Іонне розпилення.

Іонне розпилення - засноване на руйнуванні матеріалу майбутньої плівки бомбардуванням іонізованими молекулами розрідженого газу. Вибиті атоми речовини, що розпорошується, осаджуються на підложці.

Переваги катодного розпилення у порівнянні з термовакуумним - краща адгезія (енергія атомів в 10-100 разів більше), можливість нанесення важко плавких матеріалів і сплавів, краща рівномірність властивостей плівки на підложці.

Недоліки :

 невисока швидкість осадження (не більш 2*10-6 см/хвил);

 підвищена забрудненість плівок молекулами залишкових газів (тобто високий тиск в камері і тривалий процес осадження);

10.3. Спосіб сіткографії.

Спосіб сіткографії - застосовується для виготовлення товстих (>=1 мкм) (=5...25 мкм) шарів різноманітних матеріалів.

Суттєвість полягає в нанесенні на підложку через сітчастий трафарет і наступному випалюванні в неї резистивних, що проводять, і діелектричних паст. Пасти - являють собою порошки скла з металевими або діелектричними матеріалами, що змішані в органічній рідині.

Трафарети являють собою сітку з сталі, що не ржавіє, (або нейлону) з дроту діаметром від 0.05 до 0.02 мм. Розміри осередків 0.15 - 0.06 мм. Сітка натягається на рамку.

Достоїнства: простота, дешеве обладнання, короткий цикл засвоєння у виробництві.

Недоліки: обмеження мінімальних розмірів контурів елементів, отже, менша точність їхнього виготовлення.

Окрім означених засобів використовується ряд інших.

Недоліки ГПМС - низька щільність компонування, висока вартість, мала надійність, неможливість виготовлення активних елементів.

Переваги: можливість отримання елементів з широким діапазоном номіналів, висока температурна стабільність.

11. Напівпровідникові ІС

Технологія виробництва діодів, транзисторів, інтегральних схем заснована на використанні напівпровідників: Si - кремній, Ge - германій, Se - селен, GaAs - арсенід галлія, GaP - фосфід галлія та інші. Напівпровідникові матеріали характеризуються питомим опором р=10^-3.. 10^9 Ом*см (між провідниками (металами) і діелектриками).

Для напівпровідників характерна кристалічна будівля молекул. Наприклад Si і Ge - тетраедр, що характерно для 4-х валентних елементів. Зв'язок між атомами - ковалентний (або валентний).

В хімічно чистому кристалі напівпровідника концентрація вільних електронів і дірок, що утворяться за рахунок розірвання валентних зв'язків між атомами, рівні між собою: ni=pi (i означає, що дана величина відноситься до власного напівпровіднику (intrinsic)).

(Наприклад, при кімнатній температурі для Ge: ni=2, 5*10^13 cм^-3 - Число вільних електронів 1 см куб. Враховуючи, що в кожному 1 см куб Ge знаходиться біля 4.4 *10^22 атомів, слідує, що один вільний електрон припадає на мільярд атомів речовини). (В Si: ni=1, 4*10^10 cм^-3 і приблизно 5*10^22 атомів/см куб).

Електричний струм при цьому утворений за рахунок одночасного переносу зарядів обох знаків. Така електроно-діркова проводимість називається власною проводимістю напівпровідника.

Наявність домішок змінює властивості напівпровідника, створюючи домішкову проводимість. Домішки, що викликають в провіднику збільшення вільних електронів, називаються донорними, а збільшення дірок - акцепторними. Процес введення домішки називається легируванням.

Донорні домішки, наприклад, P - фосфор, Sb - сурма, Bi - вісмут, As - миш`як. Напівпровідники, електропровідність яких підвищилася завдяки утворенню залишку вільних електронів при введенні домішки, називаються напівпровідниками з електронною проводимістю або n-типу.

Концентрація електронів у напівпровіднику n-типу: n=Nд+ni=Nд так як Nд >> ni, Nд=10^15 атом/см^3, де Nд - концентрація атомів донорної домішки. Nд (Si) =10^14... 10^20 атом/см куб, Pn << Pi, (звичайно Nд (Si) <=10^16, тобто в межах 0.0001% від загального числа атомів, інакше - напівметал); Nд (Si) =10^20 - для емітерних шарів.

Напівпровідники, електропровідність яких обумовлюється рухом дірок, називаються напівпровідниками з дірковою проводимістю або p-типу.

Концентрація дірок в напівпровідникові (НП) p-типу: Pp=Na+Pi=Na, так як Na >> Pi, Na=10^18 см^3, де Na - концентрація атомів акцепторної домішки, Np << Ni.

Розрізняють два випадки появи струму у напівпровідникові: струм, зумовлений зовнішнім електричним полем, називається дрейфовим струмом. Струм, що виникає в результаті дифузії носіїв з області, де їхня концентрація підвищена, в напрямку з більш низькою концентрацією, називається дифузійним струмом (нерівномірність концентрації може виникнути під чином світла, нагрівання, електричного поля і т. п.).

Основою більшості напівпровідникових приладів є p-n перехід або електронно-дірковий перехід - область, що поділяє напівпровідник на дві частині з різнотипною проводимістю.

Найбільш перспективний напрямок розвитку напівпровідникової технології заснований на створенні структур елементів всередині напівпровідникових кристалів.

12. Технологічні операції при виготовленні ІМС

Отримання кристалів та їхня обробка

Дискретні напівпровідникові елементи виробляються на основі Si і Ge, а ІС - тільки на Si. Ge для ІС не застосовується:

 із-за більшої чуттєвості до температури (енергія для утворення електронно-діркової пари Ge=0.77 еВ, а в Si=1.1 еВ);

 із-за того, що на поверхні Si легше створювати ізолюючі шари (SiO2), що застосовуються при формуванні рисунку (GeO2 при гексагональній формі розчинюється водою, а кубічну тяжко сформувати).

Основна трудність при отриманні кристалу - забезпечення його чистоти. Для збереження властивостей напівпровідників зміст домішки повинен лежати в межах 0.0001% (це для "корисної" домішки, а для шкідливих - у 10 - 100 раз менше).

Вхідним матеріалом є полікристалічний кремній, що одержують з кварцевого піску (SiO2). Заготівки з полікристалічного Si являють собою стрижні D 40 - 120 мм і довжиною 450 - 950 мм. Ступінь чистоти 98%. Полікристалічний Si не може бути використаний для виготовлення приладів, тобто має внутрішню зернисту структуру (кристали поділені міжкристалічними гранями), що рівноцінно наявності дефектів.

Для виготовлення напівпровідникових приладів використовують монокристал Si, що одержують з полікристалічного Si.

Найрозповсюдженішим способом отримання монокристала Si є спосіб Чохральского (=70% монокристалів виробляють цим способом).

Полікристалічний Si розколюється на шматки і завантажується в тигель, під дією нагрівача (високочастотного індуктора) розплавляється (t=1412 с). Монокристал-затравку опускають в розплав і не припускаючи її розплавлення піднімають її вверх при постійному обертанні навколо осі. При цьому матеріал розплаву осаджується на затравці і за рахунок охолодження при виході з розплаву кристалізується, повторюючи її кристалічну решітку і орієнтацію монокристала.

Швидкість вирощування - 10 - 60 мм/годину. Діаметр монокристалу 62.5; 78.5; 102.5 мм (до 250мм), і - до 250 мм.

Домішка вводиться в розплав шляхом додатку сильнолегованих гранул Si. Причому важкість - концентрація домішки в розплаві і кристалі різноманітні. Але так як у розплаві концентрація домішок більше (і корисних, і шкідливих), то цей спосіб можна розглядати, як спосіб очищення кристалу, або спосіб отримання чистого кристалу.

Іншим розповсюдженим способом очищення є спосіб зонної плавки, який також заснований на принципі витіснення домішок з кристалу в розплав. Вхідні стрижні полікристалічного Si заздалегідь шліфуються і зміцнюються (без затравлення). Частина стрижня нагрівається до температури плавлення. За допомогою безперервного пересування нагрівача (індуктора) вздовж стрижня пересувається зона розплаву. При цьому атоми домішки витісняються на межі фаз у розплав. Коли зона плавлення досягне іншого кінця стрижня, то в ньому концентрується більша частина домішок. Багаторазовим повторенням цього процесу або на основі застосування декількох зон плавлення, наступних один за одним, одержують Si такої чистоти, що дозволяє здійснювати зміну властивостей кристалу легируванням домішками. Зона домішок, що залишилася після кристалізації на кінці стрижня, відрізається, в наслідку чого залишається чистий полікремній. Швидкість - декілька мм/хвил.

Наступний технологічний процес полягає в перетворенні полікристалічного Si в монокристалічний. Цей процес може виконуватися способом Чохральского або закінчуватися водночас з зонною плавкою, якщо в кінець стрижня вплавляється монокристалічна затравка. Розплав, що затверджується, кристалізується у монокристал, починаючи з затравлення.

Легування домішкою досягається завдяки тому, що застосовують затравку, заздалегідь легировану домішкою. За допомогою розплавленої зони примісні атоми затравлення розповсюджуються рівномірно по всьому стрижню. Інший підхід полягає в подачі легуючого газу, атоми якого дифундують в розплав і при кристалізації впроваджуються в решітку.

Діаметр кристалу <= 125 мм. Кристали більш чисті (тобто немає тиглю).

В подальшому монокристал наражають на розпилення на пластини товщиною 200 - 300 мкм, на основі яких після цього виробляють напівпровідникові прилади. Але перед розпиленням кристал шліфують по діаметру, в наслідку чого одержується циліндр, на ньому паралельно осі кристалу знімається частина матеріалу, а по отриманій поверхні вимірюють розподіл опору по довжині стрижня (чи рівномірно легований стержень?). Отримана кромка служить також для юстировки.

Різка зливків може вироблятися:

 - за допомогою сталевих полотен - служить способом переносу абразивного порошку до місця різки;

 - за допомогою "алмазних дисків" - металевий диск з вкрапленими алмазними крихтами (частіше по внутрішній кромці).

При такій різці майже половина зливка втрачається.

Різка залишає на поверхні пластин нерівномірності глибиною 10 мкм, однак для подальшого використання необхідна шорсткість поверхні не більш 0.01 мкм. Тому пластини спочатку шліфують за допомогою мікропорошків, розмір зерна яких вибирається з кожним циклом все менш аж до 3 - 5 мкм. Сторони пластин шліфують по одній.

Після шліфовки залишаються нерівності в декілька мікрон, а також порушений після розпилення шар кристалічної решітки. Для усунення цих дефектів застосовується поліровка, найчастіше хімічна (травлення), тобто розчинення поверхневого шару за допомогою азотної і плавікової кислот. В результаті нерівності знижуються до рівня тисячних часток мкм.

Інколи хімічну поліровку комбінують з попередньою механічною з розміром зерна 0.1 - 0.3 мкм.

Крім того, пластини перед використанням неодноразово знежирюються - за допомогою ацетону, етилового спирту і т. п.

Напівпровідникові пластини, вирізані з монокристалу, в об`ємі і на поверхні яких в подальшому формуються елементи напівпровідникових приладів, називаються підложками.

При використанні підложок на їхній поверхні часто потрібно одержувати діелектричні покриття, в якості яких часто виступає окисне покриття (SiO2)

12.1 Отримання ізоляційних плівок Si

Оксид кремнію (SiO2) являє собою скловидне покриття, що володіє добрими ізоляційними властивостями. Найбільш добрими властивостями володіє SiO2, отриманий способом термічного окислення, при якому пластини Si нагрівають і окислюють за допомогою сухого або вологого кисню. Режим регулюється кранами (склад суміші). Температура нагрівання=1200 С. Швидкість зростання оксидної плівки - 0.2 мкм/година - для сухого і=1 мкм/година - для вологого кисню (більш низька щільність і пористість із-за наявності H2 і групи OH) - Si+H2O=SiO2 +H2. Оптимальна товщина плівки розраховується виходячи з врахування швидкості проникнення домішки через плівку SiO2 (наприклад, фосфор при t=1200С за 1 годину проникає через шар SiO2 з товщиною=0.8 Мкм) і міцності зчеплення SiO2 c Si (якщо плівка дуже товста, то при термічному розширенні можуть виникнути тріщини із-за відмінностей в температурних коефіцієнтах лінійного розширення SiO2 і Si). Звичайно товщина оксиду - десяті частки мкм (0.2... 0.8 мкм), а верхня межа для термічного окислення - 1... 2 мкм. При підвищенні тиску скорочується час вирощування плівок. Можна знизити t, перевага - менш дефектів Si. Наприклад, при t=1000С і P=2 МПА плівка товщиною 1 мкм вирощується за 10 хвил. (при використанні водяного пару).

Типова процедура:

 1. Сухий О2 (15).

 2. Оксидування у вологому О2 (2 години).

 3. Сухий О2.

Іншим способом ,що часто застосовуються, нанесення захисного шару є осадження SiO2. При цьому використовують реакцію:

SiH4 + O2 = SiO2 + H2O

Процес відбувається при t=200 - 350С (звідси виходить, що немає перерозподіл домішок в областях ,що сформувалися раніше). Швидкість осадження - до 0.1 мкм/хвил. (регулюється шляхом розбавлення силана інертним газом - аргоном). Недолік: токсичність та вибухонебезпечність силана. В якості діелектричного покриття також широко застосовується нітрид кремнію Si3N4. Володіє меншою проникливістю і тому його можна одержувати більш тонким, ніж SiO2 (<=0, 2мкм). Крім того, ці плівки вирощуються значно швидше і при більш низьких t C.

Реакція :

3SiN4 + 4NH4 = Si3N4 + 12H2

t = 700 - 1100 C.

3SiN4 - силан;

4NH4 - аміак;

1 частина силана на 20 частин аміаку в потоці водню перешкоджає передчасному розкладу силана). При товщині > 1 мкм Si3N4 починає тріскатися із-за високої пружності. Із-за цього інколи роблять попередній тонкий шар SiO2. При виготовленні напівпровідникових структур часто вимагається одержувати різноманітну структуру в захисному шарі шляхом його вилучення на окремих ділянках. Це здійснюється в процесах літографії. Основним з цих процесів є фотолітографія.

12.2 Фотолітографія

Фотолітографія - процес утворення на поверхні підложки локальних захисних ділянок плівки за допомогою світлочуттєвих матеріалів (фоторезистів). Операції технологічного процесу: після підготовки поверхні пластин на неї наноситься шар фоторезисту; сушиться (t=20 C - 25 хвил, t=100 C - 30 хвил); після цього виконується експонування фотошару через фотошаблон, прояв рисунку, в результаті чого утвориться захисна маска. Після цього виконується травлення незахищених ділянок SiO2 і зняття маски.

 Попередня обробка пластин полягає в промивці в ацетоні, етиловому спирті, тобто різноманітних розчинниках, а інколи - сірчаній або азотній кислоті.

 Розчин фоторезисту перед використанням фільтрують, а в особливо відповідальних випадках обробляють на центрифузі (10 - 20 тис. обертів/хвил на протязі декількох годин).

Для нанесення фоторезисту найбільш часто використовують спосіб центрифугування. Період формуванням фото шару 20 - 30 сек. Частота обертання - звичайно > 6000 обертів/хвил. Як правило застосовуються верстати з груповою обробкою пластин (наприклад, 12 пластин - АФФ-2). Спосіб центрифугування не застосовується для отримання товстих шарів (> 3 мкм). В плівках, отриманих центрифугуванням, існують внутрішні напруги. Інший спосіб нанесення - розпилення, при якому фоторезист розпорошується стислим повітрям. Форма "смолоскипу" регулюється. Товщина шару - 0.3 - 20 мкм. Дефектність плівок в 3 - 4 рази менша, ніж при центрифугуванні.

 Висушення фоторезисту: для повного вилучення розчинника з фото шару його сушать, звичайно в два етапу: при t=18-20 C 15-30хвил, а після цього - при t=90-100 С 30-60хвил. Як джерело випромінювання використовують інфрачервоне нагрівання.

 Перенос зображень.

Фотошаблон суміщається з кристалом таким чином, щоб межі осередків шаблону були перпендикулярні або паралельні базовому зрізу пластини. Це підвищує якість розламування пластини на окремі кристали (зв'язано з внутрішньою орієнтацією кристалу). Спочатку фотошаблон орієнтують по контрольних модулях (порожніх кристалах). Після цього заповнюють точне суміщення в межах модуля за допомогою спеціальних знаків суміщення.

 Експонування.

Після суміщення пластину притискають до фотошаблону і експонують фото шар. В якості джерел світла застосовують ртутно-кварцеві лампи, що створюють світловий потік до 18000 лм. Випромінювання захоплює ультрафіолетову область (небезпечно для очей). Вимога - рівномірність освітлення всієї пластини.

 1. Геометрична компоновка - вибір форми, розмірів, взаємного розташування та засобів переміщення елементів конструкції відносно один одного. Оптимальна ГК забезпечує високу швидкодію ЕОМ.

 2. Схемотопологічне проектування - компоновка и трасування друкованих плат (ДП).

 3. Забезпечення завадостійкості,теплового режиму,надійності, захисту від зовнішніх впливів, зручність в експлуатації (ергономічність)

12.3 Отримання структур способом дифузії

Метою проведення дифузії є впровадження атомів легуючого елементу в кристалічну решітку напівпровідника для утворення області з протилежним по відношенню до вхідного матеріалу типом електропровідності. Знов утворена область обмежується p-n-переходом. Дифузія атомів що домішані в твердому тілі відбувається внаслідок хаотичного теплового руху молекул в напрямку зниження їхньої концентрації. p-n-перехід утвориться на глибині Xпер, де концентрація введеної домішки виявляється рівною концентрації вхідної домішки Nисх. Розміри дифузійної області в плані визначаються розмірами вікна в шарі SiO2, тобто швидкість дифузії в SiO2 на декілька порядків нижче, ніж в Si. із-за того, що дифузія іде і в напрямку y, z, бокові стінки p-n-переходу завжди розміщені під шаром SiO2, а розмір дифузійної області одержується більше розмірів вікна. Але звичайно дифузію розглядають як одновимірну.

Способи проведення дифузії. Дифузію виконують при температурі 1100 - 1300 С. Нижче 1000 С дифузія мала і, отже, глибина незначна. Вище 1300 С якість дифузійних шарів незадовільна внаслідок порушення поверхні пластин під чином температури. Дифузійні процеси проводять в закритій або відкритій трубі. "Відкрита труба" отримала більш широке розповсюдження і означає, що вихідний кінець дифузійної труби спілкується з атмосферою. Через нього в зону дифузії завантажують кремнієві пластини. Щоб звести до мінімуму забруднення з атмосфери, над виходом труби встановлюють витяжну систему. Вхідний кінець дифузійної труби служить для подання газу носію (N2, Ar, O2). Дифузант (ВСl3) вводять в вигляді пару або газу в газ-носій (О2), що не дифундує в Si.

Варіанти печей для проведення дифузії:

 Однозонна піч з джерелом рідкого дифузанту.

 Двозонна піч для дифузанту з твердих джерел.

 Однозонна піч для дифузанту з твердих джерел (бокс спосіб).