Технологические процессы микросборки плат (стр. 2 из 4)
Такая технология изготовления ИС, при которой пассивные и активные элементы создаются по двум не зависимым друг от друга циклам, приводит к ряду преимуществ, которые обусловили широкое применение и использование ГИС. Гибридные ИС характеризуются простотой изготовления, малой трудоёмкостью, непродолжительностью производственного цикла и в силу этого низкой стоимостью.
Многоуровневое расположение пассивных элементов и использование в качестве активных элементов полупроводниковые ИС расширяют возможности схемотехнической разработки при создании БИС.
Технология изготовления тонких и толстых плёнок позволяет создавать прецизионные резисторы и конденсаторы, в силу чего гибридная технология предпочтительнее в схемах с повышенной точностью пассивных элементов.
Интегральные микросхемы, работающие в СВЧ диапазоне также создаются по гибридной технологии. При этом исключается трудности связанные с изоляцией элементов толстыми диэлектрическими слоями, неизбежной, если СВЧ ИС выполняется как полупроводниковая.
Толстоплёночную технологию целесообразно использовать при разработке мощных ИС, работа которых сопровождается большим выделением тепла.
В современной технологии изготовления интегральных микросхем тонкие пленки (толщиной до 5 мкм) нашли широкое применение и выполняют разнообразные функции. В полупроводниковых ИС тонкие диэлектрические пленки используются как маскирующие покрытия для получения локализованных легированных областей.
В тонкопленочных ИС на основе самих пленок образуются пассивные элементы. При этом применяются тонкие пленки из материалов с высокой электропроводностью, диэлектрические и резистивные пленки. Тонкие диэлектрические пленки создают диэлектрическую изоляцию между различными слоями в схемах многоуровневой металлизацией. Нанесённые на поверхность готовой схемы, они защищают от механических повреждений. Тонкие плёнки металлов связывают между собой активные и пассивные элементы, образуют контактные площадки. Кроме того, в полупроводниковой и тонкоплёночной технологии плёнки используются как технологические элементы в процессе изготовления схем, например, в качестве контактных масок при диффузии и напылении. Существует множество методов получения тонких плёнок: термическое окисление кремния, термическое вакуумное напыление, ионно-плазменное напыление и т.д. Каждый из этих методов имеет свои преимущества и недостатки.
3.3 Формирование диэлектрических слоёв
Формирование диэлектрических слоев может происходить вследствие прямого химического взаимодействия компонентов окружающей (технологической) среды с атомами обрабатываемой подложки – структуры и как результат "принудительного" осаждения материала из внешней атмосферы при пиролизе, ионно-плазменном, плазмохимическом или ином методе активации образования новой фазы. Первый тип реакций характерен для системы Si – SiO2 активное взаимодействие кремния с кислородом обусловливает наличие на монокристаллах кремния естественного слоя диоксида толщиной (2-5) нм. Реакции второго типа позволяют формировать диэлектрические слои (например SiO2) не только на кремнии, но и на кристаллах других полупроводников, не имеющих собственных окислов с хорошими маскирующими свойствами, в частности Gе, GаАs и др.
3.3.1 Осаждение тонких плёнок в вакууме
Вакуумное напыление - относительно простой метод, который при выполнении определенных условий позволяет получать тонкие пленки различных материалов высокой чистоты и заданного структурного совершенства. Процесс заключается в генерации потока частиц, направленного на подложку, их конденсации и образования последовательности слоев пленочного покрытия (Рисунок 3).
Рисунок 3 – Схема термического испарения в вакууме: 1- колпак; 2 - нагреватель; 3 - подложкодержатель; 4 - подложка; 5 - заслонка; 6 - испаритель; 7 - уплотнительная прокладка; 8 - опорная плита установки
3.3.2 Ионное (катодное), ионно-плазменное, магнетронное и ионно-термическое распыления
При ионном процессе осаждения тонких пленок напыляемый материал используется в качестве катода в системе с тлеющим разрядом в инертном газе (Аг или Хе) при давлении 1-10 Па и напряжении в несколько киловольт.
Подложка, на которую напыляют пленку, располагается на аноде. Положительные ионы газа, возникающие в разряде, ускоряются по направлению к катоду и достигают его с большой энергией; ее возрастание происходит в прикатодной области (рисунок 4).
Рисунок 4 –. Схема ионного (диодного или двухэлектродного) распыления: 1- колпак; 2 - распыляемая мишень; 3-подложка; 4- подложкодержатель (анод); 5 - столб положительного заряда
В результате ионной бомбардировки материал катода (мишень) распыляется в основном в виде нейтральных атомов, но частично и в виде ионов. Распыленное вещество конденсируется на всей внутренней поверхности рабочей камеры, включая подложку - анод.
Достоинством диодного метода ионного распыления по сравнению с термовакуумным является то, что большая площадь мишени позволяет получать равномерные по толщине пленки на подложках любого диаметра, это обеспечивает реализацию группового автоматизированного метода осаждения слоев. Наряду с диодными существуют триодные системы, называемые также ионно-плазменными (Рисунок 5).
Рисунок 5. Схема триодного распыления: 1- колпак; 2 - катод - мишень; 3 - подложка; 4 - анод; 5 - термокатод
Магнетронные системы ионного распыления - это усовершенствованные диодные, в которых в прикатодной области, наряду с электрическим, существует кольцеобразное магнитное поле, и эти поля направлены перпендикулярно друг другу (Рисунок 6).
Рисунок 6 - Схема движения зарядов в (а) диодной и (б) магнетронной системах
Основными достоинствами этого метода осаждения металлов, полупроводников и диэлектриков являются высокая скорость напыления пленок с хорошей адгезией с подложками и минимальными загрязнениями фоновыми примесями.
Метод ионно-термического испарения - это комбинация термически стимулированного испарения вещества и ионного распыления, реализуемая в нескольких вариантах:
1) резистивное или электронно-лучевое испарение вещества с последующей ионизацией его паров в плазме рабочего газа;
2) испарение вещества разогревом в ВЧ - поле с одновременной высокочастотной ионизацией его паров.
В обеих схемах движение ионов испаряемого вещества к подложке и осаждение на ней обусловлены действием электрического поля между испарителем и подложкой. В зависимости от состава осаждаемых слоев, который можем быть достаточно сложным (например нитриды, карбиды и др.), их структуры и степени адгезионной связи с подложкой, к последней может прикладываться потенциал до 10 кВ. Наличие электрического поля высокой напряженности во время напыления позволяет осуществлять процесс с большими скоростями без нагрева подложек до высоких температур.
В заключение необходимо отметить, что универсальных методов осаждения тонких пленок для любых комбинаций материалов пленки и подложки с различными физико-химическими свойствами на сегодня не существует. Конкретный метод осаждения должен выбираться и отрабатываться по режимам и условиям проведения для данного типа микроэлектронного устройства в соответствии с его функциональным назначением. Выбор того или иного способа осаждения определяется заранее на этапах проектирования и моделирования технологии изготовления устройств с необходимым выполнением требований по химическому составу, чистоте, структуре, стехиометрии, морфологии поверхности и физическим свойствам пленок.
3.4 Методы определения толщины плёнок
Методы определения толщины пленок весьма разнообразны. Гравиметрические методы (микровзвешивание, метод кварцевого резонатора) основаны на измерении масс тонкопленочных покрытий, по которым затем рассчитываются толщины. Оптические методы основаны на интерференции, поскольку толщины пленок по порядку величины близки к длинам волн оптического излучения. Из других оптических методов важное значение в технологии микроэлектронных приборов приобрела так называемая эллипсо-метрия. Используются также электрические методы (в основном контроль электрического сопротивления для проводящих пленок и емкости для диэлектрических) и ряд других.
Свойства тонких пленок очень чувствительны к технологии их изготовления. Пленки, имеющие одинаковую толщину, в зависимости от условий их получения могут иметь совершенно различные удельные сопротивления, температурные коэффициенты сопротивления, диэлектрические потери, коэффициенты поглощения света и т. п. Поэтому в технологии ИС часто более важно не измерение толщины пленки после ее получения, а возможность управлять толщиной в процессе нанесения.
3.4.1 Метод кварцевого вибратора
Основан на измерение отклонений резонансной частоты пьезоэлектрического кварцевого вибратора. Отклонение обусловлено изменением массы кварцевой пластины при напылении на неё тонкой плёнки. Пьезоэлектрические свойства пластин кварца в первую очередь определяются кристаллографической ориентацией срезов по отношению к главным осям монокристалла. Все величины фигурирующие в формуле определения толщины плёнки являются известными параметрами кварцевой пластины и определены с некоторой погрешностью.