Федеральное агентство по образованию Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
«Новгородский государственный университет имени Ярослава Мудрого»
Институт электронных информационных систем
_________________________________________________________
Кафедра «Проектирование и технология радиоаппаратуры»
ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ТЕХНОЛОГИИ
ЭЛЕКТРОННЫХ СРЕДСТВ
Дисциплина для направления 210200 – «Проектирование технология ЭС»
и специальности 210201 - «Проектирование и технология РЭС»
Методические указания
| |||
Введение
Целью преподавания дисциплины является изучение физико – химических основ технологических базовых процессов изготовления интегральных микросхем и микропроцессоров. В результате изучения дисциплины студент должен знать: физико-химические основы базовых технологических процессов; методы и средства практической реализации технологических процессов и маршрутов производства микросхем ;методы межоперационного контроля микросхем; основы надежности и управления качеством на этапе изготовления микросхем;
Данная учебная дисциплина объединяет на системном уровне такие дисциплины, как
Содержание и объем курса определен рабочей программой.
1.Общие методические указания по изучению курса
Курс изучается на 3-м году обучения (2 полугодие), т. е. после изучения таких дисциплин как “Физика”, “Высшая математика”,”Общая электроника” , “Материаловедение и материалы электронных средств”, и др. знание материала которых необходимо для успешного изучения данного курса.
Изучение курса предполагает самостоятельную работу студента над рекомендованной литературой. Предусмотренные учебным планом лекции помогут целенаправленно организовать работу студента, но ни в коей мере не исключают самостоятельной работы. На лекциях дается общее ознакомление с содержанием материала разделов к более подробно рассматриваются отдельные вопросы, трудно усваиваемые при самостоятельном изучении.
Рекомендуемый перечень литературы для изучения всего курса приводится ниже, кроме того в конце каждого раздела программы данных методических указаний приводится литература с указанием конкретно страниц, ознакомление с которой (обязательно при изучении данного раздела. Для облегчения работы над курсом и более глубокого изучения материала н ряде случаев дается несколько источников по одному и тому же вопросу.
Курс следует изучать в той последовательности, .как он дается, в программе. Перед изучением каждого раздела необходимо внимательно ознакомиться с содержанием программы раздела, подобрать литературу и бегло ознакомиться с материалом указанных страниц, исключить повторяющейся в ряде случаев в разных источниках аналогичный материал. При последующей работе с литературой и изучения материала рекомендуется составлять краткий конспект. Цифровой материал, встречающийся при изучении курса, запоминать нет необходимости, аналогично нет необходимости запоминать и громоздкие аналитические выражения. Следует знать физический смысл входящих в выражения величин и представлять их порядок, знать при каких допущениях получены выражения и ограничения в их применении.
Усвоение материала следует контролировать пользуясь вопросами для самопроверки, помещенными в конце каждого раздела. Для закрепления материала рекомендуется после изучения третьего раздела выполнить домашнее задание.
Одним из обязательных элементов изучения курса являются лабораторные занятия, на которых в рамках реального технологического процесса углубляется и закрепляется материал курса. Перед выполнением каждой лабораторной работы следует ознакомиться с ее содержанием :и уяснить основные теоретические сведения, относящиеся к ней.
Особенности изучения разделов курса даются в методических указаниях после программы каждого раздела,
Важным этапом изучения данной дисциплины является выполнение курсовой работы, связанной с разработкой технологического процесса изготовления гибридной интегральной микросхемы и построения физико-химической модели отдельной технологической операции. Это позволяет студентам приобрести навыки в выполнении расчетов, разработке технологической документации и изучении нормативной документации.
Основная литература
1.Коледов и конструкции микросхем, микропроцессоров и микросборок. Учебник для вузов.- М.. Радио и связь,1986.-352 с.
2.Николаев микросхемы и основы их проектирования: / , К А Филинюк - 2-е изд. перераб. и доп.-М.: Радио и связь, 1992. - 424 с.
3.Ефимов . Физические и технологические основы, наде>жость: Учебн. пособие для приборостроительных спец. Вузов / , И. Я Козырь, - 2-е изд. перераб. и доп.-М.: Высшая шк.,1986.-464с.
4. Е Микроэлектроника. Пэоектирование, виды микросхем, функциональная микроэлектроника: Учебн. пособие для приборостроительных спец. Вузов/ , И. Я Козырь, - 2-е изд. перераб. и доп.-М.: Высшая шк., 1987. -416с.
5. К Технология производства интегральных микросхем и микропроцессоров : Учебник для вузов. - 2-е изд. перераб. и доп.-М.: Радио и связь,1987. - 464 с.
6. Конструирование и технология микросхем. Курсовое проектирование: Учебн. пособие для вузов/ Под ред. Л. А Коледова.-М.: Высш. шк., 1984. - 231 с.
Дополнительная
7. Микроэлектроника: Учебн. пособие для втузов. В 9 кн. / Под ред. Л. А Коледова.-М.: Высш. шк.- 1987. - 109 с.
8. А Конструкции и технология микросхем: Учебн. пособие для вузов.-Минск: Высш. шк., 1986. - 207 с.
9. Берцин АС., Мочалкина АР. Технология и конструирование интегральных микросхем: Учебн. пособие для вузов / Под ред. .-М.: Радио и связь, 1983. - 232 с.
10. Гимпельсон микросхемы для приборостроения и вычислительной техники./ , Ю. А Родионов.-М.: Машиностроение, 1976. - 328 с.
11. Конструирование и технология микросхем и микрофоцессоров: Методические указания к курсовому грсектированию.-Л.: СЗГМ, 1990. - 40 с.
12. Элементы и компоненты интегральных схем: Методические указания к выполнению лабораторных работ по курсу "Микроэлектроника*. Часть I.- Новгород, 1986.-36 с.
13.Технология интегральных схем Методические указания к выполнению лабораторных работ по курсу "Микроэлектроника". - Новгород, 1987. - 37 с.
2. Программа и методические указания по изучению разделов курса
2.1 Общая характеристика технологии производства микросхем
Программа
Требования к технологическим помещениям и параметрам воздушной среды. Основы вакуумной гигиены Исходные материалы и полуфабрикаты для производства ИМС.
Литература
[1], [3], [5]
Методические указания
Необходимо изучить влияние аэрозолей на качество отдельных технологических операций. Следует уяснить современные требования к технологическим помещениям и изучить классы чистых комнат. Необходимо изучить основные требования, предъявляемые к оператору с позиций вакуумной гигиены. Следует изучить основные, вспомогательные материалы особой чистоты, полуфабрикаты применяющиеся в производстве ИМС: монокристаллический кремний, арсенид галлия, кварц, графит, поликристаллический кремний, металлы, жидкости, газы, тканные материалы и др.
Вопросы для само проверки
1.Какие требования существуют к параметрам воздушной среды в технологических помечениях?
2.На какие классы чистоты делятся технологические помещения?
3.Почему для производства ИМС требуются монокристаллические полупроводниковые материалы?
4.Какие марки графита используются в полупроводниковом производстве?
5.Какую роль выполняют газы в производстве ИМС?
6.Как определяется степень чистоты материалов?
7.С какой целью в производстве ИМС используется деионизированная вода?
2.2Физико-химические процессы размерной обработки полупроводниковых материалов
Программа
Требования к подложкам. Общая схема технологического процесса изготовления подложек ИМС. Методы контроля кристаллографической ориентации слитков. Основные технологические операции размерной обработки монокристаллов: резка, шлифование, полирование. Контроль качества нарушенных слоев.
Литература
[1], [3], [5]
Методические указания
Необходимо изучить требования, предъявляемые к подложкам из п-п кремния. Следует уяснить общую схему технологического процесса изготовления подложек ИМС. Необходимо изучить оптические и рентгеновские методы контроля кристаллографической ориентации слитков Необходимо изучить технологические операции размерной обработки монокристаллов: резка, шлифование, полирование и структуру образующихся нарушенных слоев.
Вопросы для самопроверки
1.Какие требования предъявляются к к подложкам из п-п кремния?
2.На какие классы чистоты делятся технологические помещения для проведения операции размерной обработки монокристаллов?
3.Почему необходим контроль кристаллографической ориентации слитков для производства ИМС?
4.Какие марки абразивных материалов используются для шлифования, полирования подложек?
5.Какие методы полирования п-п подложек существуют?
6.Как определяется толщина нарушенного слоя?
2.3 Технология получения эпитаксиальных слоев
Программа
Общие сведения и определения Задачи эпитаксии. Физические основы эпитаксии. Гомогенное и гетерогеннное зародышеобразование. Классификация методов получения эпитаксиальных слоев. Хлоридный процесс получения эпитаксиальных слоев. Методы контроля параметров эпитаксиальных слоев.
Литература
[1], [3], [5]
Методические указания
Необходимо изучить задачи, решаемые с помощью эпитаксии, а также виды эпитаксии: гомо - и гетероэпитаксия. Необходимо изучить термодинамические основы гомогенного и гетерогеннного зародышеобразования. Следует уяснить базовые методы эпитаксии кремния, включая хлоридный процесс. Необходимо изучить современные методы контроля параметров эпитаксиальных слоев: структурное совершенство, степень легирования, геометрические параметры.
Вопросы для самопроверки
1.Какие приборные структуры можно получить с помощью эпитаксии?
2.В чем состоит отличие гомогенного механизма зародышеобразования от гетерогеннного?
3.Какова особенность хлоридного процесса получения эпитаксиальных слоев кремния?
4.Что такое дислокации несоответствия?
5.Какие методы измерения толщины эпитаксиальных слоев существуют?
6.Как определяется концентрация примесей в эпитаксиальном слое
2.4 Технология формирования диэлектрических пленок на полупроводниковых подложках
Программа
Функции, выполняемые диэлектрическими пленками в ИМС.
Материалы и требования к диэлектрикам. Классификация методов получения диэлектрических пленок на кремнии. Термическое окисление кремния: кинетика, механизм. Химические методы осаждения пленок двуокиси кремния. Основные методы контроля качества диэлектрических пленок.
Литература
[1], [3], [5]
Методические указания
Необходимо изучить роль диэлектрических пленок в ИМС. Необходимо изучить свойства основных диэлектрических материалов, использующихся в кремниевых ИМС. Следует уяснить базовые методы получения пленок двуокиси кремния Необходимо изучить кинетику и механизм термического окисления кремния Необходимо изучить химические методы осаждения пленок двуокиси кремния: пиролиз тетраэтоксисилана, окисление силана кислородом, гидролиз тетрахлорида кремния Необходимо изучить современные методы контроля параметров диэлектрических пленок: структурное совершенство, геометрические параметры, электрофизические свойства.
Вопросы для самопроверки
1.Какие требования предъявляются к подзатворному диэлектрику МДП структур?
2.Почему в кремниевых ИМС преимущественно используются диэлектрические пленки на основе двуокиси кремния?
3.Нарисовать график кинетической характеристики процесса термического окисления кремния?
4.Построить математическую модель процесса термического окисления кремния?
5.В чем заключаются преимущества химических методов осаждения пленок двуокиси кремния?
6.Как определяется концентрация пор в пленках двуокиси кремния?
2.5Технология литографических процессов
Программа
Актинолитография. Теоретические основы литографии. Фоторезисты и их характеристики. Основные операции фотолитографических процессов.
Технология изготовления литографических шаблонов
Литература
[1], [3], [5]
Методические указания
Необходимо изучить теоретические основы литографии: основы фотохимии, химии полимеров, фотоэффект, эффект Комптона, физико-химические основы разрушения материалов Необходимо изучить свойства фоторезистов. Следует уяснить базовые операции фотолитографических процессов: подготовка поверхности подложек, нанесение фоторезиста, сушка фоторезиста, экспонирование, проявление фоторезиста, задубливание, травление, удаление фоторезиста. Необходимо изучить конструкции и технологию изготовления литографических шаблонов.
Вопросы для самопроверки
1.В чем заключается принцип фотолитографии?
2.На какие классы чистоты делятся технологические помещения для проведения литографических операции?
3.Написать базовые фотохимические реакции в фоторезистах?
4.Как определяется щелоче- кислотостойкость фоторезиста?
5.Назвать основные методы нанесения фоторезиста
6.Зачем нужна двухстадийная сушка фоторезиста?
7.Для чего используется буферный проявитель?
8.Объяснить принцип действия цветного фотошаблона.
2.6 Технологи получения легированных
слоев методами диффузии и ионной имплантации
Программа
Термическая диффузия в кремнии. Варианты процессов диффузии. Диффузия в реальных кристаллах. Диффузанты в технологии ИМС. Технология диффузионных процессов. Основные методы контроля параметров диффузионных слоев. Ионное легирование. Физические основы. Влияние технологических факторов на параметры качества легированных слоев.
Литература
[1], [3], [5]
Методические указания
Необходимо изучить варианты процессов диффузии: из неограниченного, полуограниченного и поверхностного источников. Необходимо изучить свойства диффузантов в виде гидридов, галогенидов и стекол в технологии кремниевых ИМС. Следует изучить схему установки и основные режимы проведения диффузии бора, фосфора, мышьяка в кремний. Необходимо изучить современные методы контроля параметров диффузионных слоев
Необходимо изучить физические основы ионного легирования, особенности распределения примесей и кластеров дефектов, также влияние технологических факторов: энергии, дозы, плотности ионного тока, температуры подложки на параметры качества легированных слоев.
Необходимо изучить конструкцию установки для ионного легирования полупроводников.
Вопросы для самопроверки
1.Какова особенность диффузии из поверхностного источника?
2.На какие классы чистоты делятся технологические помещения для проведения процессов легирования?
3.Написать химический состав стекол – источников диффузии бора, фосфора, мышьяка?
4.Как определяется концентрация примесей в диффузионных и ионнолегированных слоях?
5.Какие требования существуют по точности поддержания температуры в реакторе при диффузии?
6.Зачем нужен магнитный сепаратор в установке ионного легирования?
7.Как температура подложки влияет на качество ионнолегированного слоя?
8.Объяснить график распределения примесей при ионном легировании.
2.7Технология получения металлических пленок для контактов и коммутации
Программа
Материалы для формирования контактов и коммутации в ИМС. Требования к контактам. Основные методы получения металлических пленок. Многоуровневая коммутация.
Литература
[1], [3], [5]
Методические указания
Необходимо изучить роль металлических пленок в ИМС. Необходимо изучить свойства основных металлических материалов, использующихся в кремниевых ИМС для создания контактов и коммутации.
Следует уяснить базовые методы получения металлических пленок алюминия и золота. Необходимо изучить химические и электро химические методы осаждения пленок золота. Необходимо изучить современные методы контроля параметров металлических пленок.
Необходимо изучить основные задачи при создании многоуровневой коммутации: электрическая, топологическая, механическая и требования к исходным материалам.
Вопросы для самопроверки
1.Какие требования предъявляются к материалам для создания контактов?
2.Почему в кремниевых ИМС преимущественно используются металлические пленки на основе альминия изолота?
3.Назвать метод локального нанесения золота?
4.Что такое адгезия металлические пленки?
5.По каким параметрам контролируют качество металлических пленок?
6.Какое максимальное число металлических слоев используется в многоуровневой коммутации?
2.8 Технология биполярных интегральных микросхем
Программа
Технологические особенности БИП-ИМС. Методы электрической изоляции в технологии БИП-ИМС. Основные этапы технологического процесса БИП-ИМС.
Литература
[1], [3], [5]
Методические указания
Необходимо изучить топологическую модель интегрального биполярного транзистора со скрытым коллектором. Необходимо изучить основные мтоды электрической изоляции в технологии БИП-ИМС Необходимо изучить базовую схему технологического процесса БИП-ИМС.
Вопросы для самопроверки
1.Объяснить принцип работы биполярного транзистора?
2.Какие элементы содержит БИП-ИМС?
3.Назвать наиболее простой метод электрической изоляции в технологии БИП-ИМС?
4.Назвать минимальное число реализуемых литографических циклов в технологическом процессе БИП-ИМС
2.9 Технология монтажа и сборки ИМС
Программа
Операции микромонтажа :разделение пластин (скрайбирование),
разбраковка, посадка кристаллов в корпус (коммутационную плату),организация электрических соединений
Литература
[1], [3], [5]
Методические указания
Необходимо изучить примерную схему технологического процесса монтажа и сборки ИМС. Необходимо изучить основные мтоды скрйбирования пластин на чипы: алмазное, лазерное, микрофрезирование.Следует уяснить варианты посадки чипов : в корпус, на кммутационную плату, на ленточный носитель: пайка, приклеивание
Необходимо изучить проволочный и непроволочный монтаж электрических соединений. Следует изучить также технологическое оборудование для выполнения электромонтажных операций.
Вопросы для самопроверки
1.Для чего проводится тестирование чипов перед операцией срайбирования?
2.Назвать достоинства и недостатки лазерного скрайбирования.
3.Для чего используется ультразвуковая притирка при монтаже чипов пайкой? ъ
4. Какие безфлюсовые припои используются для посадки чипов в корпус ИМС?
5.Как осуществляется электрический монтаж с помощью алюминиевой проволоки
2.10 Технология герметизации ИМС
Программа
Задачи и принципы герметизации ИМС. Технологические процессы герметизации металлических, стеклянных, керамических и пластмассовых корпусов.
Литература
[1], [3], [5]
Методические указания
Необходимо изучить задачи и принципы герметизации ИМС: организация электрического соединения с другими ЭРЭ, обеспечение эффективного отвода теплового потока от чипа, обеспечение защиты от внешних воздействий.
Необходимо изучить основные мтоды герметизации металлических, стеклянных, керамических и пластмассовых корпусов: пайка, сварка, клеивание, литье
Следует уяснить варианты посадки чипов : в корпус, на кммутационную плату, на ленточный носитель: пайка, приклеивание
Необходимо изучить способы газонаполнения корпусов ИМС а также способы контроля их герметичности.
Вопросы для самопроверки
1.Назвать основные механизмы отвода тепловой энергии от чипа ИМС.
2.Назвать достоинства и недостатки лазерной сварки корпусов ИМС.
3.Что такое стеклянная фритта?
4.Для чего используется метод трансферной заливки?
5,Как осуществляется газонаполнение корпусов ИМС?
6. Как осуществляется проверка на герметичность корпусов ИМС?
