1.6. Структура технологического оборудования микроэлектроники
Управление ТП в любой отрасли промышленности должно обеспечивать получение продукции с определенными свойствами. Решение этой задачи основывается на понимании взаимосвязи между свойствами изделия, особенностями технологии его изготовления и характеристиками оборудования, с помощью которого реализуется эта технология.
Производство ИМС представляет собой сложный процесс, в котором можно выделить три фазы:
- заготовительную, включающую в себя изготовление слитков, резку их на пластины и получение пластин со скрытым слоем, подготовку оснастки и инструмента (фотошаблонов, транспортной и технологической тары, реактивов и др.) и, наконец, производство корпусов, специальных лент, паучков для сборки приборов;
- обрабатывающую, предназначенную для получения интегральных структур в полупроводниковом материале или на его поверхности;
- сборочно-контрольную, завершающую изготовление ИМС. В неё входят операции: разделения пластин на кристаллы, сборка схем в корпуса, герметизация, контроль качества изделий и испытания.
Основные характеристики ИМС, определяющие область их применения, создаются обрабатывающей фазой. Она предъявляет особо высокие требования к точности и стабильности ТП и условиям их выполнения. Все это, наряду с большим разнообразием методов и приемов обработки, приводит к необходимости решения сложных задач управления и разработки совершенных средств.
Технология обрабатывающей зоны получила название планарной. Она универсальна, пригодна для производства разнообразных приборов, допускает изменение состава операций, обеспечивает возможность построения гибкого автоматизированного производства. В технологическом оборудовании (ТО) микроэлектроники используются различные физические явления.
Главные проблемы при создании такого оборудования – это организация целенаправленного воздействия на полупроводниковые материалы, что связано с получением необходимых свойств изделий, и создание условий для выполнения этих операций путем формирования рабочего объема с жестко контролируемыми свойствами среды.
К характеристикам рабочего объема, в котором выполняются технологические операции, относятся:
- состав среды, определяемый парциальным давлением паров веществ;
- давление в рабочем объеме;
- интенсивность и градиент электромагнитного поля;
- чистота среды, т.е. отсутствие в ней посторонних частиц, атомов, ионов и т. д.
Технологические операции в микроэлектронике характеризуются высокой точностью, должны обеспечивать изменение свойств материалов в локальных областях малых размеров и исключать побочные явления, которые могут возникать в процессе обработки.
Для формирования необходимых свойств ИМС используются:
- механическая обработка;
- химические реакции;
- воздействие сфокусированными пучками вещества – электронная и ионная обработка;
- воздействие электромагнитным полем– низкотемпературная плазменная.
Комплекс оборудования для производства ИМС представляет собой полный набор технологических установок, измерительной аппаратуры и средств управления.
Так, поточная линия производственной системы диффузии включает:
- три (трехтрубные) диффузионные печи, оснащенные загрузчиками;
- газораспределительную систему;
- транспортную систему, позволяющую адресовать кассеты с пластинами в любой реактор;
- центральный пульт управления линией;
- промышленные роботы, обеспечивающие перегрузку кассет из накопителя в транспортную кассету и обратно.
Поточная линия комплектуется в виде чистого коридора, где в качестве главного ТО используются физико-термические установки, установки ионной имплантации, оборудование для эпитаксии.
Как правило, формирование объема с необходимым типом проводимости осуществляется с помощью термической диффузии, иногда ионной имплантации. Эти операции должны обеспечивать строгое соблюдение количества и распределения примесей в материале подложки.
Поскольку объективный контроль процесса внедрения примеси невозможен, особое внимание при разработке ТО и систем управления (СУ) уделяется обеспечению оптимальных технологических режимов. При этом выборочный контроль результатов процесса позволяет определять его эффективность путем оценки выхода годных результатов на операции.
Существуют многочисленные методы термической диффузии: метод «запаянной ампулы»; диффузия в вакууме; метод «открытой трубы».
Общим для всех методов является:
- создание источника примеси на полупроводнике или вблизи его поверхности;
- нагрев полупроводника до температур, обеспечивающих приемлемую для производства скорость диффузии;
- прекращение процесса по достижении расчетной глубины границы легированной области.
При изготовлении биполярных и металл-диэлектрик-полупроводник (МДП) схем наибольшее распространение получил метод «открытой трубы». Диффузия при этом выполняется в две стадии.
На первой – «загонке» – диффузант переносится инертным газом к пластинам и насыщает через открытые окна (в SiO2) поверхностный слой. Концентрация примесей обычно определяется предельной растворимостью примеси (бора или фосфора) в кремнии.
Вторая стадия – «разгонка» – проводится с целью получения заданного профиля в полупроводнике. На этой стадии под действием температуры диффузия происходит вглубь материала. Для выравнивания наружный слой обедняют путем выращивания на поверхности окисла, в который переходит часть примеси.
Для выполнения диффузии применяются диффузионные системы, в состав которых входят: печь резистивного нагрева, система подачи газов, система управления тепловым режимом, система загрузки и выгрузки, устройства пылезащиты и вытяжки.
Диффузионная печь представляет собой (рис. 1.6.1) цилиндрическую камеру 1, футерованную огнеупорным материалом, в которой размещен кварцевый реактор 2. Вокруг реактора располагается три секции нагревателя 3. Питание их независимо, а нагрев обеспечивается усилителями мощности 4 (исполнительные устройства).
Рис. 1.6.1
В реактор помещают лодочку 5 с пластинами полупроводника. Стабилизация температурного режима печи обеспечивается регуляторами 6. Измерение температуры производится высококачественными термопарами. Регулирование в торцевых зонах производится с целью выравнивания температуры по печи, для чего термопары торцевых зон включаются по дифференциальной схеме с термопарами, размещенными в средней зоне. Лодочка с пластинами помещается в печь устройством загрузки 7, которое обеспечивает перемещение её по программе и возвратно-поступательное движение в технологическом процессе и при загрузке-выгрузке. Перемещение служит для предотвращения спекания лодочки с кварцевым реактором.
В газовую систему входят независимые каналы подачи кислорода 8, диффузанта 9 и нейтрального газа 10. Для защиты пластин перед загрузкой в печь имеется система пылезащиты 11, а для эвакуации продуктов реакции – вытяжка 12.
Для управления режимами используется ЭВМ 13, а для обмена информацией с оператором – дисплей 14.
Сложность задач управления процессом диффузии обусловлена необходимостью поддержания температуры с высокой точностью ±0,25÷0,5 ºС, высоким уровнем температур и требованиями к постоянству состава смеси «газ-носитель – диффузант». В газовом потоке недопустимы посторонние примеси, поэтому к конструктивным материалам предъявляются особые требования.
Поскольку при термической диффузии можно контролировать только условия выполнения процесса, а качество выполнения операции объективно не измеряется, то стабильность условий, в которых идет диффузия, должна быть очень высокой.
Метод ионной имплантации обеспечивает непосредственное внедрение атомов примеси в кристаллическую решетку в месте падения луча, содержащего ионы диффузанта. Это позволяет строить ТП без многократного окисления, т.е. уменьшает число операций, проводимых при высокой температуре. Дозирование энергии частиц в луче позволяет получать области субмикронных размеров с заданной проводимостью. Границы областей определяются в этом случае соударениями ионов луча с атомами кристаллической решетки и формой луча. Недостатком метода являются радиационные повреждения решетки. Для уменьшения этого эффекта необходимо строгое соблюдение дозировки энергии частиц в луче, что трудно обеспечить из-за стохастических свойств распределения энергии частиц по сечению луча.
Принципы построения и структура установок для ионной имплантации сходны с установками для электронно-лучевой литографии (рис. 1.6.2).
В частности, схема установки для ионной имплантации содержит электронно-оптическую систему, включающую электронную пушку 1, устройства блокирования (отключения) луча 2, системы фокусировки 3 и отклонения 4 луча, рабочий стол 5 с датчиком 6 положения. В состав вспомогательных систем входят: источник питания 7 (для подачи ускоряющего напряжения); вакуумные системы 8 (для откачки электронной пушки); фокусирующую систему 9, устройство загрузки и выгрузки10 и рабочую камеру с загрузочным шлюзом 11. Система управления включает подсистемы: блокирования луча 12, данные о моментах срабатывания которого хранятся в запоминающем устройстве 18 и обновляются по мере необходимости; синхронизации и сканирования 13; генератор развертки 14; усилитель системы отклонения луча 15; устройство управления приводом стола 16; интерференционный датчик положения стола 17; устройство сравнения 19; устройство хранения отдельных кадров операций ТП 20; интерфейс 21 и мини-ЭВМ 22.
Рис. 1.6.2.
В отечественной промышленности применяются установки типа «Везувий», в которых для получения пучка ионов используется последовательное ускорение ионов с их сепарацией по количеству энергии, что обеспечивает однородность пучка.
При изготовлении ИМС тонкий слой материалов используется как в качестве элементов транзисторов и схем, так и в технологических целях. К первому направлению относятся выращивание эпитаксиальных слоев, получение металлических слоев для разводки и контактных площадок схем, защиты (пассивная) схем от внешних воздействий.
Второе направление связано с получением маскирующих слоев для операций литографии и диффузии. Эти слои после выполнения операции частично или полностью уничтожаются – стравливаются.
Различное назначение слоев и разнообразие используемых материалов определяют различные требования к технологическим процессам и оборудованию.
Общими требованиями, предъявляемыми к слоям, являются: однородность и повторяемость свойств слоев; отсутствие в слоях локальных нарушений, проколов и др. дефектов; высокая адгезия слоев и четкость их границ.
Эпитаксиальный слой выращивают на поверхности Si пластины с целью получения на ней двух видов проводимости. Обычно на низкоомной подложке с удельным сопротивлением 0,010÷0,001 ом×см выращивается слой толщиной 10÷20 мкм и сопротивлением ≈ 1÷5 ом×см. При получении эпитаксиального слоя используются прямые методы, основанные на перемещении вещества от источника к подложке, без химических реакций, и косвенные, при которых на поверхности подложки происходит реакция с осаждением материала.
Наибольшее распространение получил хлоридный метод, выполняемый по схеме «открытой трубы» (рис. 1.6.3). установка состоит из кварцевого реактора 1, вокруг которого расположен нагреватель 2. При эпитаксиальном наращивании используются источники либо ВЧ, либо ИК нагрева. В установках с ВЧ нагревом подложки 3 помещают на графитовый пьедестал 4. Газовая система содержит независимые каналы подачи: азота 5 для продувки системы; водорода 6, основного транспортного газа; силана 7, источника атомов кремния и/или диффузанта 8, обеспечивающего необходимое легирование выращиваемого слоя.
Рис. 1.6.3
Необходимая концентрация вещества в зоне реакции обеспечивается прецизионным регулированием расхода газов. Для создания вакуума в системе имеется форвакуумный насос 9. Продукты реакции нейтрализуются в скруббере 10. Управляемый источник питания 11 обеспечивает подвод необходимой мощности. Управление режимами работы осуществляет микропроцессорная система 12.
Примером установки эпитаксиального наращивания с ИК–нагревом является УНЭС типа «02 ЭИК-100-003», предназначенная для получения слоев на основе реакции
2Н2+SiCl4→120 ˚С→Si+4HCl.
В состав установки входят: агрегат нанесения слоев, состоящий из вертикального кварцевого реактора, графитового пьедестала с приводом, обеспечивающим его вращение, подъем и опускание; шкаф газораспределения с источниками необходимых материалов и системами стабилизации расходов; шкаф питания; блок пылезащиты; пульт управления, содержащий микроЭВМ, устройство связи и дисплей.
Анализ различных видов оборудования, применяемого в производстве ИМС, позволяет выделить в его составе типичные функциональные подсистемы (табл. 1.6.1).
Таблица 1.6.1
Подсистемы |
Назначение и вид ТП |
|||||||
Обработка поверхности |
Литография |
Формирование свойств |
Нанесение слоев |
|||||
ЖХТ |
ПВТ |
ФП |
ЭЛ |
Д |
И |
Э |
НС |
|
Легирования |
|
|
|
|
Т |
Т |
Т |
|
Осаждения |
|
|
О |
О |
Т |
Т |
Т |
Т |
Травления |
Т, О |
Т, О |
|
|
|
|
|
|
Экспонирования |
|
|
Т |
Т |
|
|
|
|
Распыления |
|
|
О |
О |
|
|
|
|
Нагрева |
О |
О |
О |
О |
О |
О |
О |
О |
Охлаждения |
О |
О |
О |
О |
О |
О |
О |
О |
Термостатирования |
О |
О |
О |
О |
Т, О |
О |
Т, О |
Т, О |
Подачи газов |
|
О |
|
|
Т |
Т |
Т |
Т |
Откачки |
|
О |
|
О |
|
О |
О |
О |
Позиционирования |
|
|
Т |
Т |
|
|
|
|
Загрузки и шлюзования |
В |
В |
В |
В |
В |
В |
В |
В |
Транспортирования |
В |
В |
В |
В |
В |
В |
В |
В |
Энергообеспечения |
О |
О |
О |
О |
О |
О |
О |
О |
Пылезащиты |
В |
В |
В |
В |
В |
В |
В |
В |
Защиты |
В |
В |
В |
В |
В |
В |
В |
В |
При проектировании оборудования функции различных подсистем могут совмещаться. Технологические и обеспечивающие подсистемы определяют особенности выполнения операций, а вспомогательные являются общими для различных видов оборудования.