Методичні вказівки до державного іспиту з дисципліни «Технологічні  основи  електроніки»

55

Сумський державний Університет

А. М. Чорноус, А.П. Жуковець, Н. М. Опанасюк

Методичні вказівки

   до  державного  іспиту  з  дисципліни

    «Технологічні  основи  електроніки»

  

Суми

Вид-во Сум ДУ

2009

Практичні рекомендації

Описані процеси являють собою деяку складність при засвоєнні, бо включають багато ілюстраційного матеріалу, який до здачі іспиту необхідно добре запам’ятати                       ( конспектами та іншими інформаційними матеріалами під час іспиту користуватися суворо заборонено ).

Тому студентам рекомендується повторювати даний матеріал ( з відтворенням необхідних формул, схем, рисунків ) до тих пір, доти зможуть подати відповідь на кожне питання безпомилково.

ЗМІСТ

  1.  Вступ………………………………………….…………..4
  2.  Основна частина………………………...………………..5
    1.  Послідовність формування та схема технологічного процесу дифузійно-планарних ІМ……….…............5
    2.  Послідовність формування та схема технологічного процесу  епітаксійно-планарних ІМ………….…….8
    3.  Послідовність формування та схема технологічного процесу V-канальних НІМС……………………...11
    4.  Послідовність формування та схема технологічного процесу виготовлення НІМС з діелектричною ізоляцією……………………………………………15
    5.  Впровадження домішок у напівпровідники шляхом термічної ………………...........................................19
    6.  Впровадження домішок у напівпровідники шляхом іонної імплантації………………………………...23
    7.  Автоепітаксія кремнію як базовий технологічний процес виготовлення ІМС………………………....26
    8.  Загальна характеристика фотолітографічного процесу………….......................................................29
    9.  Схема технологічного процесу виготовлення товстоплівкових ГІМС. Характеристика та трафаретний друк товстоплівкових елементів…...34
    10.   Загальна характеристика методів та етапів складання ІМС……………………………………...38
  3.  Список рекомендованої літератури…………………...43

1 ВСТУП

Дисципліна „Технологічні основи електроніки” пов’язана з вивченням студентами новітніх технологій виготовлення електронних приладів та процесів, що з ними пов’язані.

Становлення електроніки можна віднести до початку ХХ ст., коли було винайдено електронну лампу-діод  ( 1904 р. ). Пізніше, в 1948 р., був винайдений напівпровідниковий транзистор, що сприяло розвиткові напівпровідникової електроніки.

Новий поштовх розвитку електроніки надали інтегральні мікросхеми, промисловий випуск яких розпочався в 60-х роках минулого століття.

Мікросхема являє собою діелектричну підкладку                 ( кераміка, алюмокераміка і ін. ), на якій розташовані пасивні та активні елементи, що утворюють електричну схему, яка виконує визначену функцію. До пасивних елементів відносяться провідники, контактні площинки, резистори, конденсатори, котушки індуктивності; до активних – напівпровідникові елементи ( діоди, тріоди, багатоелектродні елементи ). Товщина плівкових пасивних елементів в тонкоплівкових мікросхемах – біля одного мікрометра, в товстоплівкових – від 10 до 70 мкм.

Напівпровідникові прилади та інтегральні мікросхеми одержують шляхом формування елементів в тонкому шарі напівпровідникової пластини.

Сучасний розвиток технології та матеріалів дозволяє створювати надвеликі інтегральні схеми, які стали основними компонентами мікропроцесорів і електронних обчислювальних машин. Такі схеми широко використовуються в побутових, комунікаційних, медичних, енергетичних, транспортних, військових, космічних та інших приладах і системах. Безперервне вдосконалення техніки і технології виробництва, розроблення нових схем, систем і засобів проектування зумовило швидке зростання продуктивності і зменшення вартості мікросхем.

В даному посібнику подані варіанти відповідей на питання державного іспиту. Для розуміння викладеного матеріалу необхідні знання з фізики, фізичної хімії, фотохімії, технології виготовлення мікросхем, мікроелектроніки.

Прийняті скорочення

ІМС – інтегральна мікросхема;

НІМС – напівпровідникова інтегральна мікросхема;

ВІС – велика інтегральна мікросхема;

НВІС – надвелика інтегральна мікросхема;

ІЧ – інфрачервоне випромінювання;

УФ- промені – ультрафіолетові промені;

ВЧ - висока частота ;

НВЧ – надвисока частота.

2 ОСНОВНА ЧАСТИНА

Питання та відповіді

  1.  Послідовність формування та схема технологічного процесу дифузійно - планарних ІМС

Схема технологічного процесу являє собою послідовний перелік базових технологічних операцій, які використовуються як маршрутна карта при виготовленні ІМС.

Розглянемо послідовність формування структури дифузійно - планарних мікросхем на прикладі транзистора. Як вихідна заготовка використовується монокристалічна пластина кремнію з дірковою провідністю ( р - типу ), яка покрита шаром оксиду кремнію, ( рис. 1) .

                      Рисунок 1

В цьому шарі методом фотолітографії відкриваються вікна прямокутної форми ( відповідно до розміру колекторних областей ) ( рис. 2 ). Через такі вікна потім, методом термічної дифузії*, вводяться атоми домішки донора, після чого пластина окислюється ( рис. 3 ). 

* Примітка

При дифузії відбувається автоматичне окислення поверхні ( дивіться питання дифузії у літературі ).

             

          Рисунок 2                                          Рисунок 3

Таким чином, ми сформували колектори всіх транзисторів на всіх пластинах у межах всієї партії.

Для отримання базових областей з провідністю р – типу так само використовують фотолітографію ( рис. 4 ) та термічну дифузію з окисленням ( рис. 5 ).

 

        Рисунок 4                                              Рисунок 5

Наступним травленням вікон, одержаних методом фотолітографії ( рис. 6 ) з послідуючою термічною дифузією виготовляють емітери та приконтактні ділянки у колекторах, які мають провідність n ( + означає велику електронну провідність, близьку до металу) - рис. 7.

 

           Рисунок 6                                            Рисунок 7

Таким чином, у приповерхневому шарі напівпровідникової пластини сформовано структуру транзистора. Залишається виконати систему мініз’єднань. Для цього спочатку за допомогою фотолітографії у шарі  відкривають вікна у місцях контакту зовнішньої розводки з відповідними областями транзистора ( рис. 8 ).

 

 

Рисунок 8

На пластину шляхом термічного напилення у вакуумі, наноситься шар (плівка) алюмінію ( рис. 9 ).

               

 

Рисунок 9

Після цього проводять фотолітографію по Al і травлення    ( рис.10 ). Шаблон для останньої фотолітографії відповідає електронній схемі мікросхеми.

Рисунок 10

Схема технологічного процесу виготовлення дифузійно-планарної мікросхеми подана нижче.

 

 '-

 

 

При цьому необхідно зауважити, що це спрощена схема. Детальна схема ( маршрутна карта ) включає більше 100 операцій.

2.2 Послідовність формування та схема технологічного процесу епітаксійно - планарних ІМС

Для того, щоб отримати епітаксіально - планарну структуру, в якості вихідної заготовки потрібно взяти монокристалічну пластину кремнію () з провідністю p-типу    ( рис.1 ).

                     p

 

Рисунок 1              

Для створення прихованого шару з провідністю п спочатку у шарі  відкривають вікна ( рис. 2 ), через які проводиться термічна дифузія донорної домішки великої концентрації з наступним окисленням ( рис. 3 )

     

      

                 Рисунок 2                                       Рисунок 3

Далі з поверхні пластини зтравлюється  ( наприклад, іонним травленням або хімічним ). Хімічне травлення проводять з використанням плавикової кислоти ( HF ), або травників на її основі з уповільнюючими домішками, наприклад, фторидом  амонію . ( рис. 4 ). Після цього на поверхню наноситься епітаксіальний шар Si з провідністю n - типу і поверхня пластини окислюється ( рис. 5 ).

       

 

 

 

        Рисунок 4                                        Рисунок 5

Для створення колекторних областей по контуру майбутніх транзисторів травляться вікна ( при використані фотолітографії ) у вигляді вузьких замкнутих доріжок ( рис. 6 ). Після цього проводиться роздільна термічна дифузія акцепторних домішок великої концентрації ( р+ ) з наступним окисленням ( рис. 7 ). 

  

 

Рисунок 6                                                Рисунок 7

При формуванні базових і емітерних ділянок транзистора послідовно, двічі використовують фотолітографію та термічну дифузію з окисленням ( рис.8 – 11 ).

      Рисунок 8 Рисунок 9

              

   

   Рисунок 10                                            Рисунок 11

Таким чином, формування структури транзистора закінчено. Залишається виготовити лише з'єднання між елементами. Для цього, спочатку за допомогою фотолітографії у шарі SіО2 відкривають вікна у місцях контакту зовнішньої розводки з відповідними областями транзистора ( рис. 12 ).

Рисунок 12

Далі на пластину шляхом термічного напилення у вакуумі, наноситься шар ( плівка ) алюмінію ( рис.13 ). Після цього проводять фотолітографію по Аl і травлення його ( рис. 14 ). Шаблон для останньої фотолітографії відповідає електронній схемі мікросхеми.

      Рисунок 13                                               Рисунок 14

Схема технологічного процесу епітаксіально - планарних мікросхем із захованим n+ шаром має такий вигляд:

 

2.3 Послідовність формування та схема технологічного процесу V - канальних НІМС

При виготовленні поліпланарних мікросхем на монокристалічну пластину Si р - типу, звільнену від оксиду травленням, методом епітаксії спочатку наноситься тонкий шар з провідністю n+, а потім n - типу. Після цього його поверхня окислюється ( рис. 1 ).

        

Рисунок 1

 

Використовуючи спочатку фотолітографію по SiO, а потім іонне травлення SiO і Sі по контуру майбутніх елементів, одержуємо канавки V - подібної форми глибиною трохи більшою, ніж товщина епітаксійного шару ( рис. 2 ).

Рисунок 2

На наступних етапах пластина покривається шаром оксиду ( рис. 3 ) та полікристалічним Sі ( рис. 4 ).

   

   

                     Рисунок 3                                    Рисунок 4

Далі пластина шліфується, полірується, а потім її поверхня окислюється. В результаті отримуються ізольовані один від одного колектори окремих транзисторів ( рис.5 ).

 

Рисунок 5

Для отримання базових областей з провідністю р - типу використовують фотолітографію ( рис. 6 ) та термічну дифузію з окисленням ( рис. 7 ).

        Рисунок 6                                        Рисунок 7

Далі знову проводимо фотолітографію. Наступним травленням вікон з послідуючою термічною дифузією виготовляють емітери та приконтактні ділянки у колектора, які мають провідність n+ ( + означає велику електронну провідність близьку до металу ) - рис 8,9.

   

           Рисунок 8                                       Рисунок 9

Таким чином, у при поверхневому шарі пластини сформована структура транзистора. Далі необхідно виконати систему мініз’єднань. Для цього спочатку за допомогою фотолітографії у шарі SіО2 відкривають вікна у місцях контакту зовнішньої розводки з відповідними областями транзистора           ( рис.10 ). 

Рисунок 10

Далі на пластину шляхом термічного напилення у вакуумі наноситься шар ( плівка ) алюмінію ( рис. 11 ). Після цього проводять фотолітографію і травлення по Al ( рис. 12 ). Шаблон для останньої фотолітографії відповідає електронній схемі мікросхеми.

             

     Рисунок 11                                             Рисунок 12

Схема технологічного процесу має такий вигляд:

2.4 Послідовність формування та схема технологічного процесу виготовлення НІМС з діелектричною ізоляцією

Монокристалічна пластина кремнію з провідністю n - типу на початковій стадії технологічного процесу піддається такій обробці : спочатку на звільнену від оксиду поверхню наноситься тонкий епітаксійний або дифузійний шар з провідністю n+ з наступним окисленням поверхні ( рис.1 ).

Рисунок 1

Використовуючи фотолітографію, у шарі оксиду травляться вікна по контуру майбутніх елементів ( рис.2 ).

Рисунок 2

Далі травиться кремній на глибину, яка відповідає майбутнім елементам ( до 20 мкм ), а потім отримана рельєфна поверхня окислюється ( рис. 3 ). На поверхню пластини наноситься шар полікристалічного кремнію великої товщини ( до 0,5 - 1,0 мм ) ( рис.4 ).

 

       Рисунок 3                                        Рисунок 4

Обернена сторона пластини шліфується, на нову товщину, аж до дна канавок. Потім поверхня полірується та окислюється   ( рис.5 ).

Рисунок 5

Ізоляція елементів забезпечується окисним шаром SіО2. Таким чином, маємо ізольовані одну від другої області для окремих елементів. На наступних етапах формується структура решти областей транзисторів.

Для створення базової області відкриваються вікна прямокутної форми у шарі оксиду методом фотолітографії          ( рис.6 ).

Потім за допомогою термічної дифузії формуються області з провідністю р - типу, далі пластина окислюється ( рис.7 ). Подібним чином виготовляють емітерну область та приконтактну ділянку колектора ( рис.8, 9 ).

   

                  Рисунок 6    Рисунок 7

     

           Рисунок 8     Рисунок 9

Для виготовлення металевої розводки спочатку методом фотолітографії відкриваються вікна в шарі SіО2 ( рис. 10 ).

Далі термічним напиленням наноситься шар провідника     ( алюмінію ) ( рис. 11 ).

      

               Рисунок 10          Рисунок 11

Після цього здійснюється травлення шару металу. При цьому використовується фотолітографія. Даний рисунок ілюструє готову транзисторну структуру ( рис. 12 ).

Рисунок 12

Схема технологічного процесу виготовлення структур мікросхем з діелектричною ізоляцією буде такою:

 

 

  1.  Впровадження домішки у напівпровідники шляхом термічної дифузії

Для надання окремим, топологічно визначеним ділянкам напівпровідникової пластини відповідних електрофізичних властивостей при виготовленні мікросхем застосовується термодифузія.

Якщо в кремній ввести п`ятивалентний елемент                   ( наприклад- фосфор ), то чотири з п`яти електронів вступлять у зв`язок з чотирма електронами сусідніх атомів кремнія і утворять оболонку з 8-и електронів. П’ятий електрон легко відривається від ядра п`ятивалентного елемента і стає вільним.   ( Атом домішки перетворюється в нерухомий іон із зарядом плюс ). Ці вільні електрони додаються до власних вільних електронів. Тому провідність стає електронною. Такі провідники називаються електронними або провідниками n – типу. Домішки, які обумовлюють таку провідність називаються донорними ( вони „віддають” електрони в гратку ) - див. рис. 1а.

а)             іон                           Вільний     б)

                                          електрон

                                                                

              

                                                             

 

Рисунок  1 - Заміщення атомами домішок основних атомів решітки.

а) донорна домішка ( утворюється вільний електрон );

б) акцепторна домішка ( утворюється вільна дірка ).

Якщо ввести в кремній атом тривалентного елемента         ( наприклад - бору, алюмінію ), то всі його тривалентні електрони вступлять у зв`язок з чотирма електронами сусідніх атомів кремнію.

Для утворення стійкої восьмиелектронної оболонки потрібний додатковий електрон. Такий електрон відбирається від найближнього атома кремнію. В результаті утворюється незаповнений зв`язок – дірка, а атом домішки перетворюється в нерухомий іон з від’ємним зарядом. Такі напівпровідники називають «дірковими» або p-типу. Домішки, які обумовлюють р-провідність називаються акцепторними.

Процес введення домішки найчастіше проводиться методом термодифузії. Для інтенсифікації процесу пластина підігрівається до високої температури.

Теоретичною основою процесу дифузії є два закони Фіка. Перший закон Фіка стверджує: якщо в замкнутому середовищі має місце градієнт концентрації речовини, то виникає потік, густина якого для одновимірного напрямку потоку визначається за формулою:

                              ,                                  (1)

де - градієнт концентрації дифундуючої речовини; D – коефіцієнт дифузії дифундуючої речовини; N - концентрація дифундуючої речовини. Знак мінус у даній формулі означає, що потік виникає в напрямку зменшення концентрації.

Коефіцієнт дифузії є величина залежна від температури. Ця залежність описується рівнянням:

                      ,    (2)

де D0 – температурно незалежний коефіцієнт, або коефіцієнт дифузії речовини при температурі рівній нескінченності; EА– енергія активації дифундуючої речовини, T – температура, при якій  проводиться  процес дифузії; k-стала Больцмана (k=1,38·10-23 Дж/К).

Крім температури, процес дифузії є залежним також від часу, що не відображені в першому законі Фіка. Отже, при наявності градієнту концентрації виникає потік, що визначає залежність концентрації речовини в даному середовищі від часу, поки не встановиться рівновага. Якщо розглядати цей процес в одномірному просторі і виходити із закону збереження маси, то зміна концентрації в часі буде визначатися зміною потоку з відстаню:

                    (3)

Ця формула відображає суть другого закону Фіка .

Аналізуючи закони Фіка, можна одержати дані про розподіл дифундуючої домішки в напівпровідниковій пластині, як в просторі, так і в часі, що є дуже важливим при розрахунку електричних характеристик елементів напівпровідникових інтегрованих мікросхем.

Практичні способи проведення дифузії

Дифузійне введення домішок в напівпровідник вперше було використане для створення p – n переходів. Цей спосіб використовується і зараз. Розроблено багато різних способів проведення дифузії. Найбільш широке застосування в планарній технології знайшов спосіб дифузії домішок в кремній в потоці газу – носія ( спосіб відкритої труби ).

Як джерело дифузантів можуть використовуватися рідкі або газоподібні речовини. Схема установки показана на рисунку 2.

Рисунок 2 - Схема установки дифузії в потоці газу – носія для рідких ( а ) і газоподібних ( б ) джерел домішки:

1 – трубчата піч; 2 – кварцева труба; 3 – підкладки; 4 – посудина з рідким джерелом домішки.

Для випаровування рідкого джерела домішки достатньо підтримувати його температуру в інтервалі 20 – 40 ºС. Найбільш широке застосування знайшли галогеніди бору і фосфору. Наприклад, трихлористий фосфор  оксохлорид фосфору  і трибромистий бор .

В кварцеву трубу направляються три потоки газу: основний потік азоту зі швидкістю  слабкий потік  такого ж газу, який попередньо проходить через рідкий дифузант і слабий потік кисню . При використанні рідких джерел наявність кисню в складі газу – носія має принципове значення, бо приводить до одержання оксидів домішки.

Так, для  в зоні дифузії проходять такі хімічні реакції:

.  

При взаємодії тонкої плівки  з  утворюється сполука типу

( боросилікатне скло ).

На поверхні  при реакції

проходить виділення дифундуючого в  елементарного бору.

Аналогічні реакції проходять для сполук  і , які використовують для дифузії фосфору в кремній:

       

      

        

При використанні газоподібних джерел застосовують, як правило, гідриди домішок, наприклад: фосфін , діборан , арсин .

В атмосфері реакційної камери відбувається розкладання фосфіну при температурі вище 440 ºC і утворення оксиду фосфору:

На поверхні кремнію проходять реакції

Позитивною особливістю такої дифузії є можливість досить просто регулювати поверхневу концентрацію в широких границях, змінюючи склад гідридів в інертному газі.

Недолік методу полягає в токсичності газоподібних джерел.

2.6 Впровадження домішки у напівпровідники шляхом іонної імплантації

Метод іонного впровадження заключається в тому, що на поверхню напівпровідникової підкладки визначеної орієнтації подається пучок прискорених іонів домішки. При цьому використовують спеціальні гармати, в яких атоми домішки іонізуються і прискорюються в електричному полі до високих енергій. Іони проникають в глибину пластини.

Розглянемо якісну картину імплаптації. Прискорені іони зіштовхуються з електронами та атомами напівпровідника і гальмуються. Згідно теоретичної моделі процесу іонний пучок, який падає на поверхню кристалу розкладається, на два: безладний та каналувальний.

Безладний ( невпорядкований ) пучок має частинки, які ударяються об поверхню кристала поблизу регулярних атомів кристалічної гратки, на відстані, яка менша деякої критичної. Взаємодіючи з цими атомами, іони сильно розсіюються. Тому для безладного пучка кристал являється немов би аморфним тілом.

Каналувальний пучок складається з частинок, які не мають зіштовхувань з поверхневими атомами, можуть далі рухатися по міжвузловому простору кристалічної гратки, вздовж атомних площин, немов би по каналам.

Як тільки іон попадає в канал, то на нього починають діяти потенційні сили атомних рядів і направляти його в центр каналу. Завдяки цьому іон досить глибоко проникає в підкладку. Це призводить до появи «хвостів» концентрації атомів домішки і «хвостів» концентрації вільних носіїв заряду.

Зменшити вплив цього ефекту можна при зміні кута нахилу пучка іонів щодо підкладки. При цьому кут повинен бути меншим . Зменшити цей вплив можна також за допомогою покриття аморфними шарами  і .

При відсутності ефекту каналування розсіювання іонів носить випадковий характер і розподіл їх пробігу описується функцією Гауса. Розподіл концентрації домішки дається виразом

 , де

доза опромінювання, рівна кількості іонів що бомбардують одиницю поверхні за час впровадження;

середня проекція пробігу;

середнє квадратичне відхилення пробігу. 

Проникнення домішки в підкладку показано на рис. 1.

Рисунок 1 - Глибина проникнення домішки в підкладку.

- середня проекція пробігу; R- середнє квадратичне відхилення проекції пробігу.

 

Спрощена схема установки для іонного бомбардування показана на рис. 2.

 

 

Рисунок 2 - Установка для іонного бомбардування

Такі установки забезпечують глибину залягання р - n переходів до 0,2 - 0,4 мкм.

Для отримання іонів бору використовуються галогени бору  чи , які у вигляді пари потрапляють в джерело через натікачі. Для отримання іонів фосфору використовують червоний порошкоподібний чи кристалічний фосфор, а також РН і PF і інші.

Для локального введення домішки в напівпровідникову пластину застосовують контактне або проекційне маскування.  

Переваги методу іонного легування такі:

- забезпечується відтворення точної дози суміші при бомбардуванні;

- досягається висока точність контролю глибини залягання p-n- переходу ( до 0.02 мкм );

- змешується тривалість проведення процесу до кількох хвилин при груповому завантаженні установки;

- існує можливість створювати будь-які профілі розподілу домішки ;

- легко формуються приховані леговані шари;

- забезпечується суміщення процесу в одній технологічній установці з іонно-плазмовим  осадженням, іонним травленням та іншими операціями.

 

Серед недоліків і обмежень методу іонного легування слід виділити такі:

 - складність відтворення глибоких легованих ділянок;

 - складність керування іонно-променевими установками;

 - зниження якості обробки пластин великих діаметрів через розфокусування відхиленого променя.

2.7 Автоепітаксія кремнію як базовий технологічний процес виготовлення IMC

Епітаксійним нарощуванням або епітаксією називається процес орієнтованого нарощування шару речовини на початковий ( вихідний ) монокристал – підкладку.

Автоепітаксією ( гомоепітаксією ) називається орієнтоване нарощування речовини шару, що відрізняється від підкладки лише домішками. Орієнтоване нарощування речовини на інородні підкладки називається гетероепітаксією.

Напівпровідникові шари, одержані епітаксією, мають значно кращі електрофізичні властивості, ніж підкладка ( не містять домішок кисню і вуглецю, які є в монокристалах кремнію ).

Епітаксійне нарощування напівпровідникових шарів може проводитися з використанням процесів : 1) осадження з газової фази; 2) осадження з парової фази; 3) осадження з розчинів         ( рідинна епітаксія ). При цьому використовують хлоридний метод, силановий метод та молекулярно – променеву епітаксію  ( МПЕ ).

               2.7.1 Хлоридний та силановий  методи

Велике розповсюдження в промисловості одержав хлоридний метод автоепітаксії. При цьому методі проводиться осадження кремнію з газової фази з використанням реакції відновлення воднем тетрахлориду кремнію:

Автоепітаксія кремнію здійснюється на установці, яка складається з реакційної камери і газової системи, що забезпечує подачу в камеру водню, азоту, їх суміші та хлористого водню  ( рис.1 ).

Рисунок 1 - Установка для епітаксійного нарощування хлоридним методом

1 – реакційна камера; 2 – індуктор (нагрівальний електромагнітний пристрій); 3 - підставка для підкладок; 4 – підкладки ; 5 – вентилі.

Подача азоту передбачена необхідністю видалення повітря з газової системи та реакційної камери: суміш водню і хлористого водню вводиться в реакційну камеру для газової очистки поверхні підкладок безпосередньо перед епітаксійним нарощуванням.

Процес приєднання атомів кремнію, що утворюється в результаті реакції, до підкладки залежить від швидкості газового потоку та температури. Максимальний вихід кремнію спостерігається при температурі біля 1200˚ С.

В технологічному процесі створення мікросхем використовують підкладки кремнію з епітаксійними шарами, які мають різні питомі опори та типи провідності. Для одержання епітаксійних шарів з заданими властивостями використовується процес легування елементами III і V груп.

При утворенні епітаксійних шарів відбувається інтенсивне впровадження домішки, яка є в підкладці, - в епітаксійний шар. Це особливо помітно при нарощуванні високоомних шарів на сильноліговані підкладки. Прикладом можуть слугувати біполярні мікросхеми, в яких епітаксійний шар n- типу нарощується на сильнолігований «скритий» n+- шар.

При автолегуванні впровадження домішки з підкладки обумовлено травленням підкладки ( при реакції з хлористим воднем ). В результаті такого травлення утворюються не тільки хлориди кремнію, але й хлориди домішок.

На рис.2 показано розподіл домішки в епітаксійному шарі, вирощеному на підкладці n+ - типу.

Рисунок 2 - Розподіл домішки в епітаксійному шарі товщиною , вирощеному на підкладці - типу.

Хлориновий ( хлоридний ) метод обмежує одержання тонких епітаксійних шарів. Для вирішення цієї задачі використовується силановий метод, в основі якого лежить реакція піролітичного розкладання моносилану:

При силановому методі використовують установки, аналогічні тим, що застосовуються при хлоридному методі. Реакція піролітичного розкладу починається при температурі . Ріст якісних шарів проходить при температурі біля . Переваги силанового методу: більш низька температура  процесу. Крім того, при силановому методі не утворюється ніяких галогенідів, здатних травити підкладку і, тим самим, переносити домішку через газову фазу в зростаючий епітаксійний шар.

2.7.2 Молекулярно – променева епітаксія

Молекулярно – променева епітаксія ( МПЕ ) – це метод орієнтованого нарощування речовин при конденсації молекулярних пучків у вакуумі. При цьому методі нарощування епітаксійних шарів проходить при більш низьких температурах  ( 400 ÷ 800˚С ).  Це зменшує вплив дифузії домішок з підкладки. Крім того, цей метод дозволяє легко варіювати профіль легування.

Молекулярно – променева епітаксія проводиться в спеціальних установках, в яких використовуються два способи легування. Один з них основний на легуванні атомами домішки, які випаровуються ( рис.3 ), а другий – на іонній імплантації.

Рисунок 3 - Схема установки молекулярно – променевої епітаксії з легуванням на основі випаровування домішок

1- робоча камера; 2- тримач підкладки; 3- нагрівач; 4- підкладка; 5- заслінка; 6- потік домішки; 7- джерело домішки; 8- електронна гармата;  9- джерело кремнію; 10- потік електронів; 11- потік кремнію.

Після випаровування атоми кремнію і легуючої домішки досягають поверхні і вбудовуються в кристалічні гратки.

При другому методі легування нарощування епітаксійної плівки полягає в імплантації іонів із прискорених іонних пучків. Іонний пучок вводиться в робочу камеру, сканується в горизонтальному та вертикальному напрямках і змішується з пучком молекул кремнію на підкладці.   Як звичайно, поверхня підкладки покрита шаром , тому початковий період росту епітаксійного шару може мати суттєві відміни.

2.8 Загальна характеристика фотолітографічного процесу

2.8.1 Технологічні процеси фотолітографії

Фотолітографія - це технологічний процес, який базується на використанні фотохімічних реакцій, що виникають в фоторезистивних шарах при актинічному їх опроміненні.

Актинічним називається опромінювання, яке викликає незворотні зміни властивостей фоторезистивного шару. Для цього використовують два типи фоторезистивних матеріалів ( негативні та позитивні ).

Негативні фоторезисти ( ФН ) під дією актинічного опромінювання полімеризуються і утворюють захисний шар, стійкий до травників, які застосовуються в технологічному процесі виготовлення ІМС. Позитивні фоторезисти ( ФП ) під дією опромінювання розкладаються і легко усуваються з підкладки, а захисні властивості має неопромінений фоторезист.

Для опромінення фоторезистів використовують ультрафіолетові джерела світла. Фотохімічні реакції в фоторезистах стимулюються поглинанням квантів опромінюючого світла. Фотолітографія являється основним способом перенесення рисунка мікросхеми на напівпровідникову пластину.

Роздільна здатність фоторезиста визначається максимальною кількістю ліній однакової ширини, розділених проміжками, рівними ширині лінії, яку можна отримати в фоторизистивному шарі на довжині 1 мм ( іноді 1 см ).

Поряд з роздільною здатністю слід розрізняти т.з. виділяючу здатність. Виділяюча здатність визначається мінімальною шириною окремої лінії, яку можна відтворити з допомогою того чи іншого фоторезисту.

Роздільну та виділяючу здатність визначають з допомогою випробувальної міри. Цією мірою можна контролювати вказані параметри фотокамери, фотошаблонів, фоторезиста і процесу фотолітографії.

На практиці широко застосовують фоторезисти таких марок: ФП-307, ФП-309, ФП-330, ФП-383, ФП-РН-7, ФП-617 і інші, які забезпечують; формування ліній, шириною 1 - 2 мкм при товщині фоторезиста 0,3-0,4 мкм.

Негативні фоторезисти мають дещо меншу роздільну здатність ( до 200 ліній/мм ), яка забезпечує відтворення ліній шириною більше 2,5 мкм.

При виборі матеріалу фоторезисту оцінюють світлочутливість S , роздільну здатність, стійкість до агресивних середовищ та вартість.

 

, де

Е – освітленість; час експонування.

Одночасно треба знати, які травники і проявники будуть застосовуватися при виготовленні даної мікросхеми. Фоторезистивна маска, сформована на основі позитивного чи негативного фоторерезиста, повинна бути стійкою до цих агресивних середовищ і мати хороші захисні властивості, щоб не була порушена геометрія елементів.

Для створення фоторезистивної захисної маски використовуються фотошаблони, виготовлення яких проводиться із застосуванням фотооригіналів. Розглянемо послідовність операцій фотолітографічного процесу при формуванні маски з окису кремнію необхідної конфігурації.

Підкладка з нанесеною суцільною окисною плівкою покривається фоторезистом. Після засвічування фоторезиста через фотошаблон та проявлення формується фоторезистивна маска ( рис.1 ).

  

Рисунок 1 - Процес утворення рельєфу у поверхневому шарі пластин за допомогою позитивного (І) та негативного (ІІ) фоторезистів на стадіях експонування (а), після проявлення фоторезисту (б), та після травлення поверхневого шару пластини і вилучення частини фоторезисту (в):

  1.  ультрафіолетове випромінювання;
  2.  фотошаблон;
  3.  шар фоторезисту;
  4.  поверхневий шар на пластині;
  5.  пластина.

Після нанесення фоторезисту усувається розчинник, який заважає ефективному проходженню фотохімічних реакцій. Для отримання твердої плівки і забезпечення зчеплення її з поверхнею підкладки чи плівки, на яку вона наноситься, проводять висушування.

Засвічування фоторезисту проводиться через фотошаблони, рисунок яких повинен бути точно суміщений з рисунком на підкладці, раніше нанесеному в процесі попередньої фотолітографії. Фотошаблон може знаходитися безпосередньо на підкладці з фоторезистом при контактному експонуванні або проектуватися на поверхню фоторезиста при проекційному експонуванні.

Проекційна фотолітографія відрізняється від контактної фотолітографії технікою суміщення і експонування і полягає в проектуванні зображення фотошаблону на пластину, покриту фоторезистом, з допомогою системи лінз з високою роздільною здатністю.  Проекційна фотолітографія дозволяє збільшувати або зменшувати зображення в широких границях.

Для експонування використовують джерела ультрафіолетового, випромінення,  наприклад,  ртутно-кварцеві лампи. Час експозиції підбирають на контрольних зразках в залежності від типу фоторезистів і джерел випромінювання.

Після експонування проводять проявлення, усуваючи експонований позитивний і неекспонований негативний фоторезист. При проявленні неекспонованих негативних фоторезистів використовують толуол, трихлоретилен, діоксан та  інші розчинники, а експонований позитивний фоторезист усувається водними лужними розчинами ( 0,3-0,5%  розчин їдкого калію, 1-2% розчин тринатрійфосфату ) чи органічними лугами. Проявлення здійснюється зануренням у розчин або витримкою у парах проявника. Після проявлення зображення підкладку старанно промивають деіонізованою водою і проводять сушіння.

При необхідності усунення фоторезистивної маски застосовують хімічну, термічну ( в атмосфері кисню ) чи плазмохімічну деструкцію.

2.8.2 Х- променева літографія

Відоме широке застосування в мікроелектроніці             X-променевої ( рентгенівської ) літографії, яка базується на зміні хімічної активності опроміненого резистора, чутливого до цих променів. Основна відмінність Х - променевої літографії полягає у використанні випромінення з довжиною хвилі (= 2-50  ), що значно менше в порівнянні з ультрафіолетовими джерелами.

Шаблони для проведення літографії повинні бути тонкими, прозорими для Х - випромінювання, зі стабільними розмірами при зміні температури, дії розтягу і вологи. Для виготовлення шаблонів використовують органічні речовини - поліефір, поліамід, а також неорганічні - окиси алюмінію і кремнію, двоокис кремнію, карбід кремнію, сплави кремнію з металами. Поглиначем, в основному, служить шар золота, товщиною близько 0,5 мкм.

Роздільна здатність Х-променевої літографії визначається якістю резистів, які використовуються. Як правило, вони є плівками полімерів, товщиною 0,3-2,0 мкм, які до отримання рисунку наносяться на підкладку з допомогою центрифуги.

В Х-променевій літографії, як і у фотолітографії, застосовують позитивні і негативні резисти. Позитивні резисти руйнуються під дією Х-променів, а негативні полімеризуються. Х-промені поглинаються цілими молекулами і при цьому проходить вибивання електронів з внутрішніх оболонок атомів резиста. Вивільнені електрони взаємодіють з полімером, сприяючи хімічному руйнуванню чи зшиванню молекул.

Основними вимогами, які висуваються до резистів, є висока чутливість, виділяюча здатність (не менше 0,2-0,3 мкм) і низька мікродефектність, стійкість в процесах хімічного, електрохімічного, плазмохімічного і фізичного травлення, електрохімічного і вакуумного осадження металів, іонної імплантації; достатня адгезія до підкладки, температурна стабільність зображення і однорідність товщини краю проявленого рисунка.

2.8.3 Електронно-променева літографія

В основі електронолітографії лежить вибіркове експонування чутливого маскуючого покриття                           ( електронорезиста ) потоком електронів. Існує три варіанти електронної літографії: з одночасним експонуванням всього шаблону, растровим або векторним скануванням. Всі три варіанти базуються на взаємодії пучка електронів з фото- чи електронорезистом, яка приводить до збудження та іонізації молекул резистів.

При електронно-променевому експонуванні рисунку застосовують вакуумні установки з внутрікамерною електронною гарматою, яка є тришаровим фотокатодом, що виконує одночасно роль джерела електронів і роль шаблону. Цей вид електронолітографії називається проекційним. Для виготовлення фотокатода використовується полірована кварцева пластина, на поверхню якої в масштабі 1:1 наноситься рисунок з діоксиду титану.

На діоксид титану наноситься суцільний шар ( до 4 мкм ) паладію. Електрони прискорюються електричним полем і з допомогою фокусуючої системи зображення проектується на шар фоторезиста.

Суміщення шаблону з пластиною проводиться з допомогою відхиляючої системи, яка дозволяє зміщувати проектоване зображення в площині пластини. Схема електронно-променевої літографічної установки показана на рис. 2.

Рисунок 2 - Спрощена схема установки для електронно-променевої літографії:           

1 - електронна гармата; 2 - переривач променя; 3 - відхиляючі котушки лінзи; 4 - вакуумна камера; 5 - підкладка з нанесеним електрорезистом;          6 - столик.

Суміщення шаблону з пластиною проводиться з допомогою відхиляючої системи, яка дозволяє зміщувати проектоване зображення в площині пластини.

Основними перевагами методу електронної літографії є: висока виділяюча здатність ( 0,2-0,3 мкм ), яка обмежена властивостями електронорезистів; точність суміщення до 0,05 мкм; можливість корекції дефектів, пов'язаних з викривленням пластин.

Недоліком методу є висока вартість обладнання і низька продуктивність, зумовлена великим часом експонування, що частково усувається при використанні багатопроменевих установок для проведення електронної літографії.

2.8.4 Іонна і голографічна літографія

Технологія іонної літографії перебуває на ранній стадії впровадження, хоч перші установки з'явились ще у 1980 році. Вона дозволяє отримувати тонші лінії, ніж з допомогою відомих літографічних методів. На відміну від                      Х - променевих, іонні промені можуть бути легко сфокусовані, що підвищує роздільну здатність. Іонна літографія з використанням іонно-проекційних систем із сфокусованих пучків має ряд переваг. Пучки протонів значно менші, ніж електронні, і не зазнають впливу паразитних електронних полів через свою велику масу.

Метод іонної літографії  аналогічний нанесенню рисунка з допомогою скануючого електронного променя і відзначається точнішим керуванням. Додатковою перевагою є створення рисунка безпосередньо на резисті.

Перевагами методу іонної літографії  перед вищеописаними є: вища виділяюча здатність ( до 0,03 мкм ); повна сумісність його з основними операціями виготовлення ІМС і ВІС ( іонним травленням, імплантацією домішок в пластину ), висока продуктивність процесу за рахунок високої чутливості іонорезистів; наявність розробленого і порівняно дешевого іонно-променевого обладнання.

Голографічна літографія, яка стала застосовуватися з удосконаленням лазерної техніки для експонування рисунків, які мають періодичну чи квазіперіодичну структуру. Базується вона на принципі отримання інтерференції на пластині від двох лазерних променів, спрямованих під кутом до нормалі пластини. В результаті отримується модульована інтенсивність опромінення. Там, де більша інтенсивність, негативний резист полімеризується ( зшивається ), а неопромінений резист усувається травленням з поверхні пластини. Сформовані таким чином дифракційні ґратки можуть бути використані, як фокусуючі елементи для формування зображення з малими розмірами - біля 10 нм.

2.9 Схема технологічного процесу виготовлення товсто- плівкових ГІМС. Характеристика та трафаретний друк товстоплівкових елементів

2.9.1 Технологічні особливості товстоплівкових мікросхем

Товстоплівкові мікросхеми являють собою гібридні схеми, пасивна частина яких ( провідники і контактні площинки, резистори, конденсатори ) створюється на основі плівок товщиною в десятки мікрометрів. Для формування конфігурації плівкових елементів замість фотолітографії використовується трафаретний друк пастами спеціального складу. Після друкування та попередньої сушки плівкові елементи підлягають термообробці з метою забезпечення необхідних електрофізичних параметрів елементів і міцної адгезії до підкладки. В зв’язку з цим, як матеріали для підкладки використовують деякі види кераміки, які мають високі фізико – механічні показники.

Товстоплівкова технологія є високоекономічною, але простота процесу і економічність має своїм наслідком великий розкид в значеннях електричних параметрів, що пояснюється недоліками трафаретного друку. Це призводить до необхідності ввести в технологічний процес операцію підгонки резисторів і конденсаторів.

Підгонка товстоплівкових резисторів заключається у видаленні частини їх матеріалу, в результаті чого їх опір зростає. Підгонка товстоплівкових конденсаторів пов’язана з видаленням частини верхньої обкладки, в результаті чого ємкість конденсаторів зменшується. Спрощена схема технологічного процесу показана на рис.1.

 

 

Рисунок 1 - Спрощена схема виготовлення плівкових елементів товстоплівкових ГІМС

В залежності від призначення пасти ділять на провідникові, резистивні, діелектричні для конденсаторів і діелектричні для ізоляції між шарами та пасти для поверхневого захисту. Для контактних площинок застосовують також спеціальні пасти, які не спікаються, але покращують подальший процес пайки.

Функціональними складовими пасти являються частинки неорганічних речовин (металів, окислів металів, солей які визначають основні властивості майбутніх елементів (провідників, резисторів, діелектриків). В процесі спікання шару ці частинки повинні залишатися в твердій фазі і рівномірно розподілятися по об’єму елементу.

Конструктивна складова – частинки скла з температурою плавлення нижче температури спікання (<600˚С). Склад конструкційної складової повинен забезпечувати адгезію до підкладки біля 100 МПа.

Технологічна складова  необхідна для надання пасті друкарських властивостей ( паста повинна мати відповідну в’язкість ). В процесі спікання така складова ( ланолін, каніфоль, вазелінова олія ) повинна усуватися за рахунок розкладання.

В пастах для друкування провідників основним компонентом являється срібло, паладій, рідше – золото ( розмір частинок – декілька мікрометрів ). Співвідношення металевого порошку і конструкційної складової має значення ~ 9:1. В цих умовах має місце масовий ( суцільний ) контакт металевих частинок.

В технологічній собівартості товстоплівкових мікросхем вартість пасти на основі цінних металів може сягати 50%. В зв’язку з цим велика увага приділяється розробці пасти на основі неблагородних металів: алюмінію, міді, нікелю. Пасти на основі міді можна спікати, вони крім того, можуть підлягати пайці. Пасти на основі алюмінію і нікелю можна тільки спікати.

2.9.2 Трафаретний друк елементів

Принцип трафаретного друку заключається в продавлюванні пасти через відкриті ділянки трафаретної форми на підкладку. Ці ділянки відповідають рисунку топологічного шару мікросхеми.

Перенесення рисунку з трафаретної форми на підкладку можливе контактним ( без технологічного зазору ) і «безконтактним» способами ( хоча тут спостерігається контакт вздовж лінії ) ( рис.2 а,б ).

               

Рисунок 2 - Схема контактного (а) та «безконтактного» (б) друку

1 - друкарський елемент форми; 2 - робочий ракель; 3 - паста;            4 – пробільний елемент форми; 5 - відбиток на підкладці; 6 – підкладка;         7 – зрошувальний ракель; 8 – технологічний зазор.

При контактному способі трафаретна форма виготовляється з берилієвої бронзи товщиною 0,05мм з нікелевим покриттям товщиною 10 – 15мкм.

Відкриті ділянки трафаретної форми з берилієвої бронзи мають сітчасту структуру, яка формується разом з контурами елементів методом фотолітографії. При цьому використовується два фотошаблона, один має зображення рисунка схеми, другий являє собою растр відповідної лініатури.

При виготовленні форм для «безконтактного» друку друкарський елемент являє собою сітку ( металеву, поліефірну ) а пробільний – сітку з фоторезистом ( рис.3 ).

Рисунок 3- Друкарський елемент форми для «безконтактного» друку.

1- пробільний елемент; 2-друкарський елемент ; 3 - нитки сітчастої тканини.

 

Трафаретні форми на основі берилієвої бронзи забезпечують відтворення ліній шириною біля 70мкм. Тиражестійкість їх складає біля 1000 циклів друку.

Трафаретні форми, виготовлені на основі ситової тканини, мають більш широке використання, завдяки простоті виготовлення форм. Виділяюча здатність друкованого зображення складає від 50 до 100 мкм ( в залежності від типу світлочутливих матеріалів і технології виготовлення ).

Важливою характеристикою форм на основі ситових тканин є щільність ситових тканин ( або кількість ниток на лінійний см ). Чим більш висока щільність сита, тим вища якість друку. Для відтворення провідників і резисторів часто використовують сито з неіржавіючої сталі марки 0040 ( з комірками ~ 40мкм ), яка має щільність ~ 120 ниток/см.

Робоча пластина ракеля виготовляється з еластичних матеріалів: поліефіруретанів, гуми. Кут нахилу робочої кромки ракеля до площини підкладки рекомендується вибирати в границях 50-70. Швидкість робочого ходу ракеля може складати 100 – 120 мм/с.

Верстати для трафаретного друку можуть бути ручними, напівавтоматами та автоматами. Останні дозволяють друкувати з точністю до  0,0125мм при швидкості друку біля 1200 відбитків на год.

Як приклад, приведемо послідовність процесів формування шарів в мікросхемі з однорівневою розводкою, що має резистори і конденсатори ( температура спікання пасти для провідників ~ 800, діелектриків ~700, резистивної пасти ~ 650 ):

1) друкування, сушка, спікання провідників і нижніх обкладинок конденсаторів;

2) друкування і сушка діелектрика ( один або два шари );

3) друкування і сушка верхніх обкладинок конденсаторів;

4) спільне ( сумісне ) спікання діелектрика і верхніх обкладинок конденсатора;

5) друкування, сушка і спікання резисторів.

 

Для різних паст максимальна температура сушки лежить в границях від 120 до 400, а час сушки від 20 до 80 хв. У відповідності з цим для сушки можна використовувати сушильні шафи ( періодичної дії ) або конвеєрні печі безперервної дії.

В залежності від складу пасти і призначення шару час спікання складає 1 – 2 години. Температурний цикл спікання можна умовно розділити на три етапи ( по мірі підвищення температури ):

1) розкладання та видалення нелетючих компонентів органічного зв'язуючого. На цьому етапі швидкість зростання температури ( від 300º до 400 ) повинна бути невисокою    ( ~ 20/хв. ) для поступового вигоряння органічних речовин;

2) розм’якшення, а потім розплавлення скляного зв'язуючого. На цьому етапі швидкість підвищення температури складає 50 – 60 /хв;

3) початок хімічної взаємодії скла з поверхневим шаром кераміки, що забезпечує  адгезію. Оксиди, які входять у скло утворюють хімічний зв'язок з оксидом алюмінію.Фізична взаємодія полягає в заповненні склом мікротріщин на поверхні, включаючи мікропори.

Для завершення формування спікання шар витримують при постійній температурі на протязі 10 – 20 хв., після чого поволі охолоджують щоб уникнути утворення тріщин через різницю температурних коефіцієнтів розширення шару і підкладки.

Температурний режим найпростіше можна реалізувати в печі конвеєрного типу безперервної дії, наприклад, печі СК – 10/16. 6 – 5. При тривалості циклу 60 хв. і розмірах підкладок 60×48 мм продуктивність печі складає 200 підкладок на годину.

2.10 Загальна характеристика методів та етапів складання ІМС

2.10.1 Операції до складання

Весь процес складання ІМС умовно можна поділити на декілька етапів: розділ пластини із сформованими елементами на кристали; монтаж кристалів на плату ( при складанні гібридних ІМС ) або до основи корпусу; під'єднання відводів; захист ІМС. Для захисту інтегрованої мікросхеми від дії зовнішних впливів, а саме: механічної сили, вібрацій, вологи, температури та інше, її герметизують захисним покриттям, керамікою, склом або поміщають в металевий корпус.

До розділення пластини на окремі кристали доцільно провести так званий вхідний контроль, який проводиться в автоматичному режимі. Для нанесення подряпин ( скрайбування) застосовують алмазні різці, які мають робочу частину у вигляді тригранної піраміди або чотиригранної зрізаної піраміди. Після скрайбування пластину переносять в установку з гумовими підпружиненими валиками або півсферою, де гідравлічним способом проводять ломку кристалів. Для розділення пластин також можливе застосовування хімічного травлення з попереднім нанесенням маски.

Лазерний розділ пластин проводиться без додаткового механічного розподілу на кристали. Утворення рисок проходить в результаті випаровування матеріалу при дії на пластину лазерного променя значної потужності. При наскрізному різанні відбувається процес плавлення.

В процесі складання ІМС виконується велика кількість електричних з'єднань відводів кристалів і компонентів з внутрішніми контактними площинами та відводами корпусу, де використовуються різні матеріали. Тому для виконання з'єднань застосовуються різноманітні методи. До таких методів відносяться: спаювання, зварювання, з'єднання з допомогою клеїв і т.д.

2.10.2 Монтаж кристалів 

 

Після розділу пластини на кристали проводять їх монтаж і закріплення всередині корпусу шляхом спаювання чи приклеювання.

З'єднання клеями і компаундами дістали широке розповсюдження через простоту технології, низьку вартість, можливість застосування недорогих металів, які забезпечують механічну міцність і надійність.

Перед склеюванням поверхні потрібно старанно очистити від жиру, висушити і покрити тонким шаром клею. Якщо клей має недостатню текучість, то склеювання проводять в касетах, де передбачена можливість прикладання зовнішнього стискуючого зусилля.

Клеї і компаунди мають невисоку теплопровідність, що є їх основним недоліком. Іноді для з'єднання кристалу з основою корпусу застосовують скло.

При монтажі кристалів напівпровідникових приладів і інтегральних мікросхем в корпус широко застосовують т.з. евтектичну пайку, при якій в результаті контактного плавлення утворюється евтектичний сплав. Він заповнює зазор з утворенням паяного з’єднання.

Для кріплення кристалу до основи металічних корпусів рекомендується застосовувати електропровідні евтектичні сплави, в яких по всьому об'єму проходить одночасна кристалізація складових частин при найнижчій для даної системи евтектичній температурі.

2.10.3 Приєднання виводів

Після встановлення кристалу в основу корпусу з'єднують контактні площинки з відводами корпусу. У випадку кремнієвого кристалу з'єднання виконується з допомогою тонкого золотого дроту діаметром 20-50 мкм.

Приєднання виводів здійснюється з допомогою зварювання.

Зварюванням називають технологічний процес утворення нероз’ємного з’єднання двох матеріалів під дією тепла чи тиску або при їх спільному впливові, з використанням присадних компонентів або без них.

У процесі зварювання елементарні частинки матеріалів зближуються на віддаль, коли між ними починають діяти міжатомні зв’язки,  які забезпечують міцність з’єднання. Для отримання надійних з’єднань дротиків, павукових та балочних відводів і контактними площинками використовуються такі способи зварювання: термокомпресійне, непряме імпульсне нагрівання, ультразвукове, з використанням подвійного електроду, точкове, лазерне, електронно-променеве. Для прикріплення кришки корпусу мікросхеми до основи з метою герметизації застосовують холодне, електроконтактне, шовне, ультразвукове, лазерне, електронно-променеве зварювання та ін.

Термокомпресійне зварювання - це зварювання при одночасній дії на з'єднувальні матеріали температури і тиску. Для отримання якісного з`єднання вибирають оптимальні режими зварювання. При цьому контролюються температура, тиск та час зварювання.

Температура і тиск - це взаємозв'язані технологічні параметри. Одночасне застосування температури і тиску забезпечує отримання з'єднання при нижчих температурах, ніж без застосування тиску. Підігрів зварювального інструмента активізує поверхневі атоми з'єднувальних матеріалів до утворення хімічних зв'язків.

Зварювання непрямим імпульсним нагріванням здійснюється V - подібним інструментом, через який в момент з'єднання матеріалів пропускають електричний струм ( рис.1 ). V-подібний інструмент зроблений так, щоб тепло, яке виділяється при пропусканні струму, було зосереджене в нижній частині інструмента. Зварювання здійснюється при одночасній подачі імпульсу заданої тривалості і тиску на інструмент.

Рисунок 1- Зварювання імпульсним методом V-подібним конусним інструментом.

При непрямому імпульсному нагріванні, в залежності від зварювальних матеріалів, тривалість імпульсу становить 0,2-0,7 секунди, при подачі на зварювальний інструмент напруги в межах 105-120 В і зусиллі –                         ( 60-150 )·10 Н.

Зараз застосовують напівавтоматичні та автоматичні лінії чи установки для зварювання непрямим імпульсним нагріванням.

Зварювання здвоєним електродом проводиться при поданні на зварювальний інструмент імпульсу електричного струму великої густини з одночасним механічним притиском деталей, що зварюються ( рис.2 ).

Рисунок 2- Зварювання здвоєним електродом.

При пропусканні струму через зварювальний інструмент більша частина тепла буде виділятися при малому опорі, тобто в зоні зварювання. Під дією тепла і притиску деталей, що зварюються, зона контактування розпливається. З припиненням подачі струму зона зварювання кристалізується, утворюючи шов. Тривалість імпульсу струму розрахована на час розплавлення з’єднуваних матеріалів лише в зоні зварювання і становить від 0,02 до 1 с. Тиск, який створюється в місці контакту, становить 0,5- 20 Н, що є меншим, ніж для вище описаного методу. Вибір з'єднувальних матеріалів проводиться, виходячи з вимог до їх високої електро- і теплопровідності та механічної міцності.

Принцип ультразвукового зварювання полягає в з'єднанні двох матеріалів при впливі в зоні зварювання нормального тиску і поздовжніх коливань інструмента з ультразвуковою частотою 20-60 кГц. Амплітуда ультразвукових коливань складає 0,5 - 2,0мкм. Тиск – 20 - 150.

Лазерне зварювання базується на розплавленні з'єднувальних матеріалів лазерним променем та наступною їх кристалізацією. Лазерне зварювання буває точкове і шовне. Точкове зварювання застосовується для з'єднання відводів з плівковими контактними площинками, а шовне - при герметизації корпусів ІМС. Лазерне зварювання забезпечує високу якість зварювального з'єднання, короткочасність процесу та простоту управління переміщенням лазерного променя, що дозволяє автоматизувати цей процес. Недоліком є висока вартість лазерних установок.

Електронно-променеве зварювання базується на розплавленні місця контакту електронним променем з наступною кристалізацією. Зварювання проводять у вакуумі при імпульсному режимі роботи. Недоліками методу є висока вартість обладнання і необхідність створення вакууму, що веде до тривалого відкачування газів з камери, в якій проводять зварювання.

Холодне  зварювання – це зварювання за рахунок спільної пластичної деформації поверхонь з'єднувальних деталей.

Цей вид зварювання застосовують, в основному, для герметизації корпусів ІМС. Зварювальні поверхні попередньо покривають шаром оксиду чи крихкого металу, товщиною в декілька мікрон. Під впливом стискуючої сили таке покриття, що має велику твердість і крихкість, руйнується, оголюючи чисту поверхню з'єднувальних деталей, а це приводить до виникнення міжмолекулярного зв'язку. В міру збільшення тиску зона зварювання збільшується і утворюється міцне герметичне з'єднання.

Електроконтактне зварювання застосовується для з'єднання деталей, матеріал яких не піддається пластичній деформації до утворення суцільного зварювального шва. Електроконтактне зварювання ділиться на: конденсаторне, точкове і роликове.

Залежно від зварювальних матеріалів режими процесу регулюються ємністю конденсаторної батареї, величиною коефіцієнта трансформації зварювального трансформатора і зусиллям притиснення деталей, що зварюються. Якість з'єднання залежить від правильного вибору режимів зварювання, чистоти обробки поверхні зварювальних деталей і електродів.

Аргонно-дугове зварювання здійснюється за допомогою спрямовуючого електрода з продуванням аргону через пальник. Це забезпечує стабільне горіння дуги і високу якість зварювального шва. Цей процес проводиться у вакуумній камері в атмосфері гелію і застосовується для вакуумної герметизації корпусів.

2.10.4 Герметизація мікросхем

Для зменшення механічних і кліматичних впливів на роботу та з метою підвищення надійності мікросхем застосовують їх корпусний і безкорпусний захист, тобто герметизацію. Під герметичністю конструкції розуміють здатність будь-якого замкнутого об'єму не пропускати через себе рідину або газ. Відомо, що абсолютно непроникних конструкцій не існує, тому герметичність іноді характеризують натіканням кількості потоку рідини або газу. Герметизація - одна з останніх операцій технологічного процесу виробництва, отже, повинна забезпечувати максимальний вихід придатних ІМС та безвідмовну роботу їх в умовах експлуатації. Відомо декілька методів герметизації ІМС.

Корпусна герметизація передбачає застосування металічних, керамічних, склокерамічних і пластмасових корпусів. Для такої герметизації використовуються уніфіковані стандартні корпуси, перевагою яких є можливість автоматизації процесів складання, що знижує вартість мікросхеми.

Стандартні корпуси для герметизації напівпровідникових ІМС мають круглу форму ( модифікований варіант корпусу транзистора ) або прямокутну.

Безкорпусна герметизація здійснюється спеціальними захисними лаками і компаундами методами лиття під тиском або заповненням у вакуумі і застосовується лише для захисту напівпровідникових мікросхем при незначній зміні зовнішніх впливів.

Метод лиття і пресування полягає у використанні пластмасових матеріалів, які мають високу текучість при порівняно низьких температурах і тисках, а також погану адгезію до стінок форми.

Для герметизації невеликих партій виробів застосовують заливання під вакуумом. Змонтовані кристали завантажують в спеціальні литтєві форми, які переміщаються вздовж операційної ділянки заливного автомата. У форми дозовано подається старанно перемішаний герметизуючий компаунд, потім проводять відкачування повітря для усунення бульбашків повітря з компаунда. Після заливання при певних температурних режимах проводиться затвердіння компаунда.

Після завершення всіх операцій проводиться контроль на герметичність корпусу чи захисного покриття та функціонування ІМС.

Список рекомендованої літератури

  1.  Парфёнов О.Д. Технология микросхем. – М.: Высшая школа, 1986 – 320 с.
  2.  Березин А.С., Молчалина О.Р. Технология и конструирование интегральных микросхем. – М.: Радио и связь, 1992 – 320 с.
  3.  Закалик Л.І., Ткачук Р.А. Основи мікроелектроніки. – Тернопіль. ТДТУ ім.. Пулюя, 1998, - 352с.
  4.  Тилл У., Лаксон Дж. Интегральные схемы, приборы, материалы, изготовление. – М.: Мир, 1985 - 504 с.
  5.  Проценко І.Ю., Чумакова Н.І. Основи матеріалознавства наноелектроніки. Суми: СумДУ, 2004.-108 с.
  6.  Однодворець Л.В. Основи мікроелектроніки. Суми: СумДУ, -2005.-112 с.
  7.  Колонтаєвський Ю.П., Сосков А.Г. Електроніка і мікросхемо- техніка – К.: Каравела, 2007.-389 с.
  8.  Прищепа М.М., Погребняк В.П. Мікроелектроніка. Частина 1. Елементи мікроелектроніки. –К.: Вища школа, 2004 - 308 с.
  9.  Васильєва Л.Д., Медведенко Б.І., Якименко Ю.І. Напівпровідникові прилади. –К: Кондор, Політехніка, 2003 – 388 с.
  10.  Основи електроніки : функціональні елементи та їх застосування. – Львів: Новий світ 2000, Магнолія плюс, 2003.
  11.  Овечкин Ю.А. Полупроводниковые приборы..- М.: Высшая школа, 1986 -304 с.
  12.  Моро У. Микролитография – М.: Мир 1990.-1240 с.
  13.  Малышева И.А. Технология производства микроэлектронных устройств, М.:: Энергия, 1980 -448 с.
  14.  Черняев В.Н. Технология производства интегральных микросхем и микропроцессоров. Учебник для вузов.- М.: Радио и связь, 1987.
  15.  Бер А.Ю., Минскер Ф.Е. Сборка полупроводниковых и интегральных микросхем. – М.: 1986 – 279 с.
  16.  Ефимов И.Е., Козыр И.Я., Горбунов Ю.И. Микроелектроника. Физические и технологические основы, надежность. – М.: Высшая школа, 1986 – 464 с.
  17.  Курносов А.И. Материалы для полупроводниковых приборов и интегральных микросхем – М.: Высшая школа, 1986 – 328 с.
  18.  Гуськов Г.Я., Блинов Г.А., Азаров А.А. Монтаж микроэлектронной аппаратуры. М.: Радио и связь 1986. - 174 с.
  19.  Констуирование и технология сикросхем – М.: Высшая школа, 1984. - 232 с.

Пластина р- типу

Колекторна дифузія n-домішки, 5-и валентний елемент (наприклад фосфор)

Окислення

1-а фото-літографія на

Базова дифузія р- домішок

(3-и валентний бор, галій)

2-а фотолітографія на

Окислення

3-я фото-літографія на

Термічне напилення алюмінію

4-а фото-літографія на

Окислення

Емітерна дифузія n+ домішок

Складальні процеси

5-а фотолітографія на алюмінії

1-а фото-літографія на SiO

Дифузія

n+ домішок

Зняття SiO

Епітаксія

Si            n - типу

Окислення

Базова дифузія p -домішки

3 – я фото-літографія на SiO

Окислення

Роздільна дифузія p - домішки

2 –а фото-літографія на SiO

Окислення

4-а фото-літографія на SiO

Емітерна дифузія n - домішок

Окислення

5 – а фото-літографія на SiO

Термічне напи-лення Al

6 – а фото-літографія

Складальні процеси

Пластина

р- типу

Епітаксія n+шару Si

Травлення Si

Окислення

Нанесення полікриста-лічного Si

1-а фото-літографія на SiO2

Технічна обробка пластини

Епітаксія n-шару Si

2-а фото-літографія на SiO2

Окислення

Окислення

Травлення SiO2

Базова дифузія

р-домішок

4-а фото-літографія

Емітерна дифузія n-домішок

3-я фото-литографія на SiO2

Окислення

Термічне напи-лення Al

5-а фото-літографія на Al

Окислення

Складальні процеси

Кремнієва підкладка р-типу

SiO2

Дифузія n+ домішки

Окислення

поверхні

Травлення SiO і Si

Окислення

Нанесення полікремнію

Окислення

2фото-літографія на Si

Базова дифузія

р- домішок

3я – фото-літографія на SiO

Емітерна дифузія      n - домішок

Окислення

Монокристалічна пластина кремнію

n - типу

Зняття оксиду з пластини

1фотолітогра-фія на SiO

Механічна обробка пластини

Окислення

4а - фото-літографія на SiO

Складальні

процеси

5а – фото-літографія на Al

Термічне напилення Al

6

Підготовка

підкладок

Трафаретний друк, сушка

Нанесення пасти для лудіння

Спікання шарів

Підгонка елементів

Монтаж компонентів

Пайка виводів (безкорпусних ІМС)

Монтаж підкладки в корпусі

Приєднання зовнішніх виводів (ІМС в корпусі)

Контроль

Герметизація

Випробування мікросхеми і маркування

2-а фото-літографія на

Термічне напилення алюмінію

5-а фотоліто-графія на алюмінії

Окислення поверхні

1а - фото-літографія на SiO

Базова дифузія       р- домішок

Окислення

Складальні

процеси

  1.  
← Предыдущая
Страница 1
Следующая →

Файл

Технологічні основи електроніки.doc

Технологічні основи електроніки.doc
Размер: 1.6 Мб

.

Пожаловаться на материал

Описание к данному материалу отсутствует

У нас самая большая информационная база в рунете, поэтому Вы всегда можете найти походите запросы

Искать ещё по теме...

Похожие материалы:

General characteristics of the USA

The USA is the most powerful and highly developed country in the world. The country has always attracted attention of many researchers. This country considered to be the country of great opportunities.

Спортивна медицина

Спортсмени високого класу, професіонали, внаслідок перевантажень досить часто потерпають від дегенеративно-дистрофічних захворювань суглобів, хребта, сухожилків, а також від синдромів перевантаження (періартроз променево-зап\'яскового, плечового, ліктьового суглобів, синдром тарзального каналу, синдром ротаторного кільця плечового суглоба тощо).

Классификации катализаторов

Механизм каталитического крекинга. Механическая прочность – катализатор. Отрицательный и положительный катализ. Технологическое оформление процесса каталитического риформинга

Устройство отделочных покрытий

Виды и назначение отделочных покрытий. Классификация штукатурок. Материалы и компоненты штукатурных растворов. Подготовка поверхностей под оштукатуривание. Провешивание.

Роль исследования в развитии организации

Система управления как объект исследования. Исследование как составная часть менеджмента организации. Характеристика исследования систем управления.

Сохранить?

Пропустить...

Введите код

Ok