Печатные платы

Введение

Термин "технология" происходит от двух греческих слов: ((((( – искусство,

мастерство, умение и ((((( – наука. В производственных процессах он

применяется для обозначения технологических процессов: операционных,

маршрутных, полных, а также методов и способов их выполнения.

Интегральная схема (микросхема) – микроэлектронное изделие, выполняющее

определенную функцию преобразования, обработки сигнала, накапливания

информации и имеющее высокую плотность электрически соединенных элементов

(или элементов и компонентов), которые с точки зрения требований к

испытаниям, приемке, поставке и эксплуатации рассматриваются как единое

целое.

Важным показателем качества технологии и конструкции ИС является

плотность упаковки элементов на кристалле – число элементов, приходящихся

на единицу его площади. Кроме уменьшения размеров элементов для повышения

плотности элементов на кристалле используется совмещение нескольких (обычно

двух) функций некоторыми областями полупроводникового кристалла, а также

трехмерные структуры, разделенные диэлектрическими прослойками.

Конструктивно-технологическая классификация ИС отражает способ

изготовления и получаемую при этом структуру. По этому критерию различают

полупроводниковые и гибридные ИС. В полупроводниковых ИС все элементы и

межэлементные соединения изготовлены в объеме и на поверхности

полупроводника. В гибридных ИС на диэлектрической подложке изготовляются

пленочные пассивные элементы (резисторы, конденсаторы) и устанавливаются

навесные активные и пассивные компоненты. Промежуточным типом ИС являются

совмещенные интегральные схемы, в которых транзисторы изготовляются в

активном слое кремния, а пленочные резисторы и диоды – как и проводники на

изолирующем слое двуокиси кремния.

По типу применяемых активных элементов (транзисторов) интегральные схемы

делятся на ИС на биполярных транзисторах (биполярных структурах) и ИС на

МДП-транзисторах (МДП-структурах).

Данная работа посвящена описанию основных технологических операций

производства интегральных микросхем:

. выращивание монокристаллов;

. изготовление пластин;

. обработка поверхности пластин;

. 4

. 5

. 6

. 7

. 8

. 9

. 10

1 Выращивание монокристаллов

Качество полупроводниковых приборов в значительной степени зависит от

качества исходных полупроводниковых материалов. Поэтому создание

полупроводниковой интегральной схемы начинается с изготовления

монокристаллических слитков полупроводников. Особую проблему при этом

представляет их очистка от примесей.

В настоящее время для промышленного изготовления большинства

полупроводниковых микросхем применяют кремний. Это объясняется тем, что

кремний по сравнению с также хорошо изученным и освоенным полупроводниковой

промышленностью германием обладает рядом преимуществ. Так, кремний имеет

большую ширину запрещенной зоны, что обеспечивает более широкий интервал

рабочих температур, меньшие обратные токи переходов и меньшую их

зависимость от температуры, а также позволяет изготавливать резисторы с

большими значениями сопротивлений, слабо зависящими от тока утечки.

Кремниевые переходы имеют большие пробивные напряжения, их пробой наступает

при больших температурах. Кроме того, кремний является самым

распространенным в природе элементом после кислорода. Содержание кремния в

земной коре составляет по массе 27,7 %, что обеспечивает неограниченную

возможность расширения его производства по сравнению с другими

полупроводниками, относящимися к рассеянным элементам. Помимо дешевизны и

недефицитности, кремний обладает существенно большим значением напряжения

образования дислокаций, чем другие полупроводники. Это делает возможным

выращивание бездислокационных монокристаллических слитков диаметром до 150

мм и более с массой более 100 кг. Известно несколько способов получения

монокристаллических слитков, основанных на следующем принципе.

Растворимость большинства примесей гораздо больше в жидкой фазе, чем в

твердой. Поэтому если постепенно охлаждать расплавленный полупроводник, то

в затвердевшей части будет меньше примесей, чем в оставшейся жидкой части,

словно примеси оттесняются в жидкую фазу. Отрезая же от полностью

затвердевшего слитка ту часть, которая затвердела последней (и в которой,

соответственно, сконцентрирована основная масса примесей) и повторяя

операцию несколько раз, можно получить очень чистый материал. В рамках

данной работы остановимся на двух методах: методе Чорхальского и зонной

плавке.

1.1 Метод Чорхальского

Схема процесса изображена на рис 1. В расплавленное нагревателем

вещество, которое находится в тигле и имеет температуру, близкую к

температуре плавления, опускают монокристаллическую затравку того же

состава, что и расплав. Далее приводится в действие механизм подъема и

вращения затравки; при этом затравка смачивается расплавом и увлекает его

вверх, вследствие чего расплав на затравке нарастает в виде кристаллической

фазы. Метод обеспечивает получение полупроводникового материала в форме

совершенных монокристаллов с определенной кристаллической ориентацией и

минимальным числом дефектов. Нагреватель может быть резистивным,

высокочастотным, электронно-лучевым.

При этом необходимо выдерживать должный температурный режим на

поверхности соприкосновения кристалл-расплав, скорость вращения стержня и

скорость вытягивания. Вращение стержня обуславливает перемешивание

расплава, а также вывод дислокаций за пределы кристалла. Процесс

производится в атмосфере инертных газов или водорода, которые также должны

быть достаточно чистыми.

1.2 Метод зонной плавки (метод перекристаллизации)

На рис 2 показана схема безтигельной вертикальной зонной плавки.

Достоинством метода является совмещение процесса глубокой очистки

полупроводника с последующим выращиванием его монокристалла. Отливка в

форме стержня из предварительно очищенного и легированного

поликристаллического полупроводника прикрепляется одним концом к

затравочному кристаллу. Небольшая зона контакта на границе затравочного

кристалла разогревается до температуры плавления полем высокой частоты или

электронным пучком и медленно сдвигается к противоположному концу стержня.

На затравочной стороне происходит отвердение кремния в виде монокристалла.

Как уже было сказано, большинство примесей обладают хорошей растворимостью

в жидкой фазе по сравнению с твердой. Поэтому по мере продвижения зона

плавления все больше насыщается примесями, которые по завершении процесса

концентрируются на конце слитка. Обычно процесс зонной плавки повторяют

несколько раз, по окончании очистки загрязненный конец слитка отрезают.

Обычно изготовляют монокристаллы с равномерным распределением легирующей

примеси (донорной или акцепторной). Легирование кремния или германия

элементами осуществляется введением в расплав соответствующей примеси.

Таким образом, слитки могут иметь электронную электропроводность (n-тип)

или дырочную (р-тип). Максимальная длина может достигать 100, 150 см, а

диаметр слитка до 150 мм и более.

2 Изготовление пластин

Полученные путем метода Чорхальского и метода зонной плавки массивные

монокристаллические слитки непосредственно не используются. Их нарезают на

множество тонких пластин, на основе которых уже изготавливаются отдельные

интегральные микросхемы.

Механическая обработка полупроводников затруднена их высокими твердостью

и хрупкостью. Использовать обычные методы механической обработки,

применяемые в металлообрабатывающей промышленности, такие, например, как

прокатка, штамповка, вырубка, нельзя. Для изготовления пластин из

монокристаллических слитков применяют метод абразивной обработки, т.е.

обработки более твердым, но менее хрупким, чем обрабатываемая поверхность,

материалом, а также другие эффективные методы.

Перед началом резки слиток необходимо прочно закрепить на неподвижном

основании, причем очень важно обеспечить точное расположение слитка

относительно полотен или дисков с тем, чтобы пластины имели необходимую

кристаллографическую ориентацию. Как правило, пластины нарезаются в

плоскости <111> или <100>.

Наиболее распространенным способом крепления является закрепление с

помощью различных наклеечных материалов, например, воска, канифоли,

шеллака, глифталевой смазки, клея БФ, эпоксидных смол и крепежных мастик на

их основе. Наклеечное вещество расплавляется и наносится на заготовки и

крепежные приспособления и, застывая, скрепляет их в заданном положении.

После механической обработки материал нагревают, расплавляя наклеечный

материал. Затем заготовки отмывают от наклеечного материала в специально

подобранных растворителях. Для закрепления на держателе рабочего стола

слиток сначала ориентированно приклеивают к специальной оправке торцом или

цилиндрической поверхностью, а слитки большого диаметра – одновременно

торцевой и цилиндрической поверхностями (рис 4).

Держатель рабочего стола станка с помощью поворотной головки позволяет

поворачивать слиток и устанавливать его относительно плоскости отрезного

круга так, чтобы получить пластины с заданной ориентацией поверхности.

Обычно, резка слитка на пластины осуществляется либо с помощью комплекта

тонких длинных стальных полотен, либо с помощью "алмазных дисков".

2.1 Резка стальными полотнами и дисками

На рис 3 показана схема резки стальными полотнами или наборами полотен с

использованием абразивной суспензии. Этот метод применяется в лабораторных

условиях для сквозного разделения пластин и подложек. Метод не обеспечивает

высокой производительности и качества. Точность размеров кристаллов

невысокая из-за неравномерности натяжения полотен в обойме, их вибрации,

неравномерности износа. Абразивная суспензия загрязняет структуры.

Первоначально широкое применение в промышленности имела резка

металлическими дисковыми пилами с применением абразивной суспензии. Это

объясняется простотой и доступностью этого метода резания. Однако в

настоящее время его применяют только в случае резки пластин на кристаллы.

Принцип резки практически тот же, что и при резке стальными полотнами. В

зону резания подают абразивную суспензию, которая, ускоряясь за счет

вращения диска, с силой ударяет в обрабатываемый материал и откалывает от

него микрочастицы. Процесс резания ускоряют частицы абразива, постепенно

обновляемые в зазоре между металлическим диском и полупроводниковой

пластиной. Абразивная суспензия достаточно хорошо отводит тепло из зоны

резания и специального охлаждения не требует.

Жесткость металлических дисков, как правило изготавливаемых из стальных

холоднокатных лент, недостаточна для резания слитков на пластины, и

удовлетворительное качество резания достигается только при небольших

глубинах резания, как было указано выше, при резании на кристаллы.

Абразивные порошки изготавливаются из карбида бора В4С3, карбида кремния

SiC, и электрокорунда Al2O3. По размерам зерна абразивные порошки

подразделяются на четыре группы:

. шлифзерно;

. шлифпорошки;

. микропорошки;

. тонкие микропорошки.

2.2 Резка диском с наружной алмазной кромкой

Резание диском с наружной алмазной кромкой обладает по сравнению с

процессом резания диском с применением абразивной суспензии более высокой

производительностью и позволяет разделять толстые, а следовательно большого

диаметра, пластины, обеспечивает воспроизводимые размеры и форму кристаллов

и плат со строго вертикальными боковыми гранями, а также большой выход

годных структур, достигающий 98 ( 100 %. Схема процесса изображена на рис

4.

Диск закрепляется на шпинделе станка своей центральной частью. Такое

закрепление не обеспечивает высокой жесткости диска. Жесткость режущей

кромки обеспечивается его конструкцией. Режущая кромка выступает за

наружный диаметр прижимных фланцев не более чем на 1,5 глубины резания.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5