Технология производства интегральных микросхем - Черняев В.Н.

Автор: Черняев В.Н.
Теги: электротехника радиоэлектронная аппаратура интегральные микросхемы издательство энергия учебное пособие для студентов таганрогский радиотехнический институт
Год: 1977
Похожие
Технология производства радиоаппаратуры
Технология и конструирование интегральных микросхем
Технология производства полупроводниковых приборов и интегральных микросхем
Технология полупроводниковых приборов и изделий микроэлектроники. Книга 3. Полупроводниковые приборы и интегральные микросхемы
Текст
                    В. Н. ЧЕРНЯЕВ
ТЕХНОЛОГИЯ
ПРОИЗВОДСТВА
ИНТЕГРАЛЬНЫХ
МИКРОСХЕМ
Под редакцией А. А. Васенкова
Допущено Министерством высшего и
среднего специального образования
СССР в качестве учебного пособия для
студентов вузов, обучающихся по спе-
циальностям «Конструирование и произ-
водство радиоаппаратуры» и «Кон-
струирование и производство электрон-
но-вычислительной аппаратуры»
МОСКВА «ЭНЕРГИЯ»  1977
6Ф0.32
4-49
УДК 621.382.049.7-181.48.002
Рецензенты:
Таганрогский радиотехнический институт (кафедра
«Технология радиоэлектронной аппаратуры»)
Московское высшее техническое училище им. Н. Э. Баумана
(профессор А. Н. Малов)
441045
Черняев В. Н.
4-49 Технология производства интегральных микро-
схем. Учеб, пособие для студентов вузов, обучаю-
щихся по специальностям «Конструирование и про-
изводство радиоаппаратуры» и «Конструирование
и производство электронно-вычислительной аппа-
ратуры». Под рсд. А. А. Васенкова. М., «Энергия»,
1977.
376 с. с ил.
В книге рассматриваются физико-химические основы типовых
процессов производства интегральных микросхем: термовакуумного
испарения, катодного распыления, химических и электрохимических
методов получения слоев, диффузии, эпитаксии, ионного внедрения и
фотолитографии. Описываются технологии изготовления интегральных
гибридных пленочных и интегральных полупроводниковых микросхем,
а также применяемое оборудование.
Книга также может быть полезна инженерам, специализирующим-
ся в области производства радиоэлектронной аппаратуры.
30406-224
051(01)-77
134-76
6Ф0.32
(g) Издательство «Энергия», 1977.
Предисловие
Уровень технологии производства радиоэлектронных
устройств является одним из основных факторов, опре-
деляющих научно-технический прогресс страны. Важ-
нейшим элементом современных радиоэлектронных
устройств являются интегральные микросхемы.
Развитие технологии интегральных схем оказало ре-
шающее влияние на конструкции и производство радио-
электронных аппаратов. Советские ученые и инженеры
внесли большой вклад в создание и развитие производ-
ства, а также разработку научных основ технологии
производства интегральных схем. Ведущую роль в этом
сыграли А. И. Шокин, И. Н. Букреев, Ф. В. Лукин,
И. Е. Ефимов, К. И. Мартюшов, К. А. Валиев, Г. Я. Гусь-
ков, В. Г. Колесников, А. Ю. Малинин, В. В. Савин и др.
Возникла необходимость специальной подготовки ин-
женеров-технологов, способных разрабатывать техноло-
гические процессы производства интегральных схем и
радиоэлектронных устройств на их основе.
Инженер-технолог производства интегральных схем
должен овладеть физико-химическими основами этого
производства, анализом и синтезом технологических
процессов, теорией точности и надежности технологиче-
ских процессов, теорией математического моделирова-
ния и оптимизации производства, наукой о процессах и
аппаратах.
Настоящая книга состоит из пяти частей. В первой
части кратко рассматриваются основные методы описа-
ния и анализа технологических процессов в производ-
стве интегральных схем. Во второй части приводятся
физико-химические основы типовых технологических
процессов. В третьей и четвертой частях — основные
технологические процессы изготовления гибридных и
полупроводниковых интегральных микросхем. В пятой
з
части — процессы монтажа и сборки интегральных
схем.
В основу книги положен конспект лекций, прочитан-
ных автором на радиотехническом факультете Москов-
ского авиационного технологического института им.
К. Э. Циолковского. Автор считает своим приятным
долгом выразить благодарность всем товарищам по
работе и коллегам, участвующим в обсуждении настоя-
щего курса, за важные замечания и ценные дискуссии
по содержанию и композиции настоящей книги, а так-
же рецензентам заслуженному деятелю науки и техники
РСФСР, профессору, доктору техн, наук А. Н. Малову
и доценту, канд. техн, наук Д. А. Сеченову.
Наибольшую помощь в работе автору оказали со-
трудники кафедры «Технология производства радио-
электронной аппаратуры» МАТИ им. К. Э. Циолковско-
го, особенно Ю. Г. Обичкин и Н. И. Четвериков.
Автор будет признателен читателям за предложения
и замечания по улучшению и содержанию книги, кото-
рые следует направлять по адресу: 113114, Москва,
МН 14, Шлюзовая наб., 10, издательство «Энергия».
Автор
Часть первая
МЕТОДЫ ОПИСАНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ
ПРОЦЕССОВ ПРОИЗВОДСТВА ИНТЕГРАЛЬНЫХ
МИКРОСХЕМ
Глава первая
ПАРАМЕТРЫ, ОПИСЫВАЮЩИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ
ПРОЦЕСС
1-1. Интегральные микросхемы и их классификация
Функциональный электронный блок, совокупность
рабочих элементов и межсоединений которого изготовле-
на в виде слоев (пленок) твердого тела в едином ком-
плексе групповых технологических процессов, называет-
ся интегральной микросхемой (ИМС). Как и всякий
электронный блок, ИМС может помещаться в корпусе
и иметь внешние выводы для подключения. Особенно-
стью интегральной микросхемы являются малые разме-
ры и расположение всех элементов функциональной
схемы на одной подложке таким образом, чтобы вся схе-
ма представляла собой механически единый твердый
блок.
Интегральную микросхему можно получить в пласти-
не твердого материала, создавая слои резисторов, про-
водников, структуры транзисторов, диодов и конденса-
торов, или па пластине, осаждая слои, способные нести
заданные функции. На рис. 1-1 показаны схема и
структурный профиль ИМС первого типа, называемой
обычно полупроводниковой ИМС, так как вся схема
изготовлена в теле полупроводникового материала, раз-
личные слои которого несут заданные электронные
функции. На рис. 1-2 показаны схема и структурный
5
Рис. 1-1. Электрическая схема и структурный профиль полупровод-
никовой ИМС.
1 — диод; 2 — резистор; 3—4 — транзистор; 4—5 — конденсатор.
Рис. 1-2. Электрическая схема и структурный профиль гибридно-пле-
ночной ИМС (ГПИМС).
1 — нижняя обкладка конденсатора; 2 — верхняя обкладка конденсатора;
3—4 — резистор; 5 — транзистор; 6 — слой диэлектрика; 7 — соединительная
шина (проволока); 8 — диэлектрическая подложка.
6
профиль ИМС второго типа, называемой обычно гиб-
ридной ИМС, так как все элементы схемы (кроме
активных) изготовлены из нанесенных на диэлектриче-
скую пластину поликристаллических или аморфных сло-
ев, несущих заданные электронные функции. Поскольку
промышленная технология изготовления пленочных
активных элементов (диодов и транзисторов) еще не
разработана, то активные элементы приходится «наве-
шивать» на пленочную схему, т. е. получается «гибрид».
1-2. Технологические схемы процессов
Для изготовления ИМС используется большое число
процессов и операций. Инженер в своей практике поль-
зуется однозначными и краткими предписаниями по вы-
полнению определенного процесса. Достаточно кратким,
ясным и наглядным такое предписание может быть
тогда, когда оно представлено в виде схемы. Последова-
тельность операций указывается линией со стрелкой,
связывающей эти операции в единую цепь.
П ринципиальная схема используется для изображе-
ния действующего производства или для того, чтобы
дать проектировщикам первое представление о проек-
тируемом производстве. Она не содержит количествен-
ной информации ни о действующем, ни о проектируемом
технологическом процессе.
В отличие от принципиальной, аппаратурно-техноло-
гическая схема песет информацию о применяемых маши-
нах и аппаратах (желательно в масштабе), основных
технологических параметрах процессов, протекающих
в этих аппаратах. Аппаратура, работающая параллель-
но, может показываться одним агрегатом.
Аппаратурно-технологическую схему работающего
или проектируемого предприятия, цеха или участка не-
обходимо представлять в таком виде, чтобы с ее по-
мощью можно было оценивать, анализировать и рассчи-
тывать основные показатели технологического процесса,
потоки основных и вспомогательных материалов, основ-
ное и вспомогательное технологическое оборудование,
обнаруживать «узкие места» в производстве продукции,
энергетические затраты.
Эта схема несет довольно полную информацию
о технологическом процессе, она показывает:
количество и необходимые свойства основных, про-
межуточных, конечных и вспомогательных продуктов,
7
Нанесение
уаторезис -
та и трав-
ление
Si 0^
р

Рис. 1-3. Принципиальная технологическая схема процесса изготовле-
ния транзисторов интегральной микросхемы и профиль создаваемой
структуры,
8
т. е. материальный баланс технологического процесса
в целом;
физическое состояние всех продуктов и энергетиче-
ские затраты на всех операциях обработки и контроля;
последовательность основных операций и их связь со
вспомогательными и побочными операциями;
типы, число и габариты применяемых машин и аппа-
ратов;
обязательный и возможный возврат в производство
продукции после контрольных операций.
В технологии интегральных схем широкое распрост-
ранение получили так называемые «профильные техно-
логические схемы». Они показывают, какие структуры
(профили) получаются в результате данной операции.
Эти схемы удобно объединять с принципиальными тех
нологическими схемами. На рис. 1-3 показана принци-
пиальная и профильная схемы технологического процес-
са изготовления ИМС.
Характерной особенностью технологии ИМС являет-
ся высокая точность проведения всех основных процес-
сов создания необходимых структур. Разработка и внед-
рение стабильных процессов, обеспечивающих заданную
точность изготовления ИМС, является чрезвычайно важ-
ной и сложной задачей, решение которой позволяет рез-
ко повышать выход годной продукции.
1-3. Элемент технологического процесса
Каждый основной аппарат в технологической цепоч-
ке, осуществляющий изменение состояния или структу-
ры полуфабриката ИМС или свойств этой структуры
в результате процесса, протекающего в аппарате, может
рассматриваться как аппаратурно-процессная единица.
Если технологический процесс рассматривать как боль-
шую систему, то аппаратурно-процессную единицу мож-
но рассматривать как подсистему (а в отдельных слу-
чаях как элемент системы).
Аппаратурно-процессная единица как элемент тех-
нологического процесса должен описываться определен-
ными физическими величинами и количеством обраба-
тываемого материала или изделий на входе и выходе из
элемента процесса. Характеристика элемента процесса
будет однозначной только в том случае, если она со-
держит столько данных, сколько необходимо для опре-
деления всех других, интересующих инженера-технолога.
9
Число процессов, в основе которых лежат Определен-
ные физико-химические законы, невелико в любом про-
изводстве, в том числе и в производстве интегральных
схем. В технологии ИМС такие процессы нетрудно пере-
числить:
процессы создания слоев с заданными свойствами,
в основе которых лежат физико-химические законы по-
лучения моно-, поликристаллических или аморфных сло-
ев (различные методы напыления, химическое и электро-
химическое осаждение слоев, диффузия, имплантация
и др.) и некоторые методы подготовки и обработки
исходных материалов, в основе которых лежат главным
образом процессы очистки поверхности (механообработ-
ка, растворение, химическая, электрофизическая обра-
ботка и т. п.);
методы создания рисунков элементов ИМС, в основе
которых лежат фотохимические, трафаретные и другие
процессы печати;
методы создания электрических контактов;
методы монтажа и сборки ИМС и ее элементов,
в основе которых лежат процессы совмещения и креп-
ления отдельных деталей и узлов;
методы контроля параметров ИМС и ее элементов,
в основе которых лежат различные процессы измерения
физических величин.
Эти группы процессов (целиком или частично) ис-
пользуются в любой технологической схеме производст-
ва ИМС независимо от того, какая ИМС изготавли-
вается.
Аппаратурно-процессная единица может быть перио-
дического или непрерывного действия. Для периодиче-
ского действия характерно введение определенного коли-
чества обрабатываемых деталей или изделий (едино-
временная загрузка) в аппарат, где они пребывают до
тех пор, пока не будет достигнута желаемая степень
обработки.
В общем случае обозначим какой-либо технологиче-
ский фактор (например, температуру, давление, ско-
рость осаждения и т. п.) буквой Ф, и пусть он будет
функцией времени, но не пространства. Значение фак-
тора Ф в каждой точке пространства аппарата одина-
ково. Для такого процесса (рис. 1-4)
^М^) у, з),
(Ы)
10
где -г — время; х, у, z — координаты пространства в ап-
рарате.
Вторым существенным признаком периодического
процесса является цикличность. Как только достигнута
заданная степень обработки материала, аппарат раз-
гружается, затем заполняется вновь и цикл процесса
повторяется.
Рис. 1-4. Изменения технологических факторов во времени для перио-
дического процесса.
Повторяемость циклов представляет собой общую
черту промышленных процессов, аппаратов и машин
периодического действия. Поскольку в периодическом
процессе Ф есть /(т), то он является нестационарным
процессом.
Непрерывный процесс обычно характеризуется как
процесс, в котором
Ф = }(х, у, z)^f(x),	(1-2)
т. е. (1Ф/с1х = 0.
Эта зависимость характерна для любого стационар-
ного процесса (рис. 1-5). Характерной особенностью не-
прерывного процесса является непрерывность потока
исходных материалов и готовых продуктов.
Заметим, что стационарный процесс всегда непре-
рывный, тогда как непрерывный может быть и нестацио-
нарным, т. е. для него возможно состояние
-f^0-	а-3)
Непрерывные процессы всегда более предпочтитель-
ны с точки зрения производительности, коэффициентов
11
использования оборудования, а стационарные — с пози-
ций стабильности показателей качества изделий.
Любое производство ИМС можно расчленить на
определенное число типовых технологических звеньев,
в которых осуществляются типовые процессы, напри-
мер: осаждение слоев, диф-
фузии, эпитаксия и др. Ти-
Рис. 1-5. Изменения технологи-
ческих факторов во времени
для непрерывного процесса.
повой технологический про-
цесс содержит все необхо-
димые и достаточные харак-
теристики, позволяющие вы-
делить его из большого мно-
гообразия других процес-
сов. Отличительной особен-
ностью типового процесса
является тот физический,
химический или механиче-
ский акт, который осуще-
ствляется в нем в соответствии с целевым назначением.
Таким образом, можно заключить, что аппаратурно-
процессная единица является элементом технологии,
в котором протекает тот или иной типовой процесс.
Примером аппаратурно-технологической единицы могут
быть: установка термовакуумного напыления, эпитакси-
альная или диффузионная установки с процессами, ко-
торые в них протекают.
1-4. Факторы, влияющие на технологический процесс,
и методы их анализа
Каждый технологический процесс является, с одной
стороны, детерминированным, с другой — стохастиче-
ским. Детерминизм его проявляется во вполне опреде-
ленной физико-математической связи входных и выход-
ных параметров процесса. Для описания детерминизма
процессов используются методы классического анализа
и численные методы. Стохастичность технологического
процесса проявляется во влиянии случайных факторов
на выходные характеристики процесса или изделия, ни-
как не связанных с их входными параметрами. Для опи-
сания стохастических процессов используются статисти-
ко-вероятностные методы (теория случайных процессов,
математическая статистика, теория массового обслужи-
вания и т. п.).
12
Для больших технологических систем, а технология
ИМС относится к таковым, становится необходимой
замена однозначного детерминизма более свободной,
многогранной, а точнее, многофакторной картиной связи
между параметрами технологического процесса и изде-
лий. Причина этого в стремительном развитии техноло-
гии и переходе от изучения простых систем и связей
к сложным многоуровневым системам и явлениям, ко
гда существенным будет не результат отдельного собы-
тия, а общий эффект основной массы событий.
Каждый технологический процесс имеет определен-
ное число степеней свободы, т. е. направлений, в кото-
рых он может изменяться. Понятие числа степеней сво-
боды, хорошо известное в термодинамике, можно рас-
пространить на любой технологический процесс и
выразить соотношением
S = L—М,	(1-4)
где <$ — число степеней свободы системы; L — количест-
во данных, описывающих систему (общее число пере-
менных); М — число связей между описывающими дан-
ными (т. е. число независимых уравнений).
Из уравнения (1-4) видно, что для однозначного опи-
сания элемента процесса необходимо меньшее число
переменных, чем для полного описания всего процесса.
Уменьшение числа переменных, необходимых для опи-
сания элемента процесса, имеет большое значение для
инженерной практики.
Число степеней свободы элемента процесса можно
характеризовать числом технологических факторов при
условии, что каждый из факторов создает одну степень
свободы процесса, т. е. может изменять этот процесс
только в одном направлении.
Для решения уравнения (1-4) необходимо знать об-
щее число L параметров, описывающих элемент процес-
са; М — число условий взаимосвязей L, существующих
между данными параметрами. Определение этих величин
адекватно выбору технологических факторов, влияющих
на изменение технологического процесса. Как правило,
число естественных законов, определяющих процесс,
меньше числа технологических факторов. Та часть тех-
нологических факторов, влияние которых определяется
естественными законами, дает детерминированную со-
ставляющую в изменении технологического процесса,
13
а та часть, которая не является следствием естественных
законов и определяется действием случайных факторов,
вносит стохастическую составляющую в изменении тех-
нологического процесса и производства в целом.
Действия влияющих факторов на технологический
процесс различны на разных уровнях производственной
иерархии. На рис. 1-6 представлена схема такой иерар-
хии, из которой видно, что аппаратурно-процессная еди-
ница является ее низшей ступенью.
Рис. 1-6. Принципиальная схема автоматизации производственного
процесса изготовления ИМС.
Если еще несколько десятилетий назад число техно-
логических параметров, влияющих на процесс, опреде-
лялось и устанавливалось на основе знаний естествен-
ных законов, производственного опыта и интуиции инже-
нера, исследователя и проектировщика, то сегодня для
анализа технологического процесса нашли широкое
применение методы планирования эксперимента, много-
факторного (регрессионного) анализа, теория систем
и др. (см. гл. 2).
Стохастические взаимодействия, появляющиеся в ре-
зультате случайных возмущений технологического про-
14
цесса, чаще и сильнее всего начинают проявляться на
второй ступени иерархии производства — на уровне цеха
или участка, который является взаимосвязанной сово
купностыо типовых технологических процессов и аппара-
тов, при взаимодействии которых возникают возмуще-
ния производства, статистически распределенные по
времени. Для анализа функционирования системы (или
подсистемы) второй ступени иерархии технологического
процесса используются методы теории систем, теории
массового обслуживания, теории графов, теории надеж-
ности и др.
Если в результате исследования технологического
процесса создана его модель и осуществлена полная
автоматизация с использованием ЭВМ на первом и вто-
ром уровне указанной иерархии, то говорят о построе-
нии автоматизированной системы управления техноло-
гическим процессом (АСУТП).
Третья, высшая ступень иерархической структуры
предприятия (рис. 1-6) по производству ИМС является
системой оперативного управления совокупностью цехов,
организации и планирования производства, запасов и
потоков исходных материалов и комплектующих изде-
лий, а также сбыта готовой продукции. Реализация на
ЭВМ этой системы получила название автоматизирован-
ной системы управления производством (АСУП).
В данном курсе рассматриваются технологические
процессы только на первом уровне представленной
иерархии. Вопросы, связанные со вторым и третьим
уровнями, излагаются в курсах «Моделирование и авто-
матизация производственных процессов» и «Организа-
ция производства».
1-5. Моделирование типовых технологических процессов
Одним из основных требований к типовому техно-
логическому процессу в производстве ИМС является вы-
ход годных изделий, значение которого определяется
прежде всего высокой точностью проведения данного
процесса с экономически приемлемыми показателями.
Выполнение этого требования затрудняется большой
сложностью технологии ИМС. Эта сложность проявляет-
ся в большом числе параметров интегральной схемы,
которые необходимо обеспечить с высокой точностью, и
15
большом числе взаимосвязей между физическими харак-
теристиками ИМС и технологическими факторами про-
изводства, причем изменение одного из параметров ча-
сто приводит к нелинейным изменениям других.
На технологический процесс оказывает влияние боль-
шое число факторов, которые трудно или невозможно
воспринять без соответствующей обработки и схемати-
зации. Поэтому для анализа технологических процессов
создаются модели, т. е. упрощенные системы, которые
отражают ограниченные в нужном направлении сторо-
ны рассматриваемого процесса. Процесс создания моде-
ли называют моделированием.
Различают два вида моделирования: физическое и
математическое.
Физическое моделирование состоит в отыскании кри-
териев подобия изучаемой модели и объекта. Практиче-
ски это означает изучение данного физического процесса
в различных масштабах, варьируя определенными физи-
ческими величинами. Использование критериев подобия
оправдало себя при анализе детерминированных процес-
сов, описываемых определенными физическими зако-
нами.
Для анализа недетерминированных процессов с мно-
госторонней стохастической взаимосвязью между техно-
логическими факторами составляют структуру модели
в виде системы конечных или дифференциальных урав-
нений, отражающих взаимное влияние различных пара-
метров ИМС и технологических процессов. При доста-
точно верном описании моделируемого процесса, т. е.
при адекватности модели и процесса, с помощью алго-
ритма решения можно рассчитать любую совокупность
параметров, определяющих данный технологический
процесс или какую-либо из его стадий. Проверка адек-
ватности модели и процесса проводится сравнением
фактических и рассчитанных результатов. Поэтому
после составления первого варианта модели процесс
продолжает исследоваться для того, чтобы установить
лучшее соответствие между моделью и реальным про-
цессом, т. е. с целью оптимизации модели. С этой целью
связанные математически параметры изменяют в любой
последовательности и полученный результат анализиру-
ют на адекватность модели научаемому объекту. Таким
образом устанавливаются взаимное влияние технологи-
ческих параметров и оптимальные варианты модели.
16
При математическом моделировании технологиче-
ских процессов часто используется принцип изоморфно-
сти математических моделей для физических явлений,
имеющих разную физическую природу. Приведем диф-
ференциальные уравнения, описывающие эти явления:
перенос количества энергии (сила трения) по закону
Ньютона
перенос тепла (тепловой поток) по закону Фурье
«=-*£;	d-б)
перенос вещества (диффузионный поток вещества) по
закону Фика
(1-7)
dx	'	’
перенос заряда по закону Ома
превращение вещества в химической реакции
(1-9)
количество осажденного вещества в слое
W=k .
dt
Во все эти уравнения входят соответствующие гра-
диенты: скорости w, температуры Т, концентрации с,
напряжения U и др. Следовательно, при введении со-
ответствующих пересчетных коэффициентов любое явле-
ние можно смоделировать переносом электричества. На
принципе аналогий различных явлений основана работа
аналоговых ЭВМ, позволяющих моделировать техноло-
гические процессы различной природы. Виды матема-
тических моделей определяются конкретнымДусловиями
проведения технологического процесса / производства
в целом.	X,
В моделях с распределенными парХдет^^мйдсновные
переменные процесса изменяются э<1.;времени в про-
2—844	,	/^/ Би- \ A 17
Странстве. Они описываются уравнениями в частных
производных. В моделях с сосредоточенными параметра-
ми основные переменные изменяются только во времени.
Они описываются обыкновенными дифференциальными
уравнениями.
При изготовлении ИМС в процессе создания той или
иной структуры изделия необходимо осуществить взаи-
мосвязь технологических параметров, составить модель
установившегося технологического процесса (статическое
моделирование) или неустановившегося во времени, на-
пример, при переходе от одного режима к другому (ди-
намическое моделирование). Для составления статиче-
ской модели процесса необходимо проанализировать
физико-химическую сущность, целевое назначение, ос-
новные уравнения и особенности данного процесса. Она
строится с учетом проявления всех влияющих техноло-
гических факторов. Для составления динамической мо-
дели находится взаимосвязь всех основных переменных
при изменении их во времени. Эти характеристики на-
ходятся теоретическим или экспериментальным путем.
Экспериментальное получение характеристик модели
связано с получением информации на выходе процесса
при внесении возмущения на его входе или другом ме-
сте и изучением прохождения этого возмущения через
весь объект.
Полная математическая модель технологического
процесса включает характеристику основных технологи-
ческих факторов процесса, связи между этими фактора-
ми, ограничения на процесс, критерии оптимальности,
функции оптимальности связи между основными техно-
логическими факторами в динамике. На рис. 1-7 пред-
ставлены схема проведения математического моделиро-
вания и результаты каждой стадии процесса модели-
рования.
Рассмотрим основные стадии процесса математиче-
ского моделирования.
Постановка задачи — возможно, наиболее
важная стадия, поскольку не существует общих пра-
вил, которые были бы полезны во всех случаях. Пробле-
мы производства ИМС настолько разнообразны, что для
успеха анализа необходимо точно установить граничные
условия для данной конкретной задачи. Правильная
постановка задачи определяет не только ее цель, но и
пути решения. Общая схема формализации задач ана-
18
лиза технологического процесса сводится к выбору не-
которых систем технологических параметров и (или)
некоторых систем функций. Чтобы отдать предпочтение
тому или иному параметру или функции, необходимо:
во-первых, четко определить характеристики показателя
качества изделия или, как говорят, выбрать критерий
качества изделия, на достижение которого направлен
данный технологический процесс и, во-вторых, выяснить
условия работы нашей технологической системы и выте-
I’uc. 1-7. Принципиальная схема исследования и моделирования тех-
нологического процесса изготовления ИМС.
2*	19
кающие из этих условий ограничения, которым должны
удовлетворять искомые параметры и характеристики.
Во многих классах технологических задач показатель
качества изделия при определенных граничных условиях
можно выразить через параметры технологического про-
цесса или, как говорят, через параметры управления.
Граничные условия, которым должны удовлетворять
искомые параметры, записываются в виде соответствую-
щих уравнений или (и) неравенств. Решение этих урав-
нений позволяет определить область экстремальных зна-
чений этих функций, к чему чаще всего направлены
усилия исследователя технологических процессов.
Изучение теоретических основ процес-
са— это определение физико-химических законов и за-
кономерностей, которым подчиняются явления, лежащие
в основе технологического процесса. Теоретические
основы изучаются по опубликованным и (в случае их
отсутствия) экспериментальным данным. Если не удает-
ся создать удовлетворительную теорию процесса, то
прибегают к рабочим гипотезам и постулатам, справед-
ливость которых проверяется сравнением результатов
решения математической модели, построенной на их ос-
нове, и эксперимента. Таким же путем определяется,
какая из рабочих гипотез лучше отражает сущность изу-
чаемых явлений, и выявляются доминирующие техно-
логические факторы.
Построение модели процесса заключается
в составлении математических уравнений, соответствую-
щих его физической модели. На основе ясного понима-
ния процесса составляется алгоритм его решения.
На этом этапе проводят упрощение уравнений, опу-
ская из рассмотрения недоминирующие факторы или
заменяя их соответствующими константами. Благодаря
этому иногда удается исключить из рассмотрения целый
ряд уравнений и значительно упростить модель. Когда
уравнения составлены, находится метод их совместного
решения. Для этого составляется поточно-информацион-
ная диаграмма (схема связей отдельных стадий техно-
логического процесса). Она строится таким образом,
чтобы отчетливо видеть использование каждого урав-
нения, цель определения каждой переменной (каждого
фактора) и внутренней связи между ними. Примеры
приведены ниже для математических моделей различных
технологических процессов. Такая схема дает логиче-
20
скую причинно-следственную связь в реальной физиче-
ской системе и ясную картину предполагаемого меха-
низма изучаемого явления. Иногда эта схема может
помочь обнаружить новые связи между переменными,
которые не были очевидны при определении доминирую-
щих факторов технологического процесса. В последние
10—15 лет для решения уравнений модели широко
используются ЭВМ. Произошло упорядочение машин-
ных языков, благодаря чему ЭВМ стали доступны ин-
женеру-технологу, если он смог преодолеть трудности
построения и анализа математической модели про-
цесса.
Глава вторая
МЕТОДЫ АНАЛИЗА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
ПРОИЗВОДСТВА ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМ
2-1. Технологический процесс как большая система
В процессе производства ИМС на различных этапах
технологического процесса изделие подвергается воздей-
ствию чрезвычайно большого числа факторов, при-
чем степень их влияния различна, а совместное дейст-
вие их приводит к большому разбросу электрофизиче-
ских параметров изделий.
Для каждого процесса (например, вакуумного напы-
ления, эпитаксии, диффузии и др.) таких факторов
может быть несколько десятков, а в течение всего про-
цесса изготовления изделие (интегральная схема) мо-
жет подвергаться воздействию нескольких сотен техно-
логических факторов. Поэтому анализировать весь тех-
нологический процесс (ТП) возможно только на основе
системного подхода с применением ЭВМ. Основным по-
нятием при этом является понятие «большая система»,
в нашем случае «большая технологическая система»,
т. е. совокупность происходящих физико-химических
процессов, объектов обработки и средств для их реали-
зации.
В виде большой системы можно представить любой
технологический процесс, схематически это представле-
но на рис. 2-1. Здесь: Х(; /г; .Яд —входы системы:
подложки, испаряемые материалы, диффузанты и т. д.;
У}', Уг; Уп — выходы системы: параметры интеграль-
ной схемы или ее части; 7е, 7г\ ..7п— контролируе-
21
мые и управляемые факторы: температура подложек,
давление в камере, расход газа и т. д.; оц;	wn —
неконтролируемые факторы, оказывающие случайное
возмущающее воздействие на процесс.
Одной из основных целей исследования технологиче-
ских процессов, анализа существующих и синтеза новых
технологий является решение задач оптимального
управления технологическими процессами. Существуют
Влирющие технологические ракторы
Факторь/, возмущающие
технологи, ческий. процесс
Рис. 2-1. Схематическое изображение технологического процесса как
некоторой системы.
X i — выходы системы; Yi — выходы системы; Zi — контролируемые и управ-
ляемые факторы; — неконтролируемые факторы, оказывающие случайные
возмущающие воздействия на процесс.
три пути решения этих проблем: первый состоит в ис-
следовании физико-химических особенностей процессов
с целью установления вида взаимозависимостей различ-
ных параметров, второй в статистической обработке ре-
зультатов наблюдений и нахождении таким образом
уравнений, описывающих интересующие нас явления.
И, наконец, третий путь (компромиссный) наиболее
рациональный, состоит в учете физико-технологических
особенностей процесса, определении вида зависимостей,
которые затем уточняются и конкретизируются при по-
мощи статистического анализа.
Технологические процессы изготовления радиоэлек-
тронной аппаратуры и, в частности, интегральных схем
22
обычно настолько сложны, что наиболее целесообразно
их изучать с помощью экспериментально-статистических
методов, позволяющих выявить наиболее существенные
технологические факторы, определить характер их влия-
ния на качество изделия и построить модель исследуе-
мого процесса.
2-2. Элементы дисперсионного анализа
технологических процессов
Одним из первых шагов в использовании методов
математической статистики для исследования техноло-
гических процессов был дисперсионный анализ.
Таблица 2-1
Данные эксперимента для однофакторного
дисперсионного анализа
Уровни фактора	Результаты наблюдений						Суммы	Средние арифме- тические значения
	1	2		п		tn		
1		А-12		Х1П	• . .	Xlmt	H M 3 - * a	Xx
2		А 22	. . ,	2Л	. . .	Хзт3	a K	! II M 3 Й	1	Хг
								
i		Xlt	. . .	Хщ	- . .	Xitnt	2^ H = 1	Xi
-			• . .				. . .	
/	*/1	х1г	. . .			Ximt	tn ^Xln n = l	Xi
—	—	—	—	—	—		m I 2 3*» /1=1 1=1	X
23
Очень часто перед исследователем стоит задача, уста-
новить какие технологические факторы и в какой мере
оказывают влияние на качество изделия. Для этого,
исследуя технологический процесс, изменяют значения
изучаемых факторов и фиксируют полученные в резуль-
тате экспериментов параметры изделия. Однако кроме
изучаемых и контролируемых факторов на параметры
изделия оказывает воздействие также множество не-
учитываемых случайных факторов. В результате полу-
чается целый ряд значений параметров изделий. Дис-
персионный анализ и состоит в оценке отношения дис-
персии, связанной с действием исследуемых факторов
52л (или фактора) к остаточной дисперсии S2^, обуслов-
ленной техникой эксперимента.
Для удобства анализа полученные эксперименталь-
ные данные сводятся обычно в таблицу. •
Так, для однофакторного дисперсионного анализа
таблица будет иметь следующий вид (табл. 2-1).
Здесь X— оценка среднего арифметического значе-
ния по всем п наблюдениям
„	SSA
S‘a = ^<	(2-1)
S\=1^T’	(2-2)
где
/	‘ ч 2
t /3	s
CO	I n=1	«=1	I	„
“ Smi I "ч/	/ ;	(2-3)
;=i	\	/
Сравнение Ss4 и производится с помощью
терия Фишера
F
Расч £2 •
F-кри-
(2-5)
24
Если Ерасч^Атабл [для данных q, %, И	1):
и2= (п—1)], можно сделать вывод, что изучаемый тех-
нологический фактор оказывает влияние на качество
изделия.
Для многофакторного процесса дисперсионный ана-
лиз позволяет оценить дисперсии, вызванные каждым
фактором в отдельности, и определить уровень влияния
изучаемых технологических факторов на выходные па-
раметры изделия.
2-3. Элементы регрессионного и корреляционного
анализа
Дисперсионный анализ дает возможность ответить
на вопрос, влияет или не влияет изучаемый фактор
(факторы) на параметры изделия, но он не позволяет
определить ни степень этого влияния, ни характер его.
Для решения последних вопросов исследователь может
использовать корреляционный и регрессионный ана-
лизы.
Очень часто при изучении сложных технологических
процессов трудно или невозможно расшифровать меха-
низм тех или иных явлений, происходящих при изготов-
лении изделия. В этом случае зависимость
Y=f(Xi; Х2; ...; Хп)	(2-6)
удобно представлять в виде уравнения регрессии
k	k
y=60+2&zx;+£ адх/+2^х’г + ... (2-7)
/=1	М/	/=1
Записывая зависимость между У и X в виде (2-7),
исследователь интерпретирует коэффициенты полинома
bv, bi:j; Ьц ... как коэффициенты ряда Тейлора, т. е.
значения частных производных в точке, вокруг которой
производится разложение неизвестной функции
bi = df/dxi; bij — d2f!dxidxj;
bu^d2f/dx2i.	(2-8)
Методика определения коэффициентов регрессии из-
ложена в специальной литературе. Часто при исследо-
вании технологических процессов бывает достаточно
ограничиться линейной аппроксимацией функции (2-5) •.
Y=bq + biX\ + &2Х2+  •• ~\-ЬпХп. (2-9)
В этом случае оценить коэффициенты регрессии
можно по результатам экспериментов в двух точках
ь1 = -^г.	<2-10)
4J Л I
Регрессионный анализ применим лишь при условии,
если независимую переменную X можно считать неслу-
чайной величиной.
Нахождение же связи между случайными величи-
нами является задачей корреляционного анализа. При
этом устанавливается не только форма корреляционной
связи, т. е. находится уравнение регрессии, но и оцени-
вается теснота корреляционной связи. Чем меньше доля
остаточной дисперсии S2R в общей дисперсии 32у, тем
сильнее связь между У и X. Силу связи принято харак-
теризовать корреляционным отношением
6 = /!^,	(2-Ц)
где
t — число коэффициентов в уравнении регрессии.
Чем больше 0, тем сильнее связь, при 0=1 можно го-
ворить о функциональной зависимости между парамет-
рами.
2-4. О применении планирования эксперимента
в технологии интегральных микросхем
Значительные изменения в методике исследования
технологических процессов произошли с развитием и
внедрением идей планирования эксперимента, где под-
разумевается использование и тесное взаимодействие
дисперсионного и регрессионного анализа.
В этом случае задача также состоит в нахождении
уравнения регрессии (2-9), связывающего параметры
изделия У и технологические факторы Хц Х2; ...; Хп-
Однако получение такого математического описания
для сложных технологических процессов требует значи-
тельных затрат и постановки большого числа опытов.
Поэтому при планировании экспериментов ставится за-
дача повысить эффективность исследований, получить
при минимально возможном числе опытор наибольшее
26
Рис. 2-2. Расположение уровней
варьирования факторов в двух-
факторном и в трехфакторном
экспериментах.
количество информации
об изучаемом процессе
для описания его с наи-
большей точностью. По-
пробуем кратко описать,
каким образом решается
эта задача оптимизации
процесса исследования.
Хорошо известно, что
оценка влияния какого-
либо фактора на выход-
ной параметр тем точнее
при данной ошибке экс-
перимента, чем больше
исследуемая область. Од-
нако в реальных условт
ях исследователь часто не
может сколь угодно уве-
личивать интервалы варь-
ирования независимыми
переменными Xi, что от-
рицательно сказывается
на точности оценки ис-
следуемых зависимостей.
Используя многомерное
пространство, можно уве-
личить исследуемую область, не увеличивая интерва-
лов варьирования по каждой переменной. Так, если ис-
следователь имеет дело с двумя переменными и каждую
из них варьирует на двух уровнях —1 и +1 (рис. 2-2,а),
то экспериментальные точки располагаются в вершинах
квадрата.
Радиус окружности, описывающей исследуемую об-
ласть, равен 1/2. При трех независимых переменных
экспериментальные точки находятся в вершинах куба
(рис. 2-2,6). Радиус сферы, охватывающей исследуемую
область, здесь равен уже )/3. При пяти одновременно
исследуемых независимых переменных этот радиус воз-
растает до У 5 и т. д.
Таким образом, с ростом числа одновременно иссле-
дуемых факторов растет радиус исследуемой области и
повышается точность оценки влияния каждого из факто-
ров на выходной параметр, причем с увеличением числа
27
изучаемых технологических факторов возрастает и эф-
фективность многофакторного эксперимента.
Теория планирования эксперимента предоставляет
исследователю методику построения оптимальных пла-
нов исследования. Теория планирования эксперименте!
подробно изложена в специальной литературе. Здесь
будет приведен лишь пример построения плана исследо-
вания.
План эксперимента, определяющий расположение
экспериментальных точек в К-мерном факторном про-
странстве, обычно задается в виде матрицы планирова-
ния, где в строчках определены условия опытов,
а в столбцах — значения независимых переменных в раз-
ных опытах.
Простейшее описание исследуемого процесса в виде
линейного уравнения регрессии
k
у = b„ V bi х;	bijXiX]	(2-13)
<=i	;=/
может быть получено варьированием каждого из фак-
торов на двух уровнях, отличающихся от базового
уровня X*i на величину шага варьирования ±АА\. При
составлении плана исследования проводится преобразо-
вание независимых переменных X, в безразмерные пе-
ременные
_,х1-х*1
‘	' &Xi
(2-М)
что дает возможность легко построить матрицу плани-
рования и упрощает обработку результатов исследо-
вания
xi= + l; 0; —1.
Таблица 2-2
Матрица планирования для двух исследуемых
технологических факторов
Номер опыта	План			XtXi	Результаты опытов у
		Xi	Xi		
1	+1	—/	- -1	+1	Ух
2	+1	+1	—/	—1	Уг
3	+/	—1	+/	—1	У,
4	+1	+1	+/	+1	yt
28
Матрица планирования для двух исОЛеДуемЫх Тех-
нологических факторов приведена в табл. 2-2.
Как видно, здесь все возможные комбинации исчер-
пываются постановкой четырех опытов.
Фиктивная переменная Хо и соответствующий ей
столбец введены для оценки Ьо (2-13). Часто запись
упрощают и значения переменных на верхнем и ниж-
нем уровне записывают символами ( + ) и (—).
Матрица планирования для трех технологических
факторов тогда будет иметь вид табл. 2-3.
Таблица 2-3
Как видно, для трех независимых переменных, варь-
ируемых на двух уровнях, все комбинации реализуются
при постановке восьми экспериментов.
После выполнения опытов определяются коэффици-
енты bu; b^; b2 и т. д. и находится уравнение регрессии
(2-13). При этом обработка результатов экспериментов
производится определенными стандартизованными прие-
мами, что дает возможность сопоставлять материалы
различных исследований.
2-5. Задача оптимизации технологических процессов
Нахождение математического описания или модели
является основным этапом оптимизации технологическо-
го процесса, общую схему которой можем представить
следующим образом.
29
1.	Выбор критерия оптимальности — того выходного
параметра, который кладется в основу оценки техноло-
гического процесса. Это может быть процент выхода
годных ИМС, их себестоимость и т. д.
Исследованием технологического процесса не только
надо добиться наилучшего значения выбранного выход-
ного параметра, но необходимо соблюсти определенные
требования при проведении технологического процесса
(ограничения по технологическим режимам, по технике
безопасности и т. д.), а также поддержать определен-
ный уровень показателей качества изделия. Поэтому
при формировании задачи помимо выбора критерия
оптимальности устанавливаются также ограничения,
налагаемые на исследуемый процесс. Эти ограничения
могут быть записаны в виде зависимостей типа
=	(2-15)
Zi<b. J
2.	Исследование технологического процесса и нахож-
дение математического описания, определяющего зави-
симость критерия оптимальности от технологических
факторов (2-6).
3.	Анализ полученных зависимостей и определение
оптимальных условий проведения технологического про-
цесса.
Перечисленные выше задачи решаются на этапе про-
ектирования технологического процесса. В производст-
венных условиях может происходить изменение некото-
рых из входных переменных Xt; Х2; ..Хп, технологи-
ческий процесс подвергается действию неконтролируе-
мых возмущений. Поэтому найденные на этапе проекти-
рования оптимальные режимы становятся уже неопти-
мальными. Чтобы иметь возможность вести процесс при
наиболее благоприятных режимах, необходимо продол-
жить исследование технологического процесса и в про-
изводственных условиях.
ЧАСТЬ ВТОРАЯ
ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ТЕХНОЛОГИИ
ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМ
Глава третья
ОСНОВЫ ТЕОРИИ ОСАЖДЕНИЯ СЛОЕВ МЕТОДАМИ
ВАКУУМНОГО ИСПАРЕНИЯ И КОНДЕНСАЦИИ
3-1. Слои и пленки для интегральных микросхем
Поскольку интегральную схему можно рассматри-
вать как слоистую твердотельную структуру, слои кото-
рой выполняют определенные электронные функции, то
становится понятным, какое большое значение приобре-
тают вопросы технологии создания таких слоев.
Различные методы получения слоев1 проводящих,
диэлектрических, полупроводниковых, магнитных и дру-
гих материалов нашли широкое применение в технологии
ИМС. Многие из этих методов часто являются наи-
более эффективными, а иногда и единственно возмож-
ными для создания слоев заданного состава, кристал-
лической структуры и конфигурации. Поэтому в данной
книге вопросам теории и практики осаждения слоев уде-
лено много внимания.
Процессы получения слоев можно рассмотреть с еди-
ных термодинамических позиций независимо от того, из
какой фазы осаждаются слои: паровой, жидкой или
* В технической литературе широкое распространение получил
термин «пленка». По нашему мнению, термин «слой» более подхо-
дит для описания тех структур, которые используются в интеграль-
ных схемах. Пленка является отдельной фазой, тогда как слой
может быть гомофазпым (эпитаксиальный слой, диффузионный
слой и т. д.). Тем не менее, следуя общепринятой терминологии,
Мы будем использовать оба этих термина.
31
твердой. При термодинамическом анализе важно то, ка-
кой процесс лежит в основе получения слоев: испарение
и конденсация, химическое (из паровой, жидкой или
твердой фаз) или электрохимическое осаждение и т. п.,
а не техника его осуществления.
Наиболее распространенными процессами осаждения
слоев в технологии ИМС являются те, которые исполь-
зуют парогазовую фазу для их формирования. Жидкая
фаза чаще всего используется как растворитель, т. е.
для проведения процесса, обратного осаждению.
3-2. Некоторые понятия термодинамики
Термодинамика как раздел математической физики,
в основе которого'лежат два закона (первый и второй
законы термодинамики), изучает равновесие и направле-
ние самопроизвольно протекающих процессов в системах
взаимодействующих макроскопических тел. Вследст-
вие того что свойства систем и характер физико-хими-
ческих процессов в технологии интегральных схем опре-
деляются взаимодействием больших ансамблей атомов
(или молекул), термодинамика является одной из осно-
вополагающих наук, используемых при исследовании
технологических процессов. Применение термодинамиче-
ского метода при анализе физико-химических процессов,
используемых в технологии интегральных схем, оказа-
лось весьма продуктивным.
Классическая термодинамика используется для опи-
сания систем, претерпевающих равновесные (обрати-
мые) изменения. При этом определяется только воз-
можное (разрешенное) направление процесса, но не
скорость и не атомарный1 механизм этого процесса.
Скорость и механизм процессов изучаются физико-хи-
мической кинетикой с использованием методов статисти-
ческой механики.
Поскольку большинство реальных процессов в тех-
нологии ИМС являются неравновесными, то применение
уравнений термодинамики к ним служит лишь отправ-
ной точкой для их анализа.
Рассмотрение реальных процессов в технологии ИМС
становится возможным только на основе термодинами-
• Здесь и далее под словом «атомарный» мы будем иметь
в виду и молекулярный уровень, не подчеркивая различие этих по-
нятий.
32
ки необратимых процессов, т. е. таких, которые не воз-
вращают систему к равновесному состоянию. Примером
необратимых процессов служат диффузия и ионное
внедрение.
Система, фаза и параметры состояния. Совокупность
частиц, являющихся носителями тепловой энергии и на-
ходящихся в энергетическом взаимодействии между со-
бой и внешней средой, называется термодинамической
системой. Термодинамические системы бывают гомоген-
ными (однофазными) и гетерогенными (многофазными).
К первым относятся такие системы, свойства которых
изменяются непрерывно в объеме, занимаемом систе-
мой. В гетерогенных системах всегда имеются части
(фазы), свойства которых изменяются скачкообразно
при переходе от одной фазы к другой. Примером гомо-
генной системы могут служить монокристаллы, жидкие
и твердые растворы, смеси газов и т. п. Двух- и более
фазные системы: жидкость — твердое тело, пар — твер-
дое тело и т. п. являются гетерогенными.
При испарении и конденсации приходится иметь де-
ло с системой конденсированная фаза (жидкая или
твердая) —пар; при травлении (растворении) —твердое
тело — жидкость, следовательно, с гетерогенными систе-
мами, состоящими из двух фаз.
Фазой называют однородную часть системы, отде-
ленную от других частей границей раздела, на которой
скачкообразно меняются структура или свойства веще-
ства.
Следует указать еще на одно понятие термодинами-
ки — компонент. Компонентами называются вещества,
образующие фазы данной системы.
Если, сравнив состояние термодинамической системы
в два различных момента времени, мы найдем различие
в макроскопических свойствах системы, то можно
утверждать, что за время между этими наблюдениями
имел место процесс.
Всякие изменения, происходящие в системе (измене-
ние температуры, давления, состава фаз и др.), сопро-
вождаются изменением ее энергетического состояния,
которое может заключаться в переходе энергии от сре-
ды к системе или, наоборот, от системы к среде или
в обмене энергиями между частями системы. Если си-
стема изолирована от внешней среды, то все изменения
3—844	33
энергии заключаются в ее обмене между фазами и
переходе из одной формы в другую.
Для характеристики энергетического состояния си-
стемы применяются разные термодинамические функ-
ции: внутренняя энергия U, энтальпия Н, изобарный
потенциал (свободная энергия Гиббса) G, изохорный
потенциал (свободная энергия Гельмгольца) F. Опреде-
ление этих функций и связь между ними рассматри-
ваются во всех курсах химической термодинамики, к ко-
торым рекомендуется обратиться при недостаточном
знакомстве с вопросом. Эти функции выражают зависи-
мость свойства системы от различных параметров 'со-
стояния: давления Р, температуры Т, энтропии S.
По определению термодинамических функций сво-
бодная энергия Гиббса (изобарный потенциал) равна:
G = U—TS + PV;	(3-1)
dG=dU....-TdS—SdT+PdV+VdP,	(3-2)
поскольку
dU = dQ—PdV=TdS—PdV,	(3-3)
где dQ — изменение количества тепловой энергии в си-
стеме, то отсюда следует:
dG = — SdT+VdP.	(3-4)
При 7 = const
dG=VdP	(3-5)
для идеального газа
1/ = -^-’	(3'6>
тогда
с,	р
^dG~^RT-~-	(3-7)
GJ
или после интегрирования
G-G0 = RT In^-,	(3-8)
’ о
где Go, Ро — изобарный потенциал и давление соответ-
ственно в состоянии, принятом за стандартное.
34
Для систем, число компонентов в которых больше
одного, вводится понятие химического потенциала ком-
понента. В этом случае
п
dG=- SdT + VdP+^ dxr,
f=i 4
(3-9)
или
dG = - SdT + VdP + 2	.	(3-10)
i=i
Аналогично уравнению (3-8) для химического по-
тенциала (у.) компонента газовой смеси будем иметь:
R — р.0,- = RT In	(3-11)
где Pi — парциальное давление; p/о и Pai — химический
потенциал и давление компонента i, принятое за стан-
дартное.
В условиях равновесия фаз химические потенциалы
компонентов в них равны.
3-3. Термодинамика и кинетика процессов испарения
Движущей силой любого процесса является величи-
на свободной энергии G (или работа), которую нельзя
получить из системы, находящейся в равновесии, так
как при этом отсутствует самопроизвольное смещение
системы в каком-либо направлении. Поэтому в услови-
ях равновесия изменение свободной энергии равно нулю.
Из курса физики известно, что способность газа про-
изводить работу повышается с повышением его давле-
ния. Математически для обратимых процессов, которые
мы рассматриваем, это выражение соответствует урав-
нению (3-8).
В случае рассмотрения процессов испарения и кон-
денсации (система конденсированная фаза —пар) роль
давления играет давление насыщенного пара вещества,
а в случае рассмотрения химических реакций — парци-
альные равновесные давления компонентов реакции.
3*	35
Рис. 3-1. Зависимость
давления насыщенного
пара вещества от темпе-
ратуры.
смотреть зависимость
Из уравнения (3-8) можно за-
ключить, что движущей силой
процесса переноса вещества при
испарении и конденсации являет-
ся различие в давлении насыщен-
ных паров переносимого вещест-
ва над источником испарения и
подложкой (конденсатом).
Этого различия можно до-
биться за счет различной темпе-
ратуры испарителя и конденса-
тора. Для этого необходимо рас-
давления насыщенных паров ве-
ществ от температуры.
Давление насыщенного пара вещества, а точнее, его
зависимость от температуры является физическим свой-
ством вещества, характеризующим различие сил меж-
молекулярного взаимодействия вещества в паре и кон-
денсированной фазе. Математически эта зависимость
выражается уравнением Клаузиуса—Клайперона:
dP ЬНпса
dT — Г (Vn —V,K) ’
(3-12)
где iA/Уисп—теплота испарения; Vn и V®— молекуляр-
ные объемы пара и жидкости соответственно.
Поскольку Кда-сКп и Va — RTjP, то, проведя соот-
ветствующие преобразования и проинтегрировав, полу-
чим:
1пР=-у-+В,	(3-13)
где Л = Д/7ИСП/Я; В — константа.
Более точно, с учетом изменения теплоемкости пара
значения Р приводятся в справочниках физико-химиче-
ских величин в виде функций
1пР = Л7'-1 + В1ё7'+С7'+Д.	(3-14)
Второй и третий члены этого уравнения при низких
давлениях малы, поэтому их значениями обычно прене-
брегают.
На рис. 3-1 приведен пример зависимости давления
насыщенных паров вещества от температуры в коорди-
натах 1пР—1/Г.
36
Теплота испарения Д//Исп характеризует, какую
энергию надо затратить на превращение одного моля
жидкости в пар. Если из этой величины вычесть энер-
гию RT, которая тратится на расширение одного моля
жидкости при переходе его в пар, то получим величину
энергии испарения
ЛЕисп=ДДисп—RT.	(3-15)
Учитывая приведенные выше соотношения, нетрудно
видеть, что давление насыщенного пара можно предста-
вить в виде
Р = Вехр(-	(3-16)
Из кинетической теории газов известно, что величина
—kfl представляет собой вероятное число мо-
лекул, обладающих энергией ДДИСП, достаточной для
того, чтобы покинуть конденсированную фазу.
Таким образом, перенос вещества при испарении и
конденсации осуществляется за счет различия давления
насыщенных паров вещества при температурах испаре-
ния и конденсации (т. е. источника и подложки). Дви-
жущая сила этого процесса определяется из уравнения
(3-8);
Когда мы рассматриваем процесс переноса вещества,
то имеем в виду переход системы от одного состояния
равновесия к другому, т. е. отсутствие равновесия, и,
следовательно, можем говорить о кинетике и механизме
этого перехода. Таким образом, от термодинамики про-
цесса мы переходим к его кинетике.
Из кинетической теории газов известно, что число
молекул газа N, соударяющихся за единицу времени
с единицей площади плоской поверхности, при давле
нии газа в системе, равном Р, и температуре Т равно;
N = у?  .	(3
V О-ктЫ'
где т — масса молекул; k — постоянная Больцмана.
Если под Р понимать давление насыщенного пара
испаряемого вещества при температуре Т, то N харак-
теризует число соударений молекул (атомов) испаряе-
мого вещества с единицей поверхности.
37
Формула (3-17) выведена для условий, когда длина
свободного пробега молекул пара (или газа) значи-
тельно больше характерного размера вакуумной каме-
ры, например диаметра. Длина свободного пробега X
определяется из уравнения
л= —4т=,
Kd'n К 2
(3-18)
где d — сумма радиусов сталкивающихся частиц; п —
концентрация частиц в вакуумном пространстве.
Средние величины свободного пробега для молекул
газа воздуха в зависимости от давления в рабочем объе-
ме камеры приведены ниже.
Давление, Па		133 000	13,3	1,33	0,133	0,0133	0,00133	0,000133
Давление, мм рт. ст. Длина свободного дро-	Юз 7,2-10-в	10-<	10-о	10-а	10-*	10-»	10-»
бега, см			0,0547	0,547	5,47	54,7	547	5470
	Jy		 a (Ру — Pk) (2nMRT)1/2					(3-19)
Основным уравнением, описывающим скорость испа-
рения и конденсации, является уравнение Герца—Кнуд-
сена:
где Pv и Ph — давление насыщенных паров при темпе-
ратуре поверхностей испарения и конденсации соответ-
ственно; М — молекулярная масса вещества; R — газо-
вая постоянная; а — коэффициент испарения; Т — темпе-
ратура испарения.
Для испарения или конденсации, осуществляемой
в среде (или потоке) инертного газа, будет равно:
(3-20)
где у — мольная доля испаряемого вещества в газовой
фазе; Dv — коэффициент диффузий в паровой фазе; z —
расстояние между поверхностями, испарения и конден-
сации.
Решая уравнение (3-20) для случая одномерной диф-
фузии, получаем:
__i_
2
Л =-----a(PP-Pfe)(2*W)-------	(3.21)
р+М2^/?7-)~Т](г~да)У?/
38
Для высоких температур и давлений, когда Dv и А
малы, уравнение (3-21) становится простым диффузион-
ным уравнением Лангмюра
.	(3-22)
2i\l
При низких давлениях знаменатель уравнения (3-21)
становится равным единице и получается уравнение
(3-19).
Основную задачу теории испарения можно свести
к нахождению величины а и ее зависимости от различ-
ных факторов. Несмотря на большое число исследова-
ний, пока не удается дать достаточно строгую харак-
Та блица 3-1
Величина а для свободного”испарения Ро-»0 и полной
конденсации Р*£-»0
Вещество	Физическое состояние испаряемого вещества	Температура испарения, °C	“о	ak <PV - 0)
Ag	Пл П М (111) (ПО) (100)	192 814 736—811 902 761—780	1,00 0,98—1,00	1,00 1,00 0,95—1,03 1,01 1,00
Cd	Пл п	20 200	1,00 1,00	—
Zn	п	68	0,96	—
Au	Пл	800	1,00	—
W	Пл	600—1900	1,00	—
Be	П	900—960	0,8	—
Cu	Пл П	775—1065 870—1020	—	1,00 1,00
Fe	п	1140—1310	—	1,00
Gr	п	1010—1240	—	1,00
A12O3	п	2020	—	0,1
S ALN	М (111) п	972-1060 1240—1580	—	0,8 0,05
Примечание. М — монокристалл; Пл—пленка; П—поликристалл.
•39
Рис. 3-2. Распределение
интенсивности (указано
стрелками) потока паров
для точечного источника
паров.
/ — источник паров: 2 — под-
ложка; ф — угол между нор-
малью к поверхности ПОД-
ЛОЖКИ и направлением пото-
ка паров.
теристику коэффициенту а. Ре-
зультаты большинства исследо-
ваний последнего времени пока-
зывают, что он равен или мало
отличается от единицы. В табл.
3-1 приведены коэффициенты ис-
парения а для ряда веществ,
используемых в технологии ИМС.
Важным законом при испаре-
нии является закон косинуса, ко-
торый выводится из элементар-
ной кинетической теории газов и
является эквивалентным закону
Ламберта в оптике. Этот закон
устанавливает, что поток испа-
ряющихся молекул J(ra при рас-
стояния г0 от диффузионного ис-
точника испарения прямо про-
порционален cos д
(3’23)
где dA — элемент поверхности испарения; <р— угол меж-
ду направлением движения молекулы от источника и
нормалью к его поверхности (рис. 3-2); Jv — поток по
нормали к поверхности конденсации.
3-4. Термодинамика и кинетика испарения сплавов
Поскольку многие физические свойства пленок очень
чувствительны к изменению их состава, то для получе-
ния слоев с заданными свойствами часто используется
испарение веществ, состоящих из двух или более ком-
понентов. Даже так называемые чистые пленки следует
рассматривать как растворы основного компонента и
примесей, концентрация которых находится в пределах
10-3—10“ в%. Таким образом, технологам приходится
иметь дело с концентрированными и разбавленными
растворами. Анализ разбавленных растворов упрощает-
ся тем, что можно пренебречь взаимным влиянием при-
месей и рассматривать данный раствор как систему, со-
стоящую из п двухкомпонентных растворов (где п — чи-
сло примесей). В концентрированных растворах прихо-
40
дится рассматривать все возможные взаимодействия
между компонентами, что несравненно сложнее. Для
простоты мы рассмотрим только двухкомпонентные ра-
створы.
Взаимосвязь между составами жидкости и пара
в условиях равновесия описывается для растворов, под-
чиняющихся закону Рауля, соотношением
Р{ = УгРобщ = PoiXi,	(3-24)
где Рг — парциальное давление паров z-ro компонента
в растворе; Pot — давление насыщенных паров чистого
компонента i; z/,, x-t — концентрации компонента z в паре
и растворе соответственно; РОбщ — общее давление в си-
стеме.
Во многих реальных случаях более точно для термо-
динамического расчета уравнение (3-24) можно пред-
ставить в форме
Л =	(З-25)
где у,— коэффициент активности г-го компонента в ра-
створе.
Из уравнений (3-25) видно, что у, указывает, в ка
кой степени поведение компонента I отличается от зако-
на Рауля.
Растворы, которые во всем интервале концентраций
подчиняются закону Рауля [уравнению (3-24)], называ-
ются идеальными. Большинство реальных систем, осо-
бенно сплавы, с которыми приходится иметь дело в тех-
нологии ИМС, не являются идеальными. Парциальные
давления компонентов этих расплавов описываются
уравнением типа (3-25).
Поскольку Poi является величиной табулированной,
a Xi — заданной, то определение Рг- сводится к нахож-
дению уг-.
Величина у, определяется энергией межмолекуляр-
ного взаимодействия в растворе. Чаще всего уг- опреде-
ляется экспериментально как по прямым, так и косвен-
ным данным.
Уравнение для описания составов жидкости Xi и па-
ра г/, каждого компонента в реальной бинарной смеси
в условиях равновесия имеет вид:
г/1Робщ = yiPoiXi.	(3-26)
41
Наиболее важна?г величина, которая интересует нас
при испарении сплавов, — это коэффициент межфазово-
го разделения Кр. Зная его, можно легко рассчитать со-
став пара при заданном составе исходного материала.
Коэффициент межфазового разделения для двухком-
понентного сплава является отношением концентраций
компонентов в паре и жидкости и описывается уравне-
нием
или
<3-27)
1 У1 J 1
где индексы 1 и 2 относятся к первому и второму
(основному и примесному) компонентам. показыва-
ет, во сколько раз отношение концентраций компонентов
в паре отличается от этого отношения в исходном испа-
ряющемся материале.
Из уравнений (3-26) и (3-27) нетрудно видеть, что
Кр равен отношению давлений насыщенных паров ком-
понентов при данной температуре. Для идеальных спла-
вов
=	(3-28)
а для неидеальных
=	(3-29)
12 1 02
Коэффициенты активности являются эксперименталь-
ными величинами и только для наиболее простых си-
стем могут быть рассчитаны теоретическим путем из
данных о межмолекулярном взаимодействии в конден-
сированных фазах.
Чистая термодинамика бессильна определить вид
функции	Т, х), а следовательно, и КР =
— f(P, Т, х). Поэтому используют другие пути для ре-
шения этой задачи. Первый путь — экспериментальное
исследование закономерностей изменения коэффициен-
тов активности при переменных концентрациях, темпе-
ратурах и давлениях. Полученные данные при подста-
новке их в термодинамические формулы позволяют вы-
вести ряд соотношений и, таким образом, построить
42
более или менее полную термодинамику реальных си-
стем данного класса. Второй путь состоит в раскрытии
физического смысла коэффициентов активности метода-
ми статистической механики и нахождении закономерно-
стей, которым подчиняется эта величина.
Методы определения у, рассматриваются подробно
в специальной литературе по термодинамике растворов.
• Здесь мы хотим только подчеркнуть, что определение
состава пара при заданном составе исходного испаряе-
мого вещества — задача непростая и требует большого
внимания. Для этих рас-
четов недостаточно ис-
пользовать законы Рауля
и Генри, как это часто
пытаются делать на прак-
тике, так как при этом
ошибки могут достигать
сотен и тысяч процентов.
Например, согласно
закону Рауля компонент
В в расплаве, представ-
ленном на рис. 3-8,6, бу-
дет более летучим, чем
компонент А (штриховая
линия), а в действитель-
ности, наоборот, компо-
нент В будет менее летуч,
так как он связывается
Рис. 3-3. Зависимость от состава
парциальных давлений паров ком-
понентов над сплавом Ag—Pb при
температуре 1200°С.
/ — значения, рассчитанные по уравне-
нию Рауля; 2 — экспериментальные
значения.
в соединение АВ, которое
имеет другую закономерность испарения. Аналогичное
рассуждение можно провести для диаграммы состояния,
представленной на рис. 3-8,в.
Термодинамика испарения неидеальных сплавов за-
служивает внимательного рассмотрения, так как являет-
ся научной базой для анализа процессов испарения и
конденсации. Выше было показано, что испарение спла-
вов не подчиняется идеальным уравнениям Рауля. На
рис. 3-3 показаны типичные кривые зависимости парци-
альных давлений паров от состава для сплавов.
Зная исходную концентрацию конденсированной фа-
зы Xi и значения парциальных давлений (рис. 3-3), по
уравнениям (3-27) — (3-29) нетрудно вычислить состав
пара У{. По известным величинам Р, можно также опре-
делить частные значения коэффициентов активности уг
43
и их зависимость от состава. Если имеются данные, по-
добные тем, которые представлены на рис. 3-3, для ряда
температур, то можно определить и закон изменения ко-
эффициентов активности от температуры.
Поскольку коэффициент активности подчиняется тем
же закономерностям, что и приращение химического
потенциала, то, естественно, что пс нему применены урав-
нения зависимости химического потенциала от темпера-
туры и состава
Д/УизГ,- dlnrz —	^^изб , (	х	
	dxi v	
dT	RTi	
din'd 	 dP	Д'7изб . RT '	(3-31)
		
(1пуОЛР=-		(3-32)
	0	
где АЯцлб, АЕНзб — разность парциальных молярных
энтальпий и объемов в данном реальном и идеальном
растворах.
Уравнение (3-32) известно под названием уравнения
Г иббса — Дюгема.
Точное определение коэффициентов активности,
а следовательно, и данных о составе паровой фазы,
равновесной с жидкостью при заданных температурах,
давлении и составе исходной жидкости (или твердого
тела), возможно при наличии достаточно полных экс-
периментальных данных. Тем не менее в ряде случаев
используются известные соотношения, выведенные Вап-
Лааром, Скэтчардом, Кричевским и другими исследова-
телями для приближенных расчетов у,.
Наиболее удобны и просты уравнения Ван-Лаара
для бинарной системы
ln Y, = ;-х л :	(3'331
0-44)
(3 34)
44
Значения констант А и В равны предельным значе-
ниям коэффициентов активности
А = limlny,; В = liming.
Xi->0	Xi->0
На рис. 3-4 показаны типичные кривые зависимости
коэффициентов активности от состава для бинарного
сплава.
Теоретически для расчета коэффициентов А и В
в уравнениях (3-33) и (3-34) достаточна одна экспери-
ментальная точка. Естественно, что точность определе-
Рис. 3-4. Пример зависимо-
сти коэффициентов активно-
стей от состава.
ния yi повышается с увеличением числа эксперименталь-
ных данных.
Для практических расчетов процесса испарения би-
нарных сплавов удобно пользоваться диаграммами типа
х—у (рис. 3-5).
При испарении жидкости состава xt в случае равно-
весия состав пара будет соответствовать t/j.
На какой-либо подложке может реализовываться
любое значение у от К до L в зависимости от того, на-
сколько далека система
от равновесия. При кон-
денсации пара состава Xi
получим конденсирован-
ную фазу состава М=х2.
Следовательно, для дан-
ной системы при исходной
концентрации сплава Х| и
постоянной температуре
состав сконденсирован-
ной пленки может иаме-
Состоб жидкости.
Рис. 3-5. Диаграмма зависимости
составов пара и жидкости при по-
стоянной температуре.
няться в пределах от X]
до Х2 в зависимости от
сдвига равновесия.
45
Равновесные составы конденсированной фазы и пара
заметно изменяются при изменении давления. На
рис. 3-6 представлен график, выражающий зависимость
между концентрациями i-ro компонента в жидкой и па-
ровой фазах при постоянном давлении. При изменении
общего давления характер кривых на графике рис. 3-6
может заметно измениться, как это показано на рис. 3-7.
Кривые состава жидко-
сти на рис. 3-6 и 3-7 обычно
Рис. 3-7. Диаграммы равнове-
сия жидкость — пар при раз-
личных давлениях.
Рис. 3-6. Диаграмма равнове-
сия жидкость — пар при по-
стоянном давлении.
называются кривыми кипения. При низких давлениях
(в вакууме) кипения, как известно, не наблюдается, и
тогда кривые кипения можно рассматривать как кривые
зависимости составов жидкой фазы при условиях, когда
сумма парциальных давлений паров (для заданной
температуры) будет равна общему давлению паров и
газов над конденсированной фазой (в системе).
Для процессов, когда кипение отсутствует, кривые
жидкости и пара на рис. 3-6 и 3-7 рассчитываются по
уравнению (3-27) для условий, когда общее давление
над конденсированной фазой равно:
Р общ — ^Р г-
Следовательно, все приведенные уравнения и графи-
ки можно использовать и при рассмотрении процессов
испарения и конденсации в глубоком вакууме.
Для демонстрации разнообразия фазовых диаграмм
жидкость — пар на рис. 3-8 приведены возможные диа-
46
граммы состояния для систем с различным характером
взаимодействия в конденсированной фазе. Диаграммы
на рис. 3-8 показывают, как сильно отличаются реаль-
ные системы от идеальных.
Рис. 3-8. Диаграммы состояния для систем различного типа,
а —для систем эвтектического типа; б — для систем с химическим соедине
нисм; а — для систем с наличием двух жидких фаз.
----------—диаграммы, рассчитанные по уравнению Рауля:-------------—экс-
периментальные значения; —----------характер движения азеотропной точки
при изменении давления.
Расчеты, связанные с определением равновесного
состава пара, являются достаточно сложными и могут
быть выполнены при наличии целого ряда эксперимен-
тальных данных.
3-5. Состав осаждаемой пленки при испарении сплава
Рассмотрим изменение состава осаждаемой пленки
при испарении бинарных сплавов. Во время испарения
пар удаляется от поверхности испарения и конденси-
руется на холодных ча-
стях вакуумной камеры,
в том числе и на подлож-
ке. Этот процесс испаре-
ния и конденсации мож-
Рис. 3-9. Изменение состава
при испарении и конденсации
бинарных сплавов.
47
но проанализировать при помощи диаграммы равнове-
сия для бинарной системы Т—х (рис. 3-9).
Над жидкостью состава х0 поднимается пар соста-
ва i/o- Представим себе процесс, когда пар непрерывно
отводится, например конденсируется, в виде пленки.
Поскольку пар богаче более летучим компонентом, то
по мере удаления пара состав исходной жидкости пере-
двигается по кривой АхВ к точке Xi. Этот процесс будет
продолжаться до тех пор, пока жидкость не испарится
Рис. 3-10. Взаимосвязь толщины 6 и состава у при конденсации би-
нарных сплавов.
(Зависимость толщины слоя от времени испарения и состава слоя от тол-
щины.)
полностью, т. е. закончится он в точке хп- Соответствую-
щий состав пара будет уп- Если мы прекратим процесс
испарения при значении х = х2, то соответствующий со-
став всей пленки будет промежуточной величиной меж-
ду Уо и у2, например pi. Однако следует иметь в виду,
что истинный состав пленки будет меняться по опре-
деленному закону (рис. 3-10).
Рассмотрим зависимость между количеством испа-
рившегося материала и составом пленки.
В начальный момент в испарителе находится мо-
лей исходного материала состава х0. Следовательно,
количество одного из компонентов (по которому ведется
баланс) будет Loxo. За бесконечно малый промежуток
времени dx испарится dL молей, давая пар состава у.
Убыль более летучего компонента в испарителе (выра-
зим dLx) будет равна количеству компонента в паре,
образовавшемуся за время dx, которое в свою очередь
можно выразить через ydL:
ydL = dLx
(3-35)
48
или
ydL = xdL—Ldx,
dL dx
(3-36)
Это уравнение может быть проинтегрировано в пре-
делах от начального до конечного количества и состава
материала в испарителе
L	*
CdL f
(3-37)
Учитывая связь между у и х по уравнению (3-27),
уравнение (3-37) легко решить графическим путем.
Обратим внимание на то, что разность между Lo
и L есть количество конденсата
То—L = k.
(3-38)
Разделив на La, получим:
L____।_____k_
(3-39)
Величина есть отношение количеств конденсата
и исходного материала. Обозначим эту величину 2КОнд и
назовем степенью испарения. Применяя уравнения
(2-37) и (2-39), выразим зависимость степени испарения
от состава испаряемого материала
1П ( 1 2конд) — J у — х
(3-40)
L у — x '
У — х
Решение этого уравнения дает соотношение:
1п(1-г^ = ^1п	+ш^. (3-41)
где Хо их,—соответственно исходный и текущий соста-
вы в испарителе; — коэффициент разделения.
По уравнению (3-41) можно вычислить состав плен-
ки yi при любом Зконд- Только тогда уравнение (3-41)
заменяется соответствующим уравнением с учетом со-
става пара по (3-27).
Из приведенных соотношений видно, что состав
пленки изменяется. Можно определить закон этого из-
менения при известной поверхности конденсации. Обыч-
но исследуемая пленка является частью этой поверхно-
4—844	49
сти. Следовательно, зависимость 2 от х или у необхо-
димо относить к единице поверхности конденсации
-^- = 2S.	(3-42)
т, е.
С
А	. ~	°ПОДЛ
Лг _	- ZvHU fl	л
где So и Зподл—поверхность конденсации и подложки
соответственно; £иодл — количество конденсата на под-
ложке; 2s — степень испарения, отнесенная к единице
поверхности конденсации.
Окончательно уравнение (3-41) можно записать
в виде
Aj= f <3-43>
\	° подл / J У *
х0
Это соотношение дает зависимость между количест-
вом осажденной на подложке пленки /гПодл и ее соста-
вом у.
Типичный вид такой зависимости имеет характер,
показанный на рис. 3-10.
Вполне естественно, что изменение состава должно
влиять на кинетику и механизм испарения и конденса-
ции, на структуру, а следовательно, и физические свой-
ства пленки.
Рассмотрим кинетику испарения сплавов. Согласно
(3-17) и (3-25) поток молекул пара компонента в ва-
кууме выразится уравнением
г   <4fiPi,tXi
°	(Zr.MRT)'12
(3-44)
Состав осаждаемой пленки при условии полной кон-
денсации (xi-г) будет соответствовать отношению ско-
ростей испарения первого и второго компонентов
7i  «iTi^oiX, / Мг у/2
(3-45)
где Mi, М2 — молекулярная масса компонентов испаряе-
мого вещества.
Состав пленки, получаемой в результате испарения
и конденсации сплава в вакууме, зависит от величин oi
и 02, которые для раствора могут меняться по сравнению
50
с таковыми для чистых веществ. Величина Х1-2 являет-
ся также функцией скорости диффузии компонентов из
глубины расплава к поверхности испарения. Избежать
этого влияния можно только при энергичном перемеши-
вании испаряемого сплава. При испарении твердых ве-
ществ нестабильность процесса испарения вносит суще-
ственный вклад в значение концентрации испаряемого
материала и его необходимо учитывать при расчетах
состава осаждаемой пленки. Если диффузионный поток
/дйф компонента из глубины расплава к его поверхности
равен потоку испарения по условию
/ДИф = Di	= a^iPuXi	,	(3-46)
где Di — коэффициент диффузии компонента I из глу-
бины испаряемого вещества к поверхности испарения;
h — глубина диффузии, то изменение состава пленки
будет следовать уравнению (3-45). Когда диффузион-
ный поток легколетучего компонента меньше потока
испарения, пленка будет обогащаться труднолетучим
компонентом больше, чем это следует из уравнения
(3-45), а когда J№<t> больше Ji, то пленка будет обога-
щаться легколетучими компонентами.
Из приведенных соотношений видно, что состав оса-
ждаемых пленок имеет сложную зависимость от свойств
компонента расплава и характера их взаимодействия
в расплаве. Поэтому на практике для проектирования
(расчета) процесса испарения сплавов пользуются эмпи-
рическими данными, полученными для конкретных си-
стем и аппарата. Анализировать эти данные с позиций
рассмотренной теории можно только для построения
определенных закономерностей или моделей испарения
используемых сплавов.
В качестве примера можно привести данные по осаждению
пермаллоевых пленок в вакууме.
Сплав состава 83,4% Ni; 16,6% Fe испарялся при температуре
1600°С. Давления насыщенных паров чистых Ni и Fe при этой тем-
пературе равны соответственно 37,3-Ю-3 и 18,9-Ю-3 Па. Если бы
сплав подчинялся закону Рауля (т. е. был бы идеальным раство-
ром), то пленка имела бы состав 62% Ni и 38% Fe. В реальных
опытах средний состав пленок был 81,5% Ni и 18,5% Fe.
Таким образом, хотя и наблюдается некоторое обогащение
пленки железом, оно выражено значительно слабее, чем можно
было бы ожидать для идеального раствора.
Эти данные служат лишь количественной иллюстрацией от-
клонения процессов испарения от закона Рауля. Они недостаточны
4*	51
для оценки значений коэффициентов испарения и коэффициентов
активности.
Чтобы избежать изменения состава сплава при испа-
рении, применяют методы мгновенного (взрывного)
испарения или испарения чистых исходных компонентов
сплава из разных испарителей. Эти методы имеют свои
недостатки. Испарение сплавов имеет ряд несомненных
преимуществ перед другими методами: простота аппара-
турно-технологического оформления процесса, возмож-
ность плавного регулирования условий зарождения и
роста слоев. Однако трудности, связанные с поддержа-
нием заданного состава пленки, бывают очень большими.
3-6. Метод ионно-плазменного (катодного) распыления
Ионно-плазменным распылением (ИПР) материалов
называют процесс, в котором мишень из материала, ко-
торый надо распылить, бомбардируется быстрыми ча-
стицами (обычно ионами газа), в результате чего с ее
поверхности выбиваются атомы, осаждающиеся на рас-
положенные вблизи твердые поверхности (подложки).
Источником ионов может служить плазма тлеющего
разряда, возникающая в среде инертного газа. Очевид-
но, что эффективность распыления должна зависеть от
количества и энергии ионов, бомбардирующих поверх-
ность мишени, а свойства осаждаемых (конденсируе-
мых) пленок будут зависеть от сложного комплекса
физико-химических процессов взаимодействия распылен-
ных частиц с плазмой и поверхностью конденсации.
Поэтому необходимо хотя бы кратко рассмотреть про-
цессы создания такой плазмы и ее свойства.
Основной количественной характеристикой процесса
ионно-плазменного (катодного) распыления является
коэффициент распыления S — количество выбитых ато-
мов из поверхности мишени одной бомбардирующей
частицей.
Существует несколько способов формирования ион-
ного потока, бомбардирующего мишень, изготовленную
из материала, который необходимо распылить. Тлею-
щий разряд служит наиболее распространенным источ-
ником бомбардирующих ионов невысоких энергий.
Процесс распыления на катоде в тлеющем разряде
впервые наблюдал Гроув (1842 г.), вследствие чего это
явление и получило название «катодное распыление».
52
Использование тлеющего разряда для генерации бом-
бардирующих ионов является одним из простейших ме-
тодов. Тлеющий разряд обычно зажигают, подводя вы-
сокое напряжение к двум плоским электродам, помещен-
ным в газовую среду при низком давлении от 13 до
0,13 Па (от 10-3.до 10-1 мм рт. ст.).
Рис. 3-11. Характеристика газового разряда. (Напряжение в линей-
ном, а сила тока — в логарифмическом масштабе.)
Тип разряда, возникающего между двумя электро-
дами, зависит от ряда факторов: от давлений газов, от
приложенного напряжения, от конфигурации электро-
дов, которая влияет на длину разрядного пути и плот-
ность разрядного тока. На рис. 3-11 приведена вольт-
амперная характеристика разряда между двумя пло-
скими электродами в газе при давлении от 13,3 до
0,133 Па. При достижении определенного значения на-
пряжения (пробивного) наступает резкий пробой газо-
вого промежутка. В этой области, известной под назва-
нием области таунсендовского разряда, при постоянном
напряжении между электродами ток может увеличи-
ваться. При дальнейшем увеличении тока достигается
вторая область с постоянным напряжением разряда,
известная под названием «нормального тлеющего раз-
ряда». Если сила тока превосходит определенное значе-
ние, то по мере дальнейшего увеличения тока напряже-
ние между электродами растет, наступает аномальный
тлеющий разряд. При дальнейшем увеличении тока
53
ческого поля, в тлеющем
U Область Область
к ат об наго	анодного
падении	падения
Кат од	fy^NMo'd
—I: -  :'<	+
? 4	6	8
Рис. 3-12. Схема распределения
потенциала между электродами.
I — темновое астоновое пространство;
2 — первое катодное свечение: 3 —тем-
ное катодное пространство; 4 — отрица-
тельное тлеющее свечение: 5 —фара -
цеево темное пространство; в — положн-
жительный столб; 7 — анодное свече-
ние; в — темное анодное пространство.
напряжение между электродами быстро падает и воз-
никает дуговой разряд. На рис. 3-12 схематически изо-
бражен тлеющий разряд при давлениях от 1,33 до
1,3-10-2 Па.
Носителями заряда в межэлектродном промежутке
служат электроны и ионы, движущиеся вдоль электри-
~	>яде давление так велико,
что средние длины сво-
бодного пробега (lj —
для ионов, 1а — для рас-
пыленных атомов мише-
ни) малы по сравнению
с расстоянием d между
электродами (1<, la<d).
Поэтому возможны мно-
гократные столкновения
между газовыми части-
ками и электронами в
разряде, что приводит к
образованию ионов, бом-
бардирующих поверх-
ность катода. Распылен-
ные атомы также могут
ионизироваться, диффун-
дировать обратно к като-
ду. Это затрудняет точное определение коэффициентов
распыления.
Для увеличения длины свободного пробега исполь-
зуется газовый разряд при низких давлениях, это по-
зволяет достигнуть значений 1, и 1а, соизмеримых с d
(1а, 1,^^). Однако в этих условиях из-за увеличения
длины свободного пробега электронов 1{ снижается сте-
пень ионизации газа. Чтобы преодолеть эту трудность,
применяют магнитное поле, параллельное направлению
разряда. При бомбардировке поверхности катода (ми-
шени) проявляются два эффекта: вторичная ионно-элек-
тронная эмиссия и катодное распыление. Вторичная
эмиссия служит для поддержания разряда, а распыляе-
мые частицы формируют пленочный осадок. Ионизиро-
ванное состояние газового пространства между элек-
тродами называют плазмой. Поэтому и сам метод полу-
чения пленок получил название ионно-плазменного
метода.
54
При взаимодействии потока ионов с поверхностью
твердого тела протекают сложные физико-химические
процессы — различные для разных энергий ионов.
В общем случае E=Uiji, где Ui — ускоряющее напря-
жение, ji — плотность тока. Разным диапазонам значе-
ний мощности потока ионов соответствуют различные
физические или физико-химические процессы. Обозначим
через Uiji — мощность ионов, достаточную для возник-
новения ИОННО-ЭЛеКТрОННОЙ ЭМИССИИ; U2}2— мощность
пучка ионов, достаточную для стимулирования химиче-
ских реакций, протекающих на бомбардируемой поверх-
ности; —мощность пучка, достаточную для травле-
ния поверхности; U^ji, — мощность, достаточную для
катодного распыления; U5j$— мощность ионного (и
электронного) пучка, достаточную для локального разо-
грева бомбардируемой поверхности с целью испарения
этой части поверхности или фигурной обработки твер-
дого тела и пленки; Ueje—мощность, достаточную для
внедрения ионов внутрь твердого тела. Соотношение
между этими значениями мощности потоков ионов мож-
но записать в виде следующей системы неравенств:
Ei <ZE2<ZE3<ZE i*ZE$<Z Eq.	(3-47)
В различных процессах изготовления ИМС исполь-
зуются различные значения энергий ионных пучков: Е2
для стимулирования физико-химических реакций на по-
верхности, Е3 для очистки и травления поверхности под-
ложек, Ei для ионно-плазменного распыления и осажде-
ния пленок; £4 для электронно (ионно)-лучевого испа-
рения и фрезерования; £5 для ионной имплантации.
В данной главе мы рассматриваем только вопросы
ионно-плазменного распыления, а в гл. 9 — процессы
ионной имплантации.
Для описания процессов ионно-плазменного распы-
ления предлагалось несколько моделей, основанных на
двух механизмах. Согласно первому механизму распы-
ленные атомы возникают в результате сильного локаль-
ного разогрева поверхности мишени самим падающим
ионом (модель «горячего пятна») либо быстрой вторич-
ной частицей (модель «теплового клина»). Второй ме-
ханизм состоит в передаче импульса падающего иона
55
атомам решетки материала мишени, которые в свою
очередь могут передать импульс другим атомам решет-
ки, вызвав тем самым каскад столкновений (модель
столкновений).
В случае, когда поверхностный атом получит энер-
гию, достаточную для разрыва связи с ближайшими со-
Падающий	Частица,
ион	распыленная
\	назад
седями, а направление этого
импульса направлено к по-
верхности, атом перейдет в
\	4 паровую фазу. Направление
полета этого атома должно
соответствовать паправле-
_____ С сГ	 нию полученного им импуль-
Т Т—————•	« са Нетрудно показать, что
Частицы, распы-
ленные вперед
Рис. 3-13. Схема механизма рас-
пыления мишени.
наименьшая энергия такого
импульса требуется, когда
он нормален к поверхности
мишени. Энергия импульса
атома, покидающего поверх-
ность мишени и переходя-
щего в пар, должна быть равна или больше энергии
испарения и составляет лишь часть энергии бомбарди-
рующей частицы. Схема, показанная на рис. 3-13, иллю-
стрирует, что большая часть энергии тратится на радиа-
ционные повреждения решетки твердого тела, из кото-
рого изготовлена мишень. Исходя из предположения,
что основной вклад в процесс распыления вносит первое
столкновение иона с атомом мишени, была предложена
простая формула для расчета коэффициента распыле-
ния

(3-48)
где
Л =	;
(3-49)
К — коэффициент, характеризующий физическое состоя-
ние мишени; X — средняя длина свободного пробега
иона в материале мишени; и т2 — массы бомбарди-
рующего иона и атома мишени соответственно; Ei —
энергия иона; d — диаметр столкновения иона и атома;
«о — концентрация атомов в мишени.
Значение К определяется путем сравнения расчетной
кривой с экспериментальными данными.
Рассмотренная теория позволяет объяснить такие
факты, как существование пороговой энергии иона, ни-
же которой распыление не происходит; энергия распы-
ляемых атомов значительно превышает энергию испа-
ренных частиц, тенденции наилучшего распыления ато-
мов вдоль плотной упаковки кристалла, уменьшение
коэффициента при больших энергиях ионов, незначи-
тельное влияние на коэффициент распыления темпера-
туры мишени, отсутствие электронного распыления.
Уравнение (3-48) хорошо описывает эксперимен-
тальные данные. Йз рассмотрения (3-13) ясно, что
должны существовать какие-то экстремальные значения
энергии бомбардирующих ионов, в диапазоне которых
будет идти распыление. При значениях энергии меньше
определенной величины, названной пороговой, распыле-
ния не наблюдается. При энергии выше определенного
значения (назовем ее энергией имплантации ионов) рас-
пыление также отсутствует из-за относительно глубо-
кого внедрения бомбардирующего иона в мишень. Вся
энергия в последнем случае расходуется на радиацион-
ные искажения решетки мишени.
Распыление не удается рассмотреть с тех же пози-
ций, как это было сделано при испарении. Распыление
происходит, как правило, при низкой температуре, когда
диффузия замедлена. В результате осажденная пленка
получается в виде как бы слоистой структуры на ато-
марном уровне. Очевидно, что если бы температура ми-
шени повысилась настолько, что успевала протекать
заметная диффузия атомов из объемов, то состав оса-
жденной пленки, как и при испарении, отличался бы от
состава мишени.
В случае, когда распыляются компоненты сплава из
разных источников при одной и той же энергии ионов,
регулировать состав осажденной пленки можно (как и
при испарении) подбором площадей катодов. При этом
можно обеспечить получение пленок заданного состава.
Для расчета состава двухкомпонентного сплава можно
воспользоваться следующим простым соотношением:
^=4^,	(3.50)
где у — число атомов; F — площадь мишени, индексы 1
и 2 относятся к компонентам сплава. Регулировать со-
став осаждаемой пленки можно и другим способом, на-
57
пример изменять напряжение, приложенное к каждому
катоду.
Комбинируя эти способы, можно получать пленки
многокомпонентных сплавов практически любого со-
става.
Для технологии катодного распыления интересно
рассмотреть зависимости распыления от различных па-
раметров процесса.
Как было показано выше, пороговые энергии мало
отличаются для разных материалов. Тем не менее для
разных материалов наблюдается заметное различие
в скорости увеличения коэффициента распыления при
увеличении энергий ионов (рис. 3-14).
Для легких ионов не-
Рис. 3-14. Зависимость коэффици-
ента распыления Т1, Со и Си от
энергии бомбардирующих ионов Е.
высоких энергии про-
порциональна lg Е, для
тяжелых ионов Sv про-
порциональна £1/2.
При высоких энергиях
ионов характер распыле-
ния изменяется. Это ил-
люстрируется рис. 3-14 и
3-15.
Характер зависимости
распыления от угла па-
дения ионов показан на
рис. 3-16,а, б. Из рисунков можно заключить, что раз-
ные материалы мишени по-разному реагируют на угол
падения ионов, причем у более тугоплавких металлов
(Та, Mo, W) эта зависимость выражена слабее, чем у
других металлов (Ag, Си).
При облучении ионами низкой энергии наблюдается
обратная закономерность. Такие сложные зависимости
угловых закономерностей пока не получили удовлетво-
рительного объяснения в общей теории катодного рас-
пыления.
Зависимость распыления от температуры может
быть довольно сложной. Она зависит от того, как изме-
няется структура мишени с увеличением температуры.
Поскольку на структуру мишени при этом начинает
влиять отжиг дефектов, который восстанавливает повре-
ждения решетки, производимые падающим ионом до
того, как в это место попадет следующий ион, то темпе-
ратура может снижать величину Sy. Если же повыщение

температуры материала Мишени повлечет за собой фазо-
вое превращение, как, например, в железе при 906°С
объемно-центрированная решетка переходит в гранецен-
трированную, то характер зависимости Su от Т может
при этом измениться. При нагревании железа до 900°С
Рис. 3-15. Зависимость коэффи-
циента распыления некоторых
металлов от энергии Е бомбар-
дирующих ионов при катодном
распылении.
Рис. 3-16. Зависимость коэффи-
циента распыления металлов от
угла падения ионов а.
Sv увеличивается с ростом температуры, а после 906°С
уменьшается. На рис. 3-17 показан пример зависимости
коэффициента распыления от температуры мишени для
некоторых металлов.
Угловое распределение рас-
пыляемых частиц очень часто
имеет первостепенное значение
для технологии получения каче-
ственных тонких пленок различ-
ных материалов. В отличие от
процесса испарения угловое рас-
пределение при катодном распы-
лении не подчиняется закону ко-
синуса. Большее число атомов
распыляется в направлении, па-
раллельном поверхности мишени.
Такое распределение было на-
звано «подкосинусным». Более
ярко выражено оно для мишени
Рис. 3-17. Зависимость
коэффициента распыле-
ния от температуры ми-
шени.
59
из Fe и Мо, которые имеют объемно-цейтрйрованную
кубическую решетку, большую, чем для Ni и Pt (ГЦК
решетка). По мере возрастания энергии ионов характер
распределения меняется, из «подкосинусного» становит-
ся «надкосинусным», т. е. большее, чем это следует из
закона косинуса, число частиц начинает распыляться
в направлении, близком к нормали.
Существующие теории катодного распыления не мо-
гут объяснить этого факта.
Глава четвертая
ХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ОСАЖДЕНИЯ СЛОЕВ
Химические методы получения слоев весьма много-
численны и разнообразны, но все их можно разделить
на 4 большие группы: осаждение из газовой фазы,
взаимодействие (окисление) поверхности с реагентом,
осаждение из растворов (расплавов) п электролитиче-
ское осаждение, реакции в твердой фазе.
Важную роль в технологии ИМС играют и будут
играть методы осаждения слоев из газовой фазы, как
наиболее совершенные с точки зрения возможностей
получения пленок практически любых материалов при
условиях, обеспечивающих их высокую чистоту, произ-
водительность и автоматизацию процессов.
Теоретическими основами химических методов осаж-
дения можно считать термодинамику и кинетику хими-
ческих реакций, с одной стороны, и теорию тепло- и
массообмена применительно к проблеме переноса ве-
щества— с другой. Поэтому остановимся кратко на
этих вопросах.
4-1. Термодинамика химических процессов осаждения
слоев
Химическая термодинамика в приложении к процес-
сам осаждения пленок является эффективным средством
для анализа и прогнозирования направления процесса.
При достаточно надежных и точных исходных данных
термодинамические расчеты позволяют определить ряд
оптимальных технологических параметров, например
температуру, давление и состав потоков материалов.
Важным 'следствием первого закона термодинамики
является закон Гесса. Согласно этому закону суммар-
60
ное изменение энергии при протекании ряда реакций
зависит только от природы исходных материалов и ко-
нечных продуктов, но не зависит от пути перехода из
одного состояния .в другое, т. е. от числа и характера
всех промежуточных стадий.
Основываясь на законе Гесса, можно вычислить теп-
лоту реакции Д//р из значений теплот образования ком-
понентов AHi, участвующих в ней. Индекс р обозначает,
что АН вычисляется при постоянном давлении. Напри-
мер, для некоторой реакции со стехиометрическими
коэффициентами a, b, с, d
aA + bB^cC + dD+'AHp	(4-1)
будем иметь:
АНР = dAHd + ЬАНс—аАНа—ЬАНь. (4-2)
В случае выделения энергии (экзотермические про-
цессы) теплота реакции обозначается знаком минус,
в случае поглощения энергии (эндотермические процес-
сы) — знаком плюс.
Вторым важным следствием первого закона термо-
динамики является закон Кирхгофа, согласно которому
изменение теплоемкости реакции равно разности тепло-
емкостей АСР конечных и исходных реагентов С»р. Сле-
довательно, для реакции (4-1)
“-г = "-» = dC,t+eCfi -	- aCp. (4-3)
Для температур выше 0°С теплоемкость обычно вы-
ражается уравнением вида
Ср = Ь0 + ЬхТ + Ь2Т\	(4-4)
следовательно,
^-^ACp^Ab^AbJ + Ab^. (4-5)
Значение теплоты реакции для любой температуры
будет равно:
АН(Т}=АН0 + Д^П-Дй 1Р + АЬ2Т~1.	(4-6)
Второй закон термодинамики устанавливает, что
практически неосуществимо преобразование теплоты
в работу с к. п.д., равным 100%.
61
Следствием втором закона является соотношение,
Справедливое при постоянных температуре и давлении,
которое носит название уравнение Гиббса—Гельмгольца:
AG = AH—TAS,	(4-7)
где AG—свободная энергия, доступная для совершения
полезной работы; АН — теплосодержание (энтальпия)
и S — энтропия.
Все три величины являются экстенсивными свойст-
вами, т. е. зависящими от количества взятого вещества.
Поэтому они везде относятся к одному молю вещества.
Термодинамические свойства веществ принято опреде-
лять для данного стандартного состояния, каковым яв-
ляется состояние чистого вещества стабильной кристал-
лической модификации, жидкости или идеального газа
при 298,15 К и давлении 1,3-105 Па (760 мм рт. ст.).
Свойства при других температурах можно рассчи-
тать по уравнению типа (4-6)
т	т
AGr = АН о 4- j ACpdT - TAS, - Т J	dT -ф- ДСФ.Ц, (4-8)
где ДСф.п — свободная энергия фазового превращения.
Это и есть обычное уравнение для изменения свобод-
ной энергии с температурой, которое в общем виде мож-
но представить в виде
AGt=<2o + <2j lg T'+ojT'-1-	(4-9)
В табл. 4-1 приведены свободные энергии для ряда
реакций, щироко используемых в технологии ИМС.
Если в рассматриваемом температурном интервале
имеются фазовые превращения (плавление, испарение
и др.), то их величины свободной энергии суммируются
при вычислении AGt-
Свободная энергия или работа не может быть полу-
чена от системы, находящейся в равновесии. Известно,
что способность системы производить работу повышает-
ся с увеличением давления, т. е. при 7’=const
DG=VdP.	(4-10)
Поскольку закон Гесса справедлив и для свободной
энергии, то для реакции (4-1) будем иметь:
AG« = SAG°JK0H) - SAG0 (исх), (4-11)
Рвакы,	0£р	обр	'	/
где ДО°^КОН) и AG°6p"cx) — свободные энергии образования
конечных и исходных продуктов реакции соответственно.
62
Таблица 4-1
Свободная энергия некоторых реакций
4Gr = а, + aJ\gT + айТ'
Реакции	u0			Точ- ность, Дж	Темпера- турный интервал
2A'(Tb) + "2 О2(Г) “ = ai2o3(7-b) 3 Mo + 02 = MoO3(J.B)	— 1 612 000	—	271,9	33,50	298—930
2P2(F) = P4(F)	—744 500	—34,02	360,3	25,12	298—1200
^Vb) + °2(Г) = Si02(TB)	— 133 COO	—	145,7	12,56	500—1500
3Si(Te) + 2^2(Г) == = Si,N4(rB)	—872 200	—	181,3	29,31	298—1700
3~ 2Та(Гв) + "2 °2(Г) = = Та2О5(Гв)	—753 700	24,12	414,5	83,74	298—1700
Т8(Гв) + "2 02(Г) = TaN(7-B)	—209 800	67,41	608,0	62,81	298—1700
S1C14 + 2Н2 = Si + 4НС1	—243 300	—	83,32	41,87	298—2200
GeJ2 = Ge -|- GeJ4	918 600	14,49	226,7	25,12	298—2000
2GaCl^j + ~2 As4(/') — — 2GaAs(rtt| + С12(Г)	152 000 90 270	54,47	185,5 430,8	25,12 41,87	298—1000 298—1200
Значения свободной энергии реакции при температу-
ре Т можно вычислить по уравнению (4-8).
Учитывая, что
AG—\G0=RT(\nP°— In/3),	(4-12)
уравнение (4-12) можно переписать в виде
ЛОреакц = CRT (In Р»с - In Pj + dRT (In Р°D - In РD) -
— aRT (In Р“л — In Рл) - bRT (In P’fl — In PB)
или
c d —a —b
p"b b-inP‘^prpj4
63
или
ДСреакц = /?Г
С d
рО рО
АП -------7-
ti b
po po
Принимая во внимание уравнение Генри
будем иметь:
Pi^KCi
}	__ Р'Г
рвакц	1X1
(с d
рО рО
GCGO
к —
с°
41
ь
с°
(Гс Cd
К
Г*а /~>Ь
СА иВ
P0CPD
А°Реакц = № 1П	- RT 1П Кр,
рО рО
РА'В
(4-13)
(4-14)
(4-15)
(4 16)
c
где Р и Р° — равновесные парциальные давления паров
компонентов реакции и парциальные давления паров
компонентов в исходной смеси (неравновесные значе-
ния) соответственно; С — то же для концентраций ком-
понентов; /(“Константа Генри; Кр, Кс — константы рав-
новесия реакции.
Физический смысл Кр (или Кс) легко представить,
если воспринимать ее как отношение скоростей прямой
ГПр и обратной Гобр реакций для данной температуры.
Например, для реакции
^пр
GeJ« + 2H2^ Ge-(-4HJ;	(4-17)
^обр
, __ Гпр ____ /?0е'Р4НД .
Гобр PGeJP«H1’
г М	'
, __ GOeu HJ
'с — г гг •
bGeJtb На
В условиях равновесия давление насыщенного пара
Рве (или концентрация СЪе) над конденсированной фа-
зой (жидкой или твердой) величина постоянная, поэто-
му ее можно ввести в значение или (Лс) и тогда
/г —
I'P —" р	рг 1
^QeJ/ На
(4-19)
64
т. е. значение константы равновесия определяется вели-
чиной только газовых составляющих, а для растворов —
концентрацией растворенных компонентов.
Зависимость свободной энергии (изобарного потен-
циала) или константы равновесия реакции от темпера-
туры обычно представляется в виде функции AG от Т
или \/Т. Ряд таких зависимостей представлен на рис. 4-1.
i3«p
П К
Щ 1073 Т.Н
Рис. 4-1. Константы равновесия реакций, протекающих в системе
GeJ<— Н2.
Значение величины Кр позволяет вычислить выход
того или иного продукта реакции в зависимости от дав-
ления (или концентрации исходных материалов). Так,
для реакции (4-17) выход германия а (т. е. количество
прореагировавшего Geh) можно найти, решая уравнение
относительно а:
 ___	(4а)4 рисх
р ~’ (1 — а) Ое I/
(4-20)
. где — исходное давление Gel* в газовом потоке.
Обычно для расчета выхода продукта используется
метод, описанный ниже.
Приведем пример термодинамического расчета процесса эпи-
таксиального осуждения слоев германия на германиевую подлож-
ку при взаимодействии GeCl< с водородом.
5-844
0 SOO SOO 1000 T °C
Рис. 4-2. константы рав-
новесия реакций осажде-
ния и травления при рос-
те германия из системы
GeCl4—Н2.
Осаждение эпитаксиальных слоев
германия может быть обусловлено дву-
мя независимыми реакциями
GeCU4-2H2^Ge-|-4HCl;	(4-21)
GcCI44-Ge=r!=2GeCI2.	(4-22)
Реакция (4-21) ответственна за оса-
ждение, а (4-22) —за травление гер-
мания.
Рассчитанные значения 1g Кр от
температуры приведены на рис. 4-2.
Для определения выхода германия
вычислялись парциальные давления Н2,
GeCl4, НС1 и GeCl2 решением следую-
щей системы уравнений: уравнений кон-
стант реакций (4-21) и (4-22)
;	(4-23)
н,
Р GeCh	. ,
КгР — р 1	(4-24)
^GeCI,
уравнения Дальтона для газовой фазы при общем давлении, рав-
ном одной атмосфере:
ЛзеСЦ + ^OeCl, + ^Н,, + ^HCl = 1	(4-25)
и уравнения расхода исходного количества (P°QeCli) ОеС14 в реакции
^GeCI, — ^GeCl, + 2 ^GeCl, + 4 ^HCl*	(4-26)
Эту систему уравнений четвертой степени легко решить. Зная
значения парциальных давлений GeCl4, соответствующие осажде-
нию и травлению, легко получить эффективное давление (которое
пропорционально количеству германия) как разность величин:
^Ое* = ~4~ РНС1 ~~ ~2~ PQeCis	(4-27)
Произведя расчеты для разных значений исходного давления
GeCl4 и температур, получим график, представленный на рис. 4-3.
Кривая зависимости количества осаждаемого германия от исход»
ной концентрации GeCl4 (7”сеС1) в газовом потоке при различных
температурах указывает, при каких условиях идет рост (восходя-
щая ветвь кривой), а при каких — травление германиевой подлож-
ки (падающая ветвь кривой).
Приведенный пример показывает, что термодинами-
ческий расчет позволяет решить ряд важных задач и
прогнозировать то или иное направление процесса. При
66
этом следует учитывать все
параметры состояния, кото-
рые оказывают влияние на
процесс и возможность их
изменения, а также очень
тщательно производить вы-
бор исходных термодинами-
ческих данных.
Термодинамический ана-
лиз является мощным сред-
ством для возможности про-
гнозирования процессов
осаждения, однако на прак-
тике механизм процесса ча-
сто определяется кинетиче-
скими факторами.
Рис. 4-3. Зависимость эффек-
тивного давления германия от
исходной концентрации тетра-
хлорида германия.
4-2. Кинетика химических процессов осаждения слоев
Процесс осаждения можно разбить на 4 стадии:
1) перенос исходных компонентов к поверхности под-
ложки; 2) адсорбция и поверхностная диффузия реа-
гентов на поверхности .(подложке); 3) химическая ре-
акция на подложке; 4) удаление побочных продуктов
реакции.
Нетрудно видеть, что скорость осаждения, которая
определяет в конечном счете производительность про-
цесса, ограничивается стадией, протекающей с наимень-
шей скоростью.
Все указанные стадии процесса взаимосвязаны, и,
очевидно, оптимальные условия осаждения будут до-
стигнуты тогда, когда скорости всех стадий станут рав-
ными. Этим будет обеспечиваться не только непрерыв-
ность потока и его стабильность, но и оптимальный вы-
ход в процессе осаждения. Однако такие условия трудно
обеспечить из-за того, что в приповерхностном слое
у подложки образуется так называемый пограничный
слой, параметры которого заметно отличаются от пара-
метров потока.
Поясним это примером. Пусть на поверхности под-
ложки протекает реакция осаждения вещества М(тву
Л(Г)-*-В(г)+Л1(тв).	(4-28)
Компонент А диффундирует из свободного, хорошо
перемешанного потока к твердой поверхности подложки.
5*	67
& результате реакции на этой поверхности появится газ
В(г) и осадок М(тв), следовательно, концентрация ком-
понента А должна измениться в приповерхностном слое,
что в свою очередь скажется на скорости реакции. Сле-
довательно, в приповерхностном слое концентрация
компонентов будет иной, чем в свободном потоке.
Не будем рассматривать весь сложный комплекс
вопросов, связанный с изучением механизма и кинетики
химических реакций, так как они составляют самостоя-
тельную область науки — химическую кинетику. Остано-
вимся только на основных закономерностях, поскольку
они в той или иной степени свойственны всем процессам
осаждения пленок из газовой и жидкой фаз.
Скорость суммарного процесса, протекающего на по-
верхности подложки, можно упрощенно описать двумя
стадиями: по-первых, описав скорости диффузии реа-
гентов А и В через пограничный слой
(4-29)
CSJ.	(4'30)
где и Рв — коэффициенты масоопередачи компонен-
тов Л и В соответственно; Cv и Cv С -'-концен-
А' ^А	В1 ^В
трации компонентов Л и В в потоке и на поверхности
подложки соответственно, и, во-вторых-, решив задачу
определения скорости химической реакции между ком-
понентами.
Условие неразрывности потока приводит к необхо-
димости, чтобы при стационарных условиях осаждения,
как указывалось, скорости химической реакции, прямой
и обратной диффузии компонентов Л и В должны быть
равны:
Jp=JA =—JB=J,	(4-31)
где Jp—скорость химической реакции; J— скорость
суммарного процесса.
Ниже будут рассмотрены вопросы, связанные с опре-
делением значений Jа, 1в и Jр.
4-3. Газодинамические закономерности в процессах
осаждения слоев
Очевидно, что диффузия реагентов Л и В из потока
к подложке зависит от газодинамической обстановки
в: реакторе, где происходит осаждение пленки. Харак-
68
теристика потока оценивается .механическими, геомет-
рическими и физическим параметрам: скоростью, вяз-
костью потока и размерами реактора и подложки, а так-
же ее расположением в реакторе.
Для количественной характеристики газодинамиче-
ской обстановки в реакторе используются критерии по-
добия. Наиболее употребительными для наших целей
являются критерии Нуссельта (Nu), Рейнольдса (Re),
Прандтля (Рг), Пекле (Ре) и Дамкелера (Da):
р ___ конвективный поток вещества _vd____ fvd . /409.
, сила внутреннего трения v	'
Ре  конвективный поток вещества   vd #	33ч
диффузионный поток компонента D ’	'	'
Рг=Й-=^-:	<4-34>
jq   переходящий поток компонента  fid .	(4-35)
“ диффузионный поток компонента D ’	'	'
Da ___поток компонента вследствие реакции_aiJid
1	конвективный поток компонента	С tv *
D ____поток компонента вследствие реакции_aiJid
1	диффузионный поток компонента	DCi ’
где v — ^скорость потока, м/с; d — характеристический
размер (эффективный диаметр, м) реактора; v — кине-
матическая вязкость, кг/(м2-с);	— стехиометрический
коэффициент компонента i в химической реакции (без-
размерный); Ji — скорость реакции по компоненту!
(для реакции первого порядка), кг/(м2-с); С,— концен-
трация компонента i, кг/м3; D — коэффициент диффузии,
м2/с.
На практике для выявления зависимости коэффици-
ента массопередачи от газодинамических характеристик
потока используется уравнение
Nu=ARe"tPrn,	(4-36)
где А, т и п — постоянные, определяемые эксперимен-
тальным путем для потока.
Уравнение (4-36) указывает на взаимосвязь скоро-
сти массопередачи с газодинамическими параметрами
потока.
Например, для осаждения эпитаксиальных слоев
кремния при реакции тетрахлорида кремния с водоро-
69
дом для невысокой концентрации Si<214 (0,01—0,3%)
эта зависимость была определена в таком виде:
№1=0,664 Re1/2Prl/3.	(4-37)
Определив из уравнения (4-37) коэффициент массо-
передачи, нетрудно будет найти скорость роста пленки,
которая выразится следующим соотношением:
. <4'38»
где С — общее количество молекул в 1 см3 газовой сме-
си; Nsi — количество атомов кремния в единице объема
пленки; — коэффициент массопередачи; <VSiCi —моль-
ная доля тетрахлорида кремния в газовой фазе.
4-4. Расчет кинетических характеристик
при осаждении слоев химическим методом
Важнейшей характеристикой процесса осаждения
пленок в результате химической реакции на поверхности
является скорость реакции. В процессах осаждения при-
нято описывать эту скорость количеством осажденного
вещества или изменением толщины пленки в единицу
времени на единице поверхности:
<4-39)
где N — количество вещества, осажденное за время т
на площади S.
Скорость химической реакции зависит от ряда фак-
торов: температуры, давления, состава среды. Если эти
параметры состояния постоянны, то для химической ре-
акции (4-1)
Л-j-B C4-D	(4-40)
^обр
скорости для прямой и обратной реакции можно записать
в виде
I — ь С.т Сп 	1
•'пр—«пр1- в> 1	(4-41)
/обр = ЙобрС-"сС«й> J
где £Пр и йОбр — константы скорости прямой и обратной
реакций; С — концентрации соответствующих компонен-
тов.
70
Тогда суммарная скорость реакции и показатели по-
рядка реакции
Лер =	(с\&>в -	. (4-42)
\	Лпр	X
С учетом, что
где КР — константа равновесия реакции (4-40), общая
скорость реакции
/общ =:^ (С” С» - КрС^С^). (4-43)
Константа скорости реакции kap определяется, как
правило, экспериментальным путем, а константа равно-
весия может быть рассчитана с достаточной достовер-
ностью, как это было показано выше. Если найти экспе-
риментально kup трудно, то применяется метод последо-
вательного пересчета уравнений кинетики до удовле-
творительного 'Совпадения теоретических данных с'
кривыми, полученными из опытов. Для быстрого решения
методами последовательных приближений требуется вы-
сокоскоростная вычислительная машина. Для большин-
ства реакций, используемых в технологии ИМС, данные
о константах скорости реакций можно найти лишь в ори- 
гинальных статьях.
Определяя скорость химической реакции и учитывая
уравнение массопереноса исходных и конечных продук-
тов (4-29) и (4-30), можно получить уравнение, описы-
вающее суммарную скорость процесса осаждения слоев,
выраженную через мольную концентрацию компонентов
в потоке.
Рассмотрим элементы такого расчета на примере реакции пи-
ролитического осаждения молибденовых пленок из карбонила
Мо(СО)в(Г)—>-6СО(г)-|-Мо(т).	(4-44)
Будем считать, что эта реакция первого порядка (т. е. т=1,
п=1) и можно пренебречь влиянием адсорбции. Тогда выражение
для скорости кинетической стадии имеет вид:
/обЩ = *прР(г/5Мо(СО)-^3Со)-	(4-45)
где /общ — скорость реакции; у* — концентрация реагентов на по-
верхности осаждения; Авр—константа скорости реакции.
71
Согласно теории пограничного слоя скорость эквимолекуляр-
ной встречной диффузии будет описываться уравнениями:
^Мо(СО). — ?г (УЪМо(СО), — ^SMo(CO)J;
Лю ~	^Г (//°С0,— У*СО>>
(4-46)
где ₽r — коэффициенты массопереноса; //°мо(СО),’ Usco ~~ концентра-
ции указанных компонентов в потоке и на поверхности соответствен-
но.
В стационарных условиях все эти скорости равны:
-^Мо(СО), = Лю-	(4-47)
Подставив в уравнение (4-45) значение у‘ из формулы (4-46)
для скорости суммарного процесса, получим уравнение
^Мо(СО), — WcqKp
'общ —	1	1		(4-48)
^+Т(|+6ВД
В это уравнение входят величины, которые могут быть зада-
ны (у<), рассчитаны (0Г и КР) или определены экспериментально
(йяр).
Уравнение (4-48) является выводом теории, связыва-
ющей скорость процесса с термодинамическими, кинети-
ческими и диффузионными параметрами процесса при
помощи ряда коэффициентов, имеющих вполне опреде-
ленный физический смысл: константы равновесия Лр,
коэффициента массопередачи рг, константы скорости хи-
мической реакции и концентраций исходных
(Угла (со;.)Iй конечных7(г/со) продуктов.
Анализ уравнения (4-48) позволяет сделать ряд важ-
ных для практики выводов. Если коэффициент массо-
передачи велик по сравнению с константой скорости
реакции при данном давлении
(4-49)
то для термодинамически благоприятного процесса
(ЯР>1) (4-48) становится равным (4-45) и скорость
процесса будет лимитироваться кинетикой химической
реакции или, как говорят, он будет протекать в кинети-
ческой области. И наоборот, если
Рг^С^пр^5,
(4-50)
Скорость процесса будет лимитироваться скоростью диф-
фузии, т. е. протекать в диффузионной области.
В случае, когда консТанта равновесия очень мала
(Кр<С1), процесс будет лимитироваться равновесием
реакции.
Константа скорости реакции йпр экспоненциально за-
висит от температуры по закону Аррениуса
ДЕ
,	X.
Йпр (Т)
(4-51)
(4-52)
где ЛЕ — энергия активации; /о и k0—скорость реакции
и константа скорости при стандартной температуре.
Коэффициенты Диффузии в газовой смеси Dv зависят
от температуры согласно следующему уравнению, вы-
веденному из кинетической теории газов:
(КГ)3!2	/_1____।__1_
Pr'VfaN |/
(4-53)
ОВР
zRT ’
(4-54)
где Р — давление; г — расстояние между центрами мо-
лекул при столкновении; N — число Авогадро; Afi, М2 —
молекулярные массы обоих газов; R — газовая постоян-
ная; z — длина диффузии.
Сравнивая уравнения (4-51) и (4-53), видим, что
процесс осаждения будет проявлять склонность к диф-
фузионному ограничению при высоких температурах и
лимитироваться кинетикой химической реакции при низ-
ких температурах, поскольку согласно уравнениям
(4-54) и (4-51)
₽Г=/(Л;	(4-55)
_ _л_
= J-	(4-56)
При современном уровне знаний константы скоростей
многих реакций, которые используются и могут быть
использованы в будущем технологией ИМС, остаются
73
й общем случае неизвестными. Это Можно объяснить
тем, что не всегда известен механизм реакций, который
часто бывает очень 'сложным. Между тем параметры
массопередачн можно определить непосредственно или
по аналогии с теплопередачей. По этим данным можно
найти области, в которых процесс будет лимитировать-
ся только кинетикой химической реакции (кинетическую
область). Проводя небольшое число опытов в этой об-
ласти, легко определить константы скоростей реакции.
При наличии всех этих данных (термодинамических, ки-
нетических и маосообменных) не составляет большого
труда построить адекватную математическую модель
процесса осаждения.
Используя данные об анализе процессов массообмена
в газовом потоке и вблизи поверхности подложек, мож-
но влиять на равномерность осаждаемых осадков и их
структуру. Поскольку зарождение и рост слоев в значи-
тельной степени зависят от степени пересыщения осаж-
даемого материала в пространстве над подложкой (см.
гл. 6), то, варьируя коэффициентами маосопереноса,
можно влиять на газодинамическую обстановку в реак-
торе и тем самым на значение этого пересыщения.
4-5. Электролитическое осаждение металлических слоев
Электролитическое осаждение металлов (Me) основа-
но на разложении солей и окислов в растворах под дей-
ствием постоянного тока. Реакции разряда катионов на
катоде и анионов на аноде происходят по схеме:
на катоде
Ме+2 + 2е=Ме,	(4-57)
на аноде
2Х_—2е = Х,
и в растворе
MeXs — Me+j + 2X-,
где X —галоид, кислород, сульфат- или нитрат-ионы;
е — электрон.
Для разряда иона необходимо приложить разность
потенциалов между электродом и слоем, прилегающего
к нему электролита. Эту разность называют электрод-
ным потенциалом (£к — катодный, £а — анодный потен-
74
циалы). Для разложения соли к электродам необходимо
приложить определенное напряжение, минимальное зна-
чение которого называют напряжением разложения £р,
причем
£р=£а—£к.	(4-58)
Напряжение разложения определяется силой хими-
ческих связей компонентов соединения и зависит от
свойств и состава электролита и природы электродов.
Начало разложения соли характеризуется резким
скачком тока на J—V диаграмме.
Полное напряжение £в складывается из омического
Рис. 4-4. Схема электролитиче-
ской ванны (а) и график паде-
ния напряжения (б) между
клеммами.
сопротивления электролита, электродов, контактов
(2/^) и напряжения поляризации £ПОл, возникающего
вследствие снижения концентрации ионов у электродов
£в=£р + 2//? + £пол-	(4-59)
На рис. 4-4 показан график падения напряжения
между клеммами электродов.
Электродный потенциал разряда ионов зависит от
концентрации и температуры (уравнение Hep иста)
75
или при а(Ме1=1 и аМе„+] = С
£' = £’+тЙйГ1пС-	<4‘6|>
где а[Ме], а(Ме]Л-|_ — активность данного металла в чистой
металлической фазе на катоде и активность ионов метал-
ла в электролите (для идеальных растворов-—концен-
трации); С — концентрация ионов; Eq— стандартный
электродный потенциал разряда иона при концентрации
его и металлической фазе, равной единице, и активности
(концентрации) иона этого металла -в электролите,’рав-
ной единице; F — число Фарадея; п — валентность иона;
0,24 — коэффициент перевода джоулей в калории-
Напряжение разложения соли зависит от прочности
химической связи, которую надо разрушить. Например,
для соли типа МеХ это напряжение будет зависеть от
величины энергии образования соли из элементов AG,
т. е.
AG=0,24 mFEp,	(4-62)
где F — количество электричества, расходуемого на вы-
деление 1 г-атома металла с валентностью п.
Свободная . энергия при электролизе выражается
так же, как и для химической реакции:
&G=RT\nK—RT\nKo;	(4-63)
так как
AG0= — RT In Ко,
то
AG— AG0=RTlnK,	(4-64)
где К — константа равновесия при электролизе (разло-
жения соли), равная:
К=- Д[М^- или К = с'Ме'мет -	(4-65)
а[Ме"+]эл	[Ме"+1эл
Таким образом, напряжение разложения склады-
вается из двух величин, которые включают стандартные
условия AGo и исходные условия J?Tln/G
76
Количество выделяющегося на катоде металла т
определяется законом Фарадея
* <4-66)
где Ат — коэффициент использования тока, равный отно-
шению реального значения, т к теоретическому mi, опре-
деленному по формуле (4-66) при Лт=1; М— атомная
масса металла; F— постоянная Фарадея, равная
96 500 Кл/(г-атом); п — валентность металла; Q — ко-
личество электричества, Кл.
В качестве типичного примера использования элек-
тролиза рассмотрим осаждение слоя никеля из раствора
сульфата никеля NiSC>4 и хлористого аммония NH4CI.
Анодом служит никель, катодом — медь.
Схема ванны представ-
лена на рис. 4-5. Под дей-
ствием электрического поля
катионы N!i2+ и NH+4 дви-
жутся к катоду, а анионы
SO2+4 и С1_ —к аноду. На
катоде осаждается слой ни-
келя.
Для сохранения равно-
весия в растворе соответ-
ствующее количество нике-
ля удаляется (растворяется)
с анода и концентрация ни-
Рис. 4-5. Схема электролитиче-
ской ванны.
/ — ванна; 5 — анод; 3 — электро*
лит; 4 — осадок; 5 — катод.
келя в растворе остается
почти постоянной.
На процесс осаждения
/пленки влияют температура
раствора, плотность тока,характер подложки и кис-
лотность раствора. Последняя определяется величиной
pH. Как и в других методах осаждения, при электроли-
зе желательно иметь гладкие подложки.
Состав электролитов обычно бывает весьма слож-
ным, так как для повышения эффективности процесса
осаждения вводятся в электролит различные добавки.
Одни из них повышают выход по току, другие увеличи-
вают проводимость электролита, третьи сохраняют за-
данное pH (буферные добавки), четвертые уменьшают
напряжение в растущих слоях, пятые изменяют размер
и ориентацию зерен осадка и т. д.
Г л aа п я та я
ЯВЛЕНИЯ АДСОРБЦИИ ПРИ ОСАЖДЕНИИ СЛОЕВ
5-1. Энергия взаимодействия атомных частиц
с поверхностью твердого тела
Почти ®се процессы получения слоев в большей или
меньшей степени связаны с взаимодействием атомных
частиц с поверхностью твердого тела. На границах фаз
.происходят сложные процессы, которые заметно влияют
на механизм осаждения пленок, их сцепление с подлож-
кой, характер зарождения и роста пленки. Все эти яв-
ления и процессы связаны с адсорбцией частиц на по-
верхности твердой фазы. Без понимания природы и
характера адсорбционных сил и их зависимости от раз-
личных параметров состояния трудно интерпретировать
целый ряд технологических процессов производства ИМС.
Когда свободный атом (молекула или ион) прибли-
жается к поверхности твердого тела, происходит воз-
мущение дискретных энергетических уровней его внеш-
них1 электронов. Согласно теории межатомного взаимо-
действия возможны три предельных случая. В первом
случае в результате взаимодействия атомов (или моле-
кул) отсутствует обмен электронами между приблизив-
шимся к поверхности свободным атомом и атомами по-
верхности, но происходит слабая поляризация свобод-
ного атома. Этот случай называется физической адсорб-
цией и энергия взаимодействия атома с поверхностью
определяется силами Ван-дер-Ваальса. Во втором слу-
чае может происходить слабое химическое взаимодейст-
вие с образованием 'слабой гомеополярной связи. Эт<)
случай слабой хемосорбции и, наконец, третий случай
сильной хемосорбции, которая происходит в результате
образования гетерополярной химической связи.
Различают три типа сил Ван-дер-Ваальса, обуслов-
ливающих физическую адсорбцию. Это энергия £ор, за-
висящая от ориентации электрических диполей (ориен-
тационный эффект), от электростатической индукции
£Инд (индукционный эффект), и энергия взаимодействия
между флуктуирующими диполями £дИСп (дисперсион-
ный эффект), т. е.
op + f ипд + f дисп>	(5-1)
где Еф.а — энергия взаимодействия, обуславливающая
физическую адсорбцию.
78
Еор можно выразить через дипольные моменты jii
р2 и расстояние г между взаимодействующими части-
цами
£ор=_2_^_Г.	(5-2)
При взаимодействии полярной молекулы с нейтраль-
ной в последней индуцируется электрический момент,
пропорциональный поляризуемости а. На расстоянии г
между этими диполями энергия взаимодействия будет
равна:	'
£ИИд=^- •	(5-3)
Дисперсионный эффект взаимодействия заключается
в том, что между двумя нейтральными атомами возни-
кают силы взаимодействия за счет возникновения флук-
туирующих диполей. Эта энергия описывается выраже-
нием
В——-м
где Ц и /2— энергия ионизации атомов (молекул) I и 2;
Я1 и а.2 — их поляризуемость.
Теперь (5-1) можно записать в виде
р ._,	_ Зд1а»Л^а	/с с\
*•»	3 г’йГ г’ . 2<Z1 + /B)r« ’	'	'
Более простая модель взаимодействия адсорбируемо-
го атома с поверхностными атомами была предложена
Лен нард — Джонсом. При эТом
£ф.а=—Сг-6+Вг-12;
С = бтс*
(5-6)
где С — константа дисперсионного притяжения; с — ско-
рость света; т — масса электрона; х— диамагнитная
восприимчивость адсорбируемого вещества. Константу В
можно заменить равновесным расстоянием г0, при ко-
тором
/д£ф.а \	— Q
к а- Л=Го ’
т. е. расстоянием, при котором потенциальная энергия
проходит через минимум.
79
Рис. 5-1. Диаграмма потен-
циальной энергии адсорбируе-
мого атома.
/ — кривая, описывающая «физиче-
скую» адсорбцию: 2 — кривая, опи-
сывающая хемосорбцию.
Приведенные уравнения получены для однородной
поверхности. Реальные поверхности не являются тако-
выми. Поэтому энергия взаимодействия на неоднород-
ных поверхностях значительно отличается от рассчитан-
ных из теоретических соотношений (5-2) — (5-6). Адсорб-
ционные силы связи для атомов, адсорбированных
в углублениях поверхности, значительно больше, чем
для атомов, расположенных
на плоской поверхности. На
выпуклых углах, пиках и
краях адсорбционные силы
слабы. На плоскостях с бо-
лее плотной упаковкой ато-
мов решетки адсорбция, как
правило, сильнее, чем на
плоскостях, атомы которых
упакованы менее плотно.
Энергетическое состояние
адсорбируемых атомов (мо-
лекул) удобно рассмотреть
с помощью диаграммы по-
тенциальной энергии адсор-
бируемого атома (рис. 5-1).
По мере приближения моле-
кул к поверхности подложки
(г~>0) она может адсорбироваться «физически» в соот-
ветствии с кривой взаимодействия 1. Если поверхность
имеет какое-то химическое сродство к данной молекуле
в активированном состоянии, описываемой кривой взаи-
модействия 2, то эта молекула будет подвергаться
хемосорбции после того, как она получит некоторую
энергию активации ДЕ*"”, достаточную для перехода
с кривой 1 на кривую 2. Следовательно, механизм ад-
сорбции может проходить не только по кривой 1, но и по
кривой 2, т. е. сначала произойдет «физическая» адсорб-
ция, затем химическая активация молекулы и хемосорб-
ция.
При Хемосорбции происходит перекрытие электрон-
ных оболочек адсорбированного атома (адсорбата) и
поверхности (адсорбента). Адсорбционные силы в этом
случае связаны с передачей электрона от адсорбирован-
ного атома к поверхности или наоборот. В результате
этого процесса на поверхности образуется слой ионов.
80
г)тот слой индуцирует протийоНоЛоЖно заряжённый слой
на поверхности адсорбента, в связи с чем кроме гетеро-
полярных сил могут появиться и другие силы притяже-
ния.
Для энергии взаимодействия адсорбированной по-
лярной молекулы с поверхностью было получено выра-
жение
р. Г *	А А I
тЧ- 1, ,л »т cos’ й4
8л3 I 1 — (д/4га) г I
sin4 м
где ц— дипольный момент; а — поляризуемость; р —
угол, образуемый диполем с поверхностью (когда ди-
поль перпендикулярен поверхности, 3=0).
Уравнение (5-7) дает удовлетворительное согласие
с экспериментом.
В зависимости от сил взаимодействия адсорбата
с поверхностью его молекулы могут быть локализован-
ными или нелокализованны-
ми. Во втором случае моле-
кулы могут свободно пере-
мещаться (диффундиро-
вать) по поверхности адсор-
бента. Естественно, что для
такого перемещения необхо-
димо преодолевать потенци-
альные барьеры (свободная
энергия поверхностной диф-
Рис. 5-2. Схема адсорбционных
сил связи для атомов, различ-
но расположенных на поверх-
ности.
а — расположенных атомов в углуб-
лениях поверхности: b — располо-
женных атомов на плоской поверх-
ности.
диффундировать
фузии ДСп.д).
Понятно, что если сооб-
щить дополнительную энер-
гию адсорбированным ато-
мам, то они перейдут из ло-
кализованного состояния в
нелокализованное. Поэтому
способность адсорбированных атомов
по поверхности увеличивается с повышением ее темпе-
ратуры.	z
На рис. 5-2 показана диаграмма потенциальной
энергии вдоль поверхности. В точках h и hi 'Свободная
энергия поверхностной диффузии минимальна по срав-
нению с точками А2 и h3. Поэтому атомы, адсорбиро-
ванные в точках й2 и Аз, менее прочно локализованы,
чем в точках h и hi.
6—844
81
$-2. Термодинамика поверхностных реакций
Для изучения термодинамики процессов адсорбции
и десорбции целесообразно рассмотреть их как квази-
химическую реакцию:
молекула адсорбата+с®ободное место на поверхно-
сти адсорбента^локал изованный адсорбционный
комплекс.
Если пренебречь взаимодействием адсорбированных
молекул между собой, то константа равновесия этой
реакции будет:
^=^=7^	(5-8)
где ас и аСа — поверхностная концентрация занятых и
свободных мест; 9 = acJam — степень заполнения поверх-
ности свободными’местами; ат — вся поверхность.
По определению
ас + аСа=ат	(5-9)
и
0+00=1.	(5-ю)
Учитывая (5-8), получаем:
Р(ат-ас) =Р(1 -в) •	<5’11)
Эта формула выражает уравнение адсорбции Ланг-
мюра, которое обычно записывается в виде
(5-12)
В области малых концентраций
КадР=^-<1.
С0
Адсорбция (т. е. величина заполнения поверхности)
пропорциональна давлению паров адсорбата
ас=атКаЯР.	(5-13)
При высоких давлениях пара адсорбата
можно пренебречь единицей в (5-12) и тогда
ас—»-ат; 0->1,
82
т. е. адсорбция замедляется, стремясь к постоянному
значению ат. Эта (величина указывает на количество
адсорбата (моль/см2), которое покрывает поверхность
адсорбента плотным монослоем и называется емкостью
монослоя.
Константа адсорбционного равновесия Лад, так же
как константа равновесия химической реакции, связана
с изменением свободной энергии уравнением, аналогич-
ным уравнению (4-7):
Д69 = Д//9 - 7^5’ = - RT In Лад. (5-14)
За стандартное состояние адсорбата в паровой фазе
можно выбрать состояние с концентрацией С° при Р°,
равном 1 мм рт. ст. (133 Па), а в адсорбированном слое
состояние с той же концентрацией С® =С°.
Потенцируя выражение (5-14), получаем:
Лад = e^IR e-^‘RT = ge-^>RT, (5-15)
где g—так называемый энтропийный множитель; ДЯ —
теплота адсорбции.
(Поскольку при адсорбции теплота выделяется, так
что ДЯ<0 (выделяющуюся при адсорбции теплоту при-
нято считать положительной), то с ростом температуры
Лад уменьшается.
Уравнение (5-15) показывает, что увеличение тепло-
ты адсорбции АН, т. е. увеличение потенциальной энер-
гии взаимодействия адсорбата с поверхностью (см.
рис. 5-2), увеличивает константу адсорбционного равно-
весия. Повышение температуры поверхности адсорбента
действует в обратном направлении, увеличивая кинети-
ческую энергию молекул и облегчая десорбцию. Следо-
вательно, для физической адсорбции при высоких тем-
пературах заполняется меньшая часть поверхности и
величина 0 мала.
При наличии конденсации из пара величину адсорб-
ции можно рассматривать как бесконечность. Процессу
конденсации предшествует полимолекулярная адсорб-
ция.
Полимолекул ярную адсорбцию можно рассмотреть
с тех же позиций, что и одномолекулярную адсорбцию:
лар +свободная поверхность^единичный комплекс;
пар + единичные комплексы ^двойные комплексы;
6*	83
пар + двойные комплексы стройные комплексы и т. д.
0', 0", 0"'---доли поверхности, покрытые единичными,
двойными, тройными и т. д. комплексамй. Тогда общая
величина адсорбции
ac=am(0/+0,' + 0",+0L).	(5-16)
Выражения для констант равновесия соответствую-
щих реакций:
К'ад
К"ал
. в
Р90 ’
0”
Рв' ’
(5-17)
К'"аД
Рв" *
Константы К"вд; К"'аЯ ... также не равны друг другу,
однако разница между ними много меньше, чем у /Сад
и К"ад- Поэтому для приближенного описания полимо-
лекулярной адсорбции можно принять, что
К"аД^К"'ад^...^Л7)	(5-18)
где Къ — константа равновесия насыщенный пар—кон-
денсат (константа конденсации), равная 1/РНас- Для
равновесия конденсат—пар КР=РЯас, для равновесия
пар — конденсат
KL = ~^
L 1\р
Введя обозначения
п п Р 1
нас
^ац__
KL
получают уравнение полимолекулярной адсорбции Бру-
науэра, Эммета и Теллера (сокращенно БЭТ)
н ас п	//	р
~ нас	Л£	г Нас
ДтС
ас —
(5-19)
И
1 — р I 1 Т ~ Ч р
\	• нас J [	~нас
В соответствии с уравнением (5-15)
17, _.-ычкт
84
где — ДЯ'— теплота адсорбции в первом слое, и уравне-
нием Клаусиуса—Клайперона
KL = P^=gLe~"H^IKT	(5-20)
получим:
C = ge-^H^T.	(5-21)
где g=g'lgL-
Таким образом, при полимолекулярной адсорбции
паров так называемая собственная теплота адсорбции
равна (—ДЯ+ДЯКонд).
При малых значениях Pi Рте. и С3> 1 уравнение БЭТ
(5-19) преобразуется в уравнение Лангмюра (5-12). При
заполнении первого слоя теплота адсорбции почти по-
стоянна (ДЯ7^—40 Дж), (ДЯЮнд=30 Дж), собственная
теплота адсорбции (—ДЯ+ДЯКОНд^—10 Дж).
При полимолекулярной адсорбции теплота адсорб-
ции близка к теплоте испарения (конденсации) ДЯКОнд-
Глава шестая
ПРОЦЕССЫ ЗАРОЖДЕНИЯ И РОСТА СЛОЕВ
Термодинамика и кинетика процессов испарения я
конденсации, рассмотренные выше, теоретически опре-
деляют состав пленок и слоев. В той же мере механизм
зарождения и роста пленок определяет характер их
кр иста л ли ч ес ко й стр уктур ы.
Под зарождением обычно понимается возникновение
зародышей новой фазы (обычно твердой или жидкой)
из другой паровой, жидкой или твердой фаз. Рост слоя
происходит уже после возникновения зародышей за счет
их увеличения и слияния с образованием сплошной плен-
ки. Последующий рост идет с утолщением этой пленки
и образованием сплошного слоя осаждаемого вещества.
Естественно, что структура образующейся пленки на-
следует то состояние, которое создалось при зарождении
и. последующем росте зародышей. Так большая частота
зарождения и маленькие размеры зародышей способст-
вуют образованию мелкозернистой структуры и, наобо-
рот, малая частота зарождения и большие размеры за-
родышей приводят к созданию крупнозернистых пленок.
Тоскольку структура пленок и слоев является одним из
важнейших их характеристик, то понятно, какое боль-
85
шое значение .приобретает изучение механизма этих про-
цессов с целью управления ими.
Сегодня еще нет единой теории зарождения и роста,
которая удовлетворительно бы объясняла нее наблюда-
емые явления и давала количественное описание про-
цесса. Наиболее широкое признание получили термоди-
намическая теория Гиббса — Фольмера, основанная на
термодинамических условиях образования новой фазы,
и статистическая теория Я. М. Френкеля, развитая
в дальнейшем Родиным. Обе эти теории не исключают,
а удачно дополняют друг друга. Ниже излагаются хотя
и несколько упрощенные, но достаточно 'Строгие модели
обеих теорий зарождения и роста пленок.
6-1. Гомогенное зародышеобразование
Процесс зародышеобразования заключается в воз-
никновении и росте агрегатов молекул (предполагается,
что они имеют структуру кристаллизующегося твердого
вещества) в результате протекания последовательных
бимолекулярных реакций по схеме
+	р.,;
^4-рч-рч;	(61)
^Л- I Н- Рч Рл»
Нп. + р-1^Нл+1.
где агрегат, содержащий п молекул, рассматривается
как зародыш критического размера, который в общем
случае будет расти, а не уменьшаться. Другие механиз-
мы образования зародышей, например путем одновре-
менного столкновения п молекул или столкновения не-
скольких агрегатов размерами меньше критического,
считаются маловероятными, и поэтому ими можно пре-
небречь.
Образование сферического зародыша новой фазы,
содержащего п молекул, сопровождается определенным
изменением свободной энергии AG0,, связанным с появ-
лением определенного объема (второй фазы и поверхно-
86
СТй рйздёла фаз:
=	(6-2)
dG°i
ПРИ -й~=в:
^Х== 1п Л^пер_А = дОо	(6-3)
w	V к г'равн J>
или	х
А0.=	(6-4)
где Дб» — изменение термодинамического потенциала
при конденсации, практически равное энергии испаре-
ния; а—поверхностная энергия; г —радиус сферическо-
го зародыша; V — молекулярный объем; Риер — давление
пересыщенного пара; Рравя — равновесное давление па-
ра, соответствующее температуре конденсации Т; А/|
и N f — числа молекул,
падающих на поверхность
конденсации и испа-
ряющихся с нее соответ-
ственно; i — число атомов
в агрегате.
Следовательно, урав-
нение (6-2) можно пред-
ставить в виде
ДО0/ = 4w5a4--y- w1^Ga0.
Рис. 6-1. Зависимость свободной
энергии ДО изотермического обра-
зования зародыша от размера за-
родыша для различных темпера-
тур конденсации T0>Tl>Ti>Tz.
(6-5)
График этого уравне-
ния для различных тем-
ператур представлен на
рис. 6-1. Он показывает,
что свободная энергия об*
разования зародыша ра-
стет с увеличением г до
определенной величины
Дбир при г=Гкр (i=i*Kp) и
затем быстро убывает. Агрегаты с радиусом г<УКр счи-
таются нестабильными, а с г>1гкр стабильными зароды-
шами новой фазы, так как последним соответствуем
уменьшение свободной энергии.
I«— число атомов в зародыше.
87
Велйчййы Гкр и Дйкр Можно найти, определив Майей-
dGQi
мум функции (6-5), т. е. из условия =0:
гкрит= Д6Г’	(6-6)
Эти соотношения были «первые получены Гиббсом.
Критический радиус имеет порядок величины для
различных веществ от 10-9 до 5-10-9 м.
Число молекул в критическом зародыше можно по-
лучить, разделив его объем на атомный объем Уа:
4^3кр
3Va
(6-8)
Скорость образования зародышей 13 можно выразить
следующим образом:
/з==5кр(ои1*,	(6-9)
где 5кр — поверхность критического зародыша; о — час-
тота столкновений молекул с этой поверхностью; щ —
число агрегатов на единице поверхности, т. е. равновес-
ная поверхностная концентрация агрегатов.
Величина гц определяется по изотерме Вант-Гоффа
th = л, ехр
Д(?крит\
~ kT J
(6-10)
где Hi — число молекул.
Частота столкновения ы определяется величиной по-
тока молекул в единицу времени на единицу поверхно-
сти согласно уравнению (3-19)
у___ а* (Рti Pk)
Vlnmkt
(6'11)
Следовательно, скорость образования зародышей равна:
Ц = Лк (4№кр) 
( д^кр
л,ехр( -^г-
Уравнение (6-12) не учитывает ряда факторов и по-
этому является лишь первым приближением к действи-
тельной ситуации.
88
Например, не всякое столкновение молекулы с агре-
гатом ведет к конденсации ее и внедрению в агрегат.
Следовательно, выражение (6-12) 'Следует умножить иа
так называемый равновесный фактор Z, учитывающий,
какая доля из подающих молекул конденсируется.
В обычных экспериментах Z имеет величину около 10-2
и определяется 'Соотношением
7___ ( Д°КР \ 2 ,
и, следовательно,

(6-14)
Все изложенное выше относится к гомогенному об-
разованию зародышей, которое чрезвычайно редко реа-
лизуется на практике.
6-2. Гетерогенное зародышеобразование
Модель гетерогенного образования зародышей отли-
чается только тем, что вводится геометрический фактор,
определяемый величинами межфазового взаимодействия
в системе подложка — зародыш — пар или подложка —
Рис. 6-2. Различие конфигура-
ции зародышей новой фазы,
учитываемые геометрическим
фактором.
1 — сферический сегмент; 2 — дис-
кообразный многогранник; 3 — усе-
ченная пирамида.
зародыш — жидкость. Если свойства зародыша изотроп-
ны, 'образуется куполообразный зародыш, если анизо-
тропные— образуются другие конфигурации зародышей,
как это показано на рис. 6-2. Геометрический фактор
вводится в уравнение (6-2) в виде функции величины
межфазовой поверхностной энергии и контактного
угла ср
Д60=сг/:пов((р)+АСфб(ф).	(6-15)
89
Величина <р определяется равновесием поверхностных
энергий по уравнению Гиббса
Оподл—пар^СТконд—подл "ЬСТконд—пар'COS ф, (6-16)
где /пов(ф) и /об(ф) находятся из геометрической конфи-
гурации зародыша; ст — удельные межфазовые свобод-
ные энергии поверхностей раздела: подложка—пар,
конденсат — подложка и конденсат— пар соответст-
венно.
Рис. 6-3. Куполообразный зародыш на подложке.
/ — пар; 2 — куполообразный зародыш; 3 — твердая подложка; Oi и Са — ско-
рости потоков атомов к подложке и зародышу; th — скорость поверхностной
диффузии.
Нетрудно видеть, что для куполообразного зародыша
(рис. 6-3)
ДО.= 4^“ (?) oKOM_nMJI + 4WCB(<p)aKOH„_nap +
+4-W«^(T)AGo,	(6-17)
где fj0B — поверхность соприкосновения зародыша с под-
ложкой; fj™ — поверхность соприкосновения зародыша
с паровой фазой; объем’зародыша.
Свободную энергию 1критического зародыша AGKp
получим, найдя максимум уравнения (6-15):'
AGKP=^ м’конд-пар/А0*» (<р);
__ (2 +cosy) (1 — cosy)*.
(6-18)
(6-19)
Функция контактного угла fi(cp), представленная на
рис. 6-4, характеризует взаимодействие конденсата
с подложкой. При ф-•>0, ^4(ф)-И), ДОкр-^О и образование
90
зародышей облегчается. При <р->-
-*180°, /(<₽)->!, ДОкр растет до
максимума и образование заро-
дышей затрудняется (случай го-
могенного зарождения новой фа-
зы). Следовательно, уравнение
(6-2) является предельным слу-
чаем образования зародышей,
когда оно протекает с Макси-
мальной трудностью. Другими
словами, свободная энергия ге-
терогенного образования заро-
дышей всегда меньше свободной
Рис. 6-4. Функция кон-
тактного угла <р для ку-
полообразного зародыша.
энергии гомогенного зарождения.
Другое отличие гомогенного и ге-
терогенного роста зародышей со-
стоит в механизме их. роста.
В первом случае имеет место только один механизм —
рост за счет реакции поверхности с паровой фазой v3.
Во втором случае преобладает рост за счет поверхност-
ной диффузии 02, т. е. v3 и только при очень низких
температурах подложки Оз>У2-
Скорость гетерогенного образования зародышей бу-
дет равна:
Л .п = <W(?)'4w”kp Г-—г
L &MkT) 2
пехр^^^-у (6-20)
Частота появления зародышей при преобладании по-
верхностной диффузии будет раина:
Л.д=®=л215Гкра sin <р Г/V exp (
(6-21)
В формулах п — концентрация молекул, адсорбирован-
/ДОП „ \
ных на поверхности; а—длина скачка; /vexp/	1—
частота скачков на поверхности диффузии; / — обратная
величина числа возможных направлений скачков; v~-
частота поверхностных колебаний; Дбп.д— свободная
энергия активаций" поверхностной диффузии; ДСк.п—
свободная энергия конденсации из пара.
91
Естественно, что при температурах подложки, когда
реализуются оба механизма образования зародышей:
прямым осаждением из пара и путем поверхностной
диффузии, скорость образования зародышей выразится
суммой уравнений (6-20) и (6-21):
4=«»4»rwехР (-^г-) +
-ф-2ттгКрП1аsin<р p'vexp^—~й7°	.	(6-22)
В обычных условиях осаждения пленок для общего
случая уравнение (6-22) удобно представить в виде
Г — (Дбкп + А6\.. + n + n) 1
9	*•	I х KU *	А । Lt«Д, I	«SiLLZ I
J8 = C/vexp -------------------I •
(6-23)
Рис. 6-6. Зависимость частоты
зарождения Ja от степени пере-
сыщения N^/Nj.
где /3— частота зарождения; С — константа, в которую
входят величина критического зародыша и другие гео-
метрические факторы; AGKp, Абад, Абп.д, AGK.n— свобод-
ные энергии критического
зародыша, адсорбции, акти-
вации поверхностной диф-
фузии адсорбированных ато-
мов и конденсации соответ-
ственно.
Выражение (6-23) ука-
зывает на сильную зависи-
мость частоты зарождения
/3 от энергетических харак-
теристик процесса зарож-
дения пленки и,следователь-
но, от условий осаждения.
На рис. 6-5 приведен общий
вид зависимости частоты за-
рождения от скорости кон-
денсации, которую можно
характеризовать и величи-
ной пересыщения
Рост критических (и докритических) ’зародышей за
счет поверхностной диффузии возможен только в слу-
чае, когда температура подложки достаточно высока
(АОп.д^ЛТ). При низких температурах, т. е. когда про-
изведение частоты скачков поверхностной диффузии на
92
длину диффузионного пробега а меньше (2лйТ/ т),/4,
адсорбированные атомы можно считать локализован-
ными, поверхностная диффузия исключается и рост про-
исходит за счет механизма v3. Тогда
(б-24>
т. е. процесс роста зародыша происходит за счет пря-
мого добавления атомов из пара.
6-3. влияние технологических факторов
на структуру пленок
Из уравнений (6-6) и (6-23) видно, что размеры
критического зародыша и энергетический барьер за-
рождения зависят от значений поверхностной энергии,
контактного угла, температуры и скорости конденсации,
энергии активации поверхностной диффузии. Все эти
характеристики могут рассматриваться как технологиче-
ские параметры процесса и исходных материалов, и по-
этому рассмотрим более подробно их влияние на стадии
зарождения и образования первых (моноатомных)
слоев.
При большом размере агрегатов пленка будет со-
стоять из нескольких крупных агрегатов, что связано
с большими величинами гИрит и энергетического барьера,
а малое количество зародышей связано с низкой ско-
ростью зарождения.
Напротив, пленка, образованная при низком энерге-
тическом барьере, должна иметь малый критический
радиус гКр и высокую скорость зарождения /3. Пленка,
состоящая из большого числа мелких островков, вр-пер-
вых, становится сплошной при относительно малом зна-
чении средней толщины, поскольку зародыши уже на
ранних стадиях процесса осаждения соприкасаются и
срастаются; и, во-вторых, будет иметь более мелкодис-
персную структуру, чем пленки с большим гНрит и ма-
лым /3. Это, в свою очередь, будет сказываться на элек-
трических свойствах полученных слоев. Таким образом,
анализ влияния технологических параметров на гКрит,
Абкрит и 7а может в первом приближении дать ответ на
характер их взаимного влияния и связь с электронными
свойствами полученных слоев.
93
Природа вещ е с т в а пленки и подложки
сказывается на размерах критического зародыша через
величину поверхностной энергии ст, поскольку она яв-
ляется характерным свойством этих веществ. При за-
данных температурах испарения и конденсации сущесг-
венную роль оказывает еще одно свойство вещества —
давление насыщенных ларов. Рассмотрим процесс оса-
ждения каких-либо двух металлов, например алюминия
и вольфрама, на стекле при комнатной температуре.
Для вычисления размеров критических зародышей
согласно (6-6) необходимо знать: поверхностную энер-
гию, давление насыщенных паров, соответствующее за-
данному потоку частиц на подложку и от под-
ложки, и геометрию зародыша.
Допустим, что осаждение и алюминия, и вольфрама
будет протекать при одной скорости потока: один атом
металла (в секунду) на площади, равной сечению одно-
го атома подложки. Это будет соответствовать скорости
осаждения около 1015 атом/(см2-с) при коэффициенте
конденсации а, равном единице. Давление насыщенных
паров серебра, соответствующее такому потоку, Р будет
равно 133-10-4 Па, что соответствует температуре ис-
парения около 930 К.
При температуре 300 К давление насыщенных паров
алюминия Ре— 133• ГО-38 Па. Для вольфрама Р=133Х
Х10-’4 Па соответствует температуре испарения около
2500 К, а Ре—133-1Q-48 Па. В качестве формы зароды-
ша примем полусферу. При этих данных диаметры кри-
тических зародышей для алюминия и вольфрама соот-
ветственно составят 4,5-10-9 м и 1,4-10_ 10 м.
Такое большое различие в размерах критических за-
родышей обусловлено чрезвычайно большим пересыще-
нием при осаждении вольфрама <N\)N\ = 1044 и других
металлов с низкими значениями Ре- Для этих металлов
пленка при осаждении практически сразу 'становится
сплошной, тогда как для алюминия, серебра, золота
(гкр=3-10-9 im) и др., прежде чем пленка станет сплош-
ной, успевают образоваться довольно крупные агрегаты.
Сопоставление рассмотренных примеров указывает
на очень сильную зависимость гКр от природы осаждае-
мого материала и особенно такого их свойства, как ле-
тучесть, которая уравнением (3-13) связана с теплотой
испарения. Поскольку теплота испарения связана с точ-
кой кипения правилом Трутона (А5исп=А^исп/7'кип~22),
94
где 5Исп — энтропия испарения, можно заключить, что
материалы с высокой температурой кипения обладают
большим значением AGV. Следовательно, размеры кри-
тических зародышей должны уменьшаться с повыше-
нием температуры кипения вещества пленки. Поэтому
у металлов с высокой температурой кипения (W, Мо,
Re, Та, Ni, Gr и т. п.) даже очень малые зародыши яв-
ляются стабильными.
С другой стороны, у металлов с невысокой темпера-
турой .кипения (цинк, кадмий, серебро, золото и т. п.)
зародыши должны достигать значительной величины,
прежде чем они становятся стабильными. С повышением
размеров их устойчивость повышается.
При срастании этих агрегатов между ними форми-
руется граница зерен. Следовательно, размер зерен об-
разующейся пленки определяется величиной критиче-
ских (и оверхкритических) зародышей. В свою очередь,
как подчеркивалось выше, структура пленки оказывает
влияние на ее физические свойства.
Конечно, окончательные размеры зерен зависят и от
режимов последующей обработки пленки, например от-
жига их при определенных температурах, времени, дав-
лении и т. и. Но здесь мы эти вопросы не рассматри-
ваем, так как они относятся к курсу материаловедения.
Исследование структуры тонких пленок показало, что
как материалы подложки и испаряемого вещества, так
и условия проведения процесса ответственны за образо-
вание дефектов структуры в пленках.
Из приведенных выше соотношений видно, что раз-
мер критических зародышей резко снижается, если под-
ложка имеет сильное сродство к осаждаемому мате-
риалу или большую свободную энергию. Например, если
в качестве подложки используется металл, для которого
о=1,5 Дж/м2, то в приведенном выше примере с осаж-
дением алюминйя гкр может иметь значение, близкое
к нулю, что указывает на отсутствие энергетического
барьера даже для металлов с высоким значением давле-
ния насыщенного пара. Это позволяет ожидать образо-
вание сплошных пленок при нанесении всего несколь-
ких моноатомных слоев при расчете на среднюю толщи-
ну пленок.
Это свойство процессов осаждения часто использует-
ся в технологии интегральных схем для создания под-
слоев при получении пленок из материалов, имеющих
 '	95
малое 'сродство к подложке или, как говорят, плохую
адгезию к подложке. При этом сначала напыляют ка-
кой-либо материал с высокой &Наса и xoipoinefi адгезией
к подложке (например, хром) и уже на него напыляют
основной металл, который будет осуществлять ту или
иную заданную электрическую функцию.
Влияние температуры подложки. Зависимость раз-
мера критического зародыша от температуры получим,
продифференцировав выражение (6-6) по температуре:
_ тг Ы.-----------------S3?--------'	<6-25’
Используя типичные средние значения для металлов
алз 1 Дж/м’;
-^^ДЗисп=«8,8.10> Дж/(м«-К);
ДжДм’-К),
получаем:
/ дгко \
(-3^-	>0,	(6-26)
если |AG0| < 1,64-1010 Дж/м3, что имеет место прак-
тически во всех 'Случаях, когда имеется барьер зарожде-
Рис. 6-6. Зависимость среднего
расстояния между островками от
температуры для пленок серебра
на слюде при скорости осаждения
ЛЮ-10 м/сек и средней толщине
пленки 1-Ю-8 м.
1 — термическое испарение; 2 — катод-
ное распыление.
НИЯ.
Следовательно, увели-
чение температуры под-
ложки ведет к увеличе-
нию гкр и сохранению
островковой структуры до
более высоких значе-
ний  средней толщины
осадка.
На рис. 6-6 приведе-
на зависимость плотности
островков (в величинах
среднего расстояния меж-
ду ними d\) для процес-
сов термического испаре-
ния и катодного распыле-
ния. Наклон кривых дает
величину АСп.д-
96
Аналогичным путем, дифференцируя AG^tp по тем-
пературе, получаем:
аТК1Ч >0.	(6-27)
Поскольку частота зарождения Л экспоненциально
связана с AGUKp [см. уравнение (6-23)], то скорость
возникновения агрегатов сверхкритических размеров
быстро убывает с ростом температуры. В этом случае
для создания сплошной пленки потребуется более про-
должительное время.
Влияние скорости осаждения на величины гКр и Gr Кр
обусловлено тем, что эта скорость тесно связана с ве-
личиной AG-u по уравнениям (6-3) и (6-4). При увеличе-
нии (или РПер) &GV возрастает. А поскольку поверх-
ностные энергии подложки и границы раздела не зави-
сят от ЛЦ, то будем иметь:
(6-28)
/ ддб'о кр
к~Элц~
Следовательно, рост скорости осаждения приводит
к уменьшению размеров зародышей и увеличению ско-
рости их возникновения /3. Поскольку зависимость AGV
от является логарифмической, то это влияние будет
сказываться очень резко.
В более поздних исследования\ отмечалось, что по-
вышение скорости осаждения в определенном интервале
около (1 я-2) 10_9 м/с может приводить и к увеличению
критических зародышей. Это показывает, что .зависи-
мость гКр от /V| более сложная, чем это описывается
рассмотренной классической теорией.
Влияние поверхностной диффузии на размер крити
чеокого зародыша аналитическою выражения не. имеет.
Однако скорость образования критических зародышей
должна зависеть от способности адсорбированных ато-
мов диффундировать и сталкиваться друг с другом.
Согласно уравнению (6-23) эта скорость уменьшается
экспоненциально с увеличением энергии активации по-
верхностной диффузии. Если энергия активации поверх-
ностной диффузии велика, то диффузия будет протекать
медленно и зародыши будут расти только за счет столк-
новения их с атомами паровой фазы. Энергию актива-
ции диффузии часто принимают равной 1/4 энергии ак-
7—*44	?7
тивации десорбции в газовую фазу, т. е.
Дбп.д^Ц-Дбад.
Поскольку энергия связи осаждаемых атомов с под-
ложкой (т.е. Абад), как было показано выше, очень силь-
но влияет на гкр и Абкр, го для неоднородных поверхностей
подложек Абад может заметно изменяться от участка
к участку. Это приведет к различным значениям гКр и
Абкр на разных участках подложки. Все это окажет
вредное влияние на однородность осаждаемой пленки.
Вот почему в технологии ИМС необходимо иметь под-
ложки с весьма однородной и чистой поверхностью.
Некоторые типичные значения величин энергий ад-
сорбции Абад для некоторых металлов приведены ниже..
Адсорбируемый металл	Подложка	Энергия адсорб- ции. Дж
Ва	W	6,08
W	W	9,33
А1	NaCl	9,6
Си	Стекло	2,24
6-4. Рост пленок
В микроэлектронике используются пленки, реальная
толщина которых во многих случаях больше, чем высо-
та купола критических и закритических зародышей. По-
этому возникает необходимость рассмотреть не только
зарождение, но и развитие пленки — ее рост, после того
как пленка стала сплошной, т. е. после исчезновения
островковой структуры. Здесь возникает несколько воп-
росов: во-первых, насколько серьезное влияние оказы-
вает механизм зарождения на дальнейшую структуру
пленки, на образование дефектов структуры, границ зе-
рен, дефектов упаковки, двойниковых границ, вакансий,
дислокаций и др.; во-вторых, какое влияние оказывают
механизм роста пленок и различные параметры состоя-
ния на изменение или повторение структуры, появив-
шейся в процессе зарождения; в-третьих, как можно
влиять на изменение структуры с целью улучшения их
электрофизических свойств.
Характер дефектов и способы их возникновения
в монокристаллических пленках являются типичными
для любых — как моно-, так и поликристаллических.
98
Однако в последних относительно большое место зани-
мают и границы зерен.
Рассмотрение роста монокристаллических эпитакси-
альных пленок позволяет выявить, кроме первичных де-
фектов структуры, вызванных условиями зарождения,
и вторичные дефекты, появляющиеся уже в процессе
роста, — это дислокационные петли, дефекты упаковки
и точечные дефекты.
Наиболее часто встречающимися дефектами в плен-
ках являются дислокации.
Концентрация дефектов условно характеризуется
плотностью дислокаций, измеряемой числом их на 1 см2.
Эта величина в эпитаксиальных пленках металлов до-
стирает нередко значений Ю10—ГО11 см-2.
В полупроводниковых эпитаксиальных пленках, ис-
пользуемых в производстве ИМС, плотность дислокаций,
как правило, имеет значение 10—104 см-2.
Причины появления дислокаций многообразны.
Пленки формируются в процессе осаждения. Ранее оса-
жденные слои могут покрываться последующими до
того как будет достигнуто термическое равновесие
с предыдущим слоем. При этом в слой может захваты-
ваться большое количество вакансий. Этот процесс усу-
губляется, если температура, при которой падающие на
поверхность кристалла атомы будут замораживаться
в его решетке, значительно выше, чем фактическая тем-
пература подложки. В этом случае имеющейся тепловой
энергии может не хватить для того, чтобы обеспечить
: миграцию атомов по по-
верхности или каким-то
иным образом изменить
положение атома относи-
тельно соседей. Такие
атомы будут оставаться
в тех местах, куда они по-
пали при соударении с
поверхностью, а посколь-
ку их распределение но-
сит случайный характер,
то естественно, что они
; будут вносить разупоря-
доченность в структуру
 осаждаемой пленки. Этот
процесс будет стимулиро-
Рис. 6-7. Схематическое изображе-
ние поверхности кристалла с час-
тично заполненным одноатомным
слоем.
/ — адсорбированный атом; 3 — атом,
взаимодействующий со ступенькой н
диффундирующий вдоль нее; 3, 4 —
атомы, закрепленные на ступеньке;
б — атом в поверхностном слое.
«7*
99
Ьаться наличием примесей в пленке и на ее поверх-
ности, неоднородными поверхностными свойствами
предыдущего слоя, низкой температурой конденсации
и т. д.
Поскольку возникла сплошная пленка, то ее рост
следует рассматривать с позиций роста кристаллов.
Механизм этого роста (рис. 6 7) включает адсорбцию
атомов из паровой фазы преимущественно па гранях
с малыми индексами, поверхностную диффузию к сту-
пеньке, взаимодействие со ступенькой, диффузию вдоль
ступеньки и присоединение к кристаллу в месте излома.
Равновесия, которые сущее твуют между различными
положениями атомов, таковы:
(6-29)
где М— концентрация атомов соответствующего типа;
Рм« - давление осаждаемого компонента в газовой фа-
зе; v — скорости указанных стадий процесса.
Скорость каждой из стадии можно описать уравне-
ниями:
Vi = bN2v exp [	~
Vi ~ bPwNtv exp
Щ  /V,vexp ( - j
'"°Me
yf ---------- ;
(6-30)
/ AG,
Vi bN2v exp -------
(‘2nMRT)'/2 ’
где b — длина ступеньки на единицу площади; v — ча-
стота колебаний атомов, находящихся на поверхности
(около 1013 с-1); Pw— вероятность данного направления
движения атома при его случайном блуждании по по-
верхности ('/о для плотно упакованных плоскостей);
100
No— число позиций атомов на единичной поверхности
и длине ступеньки; Ni — равновесные концентрации
атомов в молях; ДО — свободная энергия соответствую*
щей стадии.
Таким образом, нетрудно видеть, что задача о росте
пленки сводится к выявлению преобладающей стадии
роста при тех или иных задаваемых условиях. Напри-
мер, для случая, когда преобладает поверхностная диф-
фузия v2, а диффузией по ступеньке щ можно прене-
бречь, уравнение непрерывности для адсорбированных
атомов примет вид:
(2ЯЛГЛГ)Г/2 “^*veXP ( RF~)-Ds ~д&~> (6‘31)
где Nt — концентрация адсорбированных атомов; х —
координата движения частицы.
Выражение (6-31) является кинетическим уравнением
роста пленок.
Образование зародышей при химическом осаждении
отличается от процесса зарождения при конденсации
в вакууме тем, что появляются дополнительные влияю-
щие факторы. К ним относится наличие адсорбирован-
ного слоя более сложного состава, чем при конденсации
в вакууме, и, главное, возможность более плавного регу-
лирования степени пересыщения путем изменения тер-
модинамических и кинетических параметров химической
реакции. Например, при осаждении эпитаксиальных
пленок кремния можно в широких пределах менять сте-
пень пересыщения, регулируя режимы реакций осажде-
ния и травления таким образом, чтобы общая скорость
потока частиц на подложку / отвечала оптимальным
условиям зарождения и роста эпитаксиальных слоев.
Таких условий при осаждении вакуумным испарением
практически достигнуть не удается, так как для этого
температуру подложки нужно было бы поддерживать
всего на 100—200°С ниже температуры испарения, а это
технически трудно осуществимо для многих веществ.
6-5. Эпитаксиальный рост пленок
Осаждение монокристаллических пленок на моно-
кристаллические подложки — эпитаксия1 занимает важ-
* Эпитаксия — образовано от греческих слов «эпи», что значит
«над», и «тейнен» — глагола прошедшего времени, означающего
«располагать».
101
ное место а технологии полупроводниковых интеграль-
ных схем. Однако и в понимании механизма роста пле-
нок эпитаксиальные процессы осаждения также играют
большую роль.
Эпитаксиальная пленка когерентна со структурой
подложки, т. е. повторяет эту структуру, но это повто-
рение может быть совершенным и несовершенным.
Такая пленка может «наследовать» дефекты подложки
или «залечивать» эти дефекты в зависимости от условий
осаждения и обработки ее.
Независимо от исходной подложки после того, как
получен первый сплошной слой пленки, встает вопрос
о характере зарождения на этой пленке. Если рассмат-
ривать рост отдельного кристаллита на атомарном уров-
не, то он может быть как эпитаксиальным, так и неэпи-
таксиальным. От чего зависит тот или иной механизм
роста пленки? Для анализа используем опять модель
образования куполообразного зародыша, подробно опи-
санную выше.
Согласно уравнению (6-18) свободная энергия обра-
зования зародыша равна:
Но при осаждении пленки на предыдущий слой того
же материала можно принять 0 = 0 тогда и f(0)=O и
Д6Кр=О. Следовательно, энергетический барьер отсутст-
вует, т. е. отсутствует система зародышей или стадия
образования зародышей, и конденсирующиеся атомы на
поверхности непосредственно включаются в структуру
растущего осадка. В этом случае классическая модель
образования зародышей макроскопических размеров
казалось бы не применима к зарождению микроскопи-
ческих агрегатов и механизм роста будет такой, как
описан в предыдущем параграфе.
Рассмотрим отношение скорости образования заро-
дышей некоторой благоприятной (эпитаксиальной)
ориентации Л, характеризующейся контактным углом 0b
к скорости образования зародышей неблагоприятной
(неэпитаксиальной) ориентации J2, характеризующей-
ся 02.'
(3 = 4^.	(6-32)
’’г
t
где р—коэффициент благоприятной ориентации.
102
В общем случае существует множество неблагопри-
ятных ориентаций, поэтому условие эпитаксиального
образования зародышей выражается как
(6-33)
Для заданной совокупности технологических усло-
вий все параметры, входящие в уравнение скорости оса-
ждения, можно определить
Лр = С A exp f (0) А0дес-ДД«Ф-А2\^,	(6-34)
где 7кр — поток при критических параметрах.
Свободные энергии десорбции, поверхностной диффу-
зии и конденсации не зависят от 0 и одинаковы для
образования зародыша любого типа.
Поэтому
- f (0,)]}-	(6-35)
Это выражение получено из скоростей роста зароды-
шей закритического размера.
Скорость роста определяется также произведением
числа атомов, примыкающих к этому зародышу,
«i2nrKp(sin В)а на частоту диффузионного перескоса, т. е.
У, = (sin 9) av exp ( _ А£ди.Ф + А5ад + д/?кр), (6-36)
\	kT J
где а — расстояние между позициями зародышей на
подложке. По предположению, для эпитаксиальной
ориентации Стконд-подл относительно мало, следователь-
но, 02>01 и
f (б)»>/(6=);
о AGKp 16ка’
/(0).
(6-37)
При увеличении температуры Дбг уменьшается быст-
рее, чем Т, и величина В растет. Соответственно увели-
чивается р, что благоприятствует эпитаксии.
Рассмотрим зависимость |3 от температуры подлож-
ки. Поскольку В при этом растет, то р увеличивается.
Кроме того, поверхностная диффузия, увеличивающаяся
с ростом температуры, будет способствовать перескоку
103
атомов в состоянии с меньшей свободной энергией,
а эпитаксиальному росту должен соответствовать мини-
мум свободной энергии.
Анализ зависимости 0 от AGt, можно получить, если
продифференцировать (6-35)
Й£=Ф («.) - /О,И зж=IZ<«,) - f («,)1 -дайг (6-38)
по мере увеличения |AGt,| величина 0 уменьшается тем
быстрее, чем ниже Т.
Температурная зависимость 0, полученная из рас-
смотрения модели куполообразного зародыша, в общем
виде будет справедлива для любой другой модели оса-
ждения эпитаксиальных слоев из пара. И только при
химическом осаждении из парогазовой смеси могут на-
блюдаться другие закономерности. В дальнейшем (гл. 8)
мы подробнее остановимся на эпитаксии и рассмотрим
ее закономерности.
Мы постарались рассмотреть лишь, основные аспек-
ты теории зарождения и роста пленок, не вдаваясь
в тонкости и детали проблемы. Сама эта теория еще
далека от своего завершения и поэтому к окончатель-
ным ее выводам следует относиться критически, исполь-
зуя их только как рабочие гипотезы при рассмотрении
и анализе технологических процессов.
В последние годы ведется много исследований, на
правленных на подтверждение или опровержение тех
или иных положений теории зарождения и роста. 'Гем
не менее изложенные в этой главе данные позволят
более сознательно определять взаимозависимость тех-
нологических параметров процессов осаждения пленок.
Глава седьмая
ДИФФУЗИОННЫЕ ПРОЦЕССЫ В ТЕХНОЛОГИИ
ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМ
7-1. Основные законы диффузии
Ряд технологических процессов в производстве инте-
гральных микросхем основан на непосредственном со-
прикосновении различных фаз и переходе при этом соот-
ветствующих компонентов из одной фазы в другую или
перемещении компонентов в пределах одной фазы.
W4
Примерами таких процессов могут служить: процес-
сы создания заданных профилей концентраций в полу-
проводниковой пластине направленной диффузией леги-
рующей примеси, процессы осаждения слоев из жидкой
и газовой фаз, процессы сварки и пайки, процессы от.
мывки и сушки и др. Во всех этих процессах происходит
перемещение компонента из одной фазы в другую или
внутри одной фазы, которое называется диффузией.
Диффузия протекает в результате стремления системы
достигнуть физико-химического равновесия, т. е. до тех
пор пока химические потенциалы компонентов фазы р
во всех частях ее станут равными (для однородной си-
стемы). Для двухфазной системы—до тех пор, пока
химические потенциалы компонентов в соприкасающих-
ся фазах станут равными:
Ц.(7-1)
где |л\ и ц", — химические потенциалы компонентов- I
в фазах I и II.
Технология интегральных схем широко использует
явления диффузии в твердой среде для создания слоев
с определенными градиентами концентраций электри-
чески активных примесей в полупроводниковом кристал-
ле. Поверхность полупроводникового кристалла являет-
ся как бы «передней дверью», через которую проходят
атомы примеси для того, чтобы продиффундировать
в решетку кристалла и образовать структуры с задан-
ной концентрацией носителей зарядов р- или я-типа.
Изучение диффузии в твердых телах сводится к опре-
делению скорости и механизма диффузии в кристалли-
ческой решетке. Задачи по диффузии можно грубо
разделить на две категории. Первый круг задач рас-
сматривает кинетику перемещения диффузанта без
рассмотрения механизма процесса. Предполагается, что
он не играет существенной роли. Вторая категория за-
дач связана с изучением атомного механизма диффузии,
т. е. взаимосвязи между беспорядочным перемещением
атомов в близлежащие места кристаллической решетки
И макроскопическим потоком вещества, определяемым
экспериментально.
Законы диффузии выведены из известных положе-
ний о том, что атомы вещества перемещаются из обла-
сти с высокой концентрацией в область с более низкой
105
концентрацией. Результирующий поток атомов прекра-
щается, когда исчезает градиент концентрации.
При условии, что ось X параллельна градиенту кон-
центрации, уравнение для потока вещества будет иметь
вид:
° (!?),
где 7— поток вещества, проходящий через единицу пло-
щади в любой момент времени т; dCfdx— градиент
концентрации, перпендикулярный этой плоскости в тот
же момент времени; D — константа, равная потоку
с обратным знаком при <ЭС/<Зх = 1, называется коэффи-
циентом диффузии.
Уравнение (7-2) является математической формули-
ровкой первого закона диффузии.
При <ЭС/дх=О, 7 = 0, т. е. отсутствует результирую-
щий поток при отсутствии градиента концентрации.
Размерность величин, входящих в уравнение (7-2),
по определению
г  смг /г/см* X
сма-с	с \ см J’
следовательно, размерность для D будет см2/с.
Для диффузии в газах удобнее вместо концентраций
использовать парциальные давления компонента Р,.
Для идеальных газов C^Pi/PT.
Тогда уравнение (7-2) для газовых смесей запишется
в виде
<7-3>
Используя выражение (7-2), можно вывести основ-
ное уравнение для непостоянной во времени диффузии,
т. е. для неустановившегося процесса.
Рассмотрим слой между двумя единичными плоско-
стями, перпендикулярными направлению диффузии, х
и (x + dx). На рис. 7-1,а показана зависимость концен-
трации растворенного компонента от расстояния X.
Поскольку дС!дх в точке X больше, чем dCfdx в точке
x+\dx, то очевидно, что Jx будет больше 7(х+^х), что
иллюстрируется на рис. 7-1,6, на котором показан по-
ток, соответствующий градиенту концентраций на
рис. 7-1,а.
106
За время dx к этому слою подходит Jdx молей
диффузанта, а с другой стороны слоя уходит за это же
время (l + dJ)dx. Разница составляет число молей, ко-
торое накопилось в слое за время dx. Ее можно пред-
ставить произведением единицы объема слоя на dx и
на прирост концентрации
dC, т. е. dCdx. Тогда мате-
риальный баланс процесса
запишется
Jdx= (J+dJ)dx+dCdx,
после преобразования
dx ' di ’
учитывая (7-2), получаем:
Рис. 7-1. Диффузия примеси
в пластину кремния.
а — полупроводниковая пластина
(сильно увеличенная по толщине);
б — графическое представление рас-
пределения примеси в полупровод*
никовой пластине.
или
dC _ d*C
-s- = DrrT’	(7-4)
dz [dx*	' '
Уравнение (7-4) является математической формули-
ровкой второго закона диффузии при постоянном зна-
чении D.
Задача решается и для трехмерного пространства
ас _ /а*с ,дгс,дгс \
dz	' dy1 ' дгг J
или
(7-5)
где А— оператор Лапласа.
Для простоты мы ограничимся решением только
одномерной задачи.
Имеется много решений уравнения (7-4). Мы приве-
дем наиболее часто используемые на практике.
107
7-2. Решение уравнений диффузии
Для решения второго уравнения диффузии вводится подста-
новка Больцмана
Х = -^.	(7-6)
Дифференцируя 1 по т и по х преобразуя выражения дС/дх
и дС/дх, получают:
__3
дС дС дк дС 1	2
дх~Ж~3^ ~3k~Txz :	(7'6а)
___i_
ас _ ас ах _ ас
дх дк ~5х дк *	'
Преобразование выражения второго закона диффузии приво-
дит к уравнению
dx	dk dx
Подставив значения дС/дх и дк/дх из (7-6а), получим:
1
( dC “-2\	.
дс/У^У )T~^_nd»cx_,
дх	dk	dk* ’
сравнивая это уравнение и (7-6) для дС/дх, получаем
ное дифференциальное уравнение
__3_
dC 1	2 я«с
dk 2 xz ~D dk* ’
(7-7)
обыкновен-
ие)
а поскольку
то
dC .
dlk- — 2D dk*  
Решают это уравнение путем подстановки
аЛ
Подставив (7-10)’в (7-9), получим:
АГ0*’’* = iDAg-^ankn -1.
(7-9)
(7-Ю)
(7-Н)
Это уравнение удовлетворяется при условиях, когда п=2 и
a=l/4D.
108
Тогда решение при этих условиях имеет вид
ДС
4Х
- Аг 'y'h
(7-12)
или
1
С A
6
Точное решение уравнения
соотношение:
(7-12) даег следующее
Интеграл в этом соотношении обычно называется
функцией ошибок errection function, следовательно, вы-
ражение (7-13) можно записать в виде
СХ = СО(\ - erf—ЦЙ
\	2 1 Dz ]
Cx = C.erfc-4^-,	(7-14)
где erfc известна под названием дополнительной функ-.
ции ошибок.
Значения функций erf—~=? и erfcyp— табулированы.
Формула (7-14) позволяет при наличии данных
о коэффициенте диффузии определить распределение
концентрации вдоль оси х для различных моментов вре-
мени. Это распределение представлено на рис. 7-2.
В случае, когда диффузант распространяется в одном
направлении (х>0), реализуется только правая ветвь
кривой на рис. 7-2.
При диффузии в заданную область (х>0) из'бес-
конечного источника с постоянной концентрацией С»
распределение концентрации диффузанта вычисляется
по уравнению (7-14). На рис. 7-3 показано это распре-
деление. Соотношение (7-14) используется для расчета
диффузии в твердый полупроводник из газовой фазы
постоянного состава (бесконечный источник).
Решение второго уравнения диффузии для конечного
источника, т. е. когда имеется определенное количество
диффузанта, несколько отличается от соотношения
109
(7-14). При диффузии из конечного источника концен-
трация источника меняется, что приводит к изменению'
концентрации на границе раздела источникповерх--
ность кристалла.
Рис. 7-2. Распределение
примеси из точечного источ-
ника для различного време-
ни диффузии (Т1 и Tj).
Рис. 7-3. Распределение концентра-
ции примеси за счет диффузии из
бесконечного источника, описываемое
дополнительной функцией ошибок.
Процесс диффузии из конечного источника описыва-
ется уравнениями, подобными тем, которые описывают
распространение физического теплового импульса. Рас-
пределение концентрации диффузанта в этом случае
описывается функцией Гаусса. Для одно-, двух- и трех-
мерной диффузии будем иметь соответственно:
С. -------'expf-j^-V (7-15)1
<*• т> (4яОт)1/2	1 V 4От )	>
п	Q	/	*2 + /У2 \ .	/7 1
г	_ Q	+ уг/7 17V
(х,у.г,г)	(4„Дх)1/2 ХР(	40т	/
где Q — количество диффузанта (обычно твердого или
жидкого).
Логарифмируя эти выражения, получаем зависи-
мость концентрации от квадрата расстояния рассматри-
ваемой точки до источника. На рис. 7-4 показано рас-
пределение диффузанта для различных моментов вре-
мени Ti, т2 и тз, вычисленных по уравнению (7-15).
110
Поскольку технолога интересует создание определен-
ного профиля концентраций, заданного при разработке
полупроводникового прибора в ИМС, то расчет диффу-
зии проводится для каждой области прибора.
Рис. 7-4. Влияние времени диф-
фузии на перераспределение
примеси фосфора в кремний
p-типа из конечного источника,
описываемое законом Гаусса.
—-----------концентрация приме-
си р-тнпа.
Рис. 7-5. Профиль концентра-
ций для диффузионных р-п-р
структур.
На рис. 7-5 показаны профили концентраций для р-п
и р-п-р структур. Диффузией примеси и-типа создается
первый р-п переход, а затем диффузией примеси р-типа
создается второй р-п переход.
7-3. Зависимость коэффициента диффузии
от параметров состояния
Коэффициент диффузии D является физическим
свойством пары веществ (основы А и диффузанта В)
или большего числа компонентов.
Для газов А и В коэффициент диффузии вычисля-
ется по уравнению, полученному из кинетической тео- _
рии газов:
0 = 0,0043----^-3 -г,3- 1/ 4-+4-	(7-18)
P(V% +v'th МА MB.t '	’
где Т — абсолютная температура; Р — давление; VA
и —молярные объемы компонентов; МА и Мд — мо-
лекулярные массы газов.
Закономерности диффузии в жидкостях разработаны
меньше, чем для газов. Наиболее употребительно для
111
Жидкостей уравнение Стокса—Эйнштейна для разбав-
ленных растворов
Dp. ’ 1
kT
(7-19)
где р, — вязкость раствора; k — постоянная Больцмана;
г — радиус молекул растворенного вещества.
Уравнение (7-19) неудобно для практического ис-
пользования, поэтому оно приводится к виду
(7’20)
где параметр / зависит от температуры и природы диф-
фузанта и растворителя.
Величина F зависит от размеров молекул диффузан-
та и, следовательно, от молекулярного объема его,
а также от природы растворителя.
Эти зависимости обобщены в виде диаграммы, пока-
занной на рис. 7-6. На осях отложены значения F-10"7
и молярные объемы V диффузанта. Параметр Ф харак-
теризует растворитель. Воде отвечает кривая, для кото-
рой Ф равно 1,0, для бензола 0,70, а для метилового
спирта 0,82.
112
Если имеются данные о коэффициенте диффузии для
определенного растворителя, то, подсчитав значение F,
найдем на диаграмме (рис. 7-6) соответствующую ему
кривую, а по ней уже D любых веществ, растворяемых
в этом растворителе. Погрешность при этом не более
5-6%.
Наиболее важное значение для технологии ИМС
имеет диффузия в твердой фазе, обычно в полупровод-
никовом монокристалле, поэтому, рассмотрим ее более
подробно. Прежде всего рассмотрим механизм диффу-
зии в твердом теле. При выводе и решении уравнений
диффузии (7-2) и. (7-4) не делалось никаких допуще-
ний об атомной природе процесса диффузии. Такое рас-
смотрение имеет определенные достоинства и педостат
ки подобно термодинамическому анализу.
Для определения коэффициента диффузии с молекулярно-ки-
нетических позиций рассмотрим решетку твердого тела. Каждый
атом этой решетки совершает непрерывные колебания около
определенного положения. За счет флуктуаций этих колебании от-
дельные из них могут оказаться настолько большими, что атом
перейдет в соседнее состояние. Для этого необходимы два факто-
ра: большие флуктуации энергии и чёткая синхронизация движения
нескольких атомов. Перескоки, намного превышающие межатом-
ное расстояние, маловероятны, поэтому они не принимаются во
внимание. Для того чтобы установить связь первого закона диф-
фузии и беспорядочных перескоков атомов, рассмотрим две со-
седние атомные плоскости 1 и 2, находящиеся на расстоянии а
друг от друга. Концентрации диффузанта в плоскостях равны С|
и С2 соответственно. Число перескоков, совершаемое в единицу
времени, обозначим через Г. Число атомов растворенного вещества
на единицу поверхности в плоскости 1 равно п1=С1а, а в плоскости
2 равно na—Cifi.	ч
За какой-то промежуток времени бт, малый по сравнению
с 1 /Г, число растворенных атомов плоскости 1, совершающих пе-
рескок, очевидно, будет равно п^Гбт. Число ближайших соседних
мест Zi, на которые может перескочить атом растворенного эле-
мента, для различных решеток различно; для простоты мы рас-
смотрим простую кубическую решетку, для которой Z=6. Таким
образом, из всех атомов растворенного компонента, перескакиваю-
щих из плоскости 1 за период 6т в плоскость 2, будет переходить
только ’/в часть. Результирующее число атомов на единицу по-
верхности, переходящих из плоскости 1 в плоскость 2 за период
бт, определяет поток атомов:
7 = g Д (я, пг) — g Га (С j — С2).	(7-21)
Напомним, что мы предположили равенство частот перескоков
с обеих плоскостей 1 и 2 (Г). .Если принять, ч,то ось X перпенди-
кулярна этим двум плоскостям, то концентрации С, и С2 связаны
8-844	ИЗ
йежду собой уравнением С, = Ct +	. С учетом этого урав-
нение (7-21) можно переписать следующим образом:
1 дС
/ = _—Га. — . №
Сравнивая это уравнение с первым законом диффузии, полу-
чаем
Р = уГЛ	(7-23)
Таким образом, коэффициент диффузии непосредственно свя-
зан с частотой перескоков атомов. Отметим, что градиент кон-
центрации практически не влияет на направление перескока от-
дельных атомов. Результирующий поток атомов, обусловленный
наличием градиента концентрации, возникает только потому, что
на первой плоскости число атомов данного сорта, способных пере-
скочить на вторую плоскость, больше, чем число атомов того же
сорта на второй плоскости, способных совершить перескоки в об-
ратном направлении. Анализ, приводящий к уравнению (7-23), по
существу является самым общим и не предполагает никакого опре-
деленного механизма. Единственное допущение, которое при этом
было сделано, заключалось в том, что перескоки во всех направ-
лениях равновероятны и что а для всех перескоков имеет одно и
то же значение. Это допущение справедливо для всех идеальных
кубических решеток, и, таким образом, коэффициент диффузии D
в таких решетках одинаков во всех направлениях. Для некубиче-
ских и неидеальных решеток подобного допущения сделать нельзя,
в связи с чем" коэффициенты диффузии для разных направлений
будут различны.
Как правило, при изготовлении ИМС технологи
встречаются с задачами создания диффузионных профи-
лей, соответствующих обоим типам граничных условий,
обсуждавшихся выше, т. е. как из конечного, так и из
бесконечного источника. При этом решающими техноло-
гическими факторами, определяющими успех процесса,
являются: время диффузии, температура, растворимость
примеси, свойства источника диффузанта, условия на
поверхности подложки, степень совершенства монокри-
сталлической подложки и др. Естественно, что точность,
с какой могут поддерживаться эти параметры в техно-
логическом процессе, во многом определяет стабиль-
ность качества диффузионных структур, следовательно,
и соответствующих электронных элементов ИМС.
В связи с этим рассмотрим влияние указанных тех-
нологических факторов на диффузионные процессы.
Влияние температуры на коэффициент диффузии.
Длина- перескока а в уравнении (7-23) определяется
кристаллической решеткой и слабо меняется в зависи-
114
мости от температуры. Следовательно, сильная зависи-
мость коэффициента диффузии D от температуры и от
природы растворителя и растворяемого вещества долж-
на определяться изменением частоты перескоков Г. Точ-
ное вычисление Г представляет собой очень сложную
задачу, не решенную до сих пор. Однако разобраться
в этой проблеме и понять факторы, от которых зави-
сит Г, можно в результате рассмотрения используемого
ниже метода расчета.
Рис. 7-7. Атомы примесей внедрения в нормальном положении (а)
и в промежуточной точке в момент перескоков в соседнее положение
(б). Зависимость свободной энергии решетки от положения атома
примеси внедрения (в).
Рассмотрим атом элемента внедрения в простои ку-
бической решетке (рис. 7-7). Этот атом будет колебать-
ся во всех направлениях, причем средняя частота коле-
баний в направлении х равна v. Атомы растворителя
также колеблются около своих положений равновесия.
Подавляющее большинство колебаний внедренного ато-
ма не приводит к изменению его положения, однако от-
дельные, очень сильные колебания или некоторые слу-
чайные совпадения движений внедренного и матричных
атомов могут привести к перескоку его в соседнее поло-
жение. Расположение атомов в промежуточный момент
при перескоке (в седловидной точке) показано на
рис. 7-7,6. Вычисление Г можно основывать на опреде-
лении той доли колебаний в данном направлении, кото-
рая приведет к перескокам. Эта доля определяется
следующим образом.
8*	115
Равновесная доля атомов элемента внедрения в та-
ких состояниях с высокой энергией определяется урав-
нением
C=vexp(— AGm/RT), (7-24)
где AGm —изменение свободной энергии решетки, т. е.
обратимая работа, затраченная на перемещение атома
элемента внедрения из равновесного (рис. 7-7,а) в про-
межуточное (рис. 7-7,6) положение.
Изменение этой работы в зависимости от расстояния
показано на рис. 7-7,в. В действительности конфигура-
ция, показанная на рис. 7-7,5, не является сильным де-
фектом и существует в течение лишь очень короткого
промежутка времени. Тем не менее принято считать, что
уравнение (7-24) справедливо. Если это так, то можно
считать, что
Г=Z v exp (—А(?т/ /?Г),	(7-25)
Таким образом, доля колебаний, приводящих к пере-
скоку в данном направлении, определяется главным
образом отношением добавочной энергии AGm, необхо-
димой для перескока, к средней кинетической энергии
атомов в кристаллической решетке RT. При повышении
температуры средняя кинетическая энергия атомов воз-
растает. В результате этого отношение &Gm/RT умень-
шается и частота перескоков атомов растет. Число Z
входит в уравнение (7-25), потому что Г характеризует
общее число перескоков в 1 с, в то время как
vexp (—AGm/RT)—частота перескоков в направлении
только одного из ближайших соседей. Если значение Г
подставить в уравнение (7-23), то в результате полу-
чится
D = [4-Zat v ехР (Д5т/*)] ехР (-MfJRT). (7-26)
При выводе этого уравнения AGm было заменено на
А/7т— TAS,п. Если полученное выражение сравнить
с эмпирическим уравнением
Z7T=Dexp (—Л//,„//?Г),	(7-27)
то нетрудно видеть, что коэффициент Do эквивалентен
выражению в уравнении (7-26), заключенному в квад-
ратные скобки, а величина АНт — это энергия, необхо-
димая для перемещения атома элемента внедрения из
равновесного положения в промежуточное положение
116
с повышенной энергией и называемая энергией актива-
ции диффузии данной примеси. Ниже приведены коэф-
фициенты диффузии некоторых элементов в кремнии
(7-28)
DT= D, exp
Химический элемент	Множитель D„, см«/с	От при 1200“ С, СМ*/с	моль
В	10,0	2,8-10-”	340,0
А1	8,0	1,5-10-”	357,0
Р	10,5	2,8-10~”	357,2
As	0,32	2,7-10-”	345,2
Au	1,1-ю-«	но-*	109,5
Си		1-10-»	20,1
Fe	6,2-10	1-10-*	108,6
На рис. 7-8 приведены зависимости коэффициента
диффузии от температуры для ряда донорных и акцеп-
торных примесей в кремнии.
Рис. 7-8. Зависимость коэффициентов диффузии некоторых примесей
в кремнии от температуры.
Сильное влияние температуры на диффузионное рас-
пределение вынуждает очень тщательно регулировать
температуру при получении диффузионных слоев в про-
изводстве ИМС.
Растворимость легирующей примеси в данном твер-
дом теле является свойством этой пары веществ. Она
определяет максимальную концентрацию примеси, ко-
торую можно достигнуть при данной температуре в про-
цессе диффузии. На рис. 7-9 приведены кривые раство-
римости некоторых веществ в кремнии.
117
Если профиль заданной концентрации в твердом
теле (см. рис. 7-5) требует наличия поверхностной
(исходной) концентрации примеси, превышающей ее
растворимость в твердой фазе при температуре диффу-
зии, то элемент нельзя использовать в качестве диффу-
занта.
Например, из рис. 7-9 видно, что растворимость фос-
фора и мышьяка в кремнии на несколько порядков
больше, чем растворимость сурьмы. Высокая раствори-
мость обусловливает выбор Р и Ав в качестве основных
Рис. 7-9. Растворимость некоторых примесей в кремнии в твердой
фазе.
диффузантов при получении областей /г-типа в кремнии.
Большой диапазон значений растворимости различных
элементов в кремнии, германии и арсениде галлия по-
зволяет довольно свободно маневрировать выбором
диффузанта для создания заданных профилей концен-
траций носителей заряда в полупроводниковых материа-
лах.	•
Из рассмотрения механизма диффузии становится
очевидным, ЧТО коэффициент диффузии зависит ОТ кон-
центрации диффузанта в твердом теле. Эта зависимость
выводится при использовании подстановки Больцмана
(7-6), в результате получается соотношение, связываю-
118
щее коэффициент диффузии с изменением концентрации
для постоянного времени диффузии:
0=—я-зг-р*-	<7М>
о
Решение этого уравнения возможно при известных зна-
с
чениях dx/dC и JxdC, которые могут быть найдены по
о
экспериментальным данным.
Диффузия по дислокациям. Детальный анализ влия-
ния дислокаций на величину коэффициента диффузии
провести трудно ввиду неопределенности их пространст-
венного распределения. Большая рыхлость или, наобо-
рот, плотность структуры вдоль дислокаций позволяет
предположить, что частота перескока Г атомов должна
быть здесь иной, чем в совершенном монокристалле, сле-
довательно, энергия активации &Нт также будет иметь
другое значение.
Можно провести такую аналогию. Влияние дислокаций на
диффузию в монокристалле аналогично влиянию беспорядочно
распределенных в пластмассе ме-
таллических проволочек на теп-
лопроводность этой пластмассы.
Предполагается, что величина
энергии активации вблизи дисло-
кации равна половине этой энер-
гии для совершенного кристалла.
Это указывает на то, что замет-
ная диффузия примесей вдоль ди-
слокации может происходить и
при сравнительно низких темпера-
турах, когда диффузия в совер-
шенной части кристалла незначи-
тельна. На рис. 7-10 схематично
показано влияние дислокации на
профиль концентраций в транзи-
сторной структуре.
Важно отметить, что в процессе диффузии той или иной при-
меси в монокристаллическую подложку в последней могут возни-
кать новые дефекты структуры. В этом случае говорят о генера-
ции дислокаций в технологическом процессе. Однозначно предска-
зать и количественно оценить образование дефектных структур
0 технологическом процессе создания ИМС пока очень трудно,
а в ряде случаев и невозможно. Между тем влияние плотности
дислокаций на физические свойства приборов и на выход годных
ИМС весьма велико. Для иллюстрации в табл. 7-1 приведены дан-
ные о параметрах кремниевых транзисторов, изготовленных из
пластин с различной плотностью дислокаций.
~..
'XZZZZZZZZZEZZZZ
/ Дислокация
Рис. 7-10. Схема влияния дис-
локации на процесс диффузии.
В результате ускоренной диф-
фузии ио дислокации структура
становится негодной для изго-
товления прибора.
119
1'3 блИца 7-1
Влияние дислокаций на характеристики кремниевых
транзисторов
Плотность] дислокаций, см“а	' Ток база — коллектор (при 150 В), А	Коэффициент усиления		Время накопления, с	
		Толстая база	Тонкая база	Толстая база	Тонкая база
5-10’ 110’	6.7 з.о	2.9 3,2	201 274	0,49 1,66	0,63 1,1
Технологические методы производства полуироводни
ковых ИМС должны обеспечивать сохранение исходного
совершенства кристаллов, для чего необходимо преду-
сматривать некоторые меры предосторожности по обра-
щению с пластинами. Например, диффузию в кремний
целесообразно производить от исходной концентрации
ниже предела растворимости или равной пределу рас-
творимости, но на небольшую глубину. Необходимо
избегать также появления царапин и других механиче-
ских повреждений поверхности пластин, которые влияют
на диффузионное распределение примеси в кристалле.
7-4. Влияние процесса окисления на перераспределение
примесей
Для того чтобы создать диффузионные слои только
в заданном месте, пластины кремния защищают (маски-
руют) другим слоем (обычно окисным), в котором
создают окна для проведения диффузии в эти окна
(рис. 7-11). Толщина маскирующего слоя выбирается
таким образом, чтобы он мог предохранить пластину от
диффузии примеси через этот слой. Зная коэффициент
диффузии примеси в используемый маскирующий слой,
легко рассчитывают необходимую толщину, этой маски.
Окна для диффузии в пластину создают побочные
(краевые) эффекты при создании заданных конфигура-
ций диффузионных слоев, как показано на рис. 7-11.
Значения величины х; поддаются расчету.
Когда маскирующий слой для осуществления ло-
кальной диффузии получают окислением кремния, то
происходит заметное перераспределение концентрации
примесей на границе раздела кремний — окисел вследст-
120
вие различного коэффи-
циента распределения
этой примеси между
кремнием и окислом. Это
распределение зависит
от соотношения значений
растворимости данной
примеси в окисле и крем-
нии. Например, как пока-
зано на рис. 7-12, раство-
римость фосфора в крем-
нии больше, чем в окис-
ле. Это приводит к обо-
гащению фосфором при-
легающего к окислу слоя
кремния. Для примеси
алюминия и бора обрат-
ное явление. Следова-
тельно, распределение
примесей в слоях нерав-
номерно. Если маскирую-
щий слой получается не
окислением, а осаждением
при сравнительно невысо-
ких температурах (800°С
и ниже), то изменения
концентраций в поверхно-
стном слое будут весь-
ма замедленны и их
влиянием можно прене-
бречь. С этим связано
стремление в последние
годы заменить процес-
сы окисления осажде-
нием маскирующих сло-
ев. В последнем случае
можно использовать
материалы (А12О3; Si3H4;
SiO2 и др.).
Рис. 7 11. Маска для локальной
диффузии и «краевые» эффекты
при диффузии через окна в
маске.
Рис. 7-12. Влияние процесса окис-
ления кремния на перераспределе-
ние некоторых примесей в кремнии.
7-5. Технология диффузионных процессов
Во время диффузии вводятся в кремний примесные атомы
фосфора, мышьяка, бора или других элементов. Диффузионные
процессы проводятся При температурах от 1000 до 1300°С. Диф-
!?-!
фузия зависит от условий проведения процесса. Отклонения в ши-
роких пределах наблюдаются при применении различных приме-
сей, что является результатом неточной физической модели диф-
фузионного процесса.
Даже при тщательном контроле температуры, времени диффу-
зии'и концентрации примеси во время диффузии практически не-
возможно экспериментально получить рассчитанные глубину и
удельное поверхностное сопротивление диффузионного слоя. При
производстве интегральных схем поэтому пользуются эмпирически-
ми кривыми, которые позволяют получить хорошую воспроизво-
димость.
Рис. 7-13. Принципиальная технологическая схема процесса диф-
фузии.
I — определение и регистрация параметров исходного кремния; i — установле-
ние требуемых параметров диффузионного слоя; 3 — определение времени и
температуры диффузии; 4 — проверка печи н вывод ее на режим; 5 — обработ-
ка кремниевых пластин; в —загрузка пластин в печь; диффузия, разгрузка;
7 — определение и запись величин глубины перехода и удельного поверхност-
ного сопротивления; « — следующий процесс; S —брак; 10 — повторная диф-
фузия.
Краткое описание процесса. Процесс диффузии состоит из
отдельных этапов, как показано на рис. 7-13. Последовательность
операций такова, что загрузка пластин в установку производится
непосредственно после обработки пластин с целью предотвращения
их от загрязнения в результате продолжительного хранения.
Перед загрузкой пластин кремния в диффузионную установку
выполняются операции 1—5 (рис. 7-13). Диффузия проводится на
различных стадиях изготовления интегральных схем, свойства
пластин значительно меняются, поэтому необходимо регистрировать
параметры пластин перед диффузией. Удельное сопротивление, тип
проводимости и плотность дислокаций выборочно контролируются
на отдельных пластинах — свидетелях. В соответствии с заданными
характеристиками статистического контроля остальная масса пла-
стин не подвергается контролю, а просматривается их сопроводи-
тельный лист.
Значение и природа технологических факторов, за исключением
времени и температуры, определяются особенностями технологии
и конструкции диффузионной системы. Знание коэффициентов диф-
фузии позволяет лишь грубо оценить глубину перехода и удельное
сопротивление диффузионного слоя. Большую точность можно
получить, используя эмпирические диаграммы для данной аппара-
туры и системы.
122
Т аблица 7-2
Источники примесей (бора и фосфора) при диффузии в открытой трубе
Источник примеси	Состояние при ком- натной темпера- туре	Температура источника во время диффуэир, °C	Концентрация примеси	Преимущества	Недостатки
X лорокис ь фосфора РОС13	Жидкий	2—40	Высокая и низкая	В широком диапазоне концен- трации примесей осущест- вляется хороший контроль	Важное значение имеет геометрия си- стемы
Трехбромистый фосфор РВг3	Жидкий	170	Высокая и низкая	Такие же, как и у хлороки- си фосфора. Может исполь- зоваться в неокислительной диффузии Такие же, как и у трехбро- мистого фосфора.	То же
Фосфин РН3	Газ	Комнатная температура	Низкая и высокая		Высокая токсич- ность
Треххлористый фосфор	Жидкость	2—40	То же	Прост в обращении	То же
Трехбромистый бор	Жидкий	10—30	Высокая	Система не загрязняется.	Большое значение
ВВгэ			и низкая	В широком диапазоне концен- трации примесей осущест- вляется хороший контроль. Может использоваться в не- окислительной диффузии	имеет геометрия си- стемы
Треххлористый бор ВС13	Газ	Комнатная температура	Высокая и низкая	—	Большое значение имеет геометрия си- стемы
Диборан В2Нб ьо со	Газ	Комнатная температура	Высокая и низкая	—	Высокая токсич- ность
По окончании йодготОвйтельйЫх операций ПЛастййЫ загружа-
ются в диффузионную печь и проводится диффузия.
После диффузии на пластинах измеряется глубина перехода
и удельное сопротивление. Пластины, которые имеют эти парамет-
ры в приемлемых пределах, считаются годными для проведения
дальнейших операций. Остальные направляются на дополнительную
тепловую обработку (режимы этого процесса обычно определяются
эмпирически) пли снимаются с производственного процесса изго-
товления ИМС.
Особенности процесса. Эмпирические* кривые определяются для
используемых в технологии источников примеси. Перечень основных
источников, которые могут быть использованы при диффузии бора
и фосфора, приведен в табл. 7-2.
Б
Рис. 7-14. Схема подачи газа .при использовании фосфина, арсина или
диборана в качестве источника диффузанта.
/, 2 — приборы для измерения потоков газов (Na, О, и PH, или др.); 3 — вен-
тили, регулирующие поток газов; 4 — барботер для POCli или другого видного
источника диффузанта; 5 — термостат; 6 — температурный профиль  печи;
7 — эона постоянной температуры; 3 — пластины кремния, в которые произво-
дится диффузия; 9 — отверстие для загрузки и выгрузки пластин, а также для
удаления газов; 10 — печь.
Диффузия проводится в трубчатых печах. Эти печи имеют
рабочую зону длиной 400—600 см, в которой колебания температу-
ры не допускаются более 0,5°С. Схема диффузионной установки
приведена на рис. 7-14.
Взаимосвязь между глубиной р-п перехода, поверхностным
удельным сопротивлением, с одной стороны, и технологическими
факторами — с другой, различна для разных источников примеси.
Процесс обработки, пластин внутри печи заключается в сле-
дующем: устанавливается распределение температуры в печи, тре-
буемое для диффузии, и камеры продуваются аргоном или азотом.
Пластины загружаются в камеру и выдерживаются в течение не-
скольких минут для установления теплового равновесия.
Процесс введения примесей того или иного типа проводимости
для создания заданной глубины р-п перехода определяется взаимо-
зависимостью между временем, температурой и концентрацией при-
месей в газе-носителе и электрофизическими параметрами пластин.
При окислительной диффузии кремниевые пластины загружаются
в печь в потоке азота, содержащего кислород. Затем к газу-носи-
124
ТеЛю добавляются газообразные соединения Примеси. Одновремен-
но концентрация кислорода в газе-носителе увеличивается. Эти
условия поддерживаются в течение всего времени диффузии. За-
тем подача газообразной примеси прекращается и пластины вы-
нимаются из печи.	/
Для глубокой диффузии, когда требуется длительное время
процесса, желательно проводить его в две стадии.
Первая стадия проводится так же, как описано выше Вторая
стадия перераспределения примесей проводится при нагреве в атмо-
сфере, свободной от примесей (единственным источником примеси
является первоначально введенная примесь).
Обычно первая стадия осаждения и введения примесей прово-
дится при низкой температуре (700—1100°С) и в течение коротко-
го промежутка времени (1—20 мин), а вторая стадия — при вы-
сокой температуре (900—1200°С) и более длительном времени (от
десятков минут до нескольких часов). Если бы диффузия прово
дилась за один длительный цикл при высокой температуре, то управ-
ление ею было бы затруднено. Этого удается избежать при прове-
дении двухстадийной низко- и высокотемпературной диффузии.
Рис. 7-15. Влияние технологических факторов процесса диффузии на
значения электрофизических параметров диффузионных слоев. Зави-
симость глубины залегания р-п перехода (а, в) и удельного поверх-
ностного сопротивления (б, г) от скорости потока диффузанта и
температуры диффузии.
Перераспределение примесей происходит при нагреве пластик
по специальному температурно-временному графику.
Длительность каждой стадии определяется необходимым про-
филем концентрации и типом примеси.
Необходимо отметить, что при определенном подборе условий
процесса и источника примеси можно осуществить процесс диффу-
зии и в одну стадию, если это будет оправдано соответствующим
улучшением свойств диффузионного слоя.
На рис. 7-15 приведены примеры влияния различных техно-
логических факторов на удельное сопротивление и глубину зале-
гания р-п перехода для диффузии фосфора и бора из фосфина и
диборана.
7-6. Пример моделирования диффузионного процесса
Из описания технологии диффузионного процесса видно, что
детерминированные взаимозависимости технологических факторов
и физических величий могут дать достоверные данные о выходных
параметрах качества диффузионного слоя лишь в определенных
пределах. Уравнения диффузии не учитывают множества факторов
п их взаимодействия в реальном процессе диффузии. Для построе-
ния модели такого процесса можно использовать методы планиро-
вания эксперимента. Определением доминирующих и второстепен-
ных факторов уже па первой стадии экспериментирования исклю-
чаются незначащие факторы. Количество уровней варьирования
факторов определяется порядком уравнения регрессии
У ~ Ьо -ф- У, biXi -ф- bijXiX / -|- S 4” • • • >	(• -30)1
п	п	п
где У — физический параметр диффузионного слоя; х,; X;—нор-
мированные технологические факторы; Ьо, Ь,—коэффициенты ре-
грессии; 1-1, 2, 3 . . .; п — номер фактора.
Взаимосвязь обычных переменных и нормированных факторов
осуществляется по формулам:
Xi — Xai
bXt •	(7-31).
где Xi— независимый i-й фактор; У0; — основной (нулевой) уро-
вень t-го фактора; ДЛи — шаг варьирования i-цо фактора, опреде-
ляющий диапазон варьирования:
Количество опытов определяется числом исследуемых факто-
ров и порядком регрессионного уравнения в зависимости от при-
нятой схемы планирования экспериментов.
Путем несложных преобразований второе уравнение диффу-
зии для постоянного источника диффузанта в первом приближении
можно записать в виде
1g Xt = 41g 0 + В lg г + С 1g (1 -	+K,	(7-32)
где Л, В, С и К—константы; — концентрация в Слое,
126
Для примера в табл. 7-3 приведены значения исследуемых фак-
торов, а в табл. 7-4 — интервалы варьирования.
Для определения дисперсии, характеризующей ошибку экспе-
римента, проводится неравномерное дублирование опытов.
Таблица 7-3
Значения факторов и интервалов варьирования
Факторы			Интервалы варьирования	
натуральные	преобра- зованные *1	норми- рованные *i	Натуральные факторы	Преобразованные факторы
Температура диф- фузии Т	W/T	Х1	1473 К; 1273 К	7,855; 7,322; 6,789
Температура ис- точника 7\	1g Л		353 К; 313 К	2,5478; 2,5216; 2,4955
Поток газа с диф- фузантом Q j	Ig Q,	хз	145; 45 л/ч	2,1514; 1,9073; 1,6532
Поток кислоро- да (?2	IgQa	*4	10,5; 5 л/ч	1,0212; 0,3601; 0,3010
После логарифмирования результатов эксперимента и соответ-
ствующих расчетов получаются две модели, адекватно описываю-
щие зависимость глубины диффузии Xj и поверхностного сопро-
тивления Ra диффузионного слоя от технологических факторов
(для нормированных факторов):
1g х,=—4,23673—0,26118х,-) 0,05508х2-|-0,4316х3 (
+0,06210х4;
(7-33)
1g Яя=1,53170-|-0,28097х1—0,27735x2 I 0,21853х3—
—0,152'46x4.	(7-34)
На основании данных эксперимента можно рассчитать взаим-
ную зависимость параметров диффузионного распределения и 0=
=2 V Dx для конкретно выбранной детерминированией модели рас-
пределения. В основу такого расчета положены однозначные за-
висимости
ig||-] = A[ig/U
lg? = lg/?s + f2[lg^-
(7-35)
(7-36)
Как для случая диффузии из постоянного, так и из конечного
источника.
127
Результаты экспериментов
Таблица 7-4'
Матрица планирования
Выходные параметры
№		Х3	Хз	xt	Глубина диффузии, мкм	Поверхностное сопротив- ление, Ом/кВ
1	+							0,290	68,3
2						+	1,159; 1,050; 0,963	15,6; 24, 1; 23,6
3	+	+	—	+	0,440	15,2
4		+	—	—	0,917; 1,608; 1,327	14,5; 5,9; 6,7
5	+		+	+	0,285; 0,355	131,0; 165,2
6		—	+	—	0,782; 0,656; 0,667	64,9; 86,4; 100,9
7	+	+	+	—	0,305; 0,207	109,3; 123,9
8		+	+	+	1,364; 1,448; 1,267	6,5; 6,4; 8,5
Из графика на рис. 7-16 определяется величина для R3j, полу-
ченного из экспериментальных данных. По величинам 1g (<V»/iVo)
определяется 1g (0).
Далее из уравнения (7-36) находится параметр (1 для кон-
кретного диффузионного процесса
(факс.,,-- HR.) |/2 (	(7-37)
Рис 7 16. Расчетная зависимость между л — lg (V,/V(l)
б — 1g (N,JN0) от lg р.
1— exp ----i-j; 2-erfc(xy/p) при M0=l,85-IOis см-’.
от lg/?,;
Для вычисленных значений lg р и 1g (Л/\/Л7о) определяются
две модели для двух законов распределения. Полученные ста-
тистические модели имеют вид: для дополнительной функции
ошибок
1g	= 5,17903 —0,02843*, + 0,30156*2 —0,23636*,+
+ 0,12219*4;
1g ? = — 5,08797 - 0,26063*, + 10,04415*2 - 0,03054*, +
+ 0,05967*4
128
в для распределения Гаусса.
1g ^^-^=5,00Н5 — 5,02552х,+0,30677х,—
— 0.24135Х, + 0,12823х4;
Ig р= —5,10361 —0,26122*Н 0,04044х2—О,ЗО67х3+
+0,05774X4-
Основной вклад в изменение величины поверхностной кон-
центрации примеси N, вносит изменение температуры источника
диффузанта. Заметное влияние оказывает изменение расхода газов
(носителя диффузанта и окислителя), что, очевидно, приводит
к изменению концентрации диффузанта в потоке. Увеличение рас-
хода газа-носителя приводит к уменьшению концентрации диффу-
занта в потоке, а увеличение расхода газа-окислителя — к ее уве-
личению. На величину параметра 0 преимущественное влияние
оказывает изменение температуры диффузии, причем уменьшение
температуры приводит к уменьшению величины 0.
Подобная модель может использоваться для управления про-
цессом диффузии.
Глава восьмая
ЭПИТАКСИАЛЬНЫЕ ПРОЦЕССЫ СОЗДАНИЯ СТРУКТУР
В ТЕХНОЛОГИИ ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМ
8-1. Элементы теории эпитаксиального роста
Наибольшее распространение в промышленной прак-
тике изготовления ИМС получили процессы эпитаксии
полупроводников из газовой фазы при помощи химиче-
ских реакций.
При этом используются реакции типа
SiCU-F2H2—*Si+4HCL	(8-1)
Процесс эпитаксии иллюстрируется рис. 8-1. Реакция
протекает, как правило, на поверхности. В результате
реакции образуются атомы свободного кремния, кото-
рые создают эпитаксиальный слой.
Термодинамическая теория гетерогенного зарожде-
ния новой фазы, как было показано выше (см. гл. 6),
неприемлема к случаям, когда критические зародыши
состоят из одного или нескольких атомов, так как основ-
ные понятия термодинамики теряют при этом смысл.
Нельзя сегодня утверждать, что существует достаточ-
но разработанная теория зарождения и роста эпитакси-
альных слоев. Излагаемая ниже теория Френкеля, Уол-
9—844	129
тона и Родина устанавливает лишь ряд важных законо-
мерностей, часто подтверждаемых экспериментально.
Выражение, связывающее скорость образования за-
родышей из потока частиц, падающих на подложку,
с температурой подложки, для процесса конденсации
имеет вид:
/ = /
(Z -j- 1) £ая — ^п.д
• kTk
/ 1 V
ехр

(Й4~ 2) Бал + ^l+i ^п.п
kTk
(8-2)
(8-3)
где / — скорость образования зародышей; J — поток
падающих атомов; — температура подложки; No —
число единичных адсорбированных атомов; vo — частота
колебания адсорбированного атома; £ад — энергия
адсорбции; Ег — свободная энергия образования заро-
дыша в результате межатомного взаимодействия; £п.д —
энергия поверхностной диффузии адсорбированных ато-
мов.
Рис. 8-1. Схема механизма эпитаксии кремния по реакции (8-1).
130
Поскольку i невелико, то можно методом проб и
ошибок установить, какое значение i (1, 2, 3 ...) отве-
чает экспериментальным данным.
В процессах роста слоев при очень большом пересы-
щении критический зародыш может состоять из одного
атома’ поэтому когда возникает образование из двух
атомов, то он будет скорее расти, чем распадаться.
Снижение пересыщения приведет к тому, что вероят-
ность присоединения к одному атому второго сравняется
Рис. 8-2. Геометрические конфигурации зародышей эпитаксиального
рорта.
с вероятностью распада пары. В таком случае стабиль-
ными станут конфигурации с двумя связями на атом.
При дальнейшем снижении пересыщения стабильными
будут комплексы из трех, четырех и т. д. атомов. На
рис. 8-2,а—г показаны геометрические конфигурации,
Рис. 8-3. Зависимость скорости образования зародышей от темпера
туры.
~Ь ^2 £д,д
kTk
ехр(
4£ад ~1~ £~а £п.д
kTk
„	£ад + £3/2
3) Тг _, = -j г-
'п ( v W )
9*
131
соответствующие таким зародышам. Стабильными обра-
зованиями являются треугольник и квадрат. Ясно, что
в первом случае зародыш будет иметь ориентацию
(111), во втором (100). Таким образом, степень пересы-
щения должна сказываться на ориентации стабильных
зародышей. Температуру перехода от одной ориентации
к другой при осаждении эпитаксиального слоя можно
определить, приравнивая между собой выражения (8-2)
и (8-3).
На рис. 8-3 приведена теоретическая зависимость
скорости образования зародышей от обратной темпера-
туры конденсации:
Еа„ 4- Е9Г.
7 1 -2 =	/ / X
Й1П
Это уравнение связывает температуры смены ориен-
тации со скоростью конденсации Vk~J. При некоторой
температуре Л критический зародыш может состоять
из одного атома и преобладающая ориентация отсутст-
вует, тогда как при Т2-з должен наблюдаться ориенти-
рованный рост. Таким образом, между обратной темпе-
ратурой эпитаксиального роста и скоростью осаждения
1п/ согласно (8-3) должна существовать линейная за-
висимость. Экспериментальные данные удовлетворитель-
но согласуются с этим выводом теории.
Для процессов химического осаждения плотность
критических зародышей ?VS, состоящих из i атомов, вы-
разится следующим образом:
£
№ = (Y Y ЛймГП. ехр	(8-4)
\ vo J	\ 2А/л )
где /хим — скорость гетерогенной реакции по осаждает
мому веществу; пц— порядок реакции; Ер — энергия
активации химической реакции.
Это уравнение позволяет по известной связи между
величинами JVS, Дим и m при данной температуре Т&
рассчитать размеры критического зародыша при хими-
ческом росте.
Процессы зарождения эпитаксиальных слоев во мно-
гом определяют их характер роста и, следовательно,
степень кристаллического совершенства полученной
структуры. При значительной разориентации отдельных
132
зародышей слой вырастет с большим числом дефектов
и может стать неприемлемым для изготовления ИМС.
Наибольшее распространение в промышленной прак-
тике получили процессы эпитаксии полупроводников из
газовой фазы при помощи химических реакций.
Развитие методов эпитаксии, особенно гетероэпитак-
сии (т. е. осаждения слоя одного материала на подлож-
ке из другого материала), позволяет получать целый
ряд приборов со столь высокими электрическими харак-
теристиками, которые трудно реализовать другим тех-
нологическим методом.
Исторически эпитаксия пришла на смену диффу-
зионным процессам создания структур, которые были
вытеснены из ряда технологических процессов. Однако
наилучшие результаты получаются сочетанием этих ме-
тодов при изготовлении ИМС.
8-2. Сравнительная характеристика диффузионного
и эпитаксиального процессов создания структур
Диффузионный процесс можно вести только со сто-
роны поверхности полупроводникового материала. По-
этому диффузией можно получить только вполне опре-
деленное распределение примесей в полупроводнике,
соответствующее законам диффузии. Например, диффу-
зией невозможно внутри пластины получить большую
концентрацию диффузанта, чем
такого распределения диффу-
занта, как показано на рис. 8-4.
При изготовлении прибора с
несколькими переходами в про-
цессе каждой операции диф-
фузии в полупроводниковую
пластину вводится много леги-
рующих примесных атомов.
При каждой из последователь-
ных операций диффузии, необ-
ходимых для поочередного об-
разования р-п переходов, чис-
ло примесных атомов, которые
нужно ввести для компенса-
ции внедренных при предше-
ствующей диффузии примесей
противоположного типа, воз-
на ее поверхности, т. е.
Рис. 8-4. Распределение ле-
гирующей примеси, которое
можно создать эпитаксией и
невозможно получить диф-
фузией.
133
растает по экспоненциальному закону. Способность при-
месей к образованию твердых растворов с кремнием
ограничена, так что проводить более трех последова-
тельных операций диффузии нецелесообразно.
При эпитаксиальном процессе атомы примеси вво-
дятся в кристалл непосредственно в процессе выращи-
вания пленки. Отношение числа атомов кремния к числу
атомов примеси в газовой фазе можно легко регулиро-
вать и получать пленки с заданной концентрацией при-
месей. Изменяя содержание примеси в газовой фазе или
ее тип, можно изменять характеристики эпитаксиальной
пленки и создавать резкие р-п переходы, причем для
этого не приходится прибегать к компенсации примесей.
Рассмотрим для примера изготовление транзистора, имеющего
большое пробивное коллекторное напряжение 1/ко.пр и малое на-
пряжение насыщения Г/кэ.вас. Чтобы получить высокое t/кб.пр,
коллекторная область прибора должна быть выполнена из мате-
риала с большим удельным сопротивлением, а это приведет к тому,
что последовательное коллекторное сопротивление будет велико и,
следовательно, увеличится £/кЭ.яас- Хотя 1/ка.нас можно было бы
уменьшить до нужной величины путем уменьшения толщины вы-
Рис. 8-5. Схемы транзисторов, изготовленных эпитаксиальным (а) и
диффузионным (б) процессами.
сокоомного коллекторного слоя, толщина коллекторной области
ограничена механическими характеристиками материала. Подложка,
в которой формируется коллекторная область, не может иметь тол-
щину меньше некоторой минимальной, иначе она станет слишком
тонкой и хрупкой, а брак из-за трещин и сколов, появляющихся
в процессе обработки пластины, возрастет до недопустимой ве-
личины. Таким образом, при заданной толщине пластины, которая
обычно по соображениям механической прочности выбирается рав-
ной примерно 300 мкм, концентрация Примесей должна соответ-
ствовать требованиям: высокому (Аб.пр (большое удельное сопро-
тивление материала) и низкому икз.вас (малое удельное сопро-
тивление).
Эти требования удовлетворяются, если используется пластина
из материала с низким удельным сопротивлением и с относительно
большой толщиной (примерно 0,1 мм), на которой выращивается
134
тонкий эпитаксиальный слой с высоким удельным сопротивлением
толщиной около 10 мкм. Этот слой может иметь высокое удельное
сопротивление, необходимое для получения высокого UKo.np, и в то
же время достаточно малую толщину—1—10 мкм, чтобы обеспе-
чить низкое С/кб.вас. Благодаря очень низкому удельному сопро-
тивлению материала подложка не ухудшает характеристик прибо-
ра. Однако она должна быть достаточно массивной, чтобы гаранти-
ровать от случайного растрескивания при дальнейшей обработке.
На рис. 8-5 приведены для	.
сравнения структуры транзи-
сторов, изготовленных с помощью
диффузионного и диффузионно-
эпитаксиального процессов.
У обоих транзисторов одина-
ковые величины t/кб.пр, однако
следует обратить внимание на то,
что у эпитаксиально-диффузион-
ного транзистора значение t/ка.нас
значительно меньше, чем у тран-
зистора, полученного по чисто
диффузионной технологии.
Хорошие транзисторы можно
изготовить и по чисто эпитак-
сиальной технологии. Но при
существующей технике эта техно-
логия более сложна, чем ком-
бинированная, основанная на сов-
местном использовании эпитакси-
ального и диффузионного процес-
сов. Поэтому практически все
типы полупроводниковых ИМС
изготовляются по комбинирован-
ной технологии.
Рис. 8-6. Характер изменения
удельного сопротивления в эпи-
таксиальном слое и подложке
кремния.
/ — эпитаксиальный слой; 3 — ис-
ходная поверхность пластины.
Эпитаксиальному процессу присущи и некоторые не-
достатки, заключающиеся, например, в том, что при
эпитаксии происходит обмен примесными атомами меж-
ду подложкой и выращиваемой пленкой за счет взаим-
ной диффузии и переноса примеси через газовую фазу.
Это приводит к «размазыванию» границы между слоя-
ми с различными концентрациями и типами примесей.
Сказанное иллюстрирует рис. 8-6, на котором изобра-
жено изменение удельного сопротивления по толщине
структуры, состоящей из эпитаксиальной пленки п-типа
толщиной 20 мкм с удельным сопротивлением 4 Ом • см,
осажденной при температуре 1200°С на подложку из
кремния, легированного сурьмой. Подложка имеет
удельное сопротивление 0,01 Ом-см. Постепенное изме-
нение удельного сопротивления по толщине указывает
на то, что во время операции осаждения имела место
заметная диффузия.
135
8-3. Технология эпитаксиального наращивания слоев
кремния
Технологический процесс должен обеспечивать полу-
чение эпитаксиальных слоев с заданными электрофизи-
ческими свойствами и совершенной структурой. Толщи-
на и удельное сопротивление слоев должны быть оди-
наковыми по всей пластине, а также от пластины к пла-
стине. Разброс, значений этих величин не должен пре-
вышать 5%. Только в таких слоях распределение при-
месей может быть достаточно однородным, чтобы
обеспечить высокий выход годных изделий. Высокотем-
пературную эпитаксиальную технологию при изготовле-
нии приборов в ИМС с идеально резкими р-и-перехода-
ми следует заменять низкотемпературными процессами,
т. е. переходить к использованию других исходных про-
дуктов (например, SiH4 или к другим процессам оса-
ждения) .
Наиболее важным фактором, определяющим глубину
взаимного проникновения примеси, является температу-
ра. Скорость диффузии возрастает примерно на поря-
док при увеличении температуры на 100°С. Если бы
можно было уменьшить температуру процесса на 200°С,
сохранив скорость эпитаксиального роста такой же, как
и при 1200°С, то глубина диффузии уменьшилась бы
в 100 раз и можно было бы получить гораздо более рез-
кий р-п переход. К сожалению, уменьшение температу-
ры приводит к снижению скорости осаждения. Следо-
вательно, при заданной толщине пленки диффузия оста-
нется почти неизменной.
Для эпитаксии кремния можно использовать несколь-
ко химических реакций:
' (1000—1200°С) SiCl4 + 2H2^Si + 4HCl;	(8-5)
(900— 1100°С) SiHCl3+H2—->Si+3HCl;	(8-6)
(900—1100°С) SiH4—>-Si + 2H2;	(8-7)
(800— 1000°С) SiJ4—>Si + 2J2;	(8-8)
(600—900°C) SiJ4 + 2H2—>-Si+4HJ.	(8-9)
В промышленности в основном применяются реак-
ции (8-5), (8-7), подложка и исходные газы образуют
гетерогенную систему. Это означает, что реакция, в ре-
зультате которой образуется кремний, идет только на
поверхности раздела фаз, а не в газовой фазе. Условия
136
реакции можно подобрать таким образом, чтобы реак-
ция происходила только на поверхности кремния, но не
на стенках реактора, обычно стенки реактора охлаж-
дают водой или воздухом.
Скорость роста эпитаксиального слоя в основном
зависит от процентного состава смеси На и SiCl4, тем-
пературы, скорости потока парогазовой смеси и газо-
динамических условий в реакторе. Все переменные фак-
торы процесса можно контролировать с достаточной сте-
пенью точности. Если реакция образования свободного
кремния не будет гетерогенной, а станет протекать в га-
зовой фазе, то получающиеся при этом свободные атомы
будут агломерироваться и образовывать беспорядочные
скопления. Такие скопления могут выпадать на выра-
щиваемую пленку, но не в состоянии занять правиль-
ного положения в узле кристаллической решетки; по-
этому в пленке появятся поликристаллические участки.
Наиболее вероятный механизм широко используемой
реакции-(8-1) состоит из двух процессов: восстановле-
ния четыреххлористого кремния до двухлористого крем-
ния и гетерогенного диспропорционирования, при кото-
ром из двух молекул двухлористого кремния образуется
одна молекула свободного кремния и одна молекула
четыреххлористого кремния:
SiCI4 + H2^SiCl2 + 2HCl;	(8-10)
2SiCl2^Si + SiCl4.	(8-11)
Реакция (8-10) протекает в газовой фазе, а (8-11)
происходит только тогда, когда две молекулы двухло-
ристого кремния встречаются на поверхности твердого
тела. Вероятность столкновения трех тел в газовой фазе
исчезающе мала, однако вероятность столкновения двух
молекул двухлористого кремния на твердой поверхности
подложки весьма высока. Таким образом, атомы крем-
ния высвобождаются на поверхности подложки и веро-
ятность получения при этом совершенной кристалличе-
ской структуры достаточно велика.
Выращивание монокристаллического слоя, как пра-
вило, представляет собой медленный процесс, так как
для устранения дефектов решетки в начальной стадии
необходимо, чтобы было достигнуто состояние, близкое
к динамическому равновесию между процессами роста
слоя и удалению неправильно внедрившихся атомов.
При повышении температуры реакции атомы, попадаю-
137
щие на поверхность роста кристалла, обладают боль-
шей свободной энергией и поэтому могут легче переме-
щаться по поверхности и отыскивать правильные поло-
жения в кристаллической структуре. Следовательно,
можно ожидать, что при более высоких температурах
увеличивается скорость роста монокристаллического
слоя и гарантируется высокое совершенство его кри-
сталлической структуры. При температурах ниже 1100°С
трудно вырастить совершенный эпитаксиальный слой
кремния из SiCl4 со скоростью, большей 0,1 мкм/мин.
При температурах около 1200°С можно достигнуть ско-
рости роста 1 мкм/мин. При температуре 1270°С совер-
шенные кристаллы получаются при скорости роста
5 мкм/мин.
Если в этих газах содержится "всего 25 миллионных
частей кислорода, водяных паров или высокомолекуляр-
ных углеводородов, то при любой температуре и при
любой скорости роста трудно получить совершенные
кристаллы.
Первостепенное значение имеет чистота газов, чисто-
та химической очистки и механической обработки под-
ложки. Независимо от того, как хорошо была очищена
подложка перед загрузкой ее в реактор, на ее поверх-
ности всегда остаются механические дефекты, участки,
покрытые двуокисью кремния, осадок пыли, жиров
и других загрязнений. Эти дефекты поверхности являют-
ся зародышами дефектов кристалла, проявляющихся
в виде выступов, углублений и дислокаций в кристалли-
ческой решетке выращиваемой пленки.
Когда на поверхности подложки или в эпитаксиаль-
ной пленке, выращиваемой, например, в направлении
<111>, появляется какой-либо дефект, например кро-
шечная пылинка или другое загрязнение, приводящее
к тому, что наслаивающиеся атомы на этом участке уже
не лежат в одной плоскости относительно остальной
части растущего кристалла, в структуре кристалла по-
является дефект упаковки, который распространяется от
точки загрязнения на всю толщину выращиваемой плен-
ки. Такой дефект изображен на рис. 8-7. Дефект струк-
туры локализуется на плоскостях, ограничивающих тет-
раэдр: именно здесь и наблюдается нарушение моно-
кристаллической структуры. Области внутри тетраэдра
и вне его могут быть совершенными монокристаллами.
Дефект структуры можно сделать видимым путем трав-
138
ления, при котором скорость разрушения совершенных
и дефектных участков различна. Дефект роста в пла-
стинке, ориентированной по направлению <111 >, про-
является в виде равностороннего треугольника, как
показано на рис. 8-7. В образце с многими такими дефек-
тами после травления поверхность выглядит испещрен-
ной треугольниками, имеющими одинаковые размеры.
Крупное нарушение од-
нородности поверхности ис-
ходной пластины, например
царапина, приведет к тако-
му же дефекту на поверх-
ности готового изделия. Это
затруднит правильное про-
Рис. 8-7. Схема образования
дефекта структуры при осаж-
дении эпитаксиального слоя.
/ — эпитаксиальный слой; 2 — под-
ложка; 3 — точечный дефект на по-
верхности подложки.
ведение последующих опе-
раций: диффузии и маски-
рования, что станет причи-
ной брака. Если в материа-
ле, имеющем дислокации
или дефекты упаковки,
сформирован р-п переход,
то они обычно имеют большие токи утечки. Установ-
лено, что если перед началом эпитаксиального
процесса над подложкой пропустить хлористый
водород (НС1) и стравить пластину на глубину несколь-
ких микрон, то царапины, пылинки и другие загрязнения
почти полностью исчезнут. Эпитаксиальные слои, выра-
щенные на пластине, которая подверглась такой обра-
ботке, практически не имеют дефектов структуры. Коли-
чество дефектов уменьшается на несколько порядков,
с 10 000 до 10 на квадратный сантиметр.
Обычно нужны эпитаксиальные пленки с заданными
типами примесей и их концентрацией. Это требует одно-
временного проведения по крайней мере двух реакций.
Количества осаждаемых кремния и легирующего мате-
риала должны находиться в определенном соотношении,
обеспечивающем требуемую концентрацию примесей.
Такой процесс осуществляется путем введения в исход-
ный поток смеси водорода с четыреххлористым крем-
нием добавочных компонентов — РС13 или РН3, если
требуется создать слой n-типа, либо ВВг3 или В2Нв,
если требуется получить пленку с проводимостью р-типа.
Фосфин и диборан разлагаются при температуре про-
цесса, что приводит к внедрению атомов бора или фос-
139
фора в .узлы растущей кристаллической решетки крем-
ния. Указанные реакции можно с успехом использовать
для формирования самых разнообразных структур, на-
пример слой n-типа на слое'П+-типа, слой p-типа на слое
р+-типа, а также чередующиеся слои с проводимостью
р- и п-типов.
Удельное сопротивление эпитаксиального слоя зави-
сит от типа и количества легирующих примесей, введен-
сразе
Рис. 8-8. Зависимости концентрации фосфора (а) и бора (б) в эпи-
таксиальных слоях от относительной концентрации фосфина и дибо-
рина в парогазовом потоке соответственно.
ных через газовую смесь в процессе выращивания плен-
ки. Обычно применяются газовые смеси, содержащие
источник примесей в очень малых концентрациях, по-
рядка миллионных долей по объему как в случае фос-
фина (донорная примесь), так и в случае диборана
(акцепторная примесь).
Соотношение между концентрацией примеси в газо-
вой фазе и конечной концентрацией примеси в расту-
щей пленке весьма сложно. Для его вывода необходимо
учесть кинетику всех протекающих реакций. Это соот-
140
ношение легче получить эмпирическим путем. На рис. 8-8
изображена зависимость между составом газовой фазы
и концентрацией примеси в пленке при использовании
фосфина и диборана в качестве источника легирующей
примеси.
Аппаратура для выращивания эпитаксиальных слоев
состоит из реактора, представляющего собой кварцевую
трубу диаметром до 150 мм, помещенную внутри высо-
Рис. 8-9. Схема устройства горизонтальной (а) и вертикальной (б)
реакционных камер для эпитаксии.
/ — кварцевая труба; 2 — выход парогазовой смеси; 5 —подложки; # —графи-
товая подставка; 6 -* индуктор.
кочастотного индуктора (рис. 8-9). Монокристалличе-
ские кремниевые подложки помещают на графитовую
подставку, установленную в реакторе и нагреваемую
индуктором. .
С помощью газораспределительной системы (рис. 8-10)
в камеру можно вводить газы (водород, азот, фосфин,
диборан и др.), которые могут потребоваться для изго-
товления пленок с различными свойствами, необходи-
мыми для интегральных схем. Расходы газов от одного
до сотен литров в минуту.
Конструкции реакционных камер бывают горизон-
тальными (рис. 8-9,а) и вертикальными (рис. 8-9,6).
Наклонное положение пластин кремния по отноше-
нию к потоку, реагентов вызвано необходимостью полу-
чать равномерные по толщине эпитаксиальные слои.
При отсутствии наклона этого не удалось бы достигнуть
из-за обеднения (по кремнию) парогазового потока по
мере прохождения его над пластинами кремния.
141
Устранение эффекта неоднородности пленок пред-
ставляет собой задачу, которую можно свести к форми-
рованию газового потока с требуемыми характеристи-
ками. Если наклонить подложку под углом 5—10° по
ходу потока, то можно поставить каждую пластину в та-
кие условия, при которых она омывается свежим, не-
Рис. 8-10. Схема аппарата для осуществления эпитаксиального про-
цесса.
/ — смеситель; 2 — реактор; 3 — индуктор; 4— выход системы; 5 — ротаметры
для измерения расхода газа; 6 — барботер; 7 — тетрахлорид кремния; 8 — ло-
вушки; 9, 10 — краиы.
Рис. 8-11. Селективно осажденные эпитаксиальные слои.
/ — эпитаксиальный слой; 2 — защитная (окисная) маска; 3 — подложка.
142
обедненным и необогащенным потоком реагирующих
газов.
Благодаря этому значительно возрастает равномер-
ность толщины пленки от пластины к пластине и вырав-
нивается удельное сопротивление пленок на разных
пластинках.
Современная технология позволяет выращивать слои,
отличающиеся высоким совершенством кристаллической
структуры; с высокой степенью точности контролируют-
ся толщины и удельные сопротивления таких слоев. При
этом заданным образом могут изменяться тип проводи-
мости и удельное сопротивление слоев по вертикально-
му сечению.
В последние годы в технологии ИМС начали исполь-
зовать процессы селективной эпитаксии. Этот процесс
позволяет получить эпитаксиальные структуры в задан-
ных местах пластины путем осаждения слоев через
окна в маскирующей маске (рис. 8-11).
8-4. Гетероэпитаксиальные слои
Выше была рассмотрена эпитаксия кремния на моно-
кристаллических кремниевых подложках, т. е. автоэпи-
таксиальный процесс. В последнее время в кремниевой
планарной технологии все большее значение приобре-
тают гетероэпитаксиальные процессы, связанные с вы-
ращиванием монокристаллических кремниевых пленок
на монокристаллических подложках из других материа-
лов, в том числе диэлектрических. Подобные процессы
дают возможность создания ИМС с практически иде-
альной изоляцией элементов. В качестве материала для
подложек может быть использован целый ряд веществ;
искусственный сапфир А120з, шпинель MgO-AUOa и
окись бериллия ВеО.
Подобного рода системы могут со временем приве-
сти к созданию ИМС, во всех отношениях превосходя-
щих кремниевые ИМС с диффузионной изоляцией и
с изоляцией окислом (за исключением тех схем, где вы-
деляется значительное количество тепла). Если удастся
в промышленных условиях создать кремниевые ИМС
на подложках из ВеО, то и это ограничение будет пре-
одолено, так как теплопроводность ВеО существенно
превосходит теплопроводность кремния.
Надо отметить, что интегральные схемы на изоли-
рующих подложках по сложности, числу и плотности
143
размещения элементов и другим характеристикам,
по-видимому, превзойдут обычные кремниевые ИМС.
Теория процессов зарождения и роста гетероэпита-
ксиальных слоев еще не разработана. По-видимому,
в начале процесса гетероэпитаксиального роста атомы
кремния упорядоченным образом замещают некоторое
количество атомов металла в верхнем моноатомном слое
изолирующей подложки. Последняя представляет собой
О атомы Мц^атомы St
Рис. 8-12. Сопряжение решеток кремния и шпинели.
а — по плоскостям <100>; б — <1П>: в—<И0>.
монокристаллический окисел или монокристаллическое
соединение окислов металлов Al, Mg, Be. Вслед за этим
может начаться эпитаксиальный рост кремния. При этом
решетка кремния не будет продолжать решетку под-
ложки. Перечисленные окислы отличаются от кремния
и кристаллографической структурой, и параметрами ре-
шетки. Условием роста монокристаллического кремние-
вого слоя будет хорошая сопрягаемость структур крем-
ния и выбранной подложки. Под сопрягаемостью сле-
дует понимать то, что при наложении какой-либо
кристаллографической плоскости кремния на какую-то
кристаллографическую плоскость подложки положение
части атомов кремния и атомов металла в окисле совпа-
дает. При этом, чем меньше останется несовпавших ато-
мов, тем лучше будет сопрягаемость. Возможно, что
хорошая сопрягаемость может быть достигнута при не-
которой, не очень значительной деформации решетки
кремния. Следует иметь в виду, что при этом растяну-
тый или сжатый слой кремния, прилегающий к подлож-
ке, будет механически напряжен. В качестве примера
144
на рис. 8-12,а—в показано, как в случае кремния и шпи-
нели они сопрягаются друг с другом по плоскостям
< 111 >, <100> и < 1 Г0>.
Если говорить о свойствах монокристаллических
слоев кремния на сапфире и шпинели, то во многом они
определяются качеством подложек. С улучшением каче-
ства А120з и Al2O3-MgO улучшаются и эпитаксиальные
слои: уменьшается плотность дефектов. Изучение авто-
Рис. 8-13. Схема получения эпитаксиальных структур кремний на сап-
фире в технологии ИМС.
1 — подложка; 2 — островки эпитаксиального кремния, после осаждения, фото-
литографии и травления; 3 — структура после диффузии для создания слова
yi+; 4 — после создания р-п структуры; 5 — после пассивации диэлектриком;
6 — готовая структура; 1 — кремний; I! — диэлектрический слой; III — сапфир;
IV — металлический слой.
легирования кремниевых слоев на сапфировых подлож-
ках показало, что основной акцепторной примесью
в слоях является алюминий, попавший из подложки.
Удавалось вырастить слои с концентрацией алюминия
в кремнии порядка 1015 атом/см3. Однако прогрев слоев
при температурах выше 1200°С приводил к значитель-
ному повышению содержания А1 в Si (до 2-1018атом/см3).
Автолегирование при использовании шпинелевых под-
ложек меньше; кроме того, шпинель ближе к кремнию
по своим кристаллографическим параметрам.
На рис. 8-13 приведен пример создания р-п-р и п-р-п
структур на сапфире.
10—844	•	145
/Глава девятая
ПРОЦЕССЫ ИОННОГО ВНЕДРЕНИЯ
Л ТЕХНОЛОГИИ ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМ
*9-1. Общие понятия о методе ионного внедрения
Как результат достижений физики атомных и ион-
ных столкновений с поверхностью твердого тела возник
новый метод создания полупроводниковых структур
в технологии ИМС —ионное внедрение. Ионное внедре-
ние (имплантация) применяется для создания таких
структур, для получения которых применялись ранее
только методы диффузии и эпитаксии.
При рассмотрении процессов катодного распыления
(гл. 3) мы говорили о том,'что в зависимости от энергии
частицы, которая бомбардирует поверхность, она может
отражаться от поверхности, сорбироваться ею или про-
никать через нее в глубь твердого тела. Если энергия
ионов достигает значений выше 30т-40 • 10~1в Дж, то они
внедряются внутрь твердого тела. Глубина проникнове-
ния зависит от энергии частицы, свойств бомбардируе-
мого вещества и его ориентации по отношению к па-
дающему пучку.
Интерес к имплантации стимулируется тем, что этот
метод имеет ряд принципиальных преимуществ по срав-
нению с другими методами легирования, в том числе
диффузией и эпитаксией. К этим достоинствам следует
отнести: во-первых, универсальность и гибкость метода,
который позволяет получить необходимые концентрации
легирующей примеси даже тогда, когда другие методы
неприменимы, например ионной имплантацией бора и
фосфора в алмаз были созданы слои с проводимостью
в 1010 раз выше, чем у исходного кристалла; во-вторых,
имплантация ионов может осуществляться при низких
температурах (вплоть до комнатных), благодаря этому
возникает возможность сохранить исходные электро-
физические свойства кристаллов, если удается ликвиди-
ровать возникающие радиационные дефекты в такой
структуре; в-третьих, большие возможности полной авто-
матизации процесса легирования, что чрезвычайно важ-
но для резкого повышения как производительности тру-
да, так и воспроизводимости электрических параметров
изготовленных приборов.
(146
Недостатком метода является обилие радиационных
дефектов в облученном материале вплоть до образова-
ния на поверхности аморфного слоя. Однако эти дефек-
ты путем обжига (при 600—900°С) можно устранить
почти полностью.
Технолога при использовании ионного внедрения
обычно интересуют четыре основных вопроса: связь
энергии внедряемых ионов с пробегом их в твердом те-
ле; местоположение внедренных ионов и их энергетиче-
Рис. 9-1. Схемы установки для ионного внедрения с магнитной сепа-
рацией пучка ионов (а) и источника ионов (б).
/ — источник ионов; 2 — электростатические линзы; <3 — вертикально отклоняю-
щие пластины: 4, « — горизонтально отклоняющие пластины: 5-вышная
щель; 7 —камера мишеней; в — кремниевые мишени (пластины); а—печь
для подогрева мишеней; 10 — легирующий материал (газ); II ~ нить накала;
12 — диафрагма; 13 — трехэлектродные линзы; 14 — постоянное смещение; 15 —
полюсы магнитного сепаратора; 16 — трехэлектродные линзы; 17 — питание
печи мишеней.
10*	147
ские уровни; влияние нарушений при ионной бомбарди-
ровке на структуру и электрические свойства кристаллов
и возможности ликвидации этих радиационных дефек-
тов и, конечно, возможности создания приборов с за-
данными характеристиками.
В представленной последовательности будет изло-
жен материал этой главы.
На рис. 9-1 показана схема типичной установки ион-
ного внедрения. Ионы получаются из соответствующего
газа ионной бомбардировкой и экстрагируются потен-
циалом в 10 кВ. Пучок формируется с помощью обыч-
ной системы электростатических линз. Для его совпа-
дения с щелью магнита используются отклоняющие
пластины. Ускорение до энергии больше 101в Дж осуще-
ствляется подачей высокого потенциала на мишень. Гео-
метрия системы позволяет получать пятно площадью
4—5 см2. Расходимость пучка ±2° (плотность тока обес-
печивается от 0,3 до 10 мкА/см2). Вакуум в системе под-
держивается на уровне ГО-3 Па в камере источника и
10-5 Па в камере мишени.
9-2. Распределение пробегов ионов
в аморфных подложках
Целесообразно рассмотреть два вида мишеней:
аморфные и монокристаллические. Первые служат в ка-
честве масок при внедрении, а во вторых осуществля-
ется контролируемый процесс- внедрения ионов для
создания структур с заданным профилем концентрации
носителей.
При прохождении через толстую мишень любой
быстрый ион в результате столкновений с ядрами и
электронами теряет свою энергию и в конце концов оста-
навливается. Длина пути частицы от поверхности (точ-
ка О) до точки ее внедрения А называется длиной про-
бега 7?, а ее проекция на направление первоначального
движения — проекцией пробега (рис.Д-2).
Движущиеся ионы могут остановиться в любой точ-
ке твердого тела, поскольку столкновение с тормозящи-
ми частицами носит случайный характер. Поэтому целе-
сообразно говорить о распределении пробегов. Для опи-
сания этого понятия, естественно, потребуются такие
характеристики, как «средний пробег ионов», «средне-
квадратичное отклонение пробега ионов» и т. п. Анало-
148
Рис. 9-2. Путь Л и проекции
Rn пробега внедренного иона.
гичная статистика используется для описания проекции
пробега.
Для осуществления контролируемого распределения
пробегов ионов необходимо: во-первых, определить соот-
ношение распределения пробегов и энергии ионов для
заданных материалов мишени и ионов, которые необхо-
димо внедрить; во-вторых,
осуществить модуляцию
энергии пучка в процессе
внедрения для получения
заданного распределения
пробегов, получить зависи-
мость распределения пробе-
гов от начальной энергии
движущихся ионов.
Распределение пробегов
в аморфном теле зависит
главным образом от энер-
гии, массы и атомного но-
мера ионов и мишени. Для
монокристаллов на распре-
делении пробегов будет ска-
зываться также ориентация мишени относительно пучка
и наличие эффекта каналирования, т. е. движением ионов
через каналы, образованные атомными плоскостями.
Рассмотрим физические основы процессов потери
энергии частицами и торможения их.
При движении ионов через твердое тело необходимо
рассматривать два вида потерь энергии: в результате
взаимодействия с электронами (как связанными, так и
свободными) и ядрами. В первом приближении счита-
ется, что оба вида потерь не зависят друг от друга.
Среднее значение удельных потерь энергии для одной
бомбардирующей частицы можно представить в виде
суммы
[$„(£) + &(£)],	(9-1)
где Е — энергия частицы, Дж, в точке х, расположенной
на ее пути; Sn — ядерная тормозная способность, Дж/м2;
Se — электронная тормозная способность, Дж/м2; N —
среднее число атомов в единице объема мишени.
149
При известных Sn и Se интегрирование дает общее
расстояние Rx:
1 ' dE	.
N [$„(£)+$<,(£)]	аХ’
R	Е<,
Rx=^dX=^- J [S„(£) +5e(£)] •
О	о
(9-2)
Расстояние Rx в выражении (9-2) называется сред-
ним полным пробегом и является удобной величиной для
простой оценки средней глубины проникновения ионов
в аморфных мишенях.
Ядерная тормозная способность Sn(E), Дж/м2, не
зависит от энергии движущегося иона и равна:
^=4.310-^,^;	(9-3)
21/3 = (22/3 + 22/3 )1/2>
где Zi и Z2 представляют собой атомные номера движу-
щейся частицы и атома мишени соответственно; Mt
и М2 — массы атомов.
Электронная тормозная способность в этом случае
пропорциональна скорости движущегося иона v±:
З^Е) = Cui = kEi!2.	(9-4)
Для аморфной мишени k определяется природой
иона и материала мишени. Поскольку энергия Se изме-
няется с увеличением энергии иона Е, a Sn остается
постоянной, то должна существовать некоторая энергия
Екр, при которой Sn = Se, и тогда для кремниевой мише-
ни (М2 = 28, Z2= 14)
pi/2 — -Sn _ , •________________14г»________________М,
кр *Si [(14)2/3 + (21)2/3]1/2 Afi+28’	(	'
Для бомбардировки кремния - ионами бора (zi = 5;
Mi =10) Дкр составляет ~2-10-15 Дж, а для фосфора
21=15, Л41=ЗО) £Кр = 3 • 10-14 Дж.
Если начальная энергия бомбардирующего атома
значительно меньше Екр, т. е. S„3>Se, то преобладать
будет торможение на ядрах, тогда уравнение (9-1)
можно записать в виде
-^NSn.	(9-6)
150
Оценка соответствующего пробега для кремниевой ми-
шени yVsi^S-IO22 см-3, выполненная по уравнению (9-2),
дает:
(9-7)
гхгг ",
где Ео — в джоулях, R — в метрах.
Уравнение это дает хорошее совпадение (в пределах
10%) с экспериментом для тяжелых ионов (Ge и As) и
(меньше 50%) Для легких ионов (В, С, N).
Если начальная энергия движущегося иона много
больше Екр, то электронное торможение преобладает над
ядерным и оценка соответствующего пробега для крем-
ниевой мишени приводит к соотношению
1
R^5E2,	(9-8)
где Е — в джоулях; R — в метрах.
Соотношение (9-8) является удобной формулой для
оценки максимальных пробегов очень быстрых бомбар-
дирующих ионов в кремниевых мишенях, в которых от-
сутствует каналирование, т. е. приняты все предосторож-
ности против его возникновения. Например, при энергии
падающих ионов 144-10~1й Дж значение R согласно
(9-8) будет:
1
R =. 5(144-Ю'1’)2 — 6-10~’м = 0,6 мкм.
Радиационные нарушения в мишени создаются глав-
ным образом при условии, когда Sn^>Se. Таким обра-
зом, при внедрении ионов малых энергий радиационные
дефекты образуются вдоль всей траектории, а при вы-
сокой энергии ионов — только в конце трека.
Для построения профиля распределения примесей,
полученного внедрением ионов в аморфную мишень, мы
должны иметь значение проекции пробега и средние нор-
мальные отклонения этой проекции. Оценки этих вели-
чин, вычисленные на ЭВМ для традиционных легирую-
щих примесей в кремниевой мишени, представлены
в табл. 9-1.
Зная эти величины и полную ионную дозу облучения,
можно определить профиль концентрации примеси
151

Расчетное значение проекции пробега и среднеквадратичного
Энергия, 1,6-10-е Дж	В		N		AI		Р		
	Rp			^р	Яр	А*р	Яр	*Яр	
20	714	276	491	191	289	107	255	40	
40	1413	443	961	312	564	192	488	161	
60	2074	562	1414	406	849	271	729	228	
80	2695	653	1847	479	1141	344	976	291	
100	3275	726	2260	540	1438	412	1228	350	
120	3802	793	2655	598	1737	476	1483	405	
140	4289	855	3034.	693	2036	535	1740	459	
160	4745	910	3391	672	2335	591	1998	509	
180	5177	959	3728	710	2633	644	2256	557	
200	5588	1004	4046	745	2929	693	2514	603	
в кремниевой подложке. Полной дозе облучения соот-
ветствует число ионов No, бомбардирующих мишень:
N<=^,	(9-9)
где Qo — полная доза облучения, Кл-см-2; q — заряд
одного иона, Кл/атом.
Рис. 9-3. Профиль распределения примесей для ионов, внедренных
в аморфную мишень. Значения проекции пробега Rv и среднеквад-
ратичного отклонения проекции пробега взяты из табл. 9-1.
152
Таблица 9-1
отклонения проекции пробега для различных ионов, 10'10 «г
	Оа		Аз		In		Sb	
	Яр	ДЯр	Яр	4Яр	Яр	ДЯр	Яр	АЯр
	155	37	151 -	34	133	23	132	22
	272	64	263	59	223	38	221	36
	383	88	368	81	304	51	300	49
	492	1Г1	471	101	381	63	376	60
	602	133	574	122	456	75	448	71
	712	155	677	141	529	86	519	82
	825	176	781	161	601	97	590	92
	936	197	885	180	673	108	659	102
	1049	218	991	198	744	119	728	112
	1163	238	1097	217	815	129	797	122
Например, распределение концентрации примеси
в кремнии с исходной'концентрацией NnCx, легирован-
ным ионным внедрением, описывается соотношением
(рис. 9-3)

Максимальная концентрация примеси Л/Макс, соот-
ветствующая наиболее вероятному пробегу R, т. е. при
x = R, равна:
1 * макс
(9-Н)
Концентрация ионов Nx описывается нормальным
распределением с максимумом около x = R, при x^R±:
±2ЛА? и X—R+&R значения Nx будут равны 0,\Nx и
0,0INX.
. Глубина залегания р-л-перехода определяется из фор-
мулы
хр.я = /?±Д/?
2 In , = °...—
/2л ДУ? 1УИСХ
(9-12)
При извлечении корня следует учитывать оба знака,
так как распределение значений концентраций лежит
внутри объема полупроводника, поэтому возможно одно-
временное образование двух р-п-переходов.
153
9-3. Распределение пробегов ионов
в монокристаллических подложках
Различия распределений пробегов в монокристалли-
ческих и аморфных мишенях объясняются тем, что
в монокристаллах бомбардирующие ионы имеют воз-
можность каналировать, когда падающий пучок ионов,
оказывается параллельным одному из кристаллографи-
ческих направлений с низкими индексами. Схема про-
цесса каналирования показана на рис. 9-4. Чисто интуи-
тивно представляется, что в случае ориентаций, при ко-
торых направление падающего пучка совпадает с одним
Рис. 9-4. Схематическое изображение траектории каналированной ча-
стицы. (Реальная величина гр составляет около 1°.)
из основных кристаллографических направлений, окру-
жение движущегося иона, обусловливающее его тормо-
жение, сильно отличается от соответствующего окруже-
ния в произвольно наклоненном кристалле.
Для оценки распределений пробегов в произвольно
повернутом кристалле можно опираться на теорию, из-
ложенную в предыдущем параграфе. Иная ситуация бу-
дет в том случае, когда кристалл ориентирован точно
по направлению плоскостей с низкими индексами, как
показано на рис. 9-4. В этом случае для движущегося
иона возможны траектории, проходящие достаточно да-
леко от ядер мишени. Примером траектории этого типа
могла бы служить та, которая совпадает с осью канала.
Двигаясь строго по оси канала, бомбардирующий нон
подходил бы к ядрам мишени не ближе, чем на 10-10 м,
и, следовательно, терял бы при ядерных столкновениях
очень малую долю своей энергии.
Движение частиц строго по центру канала представ-
ляется почти невероятным, однако может существовать
траектория, осциллирующая около оси канала, для бом-
бардирующего иона, который «направляется» (т. е. по-
154
стоянно сохраняет импульс, направленный к центру ка-
нала) с помощью последовательных легких соударений
с рядами атомов, образующих стенки канала. Одна та-
кая траектория показана на рис. 9-4, где направление
пути составляет угол Т с осью канала. Ядерное тормо-
жение здесь вносит менее существенный вклад по срав-
нению с электронным, а средний пробег движущегося
атома, который удерживается около оси канала, превы-
шает соответственно значение пробега в аморфной под-
ложке.
Максимальный угол Т, при котором исчезает направ-
ляющее действие ряда атомов, называется критическим
углом каналирования и обозначается Wk®. Расчет вели-
чины Ч'кр представляет определенный интерес как для
теории метода, так и для практики.
Таблица 9-2
Критические углы каналирования (град) для некоторых
ионов в кремнии
Ион	Энергия ионов, 1,бЮ’|в Дж	Наименование канала		
		<110)	<11П	(100)
бор	30	4,2	3,5	3,3
	50	3,7	3,2	2,9
Азот	30	4,5	3,8	3,5
	50	4,0	3,4	3,0
Фосфор	30	5,2	4,3	4,0
	50	4,5	3,8	3,5
Мышьяк	30	5,9	5,0	4,5
	50	5,2	4,4	4,0
Значения критического угла каналирования в крем-
нии 'Гкр в зависимости от энергии некоторых бомбарди-
рующих ионов, представляющих интерес для технологов,
приведены в табл. 9-2.
Если падающий пучок ионов ориентирован к подлож-
ке под углом, большим, чем критический угол канали-
рования, то кристаллическая мишень окажется практи-
чески неотличимой от аморфной.
Рассчитать с удовлетворительной точностью распре-
деление концентраций внедренных ионов для канали-
лированного пучка не представляется возможным, так
как в пределах угла W действует много деканалирую-
щих факторов (тепловые колебания атомов мишени, не-
совершенства структуры и др.). Если отвлечься от влия-
155
dE
dx
ния этих факторов и рассчитать максимальный пробег
4макс и среднеквадратичное отклонение Д/J для идеаль-
но каналированной частицы, то можно найти
=	(9-13)
где d — расстояние между атомами мишени вдоль ка-
нала.
При вычислении 7?Макс для «идеально» каналирован-
ных ионов ядерным торможением можно пренебречь и
тогда	. ,
(9-14)
Вместо N в уравнении (9-1) в (9-14) стоит знак про-
порциональности, так как в данном случае число стол-
кновений на пути зависит от свойств канала, а не от
средней атомной плотности.
. Теория позволяет оценить величину 7?маКс, если из-
вестны экспериментальные значения Se:
^акс=4£:/2’	<9'15)
где Ео — начальная энергия иона; постоянная k' связа-
на с величиной Se, измеренной при фиксированном зна-
чении энергии £*о соотношением
k=NSe(E*Qy12,
тогда уравнение (9-15) примет вид:
Если предположить, что все каналированные ионы
будут «идеально» каналированными, то следует ожи-
дать два максимума распределения: один для неканали-
рованных ионов согласно уравнению (9-11) и другой
для «идеально» каналированных согласно (9-16).
На рис. - 9-5 дается качественное представление об
этих эффектах. Здесь изображены два максимума, од-
нако высота второго максимума неопределенна, так как
число ионов с максимальным пробегом неизвестно. На
рис. 9-5 приведены только три из большого числа воз-
можных профилей концентраций, которые можно пред-
ставить, имея в виду два максимума и произвольные
156
деканалирующие факторы. Из приведенных выше тео-
ретических положений видно, что распределение внед-
ряемых примесей будет зависеть от ряда факторов: от
энергии ионов и дозы облучения, от взаимной ориента-
ции пучка ионов и монокристаллической мишени, от
температуры мишени при бомбардировке и режимов
отжига после внедрения ионов, от свойств мишени.
Денона дарованные
ионы
Остаток
ванного
пучка
Рис. 9-5. Схема, иллюстрирующая образование возможного профиля
примесей (/) из профилей для «идеально» беспорядочного (2) и
«идеально» каналированного (3) пучков под влиянием деканалирую-
щих факторов.
N — концентрация ионов; х — расстояние от поверхности кристалла.
На образцах кремния <110>, ориентированных от-
носительно пучка с точностью 0,1°, вероятность канали-
рования с ростом энергии ионов возрастает, а с увели-
чением дозы облучения — падает. При углах разориен-
тации ионов и мишени около 8° профили распределения
меняются очень слабо. Увеличение температуры мише-.
ни вызывает деканалирование вследствие тепловых ко-
лебаний решетки, однако величина R при этом почти не
изменяется. На рис. 9-6 и 9-7 показаны примеры влия-
ния некоторых технологических факторов на распределе-
ние ионов фосфора в кремнии. Профиль распределения
концентрации ионов фосфора, внедренных с энергией
1,6-10-13 Дж (рис. 9-8), указывает на то,-что получен-
ные пробеги близки к теоретическим значениям.
Поверхностное сопротивление р., легированного слоя
является основным электрофизическим параметром, на
основе которого оценивается результат легирования.
Например, до отжига p.s составляет обычно 102 —
10е Ом/кВ, после отжига р1=10ч-103 Ом/кВ. Отжиг про-
изводится около 30 мин при 600—900°С и способствует
157
Рис. 9-6. Влияние дозы облуче-
ния на распределение ионов
фосфора, внедренных с энер-
гией 60-10-1* Дж в кремний
с ориентацией <110>.
J-31p+; ЛГ-1,2-10» см-’; *—31р+|
N - 8,9 • 10'» СМ-1; 3 - 31»Н| К-
-7,25 • 1014 см-1.
Рис. 9-7. Влияние температуры
на профиль распределения
ионов Э1р+, имплантированных
в кремний <111> с энергией
60- 10_|в Дж.
I — ЛГ-5 . юн CM-2, Tt~400°С; 2 —
У-1,2- Ю1а см-2, Г(-20°С.
переходу примесных атомов внедрения в примеси заме-
щения, после чего они становятся электрически актив-
ными.
На рис. 9-8,6 показано распределение концентрации
фосфора, введенного при £ = 48-10-1в Дж, Q0=4X
X Ю-3 Кл/см2, Л^макс = 8-1021 см-3, отжиге при 700°С, т=
= 30 мин, ориентация <111>, М,сх= 1,5-1017 см-3.
Рис. 9-8. Распределение ионов фосфора при имплантации.
а — экспериментальный (/) и теоретический (2) профили распределения ионов
31р+ в кремнии, внедренных с дозой 4 • 10н см-* н энергией 1,6* 10-11 Дж после
отжига при температуре 700°С; б — распределение концентрации атомов фос-
фора в кремнии при создании р-л-перехода.
:15Я
Кривая имеет максимум при 7? = 0,0350 мкм, положе-
ние которого достаточно точно соответствует теории*
(0,0370 мкм). Положение р-/г-перехода (хр-п =
= 0,1900 мкм) существенно отличается от расчетного*
(0,1230 мкм), что обусловливается влиянием эффекта,
каналирования.
9-4. Технология изготовления элементов
интегральных микросхем методом ионного внедрения
Технология ионной имплантации при изготовлении:
элементов ИМС имеет большие возможности. Ее основ-
ными преимуществами являются следующие.
1.	Возможность точного задания конфигурации рас-
пределения примеси как по глубине, так и по площади
облучения. При этом градиент концентрации распреде-
ления внедренной примеси в области р-п перехода су-
щественно больше, чем у диффузионного профиля,.,
вследствие чего р-п переход является более резким.
Низкие температуры процесса (600—800°С при от-
жиге дефектов), позволяют сохранить заданный про-
филь распределения примесей в структурах и электро-
физические параметры полупроводника-.
2.	Возможность внедрения в полупроводниковые ма-
териалы практически любых легирующих элементов
в количествах, соответствующих предельной раствори-
мости, что не всегда достижимо методами диффузии.
3.	Изотопная чистота ионов легирующей примеси,,
сепарированных в магнитном поле установки.
4.	Отсутствие влияния условий окружающей среды,,
так как процесс осуществляется в вакууме.
5.	Высокая воспроизводимость результатов благода-
ря точному контролю интенсивности пучка и дозы внед-
ряемых ионов.
6.	Возможность локальной обработки с помощью
сфокусированного до требуемого размера ионного пучка
или сканирующего широкого пучка с использованием
защитных масок, что позволяет создавать тонкие базо-
вые области для полупроводниковых структур.
7.	Возможность осуществления в одной установке
целого комплекса операций, включая создание активной
структуры и контактных областей.
15S--
В настоящее время метод ионной имплантации при-
меняется при изготовлении большого класса приборов:
резисторы, диоды, транзисторы, фотоэлектрические пре-
образователи (ФЭП); матрицы диодных и транзистор-
ных структур и др.
Резисторы в кремниевых интегральных схемах, полу-
чаемые технологией ионного легирования, имеют ряд
преимуществ перед диффузионными: широкий диапазон
значений удельного поверхностного сопротивления (если
у диффузионных резисторов ps не превышает 500 Ом/кВ,
то у ионно-легированных оно достигает 20 кОм/кВ, что
особенно важно для получения резисторов высоких но-
миналов— свыше 100 кОм); высокая абсолютная вели-
чина допуска, что связано с точным контролем концен-
трации вводимых легирующих примесей; наименьшее
значение ТКС по сравнению с резисторами других клас-
сов (рис. 9-9); линейность вольт-амперных характери-
стик, что объясняется значительно более низкой под-
вижностью носителей заряда вследствие отжига при
низких температурах и увеличением поверхностного со-
противления без повышения чувствительности к измене-
ниям напряжения пробоя (рис. 9-10).
Сравнительная характеристика резисторов различ-
ных типов приведена в табл. 9-3.
Монолитные ионно-легированные резисторы, как и
диффузионные, могут изготавливаться в одном техноло-
гическом цикле с биполярными п-р-п транзисторами
(рис. 9-11).
Рис. 9-9. Зависимость ТКС диффузионных (/), ионно-легированных
(2) и различных тонкопленочных резисторов от величины.
160
Таблица 9-3
Сравнительная характеристика различных резисторов
для ИМС
Технология изготов- ления	Удельное поверх- ностное сопротив- ление, Ом/квадрат	Абсо- лют- ный до- пуск, %	Допуск при под- гонке, % \	TKC, 10-«/’С	Макси- мальное изменение параметра, -%	
					0—75“С	и о иэ еч 7 а I
Диффузия: базовая	120—200					
эмиттериая Тонкопленочная:	2—3	20	1	1500—2500	8	20
нихром	10—200	5	0,1	75+25	0,8	2
тантал	200—1000	10—30	0,1—0,5	— 150—:—400	3	8
Ионная импланта- ция	800—4000	2	0,1—0,4	—5004-+500	0,5	3
Диодные структуры с применением метода ионной
имплантации получают следующим образом. На крем-
ниевых подложках, например, ориентации <111> р-ти-
па (р~1 Ом-см) или n-типа (р — 6 Ом-см) выращивают
окисную пленку, которая после проведения фотолито-
графии служит маской при создании облученных участ-
ков нужной конфигурации. Для получения контактов
'50 52 56 56 58
Напряжение проооя, в Сопротивление, нОм
а)	о)
Рис. 9-10. Распределение партии резисторов с ра = 1 кОм/квадрат,
изготовленных внедрением ионов бора (jV= I • 1015 см—2 Е =
=90 • 10-,в Дж) через окисел толщиной 0,12 мкм, по величине напря-
жения пробоя (а) и сопротивления (б).
11—844	1G1
к ионно-легированным слоям на них напыляют алюми-
ний и созданные слои вжигают в инертном газе при
500°С в течение 10—15 мин.
Таблица 9-4
Электрические характеристики диодов,
полученных ионной имплантацией
Тип диода	Легирующая при* месь (и темпера- тура отжига, °C)	Обратный ток насыщения /$, нА	Последовательное сопротивление /?s, Ом	Напряжение лави- нообраэоцания (Уд, В	Время жизни носителей т, Mjtc	Параметр п
п+-р	Фосфор (500)	0,40	13,5	25	0,30	0,45
п+-р	Фосфор (750)	0,13	13	28	0,70	0,45
п+-р (смелой гео- метрией)	Фосфор (550)	0,02	80	34	0,10	—
р+-п (легирование через контакты)	Бор (500)	0,03	334	24	0,80	—
р+-п	Бор (700)	0,40	90	32	1,60	0,48
р+-п	Галлий (700)	0,03	190	42	1,10	0,46
Приведенные в табл. 9-4 данные показывают, что
при облучении кремния ионами бора, фосфора и галлия
получаются резкие р-п переходы, для которых емкость
связана с напряжением обратного смещения соотноше-
нием
C = ku~n,	(9-17)
где п в большинстве случаев равна 0,5.
Ионно-легированные кремниевые диоды имеют бо-
лее резкий профиль распределения примесей и меньшую
глубину залегания р-п перехода (рис. 9-12), чем диффу-
зионные, в связи с этим ионно-легированные приборы
имеют лучшие характеристики, чем диффузионные.
Транзисторные структуры, изготовленные ионной имплантацией,
имеют, как правило, лучшие характеристики, особенно при изго-
товлении СВЧ приборов. Метод позволяет изготовить область базы
очень малой ширины (менее 0,1 мкм) с высокой концентрацией
примеси и, следовательно, с малым сопротивлением по всей тол-
щине базы, что позволяет улучшить предельную частоту усиления
транзистора. На рис. 9-13 показан профиль концентрации приме-
сей в транзисторных структурах, изготовленных по обычной диф-
фузионной технологии и с применением имплантации ионов бора
для создания базы.' Во втором случае обеспечивается наибольшее
увеличение концентрации примесей в базе, т. е. достигается мини-
мальная величина сопротивления, а следовательно, увеличивается
предельная частота.
162
Для создания описанной структуры в качестве источника ионов
используется диборан В^Нв, легирование осуществляется бомбар-
дировкой ионов В‘1+ с энергией (4—5) -Ю-1® Дж с последующим
отжигом при температуре 800°С в течение 10 мин.
Особенно широко используется технология ионной имплантации
я производстве приборов с зарядовой связью и МОП ИМС. В по-
следнем случае это объясняется тем, что данный метод позволяет
значительно уменьшить (практически до нуля) паразитные пере-
Рис. .9-11. Поперечное сечение структуры биполярного транзистора и
ионно-легированного резистора.
/ — Диффузионная контактная область (/Н--тнп); 1 — резистор (р-тнп); 3 — эпи-
таксиальный кремний (ч-тип); 4 — п-р-п транзистор; 5 — подложка (р-тип).
крытия затвор — исток и затвор — сток. Малые паразитные пере-
крытия и селективное формирование встроенных каналов позволяют
повысить быстродействие ИМС в 2—3 раза без увеличения потреб-
ляемой мощности.
Для того чтобы увеличить температуру и время отжига, не-
обходимо отказаться от алюминиевых затворов (температура плав-
Рис. 9-12. Концентрационные профили ионно-легированного (а) и
диффузного (б) диодов (/ — исходная концентрация примеси в под-
ложке).
i1*	163
Рис. 9-13. Механизм образования и профили концентраций в транзи-
сторных структурах при создании базы, изготовленных.
а—имплантацией ионов бора; б— обычной диффузионной технологией.
ления А1 равна 660°С) и использовать более тугоплавкие мате-
риалы для затворов (например, молибден) или поликристалличе-
ский кремний, при этом температура отжига может достигать
1000°С. Преимущества использования поликристаллического крем-
ния в качестве затворов в МОП ИМС оказались весьма существен-
Рис. 9-14. Структура диффу-
зионного (а) и ионно-леги-
рованного (б) полевого МДП
транзисторов.
/ — исток; 2 — сток* 3 — затвор;
4 — ионно-легированный канал;
6 — подложка я-тнпа; 6 — пере-
крытие канал — затвор.
ными, так как они позволили заметно снизить пороговое напря-
жение за счет уменьшения разности работ выхода между мате-
риалами затвора и подложки и плотности поверхностных зарядов
Технология ионного легирования с самосовмещением затворов
отличается от стандартной технологии отсутствием закладываемого
164
p-Si (WO Ом-см)
Mil Sio2
p~Si(1 Ом - см)
Рис. 9-1'5. Схема изготовления полевого МДП транзистора.
а — образование истока и стока диффузией фосфора; б — имплантация бора
для увеличения проводимости области исток — сток; в — формирование алюми-
ниевых электродов истока — стока и затвора; а — имплантация ионов фосфора
для формирования областей исток — затвор и затвор — сток; 1 — исток;  2—1
сток; 3 — затвор.
в фотошаблоны перекрытия электродом затвора областей истока
и стока. После формирования диффузионных областей истока и
стока и выращивания затворного окисла над областью канала фор-
мируется электрод затвора, не перекрывающий области истока и
стока (рис. 9-15). Для смыкания области канала с истоком и сто-
ком используется ионное легирование. Ионы свободно проходят
сквозь тонкий затворный окисел и образуют в подложке замыкаю-
щие области того же типа проводимости, что и диффузионные об-
ласти. При этом перекрытие электродом затвора ионно-легирован-
ных областей не превышает 0,2—0,3 мкм, что во много раз меньше,
чем в стандартных МОП транзисторах (рис. 9-14). Дальнейшая
обработка пластины практически ничем не отличается от стан-
дартной. Схема создания структуры МОП транзистора с примене-
нием ионной имплантации представлена на рис. 9-15.
Широкий поиск путей наиболее эффективного использования
технологии ионной имплантации показал, что наилучшие резуль-
таты получаются при сочетании этого метода с процессами диф-
фузии, эпитаксии, электронной литографии и вакуумного напыле-
ния.
Глава десятая
ФОТОЛИТОГРАФИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ
В ТЕХНОЛОГИИ ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМ
10-1. Общие понятия о фотолитографии
Фотолитография — совокупность фотохимических про-
цессов, применяющихся для получения необходимых
размеров и конфигураций компонентов интегральных
микросхем (ИМС) и прочих электронных микроузлов.
165
Сущность процесса фотолитографии заключается
в следующем.
На поверхность материала наносят слой особого све-
точувствительного состава — фоторезиста. Фоторези-
сты— светочувствительные и устойчивые к воздействию
агрессивных сред (кислот, щелочей) вещества, предна-
значенные для создания защитного рельефа требуемой
конфигурации от последующего воздействия химических,
физических, электрохимических и прочих агрессивных
воздействий. Защитный рельеф образуется в результате
того, что под действием света, падающего на определен-
ные участки фоторезистивного слоя, последние изменяют
свои физико-химические свойства.
В зависимости от механизма протекающих в фоторе-
зисте реакций и особенностей изменения его свойств
Изл учвние
Н I НП 111 н ИЦ |
Рис. 10-1. Образование защитного
рельефа позитивным (а) и негатив-
ным (б) фоторезистором.
1 — фотошаблон; 2 — фоторезист; 3 —
подложка.
В позитивных фоторезиста
фоторезисты делят на не-
гативные и позитивные.
При облучении негатив-
ного фоторезиста через
фотошаблон (позитив) в
нем протекают процессы,
приводящие к потере рас-
творимости, в результате
чего после обработки в
соответствующих раство-
рителях (проявителях)
удаляются только необ-
лученные участки,' распо-
ложенные под непрозрач-
ными элементами фото-
шаблона, и на подложке
образуется защитный
рельеф, повторяющий не-
гативное изображение фо-
тошаблона (рис. 10-1,6).
: под действием света про-
текают фотохимические реакции, приводящие, наоборот,
к усилению растворимости в соответствующих прояви-
телях, в результате чего удаляются (вымываются) толь-
ко облученные участки фоторезиста и защитный рельеф
повторяет позитивное изображение фотошаблона
(рис. 10-1,а).
Собственно процесс фотолитографии на этом, как
правило, заканчивается. Последующее использование за-
166
щитного рельефа, в зависимости от типа изделия, подле-
жащего обработке, заключается в травлении материала
подложки на не защищенных фоторезистом участках или
в наращивании того или иного материала на эти уча-
стки.
Сам процесс фотолитографии известен сравнительно
давно, он заимствован из полиграфической промышлен-
ности^ Фотолитография широко применяется в радиотех-
нической промышленности при изготовлении печатных
плат. Широкое применение фотолитографические методы
получиди и в технологии ИМС.
В настоящее время без фотолитографии невозможно
себе представить получение полупроводниковых прибо-
ров и ИМС.
К основным достоинствам фотолитографического про-
цесса следует отнести:
возможность получения пленочных и Объемных ком-
понентов ИМС, весьма малых размеров (до долей мкм)
практически любой конфигурации;
универсальность метода (изготовление трафаретов
для напыления пленок и сеткографии, селективное трав-
ление пленочных слоев, вытравливание «окон» в окис-
ных пленках для локальной диффузии, эпитаксии и им-
плантации, глубинное травление в полупроводниковых
и диэлектрических подложках и т. д.);
возможность применения групповой технологии (за
одну операцию и на одном виде оборудования — полу-
чение сотен и тысяч элементов ИМС и приборов).
10-2, физико-химические основы фотолитографических
процессов
В основе процессов, используемых в фотолитографии,
лежит фотохимическое действие света на вещество.
Свет является одним из видов лучистой энергии и
представляет собой поток фотонов (квантов) лучистой
энергии. Энергия кванта
£ = =	(10-1)
где h — постоянная Планка; v— частота колебаний
электромагнитного поля, создаваемого движением фото-
на; с — скорость света; А, — длина электромагнитной
волны.
167
Световая энергия поглощается молекулами (или
атомами) вещества, при этом увеличивается запас вну-
тренней энергии последних.
Если энергия фотона больше энергии молекулы, то
последняя в результате первичного акта поглощения
кванта света может перейти из основного (нормального)
состояния в электронно-возбужденное. Однако возбуж-
денное состояние молекулы (атома) является неустой-
чивым, и скоро она теряет избыточную энергию, перехо-
дя в нормальное состояние.
Переход молекул из возбужденного состояния в нор-
мальное протекает различными путями.
Атом, возбужденный поглощенным квантом света,
претерпевает химическое изменение. В этом случае гово-
рят о фотохимическом воздействии света, что и представ-
ляет для нас в данном случае наибольший интерес.
В фотохимии склонность молекул к фотохимическому
превращению оценивают квантовым выходом у, под ко-
торым понимают отношение
число прореагировавших молекул /1О
Y~'	число поглощенных квантов ‘	'
Согласно закону Эйнштейна каждый поглощенный
квант лучистой энергии (/iv) вызывает возбуждение
одной молекулы.
Согласно этому закону квантовый выход фотохими-
ческого процесса должен быть равен единице. Однако,
как показали экспериментальные исследования, далеко
не во всех случаях квантовый выход равен единице.
Отклонение у от единицы объясняется тем, что вслед
за первичным актом поглощения и последующим элек-
тронно-возбужденным состоянием молекул следуют вто-
ричные (темновые) реакции, которые частично компен-
сируют результат первичного поглощения' (у<1) или
действуют в том же направлении (у>1).
Квантовый выход, скорость фотохимических реакций
и их управляемость во многом определяются спектраль-
ным составом и интенсивностью падающего света и за-
висят от химического строения облучаемых веществ.
Фотохимические реакции, происходящие в веществе при
поглощении световой энергии, отличаются сложностью
и многообразием.
Известны следующие основные типы фотохимических реакций.
Фотораспад (или фотолиз) — разложение возбужденной моле-
кулы на активные части. Различают два типа фотолиза:
168
фотодиссоциация, т. е. распад молекулы на электрически ней-
тральные частицы (свободные радикалы),
Л,Л2^ !А,А2]*А, + Л'2;	(10-3)
фотоионизация, т. е. распад молекулы на ионы,
Л»
ЛИ2-»1ЛЛ]*-*Л+1-|-Л-»,	(Ю-4)
где Л1Л2 — молекула в основном состоянии; [A^j] * — молекула
в возбужденном состоянии; АА'г—свободные радикалы; А+ А^—
ионы.
Фотоприсоединение — присоединение к возбужденной молекуле
другой молекулы того пли иного рода
Л, А*, + Л, -» [А^А,] - Аа.	(10-5)
Различают несколько разновидностей процесса фотоприсоеди-
нения:
Фотодимеризация — образование из двух молекул исходного
вещества нового, называемого димером.
Фотоконденсация—образование новых связей в структуре мо-
лекулы в результате протекания под действием света большого
числа различных превращений.
Фотооксидирование — присоединение к возбужденной молекуле
молекулы кислорода
А*, + О2-» (AjO2)-+ОА,О.	(10-6)
Фатогидролиз — взаимодействие возбужденной молекулы с во-
дой
А*!4 Н2О—>НА,ОН.
(Ю-7)
Фотополимеризация — соединение молекул мономера в макро-
молекулы, в результате чего молекулы мономера становятся звенья-
ми в структуре последней. Элементарный состав макромолекул не
отличается от состава мономера, что составляет одно из существен-
ных отличий фотополимеризации от фотоконденвации.
Фотоперегруппировка — перегруппировка атомов в скелете воз-
бужденной молекулы. Возможны два типа процессов перегруппи-
ровки.
Фотоизомеризация — поворот одной группы атомов по отноше-
нию к другой или изменение геометрической конфигурации атомов
(10-8)
169
Фототаумеризация—перемещение отдельных атомов из одной
части скелета в другую
Фотоперенос электрона — отрыв электрона у некоторых соеди-
нений под действием света (фотоокисление, фотовосстановление)
Ли
А* + х -» А+ + X-;
hv
А*-у->А~ +У+-
(10-10)
Фотосенсиб'илизация — передача энергии возбуждения от од-
ного компонента бинарной системы другому.
10-3. Фоторезисты, требования к ним и основные
фотохимические реакции
Фоторезисты являются сложными композициями
органических веществ. Фотохимические реакции, проис-
ходящие в фоторезистах при их облучении, проходят по
сложному механизму, включающему некоторые из вы-
шеназванных. Чаще всего в фотохимических процессах,
протекающих в фоторезистах, главную роль играют ре-
акции фотолиза и фотоприсоединения. Облучение неко-
торых фоторезистов ультрафиолетовым светом приво-
дит к их полимеризации, в результате чего последние
становятся нерастворимыми в-органических растворите-
лях или же растворимыми в других (например, водных)
проявителях. Используемые проявители должны обла-
дать максимальной избирательностью.
Для осуществления фотохимических процессов в фо-
торезистивных материалах' применяют обычно ультра-
фиолетовое (УФ) излучение. Поскольку в естественном
свете содержание УФ лучей сравнительно невелико, то
для более интенсивного протекания фотохимических
процессов применяют искусственные источники УФ об-
лучения. Поглощение УФ облучения органическими мо-
лекулами протекает селективно, т. е. для различных ве-
ществ поглощение наблюдается на вполне определенной
длине волны УФ диапазона.
170
Фоторезист — это многокомпонентная система, со-
стоящая из полимерной основы и различных добавок,
обеспечивающих в первую очередь повышение светочув-
ствительности полимеров, а также такие важные каче-
ства, как кислотостойкость, вязкость, смачивание и др.
В качестве полимерной основы большинства фоторезистивных
материалов используются: поливиниловый спирт, полиэфиры, по-
лиамиды, фенолформальдегидные и эпоксидные смолы, поливинил-
ацетат, каучуки и др. В настоящее время разработано много
светочувствительных композиций, обладающих достаточно, большим
квантовым выходом. Однако далеко не все они могут быть исполь-
зованы в качестве фоторезистов в производстве интегральных ми-
кросхем. Основные требования к фоторезистам следующие.
Светочувствительность. Наибольшее распространение для оцен-
ки этой характеристики получила величина, обратно пропорцио-
нальная количеству поглощенной световой энергии, требуемой для
получения в слое фоторезиста определенного фотохимического
эффекта, который состоит в потере (негативные) или приобретении
(позитивные) растворимости облученных участков фоторезиста.
Светочувствительность S в этом случае записывают в виде
соотношения
с____________________
Л=Л - Ehjhs - Hhs
(10-11)
где hs — толщина слоя фоторезиста, в котором произошел требуе-
мый фотохимический эффект; Ehs — облученность, Вт/см2; ths—вы-
держка, с; Hhs — экспозиция, Вт-с/м2.
Физический смысл критерия состоит в том, что, чем меньшая
требуется экспозиция для изменения растворимости слоя на глуби-
ну h„ тем более светочувствителен фоторезист. Высокая степень
светочувствительности фоторезистов во многом зависит от совпаде-
ния максимумов спектров их поглощения и излучения источника
света, а также от «прозрачности» фотошаблона для активной
части спектра излучения источника света. В связи с этим каждый
фоторезистивный материал характеризуется УФ спектром погло-
щения, представляющим собой зависимость коэффициента погло-
щения от длины волны падающего света. Большинство фоторе-
зистов обладают светочувствительностью к части УФ спектра, ле-
жащей в диапазоне от 300 до 500 нм. Наиболее предпочтительной
является дальняя граница этого диапазона, так как в коротковол-
новой части у некоторых фоторезистов наблюдается уменьшение
квантового выхода фотохимических процессов и снижается каче-
ство проявления. Сдвиг границы поглощения в сторону более длин-
ных волн осуществляется с помощью введения в композицию спе-
циальных добавок — сенсибилизаторов.
Разрешающая способность. Под разрешающей способностью
фоторезиста понимают максимально возможное число раздельно
передаваемых линий защитного рельефа на 1 мм поверхности под-
ложки:
(10-12)
1000
21 ’
171
где Я— разрешающая способность, линий/мм; I — ширина раздель-
но передаваемой линии, мкм.
Иногда разрешающую способность определяют наименьшей
шириной линии или наименьшим расстоянием между ними в микро-
метрах. Разрешающая способность фоторезиста определяется в ос-
новном зернистостью и дисперсностью . его структуры. Возмож-
ность получения минимальных размеров заданного рельефа зави-
сит также от технологических операций.
Различают разрешающую способность фоторезиста и процес-
са фотолитографии. Так, при разрешающей способности фоторезиста
Рис. 10-2. Процесс по-
глощения излучения в
слое негативного фоторе-
зиста.
а — области преимуществен-
ного влияния дифракции,
рассеяния н отражения от
подложки; б — рельеф фото-
резиста после проявления:
/ — фотошаблон; 2 — фоторе-
зист; 3 — подложка.
около 1000 лин/мм может быть получена разрешающая способность
процесса фотолитографии порядка 400 лин/мм. Более низкая раз-
решающая способность процесса в сравнении с аналогичной ха-
рактеристикой фоторезиста объясняется неидеальностью перехода
от участков, покрытых фоторезистом, к непокрытым в защитном
рельефе после дроявления. Причиной неидеальности переходов
в защитном рельефе после проявления являются процессы дифрак-
ции, рассеяния и отражения света в системе подложка — фоторе-
зист — фотошаблон.
На рис. 10-2 схематично изображено поглощение лучей в слое
негативного фоторезиста при экспонировании.
В результате паразитного облучения слоя за счет дифракции
света на краю непрозрачного элемента фотошаблона, диффузного
рассеяния в слое и частичного отражения от подложки происходит
«сшивание» незначительной части слоя, лежащей в окрестности гра-
ницы прозрачных и непрозрачных элементов фотошаблона. Однако
после проявления остается лишь участок, непосредственно приле-
гающий к подложке, удерживаемый силами адгезий.
Участки, располагаемые непосредственно под непрозрачными
элементами фотошаблона, сшитые паразитным облучением незна-
чительной интенсивности, легко удаляются при проявлении.
172
Таким образом, на границе защитного рельефа образуется
«ореол», снижающий разрешающую способность процесса фотолито-
графии.
Разрешающая способность процесса фотолитографии в еще
большей степени снижается в результате бокового подтравливания
под слоем фоторезиста на границах защитного рельефа  при трав-
лении материала подложки (рис. 10-3).
Очевидно, чем выше толщина фоторезистивного слоя, тем боль-
ше «ореол» при проявлении. Толстые пленки хуже удерживаются
на подложке по сравнению с тонкими, что увеличивает боковое
подтравливание.	'
Рис. 10-3. боковое подтравли-
вание под слой фоторезиста.
/ — фоторезист; 2 — пленка, подле-
жащая травлению; 3 — подложка;
Л — глубина травлеижя; в — боковое
подтравливание.
Рис. 10-4. Зависимость разре-
шающей способности процесса
фотолитографии и фоторезиста
от толщины слоя фоторезиста.
1 — область растравливания; 2 —
разрешающая способность процесса
(после травления); 3 — разрешаю
щая способность слоя фоторезиста
(после проявления).
С увеличением толщины
фоторезистивного покрытия
падает разрешающая способ-
ность фотолитографического
процесса. На рис. 10-4 изобра-
жены эмпирические зависимо-
сти разрешающей способности
процесса фотолитографии для
слоя одного из часто применяемых фоторезистов. Из рис. 10-4 вид-
но, что при достаточно тонкой пленке фоторезиста (порядка
0,3 мкм) можно получить разрешающую способность процесса око-
ло 200 линий/мм, что соответствует ширине линии 2,5 мкм.
Разрешающая способность процесса фотолитографии во многом
определяется также совершенством применяемых фотошаблонов и
источников ультрафиолетового излучения. Применяя высококаче-
ственный фотошаблон и однородный источник ультрафиолетового
излучения, можно получить разрешающую способность тонкого
слоя поливинилцинамата порядка 500 линий/мм.
Устойчивость к химическим воздействиям. Фоторезисты долж-
ны обладать высокой устойчивостью к воздействию кислот и ще-
лочей, так как в процессе травления или электролитического осаж-
дения защитный рельеф значительное время (до нескольких минут)
контактирует с концентрированными кислотами (плавиковой, азот-
ной, соляной, ортофосфорной, серной) и щелочами (едкими калием
и натрием).
Кислотостойкость фоторезиста во многом определяется хими-
ческим составом его полимерной основы. Так, используемый иногда
173
в фоторезистах новолак и используемые в полиграфии природные
коллоиды (желатин, гуммиарабик, шеллак и др.) отличаются от-
носительно низкой кислотостойкостью.
Хорошие результаты дает введение в состав фоторезистов
различных кислотостойких добавок. Например, кислотостойкость.
фоторезиста может быть увеличена путем хлорирования новолакак
добавлением в состав фоторезиста эпоксидных смол и др.
Очень хорошими кислотостойкими свойствами обладают фото-
резисты на основе каучуков, которые позволяют производить глу-
бинное травление кремния до 100 мкм.
Некоторые фоторезисты, например позитивные, отличаются,
невысокой щелочеустойчивостью. Низкая устойчивость против ще-
лочей позитивных фоторезистов объясняется наличием в компози-
ции фенольных смол, которые растворяются в щелочах на необ-
лученных участках защитного рельефа при проявлении. Стойкость,
таких резистов повышается путем замещения части фенольных,
гидроксилов радикалами, инертными к щелочам.
Стойкость фоторезиста к химическим воздействиям зависит
не только от химического состава, но и от толщины и состояния
фоторезистивного покрытия. В результате наличия различного рода
дефектов в слое (сквозные поры — «проколы», пыль, пустоты и др.)
пленка фоторезиста локально пропускает травители на защитных,
участках рельефа. Причиной появления дефектов в слое может быть
возникновение механических напряжений и «проколов» в процес-
сах нанесения слоя, сушки, экспонирования, проявления, задубли-
вания и др., причем чем тоньше слой, тем вероятнее возникновение:
подобных дефектов.
Стойкость фоторезистивного покрытия к воздействию агрес-
сивных сред зависит также от адгезии слоя к подложке. Поэтому
кислотостойкость фоторезистов часто оценивают фактором трав-
ления (см. рис. 10-3).
h
К = —,	(10-13>
л
где h — глубина травления; х — боковое подтравливание.
Очевидно, чем лучше адгезия фоторезистивного слоя к под-
ложке, чем меньше х, и, следовательно, при данном h выше кисло-
тостойкость.
Адгезия фоторезистивного слоя к подложке необходима для ка-
чественного проведения следующих за нанесением фоторезиста
операций фотолитографического процесса и, как было показано
выше, обеспечения стойкости защитного рельефа к воздействию
агрессивных сред.
Адгезия фоторезиста зависит от физико-химических свойств
компонентов, входящих в его состав, и условий проведения опе-
раций процесса фотолитографии (нанесение, сушка, экспонирова-
ние, термообработка и т. д.).
Равномерность фоторезистивного покрытия. Различают равно-
мерность фоторезистивного покрытия на отдельно взятой подлож-
ке (градиентная погрешность) и воспроизводимость покрытия по
толщине от подложки к подложке.
Градиентная погрешность толщины фоторезиста и невоспроиз-
водимость ее в серии подложек ухудшают такие важнейшие пара-
метры, как светочувствительность и кислотостойкость и, в конеч-
174
ном итоге, приводят к снижению процента выхода годных ИМС,
точности и стабильности параметров интегральных компонентов.
' Равномерность фоторезистивного слоя в первую очередь зави-
сит от метода и условий формирования слоя и определяется также
физико-химическими свойствами фоторезиста.
Имеется еще ряд требований, которые необходимо выполнять
при выборе фоторезиста — это минимум загрязнения изделия про-
дуктами фотохимических реакций, недифицитность материалов,
стойкость композиций и их составляющих при хранении, нетоксич-
ность, несложность применения и др.
В настоящее время находит применение большое число фото-
резистивных материалов.
Широкое применение при изготовлении масок для напыления
в производстве микроэлектронной аппаратуры находит негативный
фоторезист на основе поливинилового спирта.
Здесь в качестве светочувствительной добавки используется
бихромат аммония.
Предполагается, что первичным фотохимическим процессом
при УФ облучении такой композиции является фотохимическое вос-
становление трехвалентного хрома из шестивалентного с образо-
ванием окиси хрома. В процессе вторичных фотохимических реак-
ций происходит образование поперечных связей между функцио-
нальными группами полимера (группами С=О) и ионами трех-
валентного хрома, благодаря чему образуется сшитый слой,
устойчивый к растворению.
Основным недостатком композиций с добавками солей хромо-
вой кислоты является их нестабильность благодаря склонности
к темновым реакциям сшивания.
Одним из методов получения светочувствительных композиций
является модификация Аолимеров путем введения в его макромоле-
кулу сверхчувствительных групп. Например, светочувствительность
поливинилцинамата повышают путем введения в композицию не-
которых органических соединений, так называемых сенсибилизато-
ров (ароматические нитросоединения, кетоны, красители и др.).
Широко используются фоторезисты со светочувствительными
добавками на основе диазосоединений. Так, среди отечественных
негативных фоторезистов широкое применение нашли составы
ФН-102 и ФН-103, полученные путем модификации натурального
каучука и светочувствительных диазосоединений. Используются
позитивные фоторезисты серии ФП |(ФП383, ФП-354, ФП-330 и др.).
Выбор типа фоторезиста и условий его применения
определяется назначением фотолитографического про-
цесса. Основным достоинством позитивных фоторезистов
является более высокая в сравнении с негативными раз-
решающая способность, что объясняется различиями
в поглощении УФ облучения.
Выше было показано, что разрешающая способность
процесса фотолитографии при использовании негатив-
ных фоторезистов снижается из-за неизбежного появле-
ния «ореола» на границах защитного рельефа при про-
явлении. При тех же условиях экспонирования при
175
использовании позитивного фоторезиста этого «ореола»
практически не возникает.
Преимущество позитивных фоторезистов вовсе не от-
вергает возможность и необходимость применения не-
гативных.
Рис. 10-5. Технологическая схема типового фотолитографического
процесса.
Применение негативных фоторезистов позволяет рас-
ширить возможности технологических процессов фото-
литографии и в конечном итоге возможности технологии
интегральных микросхем.
10-4. Основные операции фотолитографического
процесса
Процесс фотолитографии состоит из ряда операций,
сущность, назначение и последовательность которых
являются, за редким исключением, общими для любого
производства, где он применяется. На рис. 10-5 изобра-
жена технологическая схема типового фотолитографиче-
ского процесса.
Базовой деталью является подложка, на поверхно-
сти или в объеме которой надлежит сформировать рель-
еф заданной конфигурации.
Подложкой может служить металлическая фольга
или сетка, из которой в процессах фотолитографии и
последующего травления изготавливаются трафареты
для нанесения компонентов ИМС.
176
Подложка может быть и диэлектрической (стекло,
ситалл, керамика) с нанесенными на ее поверхность
слоями того или иного материала, из которого метода-
ми контактной маски, селективного травления или на-
ращивания формируются пленочные компоненты.
Наконец, в технологии полупроводниковых ИМС
роль подложки может выполнять полупроводниковый
кристалл, в объеме которого производят локальное глу-
бинное травление, или тот же кристалл с нанесенным
на его поверхность окислом, металлом и т. п.
После получения «фоторезистивной маски» заданной
конфигурации следует обработка не защищенных фото-
резистом участков подложки. Вид обработки зависит от
назначения процесса фотолитографии. Это чаще всего
травление материала подложки (или нанесенного на
него слоя) либо химическое, электрохимическое, физиче-
ское наращивание материала и т. п.
На заключительной стадии процесса, как правило,
следует удаление использования «фоторезистивной мас-
ки», причем если при наращивании материал осаждался
и на фоторезистивный слой, то вместе с последним уда-
ляется и ненужная часть осажденного материала.
Рассмотрим назначение и сущность основных опера-
ций типового процесса фотолитографии.
Подготовка поверхности подложки предшествует опе-
рации нанесения фоторезиста и служит для обеспечения
качества фоторезистивного покрытия, его адгезии к под-
ложке и, следовательно, стойкости к воздействию агрес-
сивных сред.
Для подготовки поверхности подложки используют-
ся обычное обезжиривание, физико-химическая обработ-
ка, нанесение связующего подслоя и т. д.
Однако в большинстве случаев оказывается доста-
точным обычное обезжиривание в парах органических
растворителей: толуола, трихлорэтилена, четыреххлори-
стого углерода и т. п. Выбор того или иного раствори-
теля производится исходя из требования максимальной
степени очистки при минимальном воздействии паров
растворителя на микрорельеф материала подложки.
Для обезжиривания подложек в парах растворителя
применяют специальные установки, рассчитанные на
применение их в условиях серийного производства. Схе-
ма одной из таких установок изображена на рис. 10-6.
12—844
177 .
Перегретый пар растворителя из испарителя подает-
ся в рабочую камеру, крышка которой охлаждается во-
дой. В камере пар конденсируется на холодных подлож-
ках и образовавшиеся капли конденсата смывают жиро-
вые и прочие загрязнения. Процесс очистки в начальной
стадии идет интенсивно, так как на подложки непрерыв-
но падают капли конденсата, смывая с них загрязнения.
После нагрева подложек очистка практически прекра-
щается, так как прекращается конденсация пара раство-
рителя. Из рабочей камеры подложки выходят сухими,
-без следов загрязнения и не требуют дальнейшей
сушки.
Рис. 10-6. Блок-схема установки для очистки в парах растворителя.
/ — камера для хранения подложек; 2— камера для обезжиривания подло-
жек; 3 — программное устройство; 4 — испаритель; 5 — нагреватель; б— тири-
сторный регулятор температуры; 7 — кнопка начала цикла; 8 — кнопка вклю-
чения нагревателя: 9 — регулятор мощности нагревателя; 10 — емкость для за-
правки обезжиривающего раствора; 11 — слив использованного раствора.
Формирование фоторезистивного слоя на поверхно-
сти подложки является одной из основных операций фо-
толитографического процесса. Достаточно сказать, что
большинство из названных выше требований, предъяв-
ляемых к фоторезистивным покрытиям, определяется
условиями проведения этой операции.
Разрешающая способность и кислотостойкость фото-
резистивного слоя во многом зависят от его толщины.
В свою очередь, именно в процессе нанесения получают
фоторезистивную пленку заданной толщины. Равномер-
ность фоторезистивной пленки по толщине, определяю-
щая в дальнейшем воспроизводимость геометрии задан-
ного слоя или рельефа, также зависит от метода и усло-
178
вий операции формирования фоторезистивной пленки.
Наконец, адгезия фоторезиста к подложке, определяю-
щая кислотостойкость покрытия, также определяется
условиями нанесения и сушки фоторезистивного слоя;,
при его формировании.
Известны следующие основные технологические ме-
тоды нанесения фоторезистивных покрытий на поверх-
ность подложек: погружение в раствор, центрифугиро-
вание и распыление (пульверизация). .
Однако метод погружения в раствор не нашел ши-
рокого применения в технологии ИМС в силу ряда
существенных недостатков, например, таких как замет-
ная неравномерность слоя по толщине (клинообраз-
ность) и неизбежность покрытия фоторезистом обеих
сторон подложки, что связано с дальнейшими техноло-
гическими трудностями в процессе фотолитографии.
Широкое применение в настоящее время получил
метод центрифугирования. Сущность метода заключает-
ся в нанесении на подложку определенной дозы жидко-
го фоторезиста и получении необходимой толщины
пленки за счет вращения ротора центрифуги с задан-
ной скоростью. Процесс растекания центрифугирован-
ной жидкости на плоском вращающемся диске происхо-
дит под действием центробежных сил и сил сопротив-
ления, обусловливаемых вязкостью жидкости. Исходя из
равновесного соотношения между центробежными и
вязкостными силами и предположения радиального ла-
минарного движения жидкости, можно получить следую-
щее соотношение для толщины слоя жидкости:
/ 3	Qv \1/3
2л Ra> J ’
(10-14У
где h — толщина слоя, см; Q — расход жидкости, смэ/с;
v — кинематическая вязкость жидкости, см2/с; R— рас-'
стояние от оси вращения, см; « — угловая скорость,
диска, 1/с.
При центрифугировании раствор фоторезиста на под-
ложке образует поток жидкости, который может быть,
разбит на две области: область пограничного слоя и
область «внешнего потока», где можно не учитывать
влияние вязкости.
Формула (10-14) получена в предположении, что
центробежные силы передаются жидкости, сообщая
всем ее частицам одинаковую радиальную скорость.
12*	179
Однако это верно, если высота слоя жидкости велика
в сравнении с толщиной пограничного слоя. При центри-
фугировании «внешний поток» сбрасывается и на по-
верхности остается только пограничный слой, толщина
которого
3 /—
где А — коэффициент пропорциональности.
На рис. 10-7 изображено изменение среднего и сред-
неквадратичного значений толщины фоторезистивной
пленки в зависимости от частоты вращения ротора цен-
трифуги, выраженной в числе оборотов в минуту/ Гра-
фик на рис. 10-7 получен
Рис. 10-7. График изменения сред-
него и среднеквадратичного значег
ний толщины фоторезистивной
пленки в зависимости от частоты
вращения ротора центрифуги.
при центрифугировании
фоторезиста ФП-383 на
ситалловые подложки с
нанесенным слоем алю-
миния. Каждая точка
графика получена путем
измерения толщины фо-
торезистивной пленки у
партии подложек в коли-
честве 20—25 шт.
Из рассмотренного
графика (рис. 10-7) вид-
но, что с увеличением
скорости центрифугиро-
вания уменьшается не
только среднее значение
толщины фоторезистив-
ного покрытия, но и невос-
производимость толщины слоя. При этом при достиже-
нии некоторого числа оборотов центрифуги толщина
пленки становится постоянной и рассеяние ее значений
от подложки к подлежке минимально. Это число оборо-
тов центрифуги (называемое критическим) соответствует
моменту уравновешивания центробежных и когезионных
сил при пленкообразовании.
Большое рассеяние (невоспроизводимость) значений
толщины при оборотах, меньших критических, можно
объяснить наличием краевого утолщения слоя фоторези-
ста, которое с увеличением скорости центрифугирования
уменьшается и смещается к периферии подложки.
180
На рис. 10-8,а—в в качестве примера изображены
профили фоторезистивного слоя, полученные на подлож-
ках при различных скоростях центрифугирования. Вид-
но, что при низких оборотах краевое утолщение занима-
ет значительную часть подложки, а при увеличении числа
оборотов оно практически сводится к нулю.
Очевидно, что с точки зре-
ния максимальных разрешаю-
щей способности процесса фо-
толитографии (минимальной
толщины слоя) и воспроизво:
димости (равномерности слоя)
наиболее целесообразной яв-
ляется скорость центрифугиро-
вания, превышающая критиче-
ское число оборотов. Однако
от толщины фоторезистивного
слоя зависит его устойчивость
(кислотостойкость) к агрес-
сивным средам, которая не
может быть обеспечена выбо-
ром минимальной толщины
фоторезиста.
Таким образом, при вы-
боре толщины фоторезистив-
ного покрытия, а следова-
тельно, и значения критическо-
Рис. 10-8. Профили фоторе-
энстивного слоя, полученные
на подложках при различ-
ных скоростях центрифуги-
рования.
го числа оборотов следует исходить не только из мини-
мальной, но и оптимальной толщины пленки. С целью
выбора оптимальной скорости центрифугирования обыч-
но пользуются эмпирической зависимостью числа дефек-
тов («проколов») фоторезистивного слоя от числа обо-
ротов центрифуги для слоев с различной вязкостью фо-
торезиста.
Нанесение фоторезистивных покрытий методом центрифугиро-
вания производится в условиях серийного производства на спе-
циальных автоматизированных установках. Схема установки типа
ЦНФ (центрифугированное нанесенце фоторезиста) изображена на
рис. 10-9.
Подложка помещается на предметный столик центрифуги и
присасывается вакуумом нажатием кнопки «Вакуум», который со-
здается вакуумным насосом. После нанесения капельницей опреде-
ленной дозы фоторезиста на поверхность подложки нажатием
кнопки «Пуск» осуществляется вращение центрифуги с числом
оборотов, установленным регулятором оборотов. Время вращения
центрифуги задается при помощи реле времени. В установке ЦНФ
181
предусмотрена камера инфракрасной сушки для осуществления
последней после нанесения фоторезиста.
Сушка является операцией, завершающей формирование слоя
фоторезиста. Она производится в два этапа: низкотемпературная
выдержка нанесенного слоя фоторезиста и высокотемпературная
сушка. В процессе низкотемпературной выдержки (10—15 мин) про-
исходит постепенное (медленное) удаление растворителя и ориен-
тированная укладка макромолекул полимера. Последняя является
обязательным условием адгезии слоя к подложке.
Рис. 10-9. Блок-схема установки для центрифугирования и нанесения
слоя фоторезиста.
1 — кнопка «Атмосфера!; 2 — клапан воздушный; 3 — кнопка пуска центрифу-
ги; 4—центрифуга; 5 — кнопка «Стоп»; 6—клапан воздушный; 7— вакуумный,
насос; « — кнопка пуска; S — кнопка «Вакуума; 10 — миллиамперметр; 11 —
магнитный усилитель; 12 — регулятор оборотов центрифуги; 13 — стабилизиро-
ванный выпрямитель; 14— реле'времени; 15 — задатчик времени; 16— кнопка
включения вакуумного насоса; П — камера инфракрасной сушки СИ-200; 15 —
автомат включения камеры инфракрасной сушки; 19 — регулятор температурь»
в камере инфракрасной сушки; 20 — электрический шкаф управления СИ-200.
Последующая сушка пленки при повышенных температурах
приводит к интенсивному испарению растворителя. При сушке ма-
кромолекулы полимера стремятся перейти в устойчивое состояние,,
соответствующее минимуму свободной энергии. Процесс этот ре-
лаксационный и требует некоторого времени. Поэтому слишком
быстрая сушка может привести к возникновению механических на-
пряжений в пленке. Пределом повышения температуры сушки
является термическое задубливание слоя, которое может воспре-
пятствовать проявлению после экспонирования. Обычно время и
температура сушки для определенного фоторезиста и процесса под-
бираются экспериментально.
Недостатками метода центрифугирования являются
неустранимое краевое утолщение слоя, наличие значи-
182
Рис. 10-10. Схема установки для нанесения фоторезиста пневматическим распылением.
/ — емкость с фоторезистом; 2 — пульверизатор: 3— трубопровод: 6 — фреон;7 — испарительная камера;
8 — насос: 9 — холодильник.
гельных ннутренних напряжений в пленке и неудовле-
творительная равномерность полученного слоя.
В связи с этим применяется метод нанесения фоторе-
зиста распылением (пульверизация). При распылении
формирование пленки происходит из осажденных на
подложку дискретных капель, которые, перекрываясь,
образуют сплошной слой. На рис. 10-10 показана типич-
ная распылительная установка.
Установка имеет емкость с фоторезистом, к которому
подсоединен пульверизатор. В пульверизатор по трубо-
проводу подается газ-носитель, который втрое тяжелее
воздуха. Газ-носитель получается нагревом фреона, ко-
торым заполнен специальный бак.
В сравнении с методом центрифугирования распыле-
ние фоторезиста имеет ряд преимуществ: возможность
точного контроля толщины покрытия, равномерность
пленки по толщине в пределах всей площади подложки
(отсутствие краевого утолщения), минимум внутренних
напряжений и дефектов в слое (отсутствие центробеж-
ных сил) и высокая адгезия пленки фоторезиста к под-
ложке.
Формирование защитного рельефа происходит в про-
цессе экспонирования, проявления и термической обра-
ботки фоторезистивного слоя. Основным условием
качественного проведения экспонирования является
оптимальная экспозиция, т. е. время выдержки фоторе-
зистивного слоя под источником УФ облучения, при ко-
тором обеспечивается качество и воспроизводимость ре-
зультатов фотолитографического процесса.
Определение оптимального времени экспонирования
производится обычно с помощью сенситометрических
испытаний, методика которых хорошо известна и отра-
ботана применительно к фотоэмульсионным материа-
лам. По результатам этих испытаний строится характе-
ристическая кривая зависимости оптической плотности
светочувствительного слоя от экспозиции. С помощью
характеристической кривой определяются фотографиче-
ские характеристики светочувствительного слоя и опти-
мальная экспозиция, исходя из соответствующих требо-
ваний к данному фотографическому процессу, например
максимальные контрастность, четкость и т. д.
На рис. 10-11 изображена характеристическая кри-
вая, где в качестве критерия оценки фотохимического
эффекта взята скорость проявления облученного пози-
184
тивного фоторезиста. В той же плоскости координат
изображена зависимость погрешности р в воспроизведе-
нии размеров элементов защитного рельефа после про-
явления от мощности облучения и длительности экспо-
зиции.
С помощью обеих кривых может быть определена
оптимальная экспозиция позитивного фоторезиста опре-
деленной толщины.
Очевидно, что в данном случае оптимальное время
экспонирование лежит в диапазоне 5—25 с, т. е. в той
его части, где обеспечивается пропорциональность ско-
рости проявления росту экспозиции и минимум погреш-
ности в воспроизведении размеров защитного рельефа.
I, МММ
2,0
40 .120 200 280 360 440 Н,Вт с]мг
Рис. 10-11. Характеристическая кривая и погрешность в воспроизве-
дении размеров элементов после проявления.
/ — зависимость скорости проявления от экспозиции: 2 — зависимость погреш-
ности ОТ ЭКСПОЗИЦИИ.
В условиях серийного производства ИМС находит
широкое применение контактный метод экспонирования,
при котором фотошаблон находится в контакте с фото-
резистивным слоем в процессе экспонирования.
Однако перед экспонированием проекция рисунка
фотошаблона должна быть точно совмещена с рабочим
полем подложки будущей ИМС; если последняя пред-
ставлена более чем одним слоем — то с рисунком пред-
шествующего слоя ИМС.
С этой целью в установке для экспонирования преду-
смотрено механическое замещение источника света мик-
роскопом (рис. 10-12,а) и оператор визуально совме-
185
щает изображение защитного рельефа с изображением
на фотошаблоне. Для совмещения используются спе-
циальные отметки, предусмотренные при изготовлении
фотошаблонов.
Чтобы обеспечить возможность передвижения фото-
шаблона (или подложки), необходим определенный за-
зор между совмещаемыми поверхностями. Величина это-
Рис. 10-12. Схема операции совмещения и контактного экспониро-
вания.
а — совмещение; б — экспонирование; / — микроскоп; 2 — фотошаблон; 3 —фо-
торезист; 4 — подложка; 5 —столик; 6 — источник излучения; 7—конденсор.
го зазора зависит от требуемого разрешения, т. е. мини-
мального размера изображения, который можно наблю-
дать в микроскопе, и глубины его резкости.
Разрешающая способность микроскопа, мкм,
0,3
Амян =%= д ,	(10-16)
где А — числовая апертура объектива.
Глубина резкости микроскопа, мкм,
Для увеличения разрешения необходим объектив с достаточно
большой апертурой. Однако при увеличении А резко уменьшается
глубина резкости. Очевидно, для возможности наблюдения совме-
щенных изображений необходимо, чтобы зазор между совмещен-
ным покрытием был по крайней мере не больше глубины резко-
сти Г.
Нетрудно подсчитать, что для объектива с апертурой 0,2 раз-
решающая способность микроскопа составляет Дмив=Г5 и
глубина резкости ГчДб мкм.
Однако выдержать столь малое расстояние между подложкой
и фотошаблоном чрезвычайно трудно из-за неровностей совмещае-
мых поверхностей, люфтов механизмов перемещения и т. д.
186
В связи с этим на практике приходится терять или в разре-
шающей способности, применяя объективы с Меньшей апертурой,
или в качестве совмещения, увеличивая расстояние между совме-
щаемыми поверхностями.
После совмещения фотошаблон и подложка приво-
дятся в соприкосновение (рис. 10-12,6) и производится
операция экспонирования.
Рис. 10-13. Схема совмещения и проекционного экспонирования.
а — совмещение: б — экспонирование; / — микроскоп; 2 — фотошаблон; 3 —
объектив; 4 — фоторезист; 5 — подложка; б — источник экспонирования; 7 —
конденсор; Я —фильтр; S —столик.
В связи с серьезными недостатками контактного ме-
тода начали применять проекционное экспонирование.
На рис. 10-13 изображена схема, поясняющая прин-
цип этого метода. Изображение фотошаблона проеци-
руется на подложку с фоторезистом через специальный
объектив с высокой разрешающей способностью. Опера-
ция совмещения проводится через тот же объектив.
Применение проекционного метода экспонирования
практически полностью устраняет упомянутые недостат-
ки контактного метода и дает еще ряд дополнительных
преимуществ: повышение срока службы фотошаблонов
ввиду отсутствия контакта с подложкой; возможность
применения фотошаблонов с масштабом, большим, чем
1 
10-5. Фотошаблоны и технология их производства
Фотошаблон — образец (шаблон), несущий инфор-
мацию о конфигурации, размерах и взаиморасположе-
нии элементов того или иного слоя ИМС. Этот образец
187
является необходимым инструментом практически в лю-
бом применении фотолитографии.
В принципе фотошаблон может быть изготовлен из
любого непрозрачного для УФ излучения материала,
в котором можно было бы реализовать прозрачные уча-
стки в соответствии с конфигурацией требуемого рисун-
ка слоя ИМС. В виду указанных ниже специфических
особенностей и требований к фотошаблонам чаще всего
в качестве последних применяют пластины из оптиче-
ского стекла с расположенными на его поверхности не-
прозрачными (оптически плотными) элементами, полу-
чаемыми фотографическим или иным способом.
Технология изготовления фотошаблонов является од-
ним из наиболее сложных процессов в микроэлектрони-
ке, и такие технико-экономические показатели в произ-
водстве ИМС, как процент выхода годных изделий, про-
изводительность, стоимость, сроки от разработки до пе-
рехода к серийному производству и т. д., во многом
определяются качеством фотошаблонов, трудоемкостью
и стоимостью их проектирования и изготовления.
Проблемы, связанные с производством фотошабло-
нов, определяются рядом их специфических особенно-
стей и предъявляемыми к ним требованиями.
Высокая разрешающая способность. В настоящее вре-
мя используются фотошаблоны с минимальными разме-
рами элементов рисунка — до единиц и десятых долей
микрометра.
Большое количество элементов изображения на рабо-
чем поле фотошаблона, достигающее в зависимости от
типа ИМС от десятков до десятков тысяч элементов на
рабочих полях.
Высокие фотографические характеристики. Фотогра-
фические характеристики фотоэмульсионных материалов
определяют обычно по характеристической кривой, выра-
жающей зависимость оптической плотности D от лога-
рифма экспозиции Н.
С точки зрения получения качественных фотошабло-
нов фотографические характеристики должны быть до-
статочно высокими.
Высокая точность размеров элементов и расстояния
между ними.
Высокая степень совмещаемости (доли микрометра)
комплектов фотошаблонов, предназначенных для много-
слойных структур в ИМС.
188
Высокое качество оптически плотного покрытия. Ка-
чество покрытия зависит от наличия дефектов (царапин,
вырывов и т. д.) на непрозрачных участках. Полное от-
сутствие дефектов, особенно в сложных и больших по
площади фотошаблонах, получить очень трудно. Поэтому
обычно качество фотошаблона оценивают допустимым
количеством дефектов, которое для высококачественных
образцов составляет около 1 %.
Плоскостность рабочей стороны фотошаблона, кото-
рая не должна превышать порядка 0,5 мкм.
Стабильность характеристик фотошаблонов и их изно-
состойкость во времени.
Обычно комплект эмульсионных фотошаблонов не
выдерживает более 15—20 циклов совмещений. В свя-
зи с этим широко применяются фотошаблоны, исполь-
зующие в качестве оптически плотного слоя не фото-
эмульсии, а более износостойкие покрытия (например,
хром).
В настоящее время наиболее распространенными ме-
тодами изготовления фотошаблонов являются фотомеха-
нический и растровый, сущность которых заключается
в изготовлении фотооригинала, т. е. увеличенного во
много раз изображения бу-
дущего фотошаблона, с по-
следующим его уменьшени-
ем с помощью прецизион-
ных фотооптических систем.
На рис. 10-14,а изображена
принципиальная схема из-
готовления фотошаблонов
фотомеханическим методом.
Этот метод хорошо освоен
промышленностью и представляет
Рис. 10-14. Схемы процессов изго-
товления фотошаблонов.
а — фотомеханическое многоступенчатое
уменьшение; б — линзово растровое од-
ноступенчатое уменьшение; / — ориги-
нал; 2 — первичное уменьшение; 3 —
промежуточный фотошаблон; 4 —окон-
чательное уменьшение и мультиплика-
ция; .5 — контактное перепечатывание:
б— рабочий фотошаблон; 7 — односту-
пенчатое уменьшение и оптическая
мультипликация.
189
собой многоступенчатое уменьшение изображения фотооригинала
с использованием механического фотоповтормтеля для мультипли-
кации — распечатывания единичного изображения фотооригинала
по площади. Мультипликация (или фотоповторение) необходима
ввиду того, что, как правило, подложка ИМС содержит ряд сим-
метрично расположенных идентичных изображений фотооригинала.
Полученный фотошаблон является эталонным, служит для из-
готовления, обычно методом контактной фотопечати, рабочих копий,
используемых в серийном производстве ИМС. Возможности фото-
механического метода зависят в основном от качества оптики и
точности работы механического фотоповторителя.
Фотомеханическим методом получают фотошаблоны до 3 мкм
при неровности края от 0,5 до 1 мкм и точности отработки шага
при мультиплицировании в пределах 1—3 мкм. Общая кратность
фотоуменьшения, выполняемого в две ступени, составляет
250—500. Мультипликация производится на последней стадии фо-
тоуменьшения.
На рис. 10-14,6 представлена схема одного из тех-
нологических вариантов растрового метода изготовления
фотошаблонов. Здесь осуществляется одноступенчатое
уменьшение с.оптической мультипликацией изображения
фотооригинала. Для получения мультиплицированного
изображения используется линзово-растровая оптика.
С помощью данного, технологического варианта получа-
ют фотошаблоны менее сложной конфигурации с раз-
решающей способностью порядка 10—15 мкм и неров-
ностью края менее 1 мкм. Достоинством линзово-раст-
рового метода в сравнении с фотомеханическим является
использование менее сложного и дорогостоящего обору-
дования. Стоимость комплекта оборудования растрового
варианта в 5 раз ниже стоимости фотомеханического.
Кроме того, растровый метод превосходит фотомеха-
нический по производительности. С учетом выхода год-
ных фотошаблонов изготовление комплекта совмещае-
мых шаблонов из 5—6 шт. при многоступенчатом фото-
механическом варианте занимает 2—3 недели, а при
одноступенчатом 2—3 дня.
Рассмотрим более подробно основные операции фотомеханиче-
ского и растрового методов изготовления фотошаблонов.
Изготовление фотооригиналов осуществляется на основе то-
пологического чертежа. Руководствуясь топологией, вычерчивают
чертежи слоев, каждый из которых является исходным документом
для изготовления соответствующего фотооригинала.
Изготовление фотооригинала начинают с выбора его масшта-
ба по отношению к фотошаблону. Масштаб выбирается из сооб-
ражений требуемой точности в выполнении линейных размеров
элементов ИМС и вычисляется из соотношения
190
где известная достижимая точность выполнения (вычерчива-
ния) линейных размеров элементов на фотоорнгинале; бвмо—До-
пустимая погрешность линейных размеров рисунка ИМС на ее
подложке.
В практике нашел применение способ изготовления оригинала
скрайбированием. Он осуществляется на оптическом стекле, предва-
рительно покрытом слоем непрозрачного состава, и заключается
в вычерчивании резцом тонких линий контуров с последующим уда-
лением покрытия внутри линий.
Используются также двухслойные органические пленки, верх-
ний слой которых окрашен в определенный цвет (например, крас-
ный) . С помощью резца согласно чертежу удаляется часть верх-
него слоя. Оставшаяся часть верхнего слоя представляет собой
рисунок фотооригинала.
Скрайбирование и резка двухслойной пленки выполняются на
специальных установках — координатографах, обеспечивающих вы-
сокую точность линейных размеров элементов фотооригинала (не
хуже +25 мкм). Координатограф представляет собой стол, над
которым по осям X и У передвигается по жестким направляющим
каретка с резцом.
Описанные выше способы изготовления фотооригиналов имеют
ряд недостатков и в настоящее время реже применяются. Недо-
статками ручных методов, являются прежде всего низкая произво-
дительность и большая вероятность получения ошибок, что сдер-
живает выпуск сложных ИМС в кратчайшие сроки в условиях
серийного производства.
Более прогрессивным способом изготовления фотооригиналов
является полуавтоматический метод, сущность которого заклю-
чается в кодировании на перфоленте координат рисунка слоя и
введении ее в ЭВМ. Сигналы, поступающие от ЭВМ, автоматиче-
ски управляют резцом координатографа. Однако и полуавтомати-
ческий способ незначительно устраняет недостатки ручного.
На основе описанных методов сейчас разработаны автомати-
ческие системы, широко использующие ЭВМ для разработки топо-
логического чертежа и изготовления фотошаблона.
Фотографические характеристики, определяющие качество фо-
тошаблона, зависят от выбора того или иного фотоматериала,
качества оборудования, режимов фотографирования и процесса
обработки экспонированного фотоматериала.
Большое значение для получения качественных фотошаблонов
имеет выбор оптимальных режимов проявления, в частности вре-
мени проявления и температуры проявителя.
В качестве покрытия в фотошаблонах широко применяются
тонкие пленки хрома, нанесенные методом термовакуумного ис-
парения на поверхность оптического стекла. Рисунок хромирован-
ного фотошаблона выполняется методом фотолитографии.
Хромовые пленки имеют во много раз (до 100) большую
стойкость к истиранию и царапанию, чем аналогичная эмульсион-
ная пленка, хорошую адгезию к стеклу, на них практически не
действуют органические растворители, имеют хорошую теплостой-
кость и травятся с получением четких краев изображения.
Помимо экономических преимуществ, хромированные фото-
шаблоны имеют и ряд технических. Они при сохранении требуемой
оптической плотности позволяют получить значительно большую
разрешающую способность.
191
Появление хромированных фотошаблонов является значитель-
ным шагом вперед в технологии производства фотошаблонов. Од-
нако и они обладают рядом недостатков. Одним из них является
паразитное интенсивное отражение света от пленки хрома, приво-
дящее к уменьшению разрешающей способности при экспонирова-
нии фоторезиста.
Другим недостатком металлизированных фотошаблонов, прес-
сущих и фотоэмульсионных, является невозможность визуального
наблюдения при совмещении экспонируемой подложки с фотошабло-
ном перед экспонированием ввиду непрозрачности участков, закры-
тых пленкой хрома.
В настоящее время ведутся работы по изысканию материалов
с целью ликвидации указанных недостатков. Такой материал дол-
жен иметь высокую оптическую плотность в ультрафиолетовой об-
ласти и низкую оптическую плотность в видимой части области
светового спектра. Фотошаблоны с покрытием из такого мате-
риала дадут возможность наблюдать рисунок подложки под непро-
зрачными для УФ излучения и прозрачными для видимого света
участками фотошаблона, что значительно облегчит операцию совме-
щения перед экспонированием.
Очевидно, что применение таких фотошаблонов наиболее целе-
сообразно, если они по крайней мере превосходят фотоэмульсион-
ные по экономическим (износостойкость) и техническим характери-
стикам.
Сравнительно недавно разработан новый метод изго-
товления «прозрачных» фотошаблонов, получивших на-
звание цветных. Фотошаблоны изготавливались из спе-
циального красителя и в первоначальном варианте от-
личались небольшим сроком службы и не обеспечивали
достаточной четкости изображения.
Однако сейчас изготавливаются цветные «прозрач-
ные» фотошаблоны, обеспечивающие разрешение, вдвое
большее, чем эмульсионные и хромированные. Цветные
фотошаблоны обеспечивают в 5—6 раз меньший коэф-
фициент отражения света в сравнении с металлизиро-
ванными.
10-6. Автоматические методы изготовления
фотошаблонов с применением ЭВМ
Несмотря на попытки механизировать и автоматизировать
некоторые операции фотомеханического метода проектирования и
изготовления фотошаблонов, эти процессы на сегодня являются,
пожалуй, наиболее трудоемкими, дорогостоящими и во многом
определяют процент выхода годных микроэлектронных изделий.
Основным недостатком фотомеханического метода изготовления
фотошаблонов, начиная с проектирования топологических чертежей
и кончая изготовлением комплектов рабочих фотошаблонов, явля-
ется многоступенчатость процесса, что значительно увеличивает
сроки и стоимость изготовления фотошаблонов. Многоступенчатость
повышает также вероятность возникновения различного рода оши-
192
бок и погрешностей, ужесточает требования и допуски на отдель-
ных его операциях и т. д.
Первым шагом в решении этой проблемы явилось применение
машинных методов проектирования конструкторской документации,
включающее в себя изготовление топологических чертежей и фот?-
оригиналов.
Машинное проектирование топологии ИМС в сочета-
нии с автоматическим координатографом сокращает
срок разработки и изготовления фотошаблонов, но да-
леко не до конпа решает эту проблему, сохраняя много-
ступенчатость фотомеханического метода.
Одним из перспективных направлений в фотолито-
графии, позволяющим снизить стоимость и сократить
многоступенчатость процесса изготовления фотошабло-
нов. является применение генераторов изображения.
Генератор изображения представляет собой автома-
тическое оптико-механическое устройство, с помощью
которого на пластине со светочувствительным слоем по-
следовательно экспонируется Топологический рисунок.
Информация о рисунке соответствующим образом коди-
руется и вводится в считывающее устройство.
С помощью генераторов изображения, минуя изго-
товление фотооригиналов, многоступенчатое фотоумень-
шение и мультиплицирование, возможно получение
промежуточных, эталонных и рабочих комплектов фото-
шаблонов. Более того, в принципе генерирование изо-
бражений позволяет вообще освободиться от фотошаб-
лонов и производить экспонирование топологического
рисунка непосредственно на подложке ИМС, покрытой
фоторезистивным слоем.
Практически любой генератор изображения включает в себя
координатный стол, перемещающий фотопластину; проектор с вы-
соким разрешением, создающий на фотопластине световые пятна:
электронное устройство, управляющее в соответствии с вводимой
информацией взаимоперемещением фотопластины и светового пят-
на и экспонированием светочувствительного слоя.
Различают два метода генерации изображений: сканирование
и фотонабор.
При сканировании все поле фотошаблона построчно проходит-
ся сфокусированным световым лучом. Световой луч прерывается
быстродействующим затвором в соответствии с положением коор-
динатного стола (или светового пятна) согласно заданному тополо-
гическому рисунку.
Генерирование изображений сканированием позволяет изготав-
ливать фотошаблоны с рисунком практически любой СЛОЖНОСТИ.
Наиболее распространенным методом генерирования изображе-
ний является фотонабор. При фотонаборе конфигурация заданного
топологического рисунка получается путем последовательного экс-
понирования прямоугольных элементов.
13—Я44	153
На рис. JO-15 изображена
упрощенная схема фотонаборной
установки. Свет от лампы через
осветитель при открытом затворе
проходит через прямоугольную
диафрагму, образованную четырь-
мя взаимно перпендикулярными
пластинами. На фотошаблоне, за-
крепленном на прецизионное ко-
ординатном столе, через объектив
проецируется изображение пря-
моугольного элемента.
Передвижение стола в на-
правлении осей X и У осущест-
вляется с помощью сервопривода.
Форма и размеры диафрагмы
устанавливаются шаговым двига-
телем. Сервопривод, шаговые дви-
гатели и момент вспышки лампы
управляются электронным циф-
роаналоговым устройством, на
вход которого вводится програм-
Рис. 10-15. Схема фотонаборной
установки.
/ — координатный стол; 2 — фото-
пластина; 3 — Проекционный объек-
тив; 4 — диафрагма; 6 — затвор;
6 — осветитель: 7 —лампа. '
ма заданного топологического ри-
сунка в виде перфоленты или маг-
нитной записи.
Опыт эксплуатации отечест-
венных (ЭМ-549, ЭМ-519) и зару-
бежных фотонаборных установок
. показал, что их применение осо-
бенно эффективно при использовании ЭВМ для подготовки про-
граммы фотонабора.
Трудности «ручного» составления программы фотонабора за-
ключаются не только в продолжительности ее написания и набивке.
перфоленты на перфораторе, но и в большой вероятности получения
ошибок при этом, которые растут с усложнением программы. В ре-
зультате для составления и отработки программы фотонабора тре-
буется подчас намного больше времени, чем на собственно фото-
набор.
10-7. Технологические процессы фотолитографии
в производстве тонкопленочных интегральных
микросхем
Для получения заданной конфигурации (рисунка)
компонентов ИМС и межсоединений применяют ряд ме-
тодов, из которых наибольшее распространение получи-
ли методы свободной (или механической) маски, кон-
тактной маски и селективного травления.
Каждый из этих методов отличается в основном точ-
ностью в воспроизведении линейных размеров компонен-
тов' и разрешающей способностью. Выбор того или ино-
го метола диктуется также видом производства ИМС
(единичное, серийное, массовое)
194
Получение рисунка. тонкопленочной
ИМС методом свободной маски заключа-
ется в использовании маски-трафарета, из-
готовленной, как правило, из металличе-
ской пластины, в которой предусмотрены
щели и отверстия согласно топологии того
слоя, который нужно нанести на подложку.
С помощью специального приспособления
такая маска прижимается к подложке и
устанавливается в напылительную камеру.
После напыления того или иного материа-
ла на подложке создается требуемый ри-
сунок. Маска названа «свободной» из-за
практически неустранимого зазора между
ней и подложкой в процессе напыления.
Такой микрозазор оказывает ощутимое
воздействие на погрешность в воспроизве-
дении линейных размеров пленочных эле-
ментов. На рис. 10-16 изображен в увели-
ченном масштабе микрозазор между под-
ложкой и маской. При отсутствии зазора
на подложке должна сконденсироваться
пленка, линейные размеры которой будут
строго соответствовать размерам выреза
в маске. Наличие зазора приводит к обра-
зованию зоны «размытости» рисунка (за-
3	/
4 56
Рис. 10-16. Схема рас-
положения подложки
и маски.
/ —• иодложка; 2 — маска;
3 — напыляемая пленка;
4, 5, 6 — возможные тра-
ектории полета частиц
напыляемого вещества.
темненная часть пленки). Зона «размытости» образуется, например,
за счет отражения атомов напыленного вещества от стенок выреза
маски и испарения их с внутренней ее стороны.
Помимо величины микрозазора, на размер зоны «размытости»
оказывают влияние также толщина маски и клинообразность про-
филя ее вырезов. С уменьшением толщины маски уменьшается ее
жесткость, в результате этого происходит «провисание» маски под
подложкой, что ведет к увеличению микрозазора. На практике
обычно берут толщину фольги, из которой изготавливается маска
порядка половины ширины минимального выреза.
Наибольшее распространение при изготовлении свободных ма-
сок получили методы фотохимической обработки (фототравление,
фотогравировка, фотохимическое фрезерование).
На рпс. 10-17,ц—ж изображена схема фотохимического способа
изготовления монометаллических свободных масок. Сущность спо-
соба заключается в нанесении на поверхность металлической заго-
товки фоторезистивного слоя с последующим проведением фотоли-
тографического процесса и травлении не защищенных фоторезистом,
участков металла заготовки до образования свободной маски.
По данному способу в основном изготавливаются маски из
молибдена, тантала и вольфрама, обладающие исключительно вы-
сокой термостойкостью, что обеспечивает их многократное исполь-
зование в процессах напыления с жесткими условиями. Кроме
того, для молибдена разработана технология электролитического
травления, которая обеспечивает точность изготовления элементов
маски ±5 мкм.
Удачным решением проблемы получения жесткой маски при
малых толщинах боковых стенок ее вырезов является применение
биметаллических масок.
13*
195
Биметаллическая маска выполняется из достаточно толстой
(до 100 мкм) фольги с нанесенным на ее поверхность тонким (10—
16 мкм) слоем другого металла, который несколько выступает за
размеры выреза в фольге. Этот слой и оказывает основное влияние
на рассеяние атомов осаждаемого на подложку ИМС материала.
7
а)
б)
УФ свет
3-^7,-/7^7^
*)
г)
д)
Область подтраблибаная
е)
V7/7A. ' TZm
*)
Рис. 10-17. Схема фотохимического способа изготовления монометал-
лических свободных масок.
Рис. 10-18. Схема изготовления биметаллической маски.
а —заготовка; б — нанесение фоторезиста (негативного); a — экспонирование;
г — проявление; д — электромеханическое наиесевне никеля; в — удаление фо-
торезиста; яс — селективное травление металла; з —готовая маска после уда-
ления лаковой защиты; / — бронза; 1 — фоторезист; 9 — фотошаблон; 4 —
защитный лак; 5 — никель; 6 — область подтравливания.
Для изготовления биметаллических масок применяют берил-
лиевую бронзу или медно-никелевый сплав в качестве основания и
никель — в качестве слоя. На рис. 10-18 изображена технологиче-
ская схема изготовления биметаллической маски.
196
Технологический процесс начинается с нарезки заготовок из
ленты бериллиевой бронзы и сверления технологических отверстий
(рис. 10-18,а).
Затем заготовки проходят ряд подготовительных операций, на-
значением которых являемся их нормализация и терморихтовка,,
а также подготовка поверхности к нанесению фоторезистивного
слоя.
Нормализация и терморихтовка производятся в вакуумной пе-
чи (вакуум не менее 6-Ю-3 Па) при температуре 400±10°С. Время
выдержки в печи порядка 3,5 ч.
Перед помещением в печь заготовка проходит химическое обез-
жиривание в трихлорэтилене и сушку в вытяжном шкафу.
После нормализации и терморихтовки заготовки подвергаются
декапированию в растворах соляной и серной кислот, обезжирива-
нию, промывке и сушке.
Нанесение фоторезистивного слоя (рис. 10-18/1) производят на
заготовку, вращающуюся с частотой 30—40 об/мин в горизонталь-
ной центрифуге. В качестве фоторезиста применяют светочувстви-
тельную эмульсию на основе поливинилового спирта (ПВС) или
диазосоединенин.
После сушки фоторезистивного слоя в светокопировальной уста-
новке производят контактное экспонирование негативного фоторвт
зиста через соответствующий фотошаблон (рис. 10-18,а). Время
экспонирования, подбираемое экспериментально, лежит обычно в
диапазоне 2—4 мин.
После проявления и задубливания фоторезистивного слоя
(рис. .10-18,г) образуется защитный рельеф для последующего нике-
лирования. Проявление слоя ПВС проводится в проточной воде
при температуре 50—60°С, а фоторезиста — в водном растворе
фосфорнокислого натрия с глицерином. Задубливание проявленного
слоя ПВС производится химически (в растворе хромового ангид-
рида) и термически (температура 160—180°С, время 15—20 мин).
Перед никелированием обратная сторона заготовки покрывается
слоем защитного нитролака АК20 и после сушки последнего про-
водится никелирование (рис. 10-18,3).
Никелирование производится электрохимическим способом
в сульфатокислом электролите.
После осаждения никеля на не защищенных фоторезистом
участках производится удаление защитного рельефа (рис. 10-18,е).
Резист ПВС удаляют раствором едкого натра.
Наконец, путем травления не защищенных никелем участков
бериллиевой бронзы получают биметаллическую маску (рис. 10-18,ж).
Травление проводится селективно, т. е. при травлении бронзы ни-
кель не травится, что достигается выбором соответствующего тра-
вителя и режимов травления.
Заключительными -операциями в изготовлении подобных масок
является удаление защитного лака (рис. 10-18,з), нейтрализация
в растворе фосфорнокислого натрия, промывка в потоке дистилли-
рованной воды, сушка, проверка качества и контроль. Основной
недостаток биметаллических масок — разность температурных ко-
эффициентов линейного расширения образующего слоя и основы,
что приводит к короблению масок при нагревании в процессе на-
пыления и быстрому выходу их из строя.
Для частичного устранения этого недостатка проводят терми-
ческую рихтовку и отжиг заготовок маски и готовых масок.
197
Указанный недостаток практически полностью устранявшей при
использовании трехслойных' биметаллических масок.
Основной трудностью при изготовлении таких масок является
изготовление второго «зеркального» фотошаблона и совмещение
этих шаблонов с высокой точностью в процессе двусторонней печа-
ти. На' практике эту трудность можно избежать, используя вместо
второго фотошаблона монометаллическую маску, изготовленную
с первого фотошаблона. При этом за счет бокового растравления
размеры элементов равномерно увеличиваются, а это позволяет
значительно снизить требования по точности совмещения при дву-
стороннем экспонировании.
Метод свооодной маски в настоящее время имеет достаточно
широкое распространение, в частности при изготовлении гибридно-
пленочных ИМС с малой и средней степенью интеграции. С по-
мощью биметаллических масок обеспечивается повторение конфигу-
рации маски на подложке с точностью не хуже ±25 мкм (для эле-
ментов шириной 200 мкм), что обеспечивает допуск на электриче-
ские параметры элементов схемы в пределах ±15%.
Получение рисунка тонкопленочной ИМС методом контактной
маски. Контактная маска в отличие от свободной не имеет микро-
зазора между подложкой ИМС и маской в процессе напыления, так
как является неотъемлемой частью подложки. Маска изготавливает-
ся из тонкой пленки непосредственно на поверхности подлож-
ки ИМС.
Материал контактной маски (медь, алюминий, никель, окись
висмута, фоторезист) должен выдерживать процесс нанесения тон-
кой пленки, не испаряясь и не взаимодействуя с осаждаемым мате-
риалом; обладать малым коэффициентом диффузии, легко удалять-
ся с подложки способами, не влияющими на свойства материала
тонкой пленки. В зависимости от материала контактной маски
существует два варианта этого метода. Сущность первого варианта
(рис. 10-19) состоит в том,, что на подложку ИМС наносят слой
фоторезиста, экспонируют и проявляют его, открывают требуемые
участки подложки, а затем на полученное рельефное изображение
наносят сплошной слой материала тонкопленочной схемы. Обра-
ботка полученной заготовки растворителем для фоторезиста при-
водит к удалению участков материала, лежащих на фоторезисте,
а на подложке остаются элементы схемы требуемой конфигурации.
Второй вариант (рис. 10-20) заключается в том, что на под-
ложку ИМС вначале наносят слой материала контактной маски,
на него — слой фоторезиста и проводят процесс аналогично первому
варианту, удаляя затем с открытых мест материал контактной
маски в соответствующем травителе. При этом открываются задан-
ные места поверхности подложки. Затем снимают фоторезист и на
подложку с контактной маской наносят сплошной слой соответст-
вующего материала. Если полученную заготовку обработать в тра-
вителе для контактной маски, то результат будет тот же, что и
в первом варианте. Второй вариант сложнее, используется при не-
возможности применения других способов из-за жестких условий
нанесения материалов тонкой пленки (например,1 при очень высоких
температурах подложки, ионно-плазменном распылении материа-
лов и т. д.) или в тех случаях, когда материал тонкопленочной
схемы трудно поддается травлению (например,’ при изготовлении
резисторов из ниобия, тантала или металлодиэлектрических смесей
типа Gr—SiO).
198
Оба варианта обеспечивают высокую точность воспроизведе-
ния элементов тонкопленочной схемы. При минимальном размере
элемента 10 мкм точность воспроизведения линейных размеров
(ЛА ЛА’ W У У SA?	У V У УЧ	
	
	
	
	
	
	3)			
	
	
к’АЛ’/хЖ	е) •••••••	К
	
	_» .Л'.лУ.Ч	1.‘,'.\ '.‘.Ч
	/Zf	ja;
V 2 ''AV 21	к //// / /	
ЛЖЛЛ >: VRWi&SSP	
	
Получение рисунка тонкопленочной ИМС методом селектив-
ного травления. Сущность метода заключается-в травлении тонко-
пленочных структур, предварительно нанесенных на поверхность
подложки, до образования рисунка требуемой конфигурации. Трав-
ление названо селективным ввиду способности травителя раство-
рять один материал (например, контактных площадок), не затраги-
вая при этом другой (например, материалы резисторов).
Метод применяется в случаях, когда необходимо получить вы-
сокую точность воспроизведения рисунка при изготовлении тополо-
гически сложной ИМС с высокой степенью интеграции.
В настоящее время промышленностью применяются два спосо-
ба изготовления ИМС селективным травлением.
Первый способ — одинарное селективное травление (или оди-
нарная фотолитография) — применяется для изготовления ИМС,
коммутация которых может быть
выполнена с помощью свободных
масок, а для получения прецизи-
онных и малых резисторов тре-
буется применение фотолитогра-
фии. Сущность этого способа за-
ключается в том, что на подлож-
ку напыляют сплошной резистив-
ный слой, а сверху через свобод-
ную маску — проводники и кон-
тактные площадки. Затем наносят
фоторезист и производят фотопе-
чать, совмещая с контактными
площадками изображения концов
резисторов на фотошаблоне. Пос-
ле проявления на заготовке места
будущих резисторов остаются за-
щищенными фоторезистом. Для
травления незащищенных участ-
ков применяют травитель, кото-
рый хорошо растворяет резистив-
ный слой, но не действует на
материалы контактных площадок
и проводников. После травления
образуется готовая схема, содер-
жащая резисторы, коммутацию и
контактные площадки для сварки
и пайки. На рис. 10-21 показана
схема одинарного селективного
трапления.
Г  1	1	 I
Рис. 10-21. Схема одинарного се-
лективного травления.
а —подложка; б — нанесение резистив-
ной пленки; в — нанесение контактов
через свободную маску; г — нанесение
фоторезиста; д — экспонирование; е —
проявление фоторезиста; ж — селектив-
ное травление: з —удаление фоторези-
ста и получение готового элемента; /—
подложка; 2 — резистивный слой; 3 —
контакты; 4 — фоторезист; 5 — фото-
шаблон.
200
Ввиду того что одинарное селективное травление не позволяет
получать коммутации высокой сложности из-за ограничений, на-
кладываемых применением свободных масок, был разработан вто-
рой способ — двойное селективное травление.
На ситалловую подложку напыляют последовательно три
сплошных слоя: резистивный, адгезионный подслой и проводящий
слой. На полученную заготовку наносят фоторезист, проводят фото-
печать и получают изображение коммутации и резисторов. Затем
травят в селективном травителе, растворяющем проводящий слой,
но не действующем на адгезионный подслой. Потом снимают фото-
резист, травят адгезионный подслой в травителе, не действующим
ни на проводящий, ни на резистивный слой, и после промывки заго-
Рис. 10-22. Схема двойного селективного травления.
а — заготовка со слоем фоторезиста (негативного); б — экспонирование; в —
проявление фоторезиста; г — селективное травление материала контактов; д —
снятие фоторезиста; ч — селективное травление материала подслоя; ж — вто-
рое нанесение фоторезиста; з — второе экспонирование; и — проявление фото-
резиста; к — селективное травление резистивного материала; л — удаление
фоторезиста и получение готового элемента: 1 — резистивный слой; 2 — под-
слой; <3 — слой материала контактов; 4 — фоторезист; 6 — фотошаблон кон-
тактных площадок; 6 — фотошаблон резисторов.
201
foBKH проводят вторую фотолитографию, аналогичную первой. На
рис. 10-22 показана схема двойного селективного травления.
Для получения тонкопленочных компонентов методом селектив-
ного травления с минимальным разбросом (погрешностью) их пара-
метров необходимо обеспечить равномерное травление по всему
рабочему полю подложки.
Показателем равномерности травления может служить время
травления. Другими словами, чем меньше время, требуемое для
полного стравливания пленки, тем менее вероятно подтравливание
ее сверх допустимой нормы. Уменьшение времени травления позво-
ляет также снизить требование к кислотостойкости защитного
рельеф а.
Как показывает практика, для обеспечения равномерности трав-
ления недостаточно выбора оптимальных режимов травления и со-
става травителей. На равномерность травления, в частности на
0	30	40 50 60	70	80 Ьцтж. мин
Рис. 10-23. Зависимость времени травления от времени отжига
пленки.
время травления, значительное влияние оказывает состояние пленки,
подлежащей травлению, а именно: ее структура и состояние по-
верхности.
На рис. 10-23 изображена эмпирическая зависимость вре-
мени травления (/Тр) от времени отжига пленки металлосилицид-
ного сплава, полученной термовакуумным напылением (1Отж).
Из рисунка видно, что с увеличением времени отжига время
травления уменьшается, что можно объяснить рекристаллизацией
пленки в процессе отжига.
На рис. 10-24 показана эмпирическая зависимость времени трав-
ления от времени напыления пленки заданной толщины того же
сплава, т. е. от скорости ее конденсации.
Уменьшение времени травления с увеличением скорости кон-
денсации пленки может быть объяснено меньшим влиянием раз-
личного рода примесей, захваченных из состава остаточных газов
в рабочей камере установки в процессе напыления. С ростом вре-
мени напыления возрастает количество газов, сорбированных Мате-
риалом пленки, что ведет, к неравномерности ее структуры и увели-
чению времени травления.
Таким образом, для получения равномерного травления по все-
му рабочему полю подложки следует применять тонкие пленки,
напыленные при возможно больших скоростях конденсации и вре-
мени их отжига.
202
Применение двух фотолитографий снимает много ограничений
по сложности конфигурации элементов тонкопленочной схемы.
Этот способ является достаточно высокопроизводительным и соз-
дает наилучшие условия для производства резисторов с малыми
погрешностями (15%-ный разброс без подгонки резисторов) и вы-
соким выходом годных. Это обусловлено тем, что, во-первых, когда
на подложку наносят
сплошные пленки материа-
лов, это создает благопри-
ятные условия для равно-
мерного формирования сло-
ев; во-вторых, когда рези-
стивный слой получен с не-
которыми отклонениями от
заданного значения удель-
ного сопротивления, можно
применять набор компенси-
рующих фотошаблонов для
изготовления резисторов.
Последнее совершенно ис-
ключено в случае примене-
ния свободных и контакт-
ных масок; в-третьих, ис- рис [0-24. Зависиморть времени
ключение процесса изготов- травления от времени напыления
ления масок, маскодержате- пленки.
лей и процесса совмещения
под колпаком вакуумной
установки ускоряет и удешевляет изготовление ИМС. Это особенно
заметно, когда вместо нескольких масок и соответствующего числа
напылений при изготовлении, например сложных проводников, при-
меняют одно напыление и один фотошаблон для процесса фото-
литографии.
10-8. Элионная технология в фотолитографических
процессах
В настоящее время от технологов и разработчиков
микроэлектронных приборов требуется получение ком-
понентов ИМС с размерами, составляющими доли мик-
рометров. К сожалению, современная фотолитография,
использующая принципы оптической техники, не в со-
стояний обеспечить столь высокую разрешающую спо-
собность.
Известно, что физический предел разрешающей спо-
собности обычной оптики ограничен длиной волны ис-
точника света, в данном случае УФ облучения, причем
размер светового пятна минимальных размеров, полу-
ченный средствами обычной оптики, может быть рас-
считан по известной формуле
^0^=4’
203
/
где X — длина световой волны, мкм; А — числовая апер-’
тура оптической системы.
Легко подсчитать, что при максимально возможном
в современных условиях значении А, равном 1,6, и 1 =
= 0,4 мкм для УФ лучей /?о~О,25 мкм.
Однако от значения числовой апертуры зависит и
такой важный параметр оптической системы, как глу-
бина резкости, которая обратно пропорциональна квад-
рату А. Последнее обстоятельство вынуждает в реаль-
ных оптических системах, применяемых в фотолитогра-
фии, использовать оптику с меньшей апертурой.
Можно показать, что при типичных значениях число-
вой апертуры разрешающая способность будет лежать
в пределах 1—2 мкм, причем более реальной цифрой бу-
дет последняя по причине наличия интерференционных
эффектов в системе фотошаблон — подложка.
В последнем десятилетии в технологии ИМС широ-
кое применение начинают находить методы элионной
технологии, т. е. методы, использующие действие элек-
тронных и ионных остросфокусированных пучков.
Применение электронных, ионных и других излуче-
ний с более короткими длинами волн, чем у монохрома-
тического светового излучения, позволяет преодолеть
указанное 'выше ограничение в разрешающей способ-
ности.
Длина волны электронного луча приблизительно
равна:
2= 1о-« j/Jp,
(10-20)
где V — ускоряющее напряжение, В; X — в сантимет-
рах.
Можно показать, что в данном случае длина волны
может быть получена на несколько порядков ниже
в сравнении с длиной волны монохроматического свето-
вого излучения.
При этом минимальный радиус пятна, полученный
с помощью электронно-оптической системы и определяю-
щий разрешающую способность,
В4 / i \ 3/8
„3/4 В )	'
(10-21)
204
где
Т — температура источника электронов, К; is — плот-
ность катодного тока эмиссии, А/см2; k — постоянная
Больцмана; е —заряд электрона; I — ток луча, А; В —
постоянная сферической аберрации, см.
Согласно формуле (10-21) при V, равном 30 кВ, Т
равно 3000 К; is^5 А/см2 и В=20 см; минимальный
диаметр пятна луча около 0,3 мкм при токе луча
1 • 10-7 А и около 0,5-10~8 м при токе луча 1 • 10~й А.
Помимо увеличения разрешающей способности при-
менение электронной оптики дает еще ряд серьезных
преимуществ.
Так, если глубина резкости оптической системы в обычных
установках для совмещения и контактного экспонирования ограни-
чена ввиду упомянутого выше противоречия с требованием высокой
разрешающей способности, глубина фокуса электронного луча
в несколько раз выше.
Электронная оптика имеет также преимущество и в обеспече-
нии большей площади изображения с максимальным разрешением.
На современном уровне техники лучшая оптическая линза характе-
ризуется полем максимального разрешения 0,7 см, на котором мож-
но получить линии шириной 3 мкм с краевым размытием 0,7 мкм.
При использовании же электронно-лучевой системы теоретический
предел размера изображения находится практически на атомарном
уровне.
При использовании электронно-лучевой оптики экспонированию
электронным лучом подвергают электронорезисты, способные
к перестройке под действием облучения потоком электронов.
При взаимодействии электронного пучка с негативным фоторе-
зистом установлено, что разрешающая способность в сильной степени
зависит от толщины-слоя фоторезиста и, как правило, минималь-
ная ширина линии, получаемая после проявления, равна толщине
пленки фоторезиста плюс диаметр пятна луча.
Так, при диаметре пучка 0,3 мкм и толщине резиста 0,1—
0,2 мкм были получены линии шириной 0,4—0,5 мкм.
Аналогичные результаты получены и при исследовании чувстви-
тельности негативных и позитивных фоторезистов различных марок.
Занижение реальной разрешающей способности при электронно-
лучевом экспонировании фоторезистов может быть объяснено рас-
сеянием электронов в толще материала и отражением их от по-
верхности подложки.
Таким образом, было показано, что чувствительность,, разреша-
ющая способность и кислотостойкость (тонкие слои) применяемых
фоторезистов сравнительно невелики и для полного использоваияя
преимуществ электронно-лучевого экспонирования (электронолито-
графии) необходима разработка новых резистов (электроиоре-
зистов) с большими разрешающей способностью, кислотостойкостыо
и чувствительностью.
205
Однако отсутствие законченной теории взаимодействия элек-
тронного пучка с системой резист — подложка не позволяет до кон-
ца выработать требования к электронорезистам, что в‘ основном ш
сдерживает темпы их разработки.
На рис. 10-25 изображена схема устройства для экспонирова-
ния фоторезиста электронным лучом. Прибор построен на прин-
ципе растрового электронного микроскопа.
Устройства включения и сканирования луча управляются от
ЭВМ, в которую поступает информация о конфигурации заданного
рисунка от считывающего устройства.
Рис. 10-25. Блок-схема установки экспонирования фоторезиста элек-
тронным лучом.
I — ленточное считывающее устройство; 2 — устройство для управления экспо-
нированием; 3 — автоматическое управление совмещением; 4— управление ме-
ханическим перемещением; S — программная система управления лучом на
основе муаровых полос; 6 — электронно-вычислительная машина; f — кон-
трольно-измерительный прибор с электронно лучевой трубкой; в —блок управ
ления разверткой; 9 —детектор обратного рассеивания электронов; 10 — при-
вод; // — счетчик муаровых полос; 12 — устройство запирания — отпирания
луча; 13 — усилитель отклонения; 14 — электронно-оптическая колонка; 16 —
Двигатель; 16— электронная пушка; 17 — электронные линзы; 18— устройство,
отклонения луча; /9 — обрабатываемая деталь; 20 —детектор муаровых по-
лос; 21 — источник питания электронной пушки; 22 — устройство возбуждения
конденсорной линзы; 23 — электронный луч; 24 — камера экспонирования;
25 — камера замены обрабатываемой детали; 26 — откачные насосы; 27—
флуоресцентный экран.
Электронно-лучевой метод экспонирования должен обеспечитЬ-
значительное повышение процента выхода годных ИС большой
сложности при снижении их стоимости.
В заключение следует отметить, что электронография на сегод-
ня является не единственным технологическим методом получения
рисунков ИМС с компонентами субмикронного размера.
Ведутся изыскания с целью использования ионных остросфо-
кусированных пучков, рентгеновских лучей и лазерного излучения
для аналогичных применений.
206
Глава одиннадцати*
ПОДЛОЖКИ ДЛЯ ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМ
И ОСНОВНЫЕ МЕТОДЫ их подготовки
11-1. Общие требования к подложкам
интегральных микросхем
Классифицировать подложки можно как по способу
их использования, так и по структурным признакам-
(аморфные, поликристаллические и монокристалличе-
ские) . Для изготовления гибридных ИМС можно исполь-
зовать аморфные поликристаллические и монокристал-
лические, а для полупроводниковых ИМС только моно-
кристаллические подложки.
В качестве пассивных подложек для гибридных ИМС
(ГИС) наиболее широко используются ситалл и алюмо-
керамика. Основные требования к подложкам ГИС сле-
дующие: высокая механическая прочность, высокое
значение диэлектрической постоянной, высокая электри-
ческая прочность, минимальная шероховатость поверх-
ности, высокая чистота поверхности, хорошая совмести-
мость с осаждаемыми на нее материалами. К кристал-
лической структуре этих подложек не предъявляется ка-
ких-либо особых требований.
Для кремниевых монокристаллических подложек
в интегральных полупроводниковых схемах особые тре-
бования предъявляются к совершенству структуры
(плотность дислокаций не выше 103 см~2), к определен-
ным электрофизическим параметрам, например удельно-
му сопротивлению р и времени жизни носителей заря-
дов т. Поверхность этих подложек должна полироваться
до зеркального блеска (14-й класс чистоты) и быть ма-
ксимально чистой. Они должны обладать достаточной
механической прочностью.
При создании кремниевых ИМС на диэлектрических
подложках из сапфира или шпинели все требования
к механическим свойствам их сохраняются такими же,
как и к кремниевым подложкам.
. Различают два вида чистоты поверхности: физиче-
скую, т. е. отсутствие пыли и жировых загрязнений, и
химическую —отсутствие загрязнений, созданных за
счет химических реакций (окислы, сульфиды, карббИаТЫ
и т. п.), причем последние могут образовываться не
только в естественных условиях, но и в технологиче-
207
ском процессе при неправильной его организации. Есте-
ственно, что для очистки от загрязнений разной приро-
ды необходимы и различные способы обработки.
11-2. Пассивные подложки для гибридных
интегральных микросхем
Одним из факторов, влияющих на воспроизводимость электро-
физических характеристик напыляемых в вакууме тонких пленок,
является степень чистоты поверхности подложки (платы) перед
напылением. На практике идеально чистую поверхность получить
невозможно, за исключением коротких мгновений после очистки
ионной бомбардировкой в тлеющем разряде или при наличии све-
жих сколов кристаллов. Эти поверхности являются чрезвычайно
активными и немедленно покрываются находящимися в окружаю-
щей среде газами, влагой, пылью и различными поверхностно-актив-
ными веществами, монослои которых очень трудно удаляются с по-
верхности.
Известно много различных способов очистки поверхности: хими-
ческие, механические, термические, ультразвуковая очистка, очист-
ка в тлеющем разряде и др. Существует несколько способов оценки
чистоты поверхности подложек, используемых для ГИМС. Напри-
мер, для оценки чистоты ситалла, глазурованной керамики и стекла
используются методы измерения краевого угла смачивания под-
ложки каплей масла, метод получения рисок (царапин), испытание
на разрыв водной пленки и др. Чем чище поверхность, тем меньше
краевой угол смачивания и нагрузка появления царапин и тем
больше силы контактного взаимодействия между осаждаемым
слоем и подложкой.
Наиболее широко Для очистки ситалловых и керамических под-
ложек используется промывка в смеси перекиси водорода с аммиа-
ком и последующая промывка в воде и сушка в парах изопропи-
лового спирта или в потоке горячего нейтрального газа. Для окон-
чательной очистки подложки перед напылением ее подвергают до-
полнительной обработке тлеющим разрядом, вследствие чего за-
метно повышается адгезия металлов к подложке.
Процессы подготовки (очистки) подложек для гибридно-пле-
ночных ИМС довольно просты и не вызывают каких-либо затруд-
нений у технологов. Подготовка кремниевых подложек для полу-
проводниковых ИМС более сложная. Кроме шлифовки, полировки
и химической отмывки проводится прецизионное газовое травление
подложек непосредственно в диффузионных и эпитаксиальных ре-
акторах перед проведением этих процессов.
11-3. Многослойные подложки
В качестве подложек для гибридных толстопленочных ИМС
используется алюмокерамика. Поскольку -большую часть подложки
занимают проводящие или резистивные слои, то активные элементы
приходится располагать менее плотно, чем позволяет остальная
часть конструкции. Чтобы преодолеть указанное затруднение и по-
высить плотность монтажа в этих ИМС, стали использовать много-
слойные керамические подложки.
208
Многослойные подложки для- толстопленочных ИМС являются
сложными структурами, создаваемыми в самостоятельном техноло-
гическом цикле. Эта конструкция явилась дальнейшим развитием
многослойных печатных плат, но по сравнению с ними она имеет
в 10 раз меньший объем и в 100 раз большую теплопроводность.
Как и в многослойной печатной плате, на каждом слое керамики
имеется свой рисунок проводников и только верхняя плата несет
активные приборы.
Рис. 11-1. Обычная (а) и многослойная (б) керамическая подложки
с трассировкой схемы. Общий вид многослойной подложки в сече-
нии (а).
/ — полупроводниковая ИМС, смонтированная на поверхности подложки; 2 —
тонкие слои пленочной ИМС на поверхности подложки; 3 — металлизирован-
ные отверстия, связывающие металлические слон на разных уровнях подло-
жек; 4 — толстые слои.
Особено широко такие подложки (точнее, структуры) приме-
няют при создании многокристальных (мультичипных) интеграль-
ных микросхем. В этих устройствах на одной подложке монтируют-
ся несколько полупроводниковых -интегральных микросхем. Обеспе-
чение работы этих ИМС при высоком быстродействии требует
больших токов, поэтому для поддержания минимума рассеиваемой
мощности необходимо использовать малое напряжение. При этих
условиях сопротивления источника напряжения и заземления долж-
ны быть очень малыми. На обычной подложке их можно, получить,
используя очень широкие проводящие слои. Площадь подложки
при этом плохо используется.
Применение многослойных подложек позволяет шины питания
и заземления располагать в толще плат, а не на ее поверхности.
Это позволяет уменьшить сопротивление источника питания в 10 раз
и резко повысить плотность монтажа полупроводниковых приборов
или бескорпусных полупроводниковых ИМС на поверхности под-
ложки. Кроме того, многослойная структура характеризуется высо-
14—844	209
Ким-значением емкости между Плоскостями подачи пиТаиий И За-
земления (что снижает уровень шумов при переключениях) и мень-
шим числом пересечений на поверхности подложки. На рис. 11-1
показан общий вид обычной и многослойной подложек с нанесен-
ными рисунками пассивной части микросхемы и полупроводнико-
выми кристаллами.
Многослойные керамические подложки изготавливаются следу-
ющим образом. Масса, состоящая из окиси алюминия и связую-
щего вещества, раскатывается в листы толщиной 1,2—1,5 мм. Листы
неото?кженной окиси алюминия разрезаются- на пластины с разме-
рами будущих плат. В этих листах в определенных местах при
помощи шаблонов делают отверстия, через которые осуществляется
металлизация и наносятся проводящие слои методами шелкографии.
Сложенные друг с другом слои прессуются и спекаются при темпе-
ратуре 1650°С по заданному режиму. После спекания получается
монолитная структура, которая обладает определенными диэлек-
трическими и проводящими свойствами.
Поскольку спекание ведется при высокой температуре, то для
создания проводящих и резистивных слоев используются пасты на
основе тугоплавких металлов, например вольфрама и молибдена.
Спеченная плата содержит несколько проводящих слоев на разных
уровнях и пригодна для использования ее в процессах толстопле-
ночной и тонкопленочной технологии.
Операции спекания являются наиболее ответственными. Необ-
ходимо, чтобы за время спекания были удалены связующие ве-
щества, завершились нужные физико-химические процессы уплот-
нения структуры, образования прочной связи между металлической
и керамической фазами, образования зерен необходимого размера,
ликвидации пор и устранения остаточных напряжений. Понятно,
что температурный профиль в обжиговой камере и режим обжига
для достижения всех перечисленных целей будут весьма сложными.
Для создания гладкой поверхности подложки она покрывается
глазурью, изготовленной на основе окиси висмута и свинцово-бори-
силикатного стекла. Эта глазурь имеет температурный коэффициент
расширения (ТКР), близкий к ТКР алюмокерамической подложки.
Глазурь герметизирует или заполняет остаточные поры в предыду-
щих слоях, не оказывая заметного влияния на электропроводность
и диэлектрические свойства. На поверхности керамической платы
эта глазурь создает гладкий слой, который можно успешно исполь-
зовать для тонкопленочной технологии.
Завершающий этап технологического процесса изготовления
многослойных керамических плат состоит в соединении проводников
на верхней поверхности подложки с соответствующим нижним ме-
таллизированным слоем через металлизированные отверстия, как
это делается при изготовлении многослойных печатных плат. Для
этого сначала проводят химическое меднение всей поверхности,
включая внутренние стенки отверстий. Затем наносят фоторезист
таким образом, что после экспонирования остаются незащищенными
только участки, непосредственно окружающие отверстие и само
отверстие. После этого подложку погружают в гальваническую
ванну золочения и на открытых участках ее поверхности осаж-
дается слой золота толщиной около 10 мкм. Фоторезист удаляется
и. медь стравливается со всех не защищенных золотом участков
поверхности. В результате такой подготовки плата становится го-
товой для проведения следующих операций.
210
11-4. Монокристаллические подложки
для полупроводниковых интегральных микросхем
Пассивные подложки (платы). Использование пас-
сивных монокристаллических подложек не связано с на-
несением на них эпитаксиальных слоев, и поэтому к ним
не предъявляются требования соответствия параметров
их кристаллической структуры структурным параметрам
наносимых на них слоев. Пассивные монокристалличе-
ские подложки выбираются главным образом на основе
конкретных физических свойств, необходимых для рабо-
ты и эксплуатации приборов, создаваемых на этих
подложках. Наиболее важной областью применения пас-
сивных монокристаллических подложек являются: тех-
нология СВЧ ИМС, приборов на акустических поверх-
ностных волнах, оптические ИМС и некоторые другие
виды ИМС.
Основным элементом гибридных СВЧ ИМС служит
микрополосковая линия. Эта металлическая полоска на
подложке действует подобно волноводу, импеданс и
длина линии определяют свойство схемы. Взаимодейст-
вие между микрополосковой линией и подложкой явля-
ется важным свойством подложки, определяющим тре-
бования к ее свойствам.
Чем выше диэлектрическая проницаемость подлож-
ки, тем меньше отношение ширины микрополоски к его
толщине для достижения заданного значения импеданса.
Наибольшая величина этого отношения позволяет соз-
давать узкие линии на относительно тонкой подложке,
что обеспечивает компактность и малые потери. Очень
важно, чтобы толщина и диэлектрическая проницае-
мость е были равномерны для всей подложки и для
разных подложек. Для этого подложка Должна быть
очень гладкой с точно выдержанной толщиной и одно-
родностью структуры, обеспечивающей одинаковое зна-
чение е по всей массе подложки.
Очень важно, чтобы поверхность подложки была
чистой для обеспечения хорошего сцепления металли-
ческой полоски с поверхностью подложки, что важно
для снижения потерь СВЧ энергии при ее распростра-
нении.-ДЛЯ работы на частотах около 10 ГГц требуется,
чтобы шероховатость не превышала 0,13 мкм. При этом
потери не будут превышать 5%. Для работы на частотах
около 1 .ГГц требования к обработке поверхности сни-
14*
211
жаются. Для такого же уровня потерь допустима в этом
случае шероховатость 0,25 мкм. .
Наиболее удовлетворительным с точки зрения пере-
численных требований является в настоящее время сап-
фир (е = 9,4), используется также шпинель (е—8,4),
однако в меньших масштабах.
Преимущества монокристаллических подложек для
обеспечения перечисленных выше требований очевидны.
Материал является однородным по своим физическим
свойствам, толщина, подложек может контролироваться
с точностью 0,01 мкм (что на порядок больше необхо-
димого значения). Обработка сапфировых подложек
для СВЧ ИМС точно такая же, как для подложек,
используемых для эпитаксии кремния.
Для приборов с акустической поверхностной волной,
изготавливаемых технологическими методами производ-
ства ИМС, широко используются монокристаллические
подложки из пьезодиэлектриков: кварц, ниобат лития
(LiNbOs) и двойной окисел висмута и германия
(BiaGeOs). Вопросы однородности структуры подложки,
чистоты ее поверхности также очень важны в этих уст-
ройствах. Монокристаллические пластины обрабатыва-
ются механической шлифовкой и полировкой, а также
химическим травлением, что позволяет добиться высо-
кой чистоты поверхности.
Активные монокристаллические подложки. К актив-
ным кристаллическим подложкам сначала относили
кремний, германий и арсенид галлия, на основе которых
создавались полупроводниковые структуры с заданны-
ми электрофизическими свойствами для создания полу-
проводниковых ИМС. В последнее время к этому типу
подложек стали относить монокристаллические сапфи-
ровые и шпинелевые подложки, на которых выращива-
ются эпитаксиальные слои, чаще всего кремния (в не-
которых случаях германия и арсенида галлия, гранаты
и др.). Подложки, на которых выращиваются эпитакси-
альные слои, будем называть активными *.
Процессы подготовки монокристаллических подло-
жек, используемых для формирования на них полупро-
водниковых ИМС, существенно влияют на технологи-
ческий процесс изготовления полупроводниковых ИМС.
• Даже если по существу они выполняют пассивную роль
в ИМС. Таким образом можно видеть, что деление подложек на
активные и пассивные весьма условно.
212
Наиболее широко в технологии ИМС используются
кремниевые монокристаллы. Эти монокристаллы крем-
ния могут поступать в производство в виде слитков, не-
обработанных или шлифованных и полированных моно-
кристаллических пластин, а также в виде пластин,
покрытых эпитаксиальным слоем.
Для изготовления различных типов ИМС требуются
различные значения удельного сопротивления и типы
проводимости. Однако высокое совершенство структуры
монокристаллических подложек необходимо для любого
их применения, так как концентрация дефектов струк-
туры непосредственно влияет на выход годных ИМС.
В табл. 11-Г приведены изменения требований к крем-
ниевым подложкам в последнее десятилетие.
Та блица 11-1
Требования к качеству исходных кремниевых пластин
Параметры -полупроводникового кремния	1960 г.	1965 г. 	1970 г.	1975 г.
Диаметр пластины, мм ... . Радиальный разброс удельного	12—25	25—31	30—40	40—80
сопротивления, % ....	30	20	' 15	10
Плотность дислокаций, см-г . .	5-10*	Ы04	1-10’	(1-J-5) 10s
Неровность поверхности, мкм .	0,5	0,25	—	—
Для производства необходима плоская, гладкая по-
верхность, получаемая шлифовкой и полировкой. По-
этому процесс подготовки пластин состоит из операций
резки, шлифовки, полировки и в ряде случаев химико-
динамического травления. Поврежденный или механи-
чески напряженный слой, образовавшийся после резки
и шлифовки, должен быть удален, так как он отрица-
тельно сказывается на электрических свойствах созда-
ваемых приборов.
Шлифовка и полировка осуществляются на специаль-
ных станках, на держатели которых наклеиваются пла-
стины. Для снижения повреждений поверхности при осу-
ществлении этих процессов необходимо использовать на
заключительных операциях мелкие шлифовальные по-
рошки с размером зерна менее 0,5 мкм. Окончательная
обработка проводится полировкой, химическим и газо-
вым травлением. Поверхность полированной пластины
более ровная, чем химически обработанной, однако
213
76,2мкм(наруш.внный. слой.)
/Г
ЗЗОмкм
Рис. 11-2. Механическая обработ-
ка кремниевых монокристалличе-
ских пластин.
t — пластина наела резня: 1 — иласти-
на после шлифовки: Э — пластина пос-
ле полировки; 4 — пластина после
травления.
у первой остается небольшой
поврежденный слой. Окон-
чательный выбор процесса
обработки должен обеспечи-
вать отсутствие влияния на-
рушенного слоя на электри-
ческие характеристики при-
боров и удовлетворять тре-
бованиям высокой разрешающей способности в после-
дующих технологических процессах. На рис. 11-2 приве-
дена схема механической обработки кремниевых пластин.
Перед проведением эпитаксии применяется газовое
термическое травление подложек, которое проводится
в тех же аппаратах.
Рис. 11-3. Зависимость ско-
рости травления кремние-
вых подложек от температу-
ры для различных концен-
траций хлористого водорода
в водороде (числа над кри-
выми указывают концентра-
цию НС1 в объемных %).
Газовое травление пластин кремния представляет
собой высокотемпературный процесс поверхностной об-
работки подложек хлористым водородом. На рис. 11-3
показана зависимость скорости травления пластин крем-
214
цця от температуры ДЛЯ различных концентраций НС1
в водороде.
В зависимости от того, в каком виде предприятие
закупает исходный материал для подложек, создается
та или иная система входного контроля. Эта система
должна быть гибкой и эффективной, чтобы имелась воз-
можность контролировать любой материал от любого
поставщика, включая и собственное производство. На
каждую партию исходного материала даются подробная
спецификация, техническое описание, методы измерения.
Из этих документов легко составить входную провероч-
ную методику контроля.
Часть третья
ТЕХНОЛОГИЯ ЭЛЕМЕНТОВ ГИБРИДНЫХ
ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМ
Глава двенадцатая
ОСНОВНЫЕ МЕТОДЫ И АППАРАТЫ ДЛЯ ОСАЖДЕНИЯ
ТОНКИХ ПЛЕНОК
12-1. Основные узлы аппаратов для осаждения пленок
Важную роль в создании гибридных ИМС играют
процессы создания пленочных структур, последние фак-
тически реализуют резистивные, емкостные, индуктив-
ные и другие свойства ИМС. Теоретические аспекты,
связанные с получением таких структур, были рассмот-
рены в гл. 3—7. Прежде чем перейти к описанию про-
цессов создания пленочных элементов ИМС, целесооб-
разно кратко рассмотреть типовые устройства, приме-
няемые для этих целей.
Используя способность различных материалов быст-
ро испаряться в вакууме при достижении ими темпера-
туры, соответствующей давлению насыщенных паров
0,1—1 П'а, был разработан метод получения тонких пле-
нок конденсацией испаренного вещества. Этот метод
был назван методом термовакуумного испарения. Он
имеет разновидности, которые различают главным обра-
зом по способу нагрева испаряемого вещества (рези-
стивное, электронно-лучевое, высокочастотное испарение
и т. п.).
Йспользование распыления вещества под действием
ионной бомбардировки привело к созданию серии соот-
ветствующих аппаратов. Они позволили преодолеть ряд
трудностей, встречающихся при термовакуумном испа-
216
Рис. 12-1. Основные устройства, используемые в аппаратах для осаждения тонких пленок.
рении: снизить температуру источника вещества, исполь-
зовать сравнительно небольшое разрежение, избежать
резкого изменения состава конденсата при испарении
сплавов, обеспечить равномерное распределение конден-
сата по подложке с большой площадью и др.
Одной из основных разновидностей методов катод-
ного распыления является высокочастотное распыление,
которое используется главным образом для получения
диэлектрических пленок. Этот метод позволяет нейтра-
лизовать заряд, который накапливается на диэлектрике
в результате его бомбардировки ионами, и обеспечить
интенсивное распыление диэлектрика.
В методе реактивного распыления для переноса ве-
щества используются .химические реакции синтеза на
источнике и диссоциации на подложке.
В химических методах используются те или иные
химические реакции, в результате которых осаждаются
пленки.
Основными узлами в любой аппаратуре для осажде-
йия пленок являются:
реакционная камера, в которой осуществляется
основной процесс данного метода; в ней создаются усло-
вия, необходимые для протекания этого процесса по воз-
можности с оптимальными технологическими режимами;
узлы источника материала и крепления подложки
с системами их нагрева, а для катодного распыления —
с источником бомбардирующих иойов;
газораспределительная и откачная системы, состоя-
щие из насосов, фланцев, натекателей, клапанов, лову-
шек, средств измерения разрежения или скоростей газо-
вых потоков и т. п. Вспомогательные устройства и тех-
нологическая оснастка, к которым относятся внутри-
камерные экраны, подвижные заслонки, различные ма-
нипуляторы, загрузочные и разгрузочные устройства,
система очистки газов, гидроприводы, пневмоприводы
и т. п. Системы электропитания и блокировки; системы
контроля и управления технологическими параметрами.
В последнюю входят приборы для измерения скорости
осаждения и толщины пленок, температуры, физических
свойств пленок и т. п.
На рис. 12-1 приведена схема основных устройств,
используемых в аппаратуре для осаждения тонких пле-
нок.
213	.
12-2. Базовые модели установок Для получения пленок
термовакуумным испарением
Отечественная промышленность выпускает различные вакуум-
ные установки, предназначенные для получения металлических и
диэлектрических пленок в производстве гибридных и полупроводни-
ковых ИМС. Они различаются по своим технологическим возможно-
стям. Простейшей базовой моделью является УВН-2М (рис. 12-2),
на основе которой была создана серия установок, имеющих одина-
ковую вакуумную систему, но различную технологическую оснаст-
,ку, конструкцию испарителей и средства контроля.
В технологии ИМС используются два способа получения тон-
копленочных элементов термическим испарением в вакууме. В пер-
вом способе все позиции карусели (рис. 12-2) используются для
создания одного слоя на нескольких (по числу позиций на кару-
сели) подложках. В этом способе механические маски или вообще
не применяются, или устанавливаются в подложкодержатель и
совмещаются с подложкой на воздухе до начала процесса. В ис-
парители загружается испаряемый материал, опускается колпак и
камера откачивается до заданного разрежения. Затем одновременно
6)
Рис. 12-2. Схемы базовой вакуумной
установки УВН-2М (а) и технологи
ческой оснастки рабочей камеры уста-
новок однооперационного (б) и мно-
гооперационного (в) типов.
' ( — рабочая камера; 2 — паромасляный
диффузионный насос; 3 — высоковакуумный
затвор; 4 — азотная ловушка; 5—механи-
ческий вакуумный насос: 6 — коробка кла-
панов 7 — натекатель; 8 — сосуд Дьюара,
9 — вакуумный колпак; 10— базовая пли-
та; // — нагреватель подложек; /4 —кару-
сель масок и подложек: 13 — испаритель;
14 — экран; 15 — заслонка; 16 — карусель
подложек; /7 — карусель масок; 18 — кару-
сель испарителей; 19 --заслонка; 20—
экраны.
219
на все подложки или группу подложек осаждается только один
слой (например, только резистивный слой, только Диэлектрический
слой или только обкладка конденсатора и т. п.). После охлажде-
ния камера заполняется воздухом, колпак поднимается и подлож-
ки вынимаются для направления на другую операцию осаждения
пленок, которая проводится на другой установке через другие
маски. Этот способ предусматривает разгерметизацию установки
после осаждения каждого слоя. Если маски не применяются при
осаждении пленки, то требуемая конфигурация пленки создается
путем селективного травления отдельных участков ИМС с помощью
фотолитографии.
Основным достоинством метода раздельного осаждения являет-
ся высокая точность получения конфигурации элементов, посколь-
ку совмещение масок с подложками или селективное травление
пленки производится на воздухе. При этом обеспечивается хорошая
возможность пооперационного контроля и исключается испарение
в одной камере различных (часто несовместимых) материалов.
К недостаткам способа следует отнести возможность загряз-
нения отдельных слоев при их взаимодействии’ с атмосферным воз-
духом в межоперационных процессах.
Во втором способе, называемым многослойным осаждением,
маски и подложки не совмещаются заранее на воздухе, а распо-
лагаются на отдельных каруселях, которые могут перемещаться
относительно друг друга в вакуумной камере. При повороте кару-
,сели масок относительно карусели подложек на определенный угол,
который соответствует числу позиций на карусели, перед подложкой
меняется маска и их совмещение производится в рабочей камере
без ее разгерметизации. Благодаря этому за один технологический
цикл, откачки рабочей камеры можно изготовить всю пассивную
часть гибридной ИМС.
Основным достоинством этого способа является исключение
влияния атмосферного воздуха на процесс изготовления тонкопле-
ночных слоев. К недостаткам способа можно отнести: сложность
технологической оснастки, которая в условиях высоких вакуума
и температур может работать не совсем надежно, трудность про-
ведения межоперационного контроля, возможность взаимного
загрязнения слоев.
Одна из первых моделей многопозиционных карусельных напы-
лительных установок показана на рис. 12-3. Она предназначена для
изготовления многослойных структур. Управление технологическим
процессом осуществляется автоматически от пульта управления.
Установка (рис. 12-3) состоит из следующих основных частей:
подколпачного устройства /, рабочей камеры 2, рамы 3, испарите-
телей 4 и 5, вакуумного агрегата 6 (АВТО-20М), механического
насоса 7 (ВН-2М-Г), вакуумной коммуникации и арматуры. В кон-
струкцию вакуумного агрегата АВТО-20М входит сорбционный ти-
тановый насос СТОН-20М, используемый для безмасляной откачки
до остаточного давления газов 10“12 Па.
Такое разрежение достигается после предварительного обезга-
живания установки при температуре 400°С. Действие сорбционного
насоса основано на поглощении газов слоем распыленного титана,
непрерывно испаряемого и конденсирующегося на рабочей поверх-
ности экрана насоса, охлаждаемого жидким азотом. Быстрота от-
качки насоса СТОН-20М по воздуху в диапазоне давлений 10-9—
10_|° Па составляет 4,5 м3/с.
220
Рис. 12-3. Схема многопозиционной карусельной напыленной установки.
а — общий вид установки: / — подколпачное устройство; 2 — рабочая камера; 3 — рама; 4, 5 — испарители: 6 — вакуумный аг-
регат АЙТО-20М; 7 — механический вакуумный насос ВН-20М; в — вакуумная коммуникация н арматура; О — кинематическая
схема поДкрлпачного устройства: / — карусель маскодержателей; 2 — маски; 3 — стойка; 4—8, 12, 20 — электродвигатели; «—
сильфонный ввод вращения; 6 — ведущая шестерня; 7 — фиксатор; 9, 16, 21 — сильфонные узлы; 10 — рычажная система; Н —
сектор: I2 ~ подложка; 13 — кассета с подложками; 14— Рычаг; 15 — рычажная система; 18 — защелка рычага; 19 — направляю-
щие сектора-
На основании подколпачного устройства & диаметрально про-
тивоположных точках установлены два испарителя. Типы испарите-
лей выбираются в зависимости от конкретных технологических тре-
бований (пятипозиционный электронно-лучевой и тигельный).
Перемещение подложек, масок и смена напыляемого материала
осуществляются механизмами подколпачного устройства. Подлож-
ки из кассеты (вмещающей 33 подложки) поочередно попадают
с помощью механизма транспортировки на позиции напыления.
Карусельное устройство, снабженное шестью- различными масками,
дает возможность производить напыление слоев на подложку из
любого испарителя и в любой последовательности. Подложка, про-
шедшая полный технологический цикл, возвращается в кассету и
вместе с пей перемещается на один шаг.
Работа механизмов подколпачного устройства поясняется кине-
матической схемой (рис. 12-3,б). Диск-маскодержатель 1, представ-
ляющий собой зубчатый венец с шестью масками 2, совершает
вращательное и возвратно-поступательное движение относительно
стойки 3. Вращательное движение диск получает от электродвига-
теля 4 через сильфонный ввод вращения 5 и ведущую шестерню 6,
которая входит в зацепление с .зубчатым венцом диска. Через одну
шестую часть оборота диск-маскодержатель останавливается фик-
сатором 7. Возвратно-поступательное движение диск получает от
электродвигателя 8 через сильфонный узел 9 и рычажную систе-
му 10. При этом, не выходя из зацепления с ведущей шестерней,
диск занимает относительно сектора 11 три положения: верхнее —
режим совмещения (диск прижимается к сектору с подложкой,
происходит совмещение подложки с маской в позициях напыления
А и Б); точность совмещения не хуже 50 мкм; среднее — режим
зацепления (диск с масками движется совместно с сектором, про-
исходит перемещение подложек с одной позиции на другую);
нижнее — режим смены маски (диск с масками вращается незави-
мо от перемещения сектора с подложкой). В сектор 11 напыляемая
подложка 12 попадает- из кассеты 13 с помощью рычага 14, приво-
димого в движение через рычажную систему 15 и сильфонный узел
16 от электродвигателя 17. Подложка захватывается защелкой 18
рычага и перемещается из кассеты в направляющие сектора 19.
От электродвигателя 20 через сильфонный узел 21. и храповой
механизм осуществляется подъем кассеты на один шаг и очередная
подложка выводится в исходное положение. Очередность техноло-
гического цикла напыления на подложку определяется нумерато-
ром на пульте управления. Процесс напыления прекращается, ког-
да поток напыляемого материала перекрывается электромагнитной
заслонкой.
В установке предусмотрена возможность подключения измери-
тельных приборов. При напылении температура нагрева подложки
кварцевыми лампами накаливания может достигать 450°С. На од-
ной из позиций рамка с подложкой прижимается к пластине и про-
исходит охлаждение подложки водой или жидким азотом.
По окончании процесса напыления подложек в подколпачный
объем вводится сухой азот и камера вскрывается. Затем кассета
перезаряжается, камера закрывается и процесс повторяется. Необ-
ходимо отметить, что при получении сверхвысокого вакуума самое
важное, значение имеет первоначальный прогрев установки. После-
дующие прогревы при работе в диапазоне давлений 10—7—10-10 Па
не обязательны, за счет чего время полного цикла сокращается и
222,
составляет 20 ч (включая прогрев и получение предельного раз-
режения).
 Процесс испарения и качество получаемых пленок в значитель-
ной мере определяются типом и конструкцией испарителей. Су-
ществующие испарители можно разделить на две группы: испари-
тели с непосредственным подогревом и испарители с косвенным
подогревом испаряемого вещества.
Испарителями с непосредственным подогревом называются та-
кие испарители, в которых ток пропускается непосредственно через
испаряемый материал. Такой' метод испарения может быть исполь-
зован только для проволочных и ленточных материалов.
Основное преимущество метода испарения с непосредственным
подогревом заключается в отсутствии элементов подогревателя, за-
грязняющих напыляемую пленку. Этот тип испарителей ограничи-
вает скорость испарения и количество испаряемого материала.
Сечение таких испарителей должно быть одинаковым на всем, про-
тяжении, так как в противном случае возникает местной перегрев
и испаритель перегорает. Испарители с непосредственным подогре-
вом применяются в настоящее время лишь в лабораторной прак-
тике.
Испарители ‘с косвенным подогревом подразделяются на:
резистивные, в которых необходимое для испарения тепло вы-
деляется при пропускании тока через подогреватель;
радиационные, в которых нагреватель передает тепло испаряе-
мому материалу за счет теплового излучения;
индукционные, в которых испаряемый материал нагревается
вихревыми токами, создаваемыми высокочастотным электромаг-
нитным полем;
электронно-лучевые, в которых для испарения материала ис-
пользуется энергия электронного луча;
дуговые, в которых для испарения материала используется
дуговой разряд.
Резистивные испарители косвенного подогрева более универ-
сальны, так как позволяют испарять проводящие и непроводящие
материалы в виде порошка, гранул, проволоки, ленты и т. п. Но
при этом получаются менее чистые пленки из-за испарения мате-
риала подогревателя. Для того чтобы это загрязнение пленки све-
сти к. минимуму, необходимо выбирать металл для подогревателя
так, чтобы его давление пара было пренебрежимо малым при рабо-
чих температурах испарения, чтобы не происходило никаких хими-
ческих реакций между материалом подогревателя и испаряемым
металлом, а также не образовывались сплавы между ними. В каче-
стве материалов подогревателей применяются тугоплавкие металлы:
W, Та, Мо. Поверхность резистивных испарителей предварительно
очищается промывкой в растворителях. Часто проводят также от-
жиг испарителей в вакууме.
Для испарения металлов, плохо удерживающихся на нитях,
а также диэлектрических соединений изготавливают испарители
из тонких листовых металлов, придавая им форму лодочек или
неглубоких тиглей. Для испарения порошкообразных материалов
применяют испарители в виде лодочек с сетчатой крышкой, которая
предотвращает разбрасывание материала при испарении вследствие
образования повышенного давления пара в глубине испарителя —
в месте контакта испаряемого материала и нагревателя. На
22 3
рис. 12-4 приведены некоторые типы испарителей, применяемые при
изготовлении тонкопленочных элементов ИМС.
Испаритель с радиационным нагревом позволяет избежать
непосредственного контакта испаряемого материала с подогрева-
телем, однако загрязнение нагревателя парами осаждающейся плен-
ки все же возможно. Испаритель состоит из тигля, смонтированного
на изолирующей подставке (для уменьшения потерь за счет тепло-
проводности), и проволочного нагревателя из тугоплавкого метал-
ла. Эффективность радиационного нагрева увеличивается при при-
менении отражателя с отверстием в центре, расположенного над
нагревателем.
Рис. 12-4. Некоторые виды испарителей, используемые при получе-
нии тонких пленок в вакууме.
а — резистивный испаритель для испарения мелкодисперсных частиц; б — рези-
стивный испаритель дискретного устройства для испарения проволоки из бухт;
в — электронно-лучевой испаритель; г — испаритель для взрывного испаре-
ния; / — подложка; 2— бункер; 3 — лодочка; 4— катушка; S — нагреватель;
« — электронная пушка; / — испаряемый материал; в— корпус.
Этот тип испарителя применяется почти исключительно для
диэлектриков, имеющих невысокую температуру испарения, и поч-
ти непригоден для металлов ввиду их большого коэффициента
отражения в инфракрасной области, а также для диэлектриков ти-
па кварца, слабо поглощающих тепловое излучение. В радиацион-
ном испарителе возможна диссоциация испаряющихся молекул при
попадании их па нагреватель с более высокой температурой.
224
Электронно-лучевые испарители осуществляют нагрев испаря-
емого вещества электронной бомбардировкой. Этот способ весьма
эффективен при условии попадания электронов непосредственно на
вещество, подлежащее испарению. Наиболее высокая температура
создается в ближайших к поверхности слоях испаряемого мате-
риала.
Простой и привлекательный способ испарения металлов, свя-
занный с применением электронно-лучевого нагрева, состоит в том,
что металлическая проволока непосредственно вносится в элек-'
тронный поток. При этом она может либо оставаться неподвиж-
ной, либо протягиваться через зону нагрева.
В индукционных испарителях металл, подлежащий испарению,
окружается индуктором, представляющим собой один или несколь-
ко медных водоохлаждаемых витков, по которым пропускается ток
высокой частоты. При использовании этого метода нагрева отсут-
ствует взаимодействие испаряемого металла с подогревателем, од-
нако индукционные испарители еще недостаточно разработаны и не
находят широкого применения,
12-3. Установки для получения тонких пленок
ионно-плазменным распылением
При испарении тугоплавких материалов методами
термовакуумного испарения имеется ряд трудностей,
о которых указывалось выше. Необходимость использо-
вать в производстве ИМС тугоплавкие металлы, сплавы
и диэлектрики с высокой температурой испарения (при
которой может происходить частичное разложение этих
веществ) стимулировала развитие метода катодного
распыления (ионной бомбардировки). За короткий срок
в дополнение к ранее известным диодным системам
были разработаны триодные и тетродные системы с ав-
тономным ионным источником, а также системы, исполь-
зующие высокочастотное напряжение, что позволило
распылять этим методом практически любые материалы,
применяемые в производстве ИМС.
Схема простейшей установки показана на рис. 12-5.
Она состоит из камеры, в которую вводится рабочий
газ при давлении 1 —10 Па, катода и анода, на котором
подложки расположены в плоскости, параллельной ка-
тоду. Расстояние между электродами составляет обычно
от 1 до 12 см, а диаметры электродов от 5 до 50 см.
Такая система работает при напряжениях от 1 до 10 кВ.
Использование плоскопараллельной конфигурации
электродов позволяет осаждать пленки, однородные по
толщине. Например, для катода диаметром 35 см при
расстоянии от катода до подложек 7,5 см была достиг-
нута однородность по толщине более 1 % на подложках
15—844	225
Рис. 12-5. Схема аппарата для ка-
тодного распыления.
I — подложки: 2 — высоковольтный
ввод: 3 — высоковольтный экран; 4 —
вакуумная камера: 5 — катодный эк-
ран; 6 — катод; 7 — анод; В — нагрева-
тель; 9 — ввод аргона*. 10 — высокое на-
пряжение; 11 — к вакуумному насосу.
площадью 17,5X17,5 см2
при скоростях напыления
от 10~8 до 5-10~8 м/мйн
различных материалов, в
том числе и тантала, ко-
эффициент распыления
которого мал.
С точки зрения чисто-
ты осаждаемых пленок
целесообразно снижать
давление рабочего газа
(обычно аргона) в каме-
ре. Однако при низком
давлении газа (0,1—
0,01 Па) тлеющий раз-
ряд гаснет и распыле-
ние прекращается. По-
этому были разработа-
ны специальные методы
для катодного распыле-
ния при низких давле-
ниях. В этих методах раз-
ряд поддерживается либо термоэлектронной эмиссией,
либо высокочастотным возбуждением. Последний спо-
соб — высокочастотное возбуждение плазмы — позволя-
ет не только проводить катодное распыление при пони-
женных давлениях, но и значительно повысить скорости
осаждения при обычных давлениях, особенно при низких
напряжениях.
Обычные методы катодного распыления не позволяют распы-
лять диэлектрик. Это объясняется накоплением заряда на поверх-
ности диэлектрика в процессе ионной бомбардировки, вследствие
чего поле концентрируется у диэлектрика, а не в распыляющей
газовой среде. При этом плотность потока ионов и их энергия на-
столько падают, что заметного распыления диэлектрика не проис-
ходит. Чтобы обойти это затруднение, был разработан метод
высокочастотного распыления, который благодаря ' попеременному
действию бомбардировки катода электронами и ионами позволяет
распылять диэлектрические материалы. Для этого диэлектрическую
мишень крепят на проводящей пластине, к которой подводится вы-
сокочастотная энергия частотой около 10 МГц. Положительный
заряд, накапливающийся на мишени, нейтрализуется электронами
плазмы за полупериод, в течение которого мишень заряжена по-
ложительно. Процесс распыления протекает следующим образом.
Из-за различия в подвижностях ионов и электронов вокруг элек-
тродов возникает обогащенная ионами оболочка. Эти ионы бомбар-
дируют мишень, вызывая ее распыление. Электрические характе-
226
ристики такой системы легко рассчитываются. Например, силу
тока 1 можно вычислить по стандартной формуле
/-=<оСУ,	(12-1)
где С — емкость мишени; <о — угловая частота; U — среднеквадра-
тичное напряжение высокочастотного генератора.
Эффективный ионный ток, однако, будет составлять половину
этой величины, поскольку ионы бомбардируют мишень лишь на про-
тяжении полупериода. Скорости осаждения диэлектриков этим
методом составляют 3' 10-8—б-10—® м/с.
Скорости распыления различных материалов методами катод-
ного распыления приведены в табл. 12-1.
Таблица 12-1
Скорость распыления материалов методами
катодного распыления, м/мин
Материал	Способы распыления		
	На постоянном токб	Высокочастотное	Плазменное
Титан	2-Ю-8	3,5-Ю-8	1-10-’
Алюминий	2-Ю-8	6-10-8	1,6-10-»
Тантал	2-Ю-8	9-10-8	2-10-’
Медь	2-10-8	12-Ю-8	3-10-7
Серебро	2-10-8	24.10-8	6-10-7
Золото	2-Ю-8	15-IO-8	5-10-7
Кварцевое стекло	2-Ю-8	3,7-Ю-8	0.7-10-8
Свойства тонких пленок, получаемых методами катодного рас-
пыления, зависят от ряда факторов: качества распыляемой мише-
ни, температуры мишени и подложки, энергии плазмы, давления
газа в рабочей камере, геометрии установки и др.
Чистота мишени в значительной мере определяет химическую
однородность пленки. При использовании загрязненных (окислами,
маслами, пылью и т. п.) мишеней примеси с мишени переносятся
на подложку. Следует особенно тщательно избегать присутствия
в мишенях газовых включений, которые, освобождаясь при бом-
бардировке, могут реагировать с распыленными молекулами и
осаждаться в виде нежелательных соединений, загрязняя пленку.
Часто очищенные мишени имеют довольно высокие концентра-
ции газа (например, примеси кислорода в хромовых мишенях)
в растворенном виде или адсорбированного на поверхности. Послед-
ние могут быть удалены предварительным распылением при закры-
той заслонке, предохраняющей подложки от попадания на них
молекулярного потока распыляемых частиц в этот начальный пе-
риод процесса.
При распылении сплавов или соединений используются мишени
из этих материалов. Когда такие мишени трудно изготовить, то
мишени из компонентов сплава или ( соединения устанавливаются
в форме секторов, полос, трубок и т. п. с соблюдением соответст-
вующих пропорций поверхности распыления. В случае таких много-
15*	227
компонентных мишеней скорость уноса веществ может Заметно
меняться вследствие обратного рассеяния в газе распыленных ато-
мов одного компонента на поверхности другого. Это явление наб-
людается при давлениях 1,0 Па, если один компонент распыляется
хуже другого. Например, при распылении молибдена и меди на
медной поверхности появляются молибденовые конусообразные
образования высотой в •несколько микрон, вследствие покрытия
поверхности меди молибденом снижается скорость распыления ме-
ди. Так же, как медь, ведут себя алюминий, серебро и золото,
а как молибден — вольфрам, никель, кобальт.
Геометрия расположения мишени, подложки и экранов суще-
ственно влияет на равномерность процесса уноса и осаждения ве-
щества. Во избежание распыления материала с тыльной стороны
мишени последняя должна защищаться экраном. Этот экран необ-
ходимо располагать на расстоянии, меньшем ширины круксова тем-
нового пространства (которая соответствует длине пути электрона
до приобретения ионизирующей способности). Эта ширина прибли-
женно вычисляется по уравнению Лангмюра
/уЗ/2\ 1/2
d ( т )
(12-2)
где U — напряжение между электродами; / — плотность тока.
Для высокочастотного электрода расчет по этому уравнению
в предположении, что I равно 10е ионов/(см2-с), дает ширину, рав-
ную 6 мм.
Теоретически унос вещества при наличии плазмы
между электродами должен быть близок к закону коси-
нуса, т. е. разность толщины пленки в центре и по краям
подложки должна зависеть от расстояния между элек-
тродами и их диаметров. Уменьшению толщины пленки
на краях подложки, однако, противодействует увеличе-
ние скорости уноса материала с краев мишени, вызван-
ное заметным ростом локальных градиентов поля. Что-
бы избежать неравномерности распыления мишени,
целесообразно использовать экраны с боковым охватом
мишени. Это позволяет снизить унос вещества с краев
и создать такое распределение скорости распыления
мишени, которое обеспечивает равномерность толщины
пленки на уровне 5—10%' по всей поверхности подлож-
ки. Для этого необходимо соблюдать также строго па-
раллельное расположение электродов относительно друг
друга. Расстояние между электродами сильно влияет на
скорость распыления, например увеличение расстояния
от 2,5 до ГО см приводило к снижению скорости распы-
ления в 10 раз.
Изменение давления в межэлектродном пространстве
также влияет на скорость распыления. Повышение дав-
ления приводит к росту концентрации ионов, а следова-
228
тельно, и скорости распыления. Однако коэффициент
распыления при давлениях выше 10 Па сильно умень-
шается из-за обратной диффузии распыленных молекул
к мишени и лишь около 10% распыленных атомов оса-
ждается на подложке. Повышенные давления приводят
к увеличению содержания газовых включений в пленке.
Вероятность внедрения молекул газа в осаждаемую
пленку в значительной мере зависит от их энергии и
температуры подложки. Как правило, концентрация га-
зовых примесей в пленке падает с ростом температуры
подложки. Так, например, при распылении SiO2 содер-
жание аргона в пленке уменьшалось с 10 до 3% при
повышении температуры от комнатной до 300°С и высо-
кочастотной мощности 2,93 Вт/см2, а при мощности
1,47 Вт/см2 это уменьшение составляло от 1,5 до 0,1%.
Влияние реактивных составляющих (О2, N2 и др.)
остаточного газа на евойства осаждаемой пленки весьма
велико, так как интенсивность бомбардировки поверх-
ности пленки частицами газа в несколько раз больше,
чем интенсивность бомбардировки распыляемыми части-
цами. Реактивные газы могут появиться в рабочей ка-
мере в результате натекания или обратной диффузии из
откачной системы.
Отечественная промышленность выпускает несколько
типов установок для катодного, плазменного и реактивно-
го распыления, предназначенных для осаждения метал-
лических и диэлектрических пленок в производстве ги-
бридно-пленочных и полупроводниковых ИМС.
На рис. 12-6,а показана схема установки с триодной
системой распыления. В загрузочный бункер помещает-
ся шесть подложек. Механический манипулятор пооче-
редно перемещает подложки сначала в зону распыления,
а затем в бункер. В нижней части установки закреплена
шестипозиционная двухъярусная карусель масок и ми-
шеней, которая может поворачиваться вокруг своей оси
с фиксацией через 60°, чем обеспечивается смена масок
и мишеней по отношению к неподвижной подложке.
На рис. 12-6,6 показан общий вид отечественной
установки УВН-75П-1, предназначенной для получения
катодным распылением пленок металлов, сплавов, ди-
электриков и полупроводников.
За один цикл на этой установке может распыляться
три материала и обрабатываться 100 подложек разме-
ром 60X48 мм2. Нагрев подложек до температуры 350°С
229
обеспечивается двумя кварцевыми лампами. При распы
лении металлов, сплавов и полупроводников на мишень
подается постоянное напряжение до 5 кВ, при распы-
лении диэлектриков используется переменное напряже-
ние частотой 1,76 МГц и значением до 3 кВ. Кроме того,
установка снабжена двухлучевым электронным испари-
_______________	телем, работающим на
напряжении 6—10 кВ и
токе до 200 мА. Предель-
ное давление остаточных
газов 7-10—5 Па, рабочее
давление 1—100 Па. В ка-
честве инертного газа ис-
пользуется аргон.
Взаимодействие рас-
пыляемого вещества с ре-
активными газами при-
водит к изменению со-
става пленок и, следова-
тельно, их электрофизи-.
ческих свойств.
Рис. 12-6. Схемы промышленных установок для катодного (ионно-
плазменного) распыления.
а — схема внутрикамерного устройства установки ИОН-IB; / — рабочая каме-
ра; 2 — базовая плита; 3 — загрузочный бункер; 4 — приемный бункер; 4 —
карусель масок; б — карусель мишеней; 7 — термокатод; 8 — анод; 9— нагре-
ватель подложек; 10 — механический манипулятор; 11 — заслонка; б — общий
вид установки УВН-76П-1; / — рабочая камера; 2 — ионный источник; 3 — пульт
питания и управления; 4 — сосуд Дьюара; 5, 5 — рукоятка управления вакуум-
~ными затворами.
z Содержание посторонних газов в пленке снижается при нало-
жении отрицательного потенциала на подложку («распыление со
смещением»). Действие метода основано на том, что сцепление
230
атомов пленки друг с другом иное, чем с атомами примесей. Если
взаимодействие между одноименными атомами распыляемого ве-
щества больше, чем между разноименными атомами этого вещества
и примеси, то примесные атомы, попавшие в пленку, будут легче
распыляться падающими на подложку ионами инертного газа.
Поэтому метод распыления со смещением применим для таких
элементов, как тантал, ниобий, молибден и вольфрам, и менее при-
меним для алюминия, у которого связи со многими газами очень
сильные.
Приведем значения потенциалов смещения при рас-
пылении различных материалов.
Материал	Потенциал смещения, 6	Материал	Потенциал смещения, В
Ag	35	Мо	150
Си	35	W	200
Аи	40	Та	200
N1	50	Nb	200
Pd	75	Nb	100
Pt	100	Nb	150
Rh	150	Стекло	100
12-4. Методы получения пленок реактивным
распылением
Взаимодействие реактивных газов с конденсируемой
пленкой может изменять ее электрофизические свойства
и в лучшую сторону. Поэтому возникла мысль исполь-
зовать это явление для создания стабильных химиче-
ских соединений (окислов, нитридов, карбидов и т. п.).
Характерной особенностью процесса реактивного
распыления является образование соединений типа АВ
в результате взаимодействия ионов реактивного газа В
(О2, N2) с атомами мишени А. Реактивный газ вводится
в рабочую камеру и активируется газовым разрядом.
Если газ имеет сложный состав (Н2О, NH3, СН4),
то под действием газового разряда эти молекулы могут
диссоциировать с образованием соответствующих ионов,
которые в зависимости от знака заряда перемещаются
к катоду или аноду. Ионы реакционного газа и атомы
мишени, которые также ионизируются в результате со-
ударений или перезарядки, соединяются, образуя моле-
кулы АВ и осаждаются на подложке. Повышение тем-
пературы в определенных пределах, как правило, спо-
собствует протеканию реакции.
При наличии нескольких типов молекул, которые мо-
гут образовываться из реагирующих ионов (например,
SiO, S12O3, S1O2, CuO, СигО, GeO, GeO2 и т. п.), состав
281-
образующейся пленки зависит от катодного, напряжения
и произведения остаточного давления Р на расстояние
между электродами d (т. е. величины Pd).
Окислы образуются при реактивном распылении до-
бавлением к газу нескольких процентов кислорода.
Более высокая концентрация кислорода в газовой смеси
приводит к образованию плотного окисного покрытия и
прекращению разряда постоянного тока. Поэтому в уста-
новках с двумя электродами давление реактивного газа
может меняться в очень узких пределах. В установках
с тремя электродами, где поверхность мишени ниже по-
верхности подложки, диапазон изменения парциального
давления реактивного газа значительно шире.
Для того чтобы выдержать стехиометрию распыляе-
мых" диэлектриков в случае использования высокочастот-
ного разряда, необходимо добавлять небольшое количе-
ство реактивного газа для подавления возможной диссо-
циации распыляемого вещества, например окислов. Так,
при распылении SiO2 в чистом аргоне получается пленка
состава SiO« (где х=1,94—1,97). Добавление неболь-
шого количества кислорода подавляет диссоциацию
SiO2 и позволяет получить двуокись кремния стехиомет-
рического состава. Аналогичные явления будут проис-
ходить при напылении и других диэлектриков.
Наряду с процессами реактивного распыления для
получения пленок заданного состава иногда используют
методы реактивного испарения. Существует несколько
разновидностей этого метода, например, метод, когда
в испарителе происходит реакция синтеза летучего со-
единения, а на подложке диссоциация этого соединения
с образованием пленки переносимого вещества. Этот
способ не нашел широкого применения в технологии
ИМС.
Более совершенным с точки зрения технологии ИМС
является метод, в котором применяется ионизация оста-
точного газа. Процесс ионизации реакционного газа
(например, кислорода) активизирует его молекулы и
делает их более реакционноспособными. Наиболее лег-
ким способом ионизации остаточного газа было бы под-
держание тлеющего разряда в вакуумной камере, одна-
ко для этого необходимо поддерживать сравнительно
высокое давление (102—10 Па) газов в рабочей камере.
Такое высокое давление препятствует эффективному
испарению, для которого необходимо давление не выше
232
10-1 Па. Более высокое дав-
ление при испарении при-
водит к образованию рых-
лых и пористых пленок.
Для ионизации газов низ-
кого давления был предло-
жен ряд способов, обеспечи-
вающих эффективную иони-
зацию реактивного газа при
общем давлении в рабочей
камере 10-а Па. Схема
устройства для реактивного
испарения в ионизирован-
ных газах представлена на
рис. 12-7.
Реактивное испарение"
осуществляется следующим
образом. Перед напуском
газа вакуумная камера от-
качивается до давления
2-Ю-4 Па. После этого
в камере устанавливается
начальное давление и ско-
рость испарения регулиру-
Рис. 12-7. Схема устройства для
реактивного испарения в иони-
зированных газах,
1 — газовый резепвуар; 2 — игольча-
тый вентиль: 3 — разрядная трубка;
4—трансформатор;	5—испаритель:
S — подложки.
ется нагревом испарителя с таким расчетом, что-
бы газопоглощение при испарении снижало давле-
ние до заданной величины. Начальное и конечное
давление оказывают существенное влияние на скорость
осаждения и свойства пленок. Для испарения каж-
Та блица 12-2
Данные об осаждении пленок S1O2 и ТЮ2 испарением
в ионизированном газе
Материал пленки	Испаряе- мый мате- риал	Реакцион- ный гая	Материал тигля испа- рителя	Давление, мм рт. ст.		Скорость осаждения» м/с
				р нач	р кон	
S1O2	S1O	о2	Мо	3-ю-*	2-10-»	5-10-10
SiO*Ny	SiO	Na	Мо	ыо-«	9-10-»	7-10-*»
TiO2	Ti2O3	О2	W	1.5-10-*	з. ю-»	2-Ю-1»
дого материала они подбираются экспериментально.
В табл. 12-2 приведены значения начального и конеч-
ного давлений (РНач и РКон) при испарении низших окис-
лов кремния и титана в ионизированном газе.
233
Реакцией между реактивным газом (Ог, Na) и под-
ложкой можно получать тонкие пленки на поверхности
металлов и полупроводников (метод анодирования).
При этом анодируемая подложка должна находиться
в плазме. Внешний источник напряжения сообщает под-
ложке положительный потенциал по отношению к плаз-
ме. Атомы реактивного газа ионизируются и, взаимодей-
ствуя с металлическим (или полупроводниковым) ано-
дом, образуют соответствующее соединение (окисел,
нитрид). Большие скорости роста новой фазы на поверх-
ности подложки достигаются в плазме большой плот-
ности. Это указывает на то, что основным фактором,
влияющим на скорость роста пленки, является концен-
трация определенных ионов реактивного газа.
Считается, что при получении окисных пленок 90%
ионизированного газа состоит из приблизительно рав-
ного количества ионов Q- и О+. Максимальные ско-
рости роста окиси ^наблюдались при давлениях кисло-
рода от 5-102 до 102 Па.
Использование высокочастотной плазмы при аноди-
ровании интенсифицирует процесс. Это связано с тем,
что более высокая концентрация электронов (1013 см-3)
по сравнению с тлеющим разрядом, описанным выше
(10ю см-3), приводит к увеличению степени ионизации и,
следовательно, степени анодирования.
Скорость роста пленок SiO2 на кремнии составляет
(6—40) 1О-9 м/мин при частоте генератора 2,5 -109 Гц и
температуре подложки 300°С. Важными факторами для
всех методов анодирования являются тщательная под-
готовка поверхности образца, подвод электрических
контактов к нему и чистота системы.
/
12-5. Установки для осаждения пленок
химическими методами из газовой фазы
Тонкие пленки можно осаждать из газовой фазы,
реализуя тот или иной химический процесс. Эти методы
отличаются друг от друга исходными материалами и
температурами, используемыми в процессе. Так, пленки
тугоплавких металлов (W, Mo, Ni, Сг) можно осаждать
из карбонилов [W(CO)e, Мо(СО)в и т. п.] при низких
температурах— 150—250°С или из других металлоорга-
нических соединений при более высоких температурах.
234
В технологии ИМС метод осаждения из газовой фа-
зы используется главным образом для осаждения полу-
проводниковых, диэлектрических и редко металличе-
ских пленок. Широкое распространение в качестве
исходных продуктов в процессах осаждения из газовой
фазы получили галоидные, гидридные и металлоргани-
ческие соединения осаждаемого вещества.
Нагрев подложек может осуществляться резистив-
ными нагревателями, ИК лампами и другими способами.
Рис. 12-8. Схема простейшего аппарата для проведения пиролиза
в потоке инертного газа.
1 — очистка газа; 2 — камера из кварцевого стекла; 3 — вращающиеся подлож-
ки; 4 — система откачки с ловушкой; S — гидрозатвор; в — система управле-
ния и контроля процессами; 7 —термостат и барботер с исходным материа-
лом.	.
В технологической установке создаются условия
(давление, температура), при которых исходный мате-
риал переходит в паровую фазу и переносится в реак-
ционную камеру газом-носителем. В качестве газа-носи-
теля служат водород, аргон, азот или кислород в зави-
симости от используемой реакции. При соприкосновении
паров исходного материала с подложкой протекает ге-
терогенная химическая реакция, в результате которой
образуется твердая пленка, а побочные газообразные
продукты выводятся из камеры газовым потоком-
Состав и структуру пленок, осаждаемых из газовой
фазы, можно менять в широких пределах. Скорости
осаждения пленок весьма высокие. Аппаратура и тех-
нология процесса проще и производительнее, чем в ме-
тодах вакуумного и катодного напыления.
Недостатком метода является необходимость синте-.
за и тщательной очистки исходных соединений.
236
Получение полупроводниковых слоев химическим
осаждением было подробно рассмотрено при описании
эпитаксиальных процессов роста (гл. 8). Осаждение
Рис. 12-9. Аппарат для осаждения пленок методом окисления силана.
/ — реактор; 2, 3 — фланцы; 4, 5 — прокладки; 4 — штуцер для ввода парога-
зовой смеси; 7 —термопара; 8 — керамический нагреватель подложек; 9 — спи-
раль нагревателя; 10 — подложкодержатель; // — подложки: 12— шток, вра-
щающий подложкодержатель; 13, 14, 15 — система передач с двигателем; 16 —
цепь контроля и управление процессом; 17 — силовая цепь.
металлических пленок из газовой фазы пока не полу-
чило широкого применения.
Рассмотрим аппаратуру для осаждения диэлектриче-
ских пленок из газовой фазы при помощи химических
236
реакций. Обычно для получения диэлектрических пленок
используются реакции трех типов: пиролиз, гидролиз и
окисление. Типичными примерами являются реакции
пиролиза элементоорганических соединений (ЭОС), гид-
ролиз SiCh и окисление моносилана:
Si (ОС2Н6) 4—>SiO2+4С2Н4 + Н2О + (R);	(12-3)
Si С14+2Н2О—>SiO2+ 4НС11;
(12-4)
SiH4 + O2—►'SiO2+2HaOf,
(12-5)
где R — органический радикал.
Принципиальная схема простейшей установки для
пиролиза ЭОС в потоке инертного газа показана на
рис. 12-8.
В этой установке очищенный инертный газ барботи-
руется через жидкое элементоорганическое соединение,
например (CiHgOJiSi, и насыщается этим веществом.
Иногда в газовый поток добавляют легирующие добав-
ки, улучшающие свойства пленки или процесса осажде-
ния (например, кислород). Образовавшаяся парогазо-
вая смесь поступает в реакционную камеру, где разме-
щены подложки.
Для получения более равномерного покрытия под-
ложкодержатель с подложками может устанавливаться
перпендикулярно или под углом к потоку и вращаться.
Подложки нагреваются до температуры разложения
ЭОС 600—800°С. -
На рис. 12-9 показаны схема промышленной установки
для окисления силана (SiH4), используемой для полу-
чения SiO2 в технологии ИМС. Реакция (12-5) проте-
кает в такой установке за счет нагрева подложек до
температуры 150—400°С, для нагрева используют ин-
фракрасные лампы (ИК нагрев). Газовый блок уста-
новки имеет четыре линии для подачи дозированных
количеств различных газовых смесей. Одновременно
в такой установке осаждение ведется на 16 подложек
диаметром 40 мм. Скорость осаждения составляет 10~8—
10~7 м/мин. Неравномерность пленки по толщине 5Со-
существуют и другие аппараты для осаждения
слоев, однако принципиально они мало отличаются от
описанных.
237
Глава тринадцатая
ТЕХНОЛОГИЯ ТОНКОПЛЕНОЧНЫХ РЕЗИСТОРОВ
13-1. Конструкция и материалы тонкопленочных
резисторов
Тонкопленочные резисторы изготавливаются тремя
основными методами: термовакуумным испарением, ка-
тодным или плазменным распылением и осаждением из
газовой фазы. Обычно для резисторов используются
металлы, сплавы и керметы1. Например, пленки хрома,
. рения, титана, молибдена и нихрома. В качестве керме-
тов служат пленки из смесей SiO + NiCr; SiO + Cr
и т. п.
Изготовление тонкопленочных резисторов — сложный
процесс. Свойства резисторов зависят от используемых
материалов и методов получения. Конфигурация рези-
стивных пленок определяется конструкцией интеграль-
ной схемы.
Электрические свойства пленок изменяются в широ-
ком диапазоне для различных материалов. У большин-
ства пленок наблюдаются три различные области изме-
нения удельного сопротивления пленки как функции ее
толщины: первая область — толщина около 0,1 мкм и
выше, удельное сопротивление соответствует сопротив-
лению массивного образца; вторая область — около
10~2 мкм, удельное сопротивление больше массивного
образца и ТКС приближается к нулю; третья область —
около 10-3 мкм, характеризуется очень высоким удель-
ным сопротивлением и отрицательным ТКС. Зависимо-
сти сопротивления тонких пленок от толщины показаны
на рис. 13-1.
Для приближенного вычисления удельного сопротив-
ления тонкой пленки можно воспользоваться соотноше-
нием
Рпл—Рм.о (1 + с/б),	(13-1)
где рпл, рм.о — удельное сопротивление пленки и массив-
ного образца соответственно; б — толщина пленки; с —
экспериментальная константа.
• Керметами называются смеси диэлектрика с металлом, об-
ладающие высоким сопротивлением.
238
Сопротивление однородной пленки (рис. 13-2) рас-
считывается по формуле
р    Рпл1 = ?пл*
*---S' 8w
(13-2)
для квадрата l=w; удельное сопротивление равно
рпл/fi и определяется как поверхностное сопротивление
Рис. 13-1. Зависимость электросопротивления р и состава пленки У
от толщины.
1 — сопротивление массивного образца: 2 — электросопротивление; 8 — концен-
трация никеля в пленке.
Rs, Ом/квадрат. Поскольку R3 не зависит от величины
квадрата, сопротивление тонкопленочного резистора
при данном значении определяется как отношение дли-
ны к ширине пленки:
R = Rs-^.	(13-3)
При выборе материала пленки для резистора необ-
ходимо знать: величину сопротивления; допуск на зна-
чения сопротивления; рабочее напряжение; рассеивае-
мую мощность и температу-
ру окружающей среды;
ТКС. Поверхностное сопро-
тивление материала необхо-
димо выбирать так, чтобы
из этого материала могли
быть получены все сопро-
тивления данной ИМС.
Рис. 13-2. Модель для расчета
удельного сопротивления.
239
Геометрическое построение резистора определяется
величиной сопротивления и величиной рассеиваемой
мощности. Типичные конфигурации резисторов показа-
ны на рис. 13-3.
Максимальное сопротивление (Ом), которое может
быть получено на пластине, определяется соотношением
R^= -г4
где w — ширина резистора; Sk — общая площадь пла-
стины с учетом краевого допуска; So — площадь пласти-
Рис. 13-3, Конструкция пленочных резисторов.
а —пленочный резистор «змейка»; б — вариант пленочного резистора с зако-
роченными изгибами; в — прямолинейный резистор. / — перекрытие резистора
контактной площадкой; 2 — прямоликейная часть резистора; 3 — контактная
площадка; 4 — пространство между резистивными полосками; В — резистив-
ная полоска; 6 — радиус кривизны.
ны, занятая другими компонентами. Множитель 1/2 учи-
тывает расстояние между резисторами. Действительное
сопротивление несколько меньше за счет контактных
площадок и зазоров. В табл. 13-1 приведены данные
о некоторых материалах, используемых обычно в каче-
стве пленочных резисторов.
Исследовалось большое количество материалов
с целью возможного использования их в качестве пле-
ночных резисторов. В большинстве случаев выбор соот-
ветствующего материала пленки зависит от организации
производства и имеющегося опыта. Однако ряд мате-
риалов оказался определенно предпочтительнее, напри-
240
Таблица 13*1
Удельное поверхностное сопротивление и ТКС
некоторых материалов, используемых в качестве
пленочных резисторов
Материал	Диапазон удельного поверхно- стного со- противления, Ом/квадрат	ТКС, 10-« ’С	Материал	Диапазон удельного поверхнот стного со- противления, Ом/квадрат	ТКС, 1о-« °C
Нихром	10—10*	+500	Углерод	10—10’	500
Керметы	200—10’	+250	Хром	10—500	+ 100
Рений	10—104	+ 100	Вольфрам	100—104	±110
Тантал	10—300	±250	Молибден	100—10’	±120
мер нихром, тантал, молибден и вольфрам, широко
применяются пленки из керметов. Применение керметов
позволяет значительно повысить поверхностное сопро-
тивление пленок без уменьшения толщины. Обычно ис-
пользуются пленки с сопротивлением 500—1000 Ом/квад-
рат. Пленки с более высоким сопротивлением часто
имеют малую толщину (около 0,01 мкм) и поэтому мо-
гут разрушаться при подсоединении выводов.
Величина сопротивления пленки может меняться под
воздействием многих факторов. Поэтому в производстве
она должна непрерывно контролироваться. Напыление
прекращается, когда сопротивление контрольного рези-
стора достигнет заданной величины.
13-2. Технология металлических резисторов
При создании пленочных резисторов используются
два способа создания заданной геометрии (рисунка)
резисторов: осаждение резистивной пленки через тра-
фарет (маску), обеспечивающий заданную конфигура-
цию резистора, либо фотолитографическое создание ри-
сунка.
Рассмотрим изготовление резисторов из различных
материалов: чистого металла, сплава и кермета. В ка-
честве представителей этих групп материалов выберем
соответственно:
1)	хром, молибден, вольфрам и рений;
2)	нихром;
3)	моноокись-кремния — хром.
16—844	241
Для напыления чистых металлов исходный материал
помещают в источник, который или нагревается до за-
данной температуры электрическим током, электронным
лучом или бомбардируется ионами заданной энергии.
Температура подложки обычно поддерживается от 100
до 400°С. При удельном сопротивлении резистора 100—
1000 Ом/квадрат толщина пленки около 0,02 мкм. Для
обеспечения стабильности характеристик пленки она
проходит термообработку по определенному режиму.
Рис. 13-4. Зависимость ТКС пленок Mo, Re и W от удельного поверх-
ностного сопротивления.
/ — Мо; 2 — W; 3 — Re.
Резисторы из чистых металлов имеют ряд неоспори-
мых преимуществ — они постоянны по составу и поэтому
легче обеспечивается однородность их структуры. Это
приводит к повышенной стабильности их электрических
параметров. Тугоплавкие металлы: рений, вольфрам и
молибден — образуют сравнительно стабльные пленки.
Их испарение чаще всего производится электронной бом-
бардировкой в вакууме 10~4 Па. Температура подложки
поддерживается 350—450°С. Поверхностное удельное
сопротивление этих пленок составляет от одного до не-
скольких килоом на квадрат. Отжиг пленок обычно про-
водится при температурах 500—600°С. Пассивирующим
242
слоем может служить напыленный слой моноокисей
кремния или германия. На рис. 13-4 и 13-5 приведены
некоторые характеристики тонкопленочных резисторов
из вольфрама, молибдена и рения.
Нихром является одним из наиболее распространен-
ных сплавов для изготовления пленочных резисторов.
Выпускаемые промышленностью нихромовые сплавы
обычно имеют составы: 80% Ni и 20% Сг или 75% Ni;
20%Сг, 2,5% А1 и 2,5% Си. Ясно, что при испарении
Рис. 13-5. Зависи-
мость ТКС пленок
Мо, Re и W от
температуры.
1 — Мо: 2 — W; 3 —
Re: 4—0-1 кОм/квад-
рат: S — Ом/квадрат.
пленка будет иметь другой состав, изменяющийся в со-
ответствии с закономерностями испарения и конденса-
ции. Это изменение состава осаждаемой пленки может
заметно изменять ее электрофизические свойства.
Некоторые исследователи для расчета состава кон-
денсата полагали возможным использовать уравнение
Рауля. Мы не рекомендуем пользоваться этими уравне-
ниями. Более точными (и строгими) являются методы,
изложенные в гл. 3. Экспериментальные данные об изме-
нении удельного сопротивления пленок и состава от тол-
щины представлены на рис. 13-1. Разброс эксперимен-
тальных данных, опубликованных различными исследо-
вателями (эта область заштрихована на рис. 13-1),
показывает, что удельное сопротивление чрезвычайно
чувствительно к условиям осаждения. Поскольку плот-
ность пленок изменяется в широких пределах (от
3,5 г/см3 при 0,0200 мкм до 8 г/см3 при 0,8 мкм при
плотности массивного нихрома 8,2 г/см3), следует ожи-
дать высокой пористости их, особенно для тонких слоев.
16*	243
Температурный коэффициент сопротивления нихро-
мовых пленок изменяется в зависимости от толщины их.
Однако, как видно из рис. 13-6, имеется довольно широ-
кая область значений ТКС, близких к нулю, что весьма
важно для их применения.
Нихромовые пленки имеют высокое удельное сопро-
тивление, небольшой ТКС и химически стабильны.
Пленки толщиной
0,01—0,1 мкм имеют
удельное сопротивление
от 100 до 800 Ом/квадрат,
ТКС ±50- 10“6. Их изго-
тавливают конденсацией
в вакууме на ситалловой
подложке, которая пред-
варительно проходит тща-
тельную очистку. Темпе-
ратура подложки во вре-
мя напыления поддержи-
вается в пределах 200—
300°С. Температура испа-
рителя 1600—1800°С.
Толщина, мкм
Рис. 13-6. Зависимость ТКС от Скорость испарения под-
толщины пленки NiCr.	держивается в пределах
(0,1 —1)10-4 мк/с. С целью
сохранения постоянства состава осаждаемой пленки
целесообразно испарение вести из достаточно большого
источника. Отжиг производится в течение часа при тем-
пературе 300—350°С. Цель термообработки заключается
в снятии напряжений в пленке и предотвращении по-
следующей рекристаллизации в ней. Это способствует
стабилизации структурных и, следовательно, электро-
физических параметров пленок. Нихромовые пленочные
резисторы изменяют величину сопротивления под на-
грузкой при комнатной температуре за 1000 ч не более
1 %'. Кратковременная перегрузка (5 мин) такого рези-
стора изменяет сопротивление не более, чем на 0,25%.
Типичная технологическая схема изготовления пле-
ночного резистора методами напыления с последующей
фотолитографией представлена на рис. 13-7. Как видно
из рисунка, эта технология содержит большое число опе-
раций, однако она позволяет получать достаточно точ-
ные конфигурации, а следовательно, и номиналы рези-
сторов.
244
Подложка Изопропиловый спирт Трихлорэтилен
Подсоединение Внешних ВыВодоВ
Рис. 13-7. Технологическая схема изготовления тонкопленочных ре-
зисторов.
Контактные площадки
245
13-3. Технология керметных тонкопленочных резисторов
Впервые керметные пленки (микрокомпозиционные)
были получены Б. А. Бочкаревым и В. А. Бочкаревой
в 1955 г. и с тех пор интенсивно исследуются.
Керметы используются для изготовления тонкопле-
ночных резисторов с целью расширения диапазона со-
противлений по сравнению с получаемыми из металлов
и сплавов. Из табл. 13-2 видно, что керметы обладают
высокими значениями поверхностного сопротивления.
Таблица 13-2
Удельное поверхностное сопротивление некоторых
тугоплавких соединений и керметов
Вещество	Толщина, мкм	Поверхностное сопротивление. Ом/квадрат
Карбид титана	0,0550	15
Карбид тантала	0,3500	40
Борид циркония	0,0130	1800
Силицид тантал	0,0750	1200
Карбид хрома	0,2000	1000
Силицид хрома	0,0660	80
Нитрид циркония	0,0500	4000
Силицид титана	0,3300	5-10’
Нитрид хрома	0,2000	280
Соединение титана	0,1000	300
Карбид бора	0,1040	800
Борид хрома	0,2500	120
50% NiCr — 50% SiO	0,1000	600
70% Cr30% SiO	0,1000	300
50% CraSi — 50% TaSi2	0,0200—0,0300	1400
75% Ta$i2 —25% CrSi	0,0300	2000
50% TiSi — 50% Cr3Si	0,0700; 0,0300	200; 300
95% TaSi — 5% SiO	0,1000	2000
50% Cr.Si—49% TaSij—1% SiO	0,0200	5000
Существенным преимуществом использования кер-
метных пленок для производства тонкопленочных рези-
сторов является возможность варьирования их удель-
ным сопротивлением в весьма широких пределах. На
рис. 13-8 приведены примеры изменения электросопро-
тивления в зависимости от концентрации металла в кер-
метах.
Керметные пленки успешно можно напылять мето-
дами мгновенного испарения. Перед испарением мате-
риалы, составляющие кермет, должны быть тщательно
246
Рис. 13-В. Зависимость удельно-
го сопротивления керметов от
концентрации металла в кер-
метах.
/ — S1O — Au; 1 — S!O — Сг; 3 —
SiO — NiCr.
перемешаны. Затем они
загружаются в вибробун-
кер, из которого с задан-
ной скоростью кермет вы-
сыпается на испаритель.
Для обеспечения одно-
родного состава пленки
испарение всех составля-
ющих кермета должно
происходить мгновенно,
для чего температура
испарителя поддерживается на высоком уровне (2000°С
и выше). Ниже приведены типичные режимы испарения
кермета SiO—Сг. Процесс напыления обычно заканчи-
вается при достижении заданного значения поверхност-
ного сопротивления. Более точное приближение к задан-
ному сопротивлению осуществляется в процессе термо-
обработки и подгонки. Взаимосвязь режимов процессов
и получаемых параметров пленки устанавливается экс-
периментальным путем, так как теоретически устано-
вить ее очень трудно.
Данные о мгновенном испарении
керметных пленок SiO — Сг
Температура нити, *С . . ............... 1700—2200
Давление пара SiO, Па...................3-102—2-10*
Давление пара Сг, Па...................	1—1,33
Давление в камере, Па...................... 1-Ю-*
Скорость осаждения, м/с .................1ч-3)	10 —10
Температура подложки, *С................ 150—300
Температура отжига, *С.................. 350—500
В последние годы все чаще для напыления кермет-
ных пленок начинают использовать методы катодного
и высокочастотного плазменного распыления (ВПР).
В пленках, нанесенных методом ВПР, структурные из-
менения проявляются меньше, чем в пленках, получен-
ных другими методами, например испарением электрон-
ным лучом или пиролизом элементоорганических со-
единений. .Из всех факторов, влияющих на структуру
247
керметных пленок, наиболее существенным является тем-
пература подложки. Следует отметить, что, несмотря на
большие возможности, которые обещает применение кер-
метов в технологии тонкопленочных резисторов, они еще
недостаточно широко реализованы из-за малой изучен-
ности материалов керметов и процессов получения из
них стабильных резистивных пленок.
13-4. Влияние технологических факторов на свойства
тонкопленочных резисторов
Для того чтобы обеспечить заданные номиналы тон-
копленочных резисторов при минимуме производствен-
ных затрат, необходимо знать влияние технологических
факторов на свойства резистивных пленок. Эти взаимо-
связи устанавливаются экспериментальным путем при
разработке той или иной технологии производства рези-
сторов. Можно назвать более 10 факторов, которые так
или иначе могут влиять на конечное значение парамет-
ров резисторов. Из этих факторов доминирующими
являются: скорость испарения; состав пленки, темпе-
ратура подложки, материал подложки и характер его
обработки, толщина пленки, давление остаточных газов
в вакуумной камере, условия термообработки, расстоя-
ние между подложкой и испарителем и др.
В качестве примера исследования влияния техноло-
гических факторов на процессы осаждения пленок при-
ведем методику и результаты исследования для случая
получения тонкопленочных резисторов из вольфрама,,
молибдена и рения.
В качестве параметра оптимизации выберем две ос-
новные характеристики резистивных элементов — темпе-
ратурный коэффициент сопротивления и стабильность
сопротивления AR/R. Перечень и обозначения влияющих
на ТКС технологических факторов приведены ниже.
Технологические факторы, влияющие на процесс
получения тонкопленочных резисторов
Наименование факторов	Единица измерения	Степень влияния
Давление в камере	Па	Слабое
Температура испарения	•с	Среднее
Температура подложки	°C	Сильное
Расстояние от испарителя до под- ложки	мм	Среднее
Температура термообработки плен- ки	°C	Среднее
248
Давление в камере при термообра-	Па	Среднее
ботке Продолжительность термообработки	мин	Слабое
Температура подложки при напус-	°C	Слабое
ке воздуха Длительность хранения очищенной	мин	Слабое
подложки перед установкой в камеру Длительность прогрева испаряемо-	МИИ	Слабое
го материала Длительность прогрева подложки	мин	Слабое
Температура прогрева подложки	•с	Слабое
Длительность хранения подложки	мин	Слабое
с резистором без защиты ди-
электриком
В результате проведения отсеивающих эксперимен-
тов были установлены доминирующие факторы. Диа-
грамма рассеивания результатов по уровням фак-
торов для пленок рения представлена на рис. 13-9. Здесь
для простоты не учтены парные взаимодействия факто-
ров. Жирными вертикальными линиями показана сте-
пень влияния данного фактора на выбранный критерий
(ТКС или ДВД. Цифры на абсциссе указывают номер
фактора в соответствии с приведенным перечнем их.
Знаки « + » и «—» указывают на уровень варьирования
фактора (увеличение или уменьшение значения факто-
ра). Из приведенных экспериментальных данных видно,
что наиболее существенное влияние на коэффициент не-
стабильности Д/?//? рениевых пленок оказывают темпе-
Рис. 13-9. Диаграмма рассеяния значений Д/?//? для различных тех-
нологических факторов.
249
ратуры испарения, подложки и термообработки. По дан-
ным рис. 13-9 можно провести оранжировку технологи-
ческих факторов по степени влияния. Такой подход
к оценке влияния технологических факторов на процесс
осаждения пленок дает возможность быстро оценить
наиболее важные из них и в случае необходимости изу-
чить их более тщательно.
13-5. Пример анализа точности изготовления
тонкопленочных резисторов
Одним из основных вопросов в решении проблемы
точности и стабильности качества производства тонко-
пленочных элементов ИМС является изучение законов
распределения производственных погрешностей их пара-
метров. Рассмотрим конкретный пример исследования
их в производстве тонкопленочных резисторов.
При изучении производственных погрешностей изготовления
ИМС наиболее часто используется теоретическая схема суммы
большого числа случайных и, в общем случае, неслучайных слагае-
мых. Теоретические схемы суммы различаются по структуре и
свойствам слагаемых.
Простейшей ,и наиболее распространенной является сумма вида
п
Х =	(13-5)
1=1
где X — сумма случайных слагаемых.
Если слагаемые суммы подчиняются условиям Ляпунова —
Линдберга, то распределение значений X случайной величины х
точно соответствует закону Гаусса.
Однако при изучении технологических процессов приходится
сталкиваться с распределениями производственных погрешностей
параметров резисторов, заметно отличающихся от распределения
по закону Гаусса. Очевидно, что в этих случаях наблюдаются изме-
нения в структуре схемы суммы и свойств ее составляющих.
Одной из разновидностей структуры суммы, характеризующей
анормальное распределение погрешностей, является Сумма, в соста-
ве которой помимо подчиненных условиям Ляпунова — Линдберга
независимых случайных составляющих У1 имеются неслучайные
слагаемые С(, число или значения которых меняются в зависимости
от какого-либо аргумента t (времени, температуры, расстояния
и пр.).
Выражение такой суммы X может быть представлено в виде
п
^=2 V+Cz-
i=i
250
где Ct =2(7^ — значение суммы неслучайных слагаемых С ls,
s
ветствующих определенному значению аргумента t.
Согласно теории точности и качества производства определен-
ному закону, изменения значения суммы С в зависимости от аргу-
мента соответствует вполне определенный предельный теоретиче-
ский закон полйого распределения значений X случайной величи-
ны х:	. -
tK	_ {«—1<Н-а(0]}2
COOT-
где а0 и а0 — среднее и среднеквадратичное отклонения в распре-
делении Гаусса для суммы случайных слагаемых; t0 и tK — начало
и конец интервала действия аргумента t; a(t)—функция, харак-
теризующая изменение значения, суммы в зависимости от аргу-
мента t.
Очевидно, что для конкретного значения аргумента t (или до-
статочно малого отрезка его изменения Ы) предельным теоретиче-
ским законом распределения значений х случайной величины X
будет закон Гаусса
[х-(ао+С<))’
1	212
ф(х) = -—-/	О .	(13.8)
V 2л а0
В отличие от Ф2(х) распределение Ф(х) будем называть
мгновенным распределением значений х случайной величины X.
В процессе исследования технологических процессов напыле-
ния тонкопленочных резисторов было замечено, что при определен-
ных условиях характер распределения отклонений величины сопро-
тивления резисторов от номинального по поверхности подложки
(градиентная погрешность) ’заметно отличается от закона Гаусса.
Вероятно, что в подобных случаях распределение погрешностей
сопротивления тонкопленочных резисторов соответствует схеме сум-
мы (13-5) и случайными слагаемыми Y служат частные погрешно-
сти, определяющие градиентную погрешность сопротивления R
(разброс удельного сопротивления конденсата, разброс геометрии
тонкопленочных резисторов, случайная неоднородность толщины ре-
зисторов, погрешность измерительных средств и т. д.). Неслучай-
ные слагаемые — систематическое изменение толщины резистивного
слоя от центра подложки к ее периферии.
На -рис. 13-10 изображена схема расположения подложки и ис-
парителя при термовакуумном напылении пленок. Если подложка
параллельна поверхности испарения, то для поверхностного источ-
ника, размеры которого малы по сравнению с размерами подложки,
изменение толщины пленки 5 в зависимости ОТ расстояния h При
данном d может быть выражено как
md*
3=яТ(4»-|-й»)’
(13-9)
251
где т — масса испаряемого вещества; у — плотность испаряемого
вещества; h — расстояние от центра подложки до ее периферии;
d—расстояние от подложки до испарителя.
Поскольку сопротивление тонкопленочного резистора
Л =	(13-10)
то, подставляя выражение (13-9) в равенство (13-10), можно полу-
чить закон изменения сопротивления резистивной пленки на под-
ложке в зависимости от расстояния h:
о Jd2+ft2)2	т.п
/?=Л-----------•	(13-11)
где A=nypl/mw, I и w — длина и ширина резистора; р — удельное
сопротивление резистивной пленки, которое при толщине пленки
больше критической может быть принято практически постоянным.
Из равенств (13-9) и (13-11)
Рис. 13-10. Схема осаждения
пленки при испарении.
/ — испаритель; 2 — подложка; 3 —
линии равной толщины пленки; d —
расстояние от испарителя до под-
ложки.
видно, что с увеличением расстоя-
ния h от центра подложки до ее
периферии сопротивление тонко-
пленочного резистора растет по
параболическому закону.
Скорость роста определяется
типом источника испарения и рас-
стоянием d от подложки до испа-
рителя. Очевидно, что наиболее
простым способом снижения нерав-
номерности распределения пленки
по толщине является увеличение
расстояния d. Однако при этом
уменьшается скорость конденса-
ции пленки, что отрицательно ска-
зывается на ее свойствах. Макси-
мально возможное расстояние d
ограничено размерами рабочей ка-
меры напылительной установки.
На практике существуют другие,,
более сложные методы уменьше-
ния неравномерности пленки по
толщине, рассмотрение которых
выходит за рамки нашего курса.
Используя основные положе-
ния теории точности производства
и приведенные выше соотношения между сопротивлением резистив-
ной пленки и расстоянием h от центра подложки до ее периферии,
можно установить закон распределения градиентной погрешности
сопротивления тонкопленочных резисторов.
Предположим, что тонкопленочные резисторы напылили на всю
подложку. На сопротивление резисторов помимо случайных частных
погрешностей оказывает влияние и составляющая Ch, значение
которой изменяется в зависимости от расстояния h (см. рис. 13-10)
по формуле (13-11).
252
Очевидно, что распределения величин сопротивлений резисто-
ров, расположенных на линиях равной толщины (пунктирные
окружности на рис. 13-10), являются мгновенными и аналитическое
выражение их может быть представлено законом Гаусса (13-8)
с постоянными о=-ао и средними значениями аь=а0-'гС)1, где Сь —
приращение к постоянному среднему а0 при данном h в соответст-
вии с законом изменения (13-8), ао — среднее значение распреде-
ления при й = 0.
Предположим, что параболическое изменение происходит
скачкообразно (рис. 13-11), т. е. сопротивление от одной окружно-
сти к другой (линии равной тол-
щины) увеличивается дискретно
через определенные промежутки
ДА. Тогда при условии СЛ =
Рис. 13-12. Полный закон рас-
пределения сопротивления рези-
стивной пленки.
	 полный закон распреде-
ления:	-мгновенные
законы распределения.
Рис. 13-11. Скачкообразное из-
менение сопротивления рези-
стивной пленки от центра под-
ложки й0 к периферии.
= Сйа = СЛп величина ЛЛ; согласно равенству (ГЗ-11) будет умень-
шаться также по параболическому закону.
Для интервала Mt теоретическим законом распределения зна-
чений сопротивления резисторов будет закон Гаусса с параметрами
а=ао и at = a+Ch , для интервала Мг— закон Гаусса с пара-
метрами п = Оо и а2 = ао+ и т. д.
Эти распределения для каждого из промежутков Дй1 являются
законами мгновенного распределения значений сопротивления тон-
копленочных резисторов.
На рис. 13-12 представлен график полного закона распределе-
ния сопротивления резисторов по всей подложке при условии
неслучайного изменения по скачкообразному закону (см. рис. 13-11).
Полное распределение (сплошная кривая на рис. 13-12) находится
по правилу сложения нескольких совокупностей с одинаковыми
распределениями (мгновенные распределения — пунктирные кривые
на рис. 13-12). При суммировании необходимо помнить, что значе-
ния ординат мгновенных распределений зависят от объема сово-
купности резисторов, т. е. пропорциональны значениям отдельных
интервалов.
253
Очевидно, что сумма значений ординат мгновенных распреде-
лений может быть записана как
Г(х-(а<гН?й,)1*
*' •- “з12>
а
При ДЛ=0, заменив суммирование интегрированием, выраже-
ние суммы (13-12) преобразуют в выражение (13-7) для полного
распределения отклонений сопротивления резистора. При этом сту-
пенчатое изменение заменяется непрерывным монотонным измене-
нием (пунктирная кривая на рис. 13-11). Общий характер кривой
распределения остается таким же, как и на рис. 13-42.
Таким образом, при наличии неслучайного слагаемого в обшей
сумме частных погрешностей сопротивления тонкопленочного резис-
тора, меняющегося по подложке от центра к ее периферии, полное
распределение градиентной погрешности сопротивления отличается
от закона Гаусса, причем характер распределения должен получать-
ся асимметричным, как это показано на рис. 13-12.
Сделанный вывод можно подтвердить и более строго с по-
мощью выражения (13-7). На рис. 13-13 изображено семейство
теоретических кривых распределения при ускоренно возрастающем
параболическом изменении функции a(t), рассчитанных по формуле
(13-7) для различных соотношений между случайными и неслучай-
ными слагаемыми суммы вида (13-6). Здесь
где 1а — половина диапазона изменения функции а(/); сто — пара-
метр закона Гаусса для суммы случайных слагаемых. Пунктирам,
Рис. 13-13. Семейство теоретических кривых распределения при раз-
личных la=/a/<Jo-	-
[/а — половина диапазона изменения функции п(<); Оо — параметр закона
Гаусса для суммы случайных слагаемых].
254
показана предельная кривая для данного семейства (Ла—*оо), т. е.
полное распределение случайной величины X при доминирующем
влиянии неслучайных и пренебрежимо малом влиянии случайных
слагаемых. Штрихпунктиром изображена другая предельная кри-
вая (Ла—»-0), когда практически отсутствуют неслучайные слагае-
мые, т. е. кривая Гаусса с параметрами о0, аа. Сплошными линиями
изображены промежуточные кривые полного распределения. Из
рассмотрения семейства кривых на рис. 13-13 видно, что с уве-
личением Ла полное распределение отклоняется от закона Гаусса
и при расширении диапазона изменения a(t) кривая становится
более асимметричной.
Теоретические выводы хорошо согласуются с результатами
экспериментальных исследований.
На рис. 13-14,о изображены гистограмма распределения вели-
чины сопротивления резисторов и соответствующее ей эмпирическое
Рис. 13-14. Гистограмма распределения величины сопротивления и
соответствующее ей эмпирическое изменение среднего значения сопро-
тивления от центра подложки к периферии.
255
изменение среднего значения сопротивления от центра подложки
к периферии при напылении на установке УВР-4, расстоянии между
испарителем и подложкой d=12 см. По оси ординат отложено
отношение числа резисторов т, соответствующее данному интерва-
лу на оси абсцисс, к общему числу резисторов п.
Параболический закон изменения среднего значения сопротив-
ления от центра подложки к ее периферии при небольшом расстоя-
нии между поверхностями испарения и конденсации (доминирую-
щее влияние неслучайного слагаемого) обусловливает асимметрич-
ность полного распределения сопротивления резисторов.
На рис. 13-14,6 приведены гистограммы распределения и за-
висимость среднего значения сопротивления резисторов от расстоя-
ния h при напылении на установке УВН-71-ПЗ (расстояние между
испарителем и подложкой d=28 мм).
Независимость среднего значения сопротивления резисторов от
расстояния h обеспечивается такими технологическими приемами,
как вращением карусели подложек и применением диафрагмы
специальной формы, через которую происходит напыление. В этом
-случае при отсутствии влияния неслучайного слагаемого распреде-
ление погрешности сопротивления резисторов подчиняется нормально-
му закону.
Глава четырнадцатая
ТЕХНОЛОГИЯ ТОНКОПЛЕНОЧНЫХ КОНДЕНСАТОРОВ
14-1. Тонкопленочные конденсаторы и их конструкции
Тонкопленочный конденсатор представляет собой
многослойную структуру, состоящую из пленок металла
и диэлектрика (рис. 14-1). Емкость конденсатора опре-
деляется диэлектрической постоянной е, площадью элек-
тродов S и толщиной диэлектрика d, а удельная ем-
кость, отнесенная к 1 см2, будет, мкФ/см2,
г	0,0885- 10-*е	л . ,,
Суд —	g	V1 11
Желательно иметь
удельной емкости, для
как можно большее значение
чего необходимо выбирать мате-
Рис. 14-1. Схема тонкопленоч-
ного конденсатора.
1 — подложка; 2 — металлическая
пленка нижней обкладки конден-
сатора; Я — диэлектрический слой;
4 — металлическая пленка верхней
обкладки конденсатора.
риал диэлектрика с большим е и уменьшать толщину
диэлектрических пленок. Однако оба эти параметра
нельзя изменять в широких пределах. Значение е для
256
большинства используемцх диэлектриков лежит в пре-
делах 3—1000, а толщина диэлектрических пленок не
менее 0,3 мкм. Толщина диэлектрического слоя опреде-
ляется допустимой электрической прочностью £Пр- Для
разумных значений удельной емкости величина Епр
лежит в пределах от 105 до 107 В/см, т. е. близка к мак-
симальным значениям, свойственным неорганическим
диэлектрикам.
Тангенс угла потерь tg б для конденсаторной струк-
туры складывается из потерь в диэлектрике tg б1 и со-
ставляющей, связанной с сопротивлением электродов:
tg6=tgAi + wGfls,	(14-2)
где со— угловая частота; Cs — измеренная последова-
тельная емкость и Ra — последовательное сопротивление.
Для большинства мелкокристаллических и аморф-
ных диэлектрических пленок tg6 зависит от частоты.
Конструирование тонкопленочных конденсаторов про-
ще, чем резисторов, так как слои металлов и диэлектри-
ка в процессе получения самопроизвольно образуют
структуру с параллельными обкладками.
Если в технологии тонкопленочных резисторов про-
блема выбора материала оттесняется на второй план
по сравнению с поддержанием точности геометрических
параметров, то в технологии тонкопленочных конденса-
торов важнейшее значение приобретает получение за-
данных физических свойств диэлектрических слоев и
стабильности их качества. В ряде случаев на свойства
конденсаторов могут влиять металлические электроды
и подложка. Поэтому необходимо все эти вопросы рас-
сматривать комплексно.
Выбор той или иной конструкции конденсатора за-
висит от требований схемы.
На рис. 14-2,а представлена схема конструкции с пе-
ресекающимися электродами. Площадь конденсатора
определяется перекрытием нижнего и верхнего электро-
дов. Следовательно, точность площади зависит от точ-
ности размеров каждого электрода и их взаимного рас-
положения. Конструкция, показанная на рис. 14-2,6,
позволяет избежать погрешностей, связанных с совме-
щением фотошаблонов (или масок), так как при парал-
лельном сдвиге любого электрода площадь конденсато-
ра не изменяется,
17-844	257
На рис. 14-2,6 показана схема конструкции конден-
сатора с минимальным сопротивлением. Распростране-
ние нижнего электрода за три стороны конденсатора
позволяет снизить сопротивление выводов и эффектив-
ное сопротивление электрода.
Вопросы получения точных размеров тонких пленок
рассматривались нами выше на примере тонкопленоч-
ных резисторов. Эти закономерности можно перенести
и на производство конденсаторных структур.
Рис. 14-2. Схемы конфигураций верхних и нижних электродов в тон-
копленочных конденсаторах.
а — пересекающиеся электроды; б — расположение электродов, обеспечиваю-
щее минимальное сопротивление.
Наиболее важными свойствами диэлектрических пле-
нок являются: диэлектрическая постоянная, электриче-
ская прочность, диэлектрические потери, температурный
коэффициент емкости (ТКЕ), нелинейность емкости, со-
противление изоляции, гладкость поверхности и стабиль-
ность всех этих величин.
Все перечисленные параметры являются функцией
состава и структуры диэлектрического слоя и, следова-
тельно, определяются используемыми материалами и
технологическими условиями нанесения пленок.
14-2. Материалы для тонкопленочных конденсаторов
Выбор материала диэлектрика зависит от требуемых
эксплуатационных характеристик конденсаторов и в зна-
чительной мере определяет технологию их производства.
Например, если в ИМС требуется конденсатор с большой
и предельно стабильной емкостью, то можно выбрать
пятиокись тантала с двухслойными электродами (плен-
ка золота или алюминия поверх тантала) или можно
использовать двух- или многослойную структуру диэдек-
258
дрика из Та2С)5 и МпО, которая является более надеж-
ной, чем однослойные структуры, из-за «залечивания»
пор при нанесении второго слоя диэлектрика. Для соз-
дания малых емкостей используются двухслойные струк-
туры из пятиокиси тантала и двуокиси кремния.
В табл. 14-1 приведены данные о некоторых диэлектри-
ках, наиболее часто применяемых в технологии ИМС.
Как видно из табл. 14-1, наиболее распространенным
Т а б ли ца 14-1
Свойства некоторых диэлектриков, используемых
в тонкопленочных конденсаторах
Диэлек- трик	Метод нанесения пленок	Диэлектри- ческая постоянная	tg Ь на частоте 1 кГц
S1O	Термовакуумное испарение	6—7	0,01
sio2	Электронно-лучевое испаре- ние; реактивное распыление; ионно-плазменное распыление; химическое осаждение из газо- вой и жидкой фаз	4,8—6,8	0,0005—0,02
Ta2Os	То же	20—25	0,01—0,07
TiO,		20—300	0,04
А12О,		7	0,002—0,01
HfO,		25	6,01—0,05
ZrO$		25	0,01—0,05
Nb2O6	я •	40	0,03—0,06
классом пленочных диэлектриков являются окислы типа
МеОх. Установлено, что для этих веществ е, ЕпР, ТКЕ
и tg б в конечном счете определяются шириной запре-
щенной зоны AEg и степенью окисления х. Электриче-
ская прочность и диэлектрические потери аппроксими-
руются выражениями:
Епр = х-10’ (для 1<х<2,5);	(14-3)
tgS^exp^--^-),	(14-4)
где п=12; 7'=300 К; k — постоянная Больцмана.
Для разумных значений AEg^2,5
tg б^10-2— 104.
На рис. 14-3 показаны зависимости е и Епр от вели-
чины запрещенной зоны диэлектрика. Диэлектрическая
проницаемость убывает с ростом Епр. На рис. 14-4 по-
17*	259
казана зависимость tg б от величины запрещенной зОнЫ
для некоторых материалов.
Из многообразия соединений, используемых для изготовления
тонкопленочных конденсаторов, наиболее перспективными, по-види-
мому, являются стеклообразные материалы. Преимущества этого
класса веществ состоят в широких возможностях подбора и управ-
ления основными механическими, тепловыми, электрическими и оп-
тическими свойствами этих пленок путем изменения состава стекла.
^пр.макс,! В/См
Рис. 14-3. Зависимость е и £пр от величины запрещенной зоны ди-
электрических окислов.
а — изменение е; б — изменение £
В первом приближении в стеклах выполняется правило аддитивно-
сти
/7=2хЛ,-,	(14-5)
где Xi — молярная доля компонента стекла; /7,— значение иссле-
дуемого параметра, например температурного коэффициента рас-
ширения, теплопроводности, диэлектрической проницаемости, удель-
ного сопротивления и др.
Из-за отсутствия у этих материалов температуры плавления
при электротренировках возникают минимальные механические на-
пряжения в окрестностях локальной области пробоя диэлектрика.
Иногда осажденные пленки окислов получаются пористыми, что
связано с избирательной зависимостью параметров осаждения от-
дельных окислов от состояния поверхности подложки. Такая изби-
260
ра+елЬная чувсФвйтелЬносФь к неоднородностям поверхности может
быть тем меньше, чем сложнее композиция диэлектрика.
К стеклообразователям относятся окислы SiOa, GeO2, В2Оз,
Р2О5, As2Os, SbjOs. На основе этих окислов при правильном под-
боре концентрации компонентов могут быть получены сложные
композиции стекол. Окислы А12Оз, У20з, Ga2Os, BizOs, М0О3, ТеО2,
SeO2 и ряд других образуют стекла в композициях друг с другом
или с другими окислами. Способность веществ к стеклообразова-
нию зависит не только от химического состава, но и от скорости
Рис. 14-4. Зависимость tg б от запрещенной зоны для некоторых окис-
лов и сульфидов.
охлаждения. При очень малых скоростях охлаждения материалы
не будут образовывать стекла. Способность окислов к стеклообразо-
ванию связана с природой, энергией и направленностью межатом-
ных связен, геометрическими размерами атомов и молекул.
Выбор материала диэлектрика во многом определяет
организацию технологического процесса производства
тонкопленочных конденсаторов. Поэтому целесообразно
эти технологические процессы рассматривать примени-
тельно к каждому диэлектрику отдельно.
14-3. Технология тонкопленочных конденсаторов
Основные проблемы в технологии тонкопленочных
конденсаторов после выбора материала сводятся к опре-
делению наиболее рациональных способов создания кон-
денсаторной структуры. Для этого необходимо выбрать
261
Метод осаждения диэлектрика и обкладок. Рассмотрим
несколько технологических методов создания конденса-
торов на основе различных диэлектрических пленок.
Моноокись кремния — один из наиболее часто исполь-
зуемых диэлектриков в тонкопленочных конденсаторах.
Алюминий или медь используется в качестве материала
обкладок конденсатора или соединительных электродов.
При хорошем контроле вакуумного осаждения монооки-
си кремния могут быть созданы конденсаторы с до-
пуском на емкость в пределах 2%. Для получения тре-
буемой удельной емкости необходимы достаточно тон-
кие слои диэлектрика. Для моноокиси кремния с ди-
электрической постоянной 6,8 при толщине пленки
3,0 мкм получается удельная емкость приблизительно
18 пФ/мм2.
Слой алюминия для нижней обкладки толщиной от
0,5 до 1,0 мкм наносится на подложку обычными мето-
дами термовакуумного испарения. Моноокись кремния
испаряется в вакуумной камере, откачанной до 5-1О~8Па
или меньше. Лодочка с отражателем, нагреваемая воль-
фрамовой нитью, содержит моноокись кремния в грану-
лированном виде. Отражатель предохраняет попадание
микрочастиц от источника на подложку. Скорость напы-
ления поддерживается в диапазоне от 0,0070 до
0,009 мкм/с, температура подложки 300°С. Толщина
пленки может быть точно проконтролирована во время
осаждения с помощью фотометрических методов.
После нанесения моноокиси кремния напыляется
верхняя обкладка из алюминия толщиной около
0,1000 мкм. Для получения рисунка могут применяться
металлическая маска или фотолитография.
Диэлектрическая постоянная пленки SiO обычно ни-
же, чем диэлектрическая постоянная исходного материа-
ла. Это указывает на частичное окисление моноокиси
кремния до SiOa, которая имеет диэлектрическую по-
стоянную около 4. Для того чтобы снизить количество
SiO2 до минимума, концентрация кислорода и водяного
пара в вакуумной камере должна быть минимальной.
Скорость испарения моноокиси кремния также влияет
на степень окисления и таким образом на его диэлек-
трическую постоянную и тангенс угла диэлектрических
потерь.
Конденсаторы на основе SiO имеют ТКЕ около
100-10-6°С-1 в диапазоне от—60 до +150°С. Тангенс угла
262
потерь почти не чувствителен к температуре в этом диа-
пазоне.
Пятиоюись тантала. Конденсаторы на основе Та2О5 имеют до-
вольно хорошую диэлектрическую прочность на стабильность. Они
имеют произведение напряжения на емкость, равное 2,5 мкФ-В/см2,
измеренное при напряжении, равном одной четверти пробивного
напряжения. Значение удельной емкости до 4000 пФ/мм2 делает
эти конденсаторы весьма перспективными для интегральных схем.
Они создаются либо катодным распылением либо осаждением
тонкой пленки тантала электронно-лучевым испарением с после-
дующим его окислением на подложке.
Рис. 14-5. Технологическая схема процесса изготовления конденсато-
ров на основе пятиокиси тантала.
/ — напыление алюминия: 2— напыление тантала; 3 — первая фотолитография
для создания рисунка нижних обкладок конденсатора; 4 — анодирование тан-
таловой пленки; 5 — нанесение металла для верхней обкладки; 6 — вторая фо-
толитография для создания рисунка верхних электродов конденсатора; 7 —
удаление электродов, которые были необходимы для анодирования.
Оба метода при правильной очистке подложек и использовании
подогрева подложек позволяют получать однородные пленки вы-
сокой чистоты. Изготовление конденсатора завершается нанесением
второй проводящей пленки, которая служит в качестве верхнего
электрода. На рис. 14-5 приведена схема технологического процесса
создания конденсатора на основе пятиокиси тантала. Для того
чтобы снизить поверхностное сопротивление нижнего электрода и
тем самым снизить потери, слой алюминия может быть осажден
на подложку до осаждения танталовой пленки. Тантал, осажденный
до толщины приблизительно 0,3 мкм поверх алюминия, имеет хо-
рошую адгезию к подложке, тогда как более толстые пленки могут
отслаиваться во время анодирования. Требуемый рисунок нижней
обкладки получается фотолитографией, травление Та ведется
смесью, состоящей из 1 части плавиковой и 7 частей азотной кис-
лот. Для маскирования можно использовать фоторезист типа
ФП-330, который перед травлением должен быть термически обра-
ботан при 200°С в течение 10—15 мин.
Удаление слоев фоторезиста после вытравливания тантала осу-
ществляется смесью (1:1) концентрированных серной и азотной
кислот при температуре 70°С с последующей обработкой в 5%-ном
водном растворе едкого натра.
Анодирование пленок осуществляется в электролитической ван-
не при постоянной плотности тока до тех пор, пока не достигнуто
желаемое формирующее напряжение. Толщина анодированного слоя
пропорциональна приложенному напряжению. Электрический кон-
такт с танталовой пленкой во время анодирования может быть
обеспечен путем использования тонкого алюминиевого провода,
приваренного к пленке с помощью ультразвука,
263
Электролитическое окисление тантала проводится в электро-
лите, состоящем из 30 весовых частей щавелевой кислоты и 70 ве-
совых частей этиленгликоля. Выбор этого электролита обусловлен
тем, что, обладая высокой вязкостью, он позволяет проводить окис-
ление с малыми технологическими зонами контактирования, распо-
ложенными вне электролита. Фоторезист ФП-330, нанесенный на
контактные площадки для их защиты от окисления, остается стой-
ким при анодировании до 260 В. Окисление происходит в электро-
литической ванне при плотности тока 1—2 мА/см2 до достижения
напряжения формовки 120 В в течение 1 ч.
Электрический контакт с нижним электродом конденсатора
обеспечивается предохранением области пленки от окисления во
время анодирования или удаления окисла из области контакта пос-
ле того, как завершено анодирование. Окисел может быть удален
механическим путем, после чего осуществляется соединение с по-
мощью проводящей серебряной краски. Этот метод требует высо-
кого мастерства, чтобы не повредить других областей конденсатора.
Для верхней обкладки конденсатора на основе ТаЮа исполь-
зуют сплавы на основе золота, алюминия и меди. Толщина верх-
них обкладок составляет 0,5—0,6 мкм. Адгезия пленок этих спла-
вов к пленкам Та2О5 достаточно велика (усилие отрыва равно
1200—1300 г/мм2). При использовании алюминиевых оокладок нуж-
но иметь в виду, что А1 быстро диффундирует в пятиокись тантала
при нагревании.
Основными недостатками конденсаторов на основе пятиокиси
тантала являются неудовлетворительные частотные характеристики
при частотах выше 10 кГц, что объясняется резким увеличением
tg б вследствие высокого удельного сопротивления танталовых
пленок. Чтобы улучшить частотные характеристики этих конденса-
торов, необходимо использовать слой алюминия под нижним элек-
тродом, а верхний электрод делать из металла с меньшим удельным
сопротивлением.
Окись алюминия, двуокись кремния (А120а, SiO2) имеют ряд
достоинств для использования в тонкопленочных конденсаторах.
Их можно получить с малой концентрацией пор. Значения е, tg 6
и £пр вполне приемлемы для получения удовлетворительных вели-
чин удельной емкости. Тонкие слои этих окислов можно получать
электронно-лучевым испарением, реактивным и ионно-плазменным
распылением, а также методами пиролиза элементоорганических
соединений (ЭОС). Последний способ дает более качественные
пленки практически по всем параметрам. Если бы не сравнительно
высокая температура, необходимая для пиролиза ЭОС (500—
800°С), то этот метод был бы предпочтительнее всех остальных.
Обычно исходными соединениями для пиролитического осаждения
SiO2 и Al/k служат соединения типа Si(C2H5O)4 и А1(С2Н5О)3,
которые разлагаются при температурах 500—800°С по реакциям
Si(C2H5O)4 —* SiO2 + продукты реакции;
А1(С2Н5О)3 -* А12О3 + продукты реакции.
Окислы осаждаются на подложку, а побочные продукты реак-
ции уносятся газовым потоком. В качестве газа-носителя исполь-
зуются чистые инертные газы или их смеси с кислородом. При
температуре 400°С достигается скорость осаждения AljOj
264
(14-6)
0,015 мкм/мйн при ИсИоЛьзованйй в качестве газЗ-йосйтеЛя смесй
из аргона, паров воды и кислорода.
При получении пленок А1»О» электролитическим окислением
процесс анодирования производится так же, как для образования
пятиокиси тантала. Электролит представляет собой 3%-ный раствор
винной кислоты. Толщины окисла, получаемые при этом, не более
0,0015 мкм. Недостатком этого метода, как и в случае тантала,
является необходимость создавать контакт к анодируемой пленке.
Емкость тонкопленочных конденсаторов на основе двуокиси
кремния при толщине слоя диэлектрика 0,1 мкм обычно не выше
300—350 пФ/мм2, а на основе окиси алюминия — 800 пФ/мм2.
Чтобы совместить достоинства окислов алюминия и кремния,
иногда используют соединения из этих окислов — алюмосиликаты.
Стабильность пленок самая высокая для состава: 40% Д1±Оз и
60% ЗЮ2. При толщине диэлектрика около 0,15 мкм значение ем-
кости получается в пределах от 300 до 800 пФ/мм2 при tg б, равном
0,3%, и пробивном напряжении 40 В.
Таблица 14-2
Влияние технологических факторов на свойства
диэлектрических слоев SiOa и А12О2, получаемых пиролизом
Материал пленю в способ получения	Скорость трав- ления в HSPO4 при 55’С, мкм/мин	Показатель преломлешя	Диэлектриче- ская проница- емость	Структура плевки
Пиролитическая	А1аО3, осажденная в потоке газовой смеси 90уо N2 + 10°/о О2 при 420°С и скорости роста 0,0064 мкм/мин	0,016	1,610	—	Аморфная
То же при 100% N2	0,0180	1,600	7,7	-
То же при 100% О2	0,0210	1,594	7,7	
А12О, в атмосфере О2 при 600*С	0,0125	1,620	7,6	•
То же при 800*С	0,0085	1,640	7-7	Поли- кристалл
То же при 1000*С	Не травится	1700	7,5	То же
S1O,, низкотемпературное разложение в атмосфере О,	То же	1,454	4,9	• •
SiOj в высокочастотной плазме аргона при 200* С и ско- рости осаждения 0,4 мкм/мин	То же	1,497	4,6	 
Свойства диэлектрических слоев сильно зависят от
технологических факторов. В табл. 14-2 и 14-3 приведе-
ны примеры влияния способов пиролитического получе-
ния пленок SiO2 и А120з на их физические свойства.
Сопоставляя данные, приведенные в табл. 14-2 и 14-3,
можно заключить, что лучшим качеством обладают
265
Таблица 14-3
«Ьизическиё свойства пиролитических пленок S10a и А1аО„
полученных в атмосфере различных газов
Свойство пленки	Способ получения				
	'O'lV-'N	•o'iv—'О	1 0,-SfO»	•OIS-'N	Аг—S1O, 1
Диэлектрические потери, % . . Диэлектрические потери после	0,26	0,76	0,16	0,02	0,03
отжига при 420’С, % . . . Уход емкости от номинального значения на частоте 1 кГц,	0,22	0,25	0,09	0,02	0,02
%	 Температурное изменение ди- электрических потерь в ин-	0,5	1,2	—	0,1	0,1
тервале 0—85°С, ’/о . . . Температурное изменение емко-	0,35	0,5	1,2	—•	—
сти в интервале 0—85°С, «/о	1,2	3,8	4	1	2,5
Удельное сопротивление, Ом. см	7-1016	10,е	2-Ю1»	5-10”	7-10”
Напряжение пробоя, В-см-1 . . Коэффициент остаточной поля-	6- 10е	2- 10е	3-10’	8-10’	9.10е
ризации, % 		2	5	4,5	0,5	0,8
пленки AI2O3 и S1O2, полученные пиролизом в потоке
аргона.
Двуокись титана (TiOa) является перспективным ма-
териалом для диэлектрических слоев тонкопленочных
конденсаторов благодаря высокому значению е. Изго-
тавливались конденсаторы с удельной емкостью
1600 пФ/мм2, с потерями около 1% и пробивным напря-
жением 40 В.
Исходную титановую пленку можно осаждать катод-
ным распылением или электронно-лучевым испарением.
Окисление слоя титана до TiO2 осуществляется в кисло-
роде при температурах 700—950°С. Исследовались раз-
личные металлы для электродов.
Преимущества титановых конденсаторов, так же как
и танталовых, заключаются в том, что на основе этих
металлов можно изготавливать как тонкопленочные ре-
зисторы, так и конденсаторы с высокими электрически-
ми параметрами, не привлекая других материалов. А это
весьма важный фактор технологичности процесса про-
изводства ИМС.
266
14-4. Пример типового технологического процесса
получения RC интегральных микросхем
Рациональный выбор материалов для резистивных
и конденсаторных структур и методов их получения по-
зволяет снизить общее число этапов технологического
процесса и упростить проблемы совмещения различных
материалов. Существуют определенные правила, кото-
рые желательно соблюдать при разработке и проекти-
ровании технологического процесса. Они позволяют
уменьшить трудоемкость процесса производства ИМС.
Процесс, выбранный для осаждения нижних электро-
дов и получения их рисунка, должен не разрушать ре-
зистивной пленки.
Желательно, чтобы материал нижнего электрода мог
использоваться для межсоединений в ИМС и обеспечи-
вал надежный электрический контакт с тонкопленочны-
ми резисторами.
Процессы осаждения и создания рисунка диэлектри-
ческой пленки конденсатора не должны разрушать ре-
зистивных пленок.
Диэлектрическая пленка должна быть хорошим пас-
сивирующим слоем для резисторов.
Материал верхнего электрода конденсатора должен
быть приемлемым для создания внутренних соединений
в ИМС и контактных площадок.
Танталовые пленки, наносимые катодным распыле-
нием, во многом отвечают перечисленным выше требо-
ваниям.
За одну операцию осаждения тантала можно полу-
чить основные резистивные, емкостные элементы и
внутрисхемные соединения. Образование окисла тантала
Та^Оз является средством подгонки и стабилизации ре-
зисторов. Кроме того, Та2О5 служит в качестве хоро-
шего диэлектрика для конденсаторов.
Танталовые резистивные пленки можно распылять,
получая при этом поверхностное сопротивление 50—
600 Ом/квадрат. Сопротивление можно регулировать
в пределах ±3% окислением тантала при температуре
выше 350°С. Температурные коэффициенты обычно на-
ходятся в пределах от —250 до +50-l(h6/°C. Стабиль-
ность тантала как тугоплавкого материала позволяет
поддерживать рассеиваемую мощность на уровне
5 Вт/см2. Толщина пленок меняется от 0,05 до 0,5 мкм.
267
Реактивное распыление в присутствии небольших коли-
честв азота, кислорода, окиси углерода или метана по-
зволяет получать пленки с поверхностными сопротив-
лениями до 10 000 Ом/квадрат.
Изучалось удельное сопротивление танталовых пле-
нок, полученных катодным распылением в тлеющем
разряде при давлении аргона, равном 14(Н Па и раз-
личных парциальных давлениях перечисленных выше
реактивных газов. Для азота при давлении 3-10-3 Па
удельное сопротивление уменьшалось благодаря образо-
ванию Ta2N, который превращается в TaN при давлении
1-10~2 Па. Эти пленки, используемые для резисторов,
обладают низкими температурными коэффициентами
сопротивления и хорошей термической стойкостью. До-
бавление кислорода ведет к образованию материала,
подобного кермету, состоящему из смеси тантала и оки-
си тантала. Обычно поверхностное сопротивление для
этих пленок толщиной 0,01 мкм составляет 1000 Ом/кВ.
При более высоких давлениях кислорода образуется
пятиокись тантала ТазОз. Введение окиси углерода или
метана вызывает образование карбида тантала, кото-
рый обладает высоким удельным сопротивлением и низ-
ким температурным коэффициентом.
Зависимость электрических свойств танталовых пле-
нок, получаемых реактивным катодным распылением,
различна для разных систем. Причина этого заключает-
ся в том, что количество реактивного газа, вступающего
в реакцию с танталом, зависит не только от парциаль-
ного давления газа, но также и от скорости катодного
распыления тантала, скорости откачки вакуумного объе-
ма и наличия других газов в системе. Благодаря раз-
личиям между системами катодного распыления трудно
дать точные рекомендации по осаждению танталовых
пленок с заданными свойствами.
Одним из методов изготовления тонкопленочных конденсаторов
является катодное распыление тантала для получения пленок тол-
щиной 0,1—0,6 мкм с последующим анодированием для получения
Та2О5 желаемой толщины. Верхний электрод получают термическим
напылением в вакууме соответствующего металла, например золо-
та, поверх анодированного слоя. Конденсаторы этого типа харак-
теризуются малым током утечки, малым тангенсом угла диэлектри-
ческих потерь, высокой электрической прочностью, большой ем-
костью на единицу площади подложки. Конденсаторы, работающие
при напряжении 50 В, имеют емкость порядка 1000 пФ/мм2. Коэф-
фициент энергопотерь составляет 1 % или менее, температурный
коэффициент емкости около 4-250
268
Другим методом создания танталовых конденсаторов явля-
ется осаждение диэлектрика на слой металла, например алю-
миния, который служит в качестве нижнего электрода. Затем на
поверхность алюминия наносится пятиокись тантала методом реак-
тивного распыления, после чего следует напыление верхнего элек-
трода. Реактивное распыление диэлектрических пленок Ta2Os
выполняется в атмосфере, состоящей из 50% аргона и 50% кис-
лорода при давлении в камере 6 Па. Первый из упомянутых мето-
дов изготовления конденсаторов используется в том случае, когда
схемы, содержащие танталовые резисторы и конденсаторы, обра-
зуются на одной керамической подложке.
В случае, когда на подложку непосредственно распыляется
тантал, обкладки конденсаторов должны быть толще, чем площадки
резисторов. Для получения площадок разной толщины во время
осаждения можно использовать методы механического маскирова-
ния. Чтобы электролит не попадал на резисторы во время анодиро-
вания конденсаторов, применяются маски, наносимые на площадки
резисторов.
Изготовление ИМС завершается напылением верх-
них электродов конденсаторов и внутрисхемных соеди-
нений. Такая технология позволяет использовать один
материал для резисторов и конденсаторов, что приводит
к простоте, надежности и экономичности, осуществить
доводку компонентов до номинальных значений пара-
метров, а также повысить стойкость и надежность тон-
копленочной схемы благодаря защитному слою пяти-
окиси тантала, достигнуть высокой номинальной
мощности, получить схемы с высокой плотностью ком-
понентов.
Главапятнадцатая
ТЕХНОЛОГИЯ ТОЛСТОПЛЕНОЧНЫХ
ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМ
15-1. Конструктивно-технологические особенности
толстрпленочных интегральных микросхем
Технология производства гибридных толстопленоч-
ных ИМС базируется на нанесении «толстых» (толщи-
ной более мкм) слоев различных материалов, которые
выполняют роль проводников, резисторов и диэлектри-
ков в соответствующих конструктивных элементах ИМС.
Для того чтобы создать заданный рисунок ИМС, исполь-
зуются методы трафаретной печати — шелкография (сет-
кография), сущность которой заключается в следующем:
паста определенного состава и вязкости продавливается
через сетчатый трафарет (рис. 15-1), образовавшийся
269
слой проходит затем дополнительную обработку (сушку,
обжиг, вжигание) для закрепления материала на плате
и придания ему заданных электрофизических и механи-
ческих свойств. Название «толстые пленки» относится
в большей степени к методу их получения, чем к тол-
щине самого слоя.
Рис. 15-1. Устройство для сеткографии.
а — схема устройства; б — схема формирования слоев; / — вакуумный патрон;
2 — поверхность подложки; <3 — поверхность трафарета; 4—микрометрический
винт для регулировки; 5 — сетка; 6 — каретка с мнкровиитом; 7 — резиновый
валик; 8 — вакуумный насос.
На первых этапах развития микроэлектроники тол-
стопленочная технология не могла удовлетворить требо-
ваниям точности, стабильности качества и надежности
элементов. Однако с развитием этой технологии были
найдены методы и материалы, которые позволили
эффективно конкурировать с тонкопленочной техноло-
гией. Для иллюстрации в табл. 15-1 сопоставлены основ-
ные параметры резисторов, полученных первым и вто-
Рис. 15-2. Схема технологического процесса изготовления гибридных
толстопленочных микроузлов.
270
рым технологическими методами. Проигрыш s точности
нивелируется существенным выигрышем в простоте и
экономичности процесса.
На рис. 15-2 показана принципиальная схема техно-
логического процесса изготовления гибридных толсто-
пленочных ИМС.
Процесс изготовления ИМС при использовании одно-
слойной подложки (простейший случай) начинается
с очистки поверхности подложек и изготовления трафа-
ретов. Затем методом шелкографии наносят требуемый
Таблица 15-1
Некоторые характеристики тонко- и толстопленочных
резистивных элементов ИМС
Параметр	Тонкопленочные	Толстопленочные
Точность номинала, %	0,005—1,0	0,1—1,0
Стабильность харак- теристики, 1 /год	2.10-8—0,01	0,05—1,0
ТКС, ю-в/°с	1,0—100	100—500
Удельное сопротивле- ние, Ом-см	0,1—5-Ю3	10—106
Сопротивление, Ом/квадрат	1—10s	10—10’6
Удельная мощность рассеяния, Вт/мм5	0,03	0,03
Общая точность кон- струкции, %	0,1—2,0	1—10
Толщина слоя, см	Ю-e— ю-4	ю-*—10-’
Те хнологияеские показатели
Процесс получения
слоя
Материалы
Оборудование
Стоимость оборудова-
ния, отн, ед.
Обращение с готовой
подложкой
Минимальная ширина
линии, мм
Испарение или хими-
ческое осаждение
Металл, сплавы или
окислы (нитриды)
металлов на си-
талловой подлож-
ке
Вакуумные камеры и
линии для фото-
литографии
ICO
Осторожное
0,01
Трафаретная печать с
последующим вжи-
ганием
Пасты на керамиче-
ской подложке
Шелкографические ра-
мы и печи для
вжигания
10
Без особых предосто-
рожностей
0,1
271
рисунок слоев. После каждого Цикла нанесения соответ-
ствующего слоя он отжигается для закрепления его на
подложке и придания заданных свойств материалу слоя.
Поскольку температуры обжига проводящих, резистив-
ных и диэлектрических паст различна, то последователь-
ность нанесения слоев должна быть вполне определен-
ной. Сначала наносится проводящая паста, образующая
проводники, контактные площадки и нижние обкладки
конденсаторов, а затем паста для диэлектриков конден-
саторов и изоляции возможных пересечений проводни-
ков. Третьим слоем наносятся верхние обкладки конден-
саторов и пересекающиеся проводники. Наконец нано-
сятся резистивные пасты, если температура их обжига
наименьшая. После изготовления пассивных элементов
ИМС производятся лужение контактных площадок и
подгонка элементов к номинальному значению электро-
физических параметров. Монтаж и сборка толстопле-
ночных ИМС производится так же, как и тонкопленоч-
ных.
15-2. Материалы для гибридных толстопленочных
интегральных микросхем
Подложки для гибридных толстопленочных ИМС
должны обладать: хорошими диэлектрическими свойст-
вами, хорошим теплоотводом, обеспечивать возможность
их обработки при высоких температурах, иметь удовле-
творительную адгезию с материалами паст.
В табл. 15-2 приведены характеристики некоторых
типичных материалов, используемых для подложек.
Желательно, чтобы диэлектрическая проницаемость ке-
рамических материалов была низкой для сведения к ми-
нимуму запаздывания электрического сигнала, так как
«
1 ~~ С ’
(15-1)
где Тз — время запаздывания; 8 — диэлектрическая про-
ницаемость; 1 — длина тракта; С — скорость света.
Диэлектрическая проницаемость
»=4-	(15-2)
где £— напряженность электрического поля; Р— поля-
ризация.
272
Таблица 16-2
Физические свойства некоторых керамических материалов,
используемых для подложек
Материал
Удельное
сопротивле-
ние, Ом см
25°С 300°С
А12Оа
ВеО
3Al20a-2S10
ZrSiO,
MgAl2O4
Боросиликатное
стекло
Кварцевое стекло
7,3
8,0
5,3
4,0
8,8
3,3
0,4
2,2
0,6
0,1
0,1
0,1
1014
1014
1014
1014
10ls
1014
10'4
1014
1014
101*
1014
8,7
8,5
6,5
6,0
0,10
0,096
0,082
0,098
0,097
3,73
3,16
1,48
2,П
2,39
3515,5
1557,7
1125,7
1546,8
1757,7
109
0,067 0,74 1054,7
0,065 0,52 843,7

Величина Р складывается из поляризации поверх-
ностного заряда Ps, электронной поляризации Ре, ион-
ной поляризации и дипольной поляризации Рв:
P=Ps+Pe+Pi + Pg.	(15-3)
Для керамических материалов с низкой диэлектри-
ческой проницаемостью характерно, что существенный
вклад в величину е дают только составляющие Ре и Pi.
К их числу относятся такие слабо поляризующие ионы,
как Si+4, О-2, А1+3, Ве+2.
Значение Ре зависит от атомного номера элемента,
т. е. является физическим свойством данного элемента,
тогда как Р< является структурно чувствительной вели-
чиной и связана с прочностью ионных связей.
Таким образом, керамические материалы с малой
диэлектрической проницаемостью изготавливают на
основе ионных соединений с низкой электронной поля-
ризуемостью (с малым атомным номером) и сильной
ионной связью (что уменьшает ионную поляризуемость).
Другой важной характеристикой материала подлож-
ки является теплопроводность и температурный коэффи-
циент расширения (ТКР). Существенны также стабиль-
ность параметров керамического материала подложки
в условиях повышенных температур, при которых произ-
водится обжиг и вжигание паст.
18—844	273
Таким образом, широкое применение керамических
материалов объясняется их высокими механическими,
электрическими и термическими свойствами. Наиболь-
шее распространение в отечественной практике полу-
чили подложки из глиноземистой керамики, окиси алю-
миния (95% AI2O3) и электрокорунда (99% AI2O3).
Используются также подложки из титанатов, кото-
рые обладают хорошей адгезией к проводящим слоям.
Изготовление подложек заключается в том, что
исходные материалы размалывают, смешивают в опре-
деленных соотношениях, формуют, сушат и обжигают.
Формование подложек производят прессованием влаж-
ного порошка, литьем полужидкой керамической массы
в формы, штамповкой и другими способами.
Перед нанесением паст подложки тщательно отмы-
ваются, затем сушатся и прокаливаются при темпера-
турах 600—700°С;
Пасты для проводящих, слоев весьма разнообразны.
Применяются пасты на основе благородных металлов
(Au, Ag, Pd и др.) благодаря их высокой электропро-
водности, химической стойкости, технологическим осо-
бенностям (например, способности к пайке и сварке).
В производстве многослойных керамических плат удоб-
но пользоваться тугоплавкими проводящими материала-
ми (например, молибденом).
Типичный состав проводящей пасты содержит около
12% Pd; 75% Ап и 13% стекловидного связующего мате-
риала. Такие составы вжигаются при температурах 850—
1000°С. Они обладают хорошей адгезией и удовлетвори-
тельно паяются.
Таблици 15-3
Свойства проводящих паст на основе благородных металлов
	Основа материала паст					
Параметры	Ag	Pt — Au	Pd — Au	Pt-Pd- Au	Au	Pd—Ag
Удельное сопротивле- ние, Ом/квад- рат ткс, Ю-’/’С Температура обжига пасты, •с	5-10’°	5-10"*— ю-‘	5.10-*— 10-»	8-10-*— io-s	3-10-'— 10-*	4.10-*
	4-3000 500— 850	4-450 875— 1000	4-650 900—975	750—1000	850—1000	690— 760
274						
В табл. 15-3 приведены свойства некоторых проводя-
щих смесей.
Температуры обжига паст не должны превышать тем-
пературы плавления соответствующих сплавов.
Пасты для резисторов готовятся на основе керметных
материалов, в которых проводящей фазой являются ме-
таллы (палладий, серебро),а диэлектрической фазой —
окислы металлов и стекла. Изменяя концентрацию ди-
электрической составляющей пасты, можно регулировать
сопротивление пленок в широких пределах (от 1 до
106 Ом/квадрат). Данные для некоторых материалов
сведены в табл. 15-4.
Таблица 15-4
Параметры некоторых резистивных слоев
Параметры	Металлическая основа состава пасты		
	Pd—Ag	Ru	Ir
Удельное поверхностное со- противление, Ом/квадрат ТКС, 10-‘/*С	 Микрорельеф поверхности, мкм		1—10е 200—500 12	I —10’ 100—200 1,2	1—10’ 0—100 0,12
Материалы паст для диэлектрических слоев. В техно-
нологии толстопленочных ИМС диэлектрические матери-
алы используются в качестве герметизирующих покры--
тий, изолирующих слоев многослойных структур и ди-
электрического слоя конденсаторов. Герметизирующие
покрытия предохраняют ИМС или отдельные ее элемен-
ты от влияния окружающей среды, например влаги, газа
и пыли, от механических повреждений, уменьшают дрейф
параметров под нагрузкой.
Материалами для герметизирующих покрытий слу-
жат различные органические компаунды (например, по-
лиуретан) или неорганические композиции (например,
легкоплавкие стекла из боросиликата свинца или сили-
ката свинца-циркония) с температурой вжигания не вы-
ше 500°С. Диэлектрическая проницаемость этих материа-
лов обычно составляет 5—10. Из этих материалов удает-
ся сделать пересечения емкостью менее 1 пФ при Еа$,
равном 500 В, и $ = 1012 Ом.
Пасты для создания диэлектрических прослоек кон-
денсаторов подбираются с таким расчетом, чтобы обра-
зованные слои имели высокую диэлектрическую прони-
18*	275
цаемость и £Пр при незначительном tgS. Поэтому эти
пасты содержат большое количество сегнетоэлектриче-
ских материалов (например, титанаты свинца или ба-
рия) .
Если температурные коэффициенты расширения (ТКР) диэлек-
трических и соприкасающихся с ними слоев сильно различаются при
термообработке, то могут возникать трещины. Наличие пузырьков
и раковин в слое, появляющихся часто после обжига, приводит
к образованию проколов и трещин, резко ухудшающих качество
конденсаторов.
Технология получения толстопленочных конденсато-
ров должна обеспечивать отсутствие проколов, пор и
трещин, которые могут возникать при использовании
слишком шероховатых поверхностей проводящего слоя,
появления пузырьков и раковин, возникающих при об-
жиге. Основными технологическими факторами в произ-
водстве толстопленочных конденсаторов являются, как и
в случае резисторов, химический и гранулометрический
состав пасты и режим вжигания паст.
15-3. Технология изготовления рисунка
топстопленочных интегральных микросхем
Процесс Занесения пасты на подложку заключается
в том, что она продавливается (метод экструзии) через
отверстия трафарета и благодаря адгезии с поверхностью
подложки удерживается на этой поверхности. Толщина
осаждаемого материала зависит от толщины и конструк-
ции трафарета, давления ракеля и других факторов.
По мере движения ракеля вдоль трафарета паста за-
полняет открытые участки его. После того как ракель
проходит через данную точку, трафарет больше не под-
вергается давлению и постепенно отходит от поверхности
подложки. Высота положения ракеля регулируется так,
чтобы последний достаточно плотно прилегал к трафаре-
ту и создавал контакт между трафаретом и подложкой.
Расстояние между трафаретом и подложкой зависит от
размеров подложки, типа трафарета, реологии пасты и
обычно составляет 0,25—1,3 мм.
Технологическими факторами являются скорость пе-
ремещения ракеля, его давление, угол наклона ракеля
к поверхности трафарета, плотность прилегания ракеля
к трафарету. Все эти факторы по-разному влияют на тол-
щину, реологию, четкость и воспроизводимость печатных
элементов. Влияние подложки определяется ее чистотой,
276
шероховатостью. Приемлемой шероховатостью считается
0,3—0,6 мкм, что соответствует 8-му и 9-му классам чис-
тоты.
В зависимости от свойств паст профиль слоев может
быть различным (рис. 15-3). Профиль А характерен для
паст умеренной текучести, профиль Б — для паст с боль-
шой текучестью и профиль В — для наст с малой теку-
честью (желеобразная паста).
Рис. 15-3. Реология рисунка (профиль) различных паст после нанесе
ния их через трафарет.
Между толщиной и шириной линии существует слож-
ная взаимосвязь, которая зависит от многих факторов
трафаретной печати. Типичная кривая этой взаимосвязи
представлена на рис. 15-4, где выделяются три отдельных
участка: а, в, с и две переходные точки: 1 и 2.
Толщина линии
Рис. 15-4. Взаимозависимость
толщины и ширины линий пос-
ле нанесения пасты через сет-
чатый трафарет.
/ — конец прямолинейного участ-
ка а; 2 — конец «переходного» уча-
стка Ь.
Рис. 15-5. Кривые зависимости
толщины линий от ширины для
трафаретов с различным чис-
лом отверстий. (Цифры над
кривыми указывают число от-
верстий на квадратный милли-
метр в сетке трафарета.)
На участке а толщина линии прямо пропорциональна
ее ширине. Для проводящих слоев этот участок имеет
большое значение; его ширина может составлять 0,40—
0,50 мм. Наклон прямой зависит от удельного числа от-
277
верстий в трафарете и изменяется с его ростом
(рис. 15-5). При заданной ширине линии на этом участке
можно получить соответствующую толщину слоя.
Участок в характеризуется серией кривых между мак-
симумом в переходной точке / и переходной точкой 2 на
пересечении с горизонтальным участком кривой. Воспро-
изводимость этого участка в технологии нанесения пасты
в значительной мере зависит от параметров процесса:
угла наклона ракеля, давления ракеля, скорости его дви-
жения и др. Влияние этих факторов сказывается на рас-
стоянии, на которое опускается сетка, и на величине век-
торных сил, приложенных к пасте. Естественно, что поло-
жение кривых на участке в может вследствие этого изме-
няться.
На участке с толщина линии существенно не изме-
няется, особенно при небольшом количестве отверстий
в трафарете. Это может происходить в двух случаях: ког-
да сетка вдавливается в подложку либо когда одно и то
же количество пасты отделяет сетку от подложки. В по-
следнем случае изменение давления ракеля может изме-
нить толщину наносимого слоя.
Характер зависимостей толщины и ширины линий
в процессах сеткографии очень сложны и меняются для
каждого вида пасты, сетки и параметра технологического
процесса.
Распределение пасты между поверхностями трафаре-
та и подложки зависит от степени их смачиваемости пас-
той, а также таких факторов, как шероховатость поверх-
ности и адсорбция связующего пасты поверхностью
рисунка. Если обе поверхности эквивалентны и переме-
щаются с одинаковой скоростью, то паста должна рас-
пределяться примерно поровну между ними. Для улуч-
шения коэффициента переноса пасты можно использо-
вать электростатические методы.
При движении ракеля верхняя поверхность трафарета
остается чистой, но при этом количество пасты, застыв-
шей в нижней его части, не регулируется. Эта величина
определяется реологией пасты и связанными с ней ско-
ростью перемещения ракеля и временем отделения тра-
фарета от подложки. Чем меньше расстояние между
краями линий рисунка, тем больший объем пасты осаж-
дается на этих поверхностях, что приводит к снижению
переноса пасты. Увеличение расстояния между краями
пропорционально увеличивает объем переносимой пасты.
278
Этим можно объяснить возрастание толщины рисунка иа
участке а кривой переноса.
Вязкость пасты должна иметь такое значение, чтобы,
с одной стороны, паста оказывала сопротивление протал-
киванию между маской и подложкой в процессе печати
и, с другой стороны, паста не должна затекать под воз-
действием силы тяжести за края первоначально получен-
ного изображения.
Перенос пасты, измеряемый по толщине или сопротив-
лению изображения, обычно увеличивается при большом
давлении ракеля, меньшем угле наклона ракеля, боль-
шем объеме пасты перед ракелем и меньшей скорости его
движения. Очевидно, что меньшие углы наклона ракеля
создают большую вертикальную силу, действующую на
пасту и проталкивающую ее через трафарет с большей
силой. При малых скоростях движения ракеля требуется
больше времени для полного заполнения пастой.
15-4. Технология вжигания паст в производстве
толстопленочных интегральных микросхем
После того как паста нанесена на подложку, она под-
сушивается при температуре 100—150°С, в результате
чего удаляются летучие составляющие. Затем паста об-
жигается при температурах 600—1000°С в зависимости
от состава пасты и технологии изготовления ИМС.
Температура вжигания поддерживается постоянной
с точностью ±2°С. Для вжигания используются конвей-
ерные печи с ламинарным потоком газа. Скорость движе-
ния конвейера выбирается при разработке технологии и,
как правило, поддерживается с точностью 1%. Обычно
для вжигания паст используются конвейерные печи с ди-
апазоном скорости от 25 до 250 мм/мин. В этом интерва-
ле может выбираться любая скорость, обеспечивающая
качественный обжиг и вжигание пасты.
При обжиге органическая связка пасты выгорает,
а стеклянный порошок плавится, смачивает частицы и
при охлаждении обеспечивает сцепление их между собой
и с керамической подложкой. Полученные при этом слои
могут иметь толщину от 5 до 50 мкм. При вжигании ма-
териал пасты прочно схватывается с подложкой.
Температура вжигания неоднозначно влияет на пасты
разного состава. Для одних составов паст увеличение
температуры вжигания приводит к увеличению сопротив-
279
Лейий, для другик составов — наоборот к уМейьШеййй
сопротивления. Типичные температуры термообработки
в конвейерной печи при вжигании паст показаны на
рис. 15-6.
Влияние скорости передвижения образцов в конвейер-
ной печи на электрофизические параметры слоев более
однозначно. Как правило, с увеличением скорости пере-
движения образцов при условии постоянства пиковой
температуры в печи сопротивление слоев уменьшается.
Рис. 15-6. Режимы термообработки в процессе вжига-
ния паст.
/ — сушка пасты; 2 — выжигание органической связки; 3 —
спекание; 4 — охлаждение.
К режиму газового потока в печи параметры получае-
мых слоев менее критичны.
Следует отметить недостаточную изученность техно-
логических процессов получения толстых слоев. И это
несмотря на то, что в промышленной практике толсто-
пленочная технология производства ИС занимает одно
из ведущих мест благодаря своей простоте.
Часть четвертая
ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ
ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМ
Глава шестнадцатая
ПРОЦЕССЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ИЗОЛЯЦИИ
И МАСКИРОВАНИЯ В ТЕХНОЛОГИИ
ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМ
16-1. Методы создания внутрисхемной
электрической изоляции полупроводниковых
интегральных микросхем
Качество и процент выхода годных интегральных по-
лупроводников микросхем в значительной мере зависят
от совершенства методов изоляции элементов и самих
ИМС друг от друга.
Выбор метода электрической изоляции во многом
определяет порядок технологических процессов в произ-
водстве интегральных микросхем.
В настоящее время формирование изолирующих об-
ластей осуществляется двумя способами.
Первый способ — создание изолирующего р-п пере-
хода, второй — создание диэлектрического изолирующе-
го слоя.
На основе первого способа изоляции создана следую-
щая группа технологических методов: разделяющая диф-
фузия (изоляция осуществляется обратиосмещенным
р-п переходом); коллекторная изолирующая диффузия;
базовая изолирующая диффузия; метод трех фотошаб-
лонов; самоизоляция «-областью (метод двойной диф-
фузии) .
Второй способ обуславливает применение различных
диэлектрических материалов: двуокиси кремния, поли-
281
Рис. 16-1. Классификация основных методов электрической изоляции элемента} ИМС
кристаллического кремния, а также воздуха, реализуется
с помощью следующей группы технологических методов:
<эпик»-процесс и его модификации; изоляция диэлектри-
ком и поликристаллическим кремнием (VIP-процесс);
метод воздушной изоляции («декаль»-метод); метод вер-
тикального анизотропного травления (V—АТЕ-техноло-
гия); изготовление элементов интегральных схем на ди-
электрических подложках (сапфире или шпинели); изо-
планарная технология; метод локальной эпитаксии.
Классификация наиболее известных в настоящее вре-
мя методов изоляции приведена на рис. 16-1.
Оба способа изоляции развиваются по пути повыше-
ния плотности размещения элементов, упрощения техно-
логического процесса, а также улучшения электрофизи-
ческих характеристик приборов и повышения стабильнос-
ти их параметров.
16-2. Методы изоляции с применением диффузии
Изоляция обратносмещенным р-п переходом — наибо-
лее распространенный метод изоляции. Это объясняется
простотой и технологичностью процесса (рис. 16-2),
а также малой стоимостью изготовления изделий по
данной технологии.
Однако на современном этапе развития микроэлек-
троники возможности этого метода уже исчерпаны вслед-
ствие ряда его недостатков, например таких, как большие
паразитные емкости, наличие значительных токов утечки,
Рис. 16-2. Технологическая схема метода изоляции обратно смещен-
ным р-п переходом.
а — диффузия для создания коллекторного слоя; б — эпитаксия слоя кремния
л-типа толщиной 7—10 мкм; в — изолирующая диффузия; г—базовая и
эмиттерная диффузия; создание коммутации и контактов.
283
Наличие паразитных ТранзисТорбв, ухудп1аюп1иХ парамет-
ры схем, низкая радиационная стойкость.
С появлением возможности наращивания тонких эпи-
таксиальных слоев (1—2 мкм) были разработаны методы
изоляции элементов, позволяющие сэкономить значитель-
ную долю площади кристаллов. Так, были разработаны
Рис. 16-3. Схема метода коллекторной изолирующей диффузии.
а — диффузия для создания скрытого коллекторного слоя; б — эпитаксия крем-
ния p-типа толщиной 1—2 мкм; в — коллекторная диффузия; г — базовая диф-
фузия (без маски); д — эмиттерная диффузия, вскрытие контактных окон и
создание алюминиевой металлизации.
более простые методы базовой изолирующей диффузии и
коллекторной изолирующей диффузии.
Коллекторная изолирующая диффузия (КИД). Этот
метод позволяет сократить площадь элементов в 3—4 ра-
за по сравнению с изоляцией обратносмещенным р-п пе-
реходом. Технологический процесс сокращается на 1 —
2 фотолитографические операции (рис. 16-3), повышается
процент выхода годных ИМС п уменьшается стоимость
их изготовления.
Благодаря простоте изготовления приборов, большой
плотности размещения элементов, схемной универсаль-
ности этот процесс получил широкое применение. Он мо-
жет использоваться для создания как линейных, так и
цифровых БИС на одном кристалле, что позволяет ре-
шить многие проблемы компоновки схем.
Базовая изолирующая диффузия (БИД). Технологически этот
метод более Прост, чем метод КИД, так как для него требуется
всего четыре операции фотолитографии (рис. 16-4).
284
Недоставкой приборов, созданных по этой технологий, явЛЯеТ-
Ся необходимость в дополнительном источнике питания для об-
ратного смещения изолирующих областей. Этот метод не получил
широкого распространения.
Метод трех фотошаблонов. В этом методе используются три
операции фотолитографии (рис. 16-5), он проще стандартной МОП
технологии и других рассмотренных методов (табл. 16-1), однако
/Г 6 Э
г)
Рис. 16-4. Технологическая схема базовой изолирующей диффузии.
а — эпитаксия кремния л-типа; б — базовая диффузия акцепторов с одновре-
менной диффузией изолирующих участков p-типа вокруг базовых областей;
в — эмиттерная диффузия и создание коллекторных контактов; г — создание
металлической разводки.
для создания транзисторов с горизонтальной структурой требуется
довольно большая площадь кристалла. Отличительной особенностью
метода является одновременное проведение диффузии эмиттера и
коллектора с образованием коллекторного кольца, которое обес-
печивает изоляцию в поперечном направлении. Метод не получил
широкого распространения.
Таблица 16-1
Сравнительные характеристики изоляции ИМС диффузией
Метод изоляции ИМС	Количество операций фото- литографии	Общее коли- чество операций (кроме опера- ции очистки поверхности)
Метод разделительной диффузии с обрат-	6	21
несмещенным р-п переходом Коллекторная изолирующая диффузия	5	20
Базовая изолирующая диффузия	4	15
Метод трех фотошаблонов	3	11
МОП технология	4	13
285
Рис. 16-5. Схема метода
трех фотошаблонов.
а — базовая диффузия в под-
ложку из кремния р-типа: 6 —
одновременная диффузия эмит-
тера и коллектора; в — форми-
рование контактов и разводки.
Метод самоизоляции с по-
мощью п-полости. Известна техно-
логия изоляции транзисторов пу-
тем проведения одновременной
диффузии фосфора и мышьяка
(так называемый метод двойной
диффузии). При этом фосфор
диффундирует быстрее, образуя
n-полость (рис. 16-6). При исполь-
зовании данного метода экономит-
ся 50% площади по сравнению
с методом изоляции с помощью
сквозной диффузии.
По электрическим характери-
стикам приборы, полученные изо-
ляцией п-полостью, сравнимы с
приборами, изготавливаемыми
обычным методом.
Основными общими достоинствами методов изоляции
диффузией являются: высокие плотности размещения
Рис. 16-6. Технологическая схема самоизоляции с помощью га-полости.
а — окисление кремния и вскрытие окон для диффузии; 6 — диффузия фосфо-
ра и мышьяка (одновременная или последовательная); в — снятие окисла и
эпитаксия кремния p-типа толщиной 5 мкм; г — высокотемпературное окисле-
ние кремния; д — диффузия для создания базы типа р+- и эмиттера типа л+,
формирование контактов и разводки.
286
элементов схемы, сравнительная простота технологии из-
готовления, малая длительность технологического цикла,
сравнительно высокий процент выхода годных ИМС.
16-3. Методы диэлектрической изоляции
Для диэлектрической изоляции чаще всего использу-
ют двуокись кремния, хотя можно применять другие ди-
электрические материалы, совместимые с технологией
кремниевых ИМС (например, Si3N4, Д12О3). По сравне-
нию с изоляцией р-п переходом диэлектрическая изоля-
ция позволяет снизить емкость между элементами ИМС
и подложкой, на порядок снизить ток утечки изоляции,
в связи с чем улучшаются их частотные характеристики.
Кроме того, ИМС с диэлектрической изоляцией имеют
более высокое пробивное напряжение и лучшую стой-
кость к радиации.
Недостатком диэлектрической изоляции является пло-
хой теплоотвод из-за низкой теплопроводности изолирую-
щего слоя.
п -Si
а)
Si @2
п ~Si
6)
Рис. 16-7, Схема эпик-метода,
а — создание диффузионного и+-слоя на монокристаллической подложке крем-
ния л-типа; о маскирование с помощью SiOa; в — вытравливание изолирую-
щих канавок и защита их слоем SiOa; г — наращивание поликристалличе-
ского кремния; д — сошлифовка монокристаллического кремния; е — формиро-
вание транзистора (проведение диффузионных процессов, создание металличе-
ских контактов и разводки).
287
Технология создания диэлектрической изоляции не-
достаточно проста и требует оборудования для точной
шлифовки. Процессы весьма критичны к воздействию
различных технологических факторов. На рис. 16-7
приведена последовательность технологических процес-
сов при создании окисной диэлектрической изоляции
(эпик-метод). Этот метод является наиболее распростра-
ненным при использовании диэлектрической изоляции
в технологии ИМС.
Рис. 16-8. Схема VIP-процесса.
а — диффузия для создания скрытого слоя и эпитаксия кремния n-типа; б~
базовая диффузия p-области; в — маскирование слоем SiO2 и травление
V-образных канавок; г — защита поверхности слоем SiOa—513М4; д — запол-
нение канавок кристаллическим кремнием и полировка поверхности; е — фор-
мирование элементов транзистора и алюминиевой металлизации.
С целью уменьшения площади разделительных капа-
вок, получающихся при травлении монокристаллического
кремния, был разработан метод вертикального травления
(VIP-метод). Метод основан на том, что травление крем-
ния, ориентированного в плоскости <100>, происходит
приблизительно в 30 раз быстрее, чем в плоскости
<111>. Получаемые таким образом V-образные канав-
ки экономят площадь, необходимую для изоляции эле-
ментов. Этот метод (рис. 16-8) обеспечивает более высо-
кий процент выхода годных ИМС, значительно большую
285
плотность размещения элементов, чем в эпик-методе и
низкую стоимость изготовления ИМС.
Изоляция воздушными зазорами (декаль-метод). Сущность спо-
соба заключается в том, что пластина кремния с полностью изго-
товленными ИМС, защищенными слоем SiO2. приваривается вниз
приборами к стеклянной пластине, после чего участки полупровод-
никового материала между приборами удаляются. Технологическая
схема этого процесса показана на рис. 16-9. Формирование воз-
душной изоляции для изготовления элементов путем вытравлива-
ния V-образных канавок в кремнии с использованием анизотропно-
Рис. 16-9. Схема декаль-метода.
а — исходная кремниевая пластина с готовыми приборами и молибденовой
металлизацией; б — спеченная со стеклом пластина после шлифовки; в —со-
здание слоя типа п+ и золотой металлизации; г — вытравливание «лишнего»
кремния.
го травления кремния в плоскости d00> аналогично VIP-ме-
тоду.
Этот метод также включает операции прецизионной шлифовки.
Необходимость точного совмещения фотошаблона с обратной сто-
роной микросхемы и сложный процесс травления представляют
определенные трудности и поэтому сдерживают применение этого
метода.
Технология метода «кремний на сапфире» (или шпинели) на-
ходит все большее применение в технике создания МОП приборов
на диэлектрической подложке (сапфире или шпинели); изоляция
между элементами осуществляется воздушной изоляцией и ди-
электрической подложкой. Схемы на диэлектрической подложке
отличаются малыми значениями паразитных емкостей (до 0,1 —
0,2 пФ/мм2) и высоким значением рабочих частот (до 4 ГГц).
Широкому промышленному освоению этой технологии препят-
ствуют следующие трудности: высокая стоимость подложек (с этой
точки зрения более перспективны шпинелевые подложки, так как
они дешевле сапфировых и легче обрабатываются), образование
в эпитаксиальных кремниевых пленках большого числа дефектов
роста (107—109 см-2) при проведении термических операций вслед-
ствие несоответствия коэффициентов линейного расширения пленки
19-844	289
и диэлектрической подложки; проникновение примесей из подлож-
ки в эпитаксиальную кремниевую пленку, вследствие чего значе-
ния величин подвижности носителей зарядов в пленке весьма малы.
Эта технология перспективна для таких схем, в которых од-
ним из основных требований является малая величина токов
утечки. К их числу относятся линейные схемы (дифференциальные
или операционные усилители), а также СВЧ и ВЧ интегральные
схемы.
В основном метод «кремний-на-сапфире» применяется при со-
здании МОП элементов, для которых требования к бездефектно-
сти кремниевой пленки не очень критичны.
Изопланарная технология изготовления элементов интеграль-
ных схем, основанная на применении в качестве изоляции терми-
---
______________p-Si_____
ч)
Рис. 16-10. Схема изопланарного процесса.
а — диффузия для создания скрытого слоя; б — эпитаксия слоя типа л;
а — маскирование слоем Si3S<; г—.вытравление U-образных канавок; д — окис-
ление кремния для создания диэлектрической изоляции; е — формирование эле-
ментов транзистора, вскрытие контактных окон и металлизация для создания
разводки.
чески выращенного окисла SiO2, относится к перспективным и
быстро развивающимся технологическим методам. Технологическая
схема процесса представлена на рис. 16-10.
При формировании изолирующих областей в качестве маски,
которая затем удаляется, используются SiO2 или нитрид кремния.
После образования диэлектрических областей проводят диффузи-
онные и другие процессы, необходимые, для создания ИМС.
Изопланарный процесс сложнее процесса изолирующей диффу-
зии, но он позволяет создавать в 2 раза меньшие элементы и уве-
личить выход годных ИМС. Таким образом, при наличии высокого
быстродействия, радиационной стойкости и других преимуществ,
присущих диэлектрической изоляции, метод обеспечивает плот-
ность в размещении элементов, сравнимую с плотностью МОП
прибород.
290
Следует отме'гйть, ЧТО для логических схем применение изо-
планарной технологии не дает ощутимого выигрыша но площади,
так как в них основную площадь кристалла занимает металлиза-
ция. Изопланарный процесс применяется в основном при изготов-
лении интегральных микросхем памяти.
В методе локальной эпитаксии, предложенном отечественными
учеными и сейчас применяемом в изопланарном процессе, изо-
ляцию осуществляют термически выращенным окислом. В слое
окисла толщиной от 2 до 4 мкм вытравливают окна, производят
локальное эпитаксиальное наращивание кремния, а затем формиру-
ют в этом слое элементы ИМС. Технологическая схема процесса
показана на рис. 16-11, этот метод особенно перспективен для со-
здания высокочастотных транзисторных структур.
Рис. 16-11. Схема метода локальной эпитаксии.
л — диффузия для создания скрытого коллекторного слоя: б — наращивание
окисного слоя ЬЮа и вскрытие окон; в — локальная эпитаксия кремния л-типа;
г — формирование элементов транзисторов и разводки.
В промышленной практике используются две группы
методов, но базовыми технологиями являются среди ме-
тодов изоляции р-п переходом технология разделяющей
диффузии, а из всех технологических методов, исполь-
зующих диэлектрическую изоляцию, — изоляцию с по-
мощью V-канавки и изопланарная технология.
Однако ни один из рассмотренных методов изоляции
нельзя считать универсальным и решающим все пробле-
мы, которые возникают при изготовлении интегральных
микросхем. При выборе метода и материала изоляции
необходимо учитывать конкретные функции, выполняе-
мые микросхемой, а также степень оснащенности обору-
19*	291
Таблица 16-2
Основные параметры биполярных Схем, Полученных с .
применением различных методов изоляции
Параметры
Изоляция р-п переходом
Коллекторная изолирую-
щая диффузия ....
Изопланарная технология
Изоляция V-образными
канавками ............
160
100
1,6—3
15
150
80
60
40
10
0,5
0,5
10е
108
5.10s
1024 7000
1024 3750
1024 3800
18 700
4700
2400
дованием и уровень отработки на данном предприятии
технологических процессов, необходимых для выполнения
того или иного метода изоляции. Основные параметры
биполярных схем, полученных различными технологиче-
скими методами, приведены в табл. 16-2.
16-4. Процессы создания защитных пленок
Для того чтобы провести процессы локальной диффу-
зии примеси в заданных местах монокристаллической
подложки, или вырастить селективно в этих местах эпи-
таксиальные монокристаллические слои, либо провести
ионное внедрение легирующих примесей и т. п., необходи-
мо предохранить остальную часть пластины от воздейст-
вия указанных процессов. Это достигается созданием спе-
циальных защитных масок.
В технологии кремниевых ИМС наиболее широко
используется в качестве материала маски пленки двуоки-
си кремния, хотя можно применять и другие материалы,
например Si3N4, А120з.
Процессы создания пленок можно осуществлять дву-
мя путями: осаждать маскирующий слой на пластину
или формировать слой из материала подложки путем его
химической обработки (чаще всего окислением). В пер-
вом случае кремниевая (или другая) пластина выполня-
ет только роль подложки, во втором — пластина участву-
292
et 6 процессе созданий
маскирующего слоя,
влияя на состав, структу-
ру и другие свойства об-
разующегося слоя.
Преимущества перво-
го способа состоят в том,
что его можно применять
в производстве любых
ИМС: из кремния, герма-
ния, арсенида галлия и др.
Окисление можно исполь-
зовать только при изго-
товлении кремниевых
ИМС. Схема образования
окисла на поверхности
Рис. 16-12. Схема образования
окисла на поверхности кремниевой
пластины.
/ — исходная пластина кремния: 2 — по-
верхность окисного слоя; <3 —окислен-
ный слой; 4 — граница раздела фаз
кремний — окисел; 5 — первоначальная
поверхность кремниевой пластины.
кремния за счет реакции его окисления показана на
рис. 16-12. Теоретические аспекты химических процес-
сов создания слоев были изложены в гл. 4. Поэтому
здесь мы рассмотрим лишь особенности процессов со-
здания защитных масок из двуокиси кремния и нитрида
кремния.
Наиболее существенными физико-химическими пара-
метрами, которые необходимо учитывать при формирова-
нии пленок SiOa окислением для использования их в ка-
честве масок в диффузионных и эпитаксиальных процес-
сах, будут: коэффициент распределения легирующей при-
меси между окислом и кремнием т, равный отношению
равновесных концентраций этой примеси в кремнии и
окиси кремния; коэффициент относительной диффузии г
легирующей примеси, равный отношению коэффициентов
диффузии этой примеси в кремнии и в двуокиси крем-
ния; константа скорости окисления k0K, отнесенная к кор-
ню квадратному из коэффициента диффузии примеси
в кремнии йок//Da.
В общем случае, если величина т больше 1, то окисел
«вытесняет» примесь, вызывая увеличение ее концентра-
ции в слое кремния, прилегающего к поверхности разде-
ла окисел — кремний. Если т меньше 1, то в областях
окисла и кремния, прилегающих к поверхности их разде-
ла, будет наблюдаться противоположное явление.
При т= \ будет наблюдаться небольшое уменьшение
концентрации примеси в кремнии только за счет увеличе-
ния удельного объема окисла (для получения единицы
293
объема окисла расходуется 0,44 единицы объема крем-
ния). Поэтому для того, чтобы концентрации примеси
в окисле и кремнии были равны (при т=4), требуется
небольшое уменьшение первоначальной концентрации ее
в кремнии, прилегающем к поверхности раздела.
Таблица 16-3
Коэффициенты распределения т и относительной диффузии
г некоторых примесей в кремнии
Легирующая примесь	Коэффициент распре- деления т	Коэффициент относи- тельной диффузии г
Ga	20	Г>1
В	о,з	
А1	10а	
Р; Sb; As	10	Г<1
В табл. 16-3 приведены значения коэффициентов рас-
пределения т и относительной диффузии г для некоторых
легирующих примесей, широко используемых в техноло-
гии полупроводниковых ИМС.
Если принять во внимание только коэффициенты рас-
пределения и не учитывать влияния других параметров
г и Кок, то можно получить неверные результаты. Напри-
мер, галлий и индий согласно значению т должны были
бы накапливаться в окисле, однако благодаря большому
значению г на практике наблюдается уменьшение их кон-
центрации в окисле. Эти примеси быстро диффундируют
от поверхности раздела окисел — кремнйй, поддерживая
большой поток примеси из кремния через поверхность
раздела. Примеси фосфора, сурьмы и мышьяка медленно
диффундируют в окисле кремния (г<1) и более быстро
в кремнии (см. гл. 7).
На характер распределения примесей вблизи границы
раздела кремний — окисел можно влиять, изменяя ско-
рость окисления.
Режимы процессов окисленияили осаждения диэлек-
трических (в частности, окисных) слоев определяются
требуемыми свойствами их. Необходима тщательная ре-
гулировка процесса для создания слоя заданной толщи-
ны. Значения этих толщин, обеспечивающих маскирова-
ние, приведены для диффузии фосфора на рис. 16-13 и
294
для диффузии бора иа рис. 16-14 при различных времени
и температурах диффузии.
Для маскирования в процессах ионной имплантации
легирующих примесей используются не только диэлек-
Рис. 16-13. Зависимость значения толщины окисла кремния, необхо-
димой для маскирования при диффузии фосфора, от температуры
для различного времени диффузии.
трические, но и металлические слои. Определить необ-
ходимую толщину маски можно, зная величину-пробегов
ионов в маскирующем слое. В табл. 16-4 приведены зна-
чения пробегов ионов в маскирующих слоях, используе-
Та блица 16-4
Величины пробегов ионов бора в маскирующих слоях при
локальном ионном внедрении бора в кремний
Маскирующий материал	Энергия облучения, IO’1* Дж	Средний пробег ионов, мкм
SiOa	60	0,1400+0,0150
	100	0,2500+0,0250
	200	0,4000+0,0300
SiaN4	60	0,1000+0,0100
	100	0,1500+0,0150
	200	0,3000+0,0200
Al	60	0,1800+0,0150
Ni	60	0,0600+0,0100
Bi	60	0,0600±0,0100
295
мых при имплантации. Зная величины средних пробегов
ионов в маскирующих слоях, нетрудно вычислить необ-
ходимую толщину этого слоя для данного процесса.
Рассмотрим несколько подробнее оба названных спо-
соба создания маскирующих слоев: термическое окисле-
ние и химическое осаждение из газовой фазы.
Рис. 16-14. Зависимость толщины окисла, необходимого для маскиро-
вания при диффузии бора, от времени диффузии для различных тем-
ператур процесса диффузии.
Термическое окисление. При окислении полированных
монокристаллических пластин кремния на их поверхнос-
ти образуется слой аморфной двуокиси кремния SiCh. Из
этого слоя методом фотолитографии создается маска
с заданным рисунком.
Процесс окисления проводится при температурах
800—1300°С в среде сухого или влажного кислорода.
В первом случае протекает реакция
S i + Ог->51O2,
во втором —две реакции:
Si + О2—>SiO2;
Si + 2H2O->SiO?+2H8.
296'
(16-1)
(16-2)
Окисление кремния является сложным процессом,
включающим ряд физико-химических актов, таких как
адсорбция, диффузия и др. Первая стадия этого процесса
характеризуется непосредственным взаимодействием
кремниевой монокристаллической пластины с окисляю-
щим реагентом (Ог, НгО) и фактически является физи-
ческой адсорбцией, быстро переходящей в химическую
адсорбцию. Она экспоненциально зависит от времени
окисления. После образования на поверхности кремния
пленки толщиной 2Д0-9—5-Ю-9 м процесс окисления за-
медляется.
Уменьшение скорости реакции кислорода с кремнием
на второй стадии окисления объясняется тем, что кисло-
род не взаимодействует непосредственно с кремнием, как
в первой стадии, так как реагирующие элементы (кисло-
род и кремний) разделены окисной пленкой. Атомы (или
ионы) кремния и кислорода теперь должны пройти че-
рез окисленный слой, чтобы вступить в контакт и про-
реагировать друг с другом.
Можно представить следующий механизм роста окис-
ленного слоя: постадийное окисление кремния на грани-
це раздела окисел — кремний, вследствие чего эта грани-
ца передвигается в глубь кремниевой пластины. Обедне-
ние кислородом окисных слоев, прилегающих к кремнию,
за счет реакций типа
SiO2-l-Si->SixOy (при х/у<2)	(16-3)
стимулирует диффузию кислорода в окисном слое до пре-
дельного насыщения окисла кислородом (т. е. до образо-
вания S1O2) по схеме
SixOy+О2-»-SiO2.	(16-4)
Теория окисления дает несколько зависимостей глуби-
ны окисления от времени для различных температур про-
цесса.
Для низких температур (до 200—300°С) по экспонен-
циальному или логарифмическому закону
A/i = fe0Kln(ax+1),	(16-5)
для средних температур (400—1300°С) по кубиче-
скому
(Ah)a^k0I(t+C	(16-6)
или параболическому
(Ah)2^k0Kx + C,	(16-7)
297
для более высоких температур по линейному закону
Ah = k0KT: + C	(16-8)
k0K— в этом уравнении называют постоянной закона
окисления.
Константа С в этих уравнениях определяет лишь на-
личие окисной пленки в начальный период (при т=0),
например образование этой пленки при химической или
механической обработке пластины, когда не используется
газовое травление пластин.
Рис. 16-15. Скорости окисления при различных температурах.
Константа k0K характеризует скорость процесса окис-
ления, поэтому является константой скорости окисления.
Это основной кинетический параметр процесса окисления.
В большинстве случаев зависимость константы ско-
рости окисления от температуры выражается в виде
уравнения Аррениуса
Ат = А’окехр^-^-),	(16-9)
где /Такт — энергия активации процесса окисления; /? —
универсальная газовая постоянная; й°ок — константа ско-
рости при некоторой «исходной» температуре процесса.
298
Энергия активации является вторым энергетическим
параметром, характеризующим процесс окисления с ко-
личественной стороны.
На рис. 16-15 приведена зависимость толщины слоя
окисла от времени окисления для различных температур.
На практике такие экспериментальные кривые использу-
ются для данного вида оборудования.
Аппаратура для проведения окисления используется
такая же, как для диффузии. При окислении паром пер-
воначальным источником окисляющего реагента является
вода высокой чистоты, подогреваемая до температуры,
при которой возникает поток водяного пара через реак-
ционную трубу. Обычно температура воды поддерживает-
ся при температуре, близкой к температуре кипения.
Температура воды не оказывает заметного влияния
на окисление до тех пор, пока величина ее достаточна
для поддержания вблизи кремния парциального давле-
ния пара около 105 Па. При более высокой температуре
увеличивается поток пара около кремния, но концентра-
ция пара и скорость окисления заметно не меняются.
Окисление в сухом кислороде несколько отличается
от окисления в паре тем, что ионы кислорода быстрее
диффундируют через выращиваемую окисную пленку,
чем молекулы воды.
Процессы окисления необходимо проводить в усло-
виях, обеспечивающих создание плотного, беспористого
окисла с хорошими электрофизическими параметрами.
Химические осаждения из газовой фазы. Преимущест-
вом процессов осаждения является возможность исполь-
зовать широкий круг диэлектрических материалов (SiOa,
Л120з, S13N4 и др.) и их композиций. Кроме того, этот ме-
тод позволяет осаждать диэлектрические слои при более
низких температурах, чем протекает окисление кремния,
что бывает необходимо при реализации конкретных тех-
нологических решений в производстве ИМС.
Известно большое число реакций, по которым осаж-
даются различные диэлектрические слои. Некоторые из
них приведены ниже..
Реакции	Температура осаждения
диэлектрического слоя,
SiCl4 + C0a + Hs-»Si0a	1000-1250
SiCl4 + NO + Н2 -»• SiOa	900—950
Si Bra + NO + Ha -* SiO,';	775
Si(0C,H,)4 - SiOa	730—850
C,H,Si(OC,H8),^SlO,	650-750
299
С.НнБЦОад-БЮ,
Si н4 + О2 -> Si'O2
Al(OCHj)3-* А12Оа
A1(OC3H,)S-♦ ai2o3
SiCl4 + NHs-* S1sN4
SiCl4+N2H2 + H2-*Si,N4
600—700
200—300
650—800
800—1000
700—1000
550-600
Аппаратура, используемая для осаждения газовой
фазы, практически не отличается от той, которая приме-
няется для эпитаксии кремния (см. гл. 8). Качество по-
лучаемых слоев обычно не хуже, чем при термическом
окислении, и значительно лучше, чем при напылении
диэлектриков в вакууме. У осажденных из газовой фазы
окислов достаточно малая пористость, хорошие физиче-
ские характеристики и химическая стойкость.
Распространенным методом осаждения двуокиси
кремния в технологии ИМС является термическое разло-
жение тетраэтоксисилана по реакции 4. Разложение
проводится при температуре 700—750°С. Скорость роста
при различных температурах процесса показана на
рис. 16-16.
Рис. 16-16. Скорости роста
окисла кремния при термиче-
ском разложении тетраэтокси-
силана при различных темпера-
турах.
Качественные пленки двуокиси кремния -образуются
по реакции 7. Серьезными преимуществами этого про-
цесса является низкая температура его и отсутствие за-
грязняющих пленку побочных продуктов реакции. Ско-
рость роста окисла по этой реакции зависит от концен-
трации кислорода и моносилана в газовой фазе (рис.
16-17) и скорости газового потока.
Слои нитрида кремния, полученные по реакции ГО,
обладают хорошими физическими характеристиками, что
позволяет применять их в технологии ИМС. Слои А12О3
могут осаждаться по реакции 8, однако они практи-
чески не используются в технологии полупроводнико-
вых ИМС.
300
Травление диэлектрических слоев осуществляется для
создания заданного рисунка маски, для чего используют-
ся различные травители.
Для травления двуокиси кремния обычно применя-
ются растворы плавиковой кислоты.
Скорость роста, отоа/га., т п м / м и н
Рис. 16-17. Зависимость скоро-
сти роста окисла при реакции
между SiH4 и О2 от скорости
потока SiH< и О2.
Рис. 16-18. Зависимость скорости
травления слоя двуокиси кремния
от концентрации HF при 25°С.
На рис. 16-18 показана зависимость скорости травле-
ния термически выращенной SiOs от концентрации HF
в растворе при 25СС и фиксированной скорости переме-
шивания раствора. Скорость травления сильно зависит от
температуры. При нагреве травителя от 0 до 50°С эта
скорость увеличивается в 10 раз.
301
Глава семнадцатая
ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ
БИПОЛЯРНЫХ И МДП ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМ
17-1. Конструктивно-технологические особенности
полупроводниковых биполярных и МДП интегральных
микросхем
Основным элементом биполярной ИМС является би-
полярный кремниевый транзистор (обычно п-р-п), благо-
даря которому и получила название сама ИМС этого
типа. Одна из типовых структур такого транзистора,
а также резистора и диода показана на рис. 17-1.
Резисторы в интегральных полупроводниковых микро-
схемах (ИПМС) получают путем создания высокоомных
слоев в толще монокристаллического кремния. Сопротив-
ление такого резистора зависит от профиля концентрации
примеси, глубины диффузии и геометрических размеров
диффузионного участка.
Конденсаторы в ИПМС бывают двух типов: диффузи-
онный конденсатор (рис. 17-2,а), в качестве которого
используется емкость р-п перехода и тонкопленочный
конденсатор (рис. 17-2,6), который изготавливается на
специальных участках поверхности кремниевой подлож-
ки. При этом в качестве диэлектрика используется дву-
окись кремния, полученная на этих участках подложки
окислением или осаждением. Второй обкладкой конден-
сатора служит алюминиевый слой. При толщине слоя
SiC>2, равной 0,08 мкм, емкость составляет 0,25 пФ на
Рис. 17-1. Структура биполярной кремниевой интегральной микро-
схемы.
' — подложка Р-типа; 2 —биполярный транзистор; 3 — диффузный резистор’
4 — диод, созданный замыканием областей базы и коллектора.	’
302
660 мкм площади меФаллической пленки. Максимальное
рабочее напряжение 20 В.
Диоды в ИПМС создаются обычно двух типов: с низ-
ким пробивным напряжением, эквивалентным переходу
Рис. 17-2. Структура конденсаторов для биполярных ИМС.
а — диффузионный конденсатор, использующий емкость перехода; б — эквива-
лентная схема диффузионного конденсатора при параллельном включении;
в — пленочный конденсатор типа металл — окисел — кремний (МОП); 1 — верх-
няя обкладка; 2 — вывод нижней обкладки; <3 — изолирующий р-п переход; 4 —
слой кремния р-типа; 5— подложка л-типа; 6 — нижняя обкладка из кремния
я+-типа.
эмиттер — база в транзисторе, и со средним пробивным
напряжением, эквивалентным переходу коллектор —
база.
Основой МДЦ (металл — диэлектрик — полупровод
ник) ИМС является полевой транзистор.
Напряжение подается на
два электрода: сток и исток.
Ток в таком приборе опре-
деляется напряжением, по-
даваемым на электрод за-
твора. На рис. 17-3 показа-
ны статические характери-
стики идеального МДП
транзистора. Основные преи-
Рис. 17-3. Вольт-амперные ха-
рактеристики идеального тран-
зистора со структурой ме-
талл — диэлектрик — полупро-
водник.
/с — ток стока; Vc — напряжение
стока; V8 — напряжение на затворе.
мущества этих транзисторов
заключаются в более про-
стой технологии их изготов-
ления и меньших размерах
по сравнению с биполярны-
303
ми за счет отсутствия изолирующих областей. Резисто-
ры в МДП ИМС создаются простым замыканием элек-
тродов истока и затвора.
Основной недостаток МДП ИМС — их меньшее бы-
стродействие по сравнению с биполярным.
Рис. 17-4. Электрические схемы некоторых логических элементов.
а — электрическая схема биполярной ИМС (диодно-транзисторная логика
с промежуточным усилительным каскадом); б — электрическая схема МДП
ИМС (усилительный каскад на МДП транзисторах).
7
4)
2 S 4	1
а)
Рис. 17-5. Топология ИМС.
а — топология биполярной ИМС; 1, 2, 3, S — вход; 6 — земля; 7 — выход;
8 — наиболее положительный потенциал. В точке А переход коллектор — база
входного диода закорочен; в точке Б изолированная область с резисторами
соединена с наиболее положительным потенциалом; в точке В подложка
соединена с наименее отрицательным потенциалом (земля); б—топология
МДП триггера: /—I — вход. 2—3 — выход.
304
На рис.. 17-4,а показан пример электрических схем би-
полярной ИМС диодно-транзисторного логического эле-
мента НЕ-И, а на рис. 17-4,6 — электрическая МДП
ИМС, состоящая из МДП транзисторов. На рис. 17-5 по-
казаны примеры расположения (топологии) элементов
этих схем.
Рис. 17-6. Набор фотошаблонов для фотолитографии.
/ — для создания скрытого слоя; 2 — для проведения диффузии в изолирую-
щую область и область базы р-тИпа (совмещены); 3 — для проведения диф-
фузии p-типа (области эмиттера); 4 — для создания <окон> под омические
контакты; 5 — для создания межсоединений.
Для изготовления биполярных ИМС с электрической
изоляцией компонентов р-п переходом необходимо иметь
шесть масок. Конфигурации шаблонов для биполярных
ИМС показаны на рис. 17-6. Первая маска используется
для получения скрытого слоя; она определяет границы
этого слоя; следующие используются для создания диф-
фузионного изолирующего канала р-типа и области ба-
зы, они состоят из узких полосок, отделяющих изолиро-
ванные области, рисунка областей базы и диффузионных
резисторов p-типа; третья маска используется при полу-
чении областей п+-типа для эмиттерных областей тран-
зисторов и диодов, а также контактных участков п+-типа
20—844	305
к коллекторным областям; четвертая маска используеФся
для образования окон в слое окисла для создания омиче-
ских контактов к нужным участкам приборов; пятая мас-
ка используется для создания рисунка межсоединений,
создаваемых металлизацией.
В первых фотошаблонах непрозрачные участки их
соответствуют областям в кремнии, в которых надо
провести диффузию или вскрытие окон в диэлектриче-
ском слое. В последнем фотошаблоне непрозрачные уча-
стки соответствуют областям, с которых металлическая
металлизация не удаляется.
Размер интегральной схемы приблизительно равен
4—5 мм2. Поэтому на одной пластине кремния диаме-
тром 60 мм можно разместить около тысячи интеграль-
ных схем с учетом размеров линий, наносимых для
скрайбирования. Размер контактных площадок в данном
случае должен быть не более 100X100 мкм2.
Все компоненты и контактные площадки должны на-
ходиться по крайней мере на расстоянии 50 мкм от линии
скрайбирования, ограничивающей наружные размеры
кремниевого кристалла. Ширина линии в свою очередь
должна быть около 75 мкм, чтобы обеспечивать отделе-
ние кристалла от пластины после проведения металлиза-
ции.
17-2. Основные этапы технологии биполярных
интегральных микросхем
' Опишем процесс получения биполярной п-р-п инте-
гральной схемы с изоляцией элементов при помощи р-п
перехода. Основным элементом такой схемы является
п-р-п транзистор (рис. 17-7).
Пластина кремния p-типа, отполированная до 14-го
класса чистоты, служит исходным материалом.
Наименование и последовательность операций показа-
ны в табл. 17-1.
Процессы эпитаксии, диффузии, окисления, фотолито-
графии, нанесения металлических слоев (металлиза-
ция) были рассмотрены во второй и третьей частях кни-
ги. Поэтому в данной главе мы считаем целесообразным
рассмотреть только пооперационную технологию, которая
поможет понять, как в технологической практике реали-
зуются рассмотренные ранее физико-химические про-
цессы.
306
Таблица 17-1
Наименование операций
Профиль структуры
Технологический процесс п-р-п биполярных
полупроводниковых ИМС
Определение качества используе-
мых кремниевых пластин
/j-типа после их полировки
Первоначальное окисление
Контроль на наличие пор и толщи-
ны окисла
Фотолитография для создания
скрытого коллектора
Диффузия для создания скрытого
слоя коллектора
Контроль поверхностного сопро-
тивления '
Снятие окисла
Осаждение эпитаксиального слоя
кремния п-типа
20*
307
Продолжение табл. 17-1
Наименование операций
Профиль структуры
Контроль толщины эпитаксиально-
го слоя и удельного сопротивле-
ния
Повторное окисление
Фотолитография под изолирующую
диффузию
Окисление, фотолитография и диф-
фузия, формирующая область
базы
Окисление и фотолитография для
создания области эмиттера (изо-
лирующая область не показана)
Диффузия для создания области
эмиттера и окисление
308
Продолжение табл. 17-1
Наименование операций
Фотолитография для создания оми-
ческих контактов
Металлизация алюминием
Фотолитография для создания меж-
соединений
Вжигание алюминия
Электрический контроль на функ-
ционирование
Скрайбирование
Сборка и отбраковка
Выявление отказов и отбраковка
Анализ отказов и введение коррек-
тив в технологический процесс
Профиль структуры
Все операции окисления производятся для того, что-
бы по имеющемуся набору фотошаблонов (масок) при
помощи фотолитографии вскрыть окна для проведения
последующих операций: диффузии, создания контактов и
др. Так, первое окисление и фотолитография определяют
начальные границы для диффузионной области и-типа
«скрытого слоя коллектора». Для первой диффузии
используется, как правило, мышьяк, который имеет коэф-
фициент диффузии, Меньший, чем фосфор, и поэтому по-
зволяет более свободно оперировать последующими теп-
ловыми циклами, которые проводятся при последующих
операциях эпитаксии, диффузии и окисления.
После диффузии для создания скрытого коллектора
окисел удаляется и на всей поверхности пластины соз-
309
дается эпитаксиальный слой n-типа. Этот слой легирует-
ся мышьяком или фосфором в процессе наращивания.
Удельное сопротивление этого слоя должно быть около
1 Ом-см, толщина — около 10—15 мкм.
Следующая операция — окисление поверхности и
травление окон для изолирующей диффузии, которая по
завершении будет состоять из замкнутых участков р+-ти-
па, простирающихся от поверхности кремния через эпи-
таксиальный слой n-типа к подложке исходного матери-
ала p-типа. После этой операции эпитаксиальные слои
n-типа будут изолированы друг от друга областями
p-типа: подложкой p-типа снизу и изоляционной р+-об-
ластью по сторонам.
Изолирующая диффузия обычно осуществляется дву-
мя этапами: первый — для введения примесей и создания
области высокой концентрации примеси; второй является
продолжительным циклом перераспределения, он должен
обеспечить проникновение бора, образующего р-п пере-
ход на достаточную глубину.
Повторное окисление во время перераспределения
изоляционного слоя облегчает маскирование для после-
дующей базовой диффузии. Эта операция часто разби-
вается на два отдельных тепловых цикла диффузии при-
меси p-типа. Нормальная глубина-перехода должна быть
в пределах 2—3 мкм.
Окисел, образовавшийся на поверхности пластины во
время перераспределения, служит в качестве маски при
последующей диффузии для создания эмиттера. Наибо-
лее часто в качестве примесей n-типа для создания эмит-
тера используется фосфор. Глубина р-п перехода регу-
лируется во время цикла перераспределения, так чтобы
оставить ширину базы 0,8—1,1 мкм. Для получения та-
кого профиля глубина диффузии эмиттера должна быть
1—2 мкм.
После создания областей п-р-п типа в структуре крем-
ния необходимо создать омические контакты алюминия
с кремнием в каждой области. Для этого вскрываются
окна под контакты и проводится металлизация алюмини-
ем, в результате которой алюминий покрывает кремний
в местах контактов. После вытравливания нужного ри-
сунка межсоединений производится вжигание алюминия
в кремний.
Каждый из названных процессов разбивается на ряд
элементарных операций, число и последовательность ко-
310
торых строго оговаривается технологическим маршру-
том (пооперационной технологией).
Очевидно, что нет необходимости описывать поопера-
ционные технологии всех процессов, используемых при
изготовлении ИМС, но приведенные примеры показыва-
ют, насколько сложны эти процессы и как много факто-
ров детерминированного и стохастического характера
влияют на точность их выполнения, а следовательно, и
на выход годных ИМС.
Пооперационный анализ технологического процесса
с позиций теории точности и стабильности качества про-
изводства ИМС является самостоятельным разделом тех-
нологии как науки и выходит за рамки темы настоящей
книги, поэтому здесь нами не рассматривается.
17-3. Технология МДП интегральных микросхем
Изготовление МДП ИМС основано на использовании
тех же технологических процессов, что и изготовление
биполярных ИМС, — это фотомаскирование, диффузия,
создание диэлектрического слоя (в частности, окисление)
и металлизация. Число операций при создании МДП
структуры меньше, чем при создании структуры для би-
полярных ИМС. Простота электрической изоляции эле-
ментов МДП позволяет увеличить число ИМС на одной
монокристаллической подложке.
Однако есть и определенные трудности в создании
МДП структур. Необходимо использовать более совер-
шенный диэлектрический слой, толщина и качество кото-
рого в МДП структурах определяют хорошую работу
этого класса приборов. Следовательно, в данном случае
сложная проблема совершенства структуры, особенно
поверхности, играет большую роль.
В табл. 17-2 показаны получаемые профили структу-
ры в процессе изготовления МДП транзистора (учебно-
лабораторный процесс).
Из табл. 17-2 видно, что для создания МДП ИМС
требуются четыре маски.
Основные трудности в производстве МДП ИМС свя-
заны с проведением прецизионных процессов окисления
и возможностью загрязнения поверхности границ полу-
проводник— окисел — металл примесями, особенно таки-
ми, которые могут вызвать увеличение эффективного за-
ряда и температурную нестабильность структуры ме-
талл— диэлектрик — полупроводник.
311
Таблица 17-2
-СР
to
Технологический (учебно-лабораторный) процесс изготовления МДП транзистора
Наямевоваяие операции
Профиль структуры после проведения операции; сечение по А—А
Объяснения к рисункам профиля
Входной контроль
подложек
Первое окисление
пластины
1 — кремниевая подложка
р-типа; .2 — слой окисла
Первое маскирование
и первое травление
3 — слой окисла; 5 —'область
стока; 6—область затвора^
7— область истока
Наименование операции
Второе маскирова-
ние и второе травле-
ние
Диффузия /7-типа
Третье травление
Со
СО
Продолжение табл. 17-2
Наименование операции
Второе окисление
Третье маскирование
и четвертое травле-
ние
Металлизация, чет-
вертое маскирова-
ние и пятое травле-
ние
Продол женив табл. 17-2
Профиль структуры после проведения операции; сечение по А—А
Объяснения к рисункам профиля
3 — новый слой окисла (ди-
электрика) толщиной 0,02 мкм
3 — маска для вскрытия окон
для омических контактов; 10—
окна под омические контакты
1 — подложка; 3 — окисел;
5 — сток; 6—затвор; 7 — ис-
ток; 8 — межсоединение; 10—
омические контакты; 11—диф-
фузионные слои jP-типа
Сопоставление количеств основных технологических
операций в технологии МДП и биполярных ИМС приве-
дено ниже.
Наименование процесса	Технология	Технология биполярных
или операции	МДП ИМС	ИМС
Число диффузий	Одно	Четыре
Количество фотолито-	Четыре	Четыре — шесть
графий Эпитаксия			Одна
Металлизация	Одна	Одна
Рассмотренная технология МДП ИМС с окисным
диэлектриком является основой многих существующих
технологических процессов. Несмотря на ряд присущих
ей недостатков, она остается наиболее простой (отрабо-
танной и воспроизводимой). Она позволяет получать-
МДП транзисторы с индуцированным каналом p-типа со
следующими электрофизическими параметрами: мини-
мальная эффективная длина канала А = 5ч-7 мкм, под-
вижность дырок в инверсионном слое цэфф=200 см2/ (В -с),
удельная плотность поверхностных состояний NS3 4Х
Х1011 см-2, чему соответствует пороговое напряжение
t/n = —3,5ч-4,5 В, пробивное напряжение р-п переходов
истока и стока f7np = 30 В, паразитное пороговое напря-
жение £/цр.>40 В, поверхностное сопротивление диффу-
зионных областей р3 = 50ч-100 Ом/квадрат (необходимо
отметить, что накопление бора в окисле в процессе окис-
ления и диффузии приводит к обеднению приповерхност-
ных областей и повышению pj.
Очевидным недостатком этой базовой технологии является на-
личие значительного (около 5 мкм) перекрытия электродом затво-
ра областей истока и стока на участках с тонким окислом, вызы-
вающее существенное увеличение емкости обратной связи затвор-
сток, емкости затвор — исток и снижение быстродействия схем.
Наличие такого перекрытия связано с формированием области ка-
нала в процессе трех различных фотолитографических операций,
что заставляет закладывать в фотошаблоны запасы на разбросы
и ошибки совмещения, фотогравировки и травления. Указанный
недостаток можно практически полностью устранить, применяя
ионное легирование, а также кремниевые и молибденовые затворы.
Базовый процесс позволяет получать на высокоомных под-
ложках n-канальные МДП транзисторы, работающие в режиме
обогащения, что предпочтительнее, так как подвижность электронов
в приповерхностных инверсионных слоях почти вдвое превышает
подвижность дырок [ц„=350—400 см2/(В-с)]. Однако это слож-
нее на границе окисел — кремний положительного заряда поверхно-
стных состояний, знак и величина которого практически не зависят
315
Рис. 17-7. Структура биполярного п-р-п транзистора в ИМС в мас-
штабе. Все размеры указаны в микронах.
/ — подложка р-типа; 2 — «скрытый коллектор»; 5— эпитаксиальный слой
л-типа; 4 — изолирующий р-л-переход; 5 —слой окисла толщиной 1 мкм;
6— эмиттер л+'Типа; 7 — база р-типа; 8— коллектроный контакт л+-типа.
от типа проводимости и уровня легирования материала подложки.
В результате в n-канальных приборах при нулевом напряжении на
затворе может иметь место инверсия проводимости и образование
встроенного канала. Увеличение же концентрации примеси в р-под-
ложке для компенсации влияния положительного поверхностного
заряда- приводит к падению подвижности электронов и дополнитель-
ному уменьшению эффективной крутизны прибора.
Процесс термического формирования и стабилизации затвор-
ного окисла является достаточно критичным, а сам окисел — чув-
ствительным к загрязнениям, которые могут быть внесены на всех
этапах между формированием окисла и напылением алюминия.
Для создания приборов с улучшенными характерис-
тиками были предложены усовершенствованные техноло-
гические процессы, которые будут рассмотрены в гл. 18.
 Можно наметить следующие пути ликвидации недо-
статков технологии МДП ИМС и повышения качества
МДП приборов: снижение порогового напряжения; устра-
нение или сведение к минимуму паразитных перекрытий
затвор —сток и затвор — исток, уменьшение размеров
диффузионных областей, уменьшение длины канала,
использование для затворов диэлектриков с повышенной
электрической прочностью и стабильностью.
316
б принципе МоЖНо Применись полупроводниковый Ма-
териалы с более высокой подвижностью носителей GaAs,
однако для них пока не отработаны достаточно хорошо
методы маскирования и стабилизации поверхности.
Глава восемнадцатая
НОВЫЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ НАПРАВЛЕНИЯ
В ПРОИЗВОДСТВЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ
ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМ
18-1. Полупроводниковые интегральные микросхемы
на пассивных подложках
Изготовление ИМС на диэлектрических подложках
является одним из наиболее перспективных направлений
в технологии как биполярных, так и МДП ИМС. '
Пассивная часть таких ИМС в зависимости от постав-
ленных требований может изготавливаться или напыле-
нием элементов, или в едином технологическом цикле
с кремниевыми диодами и транзисторами.
Хорошо известно, что собственное предельное быст-
родействие МДП транзисторов, определяемое процессом
установления тока в канале, очень велико, а относительно
низкое быстродействие МДП схем (на 2—3 порядка
меньшее предельного) объясняется наличием в них зна-
чительных паразитных емкостей перекрытия, стоковых и
истоковых р-п переходов и соединительной металлизации.
Весьма эффективным технологическим методом уменьше-
ния паразитных емкостей в МДП схемах является при-
менение изолирующих термостойких монокристалличе-
ских подложек из сапфира или шпинели, на поверхности
которых выращивается тонкий (1 мкм) эпитаксиальный
слой монокристаллического кремния (кремний на сапфи-
ре КНС). Отдельные МДП транзисторы формируются
в вытравленных в этом слое, изолированных друг от дру-
га островках, что позволяет уменьшить паразитные связи
между отдельными компонентами.
Рассмотрим изготовление ИМС на изолирующих сапфировых
подложках на примере создания транзистора. Процесс начинается
с тщательной механической и химической обработки сапфировой
подложки. Затем на гладкой поверхности выращивается высокоом-
ный эпитаксиальный слой монокристаллического кремния р-типа
толщиной 1 мкм, в котором с помощью фотолитографии и селек-
317
Тивного травления формируются изолированные островки под от-
дельные транзисторы. Над стоковыми и истоковыми областями
будущих р-канальных приборов осаждается слой окисла, легиро-
ванного бором, а над стоковыми и истоковыми областями п-каналь-
ных — слой окисла, легированного фосфором- После этого пластина
помещается в печь, в которой при температуре 1100°С проводится
одновременная диффузия примесей обоих типов на всю глубину
кремниевого слоя и выращивание защитного окисла. Затем осу-
ществляется одновременно вскрытие окон под диэлектрик затвора,
термическое окисление области затвора, напыление алюминия и
фотолитография для создания электродов и соединительных про-
водников.
В структурах на изолирующей подложке (КНС) удается по-
лучить значительное уменьшение емкостей р-п переходов. Значи-
тельно упрощается и сам технологический процесс изготовления
структур, так как отпадает проблема изоляции разнотипных при-
боров. Значительно (почти в 20 раз) уменьшается площадь крем-
ниевой основы, а вместе с тем число дефектов в окисле и замы-
каний в соединительных шинах, что способствует повышению про-
цента выхода годных. Быстродействие таких МДП ИМС превы-
шает быстродействие приборов, получаемых всеми другими техно-
логическими методами.
Однако технология интегральных микросхем на изолирующих
сапфировых подложках имеет ряд недостатков:
высокая стоимость сапфировых подложек и их прецизионной
обработки;
значительное повышение концентрации структурных дефектов
в эпитаксиальной пленке из-за различия в кристаллических струк-
турах сапфира и кремния;
загрязнение кремния при высокой температуре алюминием и
кислородом, входящими в состав сапфира;
наличие вертикальных ступенек высотой до 1 мкм, усложняю-
щих формирование непрерывных и надежных соединительных
алюминиевых шин.
В ряде случаев вместо сапфировых подложек применяются
подложки из кристаллической шпинели, структура которой более
близка к структуре кремния. Кроме того, шпинели дешевле, а так-
же значительно меньше загрязняют кремний по сравнению с сап-
фиром.
Таблица 18-1
Размеры некоторых элементов кремниевого транзистора на
сапфире (КНС)
Название элемента	Периметр, см	Площадь, см1	Толщина слоя, мкм	Концентрация примесей, см'»
Эмиттер	ю-1	б-Ю"4	0,5	10'»
База	2,8-10-'	45-Ю-4	0,5	10'8
Коллектор	2,8-10-'	45-Ю-4	1,0	10'6—10'7
Контакт к коллектору	—	5-Ю-4	1,0—2,0	—
Контакт к базе	—	190-Ю-6				
Контакт к эмиттеру	—	160-10"6	—	—
318
Чтобы металлические слои не разрывались на мезаструктурах,
после напыления осуществляют электрохимическое осаждение ме-
талла. Некоторые конструктивные параметры описанного транзи-
стора приведены в табл. 18-1.
Технология ИМС на изолирующих подложках не нашла пока
широкого применения в массовом производстве из-за дороговизны
изделий, а также целого ряда технологических трудностей. Однако
по мере снижения _ стоимости подложек и повышения качества и
воспроизводимости процесса эпитаксии преимущества этой техноло-
гии в отношении быстродействия схем должны проявиться в полной
мере, что позволит ей занять ведущее место в ряду наиболее про-
грессивных технологий массового производства ИМС и БИМС.
18-2. Технология комплементарных МДП структур
( Одним из способов существенного повышения быстродействия
логических МДП ИМС, которые базируются на стандартной техно-
логии, является создание комплементарных МДП структур, в со-
став которых входят МДП транзисторы с каналами р- и п-типов,
сформированные на общей подложке и работающие в режиме обо-
гащения (с индуцированным каналом). Логические ИМС на комп-
лементарных МДП структурах характеризуются малым потреблени-
ем мощности в статическом режиме, высокими быстродействием и
помехоустойчивостью, достигающей 40% напряжения питания схе-
мы. Электрическая схема комплементарной пары МДП транзисто-
ров (комплементарного инвертора) приведена на рис. 18-1,а, а упро-
щенная физическая структура — на рис. 18-1,6. Уникальные элек-
трические характеристики комплементарных МДП ИС (быстродей-
ствие, потребляемая мощность, помехоустойчивость) определяются
принципом их построения. В стационарном состоянии один из
транзисторов всегда закрыт (находится в режиме отсечки кацала),
поэтому величина тока стока открытого транзистора определяется
токами утечки одного из стоковых р-п переходов и составляет при
нормальной температуре единицы наноампер, что обеспечивает
мощность рассеяния в статическом режиме порядка 10~8 Вт на
Рис. 18-1. Электрическая схема (а) и структура (б) комплементар-
ной МДС ИМС.
I — р-канальный транзистор; 2 — л-канальный транзистор; 3 — металлизация;
4 — окисел,
319
один инвертор. При этом соотношение геометрических размеров
транзисторов никак не влияет на логические уровни, что позволяет
изготавливать приборы с примерно одинаковыми значениями кру-
тизны и благодаря этому получать симметрию фронтов и задержек.
Технологический процесс изготовления комплементарных МДП
структур с окисным диэлектриком показан на рис. 18-2. Процесс
начинается с формирования в подложке n-типа диффузионного
«кармана» p-типа, служащего в дальнейшем подложкой для «-ка-
нального транзистора (рис. 18-2,а). После этого с помощью диф-
фузии бора в «-подложку формируются стоковая и истоковая
Рис. 18-2. Основные этапы технологии изготовления комплементарных
МДП приборов.
а — создание диффузионного кармана p-типа; б — создание транзисторных
МДП структур с каналами p-типа; в — создание транзисторных МДП структур
с каналами л-типа; г — формирование окисла затвора; д — создание электро-
дов и межсоединений; / — окисел: 2 — подложка кремниевая л-типа; 3 — диф-
фузионный карман р-типа; 4 — области стока и истока p-типа для р-каналь-
ного транзистора; 5 — области истока и стока л-канального транзистора; 6 —
алюминиевая металлизация для создания затворов и межсоединений.
области n-канального транзистора (рис. 18-2,6), а с помощью диф-
фузии фосфора в р-карман— стоковая и истоковая области р-ка-
нального транзистора (рис. 18-2,в). Затем в обоих приборах вскры-
ваются' окна под окисел затвора, который выращивается терми-
чески одновременно в обеих структурах (рис. 18-2,а). Затем
вскрывают контактные окна к диффузионным областям и подлож-
кам и формируют соединительную металлизацию (рис. 18-2Д).
Описанный метод базируется на базовой МДП технологии, од-
нако он сложнее и включает три операции диффузии и шесть опе-
раций фотолитографии, Поэтому комплементарные МДП приборы
характеризуются меньшим процентом выхода годных и более вы-
сокой стоимостью. В комплементарных МДП ИМС общая площадь
структуры заметно увеличена вследствие необходимости формирова-
ния глубоких диффузионных «карманов» p-типа. Для получения
320
n-канальных транзисторов, работающих'в режиме обогащения с по-
роговым напряжением около 2 В, требуется выдержать концент-
рацию бора в приповерхностной области «кармана» на уровне
(2ч-5)1016 см~3, что необходимо для компенсации влияния поло-
жительного заряда в окисле. Это довольно сложная задача, так:
как в процессе высокотемпературной обработки происходит диф-
фузия бора в окисел и обеднение приповерхностных слоев полу-
проводника. В результате, несмотря на все преимущества комп-
лементарных МДП ИМС (в том числе быстродействие, достигаю-
щее 40 МГц, и малое потребление мощности), они находят в на-
стоящее время относительно ограниченное применение и исполь-
зуются главным образом в тех случаях, когда стоимость изделий
не имеет существенного значения (например, в военной и космиче-
ской электронике).
Некоторые изменения в технологии комплементарных МДП
ИМС позволяют уменьшить трудности, их производства. В частно-
сти, можно для формирования «карманов» p-типа для я-канальных
транзисторов использовать эпитаксию кремния p-типа в предвари-
тельно вытравленных углублениях. Это позволяет получить р-об-
ласть с практически постоянной по глубине концентрацией бора
и уменьшить степень его перераспределения во время высокотем-
пературной обработки.
Известен процесс изготовления комплементарных МДП ИМС
на высокоомных подложках с почти собственной проводимостью.
Однако при этом необходимо подгонять пороговое напряжение-
n-канальных приборов для обеспечения их работы в режиме обога-
щения, используя, например, А12О3, что также усложняет процесс.
С целью упрощения технологии комплементарных МДП ИМС
успешно применяют изолирующие подложки из сапфира или
шпинели.
18-3. МДП интегральные микросхемы с многослойным
диэлектриком
В стандартных МДП транзисторах в качестве диэлек-
трика затвора используется основной окисел, получен-
ный' термическим окислением кремния. Однако этот
диэлектрик проницаем для ионов щелочных металлов,
вносимых во время технологической обработки пла-
стин и являющихся источником нестабильностей и не-
контролируемого временного дрейфа электрических
параметров прибора, в частности порогового напряже-.
ния. Кроме того, двуокись кремния обладает сравнитель-
но невысокой диэлектрической проницаемостью (е«4),.
а ее толщина не превышает I—2 мкм. Эти недостат-
ки окисного диэлектрика послужили стимулом ДЛЯ;
поиска новых диэлектрических материалов для затвора;.
21—844	321;
Перспективными материалами для применения в ка-
честве вторых диэлектрических слоев затвора являются
аморфные нитрид кремния Si3N4 (е=7,5) и А12О3(е=9).
Нитрид кремния используется благодаря его высокой
пассивирующей способности, обусловленной существенно
меньшей (на несколько порядков) по сравнению с SiO2
проницаемостью ионов натрия. Пассивирующая спо-
собность нитрида настолько высока, что позволяет изго-
тавливать высокостабильные МДП ИМС в пластмассо-
вых корпусах. Одновременно увеличение диэлектрической
проницаемости диэлектрика (почти вдвое) заметно сни-
жает пороговое напряжение (на 1 —1,5 В) и повышает
удельную крутизну транзистора. Диэлектрическая проч-
ность нитрида кремния также высока.
В первых экспериментах по созданию МДП транзис-
торов с нитридным диэлектриком его наносили непосред-
ственно на открытую протравленную поверхность крем-
ния. Однако вскоре было обнаружено, что при этом на
границе раздела нитрид — кремний при подаче на затвор
больших (порядка 30 В) напряжений могут находиться
и удерживаться после снятия напряжения неподвижные
заряды соответствующих знаков, захватываемые гранич-
ными энергетическими состояниями. Такое явление вы-
зывает неоднозначность порогового напряжения прибора
и гистерезис, устранить которые удалось, формируя ди-
электрик затвора в виде сандвича, полученного осажде-
нием слоя нитрида на термически выращенный слой дву-
окиси кремния толщиной около 0,05 мкм. При этом пол-
ностью исключается возможность проникновения зарядов
из объема полупроводника к границе нитрид — окисел и
их захват. Пассивирующая способность нитрида в этом
случае полностью сохраняется, а эквивалентная толщина
диэлектрика затвора, приведенная к толщине окисла,
уменьшается по сравнению с базовой технологией при-
мерно в 1,5 раза. Плотность поверхностных состояний
в таком диэлектрике также несколько ниже, чем в чис-
том окисле.
Нежелательный и вредный для обычных МДП тран-
зисторов гистерезис порогового напряжения оказался
весьма полезным для создания новых приборов — запо-
минающих МНОП транзисторов (со структурой ме-
талл — нитрид — окисел — полупроводник), обладающих
свойством долговременной малоразрушаемой памяти.
В таких приборах промежуточный слой окисла обычно
322
делается достаточно тонким (порядка 0,002 мкм), что
существенно облегчает накопление и удаление зарядов
на границе Si3N4 — SiO2 при подаче соответствующих
напряжений на затвор прибора. МНОП приборы могут
иметь два устойчивых состояния с существенно различа-
ющимися пороговыми напряжениями, например —2 и
+ 12 В, которые могут сохраняться в течение длительного
времени (до нескольких лет). ПереключениеМНОПтран-
зисторов из одного состояния в другое осуществляется
подачей на затвор импульсов соответствующей полярнос-
ти с амплитудой 30—40 В. Такие приборы могут быть
использованы для создания оперативных запоминающих
устройств и электрически перестраиваемых постоянных
ЗУ. При этом хранение одного бита информации выпол-
няет один МНОП транзистор, что позволяет значительно
повысить плотность размещения элементов на кристалле
и уровень интеграции.
Один из существенных недостатков технологии изго-
товления МДП ИМС с нитридным диэлектриком — слож-
ность контроля процесса осаждения нитридной пленки и
связанная с этим опасность ее загрязнения кислородом,
в результате чего образуется аморфная нитридно-окис-
ная смесь с неконтролируемыми свойствами. Однако при
тщательном проведении процесса удается получать ка-
чественные пленки нитрида с хорошей воспроизводи-
мостью. Поэтому технология нитридных диэлектриков
достаточно широко применяется в производстве МДП
ИМС как сама по себе, так и в сочетании с другими тех-
нологическими модификациями, однако проблема полу-
чения высокого процента выхода годных для нитридной
технологии еще не решена до конца.
Применение окисла алюминия А12О3 (алунд) в ка-
честве диэлектрика под затвор обусловлено его способ-
ностью создавать на границе с окислом неподвижные
отрицательные заряды, что позволяет изготавливать
п-канальные МАОП транзисторы (со структурой металл
— алунд — окисел — полупроводник), работающие в ре-
жиме обогащения (с индуцированным каналом)с порого-
выми напряжениями около +1 В. Интегральные микро-
схемы на основе структуры металл — диэлектрик — полу-
проводник, изготовленные с применением окисла алюми-
ния, обладают большей стабильностью при воздействии
температуры. Однако до настоящего времени А12О3 не
нашел широкого применения в массовом производстве
21*	323
МДП приборов вследствие сложности процесса его оса-
ждения и обработки.
18-4. Технология изготовления МДП интегральных
микросхем двойной диффузией
Метод изготовления МДП ИМС двойной диффузией
позволяет увеличить их быстродействие, что и открывает
для МДП ИМС доступ в СВЧ диапазон. В зарубежной
литературе эти приборы (названные Д/МДП ИМС), изго-
тавливаются с помощью двойной диффузии, проводимой
так, что диффузия осуществляется дважды в одно и то
же отверстие в пленке окисла; это позволяет просто соз-
давать каналы длиной около 1 мкм.
СВЧ МДП структуры должны иметь длину канала
около 1 мкм. Поэтому при использовании обычных тех-
нологических методов требуются металлизированные
электроды затворов примерно такого же размера. Но для
изготовления приборов со столь малой длиной затвора
требуется применять прецизионные методы фотолитогра-
фической обработки. Более того, для логических ИМС
[высокое быстродействие требует также точного проведе-
ния операций легирования и диффузии. В Д/МДП тран-
зисторах длина канала составляет около микрона, а от-
верстия в окнсле и ширина металлизированных областей
могут быть не более 8 мкм. Для создания таких элемен-
тов нужны те же методы, которые используются в обыч
ной технологии ИМС на биполярных структурах.
Высокие параметры Д/МДП транзисторов определяются непо-
средственно методом создания канала. На рис. 18-3 сопоставлены
Рис. 18-3. Схема транзисторной структуры, изготовленной типовым
МДП процессом и методом двойной диффузии.
а — обычная МДП структура: / — область истока; 2 — направление диффузии
примесей; 3 — окисел: 4 — область стока; 5 — подложка p-типа; L — длина
канала; б — МДП структура, полученная двойной диффузией: / — область
р-тнпл: 2 — область истока л-типа; 3-окисел; 4 - область стока: 5 — подлож-
ка п типа: AZ. — участок дрейфа.
124
йойеречйые сеЧения обычного МДП транзистора с каналом п-тина
и Д/МДП транзистора. Поскольку частотный предел или быстро-
действие любого МДП транзистора обусловлены в первую очередь
длиной канала L и паразитной емкостью С„ и при их уменьшении
повышаются, то уменьшение L. приводит к снижению времени про-
лета носителей между истоком и стоком, а уменьшение Сп позволяет
уменьшить время заряда. В любом МДП транзисторе существуют
паразитная емкость между затвором и стоком (С3.с) иногда, на-
зываемая емкостью обратной связи, и емкость между затвором и
ИСТОКОМ (Сз.и).
В обычных МДП транзисторах получение малых L связано,
как правило, с увеличением паразитной емкости, так как расстоя-
ние между истоком и стоком определяет величину диффузии в бо-
ковом направлении под областью затвора, необходимую для по-
лучения заданных L, а затем области боковой диффузии, которые
сильно легированы, обусловливают большие величины Са.и и С’з.с-
Паразитные емкости можно уменьшись, используя метод ион-
ного легирования или изготовлением МДП структур с кремние-
выми затворами, которые обеспечивают сЗмосовмещение и умень-
шают перекрытие между областью затвора и областями стока и
истока. Процесс изготовления Д/МДП структур с помощью двой-
кой диффузии позволяет избавиться от всех этих проблем и создать
прибор с точно регулируемой величиной L в пределах менее 1 мкм,
минимальной величиной Са.и и очень малой емкостью обратной
связи С’з.с- Как показано на рис. 18-3, канал в этих приборах пред-
ставляет собой узкую область, заключенную между двумя обла-
стями противоположного типа проводимости. Эта область созда-
ется последовательной диффузией двух легирующих примесей
разного типа проводимости под край одного отверстия в маскирую-
щей пленке окисла, вытравленного над областью истока. Как толь-
ко край этого отверстия создан, самая ответственная величина L
является функцией только режимов диффузии. Ошибки маскирова-
ния, экспозиции и травления исключаются. Поскольку граница
одной диффузионной области повторяет границу другой, величи-
на L определяется по существу теми же факторами, что и толщи-
на базовой области в биполярном транзисторе.
В типовой технологии МДП ИМС длина канала определяется
диффузией в боковом направлении. Но при этом получение корот-
ких каналов приводит к возникновению (большой паразитной емко-
сти вследствие перекрытия областей. В Д/МОП ИМС примеси про-
никают в боковом направлении на значительно меньшее расстоя-
ние, даже если создаются структуры с очень короткими каналами.
По этой причине (а также потому, что паразитная емкость вслед-
ствие перекрытия о (мастей создается только на истоковой стороне
МДП структуры) величина этой емкости может быть доведена до
минимума.
Технология двойной диффузии позволяет получить каналы
длиной от 0,4 до 2,0 мкм даже при сравнительно нестрого контро-
лируемых диффузионных режимах, которые применяются для изго-
товления биполярных структур, тогда как при обычной МДП тех-
нологии качество шаблонов, колебания режимов экспозиции и
травления могут сильно влиять на длину капала, изменяя ее на
величину до 1 мкм или более. Поэтому обычные МДП ИМС имеют
длину канала 5 мкм и не могут конкурировать по быстродействию
с биполярными структурами.
22—844	325
транзистора аналогичен при,
зистора. Число носителей в
Рис. 18-4. Основные этапы изготовле-
ния МДП транзисторных структур
ИМС методом двойной диффузии.
з— исходная пластина с окислом: 1—
кремниевая подложка «-типа; 2 — окисел;
б — диффузия для создания канала д-тнпа
(3); в — отверстия для создания областей
стока и истока (4); г — диффузия для со-
здания областей стока и истока (5); д —
отверстия для создания затвора (6); е —
выращивание окисла под затвор (7);
ж — создание отверстий для контактов и
металлизация; 8 — сток; 9, 11 — затвор;
Ю — исток: 12 — сток; IS — металлизация.
Технология изготовления Д/МОП
структур проиллюстрирована на
рис. 18-4. Вначале на подложке из
исходного материала с проводи-
мостью, например, n-типа выращива-
ют пленку окисла. Затем в ней вы-
травливают окна и проводят диффу-
зию акцепторных примесей на глу-
бину от 0,5 до 3,0 мкм с целью со-
здания канала.
Основная часть процесса диффу-
зии акцепторов проводится в инерт-
ной атмосфере, например в азоте или
аргоне.
Последующие этапы идентичны
базовой технологии изготовления
МДП структур, за исключением того,
что в приборах с двойной диффузи-
ей размеры и расположение электро-
дов затвора создают дополнитель-
ные преимущества.
Конструкция Д/МДП прибора
показана на рис. 18-5 (предполагает-
ся, что металлические электроды име-
ют одну и ту же ширину для попе-
речных сечений обеих конструкций).
Несмотря на различие в кон-
струкции, принцип- действия Д/МДП
типу действия обычного МДП тран-
канале регулируется напряжением,
приложенным между затвором и каналом, а их скорость опреде-
ляется напряжением, приложенным между истоком и стоком. Про-
изведение числа носителей на их скорость пропорционально току
стока. В приборах с каналом я-типа носители — это электроны,
поставляемые истоком; они проходят через канал с возрастающей
скоростью и проходят в обедненную область, откуда они в конце
концов собираются стоком. В приборе, изготовленном двойной диф-
фузией, длина канала настолько мала,- что даже малое напряже-
ние,- приложенное к нему, достаточно для ускорения носителей до
максимальной возможной скорости 14, называемой скоростью дрей-
326
фа, ограниченной рассеянием. При этом значении скорости носите*
лей быстродействие прибора достигает максимума.
В принципе одни и те же режимы двойной диффузии могут
быть использованы при изготовлении приборов в массивных крем-
ниевых пластинах и эпитаксиальных пленках и кремниевых плен-
ках на изолирующих подложках. Высокоомная часть прибора мо-
жет иметь проводимость п- и />-типа. 'В числе возможных техно-
логических методов для обеспечения самосовмещения могут быть
использованы ионное легирование, кремниевые затворы или струк-
туры металл — нитрид — окисел — полупроводник.
Рис. 18-5. МДП структуры, сформированные на подложках разного
типа.
а — подложка с эпитаксиальным слоем: 1 — подложка; 2 — эпитаксиальный
слой; 3 — окисел; 4 — исток; 5 — затвор; 6 — сток; 7 — область канала; б —
подложка из монокристаллического сапфира: / — подложка из монокристал-
лического сапфира или шпинели; 2 — эпитаксиальный слой кремния; 3 — оки-
сел; 4 — исток; 5 — затвор; 6 — сток; 7 — область канала.
Так как пороговое напряжение в Д/МДП структурах можно
задавать, контролируя распределение примесей в коротком канале,
то независимо от типа используемой подложки можно изготавли-
вать приборы, работающие как с обеднением, так и с обогащением
канала. Кроме того, благодаря возможности выбора различных
исходных подложек и диффундирующих примесей на одной и той
же пластине можно формировать ИМС, содержащие одновременно
прп биполярные транзисторы и Д/МДП структуры, обеспечивая
при этом сочетание ^наилучщих сторон обоих методов. Это пред-
ставляет интерес при создании схем управления индикаторами,
например, на светодиодах, где до последнего времени для форми-
рования управляющих сигналов использовались дискретные бипо-
лярные приборы.
В приборах на подложках p-типа обеспечивается изоляция
структур, и поэтому они лучше всего подходят для логических
ИМС. В этом случае, помимо структур с двойной диффузией, ра-
ботающих с обогащением канала, легко могут быть изготовлены
обычные структуры, работающие с обеднением и используемые
в качестве нагрузок. Благодаря этому могут быть созданы еще
более быстродействующие логические ИМС, чем в системах, по-
строенных только на структурах, работающих с обогащением. Кро-
ме того, если подложка p-типа обедняется, то легко могут быть
обеспечены, малая обратная связь и высокое рабочее напряжение.
На рис. 18-5,6 показана Д/МДП структура, изготовленная
в кремниевой пленке на изолирующей подложке. В такой Д/МДП
структуре, помимо высокого напряжения и быстродействия, обес-
22*	327
печиваемых в приведенной структуре, сводятся к минимуму пара-
зитные емкости, связанные с подложкой, что еще больше повышает
быстродействие.
Метод создания Д/МДП структур позволяет создать много
различных типов приборов на эпитаксиальных пленках (рис. 18-5,а).
Использование эпитаксиальных слоев кремния на сапфировых под-
ложках расширяет схемотехнические возможности Д/МДП инте-
гральных микросхем.
18-5. МДП интегральные микросхемы с кремниевым
затвором
Использование вместо алюминиевых затворов крем-
ниевых позволило повысить быстродействие ИМС и зна-
чительно снизить пороговые напряжения (до 0,4 3),
уменьшить почти вдвое площадь прибора. Основные от-
личия этой технологии от обычной МДП технологии за-
ключается в том, что вместо алюминия для создания
электродов затвора используется сильно легированный
поликристаллический кремний.
Рис. 18-6. Основные эта-
пы изготовления МОП
ИМС с кремниевыми за-
творами.
<г—выращивание окисла и
нанесение поликристалличе-
ского клемния; б — диффу-
зия бора для образооаиия
областей истока, стока и для
легирования кремниевого за-
твора; в—нанесение слоя
двуокиси кремния из крем-
нийорганических соединений,
маскирование и травление
окон под контакты; а — алю-
миниевая металлизация и
определение второго слоя
межсоединений; / — поли-
кристаллический кремний;
2 — окисел; 3 — кремниевая
подложка;	4 — диффузион-
ные слои; 6 — металличе-
ские контакты; б — конфи-
гурация прибора в плане.
Уменьшение размеров приборов с кремниевыми затворами при-
водит к повышению выхода годных благодаря возможности раз-
местить на пластине большее число схем. Поскольку число дефек-
тов на пластине остается неизменным, то соответственно меньшее
количество схем окажется бракованным.
328
При изготовлении ИМС с каналами д-типа и кремниевыми за-
творами, как и в случае обычных МДП ИМС, требуется четыре
операции маскирования. Исходным материалом служит пластина
кремния л-типа (рис. 18-6). Ее окисляют и в окисле вытравливают
окна для каждого МОП транзистора. После первой операции мас-
кирования выращивают тонкий слой окисла и всю пластину покры-
вают слоем поликристаллического кремния. Этот слой маскируют
и травят, в результате чего создаются области затворов и первого
слоя межсоединений. Затем стравливают слой окисла над буду-
щими областями стоков и истоков. Именно на этом этапе реали-
зуется то преимущество ИМС с кремниевыми затворами, которое
называется самосовмещением: роль маски выполняют участки, по-
крытые поликристаллическим кремнием. Они предохраняют окисел
над каналом от травления.
Следующий этап — диффузия бора для образования переходов
истока и стока. Одновременно поликристаллический кремний леги-
руется бором и превращается в. низкоомный материал p-типа, что
обеспечивает необходимую проводимость слоев из поликристалли-
ческого кремния.
Затем наносят еще один слой двуокиси 'кремния и проводят
вскрытие контактных окон к истоку, стоку и затвору. После этого
на всю поверхность наносят алюминий, который маскируют и тра-
вят для формирования второго слоя межсоединений и омических
контактов к областям приборов.
Процесс изготовления ИМС с кремниевыми затворами облада-
ет большими возможностями, че^ процесс создания обычных МДП
ИМС, так как в этом методе поликристаллический кремний и на-
носимый на него слой двуокиси кремния защищают тонкий слой
окисла над каналом. Это позволяет реализовать одно из пре-
имуществ ИМС с кремниевыми затворами — совместить изготов-
ление биполярных и МОП структур на одном кристалле с помощью
обычных методов.
Часть пятая
СБОРКА ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМ
Глава девятнадцатая
ТЕХНОЛОГИЯ СБОРКИ, МОНТАЖА,
КОНТАКТИРОВАНИЯ И ГЕРМЕТИЗАЦИИ
ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМ
19-1. Принципиальная технологическая схема сборки
интегральных микросхем
Операции сборки были и остаются наиболее трудоем-
кими в технологии ИМС, так как большинство из них
выполняется вручную. Если во всех предыдущих процес-
сах (напыление, фотолитография, диффузия, эпитаксия
и т. д.) применяются групповые способы обработки, то
при сборке оперируют с каждой ИМС отдельно. Очевид-
но, что резкое повышение производительности труда при
ручном манипулировании (под микроскопом) со столь
малыми изделиями практически невозможно. Поэтому
усилия последних лет были направлены на создание вы-
сокопроизводительного оборудования и были созданы та-
кие комплексы оборудования, которые автоматизировали
многие операции сборки. Вследствие этого в течение по-
следних 10—15 лет аппаратурно-технологические схемы
процессов сборки ИМС менялись неоднократно, тогда
как принципиальная технологическая схема процесса
сборки оставалась без изменения. Она включает следую-
щие операции: скрайбирование пластины, ломку пласти-
ны на отдельные кристаллы (чипы) *, содержащие ИМС;
• Часто такие элементы называют чипами от английского сло-
ва chip — кусок. Чип может содержать большое число активных
элементов, т. е. представляет собой бёскорпусную ИМС малого,
среднего или высокого уровня интеграции.
330
операции по подготовке чипов, корпусов и других дета-
лей к сборке; монтаж чипов; контактирование; гермети-
зацию. Кроме указанных операций осуществляется меж-
операционный контроль. Однако процессы межопера-
ционного контроля нами в данной книге не рассматри-
ваются.
Такая последовательность технологических операций
характерна как для гибридных, так и для полупроводни-
ковых ИМС. Однако важность их для этих типов ИМС
различна. Например, скрайбирование или резка — весьма
важные операции в технологии полупроводниковых
ИМС, являются малозначащими при изготовлении
ГИМС.
19-2. Монтаж активных элементов методами
совмещения
В понятие монтажа активных элементов входит уста-
новка и припайка (или приварка) к пленочной пассивной
части ИМС полупроводниковых приборов (транзистор,
диод или самостоятельная полупроводниковая интеграль-
ная микросхема. В зависимости от того, какие (жесткие
или гибкие) выводы имеют активные элементы, монтаж
их на плату с пассивными элементами ведется различны-
ми методами. В последние годы все шире используются
методы монтажа чипов с твердыми выводами, обеспечи-
вающие возможность широкой автоматизации процессов
сборки.
Независимо от применяемой технологии присоедине-
ния для этих методов всегда используется совмещение
контактных выступов на чипе с контактными площадка-
ми на плате, после чего производится соединение контак-
тов пайкой или сваркой.
Для успешной сборки гибридных ИМС необходимо вы-
полнить по крайней мере три условия: обеспечить воз-
можность удаления неисправного кристалла и его заме-
ну после электрических испытаний; собранная ИМС
должна выдерживать высокие температуры, возникаю-
щие в момент пайки или сварки при герметизации кор-
пуса; соединение чипа с платой должно обеспечивать на-
дежный электрический и механический контакт. Наибо-
лее распространенным методом монтажа является метод
«перевернутого кристалла»*, который заключается в бес-
* Этот способ получил название «флип-чип» или перевернутого
кристалла.
331
проволочном монтаже чипов путем расположения их ли-
цевой стороной к плате. При этом необходимо обеспечить
совмещение выводов чипа с контактными площадками
(рис. 19-1) пассивной части схемы, изготовленной на
плате.
Плата и чип отличаются по размерам. Площадь плат
обычно составляет несколько квадратных сантиметров,
тогда как размеры чипов обычно не превышают несколь-
ких квадратных миллиметров. Тем не менее совмещение
должно быть точным.
Рис. 19-1. Схема присоединения перевернутого чипа с шариковыми
выводами.
/ — керамическая подложка; 2 — контактная площадка; 3 — шариковый вывод;
4 — стеклянное покрытие; 5 — /г-р-гг транзистор; 6 — слой SiOs; 7—алюминие-
вая металлизация; 8 — припой; 9 — пленочный резистор: 10 — стекло; 11 —
хром; 12 — медь напыленная; 13 — золото; 14 — медь гальваническая, луженая.
Для простоты монтажа целесообразно контактные вы-
воды изготавливать несколько приподнятыми над по-
верхностью чипа с тем, чтобы избежать влияния неров-
ностей платы. Высота приподнятого вывода Н может
быть вычислена по формуле
Н	+ /12 + Л/l,
где ht и /12 — высоты неровностей чипа и платы соответст-
венно; ДЛ— максимальный разброс высоты выводов.
332
Высота выводов, обычно применяемых в технологии
ИМС, составляет для кремниевых чипов 3—5, для кера-
мических плат 18—20 и для стеклянных 8—-10 мкм. Диа-
метр выводов обычно не превышает 50—100 мкм.
Известно несколько технологических разновидностей
этого метода. Основными являются два: использование
шариковых и балочных выводов. Первый используется
главным образом для шероховатых, а второй для глад-
ких подложек.
Для монтажа чипов на плату с помощью медных ша-
риков последние покрываются припоем (лудятся). Диа-
метр шариков (рис. 19-1,а) должен превышать шерохо-
ватость платы в несколько раз и обычно бывает около
0,08 мм.
Шариковые выводы, выступающие над поверхностью
кристалла, присоединяются к контактным площадкам на
плате. После установки на свое место кристалл и плата
нагреваются и припой растекается по поверхности, лик-
видируя неровности и образуя спай. Сила поверхностного
натяжения припоя сдвигает кристалл в нужное положе-
ние даже в том случае, если первоначально он был уста-
новлен не совсем точно.
Неисправный кристалл с ИМС можно удалить при
помощи нагреваемой вакуумной присоски с разогретым
наконечником и новый кристалл установить на его место,
после чего припой вновь расплавляют и повторное при-
паивание осуществляют так же, как и первое. ,
Вместо шариков можно использовать балочные выво-
ды, которые методами металлизации и фотолитографии
создаются- в определенных местах кристалла.
В последние годы было предложено использовать
в качестве балочных выводов спаи индия с медью.
Индий, температура плавления которого 155°С, исполь-
зуется в данном случае как временный припой, обеспечи-
вающий контакт для проведения электрических испыта-
ний. После успешных испытаний вся плата нагревается и
индий, диффундируя в медь, образует сплав, температу-
ра плавления которого около 700°С. Такой спай остается
достаточно прочным при высоких температурах (500—
600°С). Балочные выводы, созданные в процессе метал-
лизации в местах омических контактов, должны на 200—
250 мкм выступать поверх кристаллов, которые монти-
руются (методом флип-чип) с контактными площадками
платы и помещаются в печь, где происходит припайка.
333
После охлаждения прочность соединения испытывается
«воздушным ударом» струей воздуха силой 25 кг/см2.
При этом каждый кристалл должен оставаться на месте.
Крепление кристаллов методом совмещения требует
точной установки выводов на контактные площадки, ко-
торая осуществляется под микроскопом. На рис. 19-2 по-
Рис. 19-2. Схема совмещения кристалла с контактными площадками
на подложке.
1— предметный столик; 2 — держатель подложки; 3 — подложка с пленочной
ИМС; 4 — микроскоп; 5 — вакуумный держатель кристалла: 6 — зеркало.
казаны схемы совмещения. Точность установок должна
быть в пределах 25 мкм.
Присоединение балочных выводов к контактным пло-
щадкам можно проводить как пайкой, так и сваркой.
В последнем случае часто используют ультразвуковую
сварку с частотой сигнала 60 кГц, мощностью 2 Вт, дли-
тельностью 0,3 с при усилии 175 г. Кристалл, смонтиро-
ванный при этих условиях, должен выдерживать ускоре-
ние 25 000 g.
Стоимость производства в промышленности обычно
такова, что затраты на сборку могут уложиться в нуж-
ные пределы, если в 1 ч будет получено не менее 300 год-
ных соединений.
К недостаткам ультразвуковых сварочных (УЗ) уста-
новок относится необходимость создания большого дав-
ления на чип для прикрепления его к подложке. Это дав-
ление может разрушать чип.
Принцип работы автоматической установки отражает
схема, приведенная на рис. 19-3. При автоматическом
334
режиме работы рабочий цикл начинается простым нажа-
тием педали. Из исходного положения чип, удерживае-
мый вакуумной присоской, опускается на плату. К нему
прикладывается «выравнивающая сила» для создания
первоначальной деформации. Затем давление слегка
уменьшается до величины,’ необходимой, чтобы удержать
чип в контакте с платой во
время передачи ультразву-
кового (УЗ) импульса энер-
гии на чип через наконеч-
ник инструмента. Сварочная
головка поднимается в ис-
ходное положение, движется
к кассете с чипами, зажи-
мает следующий чип и цикл
повторяется.
В процессе работы регу-
лируются с контрольной па-
нели: сила, зажимающая
кристалл, «выравнивающая»
сила, амплитуда и длитель-
ность импульса колебаний,
ход сварочного инструмен-
та по вертикали при опуска-
Рис. 19-3. Схема автоматиче-
ской ультразвуковой сварочной
установки (УЗСК).
/ — кассета с исходными кристал-
лами; 2 — перемещение вакуумного
держателя подложек, вмонтирован-
ного r наконечник ультразвуковой
установки; 3 —вакуумный держа-
тель; 4— путь следования кри-
сталла из кассеты к подложке; 5 —
подложка с пленочной ИМС; 6 —
держатель; 7 — предметный столик
установки.
нии на плату, высота подъ-
ема сварочного инструмента
и температура нагрева.
Установка УЗ сварки может
оснащаться подогреваемым
держателем плат, что позво-
ляет осуществить подачу
тепла при УЗ сварке либо
подачу УЗ энергии при термокомпрессионной сварке.
Для совмещения выводов в таких установках исполь-
зуется ИК микроскоп, использующий источник монохро-
матического инфракрасного (ИК) излучения с длиной
волны 1 мкм, в котором электронно-оптический преобра-
зователь (ЭОП) сдвигает излучение в видимую часть
спектра с длиной волны 0,5 мкм.
Сборка методом совмещения не свободна от техниче-
ских проблем. Одной из них является точная дозировка
энергии, необходимой для осуществления крепления; не-
достаточный подвод энергии может привести к плохому
контакту или выполнению лишь части соединений, остав-
335
ляя некоторые выступы неприсоединенными к контакт-
ным площадкам на плате, излишне большая энергия мо-
жет сдавить металлизацию настолько, что зазор исчез-
нет, вызвав замыкание, или приведет к растрескиванию
полупроводникового чипа. Остаточные механические на-
пряжения, возникающие в процессе операции сборки, мо-
гут привести к изменению, рабочих характеристик схем.
Рис. 19-4, Герметичный корпус с гибридно-пленочной ИМС. Вид со-
бранной ИМС в корпус.
1 — сварной шов; 2 — проволочный контакт, полученный ультразвуковой свар*
кой; 3 — активные элементы, смонтированные методом провернутого монтажа;
4 — керамическая подложка.
Необходимо, чтобы ТКР платы по возможности совпа-
дал с ТКР кремния. Если допустить значительную не-
согласованность в величине ТКР, то температурные изме-
нения могут вызвать растрескивание чипа или сдвиг и
обрыв контакта. Эта проблема особенно важна для боль-
ших интегральных схем. Если эти характеристики удает-
ся обеспечить, то сборка при помощи гибких проволоч-
ных выводов теряет все свои преимущества и становится
не конкурентоспособной с методами жесткого монтажа.
Метод монтажа совмещением позволяет комбиниро-
вать отдельные п-р-п и р-п-р структуры, полупроводнико-
вые стабилитроны, МОП приборы и другие специальные
элементы или объединять схемы в сложные подсистемы.
Такие подсистемы могут содержать несколько тысяч эле-
ментов, заключенных в один корпус. Такие изделия полу-
чили название «микросборки». Корпус интегральной мик-
росхемы должен обладать двумя качествами: низкой
стоимостью и оптимальной конструкцией. Такой вариант
корпуса приведен на рис. 19-4.
336
Корпус достаточно хорошо должен отводить тепло.
При изготовлении высоконадежных ИМС для военных
целей и космического оборудования предпочитают свар-
ные герметические корпуса. Такие корпуса удовлетво-
ряют техническим условиям (ТУ) на механические воз-
действия и на воздействия окружающей среды.
19-3. Технология создания контактов в интегральных
микросхемах методами пайки
После того как проведен монтаж ИМС, т. е. все ее
элементы смонтированы на подложке или на основании
корпуса, необходимо провести соединение контактных
участков между собой для создания надежных электри-
ческих и механических контактов. Соединение контакт-
ных участков между собой в технологии ИМС достигает-
ся пайкой или сваркой, а также комбинацией этих мето-
дов.
Под пайкой (мягкими или твердыми припоями) пони-
мают соединение металлов путем заполнения простран-
ства между ними тонким слоем расплава (припоя). Сое-
динение обеспечивается благодаря плотному контакту
между деталями, поверхностные слои которых растворя-
ются в указанном припое. Твердые припои плавятся при
температуре 425°С и выше; у мягких точка плавления ни-
же. В обоих случаях качество соединения и его физиче-
ские свойства определяются смачиванием на границе ме-
талл— расплав и поверхностным натяжением расплава.
Если на границе фаз образовались прочные связи, то
свойства соединения в целом определяются свойствами
заполняющего припоя.
В технологии ИМС пайку твердыми припоями исполь-
зуют редко, поэтому здесь мы ее рассматривать не будем.
Основы пайки мягкими припоями. Как и в других' ме-
таллургических процессах создания контактов, паяное
соединение образуется не спонтанно, а требует преодоле-
ния существующих всегда на поверхности металла барье-
ров. И припой и базовый металл могут быть покрыты,
окисной или неметаллической пленкой, а также загрязне-
ниями типа смазки или пыли, оседающих из окружаю-
щей среды. Если в случае холодносварных или сварных
соединений для борьбы с пленками или загрязнениями
применяют механические средства или сильный нагрев,
то в случае пайки для этой цели используют флюсы.
337
Как уже указывалось (см. гл. 6), в условиях равно-
весия справедлива формула, связывающая поверхност-
ные натяжения на границах фаз с контактным углом.
Если, однако, средой служит флюс, то вместо формулы
(6-2) справедливо другое соотношение:
<Ттп = СГдат 4" <Тжп cos 0,	(19-1)
где а™ — поверхностное натяжение между деталью и
флюсом; ажп — между жидким припоем и газовой фазой;
оЖт — между жидким припоем и флюсом. Если замена
газовой среды флюсом уменьшает контактный угол 0, то,
следовательно, флюс улучшает смачивание.
Способность припоя смачивать некоторую поверхность
характеризуется контактным углом 0. Угол 0 в 180° со-
ответствует полному смачиванию. Если припой до за-
твердевания приходит в равновесие и при этом в<90°,
то смачивание считается плохим, а качество соединения
будет невысоким. Может случиться и так, что после пер-
воначального смачивания и растекания припоя по по-
верхности баланс сил, описываемый формулой (19-1), из-
менится и припой соберется в шарик; в этом случае каче-
ство соединения будет невысоким. При углах 0>16О°
смачивание считается хорошим и качество соединения
будет удовлетворительным.
Таким образом, пайка будет удовлетворительной
лишь в том случае, когда с помощью флюса удалены
загрязнения и припой смачивает все соединяемые поверх-
ности. Если эти два условия не удовлетворены, то паяное
соединение, если и образуется, будет обладать плохими
механическими и электрическими свойствами.
Флюсы. Качество флюса зависит от его химической
активности, термической стойкости, температур актива-
ции и дезактивации и способности к смачиванию дета-
лей. Флюс должен обладать достаточной химической
активностью, чтобы взаимодействовать с неорганически-
ми загрязнениями, растворять или удалять их, образуя
чистую поверхность для припоя. Такое химическое воз-
действие флюс должен сохранять на протяжении всего
процесса пайки, чтобы предотвратить повторное загряз-
нение поверхностей. При температурах пайки флюс не
должен испаряться или разлагаться. Флюс должен начи-
нать действовать уже при температурах пайки, но при
этом он не должен дезактивироваться от случайных повы-
338
Шений температуры. Кроме того, флюс должен удалять
адсорбированные газы с поверхностей.
По химической природе флюсы можно подразделять
на неорганические и органические; последние в свою оче-
редь могут быть составлены на основе канифоли и без
канифоли. Неорганические кислотные флюсы, например
соляная кислота (НС1), обеспе'чивают быстрое удаление
окислов, но корродируют базовый металл. Неорганиче-
ские соли, например ZnCl2, также обеспечивают быстрое
удаление окислов, но имеют лишь ненамного меньшую
коррозионную способность. Из-за сильного коррозионно-
го действия и трудностей удаления остатков флюсов на
основе неорганических кислот и солей они не нашли
применения в технологии сборки ИМС, где надежно-
сти и долговечности приборов придается решающее
значение.
Органические флюсы, не содержащие канифоль, на-
пример молочная или лимонная кислоты, хлористоводо-
родный аналин или этилендиамин, термиче'ски нестойки,
вызывают коррозию и поэтому также не нашли приме-
нения в микроэлектронике. Флюсы на основе канифоли
получают из соснового сока, они представляют собой
смесь абиетиновой и пимариковой кислот. Благодаря
своему некоррозионному характеру эти флюсы широко
используются в радиоэлектронике, однако канифоль сама
по себе — далеко не первоклассный раскислитель. Пред-
принималось много попыток «активировать» канифоль-
ные флюсы путем введения добавок, которые усилили бы
их раскисляющее действие, однако эта цель противоре-
чит стремлению исключить коррозию и увеличить долго-
вечность соединений.
Припои. Чаще всего в качестве припоев используют
сплавы олова или свинца благодаря хорошему смачива-
нию и относительно невысокой стоимости. Эвтектический
сплав, содержащий около 63% массы олова, плавится
при 183°С — это наиболее легкоплавкий сплав в системе
олово — свинец. Все другие составы полностью расплав-
ляются при более высоких температурах и при охлажде-
нии проходят через жидкотвердое (пастообразное) со-
стояние. При использовании припоев неэвтектического
состава повышается опасность образования непрочного,
так называемого «замороженного» спая, который возни-
кает, если соединяемые поверхности перемещаются в тот
момент, когда припой находится в пастообразном состоя-
339
Нии. Такой спай имеет матовую поверхность и легко раз-
рушается.
По мере того как расширяется применение пайки для
пленочных материалов, номенклатура припоев становит-
ся все более разнообразной. По существу любой сплав
или элемент, способный смачивать некоторую поверх-
ность и затем затвердевать с образованием соединения,
может служить припоем. На рис. 19-5 приведена диа-
грамма, на которой указаны некоторые из используемых
сплавов. Помимо оловянно-свинцовых широко применяют
серебряные (для высоких температур), индиевые (для
промежуточных) и висмутовые припои (для низких тем-
ТпчнИ
плавления
Медь-золото
СллаВы
медь tpimpnp
Сп/юВы	(
алюминии-кремнии ।
'О/"!,. к и дм ил
5% /сребри
Ч'д'/., и,инка. С
5 /, liittun:-. -nib! '
~i-------
J' "
Yn/ietiM
.Сплавы
< мода-цинк
сдинец-cepeii -I
ро I
ОплиВы |
•jлибо -cBunt:(-
tiOll-
500
Сплибы
, кадмии -цинк
ЧОО
IСллабы
( олиди-
• серебро
СнлаВы
рт основе
индия
дилиВр! на
иг.ноВе
SllYMijmu
Рис. 19-5. Сплавы, используемые для пайки в технологии ИМС.
340
ператур). Серебряные припои особенно пригодны для
соединений серебряных или посеребренных деталей, по-
скольку оловянно-свинцовые припои обычно растворяют
в себе заметные количества серебра, изменяя характери-
стики.
Рассчитанные для промежуточных температур спла-
вы на основе индия широко применяются в качестве
припоев, поскольку они лучше смачивают поверхности
деталей, обладают более высокой электропроводностью,
более низкими температурами ликвидуса и большей пла-
стичностью. Индиевые припои широко используются
в тонкопленочной технологии, особенно там, где сущест-
вует опасность растворения золотых пленок. Помимо
температуры плавления следует учитывать также зави-
симость механической прочности соединений от типа при-
поя. Припой сам по себе является обычно наименее проч-
ным участком соединения, и чрезмерное напряжение
способно быстро вывести его из строя. Например, при
припаивании проволочек к выводам обычно его обвивают
проволочкой с тем, чтобы придать соединению механиче-
скую прочность, а припой выполняет лишь функцию
электрического контакта.
Попадающие в припой инородные материалы также
могут влиять на надежность соединения. Источниками
загрязнений могут быть металлические элементы, пере-
ходящие в припой из его контейнера, из инструментария
пайки и из соединяемых деталей. Цинк, алюминий и зо-
лото могут решающим образом повлиять на удельное
сопротивление припоя, способность его к растеканию и
температуру плавления. Неметаллические примеси, на-
пример сера и фосфор, сильно ухудшают смачивание;
окислы олова и свинца могут образовать включения
в затвердевшем припое, ухудшая смачивание и вызывая
шероховатость поверхности.
Одно из основных условий пайки — подвод к соеди-
няемым деталям некоторого количества тепла, достаточ-
ного для плавления и растекания припоя. Тепло для пай-
ки может переноситься теплопроводностью, конвекцией и
излучением; соответственно этому существует множество
различных устройств для пайки.
На использование теплопроводности основано дейст-
вие паяльников, установок для пайки волной припоя и
пайки посредством резистивного нагрева с расщеплен-
ным и со сдвоенным электродом.
341
Для современных тонкопленочных и печатных схем
применяют метод пайки волной припоя: стационарная
струя припоя из ванны подается насосом к месту соеди-
нения. Этот метод обеспечивает высокие скорости пайки,
благодаря чему ограничиваются подводимое к схеме теп-
ло и механические напряжения. Однако для изготовле-
ния воспроизводимых по свойствам соединений приходит-
ся тщательно контролировать состав расплавленного
припоя, поскольку в этом методе различные загрязнения
от соединяемых деталей легко растворяются в припое и
переносятся в ванну, изменяя таким образом состав при-
поя, следовательно, качество пайки.
В методе пайки посредством расщепленного электро-
да (или электрода с параллельным Зазором) —тепло ге-
нерируется в контактных сопротивлениях, а при пайке
сдвоенным электродом легко обеспечивается автоматизи-
руемый импульсный источник локального тепла.
Пайка микрогорелкой — пример процесса, основанно-
го на конвекционной подаче тепла к месту соединения.
В другом подобном методе к соединению направляют
поток нагретого газа (обычно инертного).
Подача тепла излучением используется в «инфракрас-
ном паяльнике» (рис. 19-6). Этот бесконтактный метод
нагрева обеспечивает быструю и точную пайку.
Во многих случаях желательно подводить к месту
соединения предельно малые или строго дозированные
количества припоя в тот момент, когда детали достигают
температуры пайки. Кроме
того, может оказаться, что
к моменту нагрева соедине-
ние недоступно для припоя.
В этих случаях можно до-
биться успеха применением
заготовок припоя. Такую
заготовку в виде частицы
специальной формы, обычно
покрытую слоем флюса, раз-
мещают на контакте соеди-
няемых деталей тацим об-
разом, чтобы по достижении
температуры пайки она рас-
плавилась и растекалась,
образуя соединение.
Если соединяемые дета-
Рис. 19-6. Схема аппарата для
пайки ИК лучевым нагревом.
/ — отражатель; 2 — место пайки;
3 — подложка; 4— лампа; 5 —
экран; 6 — держатель; 7 — столик.
342
ли слишком малы по размерам или хрупки, то иногда
применяют предварительное лужение. В этом случае де-
тали покрывают припоем в отдельности, приводят в кон-
такт и нагревают до образования соединения. Этот ме-
тод особенно пригоден, когда подводить припой
в момент нагрева затруднительно; еще одно достоинство
этого метода в том, что слой припоя в процессе хране-
ния деталей защищает их поверхность от окисления.
Эффективность паяльников и ванн можно повысить
с помощью ультразвуковой энергии. Колебания ультра-
звуковой частоты, воздействуя на расплавленный при-
пой, способствуют разрушению окислов или иных загряз-
нении и удалению их с со-
единяемых деталей. Такие
процессы настолько эффек-
тивны, что отпадает необхо-
димость во флюсах.
Припаивание проводниг
ков к тонким пленкам. Для
присоединения проводников
к тонким пленкам чаще
всего пользуются пайкой.
Это объясняется примени-
мостью ' пайки к относи-
тельно широкому кругу ма-
териалов, разнообразием ме-
тодов пайки, надежностью
паяных соединений и невы-
сокой стоимостью процесса.
Однако, чтобы воспользо-
ваться этими преимущества-
ми, важно учитывать особен-
ности соединения проводни-
ков с тонкими пленками.
Прочность связи между
припоем и деталью обычно
ниже прочности самого ме-
талла, поэтому при подсое-
динении проволочек к выво-
дам увеличивают контакт-
ную площадь припоя, а так-
же механически закрепляют
проволочки с тем, чтобы по-
высить общую прочность
Рис. 19-7. Три типа выводов,
используемых для присоедине-
ния к контактным площадкам.
а — поверхностное присоединение
выводов: о—вывод с зажимом: в —
сквозной проволочный вывод: / —
ленточный вывод: Я —припой; 3 —
контактная площадка: 4 — подлож-
ка: 5 — проволочный вывод; 6 —
зажим.
343
связи. Конфигурации, изображенные на рис. 19-7, приме-
няются с целью увеличения площади соединения и тем
самым повышения их прочности. По мере миниатюриза-
ции ИМС точки соединений сближаются настолько, что
расширить площадь контактов не удается, поэтому об-
щая прочность снижается. Практически это компенсиру-
ется уменьшением массы соединяемых деталей, благо-
даря чему снижаются напряжения, накладываемые на
соединения.
Еще одна проблема подсоединения к тонким пленкам
связана с трудностями использования обычного обору-
дования для работы с миниатюрными площадками. Труд-
но локализовать подачу тепла таким образом, чтобы не
расплавились соседние соединения. Поиеки решения та-
кой проблемы привели к методу, в котором предвари-
тельно облуженные выводы паяются инструментом с рас-
щепленным электродом. Этот прием использован также
для пайки приборов с балочными выводами к предвари-
тельно облуженным площадкам. Высокие температуры,
необходимые для подпаивания проволочек к тонким
пленкам оловянно-свинцовыми припоями, могут стать
причиной отказов в ИМС, например потери адгезии пле-
нок к подложке, коробление подложки или образования
в ней микротрещин. При использовании более легкоплав-
ких припоев -эти эффекты можно ослабить. При форми-
ровании контакта к танталовым, вольфрамовым и молиб-
деновым тонким дленкам необходимо создавать на них
многослойные покрытия, материал которого легко бы
паялся. На контактные площадки наносят слой меди для
повышения проводимости контакта. Однако при хранении
медь быстро окисляется, поэтому в таких схемах нелегко
осуществить контакт пайкой, если не покрыть медь за-
щитной пленкой золота или палладия.
19-4. Технология создания контактов методами сварки
При создании сварных соединений обычно предпо-
лагается сплавление при сравнительно высоких темпе-
ратурах.
В технологии ИМС используются многие методы свар-
ки, применяемые в других отраслях промышленности:
холодная, термокомпрессионная, ультразвуковая, лазер-
ная, электронно-лучевая и др. Особенность заключается
344
лишь в том, что эти процессы в производстве ИМС яв-
ляются более прецизионными.
При холодной сварке плотный контакт металл — ме-
талл возникает благодаря подводу механической энергии.
Существенную роль при этом играет диспергирование
поверхностных загрязнений в процессе пластической де-
формации и действие тангенциальных (продольных к по-
верхностям раздела) сил. Пластичность металлов зависит
и от их собственных свойств (например, от типа кристал-
лической структуры и чистоты), и от внешних факторов
(например, температуры подавления). В общем случае
пластичность и, следовательно, способность к образова-
нию холодносварных соединений особенно четко выраже-
на у кристаллов с ГЦК решеткой, обладающих высокой
чистотой, содержащих крупные ненапряженные зерна,
если они к тому же находятся при высоких температурах
и давлениях.
Термокомпрессионный метод присоединения заклю-
чается в том, что два вида металла (вывод и контактная
площадка) соединяются без промежуточной фазы (как,
например, припой) и без плавления. Это достигается с по-
мощью высоких давлений и температуры. Соединение
выполняется в регулируемой газовой среде. Присоедине-
ние выводов ИМС термокомпрессионной сваркой опреде-
ляется как процесс, в котором при контакте двух мате-
риалов по крайней мере один пластичный. Соединение их
осуществляется в результате диффузии частиц между
присоединяемыми материалами, которые приводятся
в контакт друг с другом с помощью приспособления со-
ответствующей формы при температуре ниже температу-
ры плавления свариваемых материалов. В ходе процесса
происходит пластическая деформация одного или обоих
материалов и диффузия атомов одного материала в дру-
гой.
Нагрев соединяемых материалов обеспечивает проч-
ный контакт при минимальном прилагаемом усилии вви-
ду пластичных свойств материала и ускоряет процесс
образования диффузионной связи. В простейшем случае
термокомпрессия осуществляется при размещении под-
ложки на нагреваемом держателе. Проволочный или
ленточный вывод устанавливается над контактной пло-
щадкой или для создания требуемого давления игла или
клип опускается на вывод. Для уменьшения количества
тепла, рассеиваемого с подложки, игла тоже подогре-
23—844	345
вается. Чтобы избежать раздельной подачи вывода и
иглы к подложке, применяются капилляры, через кото-
рые вывод подается к контактной площадке. Существует
несколько разновидностей этого метода.
Термокомпрессия клином, схема которой представле-
на на рис. 19-8, была одним из первых видов выполнения
термокомпрессионного соединения. При указанном мето-
де проволока с помощью автоматической подачи распо-
лагается над монтажной площадкой схемы, а клин —
над проволокой. Соединение осуществляется давлением
при одновременном нагреве клина и подложки. После
Рис. 19-8. Схема термокомпресспи клипом.
/— подача проволоки через капилляры; 2 — подогреваемый клин нз карбида
вольфрама; 3 — алюминиевая контактная площадка; 4— подложка; 5 —инте-
гральная схема; 6 —проволока.
осуществления второго соединения проволока отрезается
ножницами. Оставшийся усик отрывается с помощью
пинцета. Для проволоки малого диаметра (меньше
17,5 мкм) этот метод является единственно удовлетвори-
тельным методом присоединения выводов. Обычно
используется проволока диаметром от 30 до 75 мкм.
Подложка нагревается до 300°С, а клин до 150°С. В ка-
честве инертного газа применяется азот.
Метод термокомпрессии шаром, показанный на
рис. 19-9, был разработан позднее и позволил увеличить
скорость процесса соединения. Здесь одновременно
используются проволоки и капилляры, при термокомпрес-
сии шаром применяется только золотая, тогда как для
других методов используются золотая и алюминиевая
проволоки. Алюминий не оплавляется в форму шарика,
требуемую для этого вида термокомпрессии. Для данного
метода соединения используется золотая проволока диа-
метром от 17 до 90 мкм, подложка нагревается до
346	'
Рис. 19'9. Схема термокомпрессии шаром.
I— капилл-яры из карбида вольфрама; 2 — золотая проволока: 5 — контакт;
4 — траверса; 5 — пламя от водородной горелки; 6 — интегральная микросхема.
Рис. 19-10. Схема термокомпрессии пережимом.
/ — интегральная микросхема с алюминиевой контактной
такт; 3 — капилляр из карбида вольфрама; 4 — траверса;
ство; 1—6 — последовательность операций.
площадкой; 2 — кон
5 — режущее устрой-
23*
Зйойс при холодной игле й давлении 50 г. В данном слу-
чае требуется большая площадь контакта, чем для дру-
гих способов.
Метод термокомпрессии пережимом (рис. 19-10) —
наиболее распространенный метод присоединения выво-
дов. Он используется при любом типе корпуса как с алю-
миниевой, так и с золотой проволокой. Диаметр прово-
локи от 17,5 до 50 мкм. Подложка нагревается до
300°С, игла до 170°С, усилия 25 г. В качестве интертного
газа используется азот.
Ультразвуковая сварка определяется как сложный
процесс образования твердого металлургического соеди-
нения (без плавления материала) посредством примене-
ния ультразвуковых колебаний. Метод основан па том,
что атомы металла с ненасыщенными связями при непо-
средственном контакте способны соединяться с другими
атомами. Такими атомами с ненасыщенными связями
являются атомы, расположенные рядом с границами зе-
рен или на поверхности образца. Для получения контак-
тов с помощью ультразвуковой сварки вывод устанавли-
вается над монтажной площадкой. Игла обеспечивает
необходимое усилие и под действием магнитного поля
вибрирует с частотой 20—60 кГц, задаваемой преобра-
зователем.
Комбинированный метод термообработки и ультра-
звуковой сварки (рис. 19-11) включает ультразвуковую
сварку и нагрев подложки. Преимущество метода заклю-
чается в использовании более низких температур (200°С),
Рис. 19-11. Схема создания кон-
такта ультразвуковой сваркой.
/ — алюминиевый или золотой вы-
вод; 2 — капилляр; 3 — интеграль-
ная схема; 4 — ультразвуковой виб-
ратор; 5— алюминиевая контактная
площадка.
чем при термокомпрессии, и
хорошей очистке поверхно-
сти ультразвуком.
Сварка лазерным лучом
использует монохроматиче-
ский пучок ' когерентного
света высокой интенсивно-
сти.
При попадании лазерного
луча на металл часть его
отражается, другая часть по-
глощается, генерируя тепло.
Эффективность нагрева, та-
ким образом, существенно
зависит от отражательной
способности металла. Выде-
348
Лйкйцеёсй fettjid МбЖеТ расплавить область контакта.
Изложенные выше основные представления о холодной
сварке к данному случаю неприменимы, поскольку бы-
страя диффузия в жидкой фазе решающим образом из-
меняет картину процесса. Благодаря этому сварка лазер-
ным лучом применима к материалам, обладающим ши-
роким спектром физических и химических свойств.
При сварке проводников с тонкими пленками, нане-
сенными на глазурованную керамику, лазерный метод
малопригоден. Такие подложки обычно разрушаются от
термического удара. Из-за локального плавления тонкой
пленки может произойти разрыв электрической цепи.
Для того чтобы лазерный метод нашел применение для
сварки проводников с тонкими пленками, необходимо со-
вершенствовать управление энергией луча.
По мере расширения применения более стабильной
керамики из окисла алюминия сварка лазерным лучом
становится все более перспективной. Этим методом
удается изготавливать приемлемые по качеству соедине-
ния золотой толщиной 0,025 мм и никелевой лент толщи-
ной 0,05 мм с тонкими пленками алюминия на подлож-
ках из окисла алюминия.
Сварка лучом лазера в отличие от других является
бесконтактной. При этом отпадают трудности, связан-
ные, например, с напряжениями от давления наконечни-
ка, с загрязнениями от него, с подводом достаточных
количеств тепла к тонким балочным выводам и т. п.
Возможность прецизионного управления интенсивностью,
длительностью и местоположением лазерного луча, воз-
можность сваривать в недоступных участках схемы, воз-
можность передачи энергии через прозрачные материалы
(например, стеклянные подложки и окна) делают лазер-
ный метод перспективным в технологии интегральных
микросхем.
Сварка электронным лучом использует интенсивный
пучок ускоренных электронов. При бомбардировке дета-
лей электронами основная часть их кинетической энер-
гии превращается в тепло, необходимое для сварки. По
своему значению в технологии ИМС этот метод сходен
с лазерным.
Электронная пушка обычно имеет триодную структу-
ру. Эмиттированные катодом электроны фокусируются и,
пройдя отверстие в аноде, ускоряются, приобретая ско-
рость, равную 2/з скорости света. Эту скорость они сохра-
349
няют при движении в вакууме до Тех пор, пока не столк-
нутся с мишенью. Для фокусировки пучка применяют
электромагнитные линзы. Электромагнитными же линза-
ми отклоняют пучок в нужном направлении; управление
пучком может быть автоматизировано. Фокусирующие
системы могут обеспечивать получение пучка диаметром
в несколько микрон.
При сварке электронным пучком проволок с пленка-
ми, нанесенными.на глазурованную керамику, возникают
те же проблемы, что и в опытах с лазерным пучком: рас-
трескивание подложек от термических ударов. Однако
эксперименты по сварке электронным лучом металличе-
ских проводников с тонкими пленками золота па таких
подложках, как кварц, оказались успешными.
Электронно-лучевая сварка производится только в ва-
кууме, поэтому необходимо принимать специальные меры
при работе с материалами, у которых велики газовыделе-
ние или упругость пара. Хотя первоначальные затраты
на аппаратуру здесь велики, а процесс можно проводить
только в вакууме, можно рассчитывать на широкое при-
менение метода электронно-лучевой сварки в технологии
интегральных схем благодаря существенным его достоин-
ствам: нет необходимости в физическом контакте со сва-
риваемыми деталями; прецизионный контроль энергии
пучка; возможность сваривать широкую номенклатуру
материалов.
19-5. Неисправности в процессах создания контактов
и их устранение
Если при использовании термокомпрессии шаром или
пережимом контакты не присоединяются к пластине, луч-
ше вновь повторить операцию, используя новую проволо-
ку. Использование одной и той же проволоки может при-
вести к загрязнению иглы, и чистка займет много време-
ни. При термокомпрессии шаром его необходимо
расположить посередине контактной площадки для пре-
дотвращения короткого замыкания с соседними площад-
ками. Неосторожный поворот регулятора движения по
оси X—У при нерабочем состоянии капилляра может
вызвать закупорку последних.
При термокомпрессии клином или пережимом нельзя
оставлять излишнюю часть проволоки на первом контак-
350
те, так как это может вызвать короткое замыкание
с другими контактами.
В большинстве случаев контакт считается прочным,
если при приложении натяжения проволока разрывается
в любом месте, кроме контакта. Такие испытания следу-
ет применять для определения качества контакта на
опытных образцах. Не рекомендуется проводить такие
испытания на производственных образцах. Если на про-
изводственном участке шарик или проволочка деформи-
руются примерно на 50% по вертикали, контакт считает-
ся качественным.
В некоторых случаях необходимо, чтобы прибор про-
шел испытание на ударопрочность с ускорением 19 OOOg'.
После присоединения выводов основанце корпуса по-
мещается в кассету для хранения или переноса на опера-
цию гереметизации. Приборы должны храниться в по-
мещении без пыли для предотвращения попадания за-
грязняющих частиц.
Основные причины появления дефектов в контактах
приведены ниже.
Причины возникновения дефектов в процессе
присоединения выводов
Признаки	Возможные причины
Проволока не приплав- При термокомпрессии слиш-
ляется к площадке ком малы температура или
удельное давление. При ультра-
звуковой сварке мала энергия
или удельное давление; загряз-
нение проволоки или монтажной
площадки
Прилипание алюминие- Очень высокая температура
вой проволоки к игле иглы
Обрыв проволоки в ка- Возможно попадание пыли или
пилляре	перекручивание проволоки
Закупорка капилляра Колебание иглы при приложе-
нии усилия к контакту
Разрыв проволоки у При ультразвуковой сварке
контакта при снятии большая величина энергии или
усилия	удельного давления. При термо-
компрессии большая величина
удельного давления. Колебание
иглы при приложении давления
19-6. Герметизация интегральных микросхем
Герметизация ИМС — завершающий технологический
процесс изготовления ИМС. Технологические режимы
этого процесса могут влиять на свойства всех элементов
351
ИМС, поэтому они должны тщательно анализироваться
и контролироваться. .
Чтобы понять сущность требований к герметизации
ИМС и почему эти процессы являются весьма важным
этапом технологии ИМС, целесообразно рассмотреть про-
цессы, которые протекают при недостаточно совершенной
герметизации ИМС и приводят к отказам.
Предположим, что в результате несовершенной защи-
ты внутрь корпуса попала влага, которая всегда содер-
жит какое-то количество растворенных солей. Таким об-
разом вместо изолированных компонентов ИМС мы по-
лучаем систему из компонентов ИМС, соединенных
между собой тонким слоем электролита. В отсутствие
электролиза ток, протекающий в этом электролите, будет
шунтировать те или иные компоненты ИМС. В случае
электролиза металлы будут переходить в раствор и пе-
реноситься на другой электрод, что может привести со
временем к короткому замыканию.
Широко применяемый для металлизации алюминий
реагирует с влагой и кислородом воздуха и следствием
этого является тонкий слой окисла на его поверхности
(толщиной около 0,01 мкм). Но если в воде присутствуют
небольшие количества ионов хлора, аммония, меди, же-
леза и некоторых других элементов, то эта пассивирую-
щая пленка разрушается и такой раствор начинает
взаимодействовать с алюминием. Поскольку это взаимо-
действие начинается в нескольких местах, то это приво-
дит к коррозии всего металлического участка. Коррози-
онные процессы особенно быстро протекают на деформи-
рованных участках, шероховатостях, местах действия
больших э. д. с. Поэтому скорость коррозии будет раз-
лична на участках схемы. Алюминий не единственный
металл, в результате коррозии которого образуются про-
дукты с электроизоляционными свойствами, приводящие
к разрыву цепей. Любой металл, реагирующий с вод-
ными растворами с образованием желатинообразных
гидроокисей и окисей, может приводить к таким же по-
следствиям.
Если электрохимические процессы протекают не с об-
разованием гидроокисей, а приводят к переносу металла
от анода к катоду (электролиз), на котором он и осаж-
дается, то между соседними «дорожками» может вырасти
металлический «мостик». Это приводит к «короткому
замыканию» какой-то части HMQ,
35?
В случае, когда требуется высокая надежность, даже
золото (обычно считающееся инертным ко всему, кроме
царской водки) не дает желаемых результатов. Напри-
мер, ионы хлора приводят к растворению и переносу
золота, так как образуется растворимый хлорид золота.
На рис. 19-12 показана схема возникновения «обрывов»
и коротких замыканий в алюминиевой и золотой метал-
лизации, приводящая к отказу ИМС.
Рис. 19-12. Схема возникновения причин отказа при образовании про-
дуктов коррозии с изоляционным (а) и электропроводящими свой-
ствами (б).
/— обрыв; 2 — изоляция продуктами коррозии; 3 — гибкий контакт; 4— слой
алюминиевой металлизации; 5 — окисел; 6 — полупроводниковая подложка;
7 — перемычка из металла, возникающая в результате электролиза; 8—
область раствора металла; 9 — слой золота; 10 — слой окисла; //—полупро-
водниковая подложка.
При выборе оптимального метода защиты ИМС не-
обходимо учитывать:
соответствие предъявляемых требований существу- /
ющим стандартам;
условия окружающей среды, т. е. предполагаемые
условия эксплуатации изделия (температура, влажность,
термоцикличность и др.), а следовательно, потребность
в дополнительной защите окислами, нитридами или стек-
лами элементов ИМС;
условия теплопередачи, особенно для ИМС с высокой
плотностью монтажа;
выбор корпуса и соответствующего технологического
процесса герметизации;
технико-экономические показатели технологического
процесса защиты ИМС;
особые (или специальные) требования к защите ИМС.
Учитывая многообразие требований, предъявляемых
к герметизации ИМС, в реальных условиях приходится
идти на компромиссы противоречивых требований.
В промышленной практике производства ИМС приме-
няется несколько методов в зависимости от условий их
353
Эксплуатации, для чего используются корпуса разных
типов: металлические, стеклянные, пластмассовые и ке-
рамические. Первые два типа корпусов позволяют легко
создать надежную герметизацию, а два последних менее
надежно защищают ИМС. В общем случае корпус ИМС
должен обеспечивать механическую защиту, хороший
теплоотвод, изоляцию между выводами, технологичность
процесса создания защиты и компактную сборку ИМС
при изготовлении РЭА.
Основным критерием герметичности корпуса является •
скорость утечки гелия (см3/с) при разности давлений
снаружи и внутри корпуса 105 Па. Корпуса высокого
качества характеризуются скоростью утечки 1  10^8 см3/с.
19-7. Герметизация интегральных микросхем
в металлических корпусах
Существует два основных класса металлических кор-
пусов для герметизации ИМС: круглые (типа ТО) и
плоские (рис. 19-13). Оба класса имеют стандартизиро-
ванные размеры корпусов.
Преобладающими методами герметизации ИМС в ме-
таллических корпусах являются сварка и пайка. Сварка
осуществляется кольцевой сваркой внахлестку или непре-
рывной роликовой сваркой. Пайка проводится твердым
припоем или с помощью стеклянной фритты в прямока-
нальных печах, или высокочастотным нагревом. Сама
операция герметизации проводится в скафандре с кон-
тролируемой атмосферой инертного газа (обычно гелия).
Рис. 19-13. Примеры конструкций корпусов.
а — герметичный круглый корпус типа ТО; б — герметичный прямоугольный
корпус для гибридных ИМС; 1—выводы ИМС; 2— подложка с ИМС; 3
сварной шов.
354
Герметизация сваркой обычно применяется для гер-
метизации корпусов типа ТО. При сварке двух частей
корпуса происходит сплавление металлов в точке кон-
такта с образованием сварного шва. Контакт между час-
тями корпуса осуществляется при помощи конусообраз-
ного выступа на фланце крышки. Обычно материалом
для колпака служит никель, а для ножки — ковар.
Сварка внахлестку используется главным образом
для сварки плоских корпусов. Следует подчеркнуть, что,
строго говоря, термин «сварка» здесь не подходит и со-
хранился исторически. Этот метод является скорее пай-
кой твердым припоем, в процессе которого происходит
плавление и растекание металлического покрытия, что и
приводит к соединению двух частей корпуса.
Непрерывная точечная или роликовая сварка исполь-
зует импульсы, которые от источника питания с опреде-
ленной скоростью подаются на электроды, постоянно
контактирующие с поверхностью крышки. Как и в пре-
дыдущем случае, в этом способе, скорее, осуществляется
пайка твердым припоем, а не сварка.
Перечисленные виды сварки обеспечивают создание
надежного и прочного шва.
Герметизация твердым припоем заключается в том,
что прокладка из твердого припоя помещается между
корпусом и крышкой. При нагреве эта прокладка рас-
плавляется, за счет чего корпус ИМС герметизируется.
Нагрев осуществляется в печи или токами высокой час-
тоты.
Печь имеет три зоны и работает в непрерывном режи-
ме. Защитный газовый поток проходит вдоль внутрипеч-
ного пространства. Корпуса при движении вдоль печи
помещаются в специальные держатели, которые предот-
вращают смещение крышки, прокладки и ножки относи-
тельно друг друга при движении их через печь. На
рис. 19-14 показан пример такого держателя. Крышка и
Рис. 19-14. Держатель с одной выемкой для плоских корпусов.
1 — графитовый держатель; 2 — выемка; 3 — пружина.
355
корпус удерживаются вместе специальной пружиной.
При загрузке оператор кладет крышку в выемку, затем
опускает туда прокладку и корпус, после чего они при-
жимаются пружиной, давление которой невелико, но
достаточно для сохранения контакта деталей при рас-
плавлении прокладки. Загрузка держателя производится
в скафандре, присоединенном непосредственно к печи.
На рис. 19-15 в качестве примера показан температурный
профиль печи и другие технологические данные.
Рис. 19-15. Температурный
профиль в печи в процессе
герметизации металлическо-
го корпуса. (Примерные
технологические режимы:
скорость конвейера 4 м/мин;
скорость газовой смеси азо-
та 1,13 м3/ч и водорода —
0,65 м3/ч; I--IV— зоны пе-
чи.)
При нагреве собранной ИМС до температур 250—
300°С необходимо соблюдать осторожность, так как мож-
но нарушить контакт чипа с ножкой. При указанных
температурах ИМС должна выдерживаться минимально
возможное время. Плоские стеклянные, металлостеклян-
ные и керамические корпуса герметизируются методом
пайки. В промышленности герметизация осуществляется
припоем ПОС-61 с применением канифольного флюса и
припоем золото — олово без'применения флюса. Герме-
тизация без флюса предпочтительнее, так как позволяет
выпускать более надежные ИМС.
Пайку без флюса при низких (до 400°С) температу-
рах осуществляют в защитной среде, если соединяемые
детали покрыты золотом, серебром или палладием.
Существует несколько технологических процессов,
при которых становится возможной бесфлюсовая герме-
тизация.
Пайка припоем ОВи, содержащим 99—99,5% олова и
0,5—1,0% висмута (последний может быть заменен на
сурьму или серебро). Основание корпуса и крышка по-
крываются золотом. Нагрев осуществляется струей горя-
чего инертного газа. Припойная прокладка плавится,
смачивает позолоченные поверхности основания и крыш-
356
1 ПЛ 1
ки и герметизирует прибор. Особенностью процесса яв-
ляется то, что золотом должна быть покрыта не вся по-
верхность крышки, а только часть ее, входящая в зону
шва. Это усложняет технологию изготовления крышки,
но позволяет экономить золото и осуществлять гермети-
зацию без флюса.
Пайка без припайной прокладки осуществляется сло-
ем припоя ОВи, нанесенного на крышку. Слой припоя
наносится в виде рамки или валика только на край внут-
тренней поверхности крышки, так же как и золото в пре-
дыдущем случае. Толщина его должна быть не менее
0,15 мм. Технология изготовления такой крышки несколь-
ко сложнее, чем технология селективного золочения, но
позволяет экономить золото и осуществлять герметиза-
цию без флюса. Этот процесс осуществляется при сборке
БИМС в керамических корпусах. Керамическая крышка
его имеет на одной стороне нанесенный в виде кольца
слой припоя. На основании корпуса, тоже в виде кольца,
нанесено золото. При герметизации слой припоя на
крышке плавится, смачивает золото и герметизирует
корпус. Флюс в этом процессе не применяется.
Существующие корпуса, герметизированные припоем
ПОС-61, часто теряют герметичность при термических
испытаниях или в процессе эксплуатации. Поэтому на-
дежность такой герметизации невелика. Причины низкой
надежности герметизации кроются в технологии изготов-
ления крышки. Чтобы исключить растекание припоя по
всей поверхности крышки, полностью покрытой золотом,
разработчики корпуса снизили температуру пайки почти
до температуры плавления припоя. Поэтому золотое по-
крытие в зоне шва не все растворяется в припое. Остав-
шийся слой золота переходит в припой в процессе терми-
ческих испытаний или эксплуатации прибора, связь
крышки с припоем нарушается, прибор теряет герметич-
ность. Растворение золота в твердом припое можно
уменьшить, применив припой с более высокой темпера-
турой плавления. Например, приборы, загерметизиро-
ванные припоем ПСр-2,5, имеющим температуру плав-
ления 295—305°С, выдерживают испытания на срок
службы при температуре 125°С. Но и здесь растворение
золота не исключено, уменьшена лишь его скорость. Если
повысится температура или увеличится время термиче-
ского воздействия, приборы также теряют герметичность.
Припой ПСр-2,5 не позволяет осуществлять герметиза-
357
цию без флюса. Температура пайки припоем ПСр-2,5 со-
ставляет 350—360°С.
Обычно при пайке золотое покрытие наносят толщи-
ной не более 2—3 мкм, с тем чтобы в процессе пайки оно
полностью растворялось в припое. Роль золота только
в.том, чтобы поверхность основного металла хорошо сма-
чивалась припоем. Для бесфлюсовой пайки труднопаяе-
мых материалов это широко применяемый прием, по он
предполагает строгое выполнение жестких требований,
предъявляемых к процессу нанесения золота. Золото
должно ложиться на очень чистую, совершенно свобод-
ную от окислов и каких-либо солей поверхность основ-
ного металла или промежуточного слоя, защищая ее от
окисления в процессе хранения или обработки деталей
до момента пайки. Очень часто на практике, особенно
при золочении из щелочных электролитов, поверхность
никеля, на. которую осаждается золото, пассивируется.
Поэтому припой, растворив золото, не смачивает покры-
тую окисной пленкой поверхность никеля и качественно-
го соединения получить не удается. Когда же золочение
ведут из кислых электролитов, припой, растворив золотое
покрытие, хорошо взаимодействует в процессе пайки
с поверхностью никеля, образуя очень прочное соедине-
ние. При этом золотое покрытие должно наноситься не
на всю поверхность крышки, а только на ту ее часть, ко-
торая входит в зону паяного шва, иначе припой расте-
чется по всей поверхности крышки.
Таким образом, наиболее целесообразным представ-
ляется такой процесс герметизации, при котором крышка
имеет селективное золочение (припой ОВи), нагрев осу-
ществляется струей горячего инертного газа, а золотое
покрытие полностью растворяется в припое во время пай-
ки. В расплавленном виде припой взаимодействует с' чис-
той поверхностью никеля, находящегося под золотом,
образуя после кристаллизации прочное герметичное со-
единение. Проверка такой герметизации на надежность
показала, что после выдержки загерметизированного
корпуса на срок службы при температуре 150°С проч-
ность соединения крышки с корпусом уменьшается. Пос-
ле герметизации шов представляет собой слой припоя
с мелкими кристаллами соединения золото — олово
в массе шва. После термовыдержки на границе шва об-
разуется сплошная полоса интерметаллидов: в шве про-
исходят фазовые превращения, при отрыве крышки
358
разрушение происходит по границе между никелем и
образовавшейся полосой из интерметаллидов. Уменьше-
ние прочности вызывается изменением характера грани-
цы между крышкой и припоем. Если ИМС подвергнуть
термовыдержке, т. е. нагреть до плавления припоя и
охладить, то первоначальная структура шва и высокая
прочность соединения восстанавливаются.
Герметизация стеклянной фриттой, которая представ-
ляет собой порошок, находящийся во взвешенном состоя-
нии в растворителе, содержащий связующий элемент
(воск, амитацетат или целлюлозу), осуществляется сле-
дующим образом: порошок наносится или напыляется на
детали, спай может образовываться с металлами, имею-
щими такой же коэффициент расширения, как и стекло
(например, ковар), в диапазоне температур 0—400°С.
19-8. Герметизация интегральных микросхем
в пластмассовых корпусах
Основными достоинствами пластмассовых корпусов
являются дешевизна и простота технологии. Недостатком
являются недостаточная герметизация и связанные
с этим возможные отказы ИМС, а также плохой теплб-
Рис. 19-16. Конструк-
ция пластмассового
корпуса ИМС.
1 — чип с ИМС; 2 — про-
волока; 3 — компаунд;
4 — выводы; 5 — снталло-
вая плата.
отвод (на порядок ниже, чем у металлических корпусов),
что имеет особо важное значение в схемах с высокой
степенью интеграции. Типичная конструкция пластмас-
сового корпуса показана на рис. 19-16.
Существует несколько методов герметизации в пласт-
массовые корпуса: формовка заливкой, трансферная
прессовка и др.
359
Первый способ состоит в заливке формовочного мате-
риала в стальную формовочную матрицу, отвердении и
удаления формы. Собранные схемы загружаются в фор-
мы, которые перемещаются вдоль операционного участка
автомата. Тщательно перемешанная эпоксидная смола
автоматическим питателем заливается в формы, которые
откачиваются для удаления пузырьков из смолы. После
этого они отверждаются при нагреве.
Второй метод изготовления пластмассовых корпусов
ИМС — трансферная прессовка. Он применяется наибо-
лее широко и заключается в следующем: интегральную
схему помещают в закрытую форму, в которую вносят
сухой материал. Термореактивную смолу нагревают под
давлением и доводят ее до жидкого состояния. После
заполнения формы жидкой смолой и выдержки при по-
вышенных температурах и давлении происходит полиме-
ризация смолы. Затем форма открывается и из нее извле-
кается герметизированная ИМС.
Рис. 19-17. Характер проникновения влаги в пластмассовый корпус.
а — проникновение через массу корпуса; б—проникновение через поверхность
раздела (А — схема шунтирующей утечки тока).
Трансферная прессовка имеет ряд преимуществ по
сравнению с методом заливки: меньшие допуска на раз-
меры ИМС, меньшую продолжительность рабочего цик-
ла, хорошую воспроизводимость и производительность.
Недостаточная герметизация в пластмассовых корпу-
сах связана с тем, что влага и примеси могут проникнуть
внутрь корпуса через поры в Пластмассе или вдоль по-
верхности раздела между металлическими выводами и
пластмассой. На рис. 19-17 показано, что проникновение
влаги через массу корпуса может проявиться в виде шун-
360
Дйрующеи утечки, а проникновение влаги вдоль выводов
кристалла сказывается на деградации коэффициента
усиления по току. Лучшее соединение между металлом
и пластмассой получается при использовании специаль-
ных очень тонких грунтовочных или соединительных сло-
ев. Это повышает адгезию
Чтобы избежать за-
грязнений и повреждений
выводов в больших ИМС
(БИМС), применяется
герметизация с внутрен-
ней камерой, не запол-
ненной пластмассой. Кон-
струкция пластмассового
корпуса с внутренней ка-
мерой показана на рис.
19-18. За основу берется
коваровая рамка с выво-
влагозащищеиность.
дами, позолоченная в тех
местах, где с помощью
эвтектического сплава
прикрепляется ИМС и
припаиваются ее выводы.
Рамка помещается в
cboDMV и заливается
Рис. 19-18. Конструкция пластмас-
сового корпуса с воздушной ка-
мерой.
1 — золотая проволока; 2 — позолочен-
ный ковар; 3 —силикон; 4 — воздух;
5 — эвтектический сплав; 6—облужен-
ные коваровые выводы; 7 — интеграль-
ная микросхема.
кремнийорганическим компаундом (силиконом), при-
чем пространство над ее центром и под ним остается
свободным. После прикрепления ИМС и ее выво-
дов камера с обеих сторон закрывается коваровыми
прокладками и весь узел заливается в специальной фор-
ме эпоксидным компаундом. Выступающие выводы лу-
дятся для облегчения процесса пайки ИМС к печатной
плате; на сегодня нельзя' считать, что все проблемы
пластмассовых корпусов разрешены.
В настоящее время в качестве материалов пластмас-
совых корпусов используются многие термореактивные
смолы, в частности фенольные и кремнийорганические.
Эпоксидные смолы, используемые для изготовления пластмас-
совых корпусов и герметизации ИМС, превосходят другие виды
пластмасс: они имеют высокую прочность, прекрасные адгезионные
и изоляционные свойства, обладают высокой стойкостью к экстре-
мальным значениям параметров окружающей среды.
Фенольные смолы. Основные достоинства фенольных смол как
материалов для корпусов — это относительно низкая стоимость и
способность к механической обработке. Они широко не использу-
24—844	361
ются для герметизации ИМС вследствие коррозии Металлический
частей, вызываемой содержащимся в этих смолах кислотным ка-
тализатором. Кроме того, при отверждении этих смол выделяются
пары воды.
Кремнийорганические смолы нашли широкое приме-
нение благодаря чрезвычайно высокой теплостойкости,
хорошим электрическим свойствам и малой адсорбции
влаги. Кроме того, они не токсичны, что свойственно
другим герметизирующим материалам.
Некоторые свойства различных герметизирующих ма-
териалов представлены в табл. 19-1.
Таблица 19-1
Свойства различных герметизирующих материалов
Параметры	Смолы		
	эпоксидные	фенольные	кремнийоргани- ческие
Теплопроводность Дж/с(см2)(*С) см-10-4 Температурный коэффициент расширения, 10-6/*С Влагопоглощаемость, % Удельное объемное сопро- тивление, Ом-см Твердость по Роквеллу Воспламен я емость	40—80 2—4 0,04—0,1 101а— 10,в 85—120 Самогася- Д1ИЙСЯ материал	12—20 6—8 0,3—0,4 Ю'2_ Ю” 93—120 Низкая	12—30 3 0,083 2-1013 87 Самогася- щийся материал
Благодаря совершенствованию качества материалов
пластмассовых корпусов и сравнительно низкой их стои-
мости они находят применение в аппаратуре, которая
эксплуатируется в сравнительно нетяжелых условиях.
19-9. Герметизация интегральных микросхем
в керамических корпусах
Наряду с металлическими и пластмассовыми широко
применяются керамические и стеклокерамические корпу-
са. Основным требованием к материалам керамических
корпусов является согласование по температурным коэф-
фициентам расширения (ТКР) с конструктивными эле-
ментами интегральных микросхем, иначе трудно избе-
жать возникновения остаточ-ных напряжений при прове-
дении последующих технологических процессов и
эксплуатации.
362
Известны три способа герметизации керамических
корпусов. Два из них — это металлостеклянная гермети-
зация, при которой стекло используется в виде тонкого
слоя, сплавленного с высокоглиноземистой керамикой,
или как составная часть керамики, причем выводы в по-
следнем случае фиксируются в процессе отжига. По
третьему способу корпуса изготавливают со скрытыми
проводящими слоями, которые наносят на штампованные
листы необожженной керамики, а затем всю конструк-
цию отжигают при 1500°С. Проводящие слои образуют
внутренние и внешние контакты, к которым присоеди-
няют рамку с выводами.
Технологические процессы изготовления и обработки
керамических корпусов аналогич'ны тем, которые были
описаны в гл. 11.
24*
Список литературы
1.	Микроэлектроника. — Сб. статей под ред. Ф. В. Лукина и
А. А. Васенкова. М., «Советское радио», 1968—1976, вып. 1—6.
2.	Пестряков В. Б. Конструирование радиоэлектропион аппарату-
ры. М., «Советское радио», 1969. 208 с.
3.	Микроэлектроника и однородные структуры для построения
логических и вычислительных устройств. М., «Наука», 1967. 227 с-
Авт.: И. В. Прангишвили, Н. А. Абрамова, Е. В. Бабичева, В. В. Игна-
тушенко.
4.	Ефимов И. Е. Современная микроэлектроника. М„ «Советское
радио», 1973. 113 с-
5.	Интегральные схемы (принципы конструирования и производ-
ства). Под ред. А. А. Колосова. М., «Советское радио», 1968. 263 с.
6.	Интегральные схемы (основы проектирования и технологии).
Перевод с англ. Под ред. К. И. Мартюшова. М„ «Советское радио»,
1970, с. 50—201. Авт.: Г. Р. Мэдленд, Г. К. Дикен и др.
7.	Валиев К. А. Цифровые интегральные схемы на МДП транзи-
сторах. М., «Советское радио», 1971. 384 с.
8.	Наумов Ю. Е. Интегральные логические схемы. М., «Совет-
ское радио», 1970. 432 с.
9.	Микроэлектроника и большие системы. М., «Мир», 1967.262 с.
10.	Алексенко А. Г. Основы микросхемотехники. М., «Советское
радио», 1971. 349 с.
11.	Вопросы пленочной электроники. Сб. статей под ред.
М. И. Елинсона. М., «Советское радио», 1966. 471 с.
12.	Ефимов И. Е., Козырь И. Я. Основы микроэлектроники. М.,
«Связь», 1975, 272 с.
13.	Колесов Л. Н. Введение в инженерную микроэлектронику.
М., «Советское радио», 1974. 280 с.
14,	'Обичкин Ю. Г. Технология изготовления гибридно-пленочных
интегральных микроузлов. М., Машиностроение, 1972. 62 с.
15.	Бенедек П., Ласло А. Научные основы химической техноло-
гии. Л., «Химия», 1970. 376 с.
16.	Кафаров В. В. Методы кибернетики в химической техноло-
гии. М., «Химия», 1971. 495 с.’
17.	Бояринов А. И., Кафаров В. В. Методы оптимизации в хи-
мической технологии. М., «Химия», 1969, с. 10 —116.
18.	Френке . Р. Математическое моделирование в химической
технологии. М., «Химия», 1971, 270 с.
19.	Снапелев Ю. М., Старосельский В. А. Моделирование и
управление в сложных системах. М., «Советское радио», 1974,
с. 10—111.
20.	Налимов В. В. Теория эксперимента. М., «Наука», 1971.
207 с.
364
21.	Юдин Д. Б., Гольштейн Е. Г. Задачи и методы линейного
программирования. М., «Советское радио», 1964. 735 с.
2.	Шенк X. Теория инженерного эксперимента. М., «Мир», 1972.
381 с..
23.	Точность производства в машиностроении и прибор'остроении.
Под ред. А. Н. Гаврилова. М., «Машиностроение», 1972. 381 с. .
24.	Френкель Я. И. Введейие в теорию металлов. Л., «Наука»,
1972. 432 с.
25.	Епифанов Г. И. Физические основы микроэлектроники. М.,
«Советское радио», 1971., 374 с.
26.	Чопра К- Л. Электрические явления в тонких пленках. М.,
«Мир», 1972. 434 с.
27.	Курс физической химии. Т. 1, М., «Химия», 1969. 592 с. Авт.:
Я. И. Герасимов и.др.
28.	Смирнова Н. А. Методы статистической термодинамики
в физической химии. М., «Высшая школа», 1973. 479 с.
29.	Шахпаронов М. И. Введение в молекулярную теорию рас-
творов. М., Изд-во Технико-теоретической литературы, 1956. 507 с.
30.	Хирс Д., Паунд Г. Испарение и конденсация. М., «Метал-
лургия», 1966. 194 с.
31.	Скрикленд-Констебл Р. Ф. Кинетика и механизм кристалли-
зации. Л., «Недра», 1971. 309 с.
32.	Александров Л. Н. Кинетика образования и структуры твер-
дых слоев. Новосибирск, «Наука», 1972. 226 с.
33.	Палатник Л. С., Папиров И. И. Эпитаксиальные пленки. М.,
«Наука», 1971. 480 с.
34.	Палатник Л. С., Фукс М. Я., Косевич В. М. Механизм обра-
зования и структура конденсированных пленок. М., «Наука», 1972.
318 с.
35.	Физика тонких пленок. Т. 1—6. М., «Мир», 1966—1973.
36.	Суху Р. Магнитные тонкие пленки. М., «Мир», 1967. 422 с.
37.	Осаждение из газовой фазы. Под ред. К. Пауэлла, Дж. Оксли
и Дж. Блогера. М., «Атомиздат», 1970. 470 с.
38.	Болтакс Б. И. Диффузия в полупроводниках. М., «Физмат-
гиз», 1961, с. 30—102.
39.	Основы технологии кремниевых интегральных схем. Окисле-
ние, диффузия, эпитаксия. Под ред. Р. М. Донована, М., «Мир»,
1970. 450 с.
40.	Черняев В. Н., Кожитов Л. В. Технология эпитаксиальных
слоев арсенида галлия и приборов на их основе. М., «Энергия»,
1974. 230 с.
41.	Арифов У. А. Взаимодействие атомных частиц с поверхно-
стью твердого тела. М., «Наука», 1968. 369 с.
42.	Каминский М. Атомные и ионные столкновения на поверхно-
сти металла. М., «Мир», 1967. 505 с.
43.	Легирование полупроводников ионным внедрением. Сб. ста-
тей под ред. В. С. Вавилова и В. М. Гусева. М., «Мир», 1971, 531 с.
44.	Пресс Ф. П. Фотолитография в производстве полупроводни-
ковых приборов. М., «Энергия», 1968. 197 с.
45.	Федотов Я- А., Поль Г. И. Фотолитография и оптика. М.,
«Советское радио», 1972. 384 с.
46.	Васенков А. А., Пресс Ф. П. Организация технологического
контроля в производстве полупроводниковых приборов. — «Элек-
тронная промышленность», 1971, № 2, с. 83—88.
36Б
47.	Данилин Б. С. Вакуумная техника в производстве интеграль-
ных схем. М., «Энергия», 1972. 253 с.
48.	Иванов Р. Д. Катодный метод создания пленочных элемен-
тов микросхем. М., «Советское радио», 1972. 169 с.
49-	Берри Р., Холл П., Гаррис М. Тонкопленочная технология.
М., «Энергия», 1972/336 с.
50.	Вишняков Б. А., Осипов К. А. Электронно-лучевой метод
получения тонких пленок из химических соединений. М., «Наука»,
1970. 143 с.
51.	Гаврилов Р. А., Скворцов А. М. Технология производства
полупроводниковых приборов. Л., «Энергия», 1968. 239 с.
52.	Топфер М. Микроэлектроника толстых пленок. М., «Мир»,
1973. 259 с.
53.	Красовский В. М. Особенности МДП структур с силицидами
тугоплавких металлов. — «Электронная техника». Сер. 3, вып. 6,
1975, с. 69.
ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ
А
Адгезия 208
Адсорбент 82
Адсорбция 878
—	мономолекулярная 83
—	полимолекулярная 83
—	теплота 83
—	физическая 80
—	энергий 81
—	энтропия 83
Активации:
—	молекул 232
—	энергии 80
Активность 76
—	коэффициент 41
Анализ 40
—	дисперсионный 25
—	корреляционный 311
—	отказов 309
—	регрессионный 25
—	точности 250
—	факторный 24
Аппарат 9, 216
Аморфные подложки 148
Аппаратурно-процессная еди-
ница 9
Б
База 8, 318
—	диффузия 285
Базовая модель 219
—	область 305
—	технология 315
Балочные выводы 333
Быстродействие 319
В
Вакуумная установка 219
Ванна электрическая 77
Вжигание 279, 309
Вольт-амперная характеристи-
ка 160
Г
Газ 214
—	вязкость 69
—	ионизированный 233 z
—	скорость 69
Газовое травление 214
—	лоток 69
Генератор изображения 195
Газодинамические параметры
69
Герметизация 336, 359
— в керамический корпус
— в пластмассовый корпус
-	надежность 358
—	пайкой 356
—	прессовкой 359
—	процесс 358
—	сваркой 365
—	стеклянной 359
—	твердым припоем 365
—	формовкой 359'
Д
Двуокись
— кремния 264
—	титана 266
—	циркония 259
Диаграмма 5
—	жидкость — пар 46
—	рассеяния 249
—	состояния 47
Диод 302
Диссоциация 224
Дислокации 119
Диффузия алюминия 121
—	базовая 283
—	бора 121
—	коллекторная 284
—	коэффициент 218
—	локальная 120
—	мышьяк 121
— по дислокациям 119
— фосфора 121
367
Диффузия эмйттерНая 289
Диффузант 129
Диэлектрическая проницае-
мость 321
— изоляция 290
— подложка 289
3
Зазоры воздушные 289
Заряд 311
Затвор 303
Защита ИМС 353
Защитные пленки 292
И
Изоляция 281
— диэлектрическая 281
—	воздушными зазорами 289
—	разделяющей диффузией 283
—	переходом р-п 281
—	электрическая 287
—	электрическая 281
Изопланарный процесс 290
Имплантация 146
Инверсионный слой 315
Интегральная микросхема 5,
302
Ионы 74
Ионное, внедрение 146
—	легирование 446
Испарители резистивцые 223
—	дуговые 223
— электронно-лучевые 224
Исток 303
К
Каналы МДП структур 319
—	р-типа 320
~ п-типа 320
Карманы диффузионные 320
Катод 77
Катодное распыление 76
Качество пластин 307
Керметы 246
Кинетика диффузии 106
—	испарения 35
—	массопередачи 68
—	химическая 60
Коллектор 283
Контактная площадка 322, 306
Контроль 308
Константа Больцмана 37
— скорости реакции 70
Конденсатор 302
368
Конденсатор диффузный 303
— пленочный 303
Концентрация 301
Комплементарные ИМС 319
Компонент 33
Кремний на сапфире 289
---шпинели 289
Кристалл 333
Концентрация 70, 294
Коэффициент диффузии 106
—	массопередачи 68
—	распределения 42, 294
—	распыления 56
—	регрессии 25, Г26
—	стехиометрический 61
Л
Лазерный луч 348
Локальная эпитаксия 291
Логический элемент 304
М
Маскирование 295
Маскирующий слой 295
Маска 8
Металлизация 309, 315
—	алюминиевая 309
—	молибденовая 289
Методы «декаль» 289
—	изоляции 281
—	кремний на сапфире 290
— локальной эпитаксии 291
—	осаждения 216
—	распыления 216
—	совмещения 331
—	эпик 287
—	химические 70
—	перевернутого кристалла
Мезаструктуры 319
Микросхема 8
— биполярная 302
— гибрионная 8
— МОП 303
Микросборка 306
Многослойный диэлектрик 321
Монокристалл 9
Моноокись кремния 262
Монтаж 331, 333
Н
Нанесение слоев 306
Негативный 306
Нестабильность 311
Нитрид кремния 322
о
Обкладки 303
Область базы 305
—	коллектора 307
-	г- эмиттера 308
Окись кремния 262
—	алюминия 264, 323
Окисел затвора 320
Окисление 65, 297
—	скорость 298
—	стадии 297
—	теория 297
—	термическое 206
Операция 309
Осаждение из газовой фазы 68
— диэлектрических слоев 299
—	двуокиси кремния 300
—	реакции 300
— скорости 301
Отбраковки 309
Отделение кристалла 306
П
Пасты 274
Параметры диффузионных сло-
ев 125
— качества 126
— кристаллической решетки
144
—	состояния 33, 111
—	слоев 280
процесса 176
—	электрофизические 125
Перераспределение примесей
120
Плавиковая кислота 31
Платы керамические 210
—	печатные 210
Пластины 330
Пластмассовый корпус 360
Подложка диэлектрическая 6
—	• для	полупроводниковых
ИТС 211
—	керамический 210
—	кремниевые 207
—	многослойная 208
—	монокристаллическая 207
—	полировка 213
—	травление 214
— процессы подготовки 208
— шлифовка 213
Помехоустойчивость 319
Примеси 115
Припой 337
Профиль концентрации 111
Профильная схема 9
Процесс 33
—	диффузии 126
—	ионноплазменный 225
—	имплантации 146
—	испарения 35
—	напыления 218
— окисления 297
— осаждения 261, 68
— травления 300
— фотолитографии 165, 167
—	физико-химический 306
—	 эпитаксии 129
Проекция пробега 149
Пробег ионов 148
Р
Распределение Гаусса 250
—	ионов 148
Рассеяние значений 249
Распыление 52
Резисторы 6, 238
— диффузионные 6, 160, 302
—	керметные 246
—	конструкции 240
—	материалы 241
—	металлические 241
—	свойства 248
—	тонкопленочные 250
—	толстопленочные
—	точность изготовления 250
Распределение 152
С
Сапфир 317
Сборка 330
Свободная энергия 62
Система 33
—	двухфазная 105
—	термодинамическая 33
—	технологическая 21
Скрайбирование 309
Слой 5
—	диффузионный ,111
—	диэлектрический 256
—	окислы 293
—	резистивный 239
—	светочувствительный 193
—	эпитаксиальный 135
Скрытой коллектор 290
Сток 303
— напряжение 303
—	ток 303
—	область 320
369
э
Термодинамика 59
— испарение 35
— химическая 160
Термодинамический процесс 60
Термокомпрессия 345
Ф
Факторы 24
Физическая структура 319
Формирование элементов 290
Фотолитография 307
Фотошаблон 289, 305
Электрические схемы 304
— изоляция 302
— характеристики 319
Электроды 318
— затвора
— истока
— стока
Элемент 291
Эпик — процесс 289
Эпитаксия 129, 290
Этапы технологии 306
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие................................................ 3
ЧАСТЬ ПЕРВАЯ
МЕТОДЫ ОПИСАНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
ПРОИЗВОДСТВА ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМ
Глава первая. Параметры, описывающие технологический
процесс............................................... 5
1-1. Интегральные микросхемы	и их классификация	.	.	5
1-2. Технологические схемы процессов................... 7
1-3. Элемент технологического	процесса •	.	.	.	.	9
1-4. Факторы, влияющие иа технологический процесс, и ме-
тоды их анализа................................... 12
1-5. Моделирование типовых технологических	процессов	15
Глава вторая. Методы анализа технологических процес-
сов производства интегральных микросхем .	21
2-1. Технологический процесс как большая система .	.	21
2-2. Элементы дисперсионного анализа технологических
процессов................................. ' 23
2-3. Элементы регрессионного и корреляционного анализа 25
2-4. О применении планирования эксперимента в техноло-
гии интегральных микросхем.............................27
2-5. Задача оптимизации технологических процессов .	29
ЧАСТЬ ВТОРАЯ
ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ТЕХНОЛОГИИ
ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМ
Глава третья. Основы теории осаждения слоев методами
вакуумного испарения и конденсации .................. 31
3-1. Слои и пленки для интегральных микросхем ...	31
3-2. Некоторые понятия термодинамики .....	32
3-3. Термодинамика и кинетика процессов испарения .	.	35
3-4. Термодинамика и кинетика испарения сплавов .	.	40
3-5. Состав осаждаемой пленки при испарении сплава	.	47
3-6. Метод ионно-плазменного (катодного) распыления	.	52
Глава четвертая. Химические методы осаждения слоев 60
4-1. Термодинамика химических процессов осаждения
слоев....................................................  60
4-2. Кинетика химических процессов осаждения слоев .	.	67
371
4-3. Газодинамические закономерности в процессах осаж-
дения слоев .	..................................
4-4. Расчет кинетических характеристик при осаждении
слоев химическим методом.................................70
4-5. Электролитическое осаждение металлических слоев .	74
Глава пятая. Явления адсорбции при осаждении слоев 78
5-1. Энергия взаимодействия атомных частиц с поверхно-
стью твердого тела ......................................78
5-2. Термодинамика поверхностных реакции	....	82
Глава шестая. Процессы зарождения и роста слоев	85
6-1. Гомогенное зародышеобразование ....................86
6-2. Гетерогенное зародышеобразование	......	89
6-3. Влияние технологических факторов на структуру пле-
нок .....................................................93
6-4. Рост пленок........................................98
6-5. Эпитаксиальный рост пленок.........................Ю1
Глава седьмая. Диффузионные процессы в технологии
интегральных микросхем .................................104
7-1. Основные законы диффузии..........................104
7-2. Решение уравнений диффузии........................108
7-3. 'Зависимость коэффициента диффузии от параметров
состояния...............................................111
7-4. Влияние процесса окисления на перераспределение
примесей................................................120
7-5. Технология	диффузионных	процессов	.....	121
7-6. Пример моделирования	диффузионного	процесса	.	126
Глава восьмая. Эпитаксиальные процессы создания струк-
тур в технологии интегральных микросхем.................129
8-1. Элементы теории эпитаксиального роста .	.	.	129
8-2. Сравнительная характеристика диффузионного и эпи-
таксиального процессов создания структур .	.	.	133
8-3. Технология эпитаксиального наращивания слоев крем-
ния . ................................•.................136
8-4. Гетероэпитаксиальные слои ........................143
Глава девятая. Процессы ирнного внедрения в техно-
логии интегральных микросхем............................146
9-1. Общие понятия о методе ионного внедрения .	.	146
9-2. Распределение пробегов ионов в аморфных подложках 148
9-3. Распределение пробегов ионов в монокристаллических
подложках ..........................................  154
9-4. Технология изготовления элементов интегральных
Микросхем методом ионного внедрения ....	159
Глава десятая. Фотолитографические процессы в техно-
логии интегральных микросхем............................165
10-1. Общие понятия о фотолитографии....................165
10-2. Физико-химические основы фотолитографических про-
цессов ..............................................167
10-3. Фоторезисты, требования к ним и основные фотохими-
ческие реакции.......................................170
372
10-4. Основные бйерацйи фотолитографического процесса 176
10-5. Фотошаблоны и технология их производства .	.	187
10-6. Автоматические методы изготовления фотошаблонов
с применением ЭВМ................................192
10-7. Технологические процессы фотолитографии в произ-
водстве тонкопленочных интегральных микросхем 194
10-8. Элионная технология в фотолитографических про-
цессах ..........................................203
Глава одиннадцатая. Подложки для интегральных
микросхем и основные методы их подготовки ....	207
11-1. Общие требования к подложкам интегральным ми-
кросхем .........................................207
11-2. Пассивные подложки для гибридных интегральных
микросхем........................................208
11-3. Многослойные подложки..........................208
11-4. Монокристаллические подложки для полупроводнико-
вых интегральных микросхем.......................211
ЧАСТЬ ТРЕТЬЯ
ТЕХНОЛОГИЯ ЭЛЕМЕНТОВ ГИБРИДНЫХ
ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМ
Глава двенадцатая. Основные методы и аппараты для
осаждения тонких пленок.............................216
12-1. Основные узлы аппаратов для осаждения пленок .	.' 216
12-2. Базовые модели установок для получения пленок тер-
мовакуумным испарением...........................219
12-3. Установки для получения тонких пленок ионно-плаз-
менным распылением.............................. 225
12-4. Методы получения пленок	реактивным распылением	231
12-5. Установки для осаждения пленок химическими мето-
дами из газовой фазы.............................234
Глава тринадцатая. Технология тонкопленочных рези-
сторов .............................................238
13-1- Конструкции и материалы тонкопленочных резисторов 238
13-2. Технология металлических резисторов ....	241
13-3. Технология керметных тонкопленочных резисторов .	246
13-4. Влияние технологических факторов па свойства тон-
копленочных резисторов...........................248
13-5. Пример анализа точности изготовления тонкопленоч-
ных резисторов...................................250
Глава четырнадцатая. Технология тонкопленочных
конденсаторов	  256
14-1. Тонкопленочные конденсаторы и их конструкции .	.	256
14-2. Материалы для тонкопленочных конденсаторов .	. 258
14-3. Технология тонкопленочных	конденсаторов .	261
14-4. Пример типового технологического процесса получе-
ния интегральных микросхем.......................267
Глава пятнадцатая. Технология толстопленочных инте-
гральных микросхем..................................269
373
15-1. Конструктивно-технологические особенности толсто-
пленочных интегральных микросхем.....................269
15-2. Материалы для гибридных толстопленочных инте-
гральных микросхем.............................."...	272
15-3. Технология изготовления рисунка толстопленочных
интегральных микросхем...............................276
15-4. Технология вжигания паст в производстве тол-
стопленочных интегральных микросхем ....	279
ЧАСТЬ ЧЕТВЕРТАЯ
ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ
ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМ
Глава шестнадцатая. Процессы электрической изоля-
ции и маскирования в технологии интегральных микросхем 281
16-1. Методы создания внутрисхемной электрической изоля-
ции полупроводниковых интегральных микросхем .	281
16-2. Методы изоляции с применением диффузии .	.	.	283
16-3. Методы диэлектрической изоляции...................287
16-4. Процессы создания защитных пленок.................292
Глава сем над шатая. Технология полупроводниковых
биполярных и МДП интегральных микросхем ....	302
17-1. Конструктивно-технологические особенности полупро-
водниковых биполярных и МДП интегральных микро-
схем ................................................302
17-2. Основные этапы технологии биполярных интегральных
микросхем............................................306
17-3. Технология МДП интегральных микросхем .	.	.	311
Глава восемнадцатая. Новые технологические направ-
ления в производстве полупроводниковых интегральных
микросхем..................................................317
18-1. Полупроводниковые интегральные микросхемы на пас-
сивных подложках.....................................317
18-2. Технология комплементарных МДП структур .	.	.	319
18-3. МДП интегральные микросхемы с многослойным ди-
электриком ..........................................321
18-4. Технология изготовления МДП интегральных микро- _ ,
• схем двойной диффузией . •...............................324
18-5. МДП интегральные микросхемы с кремниевым
затвором..........................................328
ЧАСТЬ ПЯТАЯ
СБОРКА ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМ
Глава девятнадцатая. Технология сборки, монтажа,
контактирования и герметизации интегральных микросхем 330
19-1. Принципиальная технологическая схема сборки инте-
гральных микросхем.........................................330
19-2. Монтаж активных элементов	методами	совмещения	331
19-3. Технология создания контактов в интегральных ми-
кросхемах методами пайки ........................... 337
19-4. Технология создания контактов	методами	сварки	.	.	344
374
19-5. Неисправности в процессах создания контактов и их
устранение..........................................350
19-6. Герметизация интегральных микросхем..............351
19-7. Герметизация интегральных микросхем в металличе-
ских корпусах .	.	.	.	 354
19-8. Герметизация интегральных микросхем в пластмассо-
вых корпусах.......................................359
19-9. Герметизация интегральных микросхем в керамиче-
ских корпусах......................................362
Список	литературы........................................364
Предметный указатель......................................367