режимами используется ЭВМ 13, а для обмена информацией с оператором-дисплей 14.

Сложность задач управления процессом диффузии обусловлена необходимостью поддержания температуры с высокой точностью (погрешность +0,5...0,25° С), высоким уровнем температур и требованиями к постоянству состава смеси газ-носитель-диффузант . В газовом потоке недопустимы посторонние примеси, поэтому к конструкционным 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.

В качестве примера приведем технические данные диффузионной системы.

Число реакторов, шт .............3

Диаметр пластин, мм ............. 100

Рабочий ход загрузчика, мм . .......1875

Скорость перемещения лодочки, м/с .......1,66-10

Регулирование скорости ............ плавное

Длина рабочей зоны, мм ...........600

Диапазон рабочих температур, С ... . 700... 1250

Погрешность распределения температуры по длине зоны, °С ... ±0,5

Погрешность регулирования температуры, °С .... +0,25

Время разогрева печи, ч ...........2

Рабочие газы ................N2O2, HC1

Диффузанты ................ВВГд, PCI3

Погрешность расхода газов, % ........+1,5

Погрешность расхода диффузантов, % ......+0,5

Напряжение питания, В ............ 380/220 (50 Гц)

Потребляемая мощность, кВ-А:

при разогреве ...........100

в рабочем режиме ............50

Габаритные размеры, мм ........... 905 х 550 х 2650

Масса, кг ................. 3345

Для эксплуатации системы необходима локальная вытяжная вентиляция с производительностью 950 м^/ч.

Ионная имплантация. Метод ионной имплантации . обеспечивает непосредственное внедрение атомов примеси в кристаллическую решетку в месте падения луча, содержащего ионы диффузанта. Это позволяет строить технологический процесс 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. 34

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 дефекта 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 (см. рис. 1.9). Различия заключаются в формировании пучка и выборе его энергии.

В отечественной промышленности применяются установки типа Везувий Для массового производства МДП СБИС с размерами элементов от 3 до 5 мкм разработана установка Везувий-7М . В установке для получения пучка используется последовательное ускорение с сепарацией ионов по количеству энергии, что обеспечивает однородность пучка. Источником электронов является прямонакальный катод, имеющий большой срок службы.

Технические данные установки

Диаметр обрабатываемых пластин, мм ......76; 100; 125

Плотность тока ионов, ион/см--с . .3-10

Максимальный ток ионного пучка при энергии 10 кэВ,-мкА:

для В- .................300

для Р+ ................ 500

для А/ ..... .......... 300

Однородность имплантации, % ...... .99

Энергия имплантации, кэВ . . . 20... 100

Частота электростатического сканирования, Гц:

по координате X ............ .30

по координате Y ....... . 2500

Производительность для пластин 0 76 мм, пл/ч:

при дозе пучка 6,25-10 см~ .........240

при дозе пучка 6,25-10 см .........100

Потребляемая мощность, кВА ......... 10

Габаритные размеры, мм ........... 1570x5000x2100

Масса, кг ............ 3900

В установке предусмотрено управление вакуумной системой, состоящей из механического и диффузионного насосов, снабженных азотной ловушкой, шлюзовой камерой с независимой откачкой и электронно-оптической системой.

1.6. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ НАНЕСЕНИЯ СЛОЕВ

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, защита схем от внещних воздействий (пассивация). Второе направление связано с получением маскирующих слоев для операций литографии и диффузии. Эти слои после выгюлнения операции частично или полностью уничтожаются-стравливаются. Оборудование, применяемое для этого, было описано ранее.

Различное назначение слоев, разнообразие применяемых материалов определяют различные требования к технологическим процессам и оборудованию. Общими требованиями, предъявляемыми к слоям, являются: однородность и повторяемость свойств слоев; отсутствие в слоях локальных нарущений, проколов и других дефектов; высокая адгезия слоев и четкость границ слоев, отличающихся физическими свойствами.

Эпитаксиальные слои. Эпитаксиальный слой выращивают на поверхности кремниевой пластины с целью получения на ней двух видов проводимости. Обычно на низкоомной подложке с удельным сопротивлением 0,01...0,001 Ом-см выращивается слой толщиной 10...20 мкм и сопротивлением примерно 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. Наибольщее распространение получил хлоридный метод, выполняемый по схеме открытой трубы (рис. 1.11).

Установка состоит из кварцевого реактора /, 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 - диффузанта S, обеспечивающего необходимое легирование выращиваемого слоя.

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-на-

Рис. I.ll. Схема установки эпитаксиального наращивания

гревом является УНЭС типа 02ЭИК-100-003, предназначенная для

получения слоев на основе реакции

2Н2 + SiCU - Si + 4НС1Т В состав установки входят:

агрегат нанесения, состоящий из вертикального кварцевого реактора, графитового пьедестала с приводом, обеспечивающим его вращение, подъем и опускание;

щкаф газораспределения с источниками необходимых материалов и системами стабилизации расходов;

щкаф питания;

блок пылезащиты;

пульт управления, содержащий микроЭВМ устройство связи с объектом и дисплей.

Технические данные установки

Число реакторов................

Число одновременно загружаемых пластин:

0 76 мм .................

0 100 мм .................

0 125 мм .................

Рабочая температура, С ...........

Тип нагрева ................

Неоднородность температурного поля, С .....

Погрещность регулирования температуры, С Воспроизводимость температуры от процесса к процес-су, С.......

Давление в рабочей камере. Па .........

Давление рабочих газов. Па ..........

Расход диффузантов при давлении 1...2,5 Па, м'/с . . Расход воды при температуре 20...25 С и давлении 4...4,5-10= Па, м'/с ....

Потребляемая мощность, кВА .........

Напряжение питания, В ............

30 14 12

I000...1250

инфракрасный

+ 10

±2

(0,5...0,6)10=

(1...3)-10=

2,5-10

1,6710 300

380/220(50 Гц)

I... .,

, Л Вакуумной aj системе

, Л Вакуумной CJ системе

Н Впнуумноа о) системе

Рис. 1.12. Методы нанесения слоев:

а термовлкуумное: в катдное распыление; е ионпо-нлазменное распыление

Слои металлов и диэлектриков. Основным методом получения тонких слоев металлов и диэлектриков служит нанесение их в вакууме. В основе метода лежат испарение материала при разогреве и последующая конденсация паров на подложке. Технологический процесс требует создания в рабочей камере разряжения и определенного состава среды. В самом процессе выделяют три фазы: образование потока вещества из испарителя, формирование потока в пространстве испаритель - подложка и конденсация паров на подложке.

Можно выделить три основных способа, используемых для получения слоев (рис. 1.12): термовакуумное нанесение, катодное распыление, ионно-плазменное распыление.

При термовакуумном распылении наносимое вещество испаряется с помощью резистивного нагрева или электронного луча. Давление в рабочей камере в этом случае должно быть на несколько порядков ниже, чем парциальное давление паров испаряемого вещества. Поток паров - атомарный и проходит без соударений, т. е. расстояние испаритель - подложка меньще длины свободного пробега. Это определяет требования к высокому вакууму в рабочем объеме - под колпаком установки. Для обеспечения конденсации подложка должна иметь определенную температуру

При термовакуумном нанесении (рис. 1.12, а) под колпаком 1 размещаются нагреватель подложки 2, подложкодержатель 3 с подложками 4. Для нанесения слоев одинаковой толщины на все подложки подложкодержатель приводится во вращение специальным приводом, размещаемым обычно вне рабочей камеры.

Время, в течение которого может наноситься слой, определяется положением заслонки 5. Заслонка также защищает поверх-38

ность пластины от попадания посторонних примесей при прогреве камеры для обезгаживания. Для предохранения внутренней поверхности колпака от запыления применяются экраны 6. Испаряемое вещество помещается в испаритель 7. Испаритель может быть выполнен в виде тигля, лодочки из тугоплавкого металла или керамики или представляет собой спираль, на которую навешаны частицы испаряемого вещества.

Плита 8 служит для установки всех устройств, через ее уплотненные вводы приводятся в движение механизмы подколпач-ных устройств и подается электропитание. Плита имеет отверстие для соединения с вакуумной системой.

Катодное распыление (рис. 1.12, б) проводится при низком вакууме (66... 1,133 Па) в среде нейтрального газа. Распыление вещества происходит под действием бомбардировки катода ионизированными молекулами газа.

Для выполнения операции в рабочей камере / имеются анод 2 и подложкодержатель 3 с подложками 4. Время нанесения пленки отсчитывается с момента открытия заслонки 5. Испаряемым является материал катода 6 или вещество, помещаемое на его поверхность. Катод прикрыт экраном 7. Давление в камере во время технологического процесса стабилизируется за счет управляемого натекания через игольчатый натекатель 8. Вакуумная система установки при этом работает непрерывно.

Ионно-плазменное распыление (рис. 1.12, в) проводится при давлении 0,13...0,07 Па. В камере / установлен подогреватель подложек 2, рядом с которым находится подложкодержатель 3 с подложками 4. Источник ионов б и анод 5 создают в камере ионизированную плазму. Отрицательный потенциал, подаваемый на мишень 7, вытягивает из плазмы ионы, которые, бомбардируя мишень, распыляют ее. Давление в камере регулируется игольчатым натекателем 8.

Достоинства методов катодного и ионно-плазменного нанесения слоев заключаются в их высокой производительности, хорошей воспроизводимости получаемых слоев и универсальности. Недостатком методов является проведение процессов в низком вакууме, что не позволяет получать слои с особо чистым составом.

Большим недостатком вакуумных установок является значительное время откачки рабочего объема, поэтому в последние годы стремятся получить установки непрерывного действия за счет создания шлюзовых камер для загрузки и выгрузки. Описание вакуумной установки непрерывного действия Магна-2 приведено в гл. 7.

Слои оксида. Слои диоксида кремния используются в ИМС для изоляции при многослойной разводке, защиты поверхности кристалла и маскирования в литографии. Наиболее распространенным способом является получение оксида с помощью термического окисления, выполняемого в диффузионных печах. В этом

Назначение подсистем:

- технологическое W /A - обеспечадающее

- технологическое и. обеспечибающее

- Вспомогательное

Рис. 1.13. Типичные подсистемы технологического оборудования:.

ЖХТ жидкостное химическое гравлепие; ПВТ вакуумпо-плазмспное чравлепие; ФП фото11еча1ъ: ЭЛ электронная литография; Д диффузия: И им]гла1ггания: Э энитаксия: НС нанесение слоев

случае окисление кремния проводится путем пропускания через кварцевую трубу сухого и влажного кислорода в течение заданного времени.

Кроме термического окисления применяется пиролитическое осаждение. Этот процесс проводится при более низких температурах и использует реакцию между силаном и кислородом на поверхности пластины.

Возможно применение катодного и ионно-плазменного распыления кремния в смеси кислорода и аргона. Выбор метода нанесения определяется назначением слоя и совместимостью процесса с другими операциями технологии. 40

1.7. СТРУКТУРА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ

Анализ различных видов оборудования, применяемого в производстве ИМС, позволяет выделить в его составе типичные функциональные подсистемы (рис. 1.13). По назначению их можно разделить на три группы:

технологические, результаты работы которых непосредственно влияют на свойства ИМС;

обеспечивающие, создающие условия эффективного процесса обработки; результаты работы этих систем сказываются на качестве ИМС опосредованно;

вспомогательные, участвующие в выполнении операций по транспортированию предметов труда и защите.

При проектировании оборудования функции различных подсистем могут совмещаться. Технологические и обеспечивающие подсистемы определяют особенности выполнения операций, а вспомогательные являются общими для различных видов оборудования.

Основная задача подсистемы энергообеспечения - снабжение оборудования электроэнергией, сжатым воздухом, горячей водой и т. п. Причем качество энергоносителя должно удовлетворять требованиям технологического процесса. Включение в состав оборудования подсистемы защиты вызвано использованием в технологических процессах токсичных и взрывоопасных веществ, наличием высокого напряжения. В задачи подсистемы входят;

обеспечение безопасности обслуживающего персонала, что достигается применением блокировок, предотвращающих несанкционированный или случайный доступ к частям оборудования, опасным для человека;

экологическая защита, что достигается нейтрализацией опасных для окружающей среды продуктов реакции;

аварийная защита оборудования и предметов труда.

Разнообразие транспортных систем определяется условиями вьпюлнения технологического процесса, например в вакууме, тепловом и электромагнитном поле, и организацией передачи предметов труда поштучно в транспортных или технологических кассетах. При повышении уровня автоматизации требования к транспортным системам возрастают.

Микропроцессорная система управления (МПСУ) является обязательной частью всех видов технологического оборудования и обеспечивает согласованное функционирование устройств, входящих в подсистемы. Технические средства ее должны реализовы-вать функции управления, измерять параметры подсистем (технологических процессов, изделий, создаваемых структур и т. п.), преобразовывать и обрабатывать полученную информацию и формировать управляющие воздействия на объект управления.

На рис. 1.14 представлена структурная схема технических

Положений и перемещений

Давления

Расходоб и соотношения

Параметров создадаемых слоев

Параметров среды

Датчики

Измеритель-Hte преобразователи

нормирующие оеобразо-Ватели

Штраллеры логические

Контроллер)! регулирую -щие

Контроллеры смеш.анного типа

Mij me микропроцессорные технииес-кие средства

Микроконт-

Жесткие логические контроллеры

Аналоговые регуляторы

Устройства

BbiCDKOvac -тотные генераторы

Высоковольтные и сильно-тачные пре-

Частотные iBpasoi теш

ватели ШИМ

преобразователи

Транзисторные ключи

Тиристорные ключи

Тиристорные усилители

Транзисторные усилители

Усилители мош.ности

Двигатели оостотто.пе-ремениогото-ка, шаговые

Гидро-и пне1-

Электромагнитные клапаны

Нагредатели

Испарители

Источники ионов

Электроды

Исполнитет-ные механизмы

иотаЪ-ратения информации

Дисплей

Рис. 1.14. Структура и состав технических средств микропроцессорной системы управления оборудованием

средств МПСУ. Центральное место в ней занимают микропроцессорные устройства управления - программируемые логические и регулирующие контроллеры, контроллеры смешанного типа, микроконтроллеры.

Вместе с тем, в системах управления даже с микропроцессорными средствами управления нередко используют аналоговые регуляторы и жесткие логические контроллеры. Применение

указанных типов устройств обусловлено в ряде случаев необходимостью создания двухконтурных систем регулирования, что значительно улучшает динамические характеристики систем стабилизации и подсистем безопасности и защиты оборудования.

Важным элементом системы управления являются датчики параметров функциональных подсистем и параметров обрабатываемых изделий. Разнообразие физико-термических процессов, реализуемых в оборудовании, трудности измерения параметров создаваемых структур делают задачу контроля весьма сложной.

В качестве измерительных преобразователей используются как серийно выпускаемые средства, так и специальные преобразователи, разработанные для конкретных технологических процессов. Для сопряжения измерительных преобразователей с устройствами микропроцессорного управления используются нормирующие преобразователи, которые с высокой точностью усиливают напряжение низкого уровня измерительных преобразователей до стандартного уровня 0...10 В.

Управляющие воздействия с устройства управления поступают на исполнительные механизмы (рис. 1.14) оборудования через усилители мощности и специальные преобразователи.

Задание программы управления, параметров технологического процесса и контроль за протеканием процесса производятся с помощью устройств ввода и отображения информации. В микропроцессорных системах управления такими устройствами являются дисплей и клавиатура. В последние годы в системах управления находят все более широкое применение акустические устройства общения человека с ЭВМ; синтезаторы и анализаторы речи. Вместе с тем, наряду с современными средствами отображения информации в оборудовании применяются и такие средства, как мнемосхемы, на которых выводится информация о состоянии отдельных устройств и подсистем.