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

Наиболее сложными, Точными и оТвеФстйеНнУМи сейоДНй являются так называемые фотолитографические процессы. Фотолитографию называют еще и фотогравировкой. Приме­ няется она не только в полупроводниковой промышленности. Однако только в этой промышленности точность фотолито­ графических процессов потребовала оборудования, достигающего предельных для современной оптики и механики точ­ ностен.

Кто хотя бы немного знаком с фотографией, тот легко поймет смысл процессов фотолитографии. Поверхность полу­ проводниковой пластины покрывается диэлектрической или ме­ таллической пленкой. В определенных местах пленку сле­ дует удалить. Форма и размеры этих окон в пленке будут определять форму и размеры полупроводниковых структур или металлических контактов к этим структурам.

Наиболее удобным способом удаления пленки с опреде­ ленных участков является травление, т. е. химическое раство­ рение ее на тех участках, с которых она должна быть удале­ на. Для этого поступают следующим образом. На диэлектри­ ческую или металлическую пленку наносят тонкий слой специального светочувствительного лака — фоторезиста. На специальном фотонегативе (фотошаблоне) в виде черных и белых полей изображен рисунок, который должен быть пере­ несен на обрабатываемую пленку. Фотошаблон накладывается на слой фоторезиста. Фоторезист освещается (экспонируется) через фотошаблон ультрафиолетовыми лучами. Под их дей­ ствием фоторезист полимеризуется и превращается в стойкую пленку, защищающую металл или диэлектрик от действия травителя. В тех же местах, где на фотошаблоне были черные поля, защищающие фоторезист от ультрафиолетового излуче­ ния, он легко удаляется и металл или диэлектрик остаются открытыми для воздействия травителя. Таким образом рису­ нок фотошаблона переносится на поверхность полупроводни­ ковой пластины.

Обрабатываемые пластины имеют обычно диаметр около 30—50 мм. После того как на одной пластине будет одновре­

24

менно изготовлено большое количество приборов, пластину разрезают на отдельные кристаллики с полупроводниковыми приборами на них. Если один полупроводниковый прибор размещается на кристалле размером .1 Х'1 мм, то на поле пластины может поместиться около 1500 приборов. Если раз­ меры кристалла уменьшить до 0,5X0,5 мм, то число прибо­ ров, изготавливаемых одновременно на одной пластине, мо­

80мм.

Вто же время структура одиночного прибора может со­

стоять, в свою очередь, из десятков и даже сотен отдельных элементов, размеры которых не будут превышать нескольких микрон. Если на одной пластине одновременно изготавливает­ ся около 1000 транзисторов, а каждый транзистор состоит из 500 элементов (весьма возможный случай ...), то на одну пластину мы одновременно с помощью методов фотолитогра­ фии «впечатываем» около 500 000 элементов.

Процесс фотолитографии повторяется при производстве полупроводниковых приборов несколько раз. При этом каж­

12 мкм. Зазор между сторонами квадратов при этом будет составлять в идеальном случае 2,5 мкм. И так должны быть впечатаны один в другой все 500 000 элементов. Незначитель­ ное смещение фотошаблона при наложении на пластину или небольшой поворот его приведет к тому, что структуры ока­ жутся сдвинутыми, перекрывающимися. Прибор с такой структурой работать не будет.

в первую очередь от точности изготовления самих фотошаб­ лонов. 'Все 500 000 элементов одного фотошаблона должны точно совмещаться с 500 000 элементов другого. Для изготовденця таких фотошаблонов не.обходимо оптико-механическое

25

оборудование, точность работы которого составляла бы деся­ тые доли микрона.

Не поработав с таким оборудованием, трудно себе пред­ ставить, насколько высокими являются эти требования. Мож­ но лишь сказать, что до появления сверхточных фотолитогра­ фических процессов полупроводниковой электроники оптико­ механического оборудования такой точности просто не было. Оно было создано специально для полупроводниковой электроники ценою больших усилий, и совершенствование его продолжается непрерывно.

Не менее трудной оказывается задача совмещения и впе­ чатывания рисунков один в другой. Совмещая шаблон, сле­ дует иметь между ним и полупроводниковой пластиной неко­ торый зазор, позволяющий свободно перемещать совмещаемые предметы. После совмещения шаблон надо плотно прижать, к пластине для экспонирования.

Если сегодня размеры элементов рисунка, а также рас­ стояние между ними доведены до 1—2 мкм, то необходимая точность совмещения измеряется десятыми долями микрона. Сдвинуть случайно шаблон на такую величину, прижимая его после совмещения к пластине, очень легко. Итак, установки, на которых проводится совмещение и экспонирование, должны работать очень точно.

Есть и еще одна сложность. Длина волны ультрафиоле­ тового излучения, используемого для экспонирования, состав­ ляет около 0,4 мкм. Размер элемента становится соизмерим с длиной волны. Лучи света, проходя сквозь столь узкие отверстия, отклоняются. Фотошаблон начинает действовать как диффракционная решетка. Если фотошаблон не будет достаточно плотно прилегать к слою фоторезиста, то мы не получим «черных» незасвеченных полей на фоторезисте при малой их величине: лучи света, проходящие через соседние светлые участки, будут искривляться за счет диффракции и засвечивать фоторезист под темным участком фотошаблона.

Это ставит очень жесткие требования к плоскостности об­ рабатываемых кремниевых пластин и к плоскостности фото­

26

пластин, используемых для изготовления фотошаблонов. До­ пустимые отклонения от плоскостности не должны здесь превышать десятых долей микрона. Чтобы получать на фото­ пластинах изображения малых размеров, пришлось создавать специальные фотопластины и специальную оптику с высокой разрешающей способностью.

Кто знаком с фотокинотехникой, тот, возможно, знает, что разрешающая способность определяется по числу линий, которые могут быть различимо нанесены на участке в 1 мм. В обычной фотокинопрактике мы пользуемся фотоматериала­ ми и оптикой, имеющими разрешающую способность порядка 50—60 линий на 1 мм. Оптика и фотопластины для фотолито­ графии имеют разрешающую способность порядка 1000— 1500 линий на 1 мм.

Сложности, однако, на этом не кончаются. Если размеры элементов имеют порядок 1—2 мкм, то любая пылинка таких

месте. Отсюда возникают почти фантастические требования к борьбе с пылью в помещениях, где проводятся фотолитогра­ фические процессы и изготавливают фотошаблоны.

Пыль—серьезный враг полупроводникового производства, и борьбе с ней всегда уделялось много внимания. Здесь же мы вынуждены предъявлять наиболее жесткие требования. В обычном городском воздухе содержится около 50 млн. пы­ линок в 1 м3. В зеленых зонах содержание пыли падает до

2 млн. в 1 м3.

Наиболее жесткие условия запыленности, зафиксирован­ ные для полупроводниковой промышленности стандартами США, составляют 3500 пылинок на 1 м3 (класс 100). Уже се­ годня эти нормы подвергаются ревизии. Так, фирма Texas Instruments считает, что при изготовлении наиболее сложных полупроводниковых изделий — схем большой степени интегра­ ции (БИС) — запыленность воздуха в основных помещениях не должна превосходить 3000 пылинок на .1 м3, а на рабочем

27

месте возле обрабатываемой пластины должна быть на уров­ не 30 пылинок на 1 м3. По мнению фирмы Texas Instruments, только при этих условиях удастся получать разумное соот­ ношение между браком и годными изделиями.

Зачем это нужно? Если в помещении запыленность до­

размером 0,5 мкм и менее. Таким образом, на каждые 2 мм* обрабатываемой пластины придется не менее одной пылинки

обходимые для современного производства, может показать следующий пример. Даже в состоянии покоя человек каждую минуту создает до 100 000 пылинок. При энергичных движе­ ниях число создаваемых им пылинок возрастает до миллиона и более. Если в комнате площадью 100 м2 без людей насчи­

основном изоляцией этих помещений от внешней среды, тща­ тельной обработкой входящих в эти помещения людей, отка­

и, что самое главное, усиленным обменом воздуха, пропускае­ мого через специальные пылеулавливающие фильтры. Полный обмен воздуха в наиболее чистых помещениях должен проис­ ходить до 300 раз час. Только таким образом удается созда­ вать и поддерживать необходимые условия производства.

Существенное значение имеет также поддержание задан­ ной температуры и влажности, поэтому большинство процес­ сов производства изделий полупроводниковой электроники осуществляется в условиях строго контролируемых темпера­

28

туру, вЛажкоСтй и зайыленности. Йаиболее ответственные

процессы проводятся в специальных ящиках — скафандрах, внутри которых создается микроклимат. В них подается тща­ тельно осушенный и обеспыленный воздух или инертный газ.

Что касается стабильности температуры в помещениях, где работает прецизионное оптико-механическое оборудова­ ние, то точность ее поддержания должна составлять 0,2— 0,3°С. При более значительных колебаниях температуры температурное расширение деталей оборудования может уже привести к недопустимым отклонениям.

'В полупроводниковом производстве используются газы очень высокой степени очистки. В них могут содержаться лишь тысячные доли процента кислорода, а содержание влаги должно быть таким, чтобы роса выпадала только при темпе­ ратуре —70°С.

Тщательной очистке подвергается и вода, используемая для промывки полупроводниковых элементов. Все это являет­ ся неотъемлемым условием технологических процессов полу­ проводниковой электроники. Это общее требование техноло­ гии. А что же такое технология? Этот вопрос следует рассмо­ треть отдельно.

Что такое технология!

Нередко бывает, что терминологические нюансы при­ водят к путанице понятий, к неправильному пониманию ве­ щей. Так, кстати, часто бывает и с понятием «техноло­ гия» в полупроводниковой электронике. Во многих тради­

Сначала ее основные детали и узлы, вычерченные конструкто­ рами, делают, как это часто называют, «на коленке». Главное требование к ним — соответствие чертежам. Как они сделаны (выточены, отштампованы, отлиты и т. д.), может не иметь

29