张旭生产实习

XIDIANUNIVERSITY西生产实习报告安電薄厚膜集成电路子科技院系：物光院电科大姓名：张旭學学号：05101151指导教师：张显老师薄厚膜集成电路生产实习前言：二零一三年最后在学校的一周，我们进行了为期一周的非常有意义的生产实习。这一周里我们大家天天早早的从床上爬起来到实验室虚心的向老师学习、认真的听老师指导，在大家的努力下共同完成了一次盛大的生产实习，下面是我们的收官之作，也是我们这一周的汗水与智慧的结晶！一、薄膜的生产工艺1.1引言在电子技术方面，薄膜近来之所以深受重视，其原因主要有两个：1．由于薄膜很薄，使得结构紧凑。例如，一个厚400埃、宽1密耳的薄膜电阻，其单位长度电阻为同样材料制成的直径l密耳的电阻丝的500倍。如以电容器为例，结定容量所需的面积与介质薄膜的厚度成比例。2．把许多互洼的元器件制造在每一个基片上，以构成“薄膜集成电路”，从而实现电路集成化。在许多情况下，耳把其他的元器件，如晶体管、二极管或“硅集成电路”，加接到同十基版。如此构成的电路J称做“混合电路”。电路集成化有许多优点，即成本低、再现性好和性能高．特别是可靠性高.还有其他一些次要的理由，也说明薄膜对电子技术的重要性。这些理由是：所制成的元器件不但精密，而且性能稳定；可以达到规定的温度系数；在原来的位置上可对完成的网络进行功能调整。此外，薄膜也适用于分布参数网络。贵金属薄膜用于装饰玻璃和陶瓷器皿，已有一千多年的历史。旱在公元七世纪，就知道银盐悬浮液除覆在玻璃药瓶上，并加热伎银盐变为金属银。制备薄膜的另一个很古老的方法，就是把金打肉“金吁”，用这种方法制成的最薄的薄膜，其厚度约为百万分之四或五对。由于加到金叶上的力太大，以致发生破裂现象．从而使其荡度也就受到限制。—：薄膜的厚度通常以埃作为计量单位，一埃相当于十亿分之四吋，即同单个原于的大小为同一数量级。最近，薄膜已经用于研究固体的结构与其物理性能之间的相互关系。薄膜实际上用于电路、光学仪器和磁性信息存储器件等。这种新型的薄膜，是把材料淀积在洁净的支承基片上制成的，并不是把材料展薄而咸的。电子电路方面所用的薄膜，其厚度由几百埃到数万埃。典型的薄膜厚度可以是1000埃，而其玻璃基片的厚度为膜厚的10000倍。薄膜在结构上也有不同，从非晶型的薄膜(如阳极氧化物介质)到单晶薄膜(如外延生长的硅)。可是，大部分薄膜是多晶体，由许多小晶体(叫做微晶或昆柱)构成，以不规则的方位彼此结合。对于很薄的薄膜，微晶的大小为其厚度的函数；但对于较厚的薄膜，一般与厚度无关。微晶的大小介于50一2000埃之间。此外，微晶的大小也取决于淀积参数(如基片温度、淀积速率)，而且在淀积后还可以用退火法加以改变，以较小的微晶生成大的晶体。1.2物理性能械性能与块型材料的机械性能极不相同。例如，有些薄膜的强度为退火的块型材料试样的200倍，为冷加工块型材料的几倍。产生这种特性的原因有两个：其一，多晶薄膜结构较冷加工所得到的更不规则(晶粒较小)；其二，如果薄膜很薄，位错就会出现在薄膜的整个厚度上而加以固定，无屈服机理。在很薄的介质薄膜中，发现薄度产生一种电子效应，即当厚度降低到一定值以下时，恒定场导电发生突变。对于厚度大于约100埃的介质薄膜，产生给定电流所需的丸一般与薄膜的厚度无关。可是，较落的薄膜，其电流密度由于“隧道”效应而大为增加。这是因为具有给定能量以穿透介质势垒的电子，其概率随厚度减小而按指数增大薄膜的沉淀1.3点解沉淀十九世纪初，镀金已经发明。此后不久，其他金属也用电解淀积方法制成薄膜。装饰性和保护性薄膜的淀积，不久亦相继出现，采用的是电解淀积法(作为提炼金和饲的一种方法)。电镀铜在电铸方面有了进一步的应用，用作汽车“五金零件”镀铬的衬底。淀积厚度可达干分之几时，因而这一方法亦可用于改变工件的尺寸。如果非导体上先被覆上导电层，则薄膜亦可镀在非导体上。在金届的电解淀积过程中，电解液中的金属离子向所加电场的阴极移动。离子接受电子而淀积在阴极上成为金属原于。淀积而成的薄膜，其特性决定于电流密度、电解液的搅拌和温度、金属高于的扩散速率以及电极的形状和结构。电解液中的杂质亦可随同金属被吸附或淀积，从而影响薄膜的特性。如果原子不断地从一边覆盖到另一边，就会形成一个壁层，使金属无法继续淀积在阴极的表面上。淀积过程先是从少数有利的位置(显然是表面缺陷处)开始，附着于这些部位的金属高子再沿着表面向扭结处、边缘、台阶或其他断开处移动(在并入金属晶格之前)。晶体就是这样在表面上一层一目地纵横生长起来，宜到生长晶面彼此相通为止。相邻的晶体具有不同的取向，从而形成了多晶结构。如果电解液的浓度在生长中的晶核附近降低，与横向生长相比，这有利于向外生长。相反，离子浓度在表面周围较高，则有利于横向生长。简单的电镀装置，是把两个铜电极置于硫酸铜水溶液中，电极与外直流电源相接；硫酸铜溶液中的铜离子被吸引到负电极即阴极。当铜离子接纳两个电子后即淀积到阴极上时，阳极的铜原于给出两个电子而溶解于溶液中，成为带正电荷的铜离子。铜离子接纳电子而成为不带电荷的铜原子，称作化学还原2R极上铜原子失去电子，称作氧化。描述这一过程的物理定律．首先由法拉第于1833年提出，并为后来的发现所证实，成为物理科学理论基础的一个重要部分。法拉第定律表明，96500库伦的电量在阴极还原1克化学当量的材料，在阳极氧化1克化学当量的材料。现代的电镀槽是一个复杂的系统，槽内加有各种特殊的添加剂，以便控制电镀相中的酸度和薄膜的亮度，促进孔和缝隙内的电镀过程，以及生成均匀的较厚的薄膜。在薄膜电路应用方面，采用电镀法来制造组合金属掩模和提高互连的导电性。电解淀积而成肋磁性薄膜，用于制造电子计算机的存储器。在许多光学用途上，因电镀槽复杂、不易控制，妨碍了电镀薄膜的应用。化学还原大约在电解淀积法发明的同时，就发明了另一种薄膜淀积技术。这种技术目前还在应用，主要是用于镜子镀银。这个方法采用的是硝酸银溶液，加入还原剂，金属银就淀积起来。所用的还原剂，一般是糖、罗谢耳盐(Rochellealt）【1】或甲醛。这种技术也适用于铜、铂、硫化铅的淀积。硫化铅薄膜用于制造电阻，早在1910年就有人提出过。1.4工艺与设备基片从经济上考虑，人们把几个电路共蒸发在一个大基片上。基片上的电路数与成本的关系见图l2.1和12.2。为了简便起见，假设每个电路的面积为1平方时，则横座标表示基片平方时的总尺寸，以便同它上面的电路数表示一致。此外，假定基片可采用的最大长匿为5时。图12．1的曲线表示每个基片上的电路由1个增加到2个时，单个电路的成本就增加，原因是切开基片的成本高于得各电路分别蒸发节省的费用。电路数继续增加，成本显著地下降，直至每个基片上的电路为5至6个为止。在这一点上，由于需把基片切成两种尺寸(图12．2)，而发生斜串突变。为了力求节约，基片的尺寸应尽可能选得大一些，但不要过大，以便生产设备容易操作。基片尺寸的大小主要受溅射设备的限制。一般溅射设备限制基片尺寸为15/4×9/2时，并定该尺寸为标准尺寸。按此尺寸设计新的薄膜电路，在一个基片上制出尽量多的电路。通常，稍微调整一下电路的尺寸，就可以明显地增加一个基片上的电路数。选用15/4x9/2时这个标准的基片尺寸，各种基片材料的相对成本值列7下表，其中把末涂釉的99．5%三氧化二铝陶瓷基片的相对成本值定为基数1。薄膜特性的控制了生产性能合乎要求的薄膜，操作连续式溅时机时，应控制几个相互之间和薄膜特性都有影响的变量。采用“逐段线性模拟”【3】能够简化这项工作。这项技术是把任一曲线的一小段近似为一直线，只要用这个模拟沾稍微调整机器的变量，使它接近工作点，所产生的误差站不大，所得结果也就有用。可把溅射机看作一个具有4个可测的输入变量的“黑箱”。这4个变量是溅射电压、溅射电流、送料速度、氮流量【1。与这4个变量有关的输出变量是膜电阻、膜厚、电阻率、电阻温度系数【2。这4个变量当然是所要控制的薄膜特性。图12．9表示输出变量与可洲的输入变量的关系的粗略标准，它说明其他输入变量都固定时，一个输入变量改变，对每个输出变量有影响。其他输出变量是单位基片的成本。这个变量与送料速度成反比，与其他输入变量几乎无关。应用上述标准，可以选择极佳的输入条件。如果汉考虑经济性和膜电阻，最好在高电压、大电流、小贸流量下工作，以使送料速度高。按上述方法工作、可制出负温度系数较小的薄膜。当然，这些受设备最大电压和电流的限制。氮流量过小亦会影响薄膜的稳定性。还应考虑诸如载体和基片的温度、放气量及真空室的放气量等不可测的变量的影响。为了补偿这些变量的变化，当发现任一输出变量超过公差时，可根据上述标准进行调整。通常，机器每开始运转时，都需进行这项操作，使运转稳定下来。图案的产生制造薄膜电路的前四个主要步骤是：淀积Ta—N膜；淀积导电膜；形成Tn—N图案；形成导电膜图案。这四个步骤先后的顺序习作些调整。最常见的流程列于表12.1。下面详细谈谈这几种流程。由表12.1可以看出，创作薄膜电路需刻出两种不同的图案，即Ta叫图案和导电膜图案o这几种方法都是通过光刻产生Ta—N图案，这在后面将详细谈及。另一方面，导电膜图案可用如A，B，D那样的光刻法形成，也可通过掐模直接蒸发上所需的图案。用方法A先把Ta—N和导电膜淀积在基片的整个表面上，然后通过光刻产生导电膜图案和Ta—N图案。这个方法很适用于生产。因为在溅射与蒸发这两道工序之间很少用手调整，所以电阻膜和导电膜间就不大可能受污染。这是现今最常用的方法。用方法B把Ta—N溅射在整个基片上。蒸发导电膜之前，先产生Ta—N图案。然后蒸发导电膜，继而产生导电膜图案。用旋涂工艺涂敷光致抗蚀剂时，这个方法就比方法A扰先采用。方法A不采用旋涂工艺，因为涂敷抗蚀刘质量差会使腐蚀过分，而这又是由于光致抗蚀剂不能紧附在先前已腐蚀过的导电膜的缘上。也可用方法B使电阻在蒸发导电膜以前就部分地阳极化。要求电阻噪音低就不能使用方法B，因为用此方法可能产生接触电阻。用方法c把Ta—N淀积在整个基片上，然后如方法A那样蒸发导电膜，只不过通过机械掐模废接蒸发上图案，接着通过光刻产生Ta—N图案。这样，就减少了一道光刻工序，可以降低加工成本。最后的方法D与方法AfR4以，把Ta—N和导电膜先后淀积在整个基片上，然后顺次产生图案。仅涂上一层光致抗蚀剂就产生Ta—N和导电膜两种图案。所以，这个方法也可降低成本，但应用的范围有限，因为在腐蚀操作中难免腐蚀过分。二、厚膜的生产工艺2.1引言集成电路是微电子技术的～个方面，也是它的一个发展阶段，电子产品的发展成就主要体现在集成电路的发展上。微电子技术主要是微小型电子元件器件组成的电子系统。集成电子则是为了完成电子电路功能，以特定的工艺在单独的基片之上(或之内)形成无源网络并互连有源器件，从而构成的微型电子电路。集成电路主要包括；半导体集成电路、厚膜混合集成电路和薄膜混合集成电路。厚膜混合集成电路是在∞年代中期出现的。1945年美国Centralab公司为迫击炮弹近炸引信生产了小型的振荡放大电路，该电路使用陶瓷基片。上面敷设银导体和电阻，再焊上小型电子管，成为厚膜混合电路的雏形。1950年出现了网印电阻、电容片．1959年美国DuPoint公司首先成功制成了金属陶瓷电阻浆料(钯——银系电阻浆料)，同时提出在A1203陶瓷基片上进行印刷的方案，至此，厚膜混合集成电路已基本定型．也正是从上世纪六十年代开始，厚膜混合集成电路就以其元件参数范围广，精度和稳定度高、电路设计灵活性大、研制生产周期短、适合于多种小批量生产等特点，与半导体集成电路相互补充、相互渗透，业已成为集成电路的一个重要组成部分。广泛应用于电控设备系统中，对电子设备的微型化起到了重要的推动作用。虽然在数字电路方面，半导体集成电路充分发挥了小型化、高可靠性、适合大批量低成本生产的特点，但是厚膜混合集成电路在低噪声电路，高稳定性无源网络，高频线性电路，高精度线性电路，微波电路，高压电路，大功率电路，模数电路混合等许多方面，都保持着优于半导体集成电路的地位和特点。随着技术的发展，厚膜混合集成电路