РГР по материаловедению.Косчинская. Гу УНПК.

 
Часть I.
Аналитический обзор
1.1. ИНТЕГРАЛЬНЫЕ СХЕМЫ
В процессе развития микроэлектроники (МЭ) номенклатура ИС непрерывно изменялась. Главный тип ИС в настоящее время — полупроводниковые ИС.
Классификация ИС.
Классификация ИС может производиться по различным признакам, ограничимся одним. По способу изготовления и получаемой при этом структуре различают два принципиально разных типа интегральных схем: полупроводниковые и пленочные.
Полупроводниковая ИС — это микросхема, элементы которой выполнены в приповерхностном слое полупроводниковой подложки. Эти ИС составляют основу современной микроэлектроники.
Пленочная ИС — это микросхема, элементы которой выполнены в виде разного рода пленок, нанесенных на поверхность диэлектрической подложки. В зависимости от способа нанесения пленок и связанной с этим их толщиной различают тонкопленочные ИС (толщина пленок до 1-2 мкм) и толстопленочные ИС (толщина пленок от 10-20 мкм и выше).
Гибридной ИС (или ГИС) — это микросхема, которая представляет собой комбинацию пленочных пассивных элементов и активных компонентов, расположенных на общей диэлектрической подложке.
Совмещенная ИС — это микросхема, у которой активные элементы выполнены в приповерхностном слое полупроводникового кристалла (как у полупроводниковой ИС), а пассивные нанесены в виде пленок на предварительно изолированную поверхность того же кристалла (как у пленочной ИС).
Полупроводниковая интегральная микросхема – это микросхема, элементы которой выполнены в приповерхностном слое полупроводниковой подложки. Эти ИС составляют основу современной микроэлектроники. Размеры кристаллов у современных полупроводниковых интегральных микросхем достигают 20x20 мм, чем больше площадь кристалла, тем более многоэлементную ИС можно на ней разместить. При одной и той же площади кристалла можно увеличить количество элементов, уменьшая их размеры и расстояния между ними.
 
1.2. ТРЕБОВАНИЯ К ПОЛУПРОВОДНИКОВЫМ ПОДЛОЖКАМ
Полупроводники в виде пластин или дисков, вырезанных из монокристаллов, называются подложками. В их объеме и на поверхности методами травления, окисления, диффузии, эпитаксии, имплантации, фотолитографии, другими техно­логическими приемами формируются элементы микросхем электронных приборов и устройств.
Качество поверхности подложки определяется ее микрорельефом (шерохова­тостью), кристаллическим совершенством поверхностных слоев и степенью их физико-химической чистоты. Поверхность подложки характеризуется неплос­костностью и непараллельностью. Высокие требования предъявляются и к об­ратной — нерабочей стороне подложки. Неодинаковая и неравноценная обра­ботка обеих сторон подложки приводит к дополнительным остаточным меха­ническим напряжениям и деформации кристалла, что обусловливает изгиб пластин.
После механической обработки в тонком приповерхностном слое подложки возникает нарушенный слой. По глубине он может быть разделен на характер­ные зоны. Для кристаллов Ge, Si, GaAs и других после их резки и шлифования на глубине 0,3...0,5 средней высоты неровностей расположена рельефная зона, в которой наблюдаются одинаковые виды нарушений и дефектов монокристал­лической структуры: монокристаллические сколы, невыкрошившиеся блоки, тре­щины, выступы и впадины различных размеров. После резки дефекты располагаются в основном под следами от режущей кромки алмазного диска в виде параллельных дорожек из скоп­лений дефектов, в шлифованных кристаллах — равномерно по сечению. При по­лировании первый слой представляет собой поверхностные неровности, относи­тельно меньшие, чем при шлифовании, и в отличие от шлифованной поверхности он является аморфным. Второй слой также аморфный, его глубина в 2...3 раза больше, чем поверхностные неровности. Третий слой является пере­ходным от аморфной структуры к ненарушенному монокристаллу и может содержать упругие или пластические деформации, дислокации, а в некоторых случаях и трещины. В процессе обработки и подготовки поверхности подложек полупроводников необходимо создание совершенных поверхностей, имеющих высокую степень плоскопараллельности при заданной кристаллографической ориентации, с полным отсутствием нарушенного слоя, минимальной плотностью поверхностных дефектов, дислокаций и т.д. Поверхностные загрязнения должны быть минимальными.
 
1.3. ХАРАКТЕРИСТИКА МОНОКРИСТАЛЛИЧЕСКОГО КРЕМНИЯ
Свойства кремния
1. Оптимальное значение ширины запрещенной зоны, которая обусловила достаточно низкую концентрацию собственных носи­телей и высокую рабочую температуру.
2. Большой диапазон реально достижимых удельных сопротив­лений в пределах от 10^-3Ом-см (вырожденный) до 10⁵ (близ­кий к собственному).
3. Высокое значение модуля упругости, значительная жест­кость (большая, чем, например, у стали).
4. Оптимально высокая температура плавления, следующая из высокого значения модуля упругости и энергии связи.
5. Малая плотность (2,3 г/см³) и низкий ТКЛР 3·10^-6 К-¹.
6. Высокая теплопроводность (до 140 Вт/К·м, что близко к ко­эффициенту теплопроводности железа).
7. Тензочувствительность—существенное изменение удельного сопротивления при упругой деформации.
8. Высокая растворимость примесей, причем примеси несильно искажают решетку кристалла.
 
 
 
 
1.4. ПРОИЗВОДСТВЕННЫЙ ПРОЦЕСС ИЗГОТОВЛЕНИЯ ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМ
 
1.4.1. Получение кремния полупроводниковой чистоты.
По распространённости в земной коре кремний среди всех элементов занимает второе место (после кислорода). Масса земной коры на 27,6—29,5% состоит из кремния. Кремний входит в состав нескольких сотен различных природных силикатов и алюмосиликатов. Больше всего распространен кремнезём или оксид кремния (IV) SiO₂ (речной песок, кварц, кремень и др.), составляющий около 12% земной коры (по массе). В свободном виде кремний в природе не встречается, хотя одна четвертая земли состоит из кремния, поэтому из карьеров добывают диоксид кремния, затем используют плавят сырьё, содержащее оксид кремния в электро­печах при температуре 2273К
SiO₂+C = Si+2CO
В результате получают элементарный крем­ний, однако его чистота еще очень низка и содержание основного вещества составляет около 99%. Кремний из-за высокой темпера­туры плавления и реакционной способности по отношению к лю­бым контейнерным материалам очистке не поддается, поэтому его переводят в соединения, удобные для глубокой очистки SiCl₄,SiHCl₃или SiH₄
Для получения хлорида кремния и хлорсилана используются реакции хлорирования:
Si+2Cl₂SiCl₄
Si+3HClSiHCl₃+H₂
Моносилан получают из предварительно изготовленного кремний-магниевого сплава:
Mg₂Si+4NH₄ClSiH₄+2MgCl₂+4NH3
Для дальнейшей глубокой очистки хлорида, хлорсилана и моносилана применяется один и тот же метод ректификации в жид­ком виде независимо от того, что первые два вещества в нормаль­ных условиях — жидкости, третье — газ.
Ректификация (от лат. rectus— правильный и facio— делаю)— разделение однородных жидких смесей на составляющие вещества, основанное на неоднократном испарении жидкостей и конденсации паров. Ректификацию осуществляют в специальных ректификационных колоннах. Это высокоэффектив­ный и экономичный процесс.
Получение особо чистого кремния осуществляется по следующим реакциям:
Восстановление(1373K):
SiCl₄ + 2Н₂Si + 4НCl
SiHCl₃ + Н₂Si + 3НCl
Пиролиз(1273 K):
SiH₄ Si + 2Н₂
Восстановление осуществляется на нагретые кремниевые стержни-заготовки, непосредственно через которые пропускается электрический ток. Благодаря этому реакция локализуется на по­верхности кремния и происходит постепенное наращивание их диаметра от исходных 8... 10 до 50... 100 мм. Для восстановления и разбавления газовых смесей, как в хлоридном, так и моносилановом процессах используются большие количества водорода.
1.4.2. Формирование слитков
Применяется 2 основных метода выращивания монокристаллов: метод Чохральского и метод бестигельной зонной плавки.
Около 75% всего производства ведется по методу Чохральского, который обеспечивает наивысшую однородность и структурное совершенство монокристаллов. В методе Чохральского кремний и все необходимые примеси сплавляются вместе в тигле при температуре около температуры плавления кремния, 1414°C.
Стержень с закрепленным на нем монокристаллом кремния помещается на поверхность расплава и, вращаясь, вытягивается вверх. Это приводит к образованию длинного кремниевого цилиндра, называемого слитком. Из-за поверхностного натяжения в жидкости на поверхности зародыша сначала образуется тонкая кремниевая пленка. Последующие атомы кремния ориентируются в соответствии с зародышем кристалла; таким образом, в результате слиток имеет ту же кристаллическую структуру, что и исходный зародыш. Диаметр полученного слитка можно контролировать при изменении температуры и соотношения скоростей вытягивания/вращения. Слиток, полученный методом зонной плавки, по чистоте обычно превосходит аналогичный, полученный методом Чохральского, делая метод зонной плавки наиболее используемым в современном производстве полупроводников, поэтому воспользуемся методом бестигельной зонной плавки.
Он основан на плавлении небольшой зоны поликремниевой цилиндрической заготовки, находящейся в вертикальном состоя­нии. Необходимая узкая зона расплава создается с помощью вы­сокочастотного индуктора (стандартная частота генератора 5,28 МГц). Тепло за счет вихревых токов в самом кремнии, и при достаточной мощности выделяется непосредст­венно ВЧ-генератора, это приводит к быстрому расплавлению конца заготовки и об­разованию капли. Благодаря небольшой плотности крем­ния и высокому поверхностному натяжению капля способна удер­живаться на слитке; к ней снизу подводится затравка и вытягивается шейка, а затем и цилин­дрическая часть. Содержание примесей в кремнии в результате бестигельной зон­ной плавки уменьшается за счет перегрева расплава и частичного испарения. Применение бестигельной зонной плавки наиболее це­лесообразно для моносиланового кремния, свободного от кислоро­да и углерода. В результате могут быть получены монокристаллы с предельно высоким, близким к собственному удельным сопро­тивлением, т. е. за счет бестигельной зонной очистки.


Рисунок 1 — Схема бестигельной зонной плавки
1.4.3 Технология разделения слитков на заготовки
Калибровка монокристаллов полупроводниковых материалов. Обеспечивает придание им строго цилиндрической формы и заданного диаметра. Калибровку монокристаллов полупроводников проводят чаще всего методом круглого шли­фования на универсальных круглошлифовальных станках, снабженных алмаз­ным шлифовальным кругом с зернистостью, обозначенной 50/40 (основная фрак­ция 40 мкм, а количество крупной, размером 50 мкм, не более 15%). Перед операцией калибровки к торцам монокристалла наклеечной мастикой приклеива­ют металлические конуса («центры») таким образом, чтобы их ось совпадала с продольной осью монокристалла.
После калибровки на поверхности монокристалла образуется нарушенный слой глубиной 50...250 мкм в зависимости от скорости продольной подачи. При­сутствие его на периферии подложек может вызывать появление сколов, а при последующей высокотемпературной обработке приводить к генерации структур­ных дефектов, распространяющихся в центральные области подложки. Для сня­тия нарушенного слоя прошедшие операции калибровки монокристаллы полу­проводников подвергают операции химического травления.
В процес­се роста монокристаллов наблюдается несоответствие оси слитка кристаллогра­фической оси. Для получения пластин, ориентированных в заданной плоскости, до резки производят ориентацию слитков. Способы ориентации кристаллов опре­деляются их природой, типом детали и ее функциональным назначением. Опти­чески изотропные диэлектрики ориентируют для учета влияния технологических свойств кристалла на точность параметров детали. У анизотропных диэлектри­ков положение преломляющих и отражающих поверхностей детали зависит от требуемого преобразования светового потока. Ориентация полупроводников пре­дусматривает определения кристаллографической плоскости, в которой материал имеет заданные электрические свойства. Ориентацию полупроводников проводят рентгеновскими или оптическими методами.
Рентгеновский метод основан на отражении рентгеновских лучей от поверхности полупроводникового материала. Интенсивность отражения зависит от плотности упаковки атомами данной плоскости. Кристаллографической плос­кости, более плотно упакованной атомами, соответствует большая интенсив­ность отражения лучей. Кристаллографические плоскости полупроводниковых материалов характеризуются определенными углами отражения падающих на них рентгеновских лучей. Величины этих углов для кремния: (111) –17°56', (110) - 30° 12', (100) – 44°23'
Рентгеновский диафрактометрицеский метод основан на измерении угла от­ражения характеристического рентгеновского излучения от идентифицируемой плоскости. Для этого применяют рентгеновские дифрактометры общего назна­чения, например типа ДРОН-1,5, или рентгеновские установки, например типа УРС-50И (М), и другие, снабженные рентгеновскими гониометрами и устройст­вами, обеспечивающими вращение горизонтально располагаемого монокристалла вокруг оси с заданной скоростью.
При проведении измерения падающий на торцевой срез моно­кристалла рентгеновский луч направляют под брэгговским углом отраже­ния р. Счетчик рентгеновских квантов (Гейгера) располагают под углом 2р к па­дающему лучу. Если ориентируемая плоскость, например (111), составляет некоторый угол, а с торцевым срезом монокристалла, то отражение от нее мож­но получить, повернув монокристалл на этот же угол.
Определение угла отражения проводят относительно двух взаимно перпен­дикулярных осей, одна из которых лежит в плоскости чертежа (рисунок


Рисунок 3 — Схема ориентации моно­кристаллов полупроводников рентгеновским методом:1—падающий рентгеновский луч; 2— монокристалл; 3 — отраженный рентгенов­ский луч: 4 — счетчик Гейгера
 
Оптический метод основан на том, что на протравленной в селективном травителе поверхности полупроводника возникают фигуры травления, кон­фигурация которых определяется ее кристаллографической ориентацией. На поверхности (111) фигуры травления имеют форму трехгранных пирамид, а на (100)—четырехгранных. При оснащении такой поверхности параллельным пучком света отражающиеся лучи будут образовывать на экране световые фигуры.
В зависимости от того, насколько сильно отклонена плоскость торцевого среза монокристалла от плоскости (hkl), световая фигура, образованная от­раженным пучком света, будет находиться ближе или дальше от центра экра­на. По величине отклонения световой фигуры от нулевого деления экрана определяют угол отклонения, а плоскости торца монокристалла от плоскости (hkl). Затем, поворачивая монокристалл на 90°, определяют другой угол Р; после выполнения ориентации монокристалла на его торце твердосплавным резцом наносят стрелку, направление которой указывает, в какую сторону от торца монокристалла отклонена требуемая плоскость. Точность ориентации мо­нокристаллов полупроводников рентгеновским методом ± (2...6)', а оптическим ±(15...30)'.
Кремний — твердый и хрупкий материал. Эти свойства кремния определяют способы его механической обработки и выбор абразивных материалов. Необходимо учитывать, что слитки кремния имеют большой диаметр (более 80 мм с тенденцией роста до 100...110 мм).
Алмаз — самый твердый материал. При обработке кремния используются как природные, так и синтетические алмазы, уступающие первым по механическим свойствам. Иногда применяют карбиды бора В₄С и кремния SiC, а также электрокорунд Al₂O₃. В настоящее время при резке слитков кремния на пластины в качестве режущего инструмента применяют металлические диски с внутренней алмазной режущей кромкой.
Инструмент представляет собой металлический диск с центральным отверстием, на кромку которого нанесена алмазная крошка. Толщина диска 0,1-0,15 мм, а диаметр отверстия обусловлен диаметром разрезаемого слитка. Схема установки для резки слитков представлена на рисунке 4.





Рисунок 4 — Металлический диск с внутренней алмазной режущей кромкой: 1 — металлический диск; 2 — алмазная крошка
 
Режущий инструмент (диск) растягивается и закрепляется в специальном барабане на головке шпинделя станка для резания. Слиток разрезается диском с алмазной кромкой при вращении шпинделя (3000 - 5000 об/мин.). Скорость движения слитка при его перемещении перпендикулярно оси режущего диска составляет 40 - 50 мм/мин. (для слитков диаметром 60 мм не более 20 - 30 мм/мин.). После отрезания очередной пластины с помощью автоматической системы происходит возврат слитка в исходное положение, а также, перемещение его на заданный шаг. Устройство для закрепления слитка позволяет поворачивать слиток в горизонтальной и вертикальной плоскостях на требуемые углы по отношению к плоскости вращения алмазного диска и тем самым обеспечивает ориентированную резку. Станок снабжен системой подачи воды для охлаждения режущего диска и вымывания отходов резки (частичек выкрошенного кремния).
 
 
 





Рисунок 5 — Схема установки для резки алмазным диском: а — внутренний способ резки; б — гребенчатый способ резки (1 — барабан; 2 — диск; 3 — алмазное покрытие; 4 — оправка; 5 — пластина; 6 — слиток)
 
Поверхность пластин, полученных после резки, не удовлетворяет требованиям, которые предъявляют к качеству поверхности кремния при планарной технологии. С помощью электронографа устанавливают наличие приповерхностных слоев, не имеющих монокристаллической структуры. Толщина нарушенного слоя после резки диском 10 – 30 мкм в зависимости от скорости вращения диска. Поскольку в ИС глубина, на которой располагаются p-n – переходы, составляет единицы и десятые доли микрона, наличие нарушенных слоев толщиной 10 – 30 мкм неприемлемо. Микронеровности на поверхности не должны превышать 0,02 – 0,1 мкм. Кроме того, проведение фотолитографии плоскопараллельности пластин следует поддерживать на уровне ±1 мкм по диаметру пластины вместо 10 мкм после резки.
 
1.4.4 Обработка поверхности заготовок с целью получения пластин
Для обеспечения требуемого качества поверхности пластин должны быть подвергнуты дальнейшей обработке. Эта обработка состоит в шлифовке и последующей полировке пластин. Шлифовка и полировка пластин производится на плоскошлифовальных прецизионных станках с использованием абразивных материалов с размером зерна около 40 мкм (микропорошки). Чаще всего применяют группы микропорошков с зернами 14 мкм и меньше. В таблице 3 приведены марки и размеры зерен основной фракции используемых микропорошков. Микропорошки М14, М10, М7, М5 изготавливаются из карбидов бора, кремния и электрокорунда, микропорошки марок АСМ – из алмаза.
Таблица 3— Микропорошки для шлифовки и полировки пластин кремния

Марка	М14	М10	М7	М5	АСМ7/5	АСМ5/3	АСМ3/2	АСМ2/1	АСМ1/0,5
Размер, мкм	14..10	10..7	7..5	5..3	7..5	5..3	3..2	2..1	1 и мельче

 
В зависимости от типа микропорошка выбирается материал поверхности шлифовальщика. При шлифовке пластин микропорошками М14-М15 применяют стеклянный шлифовальщик, при полировке микропорошками АСМ – специальные шлифовальщики с поверхностью из тканевых материалов. При обработке пластин на рабочий шлифовальщик устанавливаются три головки с наклеенными пластинами. Головки удерживаются от перемещения по шлифовальщику специальными направляющими кронштейнами с опорными роликами (рисунок 6). За счет силы трения возникающей между соприкасающимися поверхностями рабочего шлифовальщика и головок, последние вращаются вокруг своих осей. Это вращение головок создает условия для равномерного шлифования или полирования.
При шлифовании микропорошками М14 - М15 используют водные суспензии с соотношением воды к абразиву 3¸1, при полировке пластин специальные алмазные пасты.
В настоящее время принята определенная последовательность операций при механической обработке пластин. При этом учитывается то, что толщина снимаемого слоя на каждой операции должна превышать толщину нарушенного слоя, который образовался на предыдущей операции. Пластины шлифуют с двух сторон, а полируют только рабочую сторону.
 
Таблица 4 — Характеристики микропорошков

Тип порошка	Толщина нарушенного слоя, мкм         мкм	Скорость удаления материала, мкм/мин	Класс шероховатости поверхности
М14	20 – 30	3	7
М10	15 – 25	1,5	8 – 9
АСМ3/2	9 – 11	0,5 – 1,0	12 – 13
АСМ1/0,5	5 – 7	0,35	13
АСМ0,5/0,3	Менее 3	0,25	13 – 14
АСМ0,3/0,1	Менее 3	0,2	14

 

 
 
 
 
 
Рисунок 6 — Схема плоскошлифовального станка и расположения головок: 1— дозирующее устройство с абразивной суспензией; 2— грузы; 3— головка; 4— пластины; 5— шлифовальщик; 6— направляющий ролик
 
В целом механическая обработка пластин, удовлетворяю­щих требованиям планарной технологии, приводит к большим по­терям кремния (около 65%).
Химическое травление полупроводниковых пластин и подложек сопровождается удалением поверхностного слоя с механически нарушенной кристаллической структурой, вместе с которым удаляют­ся и имеющиеся на поверхности загрязнения. Травление является обязательной технологической операцией.
Кислотное травление полупроводников в соответствии с хими­ческой теорией идет в несколько этапов: диффузия реагента к по­верхности, адсорбция реагента поверхностью, поверхностные хими­ческие реакции, десорбция продуктов реакции и диффузия их от поверхности.
Травители, для которых самыми медленными, определяющими суммарный процесс травления этапами являются диффузионные, называются полирующими. Они нечувствительны к физическим и химическим неоднородностям поверхности, сглаживают шерохова­тости, выравнивая микрорельеф. Скорость травления в полирующих травителях существенно зависит от вязкости и перемешивания травителя и мало зависит от температуры.
Травители, для которых самыми медленными стадиями являются поверхностные химические реакции, называются селективными. Скорость травления в селективных травителях зависит от температу­ры, структуры и кристаллографической ориентации поверхности и не зависит от вязкости и перемешивания травителя. Селективные травители с большой разницей скоростей травления в различных кристаллографических направлениях принято называть анизотроп­ными.
Поверхностные химические реакции при полирующем травлении проходят в две стадии: окисление поверхностного слоя полупровод­ника и перевод окисла в растворимые соединения. При травлении кремния роль окислителя выполняет азотная кислота:
Фтористоводородная (плавиковая) кислота, входящая в состав травителя, переводит окись кремния в тетрафторид кремния:
Для травления, дающего зеркальную поверхность пластин, используют смесь указанных кислот в соотношении 3:1, температура травления 30...40°С, время травления около 15 с.
 
1.4.5 Операции разделения подложек на платы
Ломка проскрайбированных пластин — весьма ответственная операция. При неправильном разламывании даже хорошо про­скрайбированных пластин возникает брак: царапины, сколы, нарушение формы кристаллов и т. п.
Разделение пластин скрайбированием осуществляют в две стадии: вначале на поверхность пластины между готовыми микросхемами наносят в двух взаимно перпендикулярных направлениях неглубокие риски, а затем по этим рискам размалывают ее на прямоугольные или квадратные кристаллы. При сквозном разделении пластину прорезают режущим инструментом насквозь.
 
Алмазное скрайбирование состоит в создании на полупроводниковой пластине между готовыми структурами рисок или разделительных канавок механическим воздействием на нее алмазного резца (рисунок 7), что приводит к образованию неглубоких направленных трещин. При приложении дополнительных усилий в процессе разламывания трещины распространяются на всю толщину пластины, в результате чего происходит разделение ее на отдельные кристаллы.
Основным достоинством скрайбирования наряду с высокими производительностью и культурой производства является малая ширина прорези, а следовательно, отсутствие потерь полупроводникового материала. Обычно ширина риски не превышает 10¸20 мкм, а глубина 5¸10 мкм, скорость движения резца 50¸75 мм/с, нагрузка на резце 1,2¸1,4 Н.


Рисунок 7 — Скрайбирование алмазным резцом: а) — нанесение рисок; б) — пластина с рисками; в) — конструкция алмазной пирамиды (1 — режущая грань резца; 2 — дорожки для скрайбирования в слое защитного диэлектрика; 3 —полупроводниковые микросхемы; 4 — кремниевая пластина)
Качество скрайбирования и последующей ломки в значительной степени зависят от состояния рабочей части алмазного резца. Работа резцом в изношенным режущим ребром или вершиной приводит к сколам при скрайбировании и некачественной ломке. Обычно скрайбирование выполняют резцами, изготовленными из натурального алмаза, которые по сравнению с более дешевыми резцами из синтетических алмазов имеют большую стоимость. Получили распространение резцы, имеющие режущую часть в форме трехгранной или усеченной четырехгранной пирамиды (рисунок 7, в), режущими элементами которой являются ее ребра.
При лазерном скрайбировании (рисунок 8) разделительные риски между готовыми структурами создают испарением узкой поло­сы полупроводникового материала с поверхности пластины во время ее перемещения относительно сфокусированного лазерного луча. Это приводит к образованию в пластине сравнительно глубоких (до 50...100 мкм) и узких (до 25…40 мкм) канавок. Канавка, узкая и глубокая по форме, играет роль концентра­тора механических напряжений. При разламывании пластины воз­никающие напряжения приводят к образованию на дне канавки трещин, распространяющихся сквозь всю толщину пластины, в результате чего происходит ее разделение на отдельные кристаллы.
Наряду с созданием глубокой разделительной канавки достоин­ством лазерного скрайбирования является его высокая производи­тельность (100...200 мм/с), отсутствие на полупроводниковой пластине микротрещин и сколов. В качестве режущего инструмен­та используют импульсный оптический квантовый генератор с час­тотой следования импульсов 5...50 кГц и длительностью импульса 0,5 мс.
Рисунок 8 — Схема лазерного скрайбирования полупроводниковой пластины
 
 
1.4.6 Разделение пластин на кристаллы
Разламывание пластин на кристаллы после скрайбирования осуществляется механически, приложив к ней изгибающий момент. Отсутствие дефектов кристаллов зависит от приложенного усилия, которое зависит от соотношения габаритных размеров и толщины кристаллов.
Наиболее простым способом является разламывание пластин на кристаллы валиком (рисунок 9). Для этого пластину 3 помещают рабочей поверхностью (рисками) вниз на мягкою гибкою (из резины) опору 4 и с небольшим давлением прокатывают ее последовательно в двух взаимно перпендикулярных направлениях стальным или резиновым валиком 1 диаметром 10¸30 мм. Гибкая опора деформируется, пластина изгибается в месте нанесения рисок и ломается по ним. Таким образом, разламывание происходит в две стадии – вначале на полоски, затем на отдельные прямоугольные или квадратные кристаллы.
Рисунок 9 — Разламывание полупроводниковых пластин на кристаллы валиком: 1 — валик; 2 — защитная пленка; 3 — кристалл; 4 — опора
 
Валик должен двигаться параллельно направлению скрайбирования, иначе ломка будет происходить не по рискам. Брак может проявиться также в том случае, если полоски или отдельные кристаллы смещаются относительно друг друга в процессе ломки. Поэтому перед ломкой пластины покрывают сверху тонкой эластичной полиэтиленовой пленкой 2, что позволяет сохранить ориентацию кристаллов в процессе ломки и избежать произвольного разламывания и царапания друг друга. Смещения кристаллов можно также избежать, поместив пластину перед разламыванием в герметичный полиэтиленовый пакет и откачав из него воздух.
Применяют различные установки, в которых валики движутся строго параллельно направлению рисок и имеют регулировки нагрузки. Более совершенен способ прокатывания пластины между двумя валиками (рисунок 10), при котором обеспечивается нагрузка, пропорциональная длине скрайберной риски.

Рисунок 10 — Разламывание полупроводниковой пластины прокатыванием между валиками: 1 — пластина; 2 — упругий валик; 3 — защитная пленка; 4 — стальной валик; 5 — пленка-носитель
Пластину 1, расположенную рисками вверх, прокатывают между двумя цилиндрическими валиками: верхним упругим (резиновым) 2 и нижним стальным 4. Для сохранения первоначальной ориентации кристаллов пластину закрепляют на термопластичной или адгезионной пленке-носителе 5 и защищают ее рабочую поверхность полиэтиленовой или лавсановой пленкой 3. Расстояние между валиками, определяемое толщиной пластины, устанавливают, перемещая один из них.
При прокатке более упругий валик в зависимости от толщины пластины деформируется и к ней прикладывается нагрузка, пропорциональная площади ее поперечного сечения или длине скрайберной риски. Пластина изгибается и разламывается по рискам, вначале на полоски, а после поворота на 90° - на кристаллы.

Рисунок 11 — Разламывание полупроводниковой пластины на сферической основе: 1 — сфера; 2 — пластина; 3 — резиновая диафрагма
При разламывании на сферической опоре (рисунок 11) пластину 2, расположенную между двумя тонкими пластичными пленками, помещают рисками вниз на резиновую диафрагму 3, подводят сверху сферическую опору 1 и с помощью диафрагмы пневмоническим и гидравлическим способами прижимают к ней пластину, которая разламывается на отдельные кристаллы. Достоинствами этого способа являются простота, высокая производительность, (ломка занимает не более 1¸1,5 мин) и одностадийность, а также достаточно высокое качество, т.к. кристаллы не смещаются относительно друг друга.
Таблица 5 — Глубина нарушенного слоя пластин кремния после различных видов механической обработки

Вид обработки	Условия обработки	Глубина нарушенного слоя, мкм
Резка алмазным кругом с внутренней режущей кромкой	Зернистость режущей кромки АСМ 60/53;n=4000мин-1; подача 1мм/мин	20 - 30
Шлифование	Свободный абразив: суспензия порошка ЭБМ-10 ЭБМ-5	11 – 15 7 – 9
Шлифование, полирование	Связный абразивный круг АСМ – 28 Алмазная паста: АСМ – 3 АСМ – 1 АСМ – 0,5	14 – 16     6 – 9 5 – 6 1 - 2
Химико- механическое полирование	Суспензия аэросила, SiO2(зерно 0,04 – 0,3 мкм) Суспензия цеолита	1 – 1,5   1 – 2

Часть II. Расчет
ОПРЕДЕЛЕНИЕ СУММАРНОГО ПРИПУСКА НА МЕХАНИЧЕСКУЮ ОБРАБОТКУ
Z=Z_ГШ +Z_ТШ+Z_ПП+Z_ФП,
где Z – сумма припусков на обработку, Z_ГШ – припуск на грубую шлифовку, Z_ТШ – припуск на точную шлифовку, Z_ПП– припуск на предварительную полировку, Z_ФП – припуск на финишную полировку.
Z= (Δ+H_Ш)* 2, H_Ш=k*d_АБ;
где D - высота микронеровностей, H_Ш – высота нарушенного слоя, k– коэффициент нарушений (для шлифовки k=2,5), d_АБ – диаметр абразивного зерна.
Имеем:
Используем абразив M10: Δ = 25 мкм, d_АБ=10 мкм (см. Таблица 3, Таблица 4):
Z_ГШ= (Δ + k* d_АБ)*2=100 мкм
Используем абразив АСМ 3/2: Δ = 11 мкм, d_АБ=3 мкм (см. Таблица 3, Таблица 4):
Z_ТШ= (Δ + k* d_АБ)*2,=37 мкм
Для полировки k=1,7. Имеем:
Z_ПП= Δ + H_Ш , H_Ш= k*d_АБ ,
Используем абразив АСМ 1/0,5: Δ = 7 мкм, d_АБ =1 мкм (см. Таблица 3, Таблица 4): Z_ПП= Δ + k*d_АБ=8.7 мкм
Используем абразив АСМ 0,3/0,1: Δ = 0 мкм, d_АБ=0,3 мкм (см. Таблица 3, Таблица 4): Z_ФП= Δ + k*d_АБ=0,51 мкм
Итак, значение суммарного припуска на механическую обработку:
Z=100+37+8,7+0,51= 146,21*10^-6м.
 
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ИСХОДНОЙ ТОЛЩИНЫ ЗАГОТОВКИ
l_∑ = l+ Z,
где l – толщина заготовки, Z – суммарный припуск на механическую обработку: l_∑ = 500* 10^-6+ 146,21* 10^-6= 646,21* 10^-6 м.
 
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ИСХОДНОЙ МАССЫ ЗАГОТОВКИ
m_∑ = ρ* l_∑* S,
где S – площадь заготовки, ρ= 2,3 г/см– плотность кремния.
m_∑ = 2,3* 10³* 646,21* 10^-6* 0.0177 = 0,0263 кг
Масса обработанной заготовки:
m =ρ* l* S,
m= 2,3* 10³* 500* 10^-6* 0,0177 = 0,0203кг
ОПРЕДЕЛЕНИЕГОДОВОГО РАСХОДА МАТЕРИАЛА
a=106,066 мм n=a/20/24=220
N₁ = (N* 100%)/ (V₂* n),
где N₁– кристаллов на разделение, N – годовой план, V₂ – выход годного по кристаллу, n -число кристаллов, которые могут быть нарезаны из 1 заготовки.
n= 220
N₁= (750000* 100%)/ (71%*220) =4802,
N₂ = (N₁* 100%)/ V₁,
Где N₂ – количество заготовок, запущенных на обработку,V₁ - выход годного по обработке.
N₂= (4802* 100%)/ 89% =5396.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ИСХОДНОЙ МАССЫ МАТЕРИАЛА
M = N₂* m_∑,
M– исходная масса материала.
M = 5396* 0,0263 = 141,91 кг.
 
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОЛЕЗНОЙ МАССЫ МАТЕРИАЛА
M_П = (N* m) / n,
где M_П – полезная масса материала.
M_П = (750000*0,0263)/220 =89,659 кг.
 
 
ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ИСПОЛЬЗОВАНИЯ МАТЕРИАЛА
k_ИМ = M_П/ M,
где k_ИМ – коэффициент использования материала.
K_ИМ =89,659 /141,91 = 0,632
Заключение
 
В данной курсовой работе рассмотрена технология изготовления плат полупроводниковых интегральных микросхем. Полупроводниковая интегральная микросхема – это микросхема, элементы которой выполнены в приповерхностном слое полупроводниковой подложки. Эти ИС составляют основу современной микроэлектроники. Размеры кристаллов у современных полупроводниковых интегральных микросхем достигают мм². Чем больше площадь кристалла, тем более многоэлементную ИС можно на ней разместить. При одной и той же площади кристалла можно увеличить количество элементов, уменьшая их размеры и расстояния между ними.
В курсовой работе был разработан технологический процесс для изготовления кристаллов полупроводниковых интегральных микросхем из монокристаллического кремния. При этом коэффициент использования материала для рассмотренных производственных условий составил 0,722. Это говорит о том, что технологичность производства находится на довольно высоком уровне, особенно на этапе обработки заготовок, т. к. выход годного по обработке равен 81%. Значение коэффициента использования материала довольно высоко, хотя данный технологический процесс был сравнительно недавно внедрен на производстве.
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
 
1.Березин А.С., Мочалкина О.Р.: Технология и конструирование интегральных микросхем. — М. Радио и связь, 1983. — 232 с., ил.
2.Готра З. Ю. Технология микроэлектронных устройств: Справочник. — М.: Радио и связь, 1991. — 528 с.: ил.
3.Коледов Л. А. Технология и конструкции микросхем, микропроцессоров и микросборок: Учебник для вузов. — М.: Радио и связь,1989. — 400 с., ил.
4.Конструирование и технология микросхем. Курсовое проектирование.: под ред. Л. А. Коледова. — М.: Высш. шк., 1984. — 231 с., ил.
5.Степаненко И. П. Основы микроэлектроники: Учебное пособие для вузов. — 2-е изд., перераб. и доп. — М.: Лаборатория Базовых Знаний, 2000 — 488 с., ил.
6.Черняев В. Н. Технология производства интегральных микросхем и микропроцессоров: Учебник ля вузов. — 2-е изд., перераб. и доп. — М.: Радио и связь, 1987. — 464 с.: ил.