Файл: Федотов, Я. А. Инженер электронной техники.pdf

Без мелкоскопа...

Вы помните, конечно, сказ Лескова о том, как туль­ ские оружейники подковали блоху из «чистой аглицкой ста­ ли». Вот что говорил об этом «руководитель группы», туль­

—И твое имя тут есть?— спросил государь.

—Никак нет-, — отвечает Левша, •— моего одного и нет.

—Почему же?

—А потому, — говорит, — что я мельче этих подковок

Государь спросил:

— Где же ваш мелкоскоп, с которым вы могли произ­ вести это удивление?

А Левша ответил:

— Мы люди бедные и по бедности своей мелкоскопа не имеем, а у нас так глаз пристрелявши.

Надо сказать, что если отвлечься от очень конкретной цифры '«пять миллионов», то мы сейчас находимся приблизи­ тельно в положении Левши. В полупроводниковой электрони­ ке под «мелкоскопом» выполняется, пожалуй, наиболее гру­ бая часть работы, например присоединение выводов к гото­ вым структурам. Выводы эти (проволочки из алюминия или золота толщиной от 20—30 до 8 мкм) привариваются к кон­ тактным площадкам — тонким металлическим пленкам, нане­ сенным на поверхность полупроводника. Толщина этих пленок обычно не более 1 мкм, а площадь 20X20 мкм или 40X40 мкм. Это контакты к микрообластям. Сами же микрообласти, со­ ставляющие полупроводниковые структуры, представляют собой области с сильно отличающимися электрофизическими

окземпллр

ЧИТАЛЬНОГО ЗАЛА

Изменение Свойств полупроводника достигается обычно

введением в его кристаллическую решетку на место «собст­ венных» атомов полупроводника строго контролируемых ко­ личеств тех или иных примесных атомов: бора, фосфора, сурьмы, мышьяка и т. д. При этом количество посторонних, случайных, неконтролируемых примесей должно быть менее не только тысячных, но и стотысячных долей процента. Впро­ чем, о количествах и процентах позже мы поговорим более подробно.

Каковы же форма и размеры этих областей с перестроен­ ной кристаллической структурой? На поверхности кристалла эти области могут иметь вид, например, чередующихся полос шириной в 1—3 мкм и длиной до 100—150 мкм. В то же время глубина этих полос, образующих своеобразную гребен­ ку, измеряется десятыми и даже сотыми долями микрона. Такие толщины невозможно ни наблюдать, ни контролировать непосредственно, тем более без разрушения структуры. Основ­ ным средством контроля является здесь измерение электро­ физических параметров структур, по которым делают заклю­ чение о толщинах тех или иных слоев.

В этом случае мы вынуждены работать «без мелкоскопа». Точность получения слоев той или иной величины дости­ гается при точности соблюдения технологических режимов: точности установки и поддержания температуры, точности шлифовки и полировки полупроводниковых пластин, точности механической установки и перемещения подвижных частей тех или иных механизмов и т. д.

Ниже мы еще вернемся к этому вопросу и рассмотрим конкретные цифры, характеризующие точность работы обо­ рудования в полупроводниковой электронике. Сейчас же оце­ ним лишь общие размеры транзисторной структуры, или активной области транзистора.

Активная область транзистора (транзисторная структура) представляет собой тот объем полупроводникового материала, в котором осуществляются все основные физические процес­ сы, определяющие работу транзистора. Обычно размеры

18

активной области составляют проценты или даже доли про­ цента от объема кристалла, на котором она выполнена. Сам кристалл имеет форму квадрата со стороной 0,5—1,0 мм. Бы­ вают, конечно, кристаллы и другой формы, например прямо­ угольные, треугольные или круглые.

Размеры кристаллов в большинстве случаев (не считая кристаллов для достаточно мощных приборов) определяются удобством обращения с ними. Кристаллы со стороной менее 0,5 мм было бы трудно захватывать с помощью пинцета или вакуумного присоса, переносить, устанавливать в машинах, механизмах и приспособлениях при технологической обра­ ботке.

В принципе же размеры активных областей современных,

80 мкм). Это не фантастика и даже не взгляд в будущее. Транзисторы с такими размерами активных структур нахо­ дятся в серийном производстве.

Что же касается взгляда в ближайшее будущее, то со­ шлемся на рекламную информацию одной из зарубежных фирм. На полупроводниковой пластине размером в один квадратный дюйм было нарисовано около 12 млн. транзи­ сторных структур. Это составляет около 2 млн. транзисторных структур на 1 см2. Инструментом в данном случае являлся электронный луч — тонкий (менее 1 мкм в диаметре) пучок электронов, разогнанных в электрическом поле до высоких энергий. Обращаем внимание на то, что при этом структуры были всего лишь нарисованы электронным лучом на спе­ циальном чувствительном лаке, которым была покрыта поверхность пластины.

Сегодня плотность размещения диодов и транзисторов на

сталле площадью 50 мм2 можно будет записать в двоичном коде до 500 000 единиц информации. На 1 см2 это будет со­ ставлять 1 млн. единиц информации. Для ее записи потре­ буется не менее 2 млн. элементов, аналогичных транзистору.

Другой пример возьмем из телевизионной техники. Изо­ бражение преобразуется в электрический сигнал на телесту­ дии с помощью передающих электронно-лучевых вакуумных приборов. В зависимости от конструкции и принципа действия они могут иметь различные названия. Один из типов таких передающих телевизионных трубок называется видиконом. Важнейшей деталью видикона является так называемая ми­ шень, на которую проецируется с помощью оптической систе­ мы изображение. Различная степень освещенности отдельных участков мишени приводит к появлению на ней потенциаль­ ного рельефа, который считывается строка за строкой с обратной стороны мишени тонким электронным лучом, про­ ходящим по мишени.

Серьезной проблемой является чувствительность видиконов, т. е. их способность воспринимать слабые световые сиг­ налы. Другими словами, хотелось бы иметь возможность ве­ сти телевизионные передачи при нормальном (иногда и вечер­ нем) освещении, не прибегая к помощи мощных прожекторов.

В последнее время в видиконах начинают применять ми­ шени из кремния. В этом случае чувствительным элементом фотомишени являются кремниевые фотодиоды. Чтобы полу­ чить достаточную разрешающую способность, т. е. иметь воз­ можность передавать достаточно мелкие детали изображения, элементы мишени должны быть меньше воспроизводимых эле­ ментов изображения. Удовлетворить требованиям телевизион­ ных стандартов удается только в том случае, если на мишени площадью 1 см2 будет размещено около 1 млн. таких фото­ диодов. Однако главное не в том, что на 1 см2 умещается количество фотодиодов, выпускаемое каким-либо цехом заво­ да за год, а то, что количество негодных, бракованных фото­ диодов должно составлять не более одной сотой доли про­ цента!

20

Если завод выпускает обычные фотодиоды, то брак мо­ жет составлять 10—30%. Чтобы выполнить годовую програм­ му в 1 млн. фотодиодов, завод делает их несколько больше, например 1 млн. 250 тысяч. В ходе контроля и проверок 250 тысяч диодов бракуется, а 1 млн. поступает на склад го­ товой продукции.

В мишени видикона весь миллион диодов делают за один раз на одной пластине кремния. Испорченный диод нельзя вынуть и заменить годным. Более того, даже прове­ рить все диоды один за другим вряд ли возможно. Во-пер­ вых, не так легко подсоединиться к диодику, диаметр которо­ го составляет 5—7 мкм. Во-вторых, сложно измерить токи величиной в 10-14 А, характеризующие работоспособный диод, а в-третьих, если даже на одно измерение (включая подключение к столь малому диоду) тратить всего одну се­

Но ставить в видикон мишень, содержащую некачествен­ ные диоды, тоже нельзя. Неработоспособные диоды будут проявлять себя в виде пятен на изображении. Белые или чер­ ные пятна на черно-белом изображении — это уже достаточно неприятная вещь.

В цветном телевидении и пятна (дефекты) будут цвет­ ными. Это еще более неприятно, так как цветовой контраст может быть значительно сильнее контраста яркости в черно­ белом изображении. Значит и здесь главная задача заклю­ чается не в том, чтобы проверить и отбраковать, а в том, что­ бы сделать, по возможности, ненужной отбраковку, стараться работать «наверняка», без ошибок и дефектов. Тем не менее ошибки будут, и чем сложнее изделие, тем больше можно ожидать ошибок.

21

Вот почему главное в нашей работе, конечно, не «мелко-

скоп»... Главное в том, чтобы весь технологический процесс, точность оборудования, условия производства исключали воз­ можность появления дефекта! Здесь важна не только техника, но и организация производства, слаженная и четкая работа всего коллектива предприятия. Непременным залогом успеха является и высокая культура производства.

Что мы увидим на заводе!

Завод — это сложный «производственный организм». Это и помещения, и оборудование, и технологические процес­ сы, и, что самое главное, люди . Ведь о людях-то мы собст­ венно и начали говорить. И если мы все больше и больше переходим к вопросам техники, то это лишь потому, что на этих примерах, мы хотим показать, какие же требования предъявляет современное производство изделий полупровод­ никовой электроники к специалистам: к уровню их подготовки, к умению управлять этим производством.

Оборудование полупроводникового производства по точ­ ности относится к категории самых прецизионных установок, а в ряде случаев просто не имеет аналогов ни в какой другой отрасли промышленности.

Производство полупроводниковых приборов начинается с подготовки пластин. Слитки полупроводникового материала режутся на диски (пластины) диаметром от 25—30 до 60— 80 мм и толщиной несколько десятых миллиметра. Подобных пластин, например, американская промышленность в неделю использует около миллиона. Пластины эти подвергаются меха­ нической обработке: шлифовке и полировке.

Такие полупроводники, как германий или кремний, обла­ дают очень высокой твердостью и хрупкостью, и их обработка представляет собой весьма сложную задачу, конкурирующую с самыми сложными задачами оптической промышленности: точность обработки здесь приблизительно та же, что и при обработке стекла, а материалы — гораздо более «трудные», чем

22

CfeKJio. Чистс^а обработки поверхности должна соответство­ вать самому высшему — четырнадцатому классу. Это требо­ вание, само по себе жесткое, дополняется другими, не менее жесткими требованиями: плоскостности, т. е. степени прибли­ жения к идеальной плоскости, Плоскопараллельности верхней и нижней поверхностей и отсутствия «нарушенных слоев». Последнего требования оптическая промышленность не знает вообще. «Нарушенные слои», структура которых была грубо изменена в процессе шлифовки и полировки в результате ме­ ханического воздействия, располагаются у самой поверхности, но, при создании полупроводниковых приборов, мы работаем в первую очередь в приповерхностных слоях. Отсюда возни­ кает требование минимальных нарушений в этих слоях.

Именно в приповерхностные слои мы вводим строго дози­ рованные количества примесей, перестраиваем необходимым образом их Структуру, создаем в них нужные нам области. Микротрещины, микросдвиги в кристаллической решетке и другие нарушения структуры, вызванные механической обра­ боткой, сделают результаты нашей работы недостаточно вос­ производимыми, приведут к повышенному браку. А мы ведь работаем «без мелкоскопа»! Мы должны работать навер­ няка ...

Обычно эталоном точности считают часовую промыш­ ленность. Однако точности часовой промышленности на много порядков ниже точностей, например, авиационного мо­ торостроения. Точность обработки полупроводниковых пла­ стин для наиболее ответственных изделий полупроводниковой электроники превосходит точности, принятые не только в спе­ циальном машиностроении, но и в оптике.

Также не имеет себе равных точность проведения терми­ ческих процессов полупроводниковой электроники. Где еще можно найти термическое оборудование, способное устанав­ ливать и поддерживать температуру с точностью 0,5—0,25° на уровне 1200—1300°С? Пожалуй, что и необходимость-то в та­ ком оборудовании имеется только в полупроводниковой про­ мышленности.

23