НашСамогон - самогонные аппараты, дубовые бочки, винные и турбо дрожжи, электроника и оборудование для производства алкоголя в домашних условиях.

Оборудование для производства гибридных интегральных схем и полупроводниковых приборов

05.10.2012

Оборудование для производства гибридных интегральных схем и полупроводниковых приборов

Берлин Евгений Владимирович

Вакуумно-технологического оборудования фирмы «ЭСТО-Вакуум» для производства ГИБРИДНЫХ ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМ И ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ

Специалисты, работавшие в области создания вакуумно-технологического оборудования с 1993 года, накопив определённый багаж  знаний, объединились под маркой «ЭСТО-Вакуум» в  2003 году, разработали и серийно выпускают оборудование для производства ГИБРИДНЫХ ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМ и ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ

Многолетний опыт разработки и использования вакуумно-технологического оборудования позволил выработать рекомендации по комплектации специализированного вакуумного участка с оптимальным составом унифицированных установок.


1. Участок производства гибридных интегральных схем

Предлагаемый в данном разделе комплект оборудования предназначен как для производства гибридных интегральных схем низко- и среднечастотного, так и сверхвысокочастотного диапазона. Такие гибридные интегральные схемы (в дальнейшем ГИС) содержат тонкопленочные резисторы и систему металлизации, которые формируются последовательными операциями вакуумного нанесения, фотолитографии и травления в вакууме.

Первой операцией является операция нанесения слоя из резистивного сплава с заданным поверхностным сопротивлением. Для выполнения этой операции предназначена установка магнетронного напыления «Caroline D12B», наиболее важные ее преимущества при нанесении резистивных слоев:

·  Высокая равномерность нанесения резистивного слоя по загруженной партии пластин (не хуже ± 3 %).

·  Высокая воспроизводимость от процесса к процессу (± 1%)

·  Большое количество (до 4-х) напыляемых резистивных материалов различного состава, что позволяет без переналадки установки наносить слои с различным поверхностным сопротивлением для различных гибридных интегральных схем.

·  Возможность модификации напыляемых резистивных слоев введением в него примеси реактивного газа для увеличения их удельного сопротивления.


Немаловажным преимуществом является большая производительность установки. Время процесса напыления, с учетом откачки и нагрева подложек до высокой температуры (200 - 300°С), занимает порядка двух с половиной часов, что дает возможность с учетом времени «разгона» крионасоса проводить минимум два процесса в смену. А это при сохранении качества и равномерности позволяет обработать 222 подложки стандартного размера 60х48 мм2.

Следующая операция - фотолитография с целью получения резисторов нужной топологии на подложке. Обычно травление резистивного слоя в технологии ГИС производят с помощью жидкостного травления. Это накладывает целый ряд ограничений на материалы и технологии резистивных слоев, не говоря уже об экологии и, что немаловажно, повторяемости процесса. Скорость и качество жидкостного травления зависит от многих факторов (температура травителя, его «свежесть», качество используемой воды, адгезия фоторезиста). Из-за их разброса, имея партию подложек с практически одинаковым резистивным слоем, можно получить подложки с большими отклонениями величин сопротивления резисторов, что требует последующей трудоемкой ручной подгонки.

Избежать такого усложнения производственного процесса может использование ионно-лучевого травления, которое обеспечивает очень высокое разрешение процесса травления, практически совпадающее с разрешением фоторезистивной маски, и соответственно, позволяющее точно воспроизводить топологию резисторов. Особенность ионно-лучевого травления заключается в том, что не очень важен химический состав резистивного слоя, то есть наличие и концентрация малых добавок, повышающих его параметры (снижающие температурный коэффициент сопротивления, увеличивающие временную стабильность и т.д.). Скорость распыления ионами Ar зависит от процентного соотношения основных элементов резистивного сплава (хром и кремний) и их индивидуальных коэффициентов распыления, а боковой уход размеров резисторов и вовсе исключен при достаточной стойкости маски из фоторезиста. Очевидно, что такая технология целесообразна, если разброс величины поверхностного сопротивления по подложке не превышает 1 %, что и обеспечивает напылительная установка «Caroline D12B».

Задача снижения разброса величин сопротивления резисторов, на изделиях до 1% без индивидуальной подгонки решается на некоторых предприятиях следующим образом. Перед фотолитографией подложки с резистивным слоем сортируются по величине поверхностного сопротивления с точностью до 1 % на партии, после чего фотолитография на этих партиях проводится с фотошаблоном с «нужным» отклонением размера резистора. Такой комплект шаблонов лежит на участке фотолитографии с указанным на каждом из шаблонов отклонением, всего 6–8 штук. Поскольку погрешность ионно-лучевого травления менее 1%, после фотолитографии подложки всех полученных партий можно травить в едином процессе.

Для операции ионно-лучевого травления предназначена установка ионно-лучевого травления «Caroline IE12». Загрузка установки «Caroline IE12» составляет 111 стандартных подложек, цикл травления занимает (например, РС 3710 номиналом 100 Ом/) не более 30 минут, а весь цикл занимает не более 1-го часа. Таким образом, преимущества ионно-лучевого травления перед жидкостным очевидны:

·  Травление любых резистивных слоев, не взирая на их химический состав.

·  Высокая воспроизводимость размеров, соответствующая точности маски из фоторезиста.

·  Полная автоматизация процесса.

·  Возможность травления металлических слоев при определенных технологиях (о чем будет сказано ниже).

 
После проведения ионно-лучевого травления резистивного слоя необходимо снять маску из фоторезиста (при этом желательно, чтобы не изменились номиналы уже сформированных резисторов). С этой целью целесообразно применять универсальную установку плазмохимического травления «Caroline  PE12». Эта установка позволяет снимать фоторезист в кислородной плазме. При применении кассетной загрузки эта установка обеспечивает производительность примерно 200 пластин в час.

И, наконец, следующая операция – нанесение слоев необходимой системы металлизации. Металлизация представляет собой обычно три слоя: адгезионный подслой (хром, ванадий, титан), проводящий слой (медь) и защитный слой (титан, хром, ванадий, никель). Для этого предназначена универсальная установка магнетронного напыления «Caroline D12B2». Эта установка специально проектировалась для односторонней или двухсторонней металлизации (без механического вращения подложек). Основные  преимущества для решения данной задачи:

·  Возможность напыления пленок 3-х материалов в одном процессе, в том числе и с двух сторон.

·  Пленки наносятся с двух сторон разными магнетронами, следовательно, можно напылять слои разной толщины на разные стороны подложек.

·  Высокая степень покрытия внутренних поверхностей переходных отверстий в подложке и краев подложек при двухстороннем нанесении металлизации.

·  Высокая производительность. Загрузка 111 стандартных подложек при одностороннем нанесении и 72 при двустороннем.

Итак, рекомендуемый вариант набора вакуумно-технологического оборудования «Caroline D12B», «Caroline D12B2», «Caroline IE12» и «Caroline PE12» состоящий из 4-х установок 12-ой серии «Caroline», позволяет обрабатывать порядка двухсот-трехсот стандартных подложек в смену, это от четырёх до шести тысяч в месяц. Для такого участка необходима площадь от 40 до 50 м2. Эти установки обладают высокой степенью унификации, которая касается не только конструкции установок, но и программного обеспечения. Такая их особенность позволит сэкономить на эксплуатационных расходах, так как легко обучить одного наладчика для обслуживания всего комплекта оборудования. Кроме того, больший экономический эффект может быть получен за счет исключения операции подгонки резисторов. Эта операция уже не нужна в силу высокой точности и воспроизводимости вакуумных процессов нанесения и травления резисторов.

Таким образом, применение в описанном процессе для травления тонких пленок «сухих» процессов ионно-лучевого и плазмохимического травления обеспечивает свободу выбора используемых материалов, так как их выбор не ограничен подбором избирательных химических травителей. Кроме того, эти процессы более легко управляемы и воспроизводимы. Немаловажно, что эти процессы в большей мере отвечают современным требованиям экологии.

2. Участок производства сверхвысокочастотных гибридных интегральных схем

Предлагаемый в данном разделе комплект оборудования предназначен для производства гибридных интегральных схем сверхвысокочастотного диапазона (далее ГИС СВЧ). Особенностью производства СВЧ ГИС является задача обеспечения высокой точности размеров элементов металлизации, при ее общей толщине более 5 мкм. Травление относительно толстых слоев меди или золота (до 5 мкм) через маску, выполненную из материала с низким коэффициентом распыления (титан, нитрид кремния, окисел алюминия), с высоким, порядка 0,1 мкм разрешением, возможно в установке ионно-лучевого травления со скоростью до 1,5 мкм/час. При этом полная загрузка установки ионно-лучевого травления «Caroline IE12» может составлять 112 стандартных подложек. Селективность скорости травления меди и титановой маски может составить 20:1, а это значит, что через титановую маску толщиной 0,2 мкм можно вытравить 4 мкм меди.

Нанесение титановой маски легко осуществить в установке магнетронного напыления «Caroline D12В», а травление ее после литографии – в установке плазмохимического травления «Caroline РЕ12». Причем для увеличения стойкости титановой маски целесообразно наносить слой титана с примесью кислорода, значительно уменьшающего коэффициент ионного распыления маски и практически не влияющего на ее ПХТ травление.

3. Производство гибридных интегральных схем с многоуровневой разводкой

Одно из самых перспективных направлений увеличения плотности монтажа гибридных интегральных схем – многоуровневая разводка с использованием, например, полиамидных лаков для планаризации структур. Такая технология вполне обеспечивается предлагаемым комплектом оборудования, только на первый план для быстрого и точного травления полиимида выступает установка плазмохимического травления «Caroline РЕ12». Она обеспечит плазмохимическое травление переходных отверстий через металлическую (титановую) маску с высокой точностью и скоростью, а попутно и снятие фоторезиста и травление титановых масок при смене рабочих газов.

4. Участок производства сверхвысокочастотных интегральных схем  и гибридных интегральных схем с многоуровневой разводкой

Вариант рекомендуемого комплекта оборудования для участка производства гибридных интегральных схем (далее ГИС), рассчитанного на производительность от 40 до 50 подложек в смену состоит из трёх установок: установка нанесения материалов «Caroline D12А1» и две шлюзовые установки плазмохимического травления «Caroline РЕ15». Установка типа «Caroline D12А1» имеет возможность нанесения материалов магнетронным, термическим (в том числе и из вибробункера), ионно-лучевым способом, а также скоростное напыление меди из тугоплавкого тигля в магнетронном разряде. Загрузка 20 подложек размером 60х48 , установки «Caroline РЕ15» могут травить все слои, в том числе медь со скоростью 0,15 мкм/мин, и имеют загрузку 6 подложек размером 60х48.

Эти установки также могут  многое при работе с нетрадиционными материалами и технологиями ГИС сверхвысокочастотного (СВЧ) диапазона (кремний, арсенид и нитрид галлия, кварц, нитрид алюминия и т.д.).

5. Участок производства полупроводниковых приборов и интегральных схем

Предлагаемый в данном разделе комплект оборудования пригоден как для производства полупроводниковых приборов (далее ППП) и полупроводниковых интегральных схем (далее ПП ИС) низко- и среднечастотного, так и сверхвысокочастотного диапазона. Такие ППП и ПП ИС содержат один или два слоя диэлектрика и систему металлизации, которые формируются последовательными операциями нанесения слоев диэлектрика, фотолитографии и травления в вакууме окон в диэлектрическом покрытии, вакуумного нанесения металлизации, фотолитографии и травления в вакууме слоев металлизации.

Первой операцией является операция прецизионного и высококачественного осаждение диэлектрических слоев, которую обеспечит установка плазмохимического осаждения диэлектрических слоев из газовой фазы «Caroline PECVD15». Она способна наносить слой окисла кремния толщиной 0,1-0,2 мкм и, при необходимости, затем слой нитрида кремния такой же толщины. То же можно выполнить на установке нанесения «Caroline D12А1». Выбор метода нанесения и установки определяется технологическими требованиями конкретного ППП прибора к свойствам слоя диэлектрика.

Второй операцией является операция фотолитографии с целью получения в диэлектрическом слое на полупроводниковой подложке, содержащей структуры прибора, окон нужной топологии. До сих пор во многих случаях травление диэлектрического слоя производят с помощью жидкостного травления. Это накладывает целый ряд ограничений на диэлектрические материалы и особенно на размеры окон (недостатки жидкостного травления уже описаны выше). Избежать их можно, используя плазмохимическое травление в плазме фреона, которое обеспечивает очень высокое разрешение процесса травления, практически совпадающее с разрешением фоторезистивной маски, и соответственно, позволяющее точно воспроизводить топологию окон.

Для операции плазмохимического травления предназначена установка травления в плазме высокой плотности «Caroline PE15». Загрузка установки «Caroline PE15» составляет одну подложку или носитель диаметром 200 мм, или до 7 полупроводниковых подложек диаметром 50 мм. На носителе. Цикл травления занимает (например, двухслойного покрытия из окисла кремния толщиной 0,1 мкм и нитрида кремния толщиной 0,1 мкм) не более 30 сек. Один цикл с перегрузкой шлюза занимает не более 3 минут. За смену таких циклов может быть более 100 шт. Преимущества плазмохимического травления перед жидкостным: высокая воспроизводимость размеров, соответствующая точности маски из фоторезиста и полная автоматизация процесса. Плазмохимическое травление с применением плазмы высокой плотности также как и жидкостное не портит кристаллическую структуру приповерхностных слоев полупроводника.

После проведения плазмохимического травления диэлектрического покрытия необходимо снять маску из фоторезиста. Это делается в той же установке плазмохимического травления «Caroline PE15» без перезагрузки пластин, меняется только состав рабочего газа и режим разряда. Эта установка позволяет снимать фоторезист в кислородной плазме. Производительность этой установки при снятии фоторезиста такая же, как и при травлении диэлектрического слоя.

Таким образом, применение плазмохимического травления диэлектрических слоев обеспечивает свободу выбора материалов и структуры этих слоев, так как их выбор не ограничен подбором избирательных химических травителей. Кроме того, процессы травления диэлектриков кремниевой группы и снятия фоторезиста легко совместимы в одном цикле. Они легко управляемы и воспроизводимы. Немаловажно, что эти процессы в большей мере отвечают современным требованиям экологии.

Следующая операция – нанесение слоев необходимой системы металлизации. Металлизация представляет собой покрытие либо однослойное (алюминий), либо двухслойное (молибден-алюминий), либо трехслойное (титан-платина-золото), в котором слой золота наносится гальваническим осаждением, а пленки титана и платины магнетронным распылением в вакууме.  Для этого предназначена универсальная установка «Caroline D12А1». Эта установка специально проектировалась для односторонней металлизации без механического вращения подложек.

Ее основные, важные для решения данной задачи преимущества:

·  Возможность напыления пленок 1-ого, 2-х или 3-х металлов в одном процессе.

·  Высокая производительность: загрузка 12  стандартных подложек диаметром 100 мм.  при одностороннем нанесении.

·  Возможность очистки поверхности полупроводника в открытых окнах с помощью встроенного ионного источника для снижения переходного сопротивления контактов.

Время процесса напыления, с учетом откачки и нагрева подложек до высокой температуры (200 - 300°С), занимает порядка двух с половиной часов, что дает возможность с учетом времени «разгона» крионасоса проводить минимум два процесса в смену. А это при сохранении качества и равномерности позволяет обработать  24 подложек диаметром 100 мм или 48 подложек стандартного размера 60х48 мм2. Поскольку плазмохимические установки имеют большую производительность, то можно использовать для нанесения металлизации установку магнетронного напыления «Caroline  D12B» с единовременной загрузкой 48 подложек диаметром 100 мм или 24 подложек диаметром 200 мм.

Следующей операцией является операция фотолитографии с целью получения нужной топологии металлизации на подложке. После создания маски из фоторезиста или электронорезиста проводится операция плазмохимического травления на установке «Caroline PE15» в другой системе газов, в том числе и благородных.  Особенности конструкции установки позволяют травить в ней металлы, не имеющие летучих соединений с галогенами или водородом (медь, серебро, золото).

Преимущества ионного травления: травление любых металлических слоев, высокая воспроизводимость размеров, соответствующая точности маски из фоторезиста или металла, например титана, полная автоматизация процесса.

После проведения ионнохимического травления системы металлизации необходимо снять маску из фоторезиста в кислородной плазме, или титановую во фтороуглеродной. С этой целью целесообразно применять все туже универсальную установку плазмохимического травления «Caroline PE15».

Итак, представлен рекомендуемый вариант комплекта вакуумно-технологического оборудования, позволяющего обрабатывать в режиме малой серии порядка 100 пластин диаметром 200 мм, от двадцати до шестидесяти стандартных полупроводниковых подложек размером 60х48 в смену, следовательно от четырехсот до тысячи двухсот в месяц, состоящий из одной «Caroline PECVD15» для нанесения диэлектрических слоев, одной напылительной установки «Caroline D12B», одной установки ионного травления «Caroline PE15» для травления диэлектриков и снятия фоторезиста.

Резюме

Ранее отечественной промышленностью не предлагалось комплексного решения задачи обеспечения всего комплекса вакуумно-технологического оборудования по производству гибридных интегральных схем, полупроводниковых приборов  с помощью однотипного и хорошо согласованного друг с другом по производительности оборудования. Используемые установки обладают высокой степенью унификации, которая касается не только конструкции установок, но и программного обеспечения. Такая их особенность позволит сэкономить на эксплуатационных расходах, так как легко обучить одного наладчика для обслуживания всего комплекта оборудования. Специально необходимо отметить, что все упоминаемые нами установки имеют модификации для встраивания их в чистые комнаты.