Geum.ru

Представление основных этапов производства микроэлектронных устройств

Вид материалаДокументы

Содержание


1. Разработка, проектирование
Уч. произ-ва дет.
Уч. изготовления плат
Закачка нейтрального газа
Климатические испытания
Подобный материал:
Спецкурс «Технология производства микроэлектронных устройств (МЭУ)» направлен на изучение основ технологии производства тонкопленочных элементов, на базе которых создаются современная миниатюрная радиоэлектронная и контрольно-измерительная аппаратура, а также бытовая и вычислительная техника.

Цели изучения дисциплины:
    1. Представление основных этапов производства микроэлектронных устройств.
    2. Изучение типовых технологических процессов и маршрутов их прохождения при изготовлении микроэлектронных изделий.
    3. Знакомство с оборудованием и материалами в современном российском микроэлектронном производстве.

Основными сложностями в изучении технологии в области микроэлектроники являются – многообразие технологических процессов и быстрые темпы развития, как самой микроэлектроники, так и всех смежных с ней направлений. К примеру, тактовая частота процессора за последние 20 лет с 10 МГц выросла до 3 ГГц. Т.е. в 300 раз и это не предел. С 80-ых годов ни автомобили, ни самолеты не стали ездить и летать в 300 раз быстрее и т.п.

Развитие микроэлектроники.

Микроэлектроника – область электроники, занимающаяся созданием электронных функциональных узлов, блоков и устройств в микроминиатюрном интегральном исполнении. Возникновение Микроэлектроника в начале 60-х гг. 20 в. было вызвано непрерывным усложнением функций электронной аппаратуры, увеличением габаритов и повышением требований к её надёжности. Применение в отдельных устройствах нескольких тысяч и десятков тысяч самостоятельно изготовленных электронных ламп, транзисторов, конденсаторов, резисторов, трансформаторов и др., сборка их путём соединения выводов пайкой или сваркой делали аппаратуру громоздкой, трудоёмкой в изготовлении, недостаточно надёжной в работе, требующей значительного потребления электроэнергии и т. д. Поиски путей устранения этих недостатков привели к появлению новых конструктивно-технологических направлений создания электронной аппаратуры: печатного монтажа, модулей и микромодулей, а затем и интегральных схем (на базе групповых методов изготовления). Используя достижения в области физики твердого тела и особенно физики полупроводников, микроэлектроника решает указанные проблемы не путём простого уменьшения габаритов электронных элементов, а созданием конструктивно, технологически и электрически связанных электронных структур — функциональных блоков и узлов. В них согласно принципиальной схеме конструктивно объединено большое число микроминиатюрных элементов и их электрических соединений, изготавливаемых в едином технологическом процессе. Это стало возможным благодаря предложенному в 1959 планарному процессу.

Другими словами весь период развития элементной базы электроники можно разделить на 4 поколения: дискретную электронику на электровакуумных приборах, дискретную электронику на полупроводниковых приборах, интегральную микроэлектронику на интегральных микросхемах, интегральную микроэлектронику на функциональных микроэлектронных устройствах.

В ПЕРВОМ поколении роль активных элементов выполняли различные электровакуумные приборы. В качестве пассивных элементов применялись резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности, трансформаторы, соединители и переключатели и прочие дискретные радиодетали. Радиоэлектронная аппаратура собиралась из отдельных элементов, которые механически укреплялись на специальных панелях и электрически соединялись между собой проволочными проводниками с помощью сварки или пайки. Позднее были внедрены печатные платы, которые были более надежны и обеспечивали лучшую воспроизводимость параметров изготавливаемой аппаратуры и относительную легкость автоматизации производства. Но как уже говорилось выше сложность технологии электровакуумных приборов, их небольшой срок службы, значительные габариты и массы, большое потребление энергии послужило стимулом к созданию новых активных элементов – полупроводниковых приборов.

ВТОРОЕ поколение элементной базы появилось с изобретением 1-го транзистора в 1948 году. Полупроводниковые приборы по сравнению с электровакуумными имеют меньшие габариты и массу, потребляют меньшую энергию, имеют большие к.п.д. сроки службы и высокую надежность. Необходимость быстрой обработки большего кол-ва информации требовала уменьшения межэлектродных расстояний в активных элементах. Поэтому совершенствование полупроводниковых приборов шло по пути микроминиатюризации и созданию малогабаритных узлов в виде колончатых, плоских и этажерочных микромодулей с плотностью упаковки 5-20 элементов/см3 с массой 5-7гр.

ТРЕТЬЕ поколение обязано разработкой и внедрением в 1959г. планарной технологии. Это позволило получить принципиально новый элемент – интегральную микросхему. Интегральная схема (интегральная микросхема), микроминиатюрное электронное устройство, все или часть элементов которого нераздельно связаны конструктивно и соединены между собой электрически. Различают 2 основных типа Интегральные микросхемы: полупроводниковые (ПП) и плёночные. ПП Интегральные микросхемы изготавливают из особо чистых ПП материалов (обычно кремний, германий), в которых перестраивают саму решётку кристаллов так, что отдельные области кристалла становятся элементами сложной схемы. Маленькая пластинка из кристаллического материала размерами ~1 мм2 превращается в сложнейший электронный прибор, эквивалентный радиотехническому блоку из 50—100 и более обычных деталей. Он способен усиливать или генерировать сигналы и выполнять многие другие радиотехнические функции.

Плёночные Интегральные микросхемы создаются путём осаждения при низком давлении (порядка 1×10-5 мм рт. ст.) различных материалов в виде тонких (толщиною < 10 мкм) или толстых (толщиной > 10 мкм) плёнок на нагретую до определённой температуры полированную подложку (обычно из керамики). В качестве материалов применяют алюминий, золото, титан, нихром, окись тантала, моноокись кремния, титанат бария, окись олова и др. Для получения Интегральные микросхемы с определёнными функциями создаются тонкоплёночные многослойные структуры осаждением на подложку через различные маски (трафареты) материалов с необходимыми свойствами. В таких структурах один из слоев содержит микрорезисторы, другой — микроконденсаторы, несколько следующих — соединительные проводники тока и другие элементы. Все элементы в слоях имеют между собой связи, характерные для конкретных радиотехнических устройств.

Элементную основу ЧЕТВЕРТОГО поколения составляют функциональные микроустройства и узлы, в структуре которых невозможно выделить элементы или компоненты, эквивалентные традиционным дискретным элементам первых 2-х поколений.

Примеры микроэлектронной элементной базы.

Как одним из примеров – гибридные интегральные схемы. В этих схемах на подложку сначала наносятся в виде тонких или толстых плёнок пассивные элементы (резисторы, конденсаторы, проводники тока), а затем с помощью микроманипуляторов монтируют активные элементы — бескорпусные полупроводниковые микроэлементы (транзисторы и диоды).

  По своим конструктивным и электрическим характеристикам полупроводниковые и гибридные интегральные схемы дополняют друг друга и могут одновременно применяться в одних и тех же радиоэлектронных комплексах. В целях защиты от внешних воздействий Интегральные микросхемы выпускают в защитных корпусах. По количеству элементов различают Интегральные микросхемы: 1-й степени интеграции (до 10 элементов), 2-й степени интеграции (от 10 до 100) и т. д.

  Размеры отдельных элементов интегральных микросхем очень малы (порядка 0,5—10 мкм) и подчас соизмеримы с размерами пылинок (1—100 мкм). Поэтому производство Интегральных микросхем осуществляется в особо чистых условиях. 

Создание интегральных микросхем развивается по нескольким направлениям: гибридные интегральные микросхемы с дискретными активными элементами; полупроводниковые интегральные микросхемы, выполненные в монолитном блоке полупроводникового материала; совмещенные интегральные микросхемы, в которых активные элементы выполнены в монолитном блоке полупроводникового материала, а пассивные элементы нанесены в виде тонких плёнок; плёночные интегральные микросхемы, в которых активные и пассивные элементы нанесены на подложку в виде тонких плёнок.

2 слова о разработке интегральных микросхем в России.  

СОСТОЯНИЕ ЭЛЕКТРОНИКИ В рОССИИ И В МИРЕ

Развитию микроэлектроники в России уделяли необходимое внимание лишь до 1985 года. К тому времени отставание от США составляло 2-3 года. Эта цифра относится к производству, в разработке новых изделий микроэлектроники отставания практически не было. Но следует учесть несколько особенностей. Во первых показатели надежности наших изделий во много раз уступали зарубежным аналогам, во вторых (что самое неприятное) уже тогда многие отечественные микропроцессоры проектировались методами прямого копирования изделий таких компаний как Intel, DEC, Texas Instruments. Начиная с 1986 года, объемы финансирования НИОКР были резко сокращены (прекращены), в то время как в США они постоянно увеличиваются (по сравнению с 1986 годом – 20 млрд. дол., в 2005 – 30 млрд.дол.). Или в Китае, где ставят задачу через пять лет стать мировым лидером в производстве интегральных схем, а в дальнейшем стать законодателем в области разработок. Ожидается, что через 4 года китайская электронная промышленность будет обеспечивать 30% мировой потребности в интегральных схемах. Правительством этой страны постоянно поддерживается национальный приоритет электроники в исследовательских центрах, ежегодно технические университеты выпускают 450 тысяч инженеров.

Доля полупроводниковых компонентов в электронной аппаратуре непрерывно растет – с 5% в 1960 году до 20% в 2000 году. В то же время уровень технологии в России (0.8 – 1 мкм) позволяет выпускать только аналоговые интегральные схемы и дискретные полупроводниковые приборы (диоды, транзисторы и т.п.). Несмотря на большой общемировой объем изделий с таким технологическим уровнем, основная прибыль образуется при производстве изделий по 0.1–0.5 мкм технологиям. По оценке Миннауки РФ – 40% мирового рынка высоких технологий сегодня контролируется США. Доля России составляет меньше 0.5%. причем в США ученых и инженеров–разработчиков всего в 2 раза больше, чем у нас. На развитие производства и повышение конкурентоспособности электронной техники направлены усилия правительств всех передовых стран – США, Японии, Германии, Англии, Франции, Китая, Южной Кореи, Тайваня. Это не удивительно, поскольку один доллар, вложенный в электронику, превращается в 100 долларов в конечном продукте. Один килограмм изделий микроэлектроники по стоимости эквивалентен 110 тоннам нефти. Уровень рентабельности данной отрасли – 40%, а средний срок окупаемости вложений 2-3 года. Одно рабочее место в электронике дает четыре рабочих места в других отраслях.

Такой бурный рост микроэлектронных технологий – это результат крупных капиталовложений. Представление об объеме вложений в развитие технологий можно составить на примере корпорации Intel. Только на программу освоения 0,13–мкм технологии и перехода к кремниевым пластинам 300 мм Intel в 2000 году затратил 7,5 млрд. дол. Это позволило компании с 2002 года массово выпускать микропроцессор Pentium 4 с минимальными размерами 0.13 мкм и степенью интеграции 50 млн. транзисторов на кристалле.

В России сложилась совершенно иная ситуация. Финансирование электронной компонентной базы в рамках Федеральной целевой программы «Национальная технологическая база» позволяет лишь частично проводить НИОКР, но не реализовывать проекты по созданию современных производств микроэлектроники. Это касается даже тех направлений, в которых наши специалисты добились успехов, соответствующих мировому уровню исследований. (технология создания полупроводниковых приборов на арсенид-галиевых гетероструктурах, микросистемной технике (на одной подложке механич. ус-ва и система управления), полимерная электроника (приборы отображения информации и видеомодули) )

В отличии от технологии СБИС, доминирующей в системах обработки информации, наногетероструктурная электроника доминирует в системах передачи информации.

Объем мировых продаж гетероструктурных транзисторов мионолитных интегральных схем ежегодно увеличивается на 30%. По прогнозам ближайшие 12-15 лет наиболее привлекательный для инвестиций.

57% гетереструктурного рынка – сотовая связь. Гетеретранзистор есть в каждом телефоне. 23% высокоскоростная волоконно-оптическая связь. Потребляющая монолитные интегральные схемы на частоты до 60ГГц (есть работы на создание приборов частотой 110 ГГц). 12% - цифровое ТВ. (частоты от 12ГГц – до 30-40 ГГц). Быстро растет рынок автомобильных радаров против столкновений (70-77 ГГц), спутниковая связь до 60 ГГц.

3-4% рынка военные цели (бортовые и наземные локаторы).

Там где частоты 4-5 ГГц – классическая кремнивая технология (полевой транзистор с затвором Шотки), все что выше наногетероструктурная технология.

В России современной промышленной гетероструктурной технологии пока нет – нет в части производства гетеротранзисторов, не в части производства гетеромикросхем. Сквозного, унифицированного и лицензированного САПРа тоже нет. Коммерческого рынка не существует, доминирует оборонный госзаказ. (все как в США в 80-х).

Пока на выделенные правительством деньги создается технологическая линия (до 0.1мкм) в ФГУП «ИСТОК». Планируется запустить ее через 2-3 года. Основные потребители ОКБ «Сухой», концерн ПВО «Алмаз-Антей». Гражданского сегмента рынка нет.

В тоже время в РАН (Физ=техе им.Иоффе, институте СВЧ-полупроводниковой электроники, Институте визике полупроводников) созданы достаточно мощные научно-технические заделы. Для реализации их необходимо создание специализированных научно-промышленных центров, оснащенных самым современным промышленным оборудованием. Стоимость оборудования для одного такого центра 20-25 млн. евро.


Производство интегральных микросхем связано с большими технологическими трудностями. К примеру, в Омске нет предприятий, способных из кремниевой пластины самостоятельно изготовить микросхему. Обычно, в случае если типовые (серийные) микросхемы не удовлетворяют требованиям, то на предприятие-изготовитель полупроводниковых элементов (в Томске, Новосибирске или в том же Китае) отправляют тех.задание в виде «эл.требований» по токам, мощностям, шуму и т.д. Разработка микросхем всегда значительно дороже, чем непосредственно себестоимость ее изготовления. Цены «штучных» микросхем и «серийных» отличаются на порядки. Иногда, завод высылает номенклатуру своих базовых элементов. На основе их разрабатывается микросхема и на завод отправляется комплект фотошаблонов (в электронном виде). Это значительно убыстряет и удешевляет изготовление микросхемы, поскольку этап разработки берет на себя заказчик. Но подготовить специалистов у себя владеющих особенностями технологий данного завода и пр. занимает и время, и требует значительных материальных затрат. И до перестройки и последовавших кризисов, Россия отставала от передовых технологий, а после них мы отброшены на десятки лет. Единственное предприятие, которое государство стало вкладывать некоторые суммы (насколько я знаю) – это НПО «Исток» во Фрязино (подмосковье). Остальные пытаются выживать самостоятельно, но выдержать конкуренцию с дешевыми, легкими, надежными и т.п. зарубежными комплектующими сложно. И на сегодняшний день, в России их можно по пальцам пересчитать. В целом, то, что я видел, сводится к унынию и угасанию. Все это хозяйство живет в большой степени за счет личных качеств отдельных руководителей и опыта инженеров, организующих свои фирмы на производственной базе институтов. Развить свою инфраструктуру они не в состоянии. На жизнь им хватает, но вытеснить кого-то, в ближайшие 5 лет, с рынка и начать экспортироваться за рубеж – очень маловероятно.

Маршрут изготовления микроэлектронного устройства.

Любое микроэлектронное устройство начинается с разработки. Точнее, сначала ставиться задача - создать изделие с определенными характеристиками. Это изделие делиться на блоки, а блоки на устройства. Продумав, просчитав всю физику этих желаемых характеристик устройства, разработчик начинает с плат. Разводит все элементы по платам, думает как соединять их и как это повлияет на прохождение сигнала, какой выбрать поглотитель, какой материал корпуса и подложки. Какие размеры резисторов и проводников, какие микросхемы и т.д. Расчеты ведутся с помощью общепринятых программных продуктов (MicroWaveOffice), так и собственных программ расчета. Платы разводятся в AutoCADe P-CADe. Затем следует выдача конструкторской документации. Такой пакет документов говорящий – что нужно сделать (что в итоге должно получиться). В технологические подразделения он выдается следующим образом. В производство в виде комплекта чертежей на корпуса и рамки. На участок изготовления плат в виде чертежей на платы, содержащих геометрию тонкопленочных элементов, координат отверстий и пазов и пр., на участок монтажа помимо непосредственно чертежей на монтаж навесных элементов на платах, поступают сборочные чертежи монтаж плат в корпус. Помимо этого на основе этих чертежей создаются ведомости материалов и комплектовочные ведомости и передаются в отделы снабжения и комплектации. Плюс существуют экономисты, бухгалтеры, которые все это обсчитывают. Если грубо обобщить: задача разработчика – придумать, конструктора – нарисовать, технолога – сделать. Эти трое должны тесно взаимодействовать. На малых предприятиях (с небольшими объемами и номенклатурой) – это, как правило, один или несколько человек, но специалисты очень высокого класса.

Другими словами. На керамической подложке (с соответствующей диэлектрической проницаемостью и тангенсом угла наклона диэлектрических потерь) формируются из осажденных резистивных и проводящих слоев – пассивные элементы. В большинстве своем – это резисторы, проводники и контактные площадки, иногда катушки индуктивности. Затем на контактные площадки разваривают (или паяют) активные элементы – диоды, транзисторы, микросхемы (кристаллы). Платы крепятся на рамки или сразу в корпуса (в зависимости от конструкции). Развариваются выводы, после чего в корпуса закачивается инертный газ, создавая избыточное давление, и корпус герметизируется. Теперь это стала микросборкой. В дальнейшим, когда я буду говорить о микроэлектронных устройствах, я буду иметь ввиду эти микросборки. После чего их испытывают и проверяют эл.параметры.


1. РАЗРАБОТКА, ПРОЕКТИРОВАНИЕ





– Разработка эл. схемы

– Разводка по платам, сборкам


Выдача Констр. Док-ции

Уч. произ-ва дет.


Чертежи деталей:
  • корпуса
  • рамки
  • крышки и т.д.

Уч. монтажа МЭУ:


монтажа навес. эл. на платах

Сборочные чертежи
  • деталей
  • плат

Схема электрическая

Уч. изготовления плат


Чертежи плат:
  • геометрия тонкопл. эл.
  • номиналы резисторов
  • отверстия, пазы и т.д.



2. ИЗГОТОВЛЕНИЕ



Выдача Технол. Док-ции


Маршутно-технологическую карта (сопров.лист)

+вед. мат-лов (раз в год)

– Маршутно-технологическая карта

–ведомость мат-лов

Маршутно-технологическая карта

Комплектовочная ведомость
  • детали
  • платы
  • покупная комплектация
  • крепеж




Детали:
  • корпуса
  • рамки
  • крышки и т.д

Тонкопленочные платы

Изготовление деталей, плат


Крупный монтаж:

– монтаж навесных элементов (диодов, конд-ров, рез-ров) методом пайки




Микромонтаж:

– монтаж навесных элементов (диодов, транз-ров, кристалов) методом приклейки и разварки выводов




Настройка:
  • подгонка эл.параметров (подстроечные элементы)


Герметизация

Пайкой, сваркой


Сушка

Закачка нейтрального газа

Проверка на гермитичность



Сушка

3. ИСПЫТАНИЯ



Термоциклы

(тепло-холод)


Проверка эл. параметров


Мех.испытания

(вибрации, удары)


Климатические испытания

(проверка эл. параметров при тепле-холоде)



Затем микросборки передают в сборочные цеха, где из микросборок собирают блоки (и испытывают), а из блоков изделие (и опять испытывают).

Основное внимание в данном спец.курсе будет уделено изготовлению тонкопленочных плат. Как и какие подготавливаются подложки. Чистые помещения, требования к ним, общие принципы построения и эксплуатации. Методы очистки подложек. Методы осаждения различных структур на них (проводящих, резистивных, диэлектрических). Вакуумная техника. Установки напыления, Средства контроля толщины, вкууметры, составные части вакуумных систем (натекатели, ловушки, насосы) Формирование тонкопленочных элементов методом фотолитографии (позитивной, негативной, «взрывной»). Оборудование для фотолитографических процессов. Изготовление фотошаблонов (металлизированных и эмульсионных). Гальванические покрытия – серебрение, золочение, никелирование. Групповое лужение. Выбор припоя и флюса. Резка плат, прошивка отверстий. Скрайбированием, алмазными дисками, лазером.

Также будут отмечены методы монтажа навесных элементов (пайка, сварка, термокомпрессия). Монтажа плат в корпус (пайка, приклйка). Герметизация и испытания микроэлектронных устройств (отбраковочные и климатические). Последние 2 лекции будут посвящены толстопленочным и печатным платам. Их определениям, основным характеристикам и типовым маршрутам их изготовления.

Литература


Журнал Электроника 5-6 номер 2004года. «Полупроводниковая электроника в России» Ж.Алферов