Введение.

1-2 листа

Глава 1 Необходимость развития технологий для производства тонкопленочных микросхем

Создание микросхем начинается с подготовки подложек. Применяют диэлектрические подложки квадратной или прямоугольной формы размерами до 10 см и толщиной 0,5 ...I мм. Подножки должны иметь высокую механическую прочность, хорошую теплопроводность, быть термостойкими, химически инертными к осаждаемым веществам, иметь хорошую адгезию к ним.

Для тонкопленочных микросхем важны гладкая поверхность и отсутствие газовыделения в вакууме. Необходимо, чтобы диэлектрические потери в подложках высокочастотных и СВЧ-микросхем были малы, а диэлектрическая проницаемость слабо зависела от температуры. Основным материалом подложек тонкопленочных микросхем является ситалл кристаллическая разновидность стекла. Применяется также алюмооксидная керамика смесь окислов в стекловидной и кристаллической фазах (основные компоненты А1₂О₃ и SiO₂). Перед нанесением тонких пленок поверхность подложек должна быть тщательно очищена. Для толстопленочных микросхем используют керамические подложки с относительно шероховатой поверхностью (высота неровностей порядка 1 мкм). Подложка должна обладать повышенной теплопроводностью, так как толстопленочная технология характерна для мощных гибридных микросхем. Поэтому применяют высокоглиноземистые (96 % А1₂О₃) и бериллиевые (99,5 % ВеО) керамики.

Изготовление гибридных микросхем делиться на два этапа.

Первый включает процессы формирования на подложках пассивных пленочных элементов и проводников соединений. В тонкопленочных микросхемах для этой цели применяют операции нанесения тонких пленок. Рисунок формируется непосредственно в процессе нанесения пленок с помощью накладных трафаретов либо в процессе фотолитографии.

В конце первого этапа на подложках формируют матрицу одинаковых структур, каждая из которых соответствует одной микросхеме, т. е. пассивные части микросхем создаются групповыми методами.

Второй этап - контрольно-сборочный, начинается с контроля пассивных элементов на подложках. Достаточно большие размеры элементов позволяют осуществлять подгонку их параметров, например, с помощью лазера.

Далее производят разрезание подложек, установку их в корпуса, монтаж дискретных компонентов, соединение контактных площадок подложек с выводами корпуса, герметизацию корпуса, контроль и испытания. Контрольно-сборочные операции индивидуальны для каждой микросхемы и в основном (на 70 ...80 %) определяют трудоемкость изготовления и стоимость.

Тонкопленочная технология применяется при создании гибридно-пленочных микросхем, коммутационных плат микросборок, при получении металлических межсоединений при производстве полупроводниковых МС.

Проводники на поверхности кристалла полупроводниковой ИМС, а также пассивные элементы гибридно-пленочных МС создаются на основе тонких пленок толщиной 0,1...2 мкм. Высокая точность по толщине и химическая чистота для тонких пленок могут быть достигнуты только при выращивании слоя из атомарного (молекулярного) потока. Такие условия можно создать в вакууме либо при нагреве, испарении и конденсации материала — термическое вакуумное напыление (ТВН), либо при бомбардировке твердого образца материала (мишени) ионами инертного газа, распыления его в атомарный (молекулярный) поток и конденсации на поверхности изделия — распыление ионной бомбардировкой (РИБ).

Испаренные и распыленные частицы переносятся на подложку через вакуумную среду (или атмосферу реактивных газов, вступая при этом в плазмохимические реакции). Для повышения степени ионизации потока осаждаемого вещества в вакуумную камеру могут быть введены специальные источники заряженных частиц (например, термокатод) или электромагнитного излучения. Дополнительное ускорение движения ионов к обрабатываемой поверхности может достигаться за счет приложения к ней отрицательного напряжения.

Общими требованиями, предъявляемыми к каждому из этих методов, является воспроизводимость свойств и параметров получаемых пленок и обеспечения надежного сцепления (адгезии) пленок с подложками и другими пленками.

Для понимания физических явлений, происходящих при нанесении тонких пленок в вакууме, необходимо знать, что процесс роста пленки на подложке состоит из двух этапов: начального и завершающего. Рассмотрим, как взаимодействуют наносимые частицы в вакуумном пространстве и на подложке.

Покинувшие поверхность источника частицы вещества движутся через вакуумное (разреженное) пространство с большими скоростями (порядка сотен и даже тысяч метров в секунду) к подложке и достигают ее поверхности, отдавая ей при столкновении часть своей энергии. Доля передаваемой энергии тем меньше, чем выше температура подложки.

Сохранив при этом некоторый избыток энергии, частица вещества способна перемещаться (мигрировать) по поверхности подложки. При миграции по поверхности частица постепенно теряет избыток своей энергии, стремясь к тепловому равновесию с подложкой, и при этом может произойти следующее. Если на пути движения частица потеряет избыток, своей энергии, она фиксируется на подложке (конденсируется). Встретив же на пути движения другую мигрирующую частицу (или группу частиц), она вступит с ней в сильную связь (металлическую), создав адсорбированный дуплет. При достаточно крупном объединении такие частицы полностью теряют способность мигрировать и фиксируются на подложке, становясь центром кристаллизации.

Вокруг отдельных центров кристаллизации происходит рост кристаллитов, которые впоследствии срастаются и образуют сплошную пленку. Рост кристаллитов происходит как за счет мигрирующих по поверхности частиц, так и в результате непосредственного осаждения частиц на поверхность кристаллитов. Возможно также образование дуплетов в вакуумном пространстве при столкновении двух частиц, которые в конечном итоге адсорбируются на подложке.

Образованием сплошной пленки заканчивается начальный этап процесса. Так как с этого момента качество поверхности подложки перестает влиять на свойства наносимой пленки, начальный этап имеет решающее значение в их формировании. На завершающем этапе происходит рост пленки до необходимой толщины.

При прочих неизменных условиях рост температуры подложки увеличивает энергию, т.е. подвижность адсорбированных молекул, что повышает вероятность встречи мигрирующих молекул и приводит к формированию пленки крупнокристаллической структуры. Кроме того, при увеличении плотности падающего пучка повышается вероятность образования дуплетов и даже многоатомных групп. В то же время рост количества центров кристаллизации способствует образованию пленки мелкокристаллической структуры.

Разреженное состояние газа, т.е. состояние, при котором давление газа в некотором замкнутом герметичном объеме ниже атмосферного, называют вакуумом.

Вакуумная техника занимает важное место в производстве пленочных структур ИМС. Для создания вакуума в рабочей камере из нее должны быть откачаны газы. Идеальный вакуум не может быть достигнуть, и в откачанных рабочих камерах технологических установок всегда присутствует некоторое количество остаточных газов, чем и определяется давление в откачанной камере (глубина, или степень вакуума).

5-6 листов