Методические указания по выполнению курсовой работы по дисциплине «Технология материалов и изделий электронной техники»

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Московский государственный институт электроники и математики

(Технический университет)

Кафедра технологических систем электроники

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

по выполнению курсовой работы по дисциплине

«Технология материалов и изделий электронной техники»

Специальность 210107 – «Электронное машиностроение»

Москва 2006

Целью курсовой работы является систематизация, закрепление и расширение теоретических знаний, полученных при изучении дисциплины «Технология материалов и изделий электронной техники» и смежных с ней дисциплин.

Курсовая работа проводится на 7-м семестре 4-го курса.

Настоящие методические указания знакомят студентов с направленностью и последовательностью выполнения курсовой работы, составом ее графической части и содержанием пояснительной записки.

Задание на курсовую работу является основным исходным элементом для выполнения курсовой работы.

Введение

Микроэлектроника – это ге­неральное схемотехническое и конструктивно-технологическое на­правление в создании средств вычислительной техники, радиотех­ники и автоматики.

Основополагающая идея микроэлектроники — конструктивная интеграция элементов электронной схемы — объективно приводит к интеграции схемотехнических, конструкторских и технологиче­ских решений и выражается в тесной взаимосвязи и взаи­мообусловленности всех этапов проектирования интегральной мик­росхемы (ИМС). При этом главным связующим звеном всех эта­пов проектирования является задача обеспечения высокой надеж­ности ИМС.

Важнейшей задачей схемотехнического проектирования явля­ется разработка быстродействующих и надежных схем, устойчиво работающих при низких уровнях мощности (малая допустимая мощность рассеяния), в условиях сильных паразитных связей (высокая плотность упаковки) и при ограничениях по точности и стабильности параметров элементов. Потенциальная надежность ИМС на этом этапе проектирования оценивается с учетом возмож­ностей выбранного структурно-топологического варианта ИМС и его технологической реализации.

Конструктор, стремясь сохранить быстродействие и надежность ИМС на проектном уровне, определяет оптимальную топологию, выбирает материалы и технологические методы, обеспечивающие надежные электрические соединения, а также защиту от окружаю­щей среды и механических воздействий с учетом технологических возможностей и ограничений.

При технологическом проектировании синтезируется оптималь­ная структура технологического процесса обработки и сборки, по­зволяющая максимально использовать отработанные, типовые процессы и обеспечивать высокую воспроизводимость, минималь­ные трудоемкость и стоимость с учетом конструкторских требо­ваний.

Важным этапом технологического проектирования, направлен­ного на обеспечение качества и надежности ИМС, является раз­работка операций контроля на всех этапах производства: входно­го контроля основных и вспомогательных материалов и комплек­тующих изделий, контроля в процессе обработки, межоперацион­ного контроля полуфабрикатов и выходного контроля готовых изделий.

Наиболее ответственная и сложная задача стоит перед произ­водством. Реальные условия производства характеризуются ря­дом дополнительных факторов, полный учет которых при проекти­ровании ИМС невозможен. Это качество основных и вспомогательных материалов, чистота технологических сред, климатические ус­ловия производства, степень очистки изделий от загрязнений, по­бочные эффекты и процессы при выполнении отдельных операций и др. Влияние подобных факторов на качество и надежность ИМС обнаруживается на этапе внедрения и отладки технологического процесса и требует дополнительных исследований качественных и количественных связей для их ослабления или устранения. Произ­водство диктует необходимость и определяет задание на разработ­ку новых технологических методов и средств повышения ка­чества и надежности ИМС, производительности и экономичности технологических процессов.

Таким образом, возможности технологии определяют жизне­способность и реальную эффективность тех или иных конструктор­ских и схемотехнических решений, налагают на них ограничения, обусловленные практикой производства. Выдвигая собственные задачи дальнейшего углубленного изучения физических явлений, произ­водство в то же время непрерывно стимулирует развитие методов конструирования и схемотехнического проектирования.

Основные понятия и определения

Полупроводниковая интегральная микросхема — это функциональный электронный узел, элементы и соединения которого конструктивно нераздели­мы и изготовляются одновременно в едином технологическом про­цессе в объеме и на поверхности общего кристалла. В первом приближении процесс создания полупроводниковой интегральной микросхемы сводится к формированию в приповерхностном слое полупроводниковой пластины элементов (транзисторов, диодов, резисторов) и к последующему их объединению в функциональ­ную схему пленочными проводниками по поверхности пластины (межсоединения).

Для характеристики типа применяемых в ИМС транзисторов, а также технологических методов их изготовления пользуются по­нятием «структура ИМС». В общем случае структура ИМС опреде­ляет последовательность слоев в составе микросхемы по нормали к поверхности кристалла, различающихся материалом, толщиной и электрофизическими свойствами. Так, в практике производства ИМС используют структуры на биполярных транзисторах (в част­ности, диффузионно-планарные, эпитаксиально-планарные и др.) на МДП-приборах. Заданная структура ИМС позволяет установить состав и последовательность техноло­гических методов обработки пластины и определить технологиче­ские режимы для каждого метода.

На рис. 1 представлен фрагмент ИМС с диффузионно-планарной структурой, включающий биполярный транзистор и рези­стор. Для одновременного формирования транзистора и резистора необходимо, чтобы р-область резистора и изолирующая его n-об­ласть имели глубину и электрофизические свойства, одинаковые с областями соответственно базы и коллектора транзистора. Анало­гичное соответствие должно обеспечиваться для всех элементов, входящих в состав ИМС. Оно является главным признаком и не­пременным условием применения интегральной технологии и по­зволяет минимизировать число технологических операций, состав­ляющих цикл обработки.

Таким образом, интегральная технология представляет собой совокупность методов обработки, позволяющую при наличии структурного подобия (технологической совместимости) различ­ных элементов ИМС формировать их одновременно в едином тех­нологическом процессе.

Рис. 1. Фрагмент ИМС с диффузионно-планарной структурой:

Т – транзистор; R - резистор

Важно отметить, что выпускаемые в составе той или иной се­рии ИМС различного функционального назначения имеют единую структуру и, следовательно, единую базовую технологию. Для ба­зовой технологии характерны не только определенная технологи­ческая последовательность обработки и определенный комплект оборудования, но и постоянная, отработанная настройка оборудо­вания, т. е. жесткие технологические режимы. Последнее является существенным для экономично­сти и эффективности процесса производства ИМС.

Очевидно, что базовая тех­нология не зависит от разме­ров элементов в плане, их взаимного расположения и рисунка межсоединений. Все эти свойства конкретной ИМС определяются в процессе топо­логического проектирования, а обеспечиваются фотолито­графией — процессом избира­тельного травления поверхно­стных слоев с применением защитной фотомаски.

Топология микросхемы — чертеж, определяющий форму, размеры и взаимное располо­жение элементов и соединений ИМС в плоскости, параллель­ной плоскости кристалла. Поскольку элементы и соединения формируются путем последовательного образования отдельных слоев (коллекторный слой, базовый слой и т. д.), различают общую и послойную топологию (рис. 2 в соот­ветствии с рис. 1). По чертежу базового слоя, например, может быть разработан чертеж фотошаблона, с помощью которого соз­дают окисную маску для избирательной диффузии примеси р-типа.

При заданном наборе элементов топология ИМС (точнее, ри­сунок межсоединений) определяет ее функциональные свойства. Можно представить себе кристалл, содержащий некоторый уни­версальный набор элементов (очевидно, с некоторой избыточно­стью) и сплошной слой металлизации. Такие кристаллы в составе общей пластины могут быть «доработаны» по желанию заказчика до конкретных функциональных ИМС в зависимости от рисунка межсоединений, выполненного с помощью соответствующего фо­тошаблона. Описанная универсальная пластина-заготовка, полу­чившая название базового кристалла, позволяет обеспечить эко­номичность производства ИМС более узкого, специального при­менения, выпускаемых в небольших количествах.

Рис. 2. Фрагменты общей (а) и послойной (базового слоя) (б)

топологии ИМС:

1 – дефекты, возникающие на этапе металлизации;

2 – дефекты, возникающие на этапе диффузии примеси

Гибридные и совмещенные интегральные микросхемы. Приме­нение полупроводниковых интегральных микросхем, однако, огра­ничено рядом причин. Одна из них заключается в том, что произ­водство полупроводниковых ИМС оказывается целесообразным лишь в крупносерийном и массовом производстве, когда становят­ся экономически оправданными значительные затраты на подготов­ку производства (главным образом на проектирование и изготов­ление комплекта фотошаблонов). Другая причина лежит в ряде ограничений на параметры элементов и ИМС в целом: невысокая точность диффузионных резисторов (±10%) и отсутствие воз­можности их подгонки, невозможность получать конденсаторы до­статочно больших емкостей, температурные ограничения, ограни­чения по мощности и др.

Поэтому наряду с полупроводниковыми ИМС, разрабатывают и выпускают комбинирован­ные, гибридные интегральные микросхемы. Технологической основой таких ИМС являются процессы нанесения резисто­ров, конденсаторов, проводни­ков и контактов в виде пленок соответствующих материалов на диэлектрическую пассивную под­ложку. Активные элементы — транзисторы, диоды изготовляют по известной полупроводниковой технологии, а затем монтируют на общей подложке (рис. З).

Рис. З. Фрагмент гибридной ИМС:

R — резистор; С — конденсатор;

ПП — кри­сталл полупроводникового прибора

Гибридная пленочная интегральная микросхема — ИМС, кото­рая наряду с пленочными элементами, полученными с помощью интегральной технологии, содержит компоненты, имеющие само­стоятельное конструктивное оформление. В зависимости от метода нанесения пленочных элементов на подложку различают тонко­пленочные (напыление в вакууме) и толстопленочные (трафарет­ная печать) гибридные ИМС.

Гибридные ИМС имеют худшие технические показатели (раз­меры, массу, быстродействие, надежность), чем полупроводнико­вые ИМС. В то же время они позволяют реализовать широкий класс функциональных электронных схем, являясь при этом эко­номически целесообразными в условиях серийного и даже мелко­серийного производства. Последнее объясняется менее жесткими требованиями к фотошаблонам и трафаретам, с помощью кото­рых формируют пленочные элементы, а также применением менее дорогостоящего оборудования. В составе пленочных ИМС получают резисторы с точностью ±5%, конденсаторы ±10%, а с применением подгонки — до десятых долей процента. Гибридно-пленочная технология позволяет реализовать практиче­ски любые функциональные схемы.

Совмещенная интегральная микросхема. Стремление расширить область применения полупроводнико­вых ИМС привело к созданию другого типа комбинированных микросхем (рис. 4). При их изготовлении полупроводниковую технологию совмещают с тонкопленочной технологией для созда­ния некоторых пассивных элементов, к которым предъявляются повышенные требования по точности и температурной стабиль­ности.

Совмещенная интегральная микросхема — это комбинирован­ная интегральная полупроводниковая микросхема, в которой не­которые элементы (обычно пассивные) наносят на по­верхность пластины (кристал­ла) методами пленочной тех­нологии.

Рис. 4. Фрагмент совмещенной ИМС:

Т - транзистор; R - пленочный резистор

Степень интеграции. Изве­стно, что полупроводниковые интегральные микросхемы по сравнению с аналогичными печатными схемами с навесными эле­ментами имеют лучшие технико-экономические показатели: разме­ры и массу, надежность, быстродействие, стоимость. Известно так­же, что эти показатели улучшаются с повышением функциональ­ной сложности ИМС, т. е. с увеличением числа элементов, получен­ных с помощью интегральной технологии, с возрастанием степени интеграции.

Степень интеграции — это показатель степени сложности ИМС, характеризуемой числом элементов, полученных с помощью ин­тегральной технологии на общем кристалле. Для характеристики степени интеграции используют показатель K = lg N, где N — чис­ло элементов ИМС. В зависимости от значения К условно разли­чают ИМС малой степени интеграции, средней степени интегра­ции, большие интегральные схемы (БИС) и сверхбольшие (СБИС).

Повышение степени интеграции ИМС является, таким обра­зом, важнейшей задачей микроэлектроники, в значительной мере определяющей основные тенденции схемотехнических и конструкторско-технологических разработок.

Структуры ИМС

При сравнительной оценке различных ти­пов структур целесообразно учитывать ряд конструктивно-техно­логических показателей:

1) качество межэлементной изоляции, которое можно характе­ризовать удельной емкостью (пФ/мкм2);

2) площадь, занимаемую типичным функциональным элемен­том ИМС — вентилем;

3) количество циклов избирательного легирования;

4) количество циклов фотолитографии.

Среди планарных структур, в которых использованы биполяр­ные транзисторы, исторически более ранней является диффузионно-планарная структура (рис. 5). Функции изоляции в ней выполняют р-n-переходы, ограничивающие области отдельных элементов и смещенные в обратном направлении. Для получения обратного смещения в области подложки, разделяющей элементы, формируется омический контакт, связанный с наиболее низким потенциалом источника питания, а к изолирующим областям рези­сторов с помощью контактов подводится высокий потенциал.

Рис. 5. Диффузионно-планарная структура биполярного транзистора

Планарный транзистор (независимо от типа структуры) имеет коллекторный контакт в одной плоскости с базовым и эмиттерным контактами. Вследствие этого коллекторный ток преодолева­ет протяженный горизонтальный участок дна коллекторной обла­сти (под дном базы), имеющий малые поперечные размеры. В диффузионном коллекторе концентрация активной примеси рас­пределена по глубине неравномерно: она максимальна на поверх­ности и равна нулю — на дне коллектора, поэтому слой кол­лектора под базой имеет высокое сопротивление, что увеличива­ет напряжение насыщения и время переключения транзистора.

Равномерное распределение примеси по толщине коллектора может быть получено с помощью процесса эпитаксиального нара­щивания кремния с дозированным количеством донорной приме­си. Такой процесс применяют для создания эпитаксиально-планар­ной структуры.

Чтобы получить простейшую эпитаксиально-планарную струк­туру, необходимо на поверхности исходной монокристаллической пластины кремния, равномерно леги­рованной акцепторной примесью, сформировать эпитаксиальный слой требуемой толщины. В полученной на данной стадии заготовке (рис. 6) в дальнейшем формируют базовые и эмиттерные об­ласти (диффузионным методом), а также контакты и межсоеди­нения (так же как в диффузионно-планарной структуре).

Рис.6. Эпитаксиально-планарная структура биполярного транзистора

Концентрация легирующей примеси в эпитаксиальных пленках может изменяться в широких пределах. Однако с повышением кон­центрации примеси в эпитаксиальном коллекторе снижается про­бивное напряжение перехода база — коллектор.

Компромиссное решение удается получить в эпитаксиально-планарной структуре со скрытым слоем (рис. 7). Здесь эпитаксиальный коллек­тор легируют умеренно (необходимую концентрацию примеси рассчитывают из условия пробоя перехода база — коллектор), а малое сопротивление коллектора обеспечивают параллельно включенным скрытым слоем (п+), имеющим высокую концентрацию при­меси.

Рис. 7. Эпитаксиально-планарная структура со скрытым n+ слоем

Существенное уменьшение площади под вентиль с одновремен­ным упрощением технологии имеет место при использовании струк­тур «металл — диэлектрик — полупроводник» (МДП-структуры). Основным элементом функциональных схем на МДП-структурах является МДП-транзистор с индуцированным каналом n- или р-типа.

МДП-транзистор имеет симметричную структуру (рис. 8), включающую область истока, область стока и изолированный за­твор, с помощью которого можно индуцировать канал и управлять его проводимостью.

Рис. 8. Структура МДП – транзистора

Характер задания и содержание курсовой работы

Задание на курсовую работу состоит из двух частей.

В первой части студенты должны разработать технологический маршрут изготовления одной из представленных выше транзисторных структур (рис. 5, 6, 7, 8). Тип структуры для каждого студента определяет преподаватель. При выполнении этого задания необходимо графически проиллюстрировать последовательность изменения разрабатываемой структуры. Результаты разработки технологического маршрута должны быть представлены в виде приведенной ниже таблицы.

Технологический маршрут изготовления транзисторной структуры

Последовательность изменения структуры	Название технологической операции	Примечания

В разделе таблицы «Примечания» необходимо указать

используемое на каждой технологический операции оборудование и типовые режимы проведения технологических процессов.

Во второй части задания студенты должны описать один из технологических процессов, используемых в производстве материалов и изделий электронной техники. Список этих процессов приведен в приложении к настоящим методическим указаниям. Конкретное задание каждому студенту выдает преподаватель.

По согласованию с преподавателем студент может сам предложить тематику второй части курсового проекта.

Объем второй части курсового проекта должен составлять стр. машинописного текста.

Пояснительная записка

Пояснительная записка должна быть выполнена на бумаге формата А4 и содержать титульный лист, задание, оглавление основных разделов записки и список используемой литературы.

Изложение всех разделов пояснительной записки должно быть четким, технически грамотным и доходчивым для чтения.

Защита курсовой работы

Курсовая работа представляется на защиту в окончательно оформленном виде. Защита работы происходит в сроки, установленные кафедрой. Работу принимает ведущий преподаватель дисциплины.

При защите будут оцениваться содержание и качество выполненной работы, степень и глубина понимания предмета.

Рекомендуемая литература

1.  Коледов и конструкции микросхем, микропроцессоров и микросборок: Учебник для вузов. – М.: Радио и связь, 1989.

2.  Парфенов микросхем: Уч. пособие для вузов. – М.: Высш. шк., 1986.

3.  Готра микроэлектронных устройств: Справочник. – М.: Радио и связь, 1991.

4.  , Киреев низкотемпературной плазмы для травления и очистки материалов. – М.: Энергоатомиздат, 1987.

5.  , Горин и установки электрон-ионной технологии: Уч. пособие для вузов. –М.: Высш. шк., 1988.

Приложения

Первая часть задания. Разработать технологический маршрут изготовления одной из транзисторных структур (рис. 5, 6, 7, 8). Выбор структуры определяется преподавателем.

Вторая часть задания. Описать и исследовать один из представленных ниже технологических процессов изготовления материалов и изделий электронной техники.

1. Конструктивно-технологические варианты изоляции элементов микросхем друг от друга.

2. Сравнительная характеристика и область применения фотолитографических и электроннолитографических методов.

3. Методы нанесения металлических пленок при создании микроэлектронных приборов.

4. Технология высокотемпературного окисления кремния.

5. Сравнительные характеристики методов диффузионного и ионного легирования полупроводников.

6. Определите порядок расчета глубины залегания p-n перехода при диффузионном легировании.

7. Методы формирования эпитаксиальных слоев.

8. Опишите и сравните возможные методы нанесения металлических пленок при создании микроэлектронных приборов.

9. Сравнительный анализ рентгеновской, электронной и ионной литографий.

10. Сравнительные характеристики химических и плазменных методов травления в технологии производства микросхем.

11. Опишите варианты плазмохимических методов обработки в микроэлектронной технологии.

12. Получение монокристаллов полупроводниковых материалов методами направленной кристаллизации из расплава.

13. Механическая обработка полупроводниковых материалов. Методы резки монокристаллов на пластины.

14. Физические основы и технология формирования тонких диэлектрических пленок методами химического и плазмохимического осаждения.

15. Физическая сущность и основные этапы процесса фотолитографии.

16. Изготовление изделий из стекла и керамики.

17. Технология получения неразъемных соединений в производстве изделий ЭТ.

18. УЗ обработка в производстве изделий электронной техники.

19. Лазерная обработка в производстве изделий ЭТ.

20. Электронно-лучевая обработка материалов в электронной промышленности.

21. Изготовление элементов цветных кинескопов.

22. Анализ типов современных мониторов.

23. Конструкции элементов полупроводниковых микросхем, методы изоляции элементов.

24. Технология изготовления гибридных микросхем.

25. Технологические процессы сборки полупроводниковых приборов и ИМС.

26. Лазерная и электронно-лучевая микрообработка в производстве изделий ЭТ.

27. Технология изготовления газопоглотителей электровакуумных приборов.

28. Виды и назначение термической обработки деталей электровакуумных приборов.

Учебное издание

Методические указания

по выполнению курсовой работы по дисциплине

«Технология материалов и изделий электронной техники»

Составитель

ЛАПШИНОВ Борис Алексеевич

Редактор

Технический редактор

http://www. miem. *****/rio/

*****@

Подписано в печать Формат 60х84/16.

Бумага офсетная №2. Ризография. Усл. печ. л. 1,0. Уч.-изд. л. 0,8 Изд. № 000. Тираж 25 экз. Заказ. Бесплатно.

Московский государственный институт электроники и математики.

Москва, Б. Трехсвятительский пер., 3/12.

Отдел оперативной полиграфии Московского государственного

института электроники и математики.

Москва, .