Технология материалов электронной техники

Рассмотрены некоторые теоретические аспекты физики вакуума. Подробно описаны принципы работы и некоторые конструкции современных средств откачки и измерения вакуума. Приведены основные практические методики обнаружения течей вакуумных элементов и вакуумных систем. Также рассмотрены наиболее важные для эксплуатации элементы вакуумных систем.

  Учебное пособие содержит практические сведения по эксплуатации вакуумной аппаратуры и может быть полезно не только студентам соответствующих специальностей, но инженерно-техническим работникам предприятий, использующих эту аппаратуру.

ВВЕДЕНИЕ

Тонкие пленки, наносимые в вакууме, широко применяются в производстве дискретных полупроводниковых приборов и интегральных микросхем (ИМС).

Получение высококачественных и воспроизводимых по электрофизическим параметрам тонкопленочных слоев является одним из важнейших технологических процессов формирования структур как дискретных диодов и транзисторов, так и активных и пассивных элементов ИМС.

Таким образом, от совершенства технологических процессов нанесения тонких пленок в значительной степени зависят надежность и качество изделий микроэлектроники, технический уровень и экономические показатели их производства.

Тонкопленочная технология базируется на сложных физико-химических процессах и применении различных металлов и диэлектриков. Так, тонкопленочные резисторы, электроды конденсаторов и межсоединения выполняют осаждением металлических пленок, а межслойную изоляцию и защитные покрытия – диэлектрических.

Важным этапом является контроль параметров тонких пленок (скорости их нанесения, толщины и ее равномерности, поверхностного сопротивления), который проводится с помощью специальных приборов, как при выполнении отдельных технологических операций, так и по завершении всего процесса.

Методы ионно-плазменного и магнетронного напыления находят широкое применение в современной микроэлектронике. Высокие скорости напыления и энергия падающих на подложку атомов в процессе напыления позволяют использовать эти методы для получения пленок различного состава и структуры, и, в частности, для низкотемпературной эпитаксии.

В настоящее время исследованиям в данной области уделяется значительный интерес.

Процесс нанесения тонких пленок в вакууме состоит в создании (генерации) потока частиц, направленного в сторону обрабатываемой подложки, и последующей их концентрации с образованием тонкопленочных слоев на покрываемой поверхности.

Для модификации свойств поверхности твердого тела используют различные режимы ионной обработки. Процесс взаимодействия ионного пучка с поверхностью сводится к протеканию взаимосвязанных физических процессов: конденсации, распыления и внедрения. Превалирование того или иного физического эффекта определяется главным образом энергией E₁ бомбардирующих ионов. При Е₁=10-100 эВ конденсация преобладает над распылением, поэтому имеет место осаждение покрытия. При повышении энергии ионов до 10⁴ эВ начинает преобладать процесс распыления с одновременным внедрением ионов в металл. Дальнейшее повышение энергии бомбардирующих ионов (Е₁ >10⁴ эВ) приводит к снижению коэффициента распыления и установлению режима ионной имплантации (ионного легирования).

Технологический процесс нанесения тонкопленочных покрытий в вакууме включает 3 основных этапа:

- генерация потока частиц осаждаемого вещества;

- переноса частиц в разреженном пространстве от источника до подложки;

- осаждения частиц при достижении подложки.

Существуют 2 метода нанесения вакуумных покрытий, различающихся по механизму генерации потока осаждаемых частиц: термическое напыление и распыление материалов ионной бомбардировкой. Испаренные и распыленные частицы переносятся на подложку через вакуумную среду (или атмосферу реактивных газов, вступая при этом в плазмохимические реакции). Для повышения степени ионизации потока осаждаемого вещества в вакуумную камеру могут быть введены специальные источники заряженных частиц (например, термокатод) или электромагнитного излучения. Дополнительное ускорение движения ионов к обрабатываемой поверхности может достигаться за счет приложения к ней отрицательного напряжения.

Общими требованиями, предъявляемыми к каждому из этих методов, является воспроизводимость свойств и параметров получаемых пленок и обеспечения надежного сцепления (адгезии) пленок с подложками и другими пленками.

Для понимания физических явлений, происходящих при нанесении тонких пленок в вакууме, необходимо знать, что процесс роста пленки на подложке состоит из двух этапов: начального и завершающего. Рассмотрим, как взаимодействуют наносимые частицы в вакуумном пространстве и на подложке.

Покинувшие поверхность источника частицы вещества движутся через вакуумное (разреженное) пространство с большими скоростями (порядка сотен и даже тысяч метров в секунду) к подложке и достигают ее поверхности, отдавая ей при столкновении часть своей энергии. Доля передаваемой энергии тем меньше, чем выше температура подложки.

Сохранив при этом некоторый избыток энергии, частица вещества способна перемещаться (мигрировать) по поверхности подложки. При миграции по поверхности частица постепенно теряет избыток своей энергии, стремясь к тепловому равновесию с подложкой, и при этом может произойти следующее. Если на пути движения частица потеряет избыток, своей энергии, она фиксируется на подложке (конденсируется). Встретив же на пути движения другую мигрирующую частицу (или группу частиц), она вступит с ней в сильную связь (металлическую), создав адсорбированный дуплет. При достаточно крупном объединении такие частицы полностью теряют способность мигрировать и фиксируются на подложке, становясь центром кристаллизации.

Вокруг отдельных центров кристаллизации происходит рост кристаллитов, которые впоследствии срастаются и образуют сплошную пленку. Рост кристаллитов происходит как за счет мигрирующих по поверхности частиц, так и в результате непосредственного осаждения частиц на поверхность кристаллитов. Возможно также образование дуплетов в вакуумном пространстве при столкновении двух частиц, которые в конечном итоге адсорбируются на подложке.

Образованием сплошной пленки заканчивается начальный этап процесса. Так как с этого момента качество поверхности подложки перестает влиять на свойства наносимой пленки, начальный этап имеет решающее значение в их формировании. На завершающем этапе происходит рост пленки до необходимой толщины.

При прочих неизменных условиях рост температуры подложки увеличивает энергию, т.е. подвижность адсорбированных молекул, что повышает вероятность встречи мигрирующих молекул и приводит к формированию пленки крупнокристаллической структуры. Кроме того, при увеличении плотности падающего пучка повышается вероятность образования дуплетов и даже многоатомных групп. В то же время рост количества центров кристаллизации способствует образованию пленки мелкокристаллической структуры.

Разреженное состояние газа, т.е. состояние, при котором давление газа в некотором замкнутом герметичном объеме ниже атмосферного, называют вакуумом.

Вакуумная техника занимает важное место в производстве пленочных структур ИМС. Для создания вакуума в рабочей камере из нее должны быть откачаны газы. Идеальный вакуум не может быть достигнуть, и в откачанных рабочих камерах технологических установок всегда присутствует некоторое количество остаточных газов, чем и определяется давление в откачанной камере (глубина, или степень вакуума).

Технология материалов тесно связана с такой наукой, как ма­териаловедение, которая изучает взаимосвязь между составом, структурой, строением и свойствами материалов.

Материаловедение является основой технологии электронных приборов, так как в процессе развития технологии материалов сти­рается грань между изготовлением материала и переработки его в прибор (например, производство эпитаксиальных пленок различ­ных полупроводниковых материалов).

Технология материалов электронной техники родилась одно­временно с появлением первых электронных приборов. Развитие технологии материалов электронной техники отражает развитие электронного приборостроения. Сначала технология материалов электронной техники включала операции получения высокочистых поликристаллических полупроводников и выращивания легирован­ных монокристаллов, которые были конечной продукцией полу­проводникового производства. Подготовительные операции, пред­шествующие созданию приборов - резка монокристаллов на пла­стины, шлифовка, полировка, производились на предприятиях, изготавливающих прибор. При этом переработке отходов полупро­водниковых материалов (кроме Si), которые всегда возникают на этих операциях, уделяли недостаточное внимание. Однако по мере роста объемов производства полупроводниковых приборов и коли­чества перерабатываемых монокристаллов, потерями отходов пре­небрегать стало невозможно, тем более, что в них содержались ценные компоненты редких элементов (Ga, In и др.) в качестве ле­гирующей добавки. Поэтому изготовление пластин и подложек ста­ли осуществлять на предприятиях, производящих монокристаллы. На этом этапе полупроводниковой технологии конечной продукци­ей стала шлифовка и полировка, пластинка-подложка.

В начале 60-х гг. прошлого столетия полупроводниковое при­боростроение, особенно микроэлектронное, стало использовать ме­тоды газо- и жидко-фазной эпитаксии, которая по физико- химическим основам ближе к технологии полупроводникового приборостроения. На этом этапе развития технологии полупровод­никовых материалов наряду с монокристаллами и подложками ко­нечной продукцией полупроводникового производства стали эпитаксиальные структуры. В зависимости от электрических свойств эпитаксиальных слоев такое изделие можно считать как полупро­водниковым материалом, так и полупроводниковым прибором. Критерием для определения изделия служит характер выходных параметров, которые используются для контроля качества структу­ры. Если они материаловедческие (химический состав, концентра­ция легирующей примеси, структурное совершенство, электриче­ские, оптические и другие физические свойства), то эпитаксиальная структура представляет собой материал. Если же в комплекс выходных параметров входят приборные характеристики (пара­метры электролюминесценции, пробивное напряжение, ВАХ и др.), то такая эпитаксиальная структура представляет собой приборную заготовку.

Развитие электроники происходит по пути миниатюризации.

Первым скачком в развитии электронной техники явился пере­ход от вакуумных электронных ламп к транзистору.

Второй скачок связан с применением интегральных микросхем. Переход к интегральным микросхемам стал возможен после пони­мания того, что все элементы электронной схемы можно изготовить не из разных, а из одного полупроводникового материала. Таким материалом стал кремний. Интегральная схема (ИС) состоит из ог­ромного числа элементов, как для логических операций, так и для хранения информации, размещаемых на одной пластинке «чипе» Si. Это может быть микропроцессор или память компьютера. Основ­ные требования к кристаллам полупроводникового материала - со­кращение числа дефектов и повышение однородности при одно­временном увеличении размеров кристалла. Эти требования связа­ны с тенденцией к увеличению числа элементов, размещаемых на одном «чипе», что побуждает уменьшать характерные размеры электронного прибора до субмикронных величин и увеличивать размеры чипа до сантиметров. Успех этих попыток (например, соз­дание памяти в 1 Мбит на одном чипе зависит от выхода годных приборов на одну подложку и на всю партию (около 100 подло­жек)). При существующем качестве кристаллов (т. е. плотности де­фектов) увеличение степени интеграции в конечном счете приведет к экономически невыгодному выходу годных приборов. Поэтому требования к сырью и технологическому процессу должны быть ужесточены. Для исходного сырья это означает уменьшение допус­тимых отклонений электронных свойств в микро- и макромасшта­бах, как в поперечном сечении отдельной подложки, так и в про­дольном направлении кристалла от подложки к подложке. Поэтому основная задача технологии материалов - улучшение микро- и мак­ронеоднородности. Электронные и оптоэлектронные свойства по­лупроводниковых кристаллов определяются концентрацией приме­сей, (легирующих и остаточных) и дефектами структуры кристалла. Так что требование улучшения оптоэлектронных свойств эквива­лентно требованию более однородного распределения примесей и дефектов.

Следующий этап в развитии технологии - разработка уст­ройств функциональной электроники. В функциональных микро­схемах объединяются магнитные, оптические, термоэлектрические и другие объемные и поверхностные эффекты. В функциональных микросхемах невозможно выделить отдельные элементы (транзи­сторы, диоды, конденсаторы, катушки индуктивности и др.).

Если на кристаллической подложке есть микро- и макронеод­нородности, как в поперечном, так и в продольном направлении, то при последующем наращивании тонкого кристаллического слоя (эпитаксии), неоднородности подложки могут воспроизводиться и в слое, выращенном по эпитаксиальной технологии. Для изготовле­ния гетероструктур важно согласование параметров кристалличе­ских решеток контактирующих материалов.

Прорыв в создании тонкослойных гетероструктур произошел с появлением практичной технологии роста тонких слоев методами молекулярно-лучевой эпитаксии, газовой эпитаксии из металлоор- ганических соединений и жидкофазной эпитаксии. Появилась воз­можность выращивать гетероструктуры с очень тонкой границей раздела. Это значит, что две гетероструктуры можно расположить так близко друг к другу, что в этом промежутке определяющую роль играют квантовые эффекты - квантовые ямы или квантовые стенки. В таких структурах большие деформации могут не приво­дить к появлению дислокаций, а значит, и к необходимости в согла­совании решеток.

Перспективным направлением развития методов технологии материалов электронной техники является получение компактных нанокристаллических веществ, интенсивное изучение которых на­чалось с 1985 г. Сущность нано- технологий состоит в возможности работать на атомном и молекулярном уровне, в масштабах длин (1-100) нм. Первые средства для нанотехнологий были изобретены в Цюрихе и Рюмликоне в швейцарских лабораториях фирмы IBM.

Сканирующий (растровый) туннельный микроскоп и атомно- силовой микроскоп и очень похожий на них сканирующий проек­тор электронно-лучевой литографии стали первым реальным во­площением фейнмановской машины для манипуляций на атомном уровне. Создатели растрового микроскопа Г. Биннинг и Х. Рюрер в 1986 г. получили Нобелевскую премию. В 1982-1985 гг. немецкий профессор Г. Глайтер реализовал способ получения компактных материалов с зернами нанометрового размера.

Таким образом, дальнейшая миниатюризация электроники не­посредственно связана с нанотехнологиями. Первоначально слово «нанотехнологии» означало комплекс процессов, обеспечивающих высокоточную обработку поверхности с использованием сверхтон­кого травления, нанесение пленок, высокоэнергетических элек­тронных, фотонных и ионных пучков. В настоящее время термин «нанотехнологии» используется в широком смысле, охватывая и объединяя технологические процессы и системы машин и механиз­мов, способные выполнять сверхточные операции в масштабе не­скольких нанометров.

Уменьшение размеров на несколько порядков практически ме­няет физические основы работы наноэлементов. В наноэлементе используются уже не электроны как частицы, переносящие элек­трический заряд, а их волновые функции.

Процессы дрейфа и диффузии, характерные для микроэлек­тронных устройств, отсутствуют вовсе в наноэлектронных элемен­тах. В основе наноэлементов лежат нулевые связи, сформирован­ные потенциальные барьеры. Вход и выход элемента сформирован не в пространстве, а во времени. Как правило, наноэлектронный элемент состоит из набора квантовых ям и потенциальных барье­ров. Энергетический спектр таких элементов зависит от размеров, а добавление лишь одного электрона существенно меняет энергети­ческую диаграмму.

Плотность активных элементов в устройствах наноэлектроники может достигать 10⁹-10¹⁰ элементов/см². Наноэлементы дают воз­можность получать излучатели и приемники в диапазоне частот 10⁹-10¹³ Гц.

Технологические процессы изготовления полупроводниковых приборов и ИС обычно разделяют на три группы:

- нанесение вещества в виде слоев или пленок на поверхности подложек,

- удаление вещества с поверхности подложек,

- перераспределение атомов (ионов) примесей между внешней средой и поверхностью или объемом подложек.

При процессах первых двух групп изменяется только геомет­рия подложек, а в третьей - состав, свойства и структура их внут­ренних областей (модификация) без существенного изменения гео­метрических размеров.

Важнейшим этапом производства полупроводниковых прибо­ров и ИС является разработка технологического маршрута изготов­ления изделий. Технологический маршрут - это последователь­ность выполнения технологических операций обработки полупро­водниковых подложек при изготовлении полупроводниковых приборов или ИС данного типа. Каждый технологический процесс, входящий в маршрут, снабжается технологической документацией, содержащей подробное описание и отражающей методы, средства и порядок проведения отдельных операций и технологического про­цесса в целом.

По конструктивно-технологическим признакам полупроводни­ковые приборы подразделяют на приборы с р-п переходами (диоды, транзисторы, тиристоры, преобразователи лучистой энергии) и приборы без р-п перехода - это устройства, принцип действия ко­торых основан на использовании объемных свойств полупроводни­кового материала.

Интегральные микросхемы - это микроэлектронные изделия, выполняющие функции преобразования и обработки сигналов и имеющие высокую плотность упаковки электрически соединенных элементов, компонентов, кристаллов или их сочетаний. Интеграль­ная микросхема представляет собой единое целое. Иногда инте­гральные микросхемы называют интегральными схемами или про­сто микросхемами.

Составной частью ИС являются элементы, которые выполняют роль электрорадиоэлементов (транзисторов, резисторов и др.) и не могут быть выделены как самостоятельные изделия. При этом ак­тивными называют элементы ИС, выполняющие функции усиления или другого преобразования сигнала (диоды, транзисторы), а пас­сивными - элементы, реализующие линейную передаточную функ­цию (резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности).

В отличие от элементов компоненты ИС являются самостоя­тельными изделиями. Части полупроводниковых пластин (загото­вок из полупроводниковых материалов), в объеме и на поверхности которых сформированы элементы ИС, а также соединения между ними и контактные площадки, называют кристаллами. Каждая ИС надежно защищена от внешних воздействий прочным и герметич­ным корпусом или покрытием.

В настоящее время наибольшее распространение получили два метода создания ИС. При первом методе локальным воздействием (диффузией, ионным легированием) микроучасткам полупроводни­ковой пластины придают свойства, которыми обладают соответст­вующие электрорадиоэлементы (транзисторы, диоды). Соединени­ем микроучастков между собой в соответствие с заданной электри­ческой схемой получают полупроводниковые ИС.

При втором методе послойным нанесением пленок различных материалов (испарением, распылением) на твердом основании формируют микроэлементы, межэлементные соединения и микро­схемы в целом. ИС, все элементы и межэлементные соединения ко­торых выполнены в виде пленок, называют пленочными.

Комбинированием этих методов, которые не являются конку­рирующими, а дополняют друг друга, на диэлектрических основа­ниях получают ИС, состоящие из пленочных пассивных элементов и активных элементов или кристаллов. ИС, выполненные на ди­электрическом основании и содержащие кроме элементов компо­ненты и кристаллы, называют гибридными.

Комбинированием полупроводниковой и пленочной техноло­гии получают также совмещенные ИС. ИС, в объеме полупровод­никового основания которых формируют все активные и некоторые пассивные элементы, а остальные пассивные элементы создают на поверхности, называют совмещенными.

Применение ИС в различной радиоэлектронной аппаратуре привело к созданию микросборок (МСБ). Микроэлектронные изде­лия, предназначенные для выполнения определенных функций и состоящие из элементов, компонентов, корпусных бескорпусных ИС, называют микросборками. МСБ повышают степень миниатю­ризации электронной аппаратуры.

Изделия микроэлектроники подразделяют на следующие группы:

ИС (в том числе СВЧ ИС), БИС и МСБ, функциональные при­боры, не имеющие аналогов электрорадиоэлементов, микрокомпо­ненты, предназначенные для монтажа и сборки микроэлектронных изделий первых двух групп в блоки и устройства. К ним относятся многослойные печатные платы, гибкие кабели, электрические со­единители, микропереключатели, кнопки, индикаторы и др.

Глава 1

Давление газов

Под давлением газа понимают средний импульс, предаваемый единице площади стенки сосуда молекулами газа в единицу времени. Рассмотрим плоскую стенку сосуда, в который помещен газ. Предположим также, что молекулы газа не прилипают к стенке, а упруго отражаются. Выберем ось x перпендикулярно стенке сосуда, а оси y и z — произвольно в перпендикулярной плоскости.

Будем считать стенку бесконечно тяжелой по сравнению с массой молекулы, тогда изменение импульса молекулы Dp, налетающей на стенку со скоростью v_x вдоль оси x (y и z компоненты произвольны), составит

,                 (1.20)

где m — масса молекулы.

Определим число молекул соударяющихся со стенкой сосуда площадью S в единицу времени. Рассмотрим множество молекул с проекцией скорости v_x. За время t до стенки долетят только молекулы, находящиеся на расстоянии менее v_xt, то есть в слое объемом Sv_xt. Здесь мы предполагаем, что молекулы не сталкиваются друг с другом. Для выполнения этого предположения необходимо выбрать t так, чтобы v_xt было меньше длины свободного пробега молекул между столкновениями. Согласно (1.12) концентрация молекул, имеющих скорости от v_x  до dv_x, определяется выражением

. (1.21)

Таким образом, для числа молекул, сталкивающихся со стенкой площади S за время t, можно написать:

,

,              (1.22)

а число молекул, сталкивающихся с единицей поверхности стенки в единицу времени соответственно:

                      .             (1.23)

С учетом (1.20) и (1.21) для давления получим

,

                               .                     (1.24)

Важно отметить, что использование для определения давления выражения (1.23) и подстановка в (1.20) среднего значения проекции скорости не являются корректными. В конечном результате это приведет к ошибке в числовом коэффициенте формулы (1.24) в p раз.

Уравнение (1.24) известно под названием уравнение газового состояния. Его можно записать в форме, называемой законом Менделеева–Клапейрона

                             ,                    (1.25)

где V — объем газа, — количество молей газа, N_A = 6,02×10²³ моль^-1 — число Авогадро (количество молекул в одном моле вещества), R = k N_A = 8,31 Дж×(K×моль)^-1. Из уравнения (1.25) следует, что при нормальных условиях (давление 10⁵ Па, температура 273 К) один моль идеального газа занимает 22,4 л.

В вакуумной технике обычно приходится иметь дело со смесями газов. Например, воздух представляет собой смесь, состав которой описан в таблице 1.1.

Таблица 1.1