Производство микросхем — это многоступенчатый процесс, который представляет собой строго регламентированную последовательность высокоточных операций. Производственный процесс состоит из этапов (рис. 1), на каждом из которых используются специальные газовые смеси.
1. Подготовка поверхности
Процесс изготовления микросхем начинается с выращивания монокристаллов и нарезки кристалла на монокристаллические слаболегированные пластины. Пластины подвергаются очистке поверхности с целью удаления дефектов. Дефектом считается любое нарушение структуры материала, способное привести к сбою работы микросхемы:
- микротрещины;
- дислокации в кристаллической решётке;
- посторонние включения и загрязнения;
- царапины;
- разрывы или короткие замыкания в проводящих слоях и т. д.
Для очистки подложек применяются водные растворы кислот и щелочей, а также органические растворители, такие как спирты, кетоны и хлорированные углеводороды (таблица 1).
2. Эпитаксиальное наращивание и легирование поверхности пластины
Для повышения концентрации легирующей примеси в приповерхностном слое исходной пластины методами ионной имплантации или диффузии вводят атомы примесей (бора для p типа или фосфора/мышьяка для n типа). В результате получают сильнолегированный слой (обозначается p⁺ или n⁺) с высокой проводимостью. На сильнолегированный слой наращивают тонкий монокристаллический слой, происходит процесс эпитаксиального наращивания. Эпитаксиальное наращивание — формирование монокристаллических слоев с заданным типом и уровнем проводимости.
Основные методы эпитаксии:
1. Жидкофазная эпитаксия - выращивание монокристаллического слоя из пересыщенного расплава, контактирующего с подложкой.
2. Газофазная эпитаксия - осаждение материала из газовой фазы на нагретую подложку с разложением химических соединений.
3. Молекулярно‑лучевая эпитаксия - направленное осаждение атомов или молекул в сверхвысоком вакууме на нагретую подложку.
4. Твердофазная эпитаксия - перекристаллизация аморфного слоя на монокристаллической подложке при изотермическом отжиге.
Выбор метода эпитаксии зависит от конкретных задач:
- массовое производство микросхем — газофазная эпитаксия;
- наноэлектроника и исследования — молекулярно‑лучевая эпитаксия;
- слои соединений AIIIBV — жидкофазная эпитаксия;
- низкотемпературная интеграция — твердофазная эпитаксия.
Контроль веществ и параметров в рабочей зоне при проведении процессов эпитаксии важен для обеспечения высокого качества кристаллической структуры, точного состава слоёв, однородности свойств по всей площади подложки и безопасности персонала и оборудования.
Основные технологические газы в процессе эпитаксии приведены в таблице 2.
3. Термическое оксидирование
Термическое оксидирование используется для создания высококачественных затворных диэлектриков (например, диоксида кремния) на поверхности подложки.
Слой изолятора выполняет функции:
- Пассивация поверхности — компенсация оборванных связей, предотвращение увеличения поверхностных токов.
- Изоляция элементов схемы друг от друга.
- Маскирование при ионном легировании и диффузии — защита областей, где не требуется введение примесей.
- Диэлектрик в МДП‑структурах (металл‑диэлектрик‑полупроводник).
- Основа для межслойной изоляции в многослойных структурах.
Процесс происходит в специальных диффузионных печах, представляющих собой горизонтальные или вертикальные кварцевые трубы, помещённые в нагревательный блок. Подложки загружаются в печь в кварцевых кассетах, после чего температура плавно повышается до рабочего значения, которое обычно находится в диапазоне от 900 до 1200 °C. Нагрев и охлаждение проводятся в атмосфере инертного газа — как правило, азота или аргона — чтобы исключить нежелательное окисление на промежуточных стадиях. Перед началом основной реакции реактор обязательно продувается инертным газом для удаления остатков воздуха и влаги. На изображении 2 приведена схема основных этапов термического оксидирования для выращивания слоя оксида кремния SiO₂.
Термическое оксидирование имеет разновидности по типу окислительной атмосферы. Возможна подача чистого кислорода (сухое оксидирование), паров воды (влажное оксидирование) и кислорода с добавлением хлорсодержащего газа (хлорное оксидирование). В процессе участвует широкий набор газов (таблица 3). Основными окислителями выступают кислород и водяной пар, а водород служит сырьём для получения пара методом прямого сжигания. Азот и аргон создают инертную атмосферу на стадиях загрузки, прогрева, продувки и охлаждения. Хлороводород, хлор, трихлорэтилен и трихлорэтан применяются как добавки в хлорном оксидировании. В качестве побочных продуктов образуются аэрозоль диоксида кремния, следы угарного и углекислого газов от разложения органических примесей, а также остаточный водород.
4. Нанесение тонких пленок
За один технологический цикл на подложку может наноситься от нескольких десятков до сотен слоёв различных материалов: диэлектриков, полупроводников, металлов, барьерных и адгезионных прослоек. Методы нанесения делятся на химические (плёнка формируется в результате химической реакции) и физические (материал переносится на подложку без изменения химического состава).
Среди химических методов распространено химическое осаждение из газовой фазы (ХОГФ/CVD). Газообразные прекурсоры подаются в реактор, где на нагретой поверхности подложки происходит химическая реакция с образованием твёрдой плёнки и газообразных побочных продуктов. Метод CVD в зависимости от условий процесса подразделяется на осаждение при атмосферном давлении (APCVD), при пониженном давлении (LPCVD), с использованием металлогенических прекурсоров (MOCVD) и другие.
Методы физического осаждения из паровой фазы обозначаются как PVD (Physical Vapor Deposition), в данном процессе. Материал переходит из конденсированной фазы в паровую (путём испарения или распыления), а затем конденсируется на подложке. Газы, участвующие в данном процессе, перечислены в таблице 4.
5. Фотолитография
Фотолитография - процесс переноса топологического рисунка на пластину. Операция включает нанесение светочувствительного полимера (фоторезиста), его экспонирование через фотошаблон с использованием ультрафиолетового излучения, а также последующее проявление. Данный этап определяет минимальные проектные нормы (разрешение) будущих микросхем.
6. Травление
После формирования литографического маскирующего слоя производится удаление открытых участков материала. Сухое (плазменное) травление обеспечивает высокую анизотропию (направленность) и точность переноса размеров, что критично для современных наноразмерных топологий. Мокрое химическое травление применяется в случаях, когда требуется высокая селективность и изотропное удаление материала.
7. Легирование и термическая обработка
Для изменения электрических свойств полупроводника в заданных областях применяется легирование. Процесс позволяет с высочайшей точностью дозировать внедрение ионов примесей (бора, фосфора, мышьяка) Термический отжиг используется для активации внесенных примесей и стабилизации изделия.
8. Очистка поверхности
Между технологическими этапами проводятся процедуры очистки для удаления остатков фоторезиста, побочных продуктов травления и металлических загрязнений. Применяются методы плазменной очистки, влажной химической обработки и сверхкритической сушки, предотвращающей слипание микроструктур.
9. Завершение обработки
Завершающий этап производственного цикла переводит технологические пластины в категорию готовых изделий. Производится механическое или лазерное разделение пластины на отдельные кристаллы (чипы), монтаж и разводка, герметизация и комплекс параметрических и функциональных проверок готовых микросхем на соответствие заявленным электрическим характеристикам, быстродействию и энергопотреблению в различных температурных режимах.
10. Газоснабжение
Это инфраструктурная зона, обеспечивающая производство специальными газами для всех технологических процессов
Контроль технологических газов
Производство изделий микроэлектроники сопровождается использованием высокотоксичных, пирофорных и взрывоопасных газов — силана, арсина, фосфина, диборана, хлороводорода, фтороводорода, аммиака, металлоорганических прекурсоров и других. Нарушение контроля вредных веществ создаёт угрозу безопасности предприятия.
Газоанализаторы ГАНК-4 — это отечественное решение, разработанное для задач промышленной безопасности и включённое в Государственный реестр средств измерений РФ. Модульная архитектура прибора позволяет формировать конфигурацию под конкретную задачу для одновременного контроля нескольких газов. Выполнение измерений в соответствии с аттестованными методиками выполнения измерений (МВИ), обширный перечень контролируемых компонентов и соответствие отечественной нормативной базе позволяют данным приборам превосходить зарубежные аналоги. Это обеспечивает высокий уровень промышленной безопасности на предприятиях, сталкивающихся со сложными технологическими вызовами.
ООО «НПО «ПРИБОР» ГАНК» предлагает полный цикл опытно-промышленных испытаний газоаналитического оборудования
Специалисты компании подготовят техническое задание и подберут оборудование под запрос промышленного предприятия
📩 Контактные данные
🌐 САЙТ
📞 8 (800) 201-00-92
📧 gank4@gank4.ru
📍 г. Москва, ул. Ибрагимова, д. 31, к. 10