книги из ГПНТБ / Моряков, О. С. Вакуумно-термические и термические процессы в полупроводниковом производстве учеб. пособие

распыляя тантал бомбардировкой ионами кислорода, получают пленки окиси тантала. Так же можно осаждать двуокись и нитрид кремния и другие соединения.

На рис. 59, в показана рабочая камера установки для ионно­ плазменного распыления, которая состоит из вольфрамового като­ да 11, анода 12, мишени 13 (распыляемый материал), неподвижно­ го экрана 14 и заслонки 5, которой можно прикрывать полупровод­ никовую подложку, расположенную перед нагревателем. При ионноплазменном распылении выполняют следующие операции:

откачку рабочей камеры до давления ~10~6 мм рт. ст.; прогрев подложки; включение электродной системы;

подачу инертного газа (до давления 10-4—10~3 мм рт. ст.); ионную бомбардировку (травление) подложки для удаления за­

грязнений; бомбардировку мишени (вначале при закрытой подложке для

удаления загрязнений, а затем с конденсацией распыляемого веще­ ства на поверхности полупроводника).

Ионноплазменное распыление по сравнению с термическим обла­ дает следующими преимуществами:

возможностью предварительной очистки распыляемого материа­ ла и подложки;

возможностью использования материалов с различными свойст­ вами;

безынерционностью (процесс начинается и прекращается сразу после подачи или отключения напряжения);

возможностью получения пленок, равномерных по толщине и составу, а также обладающих высокой адгезией к подложке;

легкостью регулировки режимов распыления; возможностью как одновременного, так и раздельного напыле­

ния различных материалов.

§ 36. Изготовление тонкопленочных интегральных схем

Тонкопленочная интегральная структура (схема) состоит из подложки, активных и пассивных компонентов и проводников, сое­ диняющих их между собой.

А к т и в н ы е к о м п о н е н т ы тонкопленочных интегральных схем (диоды и транзисторы) изготовляют методами планарной, пла­ нарно-эпитаксиальной и элионной технологии, используя металли­ ческие пленки только для создания невыпрямляющих (омических) контактов с различными участками полупроводниковой структуры.

Пленочные диоды и транзисторы в настоящее время находятся на стадии лабораторных исследований. Следует отметить перспек­ тивность тонкопленочных полевых транзисторов с изолированным затвором, где в качестве полупроводников используют поликристаллические пленки сульфида и селенида кадмия, окиси цинка, окиси индия и др. Ведется разработка полевых транзисторов на базе монокристаллических пленок кремния на сапфировой подложке.

100

Технологический процесс изготовления таких транзисторов вклю­ чает кристаллизацию пленки полупроводника, создание металличес­ ких электродов истока и стока, нанесение изоляционного слоя и, наконец, металлического слоя затвора. Подложки выполняют из диэлектриков (боросиликатные и алюмосиликатные стекла, некото­ рые керамические материалы, например окись бериллия, а также ситалл, фотоситалл и кварц).

Коэффициенты термического расширения изоляционных и напы­ ляемых материалов и полупроводниковых пластин (подложек) должны быть согласованы. Подложки должны иметь полированную поверхность \ПЗ — У14 классов, тщательно очищенную от различ­ ных загрязнений. Для очистки подложек используют как химиче­ ские, так и термический способы. При химической очистке подложки обрабатывают органическими растворителями, кислотами и щелоча­ ми и промывают в воде на ультразвуковых установках. Термическая

ются пленочные резисторы, конденсаторы, проводники и, реже, индуктивности.

Материал, применяемый для изготовления резисторов, должен прежде всего обеспечивать заданный диапазон сопротивлений, их стабильность во времени и иметь хорошую адгезию к поверхности подложки. Поэтому для изготовления резисторов используют чистые металлы (хром, тантал, золото, платину, никель, рений), а также сплавы (например, нихром), полупроводники и керметы (хром-мо­ ноокись кремния и танталово-хромовые стекла).

Пленочные конденсаторы имеют две обкладки с разделительной диэлектрической прослойкой, причем материал прослойки должен иметь высокое пробивное напряжение и малые диэлектрические потери. Чаще всего для прослойки используют моноокись кремния (ЭЮ), при соответствующем окислении роль диэлектрика может выполнять также окись алюминия А^Оз.

Величина тонкопленочных индуктивностей составляет несколько микрогенри, так как ограниченные размеры подложек не позволяют развивать их по площади. Эти элементы изготовляют осаждением металла с низким удельным сопротивлением, например золота, в виде различных спиральных дорожек с малым шагом.

Тонкопленочными проводниками соединяют между собой компо­ ненты интегральных схем, а также выводы корпуса. Наличие таких проводников не должно приводить к образованию выпрямляющих контактов. Необходимо также, чтобы материал проводников имел минимальное электрическое сопротивление, хорошее сцепление с подложкой и другими элементами схемы и допускал пайку. В ка­ честве проводников применяют сплавы (например, серебро-марга­ нец) или делают их многослойными, напыляя сначала пленку хро­

ма или титана, а поверх нее серебро или золото.

Как правило тонкопленочные интегральные схемы изготовляют термическим испарением различных материалов в вакууме. Для

101

этого служат напылительные установки, снабженные устройствами, позволяющими выполнять последовательную конденсацию несколь­ ких веществ, например установка для вакуумного напыления УВН-2М-2.

Напыление пленок часто выполняют через маски, которые должны быть изготовлены с высокой точностью, допускать хорошее совме­ щение, не изменять размеров и не выделять загрязнений в процессе работы. Материалом для масок обычно служат латунь, медь, нержа­ веющая сталь, пермаллой, тантал, инвар (в виде фольги) и графит. Маски изготовляют как обычным металлорежущим инструментом, так и ультразвуковыми и электроэрозионными методами, а также фотохимическим травлением и электрохимическим наращиванием.

Фотохимическое травление аналогично фотолитографии и заклю­ чается в вытравливании отверстий требуемой формы на участках металлической фольги, не защищенных слоем фоторезиста, который после окончания процесса удаляют.

Электрохимическое наращивание основано на осаждении сетча­ той металлической пленки (из никеля или меди) на подложку из нержавеющей стали, частично покрытую слоем фоторезиста. Осаж­ дение идет там, где фоторезист отсутствует; на защищенных им местах образуются отверстия. После окончания гальванического процесса остатки фоторезиста удаляют и снимают готовую маску с подложки. Иногда маски делают двухслойными.

При изготовлении интегральных схем вначале напыляют через различные маски пленочные резисторы, конденсаторы, индуктив­ ности и проводники, а затем на подложке монтируют активные компоненты, помещают интегральную структуру в корпус, присое­ диняют к ней выводы и герметизируют.

§ 37. Оборудование для напыления пленок

Рассмотрим устройство и принцип действия вакуумных напыли­ тельных установок на примере установок УВН-2М.-2 (рис. 60, а) и ЖК 43.05 (рис. 60, б), широко используемых в производстве полу­ проводниковых приборов для осаждения металла на полупроводни­

ковые подложки.

Установка УВН-2М-2 (рис. 60, а) состоит из основания, рабочего колпака с механизмом для его подъема, вакуумного поста, системы охлаждения и пульта управления с электрическими блоками.

Основанием установки служит стальной каркас, закрытый ме­ таллическими панелями, внутри которого смонтированы части уста­

новки.

Колпак (рис. 61), расположенный на каркасе установки, пред­ ставляет собой герметичную оболочку 20 из нержавеющей стали вакуумноплотно установленную на плите-основании 13. Для наблю­ дения за технологическим процессом колпак имеет два смотровых окна и снаружи обвит змеевиком, в который можно подавать холод­ ную и горячую воду. Сбоку колпака имеются два натекателя. Непо­ средственно под колпаком располагаются карусель 18 подложек и

102

Рис. 60. Вакуумные напылительные установки:

а - УВН-2М-2, б - Ж К 43.05

масок, нагреватель 4 подложек, очистное устройство 7, карусель испарителей 14 с экранами 16, заслонка 11 с электромагнитным приводом.

Семь позиций восьмипозиционной карусели 18 предназначены для кассет с подложками и масками, а восьмая — для имитатора 5 (контрольного образца, служащего для измерения сопротивления

Рис. 61. Колпак с подколпачным устройством уста­ новки УВН-2М-2:

пленки) и датчика температуры подложек. Карусель вращается со скоростью 50—150 об/мин от электродвигателя 1 относительно неподвижного диска 8, который опирается на стойки 9. Сигналы дат­ чиков карусели передаются на пульт управления через коллектор 1 0 .

Прогреваются подложки нагревателем 4 кольцевого типа, закры­ тым сверху двумя экранами 3 и питаемым через токоввод 6. Поло­ жение нагревателя относительно подложки регулируется в пределах

10 мм.

104

Очищают подложки непосредственно перед напылением ионной бомбардировкой, возбуждая тлеющий разряд между специальными электродами, питаемыми от высоковольтного трансформатора через нижний токоввод 1 2 .

Карусель испарителей 14 позволяет проводить поочередное на­ пыление пяти различных материалов. Основанием этой карусели служит неподвижный медный диск 8, который устанавливают с по­ мощью ручного привода в одно из пяти фиксированных положе­ ний; в каждой позиции питание подается на один из испарителей через подвижный и неподвижный контакты. Испарители закрепле­ ны в цанговых зажимах. Распыляемый материал направляется в сторону подложек специальным экраном 17. Заслонка 11 служит для прерывания потока паров, приводится в действие от сердечни­ ка электромагнита через шестеренчатый механизм и имеет смен­ ный экран, что облегчает его замену и очистку.

Вакуумная система (рис. 62) откачки колпака 5 состоит из вращательного (механического) насоса 11 (ВНМ-7Г), паромасля-

Рис. 62. Вакуумная система установки УВН-2М-2:

105

ного насоса 1 (Н-2Т), затвора 2, клапанной коробки 8, натекателей 6, 7 и 9, трубопроводов 12 и ловушки 4, охлаждаемой жидким азотом. Управляют системой, пользуясь рукоятками 10 и ручным

включают паромасляный насос, который обеспечивает вакуум порядка Ы 0~5 мм рт. ст. Для получения более высокого вакуума

(1 • 1(Н —1 • 1(И5 мм рт. ст) и сообщения колпака и насосов с атмо­ сферой.

Паромасляный насос, колпак и испарители охлаждают проточ­ ной водопроводной водой. В системе имеется гидрореле, выключаю­ щее электропитание при недостаточном давлении воды. Для прогре­ ва колпака при обезгаживании, а, главное, чтобы избежать конден­ сации влаги при вскрытии колпака, в его змеевик можно подавать горячую воду.

С пульта управления, смонтированного на лицевой стороне установки, управляют работой вакуумной и водяной систем, гидро­ системой подъема колпака, испарителями, заслонкой и др.

Вакуумная установка ЖК 43.05 (см. рис. 60, б), предназначен­ ная для распыления алюминия и сплава золота с сурьмой и сереб­ ром, состоит из двух частей: вакуумного блока и электрического пульта. Два варианта устройств, монтируемых под колпаком, позво­ ляют вести распыление как сверху вниз, так и снизу вверх. На рис. 63 показан второй вариант подколпачного устройства.

Колпак состоит из цилиндра 12 с крышкой 2, уплотняемых рези­ новой прокладкой и тремя стяжками 17. В рабочем положении колпак устанавливается на резиновую прокладку, расположенную в канавке нижней плиты 7, и прижимается к ней атмосферным

106

давлением. Внутри колпака находится змеевик 16 ловушки, охлаж­ даемой жидким азотом, а в верхнюю крышку вварены два штуцера змеевика и переходник к штенгелю лампы 1 ионизационного мано­ метра. Остальные механизмы расположены на нижней плите 7.

Трубки 14 подачи под колпак охлаждающего воздуха одновре­ менно являются стойками, на которых смонтированы держатели 3

навески по отношению к испарителю обеспечивает вначале попадание распыляемого мате­

риала на заслонку, а затем — на подложки, когда заслонка будет повернута в сторону.

На этой установке можно выполнять так называемое косое напы­ ление, т. е. последовательное осаждение различных материалов (золота и алюминия) из двух или даже трех источников через одно окно в маске (рис. 64, а).

На рис. 64, б показана конструкция держателя подложек, кото­ рый состоит из основания 5 с приваренной к нему маской 4, на кото­ рой располагается прокладка 3 и пластина полупроводника 2 , удер­

107

живаемые пружинным прижимом 7. Температуру подложек контро­ лируют термопарой 6.

Качество напыления зависит от конструкции испарителя: испа­ ритель должен обеспечивать получение однородных по составу и одинаковых по толщине пленок. Кроме того, необходимо, чтобы ма­ териал, из которого изготовлен испаритель, выдерживал достаточное число рабочих циклов, не выделял посторонних веществ и хорошо смачивался расплавленным металлом (для надежного теплового контакта).

При работе с алюминием, золотом и сплавом золото —■серебро обычно используют проволочные резистивные испарители из воль-

1

фрама, молибдена или тантала, простые по конструкции, экономич­ ные, обеспечивающие высокое качество пленок, а также удобные при обслуживании. Питание испарителей осуществляют от понижа­ ющего трансформатора с плавной регулировкой напряжения. Режим нагрева контролируют по амперметру и вольтметру.

Расплавленный металл хорошо удерживается на проволочном испарителе, однако, взаимодействие между испарителем и металлом приводит к быстрому разрушению испарителя. Поэтому проволоч­ ные испарители обычно применяют только для возгонки, сублимации металлов (когда температура распыления лежит ниже точки плав­ ления). Узкие полоски, отрезки проволоки или ленты навешивают равномерно по длине испарителя. По форме проволочные испарите­ ли бывают спиральные цилиндрические (рис. 65, а), волнообразные (рис. 65, б) и спиральные двойные (рис. 65, в).

В установках для вакуумного распыления предусмотрена воз­ можность перемещения испарителей в горизонтальном и вертикаль­ ном направлениях, а также выбора оптимального расстояния до подложек. В испарителях с донышком (см. рис. 65, в) образуется тепловой экран, который способствует направленности распыления металла. Чем меньше размеры испарителя, тем более четкими получаются границы пленок различных компонентов.

108

Спиральные цилиндрические и волнообразные испарители обыч­ но используют при большой площади подложек и направлении па­ ров сверху вниз.

Рис. 65. Проволочные испарители:

а — спиральный цилиндрический, б — волнообразный, в — спиральный двойной

§38. Измерение толщины пленок

Внастоящее время известны несколько методов контроля толщины пленок (емкостной, резистивный, оптический, взвешивания

идр.), некоторые из которых позволяют выполнять измерения во время процесса конденсации металла. Несмотря на то что толщина пленок зависит от многих факторов (вида распыляемого материала, его количества, взаимного расположения испарителя и подложек, способа напыления, рабочего вакуума и др.), необходимость в изме­ рениях после каждого напыления обычно отпадает, если условия их нанесения стабильны.

Наибольшее применение нашли резистивный и весовой методы:

первый — в процессе нанесения, а второй — после получения пленки. Р е з и с т и в н ы й м е т о д основан на зависимости между тол­ щиной пленки и ее сопротивлением постоянному току, которая выра­

жается формулой

109