книги из ГПНТБ / Федотов, Я. А. Инженер электронной техники

сталле площадью 50 мм2 можно будет записать в двоичном коде до 500 000 единиц информации. На 1 см2 это будет со­ ставлять 1 млн. единиц информации. Для ее записи потре­ буется не менее 2 млн. элементов, аналогичных транзистору.

Другой пример возьмем из телевизионной техники. Изо­ бражение преобразуется в электрический сигнал на телесту­ дии с помощью передающих электронно-лучевых вакуумных приборов. В зависимости от конструкции и принципа действия они могут иметь различные названия. Один из типов таких передающих телевизионных трубок называется видиконом. Важнейшей деталью видикона является так называемая ми­ шень, на которую проецируется с помощью оптической систе­ мы изображение. Различная степень освещенности отдельных участков мишени приводит к появлению на ней потенциаль­ ного рельефа, который считывается строка за строкой с обратной стороны мишени тонким электронным лучом, про­ ходящим по мишени.

Серьезной проблемой является чувствительность видиконов, т. е. их способность воспринимать слабые световые сиг­ налы. Другими словами, хотелось бы иметь возможность ве­ сти телевизионные передачи при нормальном (иногда и вечер­ нем) освещении, не прибегая к помощи мощных прожекторов.

В последнее время в видиконах начинают применять ми­ шени из кремния. В этом случае чувствительным элементом фотомишени являются кремниевые фотодиоды. Чтобы полу­ чить достаточную разрешающую способность, т. е. иметь воз­ можность передавать достаточно мелкие детали изображения, элементы мишени должны быть меньше воспроизводимых эле­ ментов изображения. Удовлетворить требованиям телевизион­ ных стандартов удается только в том случае, если на мишени площадью 1 см2 будет размещено около 1 млн. таких фото­ диодов. Однако главное не в том, что на 1 см2 умещается количество фотодиодов, выпускаемое каким-либо цехом заво­ да за год, а то, что количество негодных, бракованных фото­ диодов должно составлять не более одной сотой доли про­ цента!

20

Если завод выпускает обычные фотодиоды, то брак мо­ жет составлять 10—30%. Чтобы выполнить годовую програм­ му в 1 млн. фотодиодов, завод делает их несколько больше, например 1 млн. 250 тысяч. В ходе контроля и проверок 250 тысяч диодов бракуется, а 1 млн. поступает на склад го­ товой продукции.

В мишени видикона весь миллион диодов делают за один раз на одной пластине кремния. Испорченный диод нельзя вынуть и заменить годным. Более того, даже прове­ рить все диоды один за другим вряд ли возможно. Во-пер­ вых, не так легко подсоединиться к диодику, диаметр которо­ го составляет 5—7 мкм. Во-вторых, сложно измерить токи величиной в 10-14 А, характеризующие работоспособный диод, а в-третьих, если даже на одно измерение (включая подключение к столь малому диоду) тратить всего одну се­

Но ставить в видикон мишень, содержащую некачествен­ ные диоды, тоже нельзя. Неработоспособные диоды будут проявлять себя в виде пятен на изображении. Белые или чер­ ные пятна на черно-белом изображении — это уже достаточно неприятная вещь.

В цветном телевидении и пятна (дефекты) будут цвет­ ными. Это еще более неприятно, так как цветовой контраст может быть значительно сильнее контраста яркости в черно­ белом изображении. Значит и здесь главная задача заклю­ чается не в том, чтобы проверить и отбраковать, а в том, что­ бы сделать, по возможности, ненужной отбраковку, стараться работать «наверняка», без ошибок и дефектов. Тем не менее ошибки будут, и чем сложнее изделие, тем больше можно ожидать ошибок.

21

Вот почему главное в нашей работе, конечно, не «мелко-

скоп»... Главное в том, чтобы весь технологический процесс, точность оборудования, условия производства исключали воз­ можность появления дефекта! Здесь важна не только техника, но и организация производства, слаженная и четкая работа всего коллектива предприятия. Непременным залогом успеха является и высокая культура производства.

Что мы увидим на заводе!

Завод — это сложный «производственный организм». Это и помещения, и оборудование, и технологические процес­ сы, и, что самое главное, люди . Ведь о людях-то мы собст­ венно и начали говорить. И если мы все больше и больше переходим к вопросам техники, то это лишь потому, что на этих примерах, мы хотим показать, какие же требования предъявляет современное производство изделий полупровод­ никовой электроники к специалистам: к уровню их подготовки, к умению управлять этим производством.

Оборудование полупроводникового производства по точ­ ности относится к категории самых прецизионных установок, а в ряде случаев просто не имеет аналогов ни в какой другой отрасли промышленности.

Производство полупроводниковых приборов начинается с подготовки пластин. Слитки полупроводникового материала режутся на диски (пластины) диаметром от 25—30 до 60— 80 мм и толщиной несколько десятых миллиметра. Подобных пластин, например, американская промышленность в неделю использует около миллиона. Пластины эти подвергаются меха­ нической обработке: шлифовке и полировке.

Такие полупроводники, как германий или кремний, обла­ дают очень высокой твердостью и хрупкостью, и их обработка представляет собой весьма сложную задачу, конкурирующую с самыми сложными задачами оптической промышленности: точность обработки здесь приблизительно та же, что и при обработке стекла, а материалы — гораздо более «трудные», чем

22

CfeKJio. Чистс^а обработки поверхности должна соответство­ вать самому высшему — четырнадцатому классу. Это требо­ вание, само по себе жесткое, дополняется другими, не менее жесткими требованиями: плоскостности, т. е. степени прибли­ жения к идеальной плоскости, Плоскопараллельности верхней и нижней поверхностей и отсутствия «нарушенных слоев». Последнего требования оптическая промышленность не знает вообще. «Нарушенные слои», структура которых была грубо изменена в процессе шлифовки и полировки в результате ме­ ханического воздействия, располагаются у самой поверхности, но, при создании полупроводниковых приборов, мы работаем в первую очередь в приповерхностных слоях. Отсюда возни­ кает требование минимальных нарушений в этих слоях.

Именно в приповерхностные слои мы вводим строго дози­ рованные количества примесей, перестраиваем необходимым образом их Структуру, создаем в них нужные нам области. Микротрещины, микросдвиги в кристаллической решетке и другие нарушения структуры, вызванные механической обра­ боткой, сделают результаты нашей работы недостаточно вос­ производимыми, приведут к повышенному браку. А мы ведь работаем «без мелкоскопа»! Мы должны работать навер­ няка ...

Обычно эталоном точности считают часовую промыш­ ленность. Однако точности часовой промышленности на много порядков ниже точностей, например, авиационного мо­ торостроения. Точность обработки полупроводниковых пла­ стин для наиболее ответственных изделий полупроводниковой электроники превосходит точности, принятые не только в спе­ циальном машиностроении, но и в оптике.

Также не имеет себе равных точность проведения терми­ ческих процессов полупроводниковой электроники. Где еще можно найти термическое оборудование, способное устанав­ ливать и поддерживать температуру с точностью 0,5—0,25° на уровне 1200—1300°С? Пожалуй, что и необходимость-то в та­ ком оборудовании имеется только в полупроводниковой про­ мышленности.

23

Наиболее сложными, Точными и оТвеФстйеНнУМи сейоДНй являются так называемые фотолитографические процессы. Фотолитографию называют еще и фотогравировкой. Приме­ няется она не только в полупроводниковой промышленности. Однако только в этой промышленности точность фотолито­ графических процессов потребовала оборудования, достигающего предельных для современной оптики и механики точ­ ностен.

Кто хотя бы немного знаком с фотографией, тот легко поймет смысл процессов фотолитографии. Поверхность полу­ проводниковой пластины покрывается диэлектрической или ме­ таллической пленкой. В определенных местах пленку сле­ дует удалить. Форма и размеры этих окон в пленке будут определять форму и размеры полупроводниковых структур или металлических контактов к этим структурам.

Наиболее удобным способом удаления пленки с опреде­ ленных участков является травление, т. е. химическое раство­ рение ее на тех участках, с которых она должна быть удале­ на. Для этого поступают следующим образом. На диэлектри­ ческую или металлическую пленку наносят тонкий слой специального светочувствительного лака — фоторезиста. На специальном фотонегативе (фотошаблоне) в виде черных и белых полей изображен рисунок, который должен быть пере­ несен на обрабатываемую пленку. Фотошаблон накладывается на слой фоторезиста. Фоторезист освещается (экспонируется) через фотошаблон ультрафиолетовыми лучами. Под их дей­ ствием фоторезист полимеризуется и превращается в стойкую пленку, защищающую металл или диэлектрик от действия травителя. В тех же местах, где на фотошаблоне были черные поля, защищающие фоторезист от ультрафиолетового излуче­ ния, он легко удаляется и металл или диэлектрик остаются открытыми для воздействия травителя. Таким образом рису­ нок фотошаблона переносится на поверхность полупроводни­ ковой пластины.

Обрабатываемые пластины имеют обычно диаметр около 30—50 мм. После того как на одной пластине будет одновре­

24

менно изготовлено большое количество приборов, пластину разрезают на отдельные кристаллики с полупроводниковыми приборами на них. Если один полупроводниковый прибор размещается на кристалле размером .1 Х'1 мм, то на поле пластины может поместиться около 1500 приборов. Если раз­ меры кристалла уменьшить до 0,5X0,5 мм, то число прибо­ ров, изготавливаемых одновременно на одной пластине, мо­

80мм.

Вто же время структура одиночного прибора может со­

стоять, в свою очередь, из десятков и даже сотен отдельных элементов, размеры которых не будут превышать нескольких микрон. Если на одной пластине одновременно изготавливает­ ся около 1000 транзисторов, а каждый транзистор состоит из 500 элементов (весьма возможный случай ...), то на одну пластину мы одновременно с помощью методов фотолитогра­ фии «впечатываем» около 500 000 элементов.

Процесс фотолитографии повторяется при производстве полупроводниковых приборов несколько раз. При этом каж­

12 мкм. Зазор между сторонами квадратов при этом будет составлять в идеальном случае 2,5 мкм. И так должны быть впечатаны один в другой все 500 000 элементов. Незначитель­ ное смещение фотошаблона при наложении на пластину или небольшой поворот его приведет к тому, что структуры ока­ жутся сдвинутыми, перекрывающимися. Прибор с такой структурой работать не будет.

в первую очередь от точности изготовления самих фотошаб­ лонов. 'Все 500 000 элементов одного фотошаблона должны точно совмещаться с 500 000 элементов другого. Для изготовденця таких фотошаблонов не.обходимо оптико-механическое

25

оборудование, точность работы которого составляла бы деся­ тые доли микрона.

Не поработав с таким оборудованием, трудно себе пред­ ставить, насколько высокими являются эти требования. Мож­ но лишь сказать, что до появления сверхточных фотолитогра­ фических процессов полупроводниковой электроники оптико­ механического оборудования такой точности просто не было. Оно было создано специально для полупроводниковой электроники ценою больших усилий, и совершенствование его продолжается непрерывно.

Не менее трудной оказывается задача совмещения и впе­ чатывания рисунков один в другой. Совмещая шаблон, сле­ дует иметь между ним и полупроводниковой пластиной неко­ торый зазор, позволяющий свободно перемещать совмещаемые предметы. После совмещения шаблон надо плотно прижать, к пластине для экспонирования.

Если сегодня размеры элементов рисунка, а также рас­ стояние между ними доведены до 1—2 мкм, то необходимая точность совмещения измеряется десятыми долями микрона. Сдвинуть случайно шаблон на такую величину, прижимая его после совмещения к пластине, очень легко. Итак, установки, на которых проводится совмещение и экспонирование, должны работать очень точно.

Есть и еще одна сложность. Длина волны ультрафиоле­ тового излучения, используемого для экспонирования, состав­ ляет около 0,4 мкм. Размер элемента становится соизмерим с длиной волны. Лучи света, проходя сквозь столь узкие отверстия, отклоняются. Фотошаблон начинает действовать как диффракционная решетка. Если фотошаблон не будет достаточно плотно прилегать к слою фоторезиста, то мы не получим «черных» незасвеченных полей на фоторезисте при малой их величине: лучи света, проходящие через соседние светлые участки, будут искривляться за счет диффракции и засвечивать фоторезист под темным участком фотошаблона.

Это ставит очень жесткие требования к плоскостности об­ рабатываемых кремниевых пластин и к плоскостности фото­

26

пластин, используемых для изготовления фотошаблонов. До­ пустимые отклонения от плоскостности не должны здесь превышать десятых долей микрона. Чтобы получать на фото­ пластинах изображения малых размеров, пришлось создавать специальные фотопластины и специальную оптику с высокой разрешающей способностью.

Кто знаком с фотокинотехникой, тот, возможно, знает, что разрешающая способность определяется по числу линий, которые могут быть различимо нанесены на участке в 1 мм. В обычной фотокинопрактике мы пользуемся фотоматериала­ ми и оптикой, имеющими разрешающую способность порядка 50—60 линий на 1 мм. Оптика и фотопластины для фотолито­ графии имеют разрешающую способность порядка 1000— 1500 линий на 1 мм.

Сложности, однако, на этом не кончаются. Если размеры элементов имеют порядок 1—2 мкм, то любая пылинка таких

месте. Отсюда возникают почти фантастические требования к борьбе с пылью в помещениях, где проводятся фотолитогра­ фические процессы и изготавливают фотошаблоны.

Пыль—серьезный враг полупроводникового производства, и борьбе с ней всегда уделялось много внимания. Здесь же мы вынуждены предъявлять наиболее жесткие требования. В обычном городском воздухе содержится около 50 млн. пы­ линок в 1 м3. В зеленых зонах содержание пыли падает до

2 млн. в 1 м3.

Наиболее жесткие условия запыленности, зафиксирован­ ные для полупроводниковой промышленности стандартами США, составляют 3500 пылинок на 1 м3 (класс 100). Уже се­ годня эти нормы подвергаются ревизии. Так, фирма Texas Instruments считает, что при изготовлении наиболее сложных полупроводниковых изделий — схем большой степени интегра­ ции (БИС) — запыленность воздуха в основных помещениях не должна превосходить 3000 пылинок на .1 м3, а на рабочем

27

месте возле обрабатываемой пластины должна быть на уров­ не 30 пылинок на 1 м3. По мнению фирмы Texas Instruments, только при этих условиях удастся получать разумное соот­ ношение между браком и годными изделиями.

Зачем это нужно? Если в помещении запыленность до­

размером 0,5 мкм и менее. Таким образом, на каждые 2 мм* обрабатываемой пластины придется не менее одной пылинки

обходимые для современного производства, может показать следующий пример. Даже в состоянии покоя человек каждую минуту создает до 100 000 пылинок. При энергичных движе­ ниях число создаваемых им пылинок возрастает до миллиона и более. Если в комнате площадью 100 м2 без людей насчи­

основном изоляцией этих помещений от внешней среды, тща­ тельной обработкой входящих в эти помещения людей, отка­

и, что самое главное, усиленным обменом воздуха, пропускае­ мого через специальные пылеулавливающие фильтры. Полный обмен воздуха в наиболее чистых помещениях должен проис­ ходить до 300 раз час. Только таким образом удается созда­ вать и поддерживать необходимые условия производства.

Существенное значение имеет также поддержание задан­ ной температуры и влажности, поэтому большинство процес­ сов производства изделий полупроводниковой электроники осуществляется в условиях строго контролируемых темпера­

28

туру, вЛажкоСтй и зайыленности. Йаиболее ответственные

процессы проводятся в специальных ящиках — скафандрах, внутри которых создается микроклимат. В них подается тща­ тельно осушенный и обеспыленный воздух или инертный газ.

Что касается стабильности температуры в помещениях, где работает прецизионное оптико-механическое оборудова­ ние, то точность ее поддержания должна составлять 0,2— 0,3°С. При более значительных колебаниях температуры температурное расширение деталей оборудования может уже привести к недопустимым отклонениям.

'В полупроводниковом производстве используются газы очень высокой степени очистки. В них могут содержаться лишь тысячные доли процента кислорода, а содержание влаги должно быть таким, чтобы роса выпадала только при темпе­ ратуре —70°С.

Тщательной очистке подвергается и вода, используемая для промывки полупроводниковых элементов. Все это являет­ ся неотъемлемым условием технологических процессов полу­ проводниковой электроники. Это общее требование техноло­ гии. А что же такое технология? Этот вопрос следует рассмо­ треть отдельно.

Что такое технология!

Нередко бывает, что терминологические нюансы при­ водят к путанице понятий, к неправильному пониманию ве­ щей. Так, кстати, часто бывает и с понятием «техноло­ гия» в полупроводниковой электронике. Во многих тради­

Сначала ее основные детали и узлы, вычерченные конструкто­ рами, делают, как это часто называют, «на коленке». Главное требование к ним — соответствие чертежам. Как они сделаны (выточены, отштампованы, отлиты и т. д.), может не иметь

29