Заводян Лабораторный практикум

Москва2007

2

УДК621.396.6

ЗаводянА.В.Технологиивысокоточнойсборкиивысокоплотногомонтажа. Методическиеуказанияклабораторномупрактикумуподисциплине«Технология производстваЭВС»

Лабораторныйпрактикумвключает8лабораторныхработ,позволяющих практическиосуществитьосновныетехнологическиеоперацииизготовления функциональныхузлов(ФУ)электроннойаппаратуры(ЭА),вчастности:вакуумное напыление,фотолитографию,сборку,монтажирегулировкуприизготовлении ФУ(работы№1-3,7)высокойплотностикомпоновки,атакжеизучитьособенности реализациивысокоточнойсборкииповерхностногомонтажавпроизводстве перспективнойЭА(работы4-6),включаявопросыпроектирования производственныхучастков(работ8). Пособиенеобходимостудентамстаршихкурсов,обучающихсяпонаправлениям 21020062,21020068«Проектированиеитехнологияэлектронныхсредств»и 21020265«Проектированиеитехнологияэлектронно-вычислительныхсредств», длязакреплениялекционногокурса«ТехнологияпроизводстваЭВС».Вместес тем,пособиебудетвесьмаполезнымидлястудентов,обучающихсяпосмежным специальностям.

3

Лабораторнаяработа№ 1

Технологияизготовленияпассивнойчастимикросборок

Цельработы:1)изучитьосновныеметодыиособенностиполучения тонкихпленокввакууме;2)ознакомитьсястехнологическимпроцессом изготовлениятонкопленочнойчастимикросборокметодомтермического испаренияввакууме;технологическимиконтрольнымоборудованием;3) приобрестипрактическиенавыкиработыстехнологическимиконтрольным оборудованием;4)оценитькачествополучаемыхпленок.

Продолжительностьработы-4ч.

Теоретическиесведения

Тонкиепленки(толщинойменее1мкм)впроизводствемикросборок(МСБ) используются для изготовления пассивных элементов: резисторов, конденсаторов, индуктивностей, контактных площадок, межэлементной коммутации,межслойнойизоляцииит.д.Средимногихметодовизготовления тонких пленок (термического испарения,ионно-плазменного распыления, химического, электрохимического и пиролитического осаждения и др.) предпочтительнымиоказываютсяметоды осажденияпленокввакуумекак позволяющие получать пленки из любых материалов с наилучшими электрофизическимипараметрамипривысокойихвоспроизводимости.Именно этиметодыположенывосновутонкопленочнойтехнологии.

Таким образом, сущность тонкопленочной технологии состоит в управляемом нанесении пленочных покрытий в вакууме методами направленного осаждения на подложки (или платы) частиц из потока испаряемого либо распыляемого материала. Одним из широко распространенныхметодов осаждениятонкихпленокв вакуумеявляется хорошоосвоенныйметодтермическогоиспаренияввакууме.Егоосновные достоинства:высокаячистотаполучаемыхпленок,простотатехнологического процессаивысокаяэксплуатационнаянадежность.Современныеустановки вакуумного напыления,в том числе и реализующие метод термического испарения,оборудованы Системойионнойочисткиповерхностиподложекв плазметлеющегоразряда,чтосущественноповышаеткачествополучаемых пленокивоспроизводимостьиххарактеристик.

Термическоеиспарениематериаловввакууме

Термическоеиспарениезаключаетсявнагревематериала(используемогодля нанесениянаподложку)ввысокомвакууме(придавлениинеболееПа)до температуры,прикоторойдавлениеегособственныхпаровнанесколькопорядков превышаетдавлениеостаточныхгазовврабочемпространствевакуумнойкамеры. Приэтоматомыиспаряющегосяматериалараспространяютсяпрямолинейно,так какдлинаихсвободногопробегазначительнопревышаетрасстояниеиспаритель (источникиспаряемогоматериала)-подложка.Далееследуетконденсациячастиц испарившегосяпотоканаповерхностиподложки(платы),имеющейтемпературу значительнонижетемпературыиспарителя.

Следовательно,приосажденияпленокметодомтермическогоиспаренияв вакууме(термовакуумногоиспаренияилитермовакуумногонапыления)впроцессе получениятонкихпленокможновыделитьтриосновныестадия:

4

-образованиеатомарного(молекулярного)потокавеществаизисточника испаряемогоматериала(испарителя);

-пролетатомовотиспарителякподложке;

-конденсациявеществанаподложке(этапосажденияматериалаввидетонкой пленки).

Образованиеатомарного(молекулярного)потокапритермическомиспарении является результатом разрыва связей между поверхностными атомами испаряемогоматериала,есликинетическаяэнергиядвиженияатомовпревышает энергиюсвязимеждуними.Изтабл.1видно,чтоусловнаятемператураиспарения большинстваметалловвышетемпературыихплавления,т.е.испарениепроисходит посхеме:твердоевещество-жидкость-пар.Однаконекоторыематериалы,например хром,титан,довольноинтенсивноиспаряютсяизтвердогосостояния.Процесс переходавеществаизтвердогосостояниявпарообразное,минуяжидкую фазу, называетсясублимацией(иливозгонкой).Взависимостиотагрегатногосостояния веществавовремяиспаренияследуетвыбиратьконструкцию испарителя.Тип испарителязависиттакжеотприроды испаряемогоматериала(егоодно-или многокомпонентное,химической активности,температуры испарения и др.), исходнойформыматериала.(гранулы,порошок,проволока),требуемойскорости испарения,ее,постоянствавовремениирядадругихфакторов.Втабл.2приведены температуры и скорости испарения широко применяемыхв тонкопленоч¬ной технологииметалловвзависимостиотихдавлениянасыщенныхпаров.

Таблица1

Температурыплавления,кипения,испаренияметаллов, наиболеечастоприменяемыхприизготовленииМСБ

*Приведенаусловная,практическиустановленнаятемператураис¬парения,при которойдавлениенасыщенногопаравеществасоставляетприблизительно1,3 Па.Температурыплавленияикипенияуказаныдлядавления101,3∙103Па.

Таблица2

Температурыискоростииспаренияметаллов

приразличныхдавленияхнасыщенныхпаров

133,3∙10-3Па 133,3∙10-2Па 133,3∙10-1Па

5

Вусловияхвысокоговакуума(остаточноедавление<7∙10-4 Па),когда температура конденсации намного меньше; температуры испарения (следовательно,давление насыщенных паров испаряемого вещества при температуре испарения намного больше давления паров при температуре конденсации),акоэффициентиспарениядлячистойповерхностииспаряемого материаларавенединице,скоростьтермическогоиспарения (т.е.количество

веществавграммах,покидающего1см2 свободнойповерхностив1спри условнойтемпературеТу)можноопреде¬литьизполуэмпирическогоуравнения

,

гдеМ-молекулярнаямассаиспаряемоговещества.

Этап осаждения атомарного потока на подложку можно рассматривать по механизму конденсациипар-кристаллиты либодвумерный газ-двумернаяжидкость-твердоевеществов зависимостиотприроды вещества,критической плотностиегопараикритическойтемпературы подложки [1]. Процессы, происходящие при конденсациииспарившегосяпотока,существенно зависят от взаимодействия атомов в потоке вещества, в пленке друг с другом и с поверхностными атомами подложки. Формирование пленки происходит по схеме: образование кристалличе¬ских зародышей - образованиеостровковизконденсата-срастание островков (соединение их мостиками) -

образованиесплошнойпленкисконденсированноговещества.Приэтомважно учитывать:соотношениеплотностейпотокаиспаряемоговеществаиостаточных газов; процессы, протекающие на подложке (физическая адсорбция, хемосорбция, десорбция, диссоциация, реиспарение, диффузия, рекристаллизацияидр.);химическоесродствовсистемеподложка-конденсат- газоваясреда;условияобеспеченияэнергиисвязи атомовосаждающегося вещества,заметнобольшейсреднейэнергии(тепловой)атомовподложкии пленки.Таким образом,взависимостиоткинетикипроцессаконденсациив сочетании с управляемыми параметрами технологической среды можно получить тонкие пленки с необходимыми электрофизическими характеристиками(рис.1)иструктурой(аморфной;мелкозернистойсразмером кристаллитовменее10нм;крупнозернистойсразмеромкристаллитов100нми более).Притолщинеh<1нм пленкасуществуетввидеостровков,имеет высокоеинестабильноеудельноеэлектрическоесопротивлениеρ;приh1=1020нмостровкисрастаютсявсплошнойслой,нопленкавысокочувствительнак условиям испарения,конденсацииистепенивакуума;толщинаh2 =100нм

6

считается нормальной для получения стабильных электрофизических параметровприустойчивыхтехнологическихрежимах.

Основнымитехнологическимипараметрамиметодаиспаренияввакууме являются:скоростьиспарения(зависящаяоттемпературы испаренияитипа испарителя);скоростьконденсации (осаждения)(зависящаяотобобщенной характеристикииспарителя,температурыподложки,наличияостаточныхгазовв рабочейкамере(степенивакуума)икачестваочисткиповерхностиподложки); давлениеисоставостаточныхгазовврабочейкамере;температураподложки.

Температура подложки во многом определяет условия конденсации испаряемого материала. Испарение сложных химических соединений сопровождаетсяпроцессамиихфракционированияврезультатенеодинаковой температурыиспаренияотдельных компонентов,чтоособенносущественноприиспарениимногокомпонентных материалов,напримеррезистивныхсплавов,диэлектриковидр.

Длясохранениястехиометрическогосоставапленоксложныххимических соединений используютразновидности термического испарения в вакууме, напримердискретноеиспарениевозгонкой(взрывноеиспарениесприменением лабиринтногоиспарителялибовибродозированиесприменениемвибробункера и др.).К недостаткам термического испаренияследуетотнести сложности полученияпленокизтугоплавкихматериалов.Например,дляиспарениятантала используютэлектроннолучевыеиспарителиразличныхтипов,чтоусложняет конструкцию вакуумной установки. Импульсные лазерные испарители перспективны для испарения многокомпонентных материалов. Однако принципиальные трудности метода термического испарения связаны с побочнымиявлениями(приполучениидиэлектрическихпленокконденсаторных структур и защитных слоев МСБ),такими как диссоциация окислов при испарении,взаимодействиеиспаряемогоматериаласматериаломиспарителяи остаточнойатмосферойвакуумнойкамеры,атакжеполяризационныйзахват примесейприформированиипленки.

Осаждениепленоквнизкотемпературнойплазме (ионно-плазменноераспыление)

Ионно-плазменное распыление (ИПР)обладает рядом существенных преимуществ перед термическим испарением, важных для серийной автоматизированной реализации групповой технологии в производстве микроэлектроннойаппаратуры(МЭА):

-позволяетполучатьравномерныепотолщинепленкинаподложках больших размеров (из-за большой площади распыляемой пластины из осаждаемого материала - мишени, выполняющей функции источника атомарного потока для создания пленки),что обеспечивает эффективную реализациюгрупповогометодаобработки;

-облегчаетавтоматизацию,повышаетоднородностьпроцессаосаждения, так как мишень представляет собой длительно незаменяемый источник материала;

-обеспечиваетвысокуюадгезиюпленкикподложке,благодарябольшой энергиииплотностичастицвосаждающемсяпотоке;

-позволяет получать пленки из тугоплавких и многокомпонентных материаловбезперегревавакуумнойкамеры иусложнениятехнологического оборудования;

-даетвозможностьполучатьоксидные,нитридныеидругиепленки,втом числе легированные в результате,например,химических реакций атомов

7

распыляемогоматериаласвводимымивкамерухимическиактивнымигазами; -позволяетпроводить ионную очисткуподложек перед осаждением пленокбезусложненияоборудованияираспылять,материалыпритемпературе

нижетемпературыихплавления; -даетвозможностьполучатьпленкиизорганическихматериалов,втом

числе и на подложках из органических материалов при некоторых разновидностяхИПР;

-позволяетполучатьравномерныепотолщинепленкинарельеф¬ных поверхностяхподложек(плат)принекоторыхразновидностяхИПР;

-обеспечивает малую инерционность процесса осаждения пленок. Процессполучения пленок ИПР происходитпо схеме:создание плазмы - распыление мишени и образование потока распыляемого вещества - формированиепленкинаподложке.

Плазмойназываютионизированныйгаз,которыйсостоитизэлектронов, ионов и нейтральныхатомов.Электрическиесилы,связываяразноименно заряженные частицы плазмы, обеспечивают ее квазинейтральность. В технологии производства МЭА используется низкотемпературная плазма, созданиекоторойосуществляетсяпутем формированиягазовогоразрядавпространствемеждудвумяэлектродами,к которымподводитсявысокоенапряжение(отединицдодесятковкиловольт). Температуратакой плазмы обычно непревышает105 К,давлениегазав разрядномпространствеподдерживаетсявпределахот1,3110-2до1,3Па.

Тип разряда (тлеющий,дуговой и др.) зависит от давления газа, приложенногокэлектродамнапряжения;концентрацииэлектронов,влияющей надлинуразрядногопромежуткаиплотностьразрядноготока.

Существуетмножество способов реализации осаждения пленок ИПР, напримерионное(иликатодное)распылениедвухэлектродныхсистемах;ионноплазменноераспылениевтрехэлектродных(иболее)системах;магнетронное распыление с применением магратронных систем для генерации плазмы; плазмотронное распыление е применением импульсных плазменных ускорителейдлявозбуждениядуговогоразрядаидр.

Впростейшихдиодныхдвухэлектродныхсистемахионноераспыление проводится в тлеющем разряде (причем мишень находится на катоде,а подложка-нааноде),вызванном ионизациейэлектронамикатодамолекул инертного газа (аргона),при давлении 1 -10 Паи напряжении 1 -10 кВ. Расстояниемеждуэлектродамисоставляет1-12см,адиаметрэлектродов5-50 см. Такая система малоэффективна вследствие высокой вероятности загрязнений подложки (из-за недостаточно низкого рабочего давления, необходимогодляподдержанияразряда),низкойскоростиосаждения(неболее 0,5нм/с)иневозможностираспылениядиэлектрическихматериалов(из-за накопленияположительныхзарядовнакатоде).

Триодные трехэлектродные системы ИПР более эффективны,в них реализуетсянезависимыймощныйразрядстермоэмиссионно-возбуждаемой плазмой, а на мишень (на третий электрод) подается отрицательный относительно плазмы потенциал,позволяющий вытягивать из плазмы и ускорять(досотенэлектрон-вольт)положительныеионыдлябомбардирования поверхностимишени.Рабочеедавлениевэтомслучаенепревышает0,1Па.В такихсистемахможнореализоватьраспылениедиэлектрическихматериалов, нонеприпостоянном,апривысокочастотном (13,56МГц)потенциалена мишени(высокочастотноераспыление).Крометого,вданныхсистемахпроще, чем в диодных,реализовать получение пленок различных химических соединенийспротеканиемреакциймеждудозированно-вводимымврабочую

8

камеру реактивным газом и распыляемым (осаждаемым) веществом (реактивноеосаждение).Изменяяпарциальноедавлениереактивногогазаот 5∙10-2до5∙10-4Па,можнополучатьпленкиразныххимическихсоединенийгаза, напримерсметаллом.Однакосложностьоборудования,атакжепроблемы обеспечения высокой чистоты процесса осаждения пленок, снижения энергозатратидр.втрехэлектродных(иболее)системахтребуютихпостоянного совершенствования.

ВпоследнеевремядляполучениятонкихпленоквпроизводствеМЭА стали широко использоваться новые системы ИПР:магнетронного типа (магнетронноераспыление(МР))и сприменением импульсно-плазменных ускорителей(плазмотронноераспыление(ПР)).Втабл.3приведеныосновные параметры методатермическогоиспаренияисовременныхразновидностей методаИПР,позволяющиепровестиихсравнительныйанализ.

Таблица3

Сравнительнаяхарактеристикаметодов

формированиятонкихпленокввакууме

ПосвоейсутисистемыдляМРиПРявляютсяусовершенствованными диоднымисистемами,эффективноработающимипридавленияхдо1∙10-2.Па

Устройствомдлягенерацииплазмывпервомслучаеявляетсямагратрон (рис.2),а во втором случае -импульсный плазменный ускоритель (ИПУ).

9

Наличие скрещенных электрического и магнитного полей в магратроне обеспечивает циклоидальное движение электронов в магнитной ловушке вблизи мишени, в результате чего возрастают .интенсивность ее бомбардировки и скорость распыления. При этом исключаются неконтролируемыйнагревподложекиихповреждениечастицамиплазмы,а крометого,возможназаменавысоковольтногооборудованиянизковольтным.

Скорость осаждения и равномерность пленки при МР зависят от эмиссионныххарактеристикисточникаэлектронов,мощностиразряда,места локализации плазмы,геометрии мишени,углов распыления и осаждения, расстоянияотмишенидоповерхностиподложкиидругихфакторов.

В системахдляПР вакуумныйдуговойразряд являетсяисточником плазмы (рис.3),состоящей из электронов,паров и ионов распыляемого вещества.Процессы,протекающие в разрядном пространстве,сложны и зависятотгеометрииматериалаэлектродов,режимовиспособовзажигания разрядаит.п.[2].

10