Заводян Лабораторный практикум
.pdfФедеральноеагентствопообразованиюинаукеРоссийской
Федерации
Московскийгосударственныйинститутэлектроннойтехники (техническийуниверситет)
_________________________________________________
А.В.Заводян
Технологиивысокоточнойсборки
ивысокоплотногомонтажа
Лабораторныйпрактикум
Подисциплине«ТехнологияпроизводстваЭВС»
Утвержденоредакционно-издаетльскимсоветоминститута
Москва2007
2
УДК621.396.6
ЗаводянА.В.Технологиивысокоточнойсборкиивысокоплотногомонтажа. Методическиеуказанияклабораторномупрактикумуподисциплине«Технология производстваЭВС»
Лабораторныйпрактикумвключает8лабораторныхработ,позволяющих практическиосуществитьосновныетехнологическиеоперацииизготовления функциональныхузлов(ФУ)электроннойаппаратуры(ЭА),вчастности:вакуумное напыление,фотолитографию,сборку,монтажирегулировкуприизготовлении ФУ(работы№1-3,7)высокойплотностикомпоновки,атакжеизучитьособенности реализациивысокоточнойсборкииповерхностногомонтажавпроизводстве перспективнойЭА(работы4-6),включаявопросыпроектирования производственныхучастков(работ8). Пособиенеобходимостудентамстаршихкурсов,обучающихсяпонаправлениям 21020062,21020068«Проектированиеитехнологияэлектронныхсредств»и 21020265«Проектированиеитехнологияэлектронно-вычислительныхсредств», длязакреплениялекционногокурса«ТехнологияпроизводстваЭВС».Вместес тем,пособиебудетвесьмаполезнымидлястудентов,обучающихсяпосмежным специальностям.
3
Лабораторнаяработа№ 1
Технологияизготовленияпассивнойчастимикросборок
Цельработы:1)изучитьосновныеметодыиособенностиполучения тонкихпленокввакууме;2)ознакомитьсястехнологическимпроцессом изготовлениятонкопленочнойчастимикросборокметодомтермического испаренияввакууме;технологическимиконтрольнымоборудованием;3) приобрестипрактическиенавыкиработыстехнологическимиконтрольным оборудованием;4)оценитькачествополучаемыхпленок.
Продолжительностьработы-4ч.
Теоретическиесведения
Тонкиепленки(толщинойменее1мкм)впроизводствемикросборок(МСБ) используются для изготовления пассивных элементов: резисторов, конденсаторов, индуктивностей, контактных площадок, межэлементной коммутации,межслойнойизоляцииит.д.Средимногихметодовизготовления тонких пленок (термического испарения,ионно-плазменного распыления, химического, электрохимического и пиролитического осаждения и др.) предпочтительнымиоказываютсяметоды осажденияпленокввакуумекак позволяющие получать пленки из любых материалов с наилучшими электрофизическимипараметрамипривысокойихвоспроизводимости.Именно этиметодыположенывосновутонкопленочнойтехнологии.
Таким образом, сущность тонкопленочной технологии состоит в управляемом нанесении пленочных покрытий в вакууме методами направленного осаждения на подложки (или платы) частиц из потока испаряемого либо распыляемого материала. Одним из широко распространенныхметодов осаждениятонкихпленокв вакуумеявляется хорошоосвоенныйметодтермическогоиспаренияввакууме.Егоосновные достоинства:высокаячистотаполучаемыхпленок,простотатехнологического процессаивысокаяэксплуатационнаянадежность.Современныеустановки вакуумного напыления,в том числе и реализующие метод термического испарения,оборудованы Системойионнойочисткиповерхностиподложекв плазметлеющегоразряда,чтосущественноповышаеткачествополучаемых пленокивоспроизводимостьиххарактеристик.
Термическоеиспарениематериаловввакууме
Термическоеиспарениезаключаетсявнагревематериала(используемогодля нанесениянаподложку)ввысокомвакууме(придавлениинеболееПа)до температуры,прикоторойдавлениеегособственныхпаровнанесколькопорядков превышаетдавлениеостаточныхгазовврабочемпространствевакуумнойкамеры. Приэтоматомыиспаряющегосяматериалараспространяютсяпрямолинейно,так какдлинаихсвободногопробегазначительнопревышаетрасстояниеиспаритель (источникиспаряемогоматериала)-подложка.Далееследуетконденсациячастиц испарившегосяпотоканаповерхностиподложки(платы),имеющейтемпературу значительнонижетемпературыиспарителя.
Следовательно,приосажденияпленокметодомтермическогоиспаренияв вакууме(термовакуумногоиспаренияилитермовакуумногонапыления)впроцессе получениятонкихпленокможновыделитьтриосновныестадия:
4
-образованиеатомарного(молекулярного)потокавеществаизисточника испаряемогоматериала(испарителя);
-пролетатомовотиспарителякподложке;
-конденсациявеществанаподложке(этапосажденияматериалаввидетонкой пленки).
Образованиеатомарного(молекулярного)потокапритермическомиспарении является результатом разрыва связей между поверхностными атомами испаряемогоматериала,есликинетическаяэнергиядвиженияатомовпревышает энергиюсвязимеждуними.Изтабл.1видно,чтоусловнаятемператураиспарения большинстваметалловвышетемпературыихплавления,т.е.испарениепроисходит посхеме:твердоевещество-жидкость-пар.Однаконекоторыематериалы,например хром,титан,довольноинтенсивноиспаряютсяизтвердогосостояния.Процесс переходавеществаизтвердогосостояниявпарообразное,минуяжидкую фазу, называетсясублимацией(иливозгонкой).Взависимостиотагрегатногосостояния веществавовремяиспаренияследуетвыбиратьконструкцию испарителя.Тип испарителязависиттакжеотприроды испаряемогоматериала(егоодно-или многокомпонентное,химической активности,температуры испарения и др.), исходнойформыматериала.(гранулы,порошок,проволока),требуемойскорости испарения,ее,постоянствавовремениирядадругихфакторов.Втабл.2приведены температуры и скорости испарения широко применяемыхв тонкопленоч¬ной технологииметалловвзависимостиотихдавлениянасыщенныхпаров.
Таблица1
Температурыплавления,кипения,испаренияметаллов, наиболеечастоприменяемыхприизготовленииМСБ
Металл |
ТемператураT,°С |
|
|||
плавления |
кипения |
испарения* |
|||
|
|||||
Алюминий |
660 |
2486 |
|
1250 |
|
Ванадий |
1900 |
3400 |
|
2400 |
|
Вольфрам |
3410 |
5930 |
|
3309 |
|
Медь |
1083 |
2600 |
|
1273 |
|
Молибден |
2620 |
4800 |
|
2533 |
|
Никель |
1453 |
2900 |
|
1510 |
|
Тантал |
2996 |
5300 |
|
3070 |
|
Титан |
1665 |
3227 |
|
1546 |
|
Хром |
1890 |
2480 |
|
1205 |
*Приведенаусловная,практическиустановленнаятемператураис¬парения,при которойдавлениенасыщенногопаравеществасоставляетприблизительно1,3 Па.Температурыплавленияикипенияуказаныдлядавления101,3∙103Па.
Таблица2
Температурыискоростииспаренияметаллов
приразличныхдавленияхнасыщенныхпаров
|
Температура(°С)/скоростьиспарения |
Металл |
[г/(см2с)]придавлении |
|
133,3∙10-3Па 133,3∙10-2Па 133,3∙10-1Па
5
Алюминий |
1082/8,23∙10-6 |
1207/7,9∙10-5 |
1347/7,5∙10-4 |
Ванадий |
1683/0,94∙10-5 |
1847/0,9∙10-4 |
2037/0,87∙10-3 |
Вольфрам |
3007/1,38∙10-5 |
3297/1,32∙10-4 |
3647/1,26∙10- |
Молибден |
2377/1,111∙10 |
2627/1,06∙10-4 |
32997/1,01∙10 |
Медь |
-5 |
1272/1,18∙10-4 |
-3 |
Серебро |
1142/1,24∙10-5 |
1032/1,68∙10-4 |
1427/1,12∙10-3 |
Тантал |
922/1,75∙10-5 |
3067/1,36∙10-4 |
1167/1,6∙10-3 |
Хром |
2807/1,41∙10-5 |
1392/1,05∙10-4 |
3372/1,3∙10-3 |
Вусловияхвысокоговакуума(остаточноедавление<7∙10-4 Па),когда температура конденсации намного меньше; температуры испарения (следовательно,давление насыщенных паров испаряемого вещества при температуре испарения намного больше давления паров при температуре конденсации),акоэффициентиспарениядлячистойповерхностииспаряемого материаларавенединице,скоростьтермическогоиспарения (т.е.количество
веществавграммах,покидающего1см2 свободнойповерхностив1спри условнойтемпературеТу)можноопреде¬литьизполуэмпирическогоуравнения
,
гдеМ-молекулярнаямассаиспаряемоговещества.
Этап осаждения атомарного потока на подложку можно рассматривать по механизму конденсациипар-кристаллиты либодвумерный газ-двумернаяжидкость-твердоевеществов зависимостиотприроды вещества,критической плотностиегопараикритическойтемпературы подложки [1]. Процессы, происходящие при конденсациииспарившегосяпотока,существенно зависят от взаимодействия атомов в потоке вещества, в пленке друг с другом и с поверхностными атомами подложки. Формирование пленки происходит по схеме: образование кристалличе¬ских зародышей - образованиеостровковизконденсата-срастание островков (соединение их мостиками) -
образованиесплошнойпленкисконденсированноговещества.Приэтомважно учитывать:соотношениеплотностейпотокаиспаряемоговеществаиостаточных газов; процессы, протекающие на подложке (физическая адсорбция, хемосорбция, десорбция, диссоциация, реиспарение, диффузия, рекристаллизацияидр.);химическоесродствовсистемеподложка-конденсат- газоваясреда;условияобеспеченияэнергиисвязи атомовосаждающегося вещества,заметнобольшейсреднейэнергии(тепловой)атомовподложкии пленки.Таким образом,взависимостиоткинетикипроцессаконденсациив сочетании с управляемыми параметрами технологической среды можно получить тонкие пленки с необходимыми электрофизическими характеристиками(рис.1)иструктурой(аморфной;мелкозернистойсразмером кристаллитовменее10нм;крупнозернистойсразмеромкристаллитов100нми более).Притолщинеh<1нм пленкасуществуетввидеостровков,имеет высокоеинестабильноеудельноеэлектрическоесопротивлениеρ;приh1=1020нмостровкисрастаютсявсплошнойслой,нопленкавысокочувствительнак условиям испарения,конденсацииистепенивакуума;толщинаh2 =100нм
6
считается нормальной для получения стабильных электрофизических параметровприустойчивыхтехнологическихрежимах.
Основнымитехнологическимипараметрамиметодаиспаренияввакууме являются:скоростьиспарения(зависящаяоттемпературы испаренияитипа испарителя);скоростьконденсации (осаждения)(зависящаяотобобщенной характеристикииспарителя,температурыподложки,наличияостаточныхгазовв рабочейкамере(степенивакуума)икачестваочисткиповерхностиподложки); давлениеисоставостаточныхгазовврабочейкамере;температураподложки.
Температура подложки во многом определяет условия конденсации испаряемого материала. Испарение сложных химических соединений сопровождаетсяпроцессамиихфракционированияврезультатенеодинаковой температурыиспаренияотдельных компонентов,чтоособенносущественноприиспарениимногокомпонентных материалов,напримеррезистивныхсплавов,диэлектриковидр.
Длясохранениястехиометрическогосоставапленоксложныххимических соединений используютразновидности термического испарения в вакууме, напримердискретноеиспарениевозгонкой(взрывноеиспарениесприменением лабиринтногоиспарителялибовибродозированиесприменениемвибробункера и др.).К недостаткам термического испаренияследуетотнести сложности полученияпленокизтугоплавкихматериалов.Например,дляиспарениятантала используютэлектроннолучевыеиспарителиразличныхтипов,чтоусложняет конструкцию вакуумной установки. Импульсные лазерные испарители перспективны для испарения многокомпонентных материалов. Однако принципиальные трудности метода термического испарения связаны с побочнымиявлениями(приполучениидиэлектрическихпленокконденсаторных структур и защитных слоев МСБ),такими как диссоциация окислов при испарении,взаимодействиеиспаряемогоматериаласматериаломиспарителяи остаточнойатмосферойвакуумнойкамеры,атакжеполяризационныйзахват примесейприформированиипленки.
Осаждениепленоквнизкотемпературнойплазме (ионно-плазменноераспыление)
Ионно-плазменное распыление (ИПР)обладает рядом существенных преимуществ перед термическим испарением, важных для серийной автоматизированной реализации групповой технологии в производстве микроэлектроннойаппаратуры(МЭА):
-позволяетполучатьравномерныепотолщинепленкинаподложках больших размеров (из-за большой площади распыляемой пластины из осаждаемого материала - мишени, выполняющей функции источника атомарного потока для создания пленки),что обеспечивает эффективную реализациюгрупповогометодаобработки;
-облегчаетавтоматизацию,повышаетоднородностьпроцессаосаждения, так как мишень представляет собой длительно незаменяемый источник материала;
-обеспечиваетвысокуюадгезиюпленкикподложке,благодарябольшой энергиииплотностичастицвосаждающемсяпотоке;
-позволяет получать пленки из тугоплавких и многокомпонентных материаловбезперегревавакуумнойкамеры иусложнениятехнологического оборудования;
-даетвозможностьполучатьоксидные,нитридныеидругиепленки,втом числе легированные в результате,например,химических реакций атомов
7
распыляемогоматериаласвводимымивкамерухимическиактивнымигазами; -позволяетпроводить ионную очисткуподложек перед осаждением пленокбезусложненияоборудованияираспылять,материалыпритемпературе
нижетемпературыихплавления; -даетвозможностьполучатьпленкиизорганическихматериалов,втом
числе и на подложках из органических материалов при некоторых разновидностяхИПР;
-позволяетполучатьравномерныепотолщинепленкинарельеф¬ных поверхностяхподложек(плат)принекоторыхразновидностяхИПР;
-обеспечивает малую инерционность процесса осаждения пленок. Процессполучения пленок ИПР происходитпо схеме:создание плазмы - распыление мишени и образование потока распыляемого вещества - формированиепленкинаподложке.
Плазмойназываютионизированныйгаз,которыйсостоитизэлектронов, ионов и нейтральныхатомов.Электрическиесилы,связываяразноименно заряженные частицы плазмы, обеспечивают ее квазинейтральность. В технологии производства МЭА используется низкотемпературная плазма, созданиекоторойосуществляетсяпутем формированиягазовогоразрядавпространствемеждудвумяэлектродами,к которымподводитсявысокоенапряжение(отединицдодесятковкиловольт). Температуратакой плазмы обычно непревышает105 К,давлениегазав разрядномпространствеподдерживаетсявпределахот1,3110-2до1,3Па.
Тип разряда (тлеющий,дуговой и др.) зависит от давления газа, приложенногокэлектродамнапряжения;концентрацииэлектронов,влияющей надлинуразрядногопромежуткаиплотностьразрядноготока.
Существуетмножество способов реализации осаждения пленок ИПР, напримерионное(иликатодное)распылениедвухэлектродныхсистемах;ионноплазменноераспылениевтрехэлектродных(иболее)системах;магнетронное распыление с применением магратронных систем для генерации плазмы; плазмотронное распыление е применением импульсных плазменных ускорителейдлявозбуждениядуговогоразрядаидр.
Впростейшихдиодныхдвухэлектродныхсистемахионноераспыление проводится в тлеющем разряде (причем мишень находится на катоде,а подложка-нааноде),вызванном ионизациейэлектронамикатодамолекул инертного газа (аргона),при давлении 1 -10 Паи напряжении 1 -10 кВ. Расстояниемеждуэлектродамисоставляет1-12см,адиаметрэлектродов5-50 см. Такая система малоэффективна вследствие высокой вероятности загрязнений подложки (из-за недостаточно низкого рабочего давления, необходимогодляподдержанияразряда),низкойскоростиосаждения(неболее 0,5нм/с)иневозможностираспылениядиэлектрическихматериалов(из-за накопленияположительныхзарядовнакатоде).
Триодные трехэлектродные системы ИПР более эффективны,в них реализуетсянезависимыймощныйразрядстермоэмиссионно-возбуждаемой плазмой, а на мишень (на третий электрод) подается отрицательный относительно плазмы потенциал,позволяющий вытягивать из плазмы и ускорять(досотенэлектрон-вольт)положительныеионыдлябомбардирования поверхностимишени.Рабочеедавлениевэтомслучаенепревышает0,1Па.В такихсистемахможнореализоватьраспылениедиэлектрическихматериалов, нонеприпостоянном,апривысокочастотном (13,56МГц)потенциалена мишени(высокочастотноераспыление).Крометого,вданныхсистемахпроще, чем в диодных,реализовать получение пленок различных химических соединенийспротеканиемреакциймеждудозированно-вводимымврабочую
8
камеру реактивным газом и распыляемым (осаждаемым) веществом (реактивноеосаждение).Изменяяпарциальноедавлениереактивногогазаот 5∙10-2до5∙10-4Па,можнополучатьпленкиразныххимическихсоединенийгаза, напримерсметаллом.Однакосложностьоборудования,атакжепроблемы обеспечения высокой чистоты процесса осаждения пленок, снижения энергозатратидр.втрехэлектродных(иболее)системахтребуютихпостоянного совершенствования.
ВпоследнеевремядляполучениятонкихпленоквпроизводствеМЭА стали широко использоваться новые системы ИПР:магнетронного типа (магнетронноераспыление(МР))и сприменением импульсно-плазменных ускорителей(плазмотронноераспыление(ПР)).Втабл.3приведеныосновные параметры методатермическогоиспаренияисовременныхразновидностей методаИПР,позволяющиепровестиихсравнительныйанализ.
Таблица3
Сравнительнаяхарактеристикаметодов
формированиятонкихпленокввакууме
|
Плотность |
Энергиячас- |
Максимальная |
Метод |
осаждаемог |
тицв |
скорость |
осаждения |
о |
потоке, |
осаждения, |
|
потока,см-3 |
эВ |
нм/с |
Термическое |
1021 |
0,2 |
100 |
испарение |
|
|
|
Ионно- |
|
|
|
плазменное |
1023 |
|
|
распыление: |
50 |
300 |
|
магнетронное |
|
|
|
плазмотронное |
|
|
|
(сприменением |
|
|
|
импульсного |
1024 |
103 |
105 |
плазменного |
|||
ускорителя) |
|
|
|
ПосвоейсутисистемыдляМРиПРявляютсяусовершенствованными диоднымисистемами,эффективноработающимипридавленияхдо1∙10-2.Па
Устройствомдлягенерацииплазмывпервомслучаеявляетсямагратрон (рис.2),а во втором случае -импульсный плазменный ускоритель (ИПУ).
9
Наличие скрещенных электрического и магнитного полей в магратроне обеспечивает циклоидальное движение электронов в магнитной ловушке вблизи мишени, в результате чего возрастают .интенсивность ее бомбардировки и скорость распыления. При этом исключаются неконтролируемыйнагревподложекиихповреждениечастицамиплазмы,а крометого,возможназаменавысоковольтногооборудованиянизковольтным.
Скорость осаждения и равномерность пленки при МР зависят от эмиссионныххарактеристикисточникаэлектронов,мощностиразряда,места локализации плазмы,геометрии мишени,углов распыления и осаждения, расстоянияотмишенидоповерхностиподложкиидругихфакторов.
В системахдляПР вакуумныйдуговойразряд являетсяисточником плазмы (рис.3),состоящей из электронов,паров и ионов распыляемого вещества.Процессы,протекающие в разрядном пространстве,сложны и зависятотгеометрииматериалаэлектродов,режимовиспособовзажигания разрядаит.п.[2].
10