4.2. ГПС    ИЗГОТОВЛЕНИЯ    МОНОЛИТНЫХ ИНТЕГРАЛЬНЫХ     МИКРОСХЕМ

Краткая конструкторско-технологическая характеристика монолитных (полупроводниковых) интегральных микросхем (ИМС). Монолитные ИМС являются одним из наиболее желательных типов ИМС с точки зрения их применения, в частности потому, что они являются наиболее надежными и самыми дешевыми из всех интегральных структур. Современные монолит­ные ИМС вполне способны заменить все логические устройства, которые применяются в ЭВМ. В последнее время значительно расширилось их при­менение в линейных (аналоговых) устройствах. Бесспорным пре­имуществом монолитных ИМС является то, что они имеют меньшие габарит­ные размеры и массу, чем такие же ГИС, изготавливаются практически до конца методами групповой технологии. Сборка ИМС в корпус значительно проще сборки ГИС, они имеют существенно меньше соединений, что резко повышает их надежность. Выпускаемые в настоящее время полупровод­никовые ИМС по принципу действия активного элемента делятся на два вида: биполярные ИМС; униполярные МДП ИМС.

Основой производства большинства современных полупроводниковых приборов (в том числе монолитных ИМС) является планарно-эпитаксиальная технология. Рассмотрим основные особенности этой технологии на примере производства монолитных ИМС. Поскольку радиоэлементы таких схем формируются в процессе изготовления транзисторов ИМС, достаточно проследить основные этапы производства планарно-эпитаксиального тран­зистора для биполярных ИМС и МДП-транзистора для МДП ИМС.

На рис. 4.9. представлена структура биполярного транзистора ИМС с

комбинированной изоляцией (изоля­цию от подложки осуществляют с , помощью р — п перехода, а боковую изоляцию — с помощью диэлектрика S102. Основой ИМС является высоко-омная (р « 10 Ом • см) кремниевая пластина р-типа, в которой методом ло­кальной диффузии через маску защит­ного оксида SiO₂ создают скрытый слой п* id = 2-5 мкм; R_s = 20Ом/П)

Анализ типовой схемы планарно-эпитаксиального, а также других вариантов ТП производства полупроводниковых ИМС позволяет сделать вывод о том, что производство современных полупроводниковых приборов представляет собой; дискретную последовательность сравнительно не­большого числа технологических операций. Эти операции можно разбить на несколько характерных групп (рис. 4.10). Основными являются операции первых трех групп, так как они формируют внутреннюю структуру прибора. В зависимости от метода осуществления этих операций устанавливаются состав и взаимосвязь необходимого технологического оборудования, а также перечень входных и выходных переменных параметров операций, необходимых для управления процессом производства ИМС в АСУТП.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис.    4.10.   Систематизация   групп   операций

планарно-эпитаксиальной    техноло­гии:

1 — операции формирования в ис­ходной пластине полупроводниковых областей с заданными свойствами (1.1 — диффузия; 1.2 — сплавление; 1.3 — эпитаксия; 1.4 — ионная имп­лантация) ; 2 — операции формиро­вания рисунка заданной конфигура­ции (2.1 — литография; 2.2 — селек­тивное травление; 2.3 - размерная обработка остросфокусированным пучком); 3 — операции формиро­вания защитных, рези ставных и токо-проводящих пленок (3.1 — вакуум­ное напыление; 3.2 — осаждение хи­мическими методами; 3.3 — меха­ническое покрытие); 4 — заключи­тельные операции изготовления при­бора (4.1 — скрайбирование; 4.2 — закрепление кристалла на основании; 4.3 — присоединение выводов; 4.4 — герметизация; 4.5 — технические ис­пытания) ; 5 — операции текущего контроля (5.1 — измерение геомет­рических размеров; 5.2 — измере­ние параметров структуры; 5.3 -контроль чистоты материалов и тех­нологических сред; 5.4 — измере­ние электрофизических характерис­тик; 5.5 — проверка на функциони­рование)

 

Типовые технологические и гибкие производственные модули изготовле­ния монолитных ИМС. Весь процесс производства монолитных ИМС удобно представить р виде трех основных фаз, соответственно которым можно указать состав типовых технологических и гибких производственных модулей ГТМ и ГПМ изготовления ИМС.

Первая фаза — заготовительная — обеспечивает выпуск полу­проводниковых слитков, кремниевых пластин, отдельных деталей и узлов металлостеклянных и металлокерамических корпусов, рамок и „паучков" для пластмассовых корпусов и т.п. Для реализации операций этой фазы используются следующие ГТМ и ГПМ: выращивания монокристаллов, зонной очистки, холодной штамповки, гальванических покрытий, терми­ческой обработки, оптикомеханической и фотолитографической обработки.

Вторая фаза — обрабатывающая — предназначена для из­готовления эпитаксиальных структур со скрытым слоем, кремниевых структур с диэлектрической изоляцией, интегральных структур на пласти­нах. Реализация указанных планарно-эпитаксиальных структур осуществля­ется в ходе функционирования ГТМ и ГПМ: термохимической обработки, фотолитографии, окисления и диффузии, ионной имплантации, вакуумного напыления, электроизмерительных.

Третья фаза — сборочн о-к онтрольная — предназначена для окончательной сборки ИМС в корпусы. Для выполнения процесса сборки ИМС используются ГТМ: подготовки кристаллов, монтажа, микросварки выводов, герметизации, контроля, классификации, технологических испытаний, окраски, магжишвки. упаковки.

 

Исходя из анализа фаз производства ИМС и состава ГТМ и ГПМ их реализующих можно выделить два типа комплексов, объединяющих указан­ные ГПМ (ГТМ).

Комплексы первого типа — выполненные в виде автоматизи­рованных производственных комплексов (АПК), которые используются в первой и третьей фазе производства ИМС, характеризуются автономностью, прямоточностью, ритмичным поступлением изделий на обработку, отсутствием ограничений по времени и условиям хранения. Чаще всего они реализуются как автоматизированные поточные линии.

Комплексы второго типа — также выполненные в виде АПК, которые обслуживают -вторую фазу производства ИМС, отличаются целостностью, сильным взаимодействием между всеми этапами обработки (цикличностьТП), сложным маршрутом движения изделий, случайным во времени поступлением пластин на обработку, ограничением на время хранения пластин, специфической организационной структурой произ­водства.

ГПС изготовления ИМС. В качестве примера рассмотрим два вида ГПС изготовления ИМС: автоматизированная поточная линии (АЛЛ) для произ­водства структур ИМС (вторая фаза производства ИМС); автоматизи­рованный цех для изготовления ИМС (вторая фаза производства ИМС, комплекс второго типа).

АПЛ для производства структур ИМС. В линию (рис. 4.И) входят четыре стандартных ГПМ: модуль промывки и травления; модуль диффузии и окисления; модуль фотолитографии; модуль напыле­ния. Модули линии связаны между собой транспортными средствами (ленточные конвейеры, трансманипуляторы). Управляется АЛЛ двух­уровневой системой управления.

ГПМ промывки и травления содержит установки ступенчатого и одно­кратного непосредственного травления окислов и металлов, а также оборудование удаления фоторезиста и промывки пластин в воде. Пластины в этот ГПМ подаются на обработку партиями по команде с программного пульта управления системы управления в кассетах. В состав ГПМ входят автоматизированные и автоматические ГТМ (оборудование). Транспорти­рование кассет, их установка и съем после обработки осуществляется манипулятором.

ГПМ диффузии и окисления состоит из трех автоматизированных ГТМ. Кассеты с пластинами передаются из одного ГТМ в другой роботом-мани­пулятором. В ГПМ имеются накопители для „ длительного " и „оператив­ного" крепления подложек. Выдача партий пластин из накопителей про­исходит по командам от ЭВМ системы-управления АПЛ. По сигналу мани­пулятор устанавливает указанную партию пластин в скафандр с ленточным конвейером. Пластины в автоматическом режиме проходят промывку и попадают на площадку перед соответствующим каналом печи. Специальное загрузочное устройство подает кварцевую лодочку с пластинами в диф­фузионную печь, а по истечении установленного времени процесса возвра­щает лодочку на исходную позицию.

ГПМ фотолитографии содержит ГТМ для нанесения фоторезиста, термообработки, проекционного совмещения, экспонирования, проявления.

 

 

Рис. 4.11. Схема АПЛ:

1 — накопитель для хранения пластин; 2 — автомат промывки; 3 — диффу­зионная печь; 4 — туннель; 5 — загрузчик; 6 — ленточный транспортер; 7 — блок измерительный; 8 — установка управления диффузией; 9 — уста­новка непрерывного напыления; 10 — установка выращивания окисных пленок; 11 — установка перегрузки лодочек; 12 — установка термообработ­ки; 13 - автомат для нанесения фоторезиста; 14 - установка совмещения и экспонирования проекционного типа; 15 — автомат проявления; 16 — уста­новка вжигания; 17 - перегрузчик; 18 - автомат ступенчатого травления; 19 — автомат травления; 20 — автомат травления алюминия; 21 — автомат удаления фоторезиста; 22 - устройство централизованного управления линией; 23 — промышленная телевизионная установка

Накопительное устройство предусмотрено после выполнения операции первой термообработки (здесь возможно длительное хранение пластин). Пластины на позицию экспонирования устанавливаются автоматически. Проекционная фотопечать обеспечивает длительный срок службы ФШ и повышение процента выхода годных.

ГПМ напыления состоит из двух ГТМ: автоматизированной вакуумной установки напыления алюминия с электронно-лучевым испарителем; четырехкамерной установки с резистивным нагревом для осаждения двуокиси кремния с целью защиты металлических токоведущих дорожек.

Существенным элементом построения указанной выше АПЛ является расположение ГПМ содержащих однотипные ГТМ в соответствии с цикли­ческим характером движения пластин в производстве. Это обеспечивает значительное сокращение общей длины транспортирования партий пластин в производстве.

Системы управления АПЛ решают следующие задачи:

автоматическое управление отдельными ГТМ;

автоматизированное управление АПЛ в целом, в том числе транспортной подсистемой и подсистемой контроля;

оперативно-диспетчерское управление движением материальных пото­ков в линии. Типовая структура и функции СУ АПЛ не отличаются от рассмотренных ранее [5].

 

г'*

Автоматизированный цех для изготовления ИМС. В цехе выполняются все ТП изготовления интегральных структур на пластинах с эпитаксиальными пленками. В цехе, реализованном на базе комплекса „Корунд", содержатся ГПМ: фотолитографии, диффузии, технохимии, вакуумного напыления; измерения статических параметров на пластине, пост централизованного управления производством. В цехе насчитывается 30 типов ГТМ, общее число ГТМ составляет 150 шт. Указанные ГПМ соединены между собой транспортно — складской системой. Управление цехом осуществляется автоматизированной СУ цеха, типовая структура и функции которой не отличаются от рассматриваемых выше [5,15].