МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ОРЛОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙУНИВЕРСИТЕТКафедра «ПТЭиВС»
КУРСОВАЯ РАБОТА
на тему: «Технология изготовлениякристаллов полупроводниковых интегральных микросхем »
Дисциплина:«Материаловедение и материалы электронных средств»
Выполнил студент группы 31-Р
Козлов А. Н.
Руководитель Косчинская Е. В. Орел, 2004
Содержание
Введение
Часть I. Аналитический обзор
1.1Интегральные схемы1.2 Требования к полупроводниковым подложкам1.3 Характеристика монокристаллическогокремния1.4 Обоснование применения монокристаллического кремния1.5 Технология получения монокристаллическогокремния1.5.1 Получение кремнияполупроводниковой чистоты1.5.2 Выращивание монокристаллов
1.6 Механическая обработка монокристаллического кремния1.6.1 Калибровка1.6.2 Ориентация1.6.3 Резка1.6.4 Шлифовка и полировка1.6.5 Химическое травлениеполупроводниковых пластин и подложек
1.7 Операцияразделения подложек на платы 1.7.1 Алмазное скрайбирование1.7.2 Лазерное скрайбирование1.8 Разламывание пластин на кристаллыЧасть II. РасчетЗаключениеСписок используемой литературы
Введение
Технология изготовления интегральных микросхем представляетсобой совокупность механических, физических, химических способов обработкиразличных материалов (полупроводников, диэлектриков, металлов), в результатекоторой создается ИС.
Повышение производительности труда обусловлено в первуюочередь совершенствованием технологии, внедрением прогрессивных технологическихметодов, стандартизацией технологического оборудования и оснастки, механизациейручного труда на основе автоматизации технологических процессов. Значимость технологиив производстве полупроводниковых приборов и ИС особенно велика. Именнопостоянное совершенствование технологии полупроводниковых приборов привело наопределенном этапе ее развития к созданию ИС, а в дальнейшем — к широкому ихпроизводству.
Производство ИС началось примерно с 1959 г. На основепредложенной к этому времени планарной технологии. Основой планарной технологиипослужила разработка нескольких фундаментальных технологических методов. Нарядус разработкой технологических методов развитие ИС включало исследованияпринципов работы их элементов, изобретение новых элементов, совершенствованиеметодов очистки полупроводниковых материалов, проведение их физико-химическихисследований с целью установления таких важнейших характеристик, как предельныерастворимости примесей, коэффициенты диффузии донорных и акцепторных примесей идр.
За короткий исторический срок современная микроэлектроникастала одним из важнейших направлений научно-технического прогресса. Созданиебольших и сверхбольших интегральных микросхем, микропроцессоров и микропроцессорныхсистем позволило организовать массовое производство электронных вычислительныхмашин высокого быстродействия, различных видов электронной аппаратуры,аппаратуры управления технологическими процессами, систем связи, систем иустройств автоматического управления и регулирования.
Микроэлектроника продолжает развиваться быстрыми темпами,как в направлении совершенствования полупроводниковой интегральной технологии,так и в направлении использования новых физических явлений.
Часть I. Аналитический обзор
1.1 Интегральные схемы
В процессе развития микроэлектроники (МЭ) номенклатура ИСнепрерывно изменялась. Главный тип ИС в настоящее время — полупроводниковые ИС.
Классификация ИС.
Классификация ИС может производиться по различным признакам, ограничимсяодним. По способу изготовления и получаемой при этом структуре различают двапринципиально разных типа интегральных схем: полупроводниковые и пленочные.
Полупроводниковая ИС — это микросхема, элементы которойвыполнены в приповерхностном слое полупроводниковой подложки. Эти ИС составляютоснову современной микроэлектроники.
Пленочная ИС — это микросхема, элементы которой выполнены ввиде разного рода пленок, нанесенных на поверхность диэлектрической подложки. Взависимости от способа нанесения пленок и связанной с этим их толщинойразличают тонкопленочные ИС (толщина пленок до 1-2 мкм) и толстопленочные ИС(толщина пленок от 10-20 мкм и выше).
Поскольку до сих пор никакая комбинация напыленных пленок непозволяет получить активные элементы типа транзисторов, пленочные ИС содержаттолько пассивные элементы (резисторы, конденсаторы и т. п.). Поэтому функции, выполняемыечисто пленочными ИС, крайне ограничены. Чтобы преодолеть эти ограничения,пленочную ИС дополняют активными компонентами (отдельными транзисторами илиИС), располагая их на той же подложке и соединяя с пленочными элементами. Тогдаполучается ИС, которую называют гибридной.
Гибридной ИС (или ГИС) — это микросхема, которая представляетсобой комбинацию пленочных пассивных элементов и активных компонентов, расположенныхна общей диэлектрической подложке. Дискретные компоненты, входящие в составгибридной ИС, называются навесными, подчеркивая этим их, обособленность отосновного технологического цикла получения пленочной части схемы.
Еще один тип «смешанных» ИС, в которых сочетаютсяполупроводниковые и пленочные интегральные элементы, называют совмещенными.
Совмещенная ИС — это микросхема, у которой активные элементывыполнены в приповерхностном слое полупроводникового кристалла (как у полупроводниковойИС), а пассивные нанесены в виде пленок на предварительно изолированнуюповерхность того же кристалла (как у пленочной ИС).
Совмещенные ИС выгодны тогда, когда необходимы высокиеноминалы и высокая стабильность сопротивлений и емкостей; эти требования легче обеспечитьс помощью пленочных элементов, чем с помощью полупроводниковых.
Во всех типах ИС межсоединения элементов осуществляются спомощью тонких металлических полосок, напыленных или нанесенных на поверхностьподложки и в нужных местах контактирующих с соединяемыми элементами. Процесснанесения этих соединительных полосок называют металлизацией, а сам «рисунок»межсоединений — металлической разводкой.
В данной курсовой работе рассмотрена технология изготовленияплат полупроводниковых интегральных микросхем. Полупроводниковая интегральнаямикросхема – это микросхема, элементы которой выполнены в приповерхностном слоеполупроводниковой подложки. Эти ИС составляют основу современноймикроэлектроники. Размеры кристаллов у современных полупроводниковых интегральныхмикросхем достигают 20x20 мм,чем больше площадь кристалла, тем более многоэлементную ИС можно на нейразместить. При одной и той же площади кристалла можно увеличить количествоэлементов, уменьшая их размеры и расстояния между ними.1.2 Требования к полупроводниковымподложкам
Полупроводники в виде пластин или дисков, вырезанных измонокристаллов, называются подложками. В их объеме и на поверхности методамитравления, окисления, диффузии, эпитаксии, имплантации, фотолитографии, другимитехнологическими приемами формируются элементы микросхем электронных приборов иустройств.
Качество поверхности подложки определяется ее микрорельефом(шероховатостью), кристаллическим совершенством поверхностных слоев и степеньюих физико-химической чистоты. Поверхность подложки характеризуетсянеплоскостностью и непараллельностью. Высокие требования предъявляются и кобратной — нерабочей стороне подложки. Неодинаковая и неравноценная обработкаобеих сторон подложки приводит к дополнительным остаточным механическимнапряжениям и деформации кристалла, что обусловливает изгиб пластин.
После механической обработки в тонком приповерхностном слоеподложки возникает нарушенный слой. По глубине он может быть разделен на характерныезоны. Для кристаллов Ge, Si, GaAs и других после их резки и шлифования на глубине0,3...0,5 средней высоты неровностей расположена рельефная зона, в которойнаблюдаются одинаковые виды нарушений и дефектов монокристаллической структуры:монокристаллические сколы, невыкрошившиеся блоки, трещины, выступы и впадиныразличных размеров. После резки дефекты располагаются в основном под следами отрежущей кромки алмазного диска в виде параллельных дорожек из скопленийдефектов, в шлифованных кристаллах — равномерно по сечению. При полированиипервый слой представляет собой поверхностные неровности, относительно меньшие,чем при шлифовании, и в отличие от шлифованной поверхности он являетсяаморфным. Второй слой также аморфный, его глубина в 2...3 раза больше, чемповерхностные неровности. Третий слой является переходным от аморфной структурык ненарушенному монокристаллу и может содержать упругие или пластическиедеформации, дислокации, а в некоторых случаях и трещины. В процессе обработки иподготовки поверхности подложек полупроводников необходимо создание совершенныхповерхностей, имеющих высокую степень плоскопараллельности при заданнойкристаллографической ориентации,с полным отсутствием нарушенного слоя,минимальной плотностью поверхностных дефектов, дислокаций и т.д. Поверхностныезагрязнения должны быть минимальными.1.3 Характеристика монокристаллического кремнияФизико-химические свойства кремния
1.Оптимальное значение ширины запрещенной зоны, котораяобусловила достаточно низкую концентрацию собственных носителей и высокую рабочуютемпературу.
2.Большой диапазон реально достижимых удельных сопротивлений впределах от 10-3 Ом-см (вырожденный) до 105 (близкий ксобственному).
3.Высокое значение модуля упругости, значительная жесткость(большая, чем, например, у стали).
4.Оптимально высокая температура плавления, следующая извысокого значения модуля упругости и энергии связи.
5.Малая плотность (2,3 г/см3) и низкий ТКЛР 3·10-6К-1.
6.Высокая теплопроводность (до 140 Вт/К·м, что близко ккоэффициенту теплопроводности железа).
7.Тензочувствительность—существенное изменение удельногосопротивления при упругой деформации.
8.Высокая растворимость примесей, причем примеси несильноискажают решетку кристалла.1.4 Обоснование применения монокристаллическогокремния
В производстве ИМС Обычно используются полупроводниковые материалыв виде монокристаллических слитков, имеющих форму, близкую к цилиндрической.Размеры слитков, зависят от метода их выращивания и типа полупроводникового материала.
В настоящее время большинство полупроводниковых ИМСизготовляют на основе монокристаллического кремния, хотя в отдельных случаяхиспользуют германий. Это объясняется тем, что кремний по сравнению с германиемобладает рядом физических и технологических преимуществ, важных для создания элементовИМС. Физические преимущества кремния по сравнению с германием проявляются вследующем:
— кремний имеет большую ширину запрещенной зоны и меньшиеобратные токи переходов, что уменьшает паразитные связи между элементами ИМС, позволяетсоздавать микросхемы, работоспособные при повышенных температурах (до +120°С) имикромощные схемы, работающие при малых уровнях рабочих токов (менее 1 мкА);
— кремниевые транзисторы имеют более высокое пороговоенапряжение, а, следовательно, логические схемы на этих транзистораххарактеризуются большой статической помехоустойчивостью;
— кремний характеризуется меньшей диэлектрическойпроницаемостью, что обусловливает меньшие значения барьерных емкостей переходовпри той же их площади и позволяет увеличить быстродействие ИМС.
Кремний— прочный и жесткий материал, в монокристаллическом состоянии пригодный дляизготовления чувствительных элементов прецизионных широкодиапазонных датчиков ввиде консолей, мембран очень малой толщины—вплоть до 1...3. Такие элементымогут массово производиться методами, разработанными в технологии ИС. Ониобеспечивают резкое ускорение развития средств автоматики, печатной техники.
Сырьедля получения кремния имеется всюду в неограниченных количествах: содержаниеего в земной коре превышает 26%.
Кремнийнетоксичен в большинстве своих химических соединений, и его производство несопровождается получением загрязняющих окружающую среду отходов, тем более чтоблагодаря низкой материалоемкости микроэлектроники объем его производства будетвсегда очень малым, несопоставимым с масштабами металлургических и химическихпроизводств.
Таблица 1 — Некоторые свойства германия и кремния
Свойства
Единица измерения
Германий
Кремний
Температурный коэффициент линейного расширения(0-1000С)
град-1
6,0·10-6
4,2·10-6 Предельная рабочая температура
0С 70 — 80 120 — 150 Температура плавления
0С 936 1414 Удельная теплопроводность Вт/см·град 0,55 0,8
Удельная теплоемкость(0-1000С) кал/г·град 0,08 0,17
Плотность при 200С
г/см3 5,3 2,3
Удельное сопротивление при 200С Ом·см 68
~1012 Ширина запрещенной зоны эВ 0,72 2 1.5 Технология получения монокристаллического кремния
Производство монокристаллическогокремния происходит в два этапа: 1.5.1Получение кремния полупроводниковой чистоты
1) Восстановительная плавка сырья
Восстановительная плавка сырья, содержащего оксид кремния ввиде кварцита, в электропечах при температуре 2273К (около 2000°):
SiO2+C = Si+2CO
В результате первой же операцииполучают элементарный кремний, однако его чистота еще очень низка и содержаниеосновного вещества составляет около 99%. Кремний из-за высокой температурыплавления и реакционной способности по отношению к любым контейнернымматериалам очистке не поддается.
2) Перевод технического кремния всоединения, удобные для глубокой очистки SiCl4, SiHCl3 или SiH4
Для получения хлорида кремния и хлорсилана используютсяреакции хлорирования:
Si+2Cl2/>SiCl4
Si+3HCl/>SiHCl3+H2
Моносилан получают из предварительно изготовленногокремний-магниевого сплава:
Mg2Si+4NH4Cl/>SiH4+2MgCl2+4NH3
3) Глубокая очистка.
Для дальнейшей глубокой очистки хлорида, хлорсилана имоносилана применяется один и тот же метод ректификации в жидком виденезависимо от того, что первые два вещества в нормальных условиях — жидкости,третье — газ.
Ректификация — многократная перегонка— высокоэффективный, экономичный процесс, выполняющийся без применениякаких-либо реагентов в герметичной аппаратуре из нержавеющей стали.
4) Восстановление с помощьюводорода и пиролизПолучение особо чистого кремния осуществляется по следующим реакциям:
восстановление(1373 K):
SiCl4 +2Н2/> Si + 4НCl
SiHCl3 +Н2/> Si + 3НCl
Пиролиз(1273 K):
SiH4/> Si + 2Н2
Восстановление осуществляется нанагретые кремниевые стержни-заготовки, непосредственно через которыепропускается электрический ток. Благодаря этому реакция локализуется наповерхности кремния и происходит постепенное наращивание их диаметра отисходных 8… 10 до 50… 100 мм. Для восстановления и разбавления газовых смесей,как в хлоридном, так и моносилановом процессах используются большие количестваводорода. 1.5.2Выращивание монокристаллов
1) МетодЧохральского
Около 75% всего производства ведется по методу Чохральского,который обеспечивает наивысшую однородность и структурное совершенствомонокристаллов. Метод Чохральского — основан на свободной направленной кристаллизациина затравку из большого объема расплава, необходимого для выращивания всегослитка.
Последовательность операций при выращивании монокристаллов:
1.Подготовка исходных материалов — компоновка. Сырьем для плавки являются нетолько поликристаллический кремний, но и легирующая примесь, а также остаткикремния от предыдущей операции и отходы монокристаллов, не попавшие в готовуюпродукцию. Компоновка включает операции по очистке сырья, дозировке легирующихпримесей, необходимые расчеты.
2. Загрузка материалов в тигель,вакуумирование рабочей камеры и плавление. После этого мощность нагревателяуменьшается так, чтобы температура расплава оставаласьпостоянной иблизкой к температуре плавления, причем обеспечивается тепловое равновесие, иколичество тепла, подводимое нагревателями, точно соответствует его потерямоткрытой поверхностью.
3.Затравление — соприкосновение монокристаллической затравки с расплавом — меняеттепловые условия в системе. Появляется дополнительный теплоотвод череззатравку, а это создает возможность кристаллизации при постоянной температурерасплава, так как дополнительное тепло (скрытая теплота кристаллизации) можетбыть теперь отведено.
4.Выращивание шейки. Затравление сопровождается резким повышением температурыкристалла — затравки, поскольку на стадии плавления она находилась в зоненизкой температуры. При «тепловом ударе» в ней возникают напряжения ипроисходит образование дефектов. Эти дефекты неизбежно передались бывыращиваемому кристаллу, и чтобы избавиться от них, сначала поднимают затравкус высокой скоростью и «тянут» из расплава кристалл малого диаметра — шейку.
5.Разращивание и «выход на диаметр» — увеличение диаметра до заданного номинала — осуществляется за счет снижения скорости подъема затравки. Требуемый диаметрустанавливается оператором, который наблюдает за процессом через окно в корпусеустановки. Точность управления диаметром слитка обычно невысока, поэтому даетсядопуск на 3...5 мм в большую сторону.
6.Выращивание цилиндрической части ведется в автоматическом режиме со скоростью1,5...3 мм/мин. Поскольку уровень расплава в тигле при этом непрерывнопонижается, меняются тепловые условия в зоне роста. Этот принципиальныйнедостаток трудно устраним в методе Чохральского, и обеспечение требуемойоднородности — по длине слитка — проблема, во многом определяющаятехнико-экономические показатели. Для этого используются все возможные аппаратурныесредства: регулирование температуры, скорости вытягивания, подъем и опусканиенагревателя и тигля.
7.Оттяжка на конус и отрыв кристалла от остатков расплава завершают процессвыращивания.
Ограничения метода Чохральского состоят в следующем.
1. Растворение вкремнии материала кварцевого тигля происходит с заметной скоростью.
2. Вследствиенепрямого и непостоянного по длине слитка фронта кристаллизации и изменениягидродинамических условий наблюдается сложная неоднородность в распределениипримеси и удельного сопротивления по площади кристалла.
3.Неравномерное распределение дефектов, а также примесей по длине слитка.
/>
Рисунок 1 — Схема установки длявыращивания монокристаллов по методу Чохральского.
2) Метод бестигельной зонной плавки
Метод основан на плавлении небольшой зоны поликремниевойцилиндрической заготовки, находящейся в вертикальном состоянии. Необходимаяузкая зона расплава создается с помощью высокочастотного индуктора (стандартнаячастота генератора 5,28 МГц). Тепло за счет вихревых токов в самом кремнии, ипри достаточной мощности выделяется непосредственно ВЧ-генератора, это приводитк быстрому расплавлению конца заготовки и образованию капли. Благодарянебольшой плотности кремния и высокому поверхностному натяжению капля способнаудерживаться на слитке; к ней снизу подводится затравка и далее, как и в методеЧохральского, вытягивается шейка, а затем и цилиндрическая часть. Содержаниепримесей в кремнии в результате бестигельной зонной плавки уменьшается за счетперегрева расплава и частичного испарения. Применение бестигельной зоннойплавки наиболее целесообразно для моносиланового кремния, свободного откислорода и углерода. В результате могут быть получены монокристаллы с предельновысоким, близким к собственному удельным сопротивлением, т. е. за счетбестигельной зонной очистки.
/>
Рисунок 2 — Схема бестигельнойзонной плавки
1.6 Механическая обработкамонокристаллического кремния
1.6.1 Калибровка
Калибровка монокристаллов полупроводниковых материалов. Обеспечиваетпридание им строго цилиндрической формы и заданного диаметра. Калибровкумонокристаллов полупроводников проводят чаще всего методом круглого шлифованияна универсальных круглошлифовальных станках, снабженных алмазным шлифовальнымкругом с зернистостью, обозначенной 50/40 (основная фракция 40 мкм, аколичество крупной, размером 50 мкм, не более 15%). Перед операцией калибровкик торцам монокристалла наклеечной мастикой приклеивают металлические конуса(«центры») таким образом, чтобы их ось совпадала с продольной осьюмонокристалла.
После калибровки на поверхности монокристалла образуетсянарушенный слой глубиной 50...250 мкм в зависимости от скорости продольной подачи.Присутствие его на периферии подложек может вызывать появление сколов, а припоследующей высокотемпературной обработке приводить к генерации структурныхдефектов, распространяющихся в центральные области подложки. Для снятиянарушенного слоя прошедшие операции калибровки монокристаллы полупроводниковподвергают операции химического травления.1.6.2 Ориентация
В процессе роста монокристаллов наблюдается несоответствиеоси слитка кристаллографической оси. Для получения пластин, ориентированных взаданной плоскости, до резки производят ориентацию слитков. Способы ориентациикристаллов определяются их природой, типом детали и ее функциональным назначением.Оптически изотропные диэлектрики ориентируют для учета влияния технологическихсвойств кристалла на точность параметров детали. У анизотропных диэлектриковположение преломляющих и отражающих поверхностей детали зависит от требуемогопреобразования светового потока. Ориентация полупроводников предусматриваетопределения кристаллографической плоскости, в которой материал имеет заданныеэлектрические свойства. Ориентацию полупроводников проводят рентгеновскими илиоптическими методами.
Рентгеновскийметод основан на отражении рентгеновских лучей от поверхностиполупроводникового материала. Интенсивность отражения зависит от плотностиупаковки атомами данной плоскости. Кристаллографической плоскости, более плотноупакованной атомами, соответствует большая интенсивность отражения лучей.Кристаллографические плоскости полупроводниковых материалов характеризуютсяопределенными углами отражения падающих на них рентгеновских лучей. Величиныэтих углов для кремния: (111) –17°56', (110) — 30° 12', (100) – 44°23'
Рентгеновскийдиафрактометрицеский метод основан на измерении угла отраженияхарактеристического рентгеновского излучения от идентифицируемой плоскости. Дляэтого применяют рентгеновские дифрактометры общего назначения, например типаДРОН-1,5, или рентгеновские установки, например типа УРС-50И (М), и другие,снабженные рентгеновскими гониометрами и устройствами, обеспечивающими вращениегоризонтально располагаемого монокристалла вокруг оси с заданной скоростью.
При проведении измерения падающий на торцевой срезмонокристалла рентгеновский луч направляют под брэгговским углом отражения р.Счетчик рентгеновских квантов (Гейгера) располагают под углом 2р к падающему лучу.Если ориентируемая плоскость, например (111), составляет некоторый угол, а сторцевым срезом монокристалла, то отражение от нее можно получить, повернув монокристаллна этот же угол.
Определениеугла отражения проводят относительно двух взаимно перпендикулярных осей, однаиз которых лежит в плоскости чертежа (рисунок 3)
/>
Рисунок 3 — Схема ориентации монокристаллов полупроводниковрентгеновским методом:1—падающий рентгеновский луч; 2— монокристалл; 3 — отраженныйрентгеновский луч: 4 — счетчик Гейгера
Оптический метод основан на том, что на протравленной вселективном травителе поверхности полупроводника возникают фигуры травления,конфигурация которых определяется ее кристаллографической ориентацией. На поверхности(111) фигуры травления имеют форму трехгранных пирамид, а на (100)—четырехгранных.При оснащении такой поверхности параллельным пучком света отражающиеся лучибудут образовывать на экране световые фигуры.
В зависимости от того, насколько сильно отклонена плоскостьторцевого среза монокристалла от плоскости (hkl), световая фигура, образованнаяотраженным пучком света, будет находиться ближе или дальше от центра экрана. Повеличине отклонения световой фигуры от нулевого деления экрана определяют уголотклонения, а плоскости торца монокристалла от плоскости (hkl). Затем, поворачиваямонокристалл на 90°, определяют другой угол Р; после выполнения ориентациимонокристалла на его торце твердосплавным резцом наносят стрелку, направлениекоторой указывает, в какую сторону от торца монокристалла отклонена требуемаяплоскость. Точность ориентации монокристаллов полупроводников рентгеновскимметодом ± (2...6)', а оптическим ±(15...30)'. 1.6.3Резка
Кремний — твердый и хрупкийматериал. Эти свойства кремния определяют способы его механической обработки ивыбор абразивных материалов. Необходимо учитывать, что слитки кремния имеютбольшой диаметр (более 80 мм с тенденцией роста до 100...110 мм).
В таблице 2 приведенасравнительная характеристика различных абразивных и полупроводниковыхматериалов по их твердости.
Таблица 2— Сравнительнаяхарактеристика абразивных материалов
Наименование материала
Микротвердость 10/>Н/м2
Твердость по шкале Мооса
Алмаз 10 10
Карбид бора 4,9 10
Карбид кремния 3,5 9,5
Электрокорунд 1,4 9,2 Кремний 1,0 7
Германий 0,8 6
Арсенид галлия 0,7 4,5
Алмаз — самый твердый материал. При обработке кремнияиспользуются как природные, так и синтетические алмазы, уступающие первым помеханическим свойствам. Иногда применяют карбиды бора В4С и кремнияSiC, а также электрокорунд Al2O3. Внастоящее время при резке слитков кремния на пластины в качестве режущегоинструмента применяют металлические диски с внутренней алмазной режущей кромкой.
Инструмент представляетсобой металлический диск с центральным отверстием, на кромку которого нанесенаалмазная крошка. Толщина диска 0,1-0,15 мм, а диаметр отверстия обусловлендиаметром разрезаемого слитка./> Схема установки для резки слитков представлена на рисунке4.
/>
/>
Рисунок4 — Металлический диск с внутренней алмазной режущей кромкой: 1 — металлическийдиск; 2 — алмазная крошка
Режущий инструмент (диск)растягивается и закрепляется в специальном барабане на головке шпинделя станкадля резания. Слиток разрезается диском с алмазной кромкой при вращении шпинделя(3000 — 5000 об/мин.). Скорость движения слитка при его перемещении перпендикулярнооси режущего диска составляет 40 — 50 мм/мин. (для слитков диаметром 60 мм неболее 20 — 30 мм/мин.). После отрезания очередной пластины с помощью автоматической системыпроисходит возврат слитка в исходное положение, а также, перемещение его назаданный шаг. Устройство для закрепления слитка позволяет поворачивать слиток вгоризонтальной и вертикальной плоскостях на требуемые углы по отношению кплоскости вращения алмазного диска и тем самым обеспечивает ориентированнуюрезку. Станок снабжен системой подачи воды для охлаждения режущего диска ивымывания отходов резки (частичек выкрошенного кремния).
/>
Рисунок 5 — Схема установки для резки алмазным диском: а —внутренний способ резки; б — гребенчатый способ резки (1 — барабан; 2 — диск; 3— алмазное покрытие; 4 — оправка; 5 — пластина; 6 — слиток)
Поверхность пластин, полученных после резки, неудовлетворяет требованиям, которые предъявляют к качеству поверхности кремнияпри планарной технологии. С помощью электронографа устанавливают наличиеприповерхностных слоев, не имеющих монокристаллической структуры/>. Толщина нарушенногослоя после резки диском 10 – 30 мкм в зависимости от скорости вращения диска.Поскольку в ИС глубина, на которой располагаются p-n – переходы, составляетединицы и десятые доли микрона, наличие нарушенных слоев толщиной 10 – 30 мкмнеприемлемо. Микронеровности на поверхности не должны превышать 0,02 – 0,1 мкм.Кроме того, проведение фотолитографии плоскопараллельности пластин следуетподдерживать на уровне ±1 мкм по диаметру пластины вместо 10 мкм после резки.1.6.4 Шлифовка и полировка
Для обеспечения требуемого качества поверхностипластин должны быть подвергнуты дальнейшей обработке. Эта обработка состоит вшлифовке и последующей полировке пластин. Шлифовка и полировка пластин производитсяна плоскошлифовальных прецизионных станках с использованием абразивных материаловс размером зерна около 40 мкм (микропорошки). Чащевсего применяют группы микропорошков с зернами 14 мкм и меньше. В таблице 3 приведенымарки и размеры зерен основной фракции используемых микропорошков. МикропорошкиМ14, М10, М7, М5 изготавливаются из карбидов бора, кремния и электрокорунда,микропорошки марок АСМ – из алмаза.
/>
Таблица 3— Микропорошки для шлифовки и полировкипластин кремнияМарка М14 М10 М7 М5 АСМ7/5 АСМ5/3 АСМ3/2 АСМ2/1 АСМ1/0,5 Размер, мкм 14..10 10..7 7..5 5..3 7..5 5..3 3..2 2..1 1 и мельче
В зависимости от типа микропорошка выбирается материалповерхности шлифовальщика. При шлифовке пластин микропорошками М14-М15 применяютстеклянный шлифовальщик, при полировке микропорошками АСМ – специальныешлифовальщики с поверхностью из тканевых материалов. При обработке пластин нарабочий шлифовальщик устанавливаются три головки с наклеенными пластинами.Головки удерживаются от перемещения по шлифовальщику специальными направляющимикронштейнами с опорными роликами (рисунок 6). За счет силы трения возникающеймежду соприкасающимися поверхностями рабочего шлифовальщика и головок,последние вращаются вокруг своих осей. Это вращение головок создает условия дляравномерного шлифования или полирования.
При шлифованиимикропорошками М14 — М15 используют водные суспензии с соотношением воды к абразиву3¸1, при полировке пластин специальные алмазные пасты.
В настоящее время принятаопределенная последовательность операций при механической обработке пластин.При этом учитывается то, что толщина снимаемого слоя на каждой операции должнапревышать толщину нарушенного слоя, который образовался на предыдущейоперации. Пластины шлифуют с двух сторон, а полируют только рабочую сторону.
Таблица 4 — Характеристики микропорошков
Тип порошка
Толщина нарушенного слоя, мкм
Скорость удаления материала, мкм/мин
Класс шероховатости поверхности М14 20 – 30 3 7 М10 15 – 25 1,5 8 – 9
АСМ3/2 9 – 11 0,5 – 1,0 12 – 13
АСМ1/0,5 5 – 7 0,35 13
АСМ0,5/0,3 Менее 3 0,25 13 – 14
АСМ0,3/0,1 Менее 3 0,2 14
/>
Рисунок 6 — Схема плоскошлифовального станка и расположенияголовок: 1— дозирующее устройство с абразивнойсуспензией; 2— грузы; 3— головка;4— пластины; 5— шлифовальщик;6— направляющий ролик
В целом механическая обработка пластин, удовлетворяющихтребованиям планарной технологии, приводит к большим потерям кремния (около65%).
1.6.5 Химическое травление полупроводниковых пластин иподложек
Сопровождается удалением поверхностного слоя с механическинарушенной кристаллической структурой, вместе с которым удаляются и имеющиесяна поверхности загрязнения. Травление является обязательной технологической операцией.
Кислотное травление полупроводников в соответствии схимической теорией идет в несколько этапов: диффузия реагента к поверхности,адсорбция реагента поверхностью, поверхностные химические реакции, десорбцияпродуктов реакции и диффузия их от поверхности.
Травители, для которых самыми медленными, определяющими суммарный процесс травленияэтапами являются диффузионные, называются полирующими. Они нечувствительны кфизическим и химическим неоднородностям поверхности, сглаживают шероховатости,выравнивая микрорельеф. Скорость травления в полирующих травителях существеннозависит от вязкости и перемешивания травителя и мало зависит от температуры.
Травители, для которых самыми медленными стадиями являются поверхностные химическиереакции, называются селективными. Скорость травления в селективных травителяхзависит от температуры, структуры и кристаллографической ориентации поверхностии не зависит от вязкости и перемешивания травителя. Селективные травители сбольшой разницей скоростей травления в различных кристаллографическихнаправлениях принято называть анизотропными.
Поверхностные химические реакции при полирующем травлениипроходят в две стадии: окисление поверхностного слоя полупроводника и переводокисла в растворимые соединения. При травлении кремния роль окислителявыполняет азотная кислота:
Фтористоводородная (плавиковая) кислота, входящая в составтравителя, переводит окись кремния в тетрафторид кремния:
Для травления, дающего зеркальную поверхность пластин,используют смесь указанных кислот в соотношении 3:1, температура травления 30...40°С,время травления около 15 с.
1.7 Операция разделения подложек наплаты
Ломка проскрайбированных пластин — весьма ответственнаяоперация. При неправильном разламывании даже хорошо проскрайбированных пластин возникаетбрак: царапины, сколы, нарушение формы кристаллов и т. п.
Разделение пластин скрайбированием осуществляют в двестадии: вначале на поверхность пластины между готовыми микросхемами наносят вдвух взаимно перпендикулярных направлениях неглубокие риски, а затем по этимрискам размалывают ее на прямоугольные или квадратные кристаллы. При сквозномразделении пластину прорезают режущим инструментом насквозь./>1.7.1Алмазное скрайбирование
Эта операция состоит в создании на полупроводниковойпластине между готовыми структурами рисок или разделительных канавокмеханическим воздействием на нее алмазного резца (рисунок 7), что приводит кобразованию неглубоких направленных трещин. При приложении дополнительныхусилий в процессе разламывания трещины распространяются на всю толщинупластины, в результате чего происходит разделение ее на отдельные кристаллы.
Основным достоинством скрайбирования наряду с высокимипроизводительностью и культурой производства является малая ширина прорези, аследовательно, отсутствие потерь полупроводникового материала. Обычно ширинариски не превышает 10¸20 мкм, а глубина 5¸10 мкм,скорость движения резца 50¸75 мм/с, нагрузка на резце1,2¸1,4 Н.
/>
Рисунок 7 — Скрайбирование алмазным резцом/>: а) — нанесение рисок; б) — пластина с рисками;в) — конструкция алмазной пирамиды (1 — режущая грань резца; 2 — дорожкидля скрайбирования в слое защитного диэлектрика; 3 —полупроводниковые микросхемы; 4 —кремниеваяпластина)
Качествоскрайбирования и последующей ломки в значительной степени зависят от состояниярабочей части алмазного резца.Работа резцом визношенным режущим ребром или вершиной приводит к сколам при скрайбировании инекачественной ломке. Обычно скрайбирование выполняют резцами, изготовленнымииз натурального алмаза, которые по сравнению сболее дешевыми резцами из синтетических алмазов имеют большую стоимость.Получили распространение резцы, имеющие режущую часть в форме трехгранной илиусеченной четырехгранной пирамиды (рисунок 7, в), режущими элементами которойявляются ее ребра.1.7.2 Лазерное скрайбирование
Прилазерном скрайбировании (рисунок 8) разделительные риски между готовымиструктурами создают испарением узкой полосы полупроводникового материала споверхности пластины во время ее перемещения относительно сфокусированноголазерного луча. Это приводит к образованию в пластине сравнительно глубоких (до50...100 мкм) и узких (до 25…40 мкм) канавок. Канавка, узкая и глубокая поформе, играет роль концентратора механических напряжений. При разламываниипластины возникающие напряжения приводят к образованию на дне канавки трещин,распространяющихся сквозь всю толщину пластины, в результате чего происходит ееразделение на отдельные кристаллы.
Нарядус созданием глубокой разделительной канавки достоинством лазерногоскрайбирования является его высокая производительность (100...200 мм/с),отсутствие на полупроводниковой пластине микротрещин и сколов. В качествережущего инструмента используют импульсный оптический квантовый генератор счастотой следования импульсов 5...50 кГц и длительностью импульса 0,5 мс.
/>
Рисунок8 — Схема лазерного скрайбирования полупроводниковой пластины1.8 Разламывание пластин на кристаллы
Разламываниепластин на кристаллы после скрайбированияосуществляется механически, приложив к ней изгибающий момент. Отсутствиедефектов кристаллов зависит от приложенного усилия, которое зависит отсоотношения габаритных размеров и толщины кристаллов.
Наиболее простым способом является разламываниепластин на кристаллы валиком (рисунок 9). Для этого пластину 3 помещают рабочейповерхностью (рисками) вниз на мягкою гибкою (из резины) опору 4 и с небольшимдавлением прокатывают ее последовательно в двух взаимно перпендикулярныхнаправлениях стальным или резиновым валиком 1 диаметром 10¸30 мм. Гибкая опора деформируется, пластина изгибаетсяв месте нанесения рисок и ломается по ним. Таким образом, разламываниепроисходит в две стадии – вначале на полоски, затем на отдельные прямоугольныеили квадратные кристаллы.
/>
Рисунок9 — Разламывание полупроводниковых пластин на кристаллы валиком: 1 — валик; 2 —защитная пленка; 3 — кристалл; 4 — опора
Валикдолжен двигаться параллельно направлению скрайбирования, иначе ломка будетпроисходить не по рискам. Брак может проявиться также в том случае, еслиполоски или отдельные кристаллы смещаются относительно друг друга в процесселомки. Поэтому перед ломкой пластины покрывают сверху тонкой эластичнойполиэтиленовой пленкой 2, что позволяет сохранить ориентацию кристаллов впроцессе ломки и избежать произвольного разламывания ицарапания друг друга. Смещения кристаллов можно также избежать, поместив пластинуперед разламыванием в герметичный полиэтиленовый пакет и откачав из неговоздух.
Применяют различные установки, в которых валикидвижутся строго параллельно направлению рисок и имеют регулировки нагрузки.Более совершенен способ прокатывания пластины между двумя валиками (рисунок 10),при котором обеспечивается нагрузка, пропорциональная длине скрайберной риски.
/>
Рисунок 10 — Разламывание полупроводниковой пластины прокатыванием между валиками:1 — пластина; 2 — упругий валик; 3 — защитная пленка; 4 — стальной валик; 5 —пленка-носитель
Пластину1, расположенную рисками вверх, прокатывают между двумя цилиндрическимиваликами: верхним упругим (резиновым) 2 и нижним стальным 4. Для сохраненияпервоначальной ориентации кристаллов пластину закрепляют на термопластичной илиадгезионной пленке-носителе 5 и защищают ее рабочую поверхность полиэтиленовойили лавсановой пленкой 3. Расстояние между валиками, определяемое толщиной пластины,устанавливают, перемещая один из них.
При прокатке более упругий валик в зависимости оттолщины пластины деформируется и к ней прикладывается нагрузка,пропорциональная площади ее поперечного сечения или длине скрайберной риски.Пластина изгибается и разламывается по рискам, вначале на полоски, а послеповорота на 90° — на кристаллы.
/>
Рисунок 11 — Разламывание полупроводниковой пластинына сферической основе: 1 — сфера; 2 — пластина; 3 — резиновая диафрагма
Приразламывании на сферической опоре (рисунок 11) пластину 2, расположенную междудвумя тонкими пластичными пленками, помещают рисками вниз на резиновуюдиафрагму 3, подводят сверху сферическую опору 1 и с помощью диафрагмыпневмоническим и гидравлическим способами прижимают к ней пластину, котораяразламывается на отдельные кристаллы. Достоинствами этого способа являютсяпростота, высокая производительность, (ломка занимает не более 1¸1,5 мин) и одностадийность, а также достаточно высокоекачество, т.к. кристаллы не смещаются относительно друг друга.
Таблица 5 — Глубина нарушенного слоя пластин кремнияпосле различных видов механической обработкиВид обработки Условия обработки Глубина нарушенного слоя, мкм Резка алмазным кругом с внутренней режущей кромкой
Зернистость режущей кромки АСМ 60/53;n=4000мин-1; подача 1мм/мин 20 — 30 Шлифование
Свободный абразив:
суспензия порошка ЭБМ-10
ЭБМ-5
11 – 15
7 – 9 Шлифование, полирование
Связный абразивный круг
АСМ – 28
Алмазная паста:
АСМ – 3
АСМ – 1
АСМ – 0,5
14 – 16
6 – 9
5 – 6
1 — 2 Химико- механическое полирование
Суспензия аэросила, SiO2(зерно 0,04 – 0,3 мкм)
Суспензия цеолита
1 – 1,5
1 – 2
Часть II. Расчет
ОПРЕДЕЛЕНИЕ СУММАРНОГО ПРИПУСКА НА МЕХАНИЧЕСКУЮ ОБРАБОТКУ
Z=ZГШ +ZТШ+ZПП+ZФП,
где Z – сумма припусков на обработку, ZГШ– припуск на грубую шлифовку, ZТШ– припуск на точную шлифовку, ZПП– припуск на предварительную полировку,ZФП –припуск на финишную полировку.
Z= (Δ+HШ)* 2, HШ=k*dАБ;
где D — высота микронеровностей, HШ– высотанарушенного слоя, k– коэффициентнарушений (для шлифовки k=2,5), dАБ– диаметрабразивного зерна.
Имеем:/>
Используем абразив M10: Δ = 25 мкм, dАБ=10 мкм (см. Таблица 3, Таблица 4):
ZГШ= (Δ + k* dАБ)*2=100 мкм
/>
Используем абразив АСМ 3/2: Δ = 11 мкм, dАБ=3 мкм (см. Таблица 3, Таблица 4):
ZТШ= (Δ + k* dАБ)*2,=37 мкм
Для полировки k=1,7.Имеем:
ZПП= Δ + HШ, HШ= k*dАБ ,
Используем абразив АСМ 1/0,5: Δ = 7 мкм, dАБ =1 мкм (см. Таблица 3, Таблица 4):
ZПП= Δ + k*dАБ=8.7 мкм
Используем абразив АСМ 0,3/0,1: Δ = 0 мкм, dАБ=0,3 мкм (см. Таблица 3, Таблица 4):
ZФП= Δ + k*dАБ=0,51 мкм
Итак, значение суммарного припуска на механическую обработку:
Z=100+37+8,7+0,51=146,21*10-6 м.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ИСХОДНОЙ ТОЛЩИНЫЗАГОТОВКИ
l∑ = l+ Z,
где l –толщина заготовки, Z – суммарный припуск на механическую обработку: l∑ = 550* 10-6+ 146,21* 10-6= 696,21* 10-6 м.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ИСХОДНОЙ МАССЫ ЗАГОТОВКИ
m∑ = ρ* l∑* S,
где S –площадь заготовки, ρ= 2,3 г/см/> – плотность кремния.
m∑ = 2,3* 103* 696,21* 10-6* 0.0177= 0,0283 кг
Массаобработанной заготовки:
m= ρ*l* S,
m= 2,3* 103* 550* 10-6* 0,0177 =0,0223 кг
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ГОДОВОГО РАСХОДАМАТЕРИАЛА
a=106,066мм n=a/2.5/4=1124
N1 = (N*100%)/ (V2* n),
где N1– кристаллов на разделение, N – годовой план, V2 – выход годного по кристаллу, n -число кристаллов, которые могутбыть нарезаны из 1 заготовки.
n= 1124
N1= (600000*100%)/ (89%*1124) =599,
N2 = (N1* 100%)/ V1,
Где N2– количествозаготовок, запущенных на обработку,V1 — выходгодного по обработке.
N2= (599* 100%)/ 81% =739.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ИСХОДНОЙ МАССЫ МАТЕРИАЛА
M = N2* m∑,
M – исходная масса материала.
M = 739* 0,0223 = 16,479кг.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОЛЕЗНОЙ МАССЫ МАТЕРИАЛА
MП = (N* m) / n,
где MП – полезная масса материала.
MП = (600000*0,0223)/1124 =11,903кг.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТАИСПОЛЬЗОВАНИЯ МАТЕРИАЛА
kИМ = MП/ M ,
где kИМ – коэффициент использованияматериала.KИМ =11,903/16,479 = 0,722
Заключение
В данной курсовой работе рассмотренатехнология изготовления плат полупроводниковых интегральных микросхем.Полупроводниковая интегральная микросхема – это микросхема, элементы которойвыполнены в приповерхностном слое полупроводниковой подложки. Эти ИС составляютоснову современной микроэлектроники. Размеры кристаллов у современныхполупроводниковых интегральных микросхем достигают />мм2.чем больше площадь кристалла, тем более многоэлементную ИС можно на нейразместить. При одной и той же площади кристалла можно увеличить количествоэлементов, уменьшая их размеры и расстояния между ними.
В курсовой работе был разработан технологическийпроцесс для изготовления кристаллов полупроводниковых интегральных микросхем измонокристаллического кремния. При этом коэффициент использования материала длярассмотренных производственных условий составил 0,722. Это говорит о том, что технологичность производства находится надовольно высоком уровне, особенно на этапе обработки заготовок, т. к. выходгодного по обработке равен 81%. Значение коэффициента использования материала довольновысоко, хотя данный технологический процесс был сравнительно недавно внедрен напроизводстве.
/>/>Список используемой литературы
1. Березин А.С., Мочалкина О.Р.:Технология и конструирование интегральных микросхем. — М. Радио и связь, 1983.— 232 с., ил.
2. Готра З. Ю. Технологиямикроэлектронных устройств: Справочник. — М.: Радио и связь, 1991. — 528 с.:ил.
3. Коледов Л. А. Технология иконструкции микросхем, микропроцессоров и микросборок: Учебник для вузов. — М.:Радио и связь,1989. — 400 с., ил.
4. Конструирование и технологиямикросхем. Курсовое проектирование.: под ред. Л. А. Коледова. — М.: Высш. шк.,1984. — 231 с., ил.
5. СтепаненкоИ.П. Основы микроэлектроники: Учебное пособие для вузов. — 2-е изд., перераб. идоп. — М.: Лаборатория Базовых Знаний, 2000 — 488 с., ил.
6. Черняев В. Н. Технологияпроизводства интегральных микросхем и микропроцессоров: Учебник ля вузов. — 2-еизд., перераб. и доп. — М.: Радио и связь, 1987. — 464 с.: ил.