutné súčasti výroby vysokokvalitných mikroobvodov

Mikroobvody sú vytvorené v miestnostiach vybavených systémami, ktoré kontrolujú čistotu vzduchu. V celej fáze tvorby špeciálne filtre zbierajú informácie a spracovávajú vzduch, čím ho robia čistejším ako v operačných sálach. Pracovníci vo výrobe nosia špeciálne ochranné kombinézy, ktoré sú často vybavené vnútorným systémom prívodu kyslíka.

Výroba čipov je ziskový biznis. Dobrí špecialisti v tejto oblasti sú vždy žiadaní. Takmer všetka elektronika je napájaná mikroobvodmi. Sú vybavené modernými autami. Kozmické lode by bez prítomnosti mikroobvodov v nich nemohli fungovať. Výrobný proces sa pravidelne zlepšuje, kvalita sa zlepšuje, rozširujú sa možnosti, zvyšuje sa trvanlivosť. Mikroobvody budú relevantné dlhé desiatky alebo dokonca stovky rokov. Ich hlavnou úlohou je mať prospech na Zemi aj mimo nej.