Станция технического обслуживания

Министерство образования Республики Беларусь Учреждение образования Белорусский государственный университет Информатики и радиоэлектроники Контрольная работа № 1

По СТО студента БГУИР факультета ЗВиДО специальности ПиПРЭС гр 400 201

9 999 999 999 99 999 999 9 999 999 999

Минск 2009

1. Оборудование для нанесения фоторезиста методом центрифугирования

2. Оборудование для разделения подложек на кристаллы — лазерное скрайбирование, защита объектива от продуктов испарения

2.1 Резка стальными полотнами и дисками

2.2 Резка диском с наружной алмазной кромкой

2.3 Резка диском с внутренней алмазной кромкой

2.5 Лазерное разделение пластин

3. Устройства для триодного (ионно-плазменного) распыления

1. Оборудование для нанесения фоторезиста методом центрифугирования

Метод центрифугирования заключается в нанесении определенного количества ФР на быстровращающуюся пластину с последующим его перераспределением по всей площади пластины за счет центробежных сил. Используется множество разновидностей этого метода. Все они определяются различным порядком задания скоростей центрифуги, положения сопла подачи ФР над пластиной и момента его подачи. Центрифуга служит для нанесения ФР непосредственно. В настоящий момент этот метод позволяет получать пленки ФР толщиной от долей до единиц микрона со среднеквадратичным отклонением по толщине порядка единиц-десятков ангстрем. Перед нанесением слоя фоторезиста (рис. 3) на подложку она подвергается предварительной обработке, в результате чего улучшается ее сцепление со слоем фоторезиста. Процесс нанесения ФР сопровождается поддержанием различных температурных режимов кремниевой пластины на различных его этапах. Для поддержания этих режимов предназначены холодная (обычно это 20^оС) и горячая (70−150^оС) плиты. Для транспортировки пластин между модулями трека используется линейная транспортная система После нанесения концентрация растворителя в пленке ФР уменьшается от 70% по объему до 20% по объему, но этого недостаточно и требуется дополнительная сушка ФР. Для этого в треках используется горячая плита. Процесс мягкой сушки на такой плите уменьшает концентрацию растворителя до 12% по объему. Дополнительно, эта сушка уменьшает напряжения в пленке ФР, улучшает плоскостность и помогает уменьшить механические нарушения, которые могут возникнуть после нанесения. Это делает последующий перенос изображения на ФР более надежным и повторяемым Нанесение осуществляется наливанием фоторезиста на поверхность подложки, закрепленной на центрифуге. Центрифуга приводится во вращение с числом оборотов 2−6 тысяч в минуту. Через 10−30 секунд на подложке формируется пленка резиста. Центрифугирование обеспечивает высокую однородность толщины пленки. Поэтому центрифугирование является наиболее распространенной техникой в микроэлектронике. Методом центрифугирования (Рисунок 1), наиболее широко используемым в полупроводниковой технологии, на несложном оборудовании наносят слои фоторезиста, толщина которых колеблется в пределах ± 10%. При этом методе на подложку 2, которая устанавливается на столике 3 центрифуги и удерживается на нем вакуумным присосом, фоторезист подается капельницей-дозатором 1. Когда столик приводится во вращение, фоторезист растекается тонким слоем по поверхности подложки, а его излишки сбрасываются с нее и стекают по кожуху 4. При вращении центрифуги с большой частотой происходит испарение растворителя, и вязкость фоторезиста быстро возрастает.

рис 1 рис 2

Рисунок 1. Установка несения слоя фоторезиста центрифугированием:

1 — дозатор (капельница), 2 — подложка, 3 — столик, 4 — кожух для сбора избытка фоторезиста, 5 — вакуумные уплотнители, 6 — электродвигатель, 7 — трубопровод к вакуумному насосу Рисунок 2. Зависимость толщины слоя фоторезиста от частоты вращения центрифуги при различных коэффициентах его вязкости:

Наносимые центрифугированием слои фоторезиста могут иметь дефекты в виде «комет», образующиеся, если на поверхности подложек имелись остаточные загрязнения или фоторезист был плохо отфильтрован. Такие дефекты выглядят, как направленные от центра локальные утолщения или разрывы слоя фоторезиста.

Достоинствами методами центрифугирования являются: простота, отработанность технологии и удовлетворительная производительность оборудования, а также возможность нанесения тонких слоев фоторезиста с небольшим разбросом по толщине.

К недостаткам центрифугирования относятся: трудность нанесения толстых слоев фоторезиста (более 3 мкм), необходимость тщательного контроля его коэффициента вязкости и режимов работы центрифуги требование симметричности подложки к вращению. Несимметричность подложки приводит к возникновению на краях подложки бортиков — утолщений пленки фоторезиста поверхность подложки должна иметь высокую степень гладкости. Если подложка имеет развитую текстуру, то подъемы на текстуре могут оказаться непокрытыми фоторезистом большие потери фоторезиста. Для формирования пленки используется всего несколько процентов фоторезиста, остальное количество фоторезиста отбрасывается центрифугой на боковые стенки.

2 Оборудование для разделения подложек на кристаллылазерное скрайбирование, защита объектива от продуктов испарения

Полученные путем метода Чорхальского и метода зонной плавки массивные монокристаллические слитки непосредственно не используются. Их нарезают на множество тонких пластин, на основе которых уже изготавливаются отдельные интегральные микросхемы.

Механическая обработка полупроводников затруднена их высокими твердостью и хрупкостью. Использовать обычные методы механической обработки, применяемые в металлообрабатывающей промышленности, такие, например, как прокатка, штамповка, вырубка, нельзя. Для изготовления пластин из монокристаллических слитков применяют метод абразивной обработки, т. е. обработки более твердым, но менее хрупким, чем обрабатываемая поверхность, материалом, а также другие эффективные методы.

Перед началом резки слиток необходимо прочно закрепить на неподвижном основании, причем очень важно обеспечить точное расположение слитка относительно полотен или дисков с тем, чтобы пластины имели необходимую кристаллографическую ориентацию. Как правило, пластины нарезаются в плоскости <111> или <100>.

Наиболее распространенным способом крепления является закрепление с помощью различных наклеечных материалов, например, воска, канифоли, шеллака, глифталевой смазки, клея БФ, эпоксидных смол и крепежных мастик на их основе. Наклеечное вещество расплавляется и наносится на заготовки и крепежные приспособления и, застывая, скрепляет их в заданном положении.

После механической обработки материал нагревают, расплавляя наклеечный материал. Затем заготовки отмывают от наклеечного материала в специально подобранных растворителях. Для закрепления на держателе рабочего стола слиток сначала ориентировано приклеивают к специальной оправке торцом или цилиндрической поверхностью, а слитки большого диаметра — одновременно торцевой и цилиндрической поверхностями (рис 4).

Держатель рабочего стола станка с помощью поворотной головки позволяет поворачивать слиток и устанавливать его относительно плоскости отрезного круга так, чтобы получить пластины с заданной ориентацией поверхности.

Обычно, резка слитка на пластины осуществляется либо с помощью комплекта тонких длинных стальных полотен, либо с помощью «алмазных дисков» .

2.1 Резка стальными полотнами и дисками

На рис 3 показана схема резки стальными полотнами или наборами полотен с использованием абразивной суспензии. Этот метод применяется в лабораторных условиях для сквозного разделения пластин и подложек. Метод не обеспечивает высокой производительности и качества. Точность размеров кристаллов невысокая из-за неравномерности натяжения полотен в обойме, их вибрации, неравномерности износа. Абразивная суспензия загрязняет структуры.

Первоначально широкое применение в промышленности имела резка металлическими дисковыми пилами с применением абразивной суспензии. Это объясняется простотой и доступностью этого метода резания. Однако в настоящее время его применяют только в случае резки пластин на кристаллы. Принцип резки практически тот же, что и при резке стальными полотнами. В зону резания подают абразивную суспензию, которая, ускоряясь за счет вращения диска, с силой ударяет в обрабатываемый материал и откалывает от него микрочастицы. Процесс резания ускоряют частицы абразива, постепенно обновляемые в зазоре между металлическим диском и полупроводниковой пластиной. Абразивная суспензия достаточно хорошо отводит тепло из зоны резания и специального охлаждения не требует.

Жесткость металлических дисков, как правило изготавливаемых из стальных холоднокатаных лент, недостаточна для резания слитков на пластины, и удовлетворительное качество резания достигается только при небольших глубинах резания, как было указано выше, при резании на кристаллы. Абразивные порошки изготавливаются из карбида бора В₄С₃, карбида кремния SiC, и электрокорунда Al₂O₃. По размерам зерна абразивные порошки подразделяются на четыре группы:

шлифзерно; шлифпорошки;

микропорошки;

тонкие микропорошки.

2.2 Резка диском с наружной алмазной кромкой

Резание диском с наружной алмазной кромкой обладает по сравнению с процессом резания диском с применением абразивной суспензии более высокой производительностью и позволяет разделять толстые, а следовательно большого диаметра, пластины, обеспечивает воспроизводимые размеры и форму кристаллов и плат со строго вертикальными боковыми гранями, а также большой выход годных структур, достигающий 98 100%. Схема процесса изображена на рис 4.

Диск закрепляется на шпинделе станка своей центральной частью. Такое закрепление не обеспечивает высокой жесткости диска. Жесткость режущей кромки обеспечивается его конструкцией. Режущая кромка выступает за наружный диаметр прижимных фланцев не более чем на 1,5 глубины резания. Алмазоносный режущий слой на металлический диск наносится с помощью специальной связки. Из всех видов связок (органическая, керамическая, металлическая) только металлическая связка полностью обеспечивает прочность сцепления алмазосодержащего слоя с металлическим диском и хорошую самозатачиваемость в процессе резания. Рекомендуемые режимы резки для слитков кремния: частота вращения диска — 5000 8000 об/мин, скорость продольной подачи слитка — 30 60 мм/мин, расход СОЖ около 3 л/мин. Натяжение диска периодически контролируется с помощью электронного прибора и регулируется не менее одного раза за рабочую смену. Перед началом каждой резки диск проверяют на степень выработанности алмазной кромки, отсутствие трещин, задиров. Для точности размеров отрезаемых пластин, качества их поверхности и ширины реза важна правильная установка диска на барабан режущего станка. В процессе резки диск не должен вибрировать и отклоняться от плоскости. Охлаждение при резке осуществляется путем подачи

2.3 Резка диском с внутренней алмазной кромкой

В настоящее время способ резания диском с внутренней режущей алмазной кромкой является наиболее перспективным и прогрессивным из всех существующих. Этим способом можно производить самые универсальные процессы резания слитков на пластины до резания пластин на отдельные кристаллы. Основой диска служит стальная фольга толщиной 0,1 0,2 мм. Алмазосодержащую режущую кромку на металлическую основу наносят гальваническим способом, применяя в качестве связки никель. Механизм резки состоит в хрупком разрушении обрабатываемой поверхности под действием нормальных усилий и в срезании микровыступов закрепленными в режущей кромке алмазными зернами (тангенциальные усилия). Нормальные усилия, передаваемые от диска через зерна алмаза на слиток, вызывают появление микротрещин, которые, увеличиваясь в процессе отрезания пластины, распространяются вглубь, смыкаются, образуя выколки. Затем эти выколки выкрашиваются и удаляются из зоны обработки. Помимо прочего, СОЖ, проникая в микротрещины обрабатываемой поверхности и оказывая капиллярное расклинивающее действие, интенсифицирует процесс резки. С увеличением частоты вращения диска нормальные и тангенциальные усилия уменьшаются, что повышает качество обработки поверхности и за счет уменьшения деформаций диска улучшает параллельность сторон пластин. Вместе с тем увеличение частоты вращения диска повышает производительность процесса. Однако, увеличение частоты вращения диска свыше 5000 об/мин вызывает возрастание вибрации станка и температуры в зоне резания. Схема процесса резки представлена на рис 5. К преимуществам резки диском с внутренней алмазной кромкой относятся высокая скорость резания (до 40 мм/мин), хорошее качество обработки поверхности (8 класс шероховатости), малый разброс по толщине пластин (20 мкм), небольшие отходы материала. Недостатки резки: сложность установки алмазного диска, его натяжения и центровки, зависимость качества и точности обработки от точности и качества инструмента.

2.4 Резка при помощи ультразвука

Одной из новейших технологий является резание при помощи ультразвуковых колебаний частиц абразива. Ультразвуковая резка применяется при обработке полупроводниковых пластин в тех случаях, когда необходимо получить кристаллы сложной конфигурации и заданного профиля. На (рис 6) показана схема процесса. Под режущую кромку инструмента подается абразивная суспензия. Торец инструмента помещается на небольшом расстоянии от обрабатываемой поверхности, что необходимо для достижения акустического контакта. Частицы абразивного вещества под влиянием ультразвуковой энергии, приобретаемой с инструмента, приобретают колебательное движение. Это движение вызывается способностью ультразвуковых волн при распространении в упругих средах (а абразивная суспензия есть упругая среда) вызывать разрежение и сгущение этих сред. В результате разрежения в абразивной суспензии образуются кавитационные пузырьки, которые в момент исчезновения создают большие давления. Благодаря кавитационным явлениям частицы абразива с силой ударяются в обрабатываемый материал и выбивают из него микрочастицы. Поскольку в этом участвует большое количество частиц абразива, а частота ударов равна частоте ультразвука, то, не смотря на незначительные размеры откалываемых частиц, процесс резки происходит быстро (около 1 мм/мин). Так как инструменту можно придать любую форму, то при помощи этого метода можно вырезать детали любой конфигурации. Станки для ультразвуковой резки обычно выполняют в виде двух отдельных частей: магнитостриктора и усилителя ультразвуковых колебаний.

2.5 Лазерное разделение пластин

Разделение с помощью лазерного излучения относится к бесконтактным способам, при которых отсутствуем механическое воздействие на обрабатываемый материал. Разделение можно выполнить либо с предварительным получением рисок (лазерное скрайбирование), либо путем сквозного прохода всей толщи материала (лазерная резка). Образование рисок происходит в результате испарения материала сфокусированным лазерным лучом большой мощности. При сквозной резке имеет место также и плавление. С помощью лазерного луча можно производить резку сквозь слой оксида или металла. Благодаря отсутствию механического воздействия отсутствуют микросколы и микротрещины. Оплавление материала по краям риски уменьшает вероятность отслаивания пленочных покрытий. Кристаллографическая ориентация не оказывает влияния на качество разделения и форму кристаллов. Получаемые кристаллы имеют практически вертикальные боковые поверхности, что весьма облегчает автоматическую сборку. К недостаткам лазерного разделения относятся: высокая стоимость и сложность оборудования, необходимость защиты поверхности специальной пленкой от загрязнений продуктами испарения и расплавления, зон со структурными нарушениями кремния. Лазерное скрайбирование возникновение применяется в крупносерийном производстве для разделения пластин кремния диаметром до 76 мм. Арсенид галлия нельзя скрайбировать лазерным лучом из-за выделения токсичных соединений мышьяка.

3 Устройства для триодного (ионно-плазменного) распыления

Наиболее распространенными методами получения тонких пленок различных материалов в вакууме являются методы термического испарения и ионного распыления. Достоинствами метода термического испарения материалов и их конденсации в вакууме являются: реализация высоких скоростей осаждения материалов в высоком вакууме, простота, отработанность технологических операций и наличие современного высокопроизводительного оборудования. Ионно-плазменное распыление — метод получения резистивных, проводящих и диэлектрических пленок, при котором распыление осуществляется бомбардировкой материала мишени ионами плазмы газового разряда низкого давления, формируемого между термокатодом и независимым анодом. Основными достоинствами методов ионного распыления материалов являются: возможность распыления практически всех материалов современной микроэлектроники. В том числе различных соединений (нитридов, оксидов и т. д.) при введении в газоразрядную плазму реакционно-способных газов (реактивное распыление); высокая адгезия получаемых пленок к подложкам; однородность пленок по толщине; очистка поверхности подложек с помощью ионной бомбардировки как перед, так и в процессе осаждения пленки. Отличительной чертой ионно-плазменного распыления является высокий вакуум, что обеспечивает получение более чистых пленок. Электрические цепи разряда и распыления развязаны. Триодная схема с постоянным потенциалом на мишени — схема ионно-плазменного распыления, при которой мишень из распыляемого материала находится под постоянным отрицательным потенциалом относительно потенциала плазмы.

Рис 7 «триодное» распыление 1 — катод-мишень, 2 — вспомогательный анод, 3 — подложка, 4 — анод-подложкодержатель, 5 — вспомогательный катод (термоэмитер электронов) Ионно-плазменное распыление с плазмохимическим источником типа «Радикал» — разновидность ионно-плазменного распыления с изолированным источником плазмы, при котором в плазму источника вводится химическое соединение, участвующее в процессе формирования физической структуры. Тетрадная схема — схема ионно-плазменного распыления, в которой цепь разряда имеет дополнительный электрод, обеспечивающий гибкость управления его режимом и стабилизацию процесса. Схема с изолированным источником плазмы — схема ионно-плазменного распыления, при которой плазма генерируется в ионизационной вспомогательной камере, откуда сформированный сильным магнитным полем узкий ионный пучок ее диффундирует в главную распределительную камеру с расположенной в ней мишенью, имеющей потенциал, достаточный для ускорения ионов до энергий, необходимых для распыления материала мишени.

Магнетронная схема — метод ионно-плазменного распыления, при котором область газового разряда находится в поперечном магнитном поле обращенного магнетрона (внешний цилиндр — катод, внутренний цилиндр анод), что позволяет усилить ионизацию за счет движения электронов по спиральным траекториям вокруг анода и сконцентрировать ионы плазмы на распыляемой мишени.

К подложкам для получения пленок предъявляются требования, которые можно классифицировать как требования по механическим свойствам (чистота обработки, шероховатость; различные виды механической прочности; твердость; коэффициент термического расширения и др.), по химическим свойствам (устойчивость подложек к процессам их чистки перед нанесением пленок; индифферентность по отношению к материалу пленки в ходе её нанесения и эксплуатации или наоборот способность к необходимому для получения заданных свойств композиции химическому взаимодействию с пленкой, т. е. образованию твердых растворов, поверхностных фаз и пр.), по физическим свойствам (температура плавления, рекристаллизации, которые не должны как правило происходить в ходе термообработки пленок), кристаллографическим характеристикам (для получения качественных ориентированных покрытий чаще всего необходимо достаточно близкое совпадение параметров кристаллической решетки подложки и пленки).