Московский инженерно-физический институт(государственный университет)

ФАКУЛЬТЕТ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙФАКУЛЬТЕТ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ И ТЕОРЕТИЧЕСКОЙ ФИЗИКИИ ТЕОРЕТИЧЕСКОЙ ФИЗИКИ

Кафедра №37Кафедра №37«ЛАЗЕРНАЯ ФИЗИКА»«ЛАЗЕРНАЯ ФИЗИКА»

ЛАЗЕРНАЯЛАЗЕРНАЯТЕХНОЛОГИЯТЕХНОЛОГИЯ

Лекция-Лекция-1414

ЛАЗЕРНАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ЛАЗЕРНАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВ.ПОЛУПРОВОДНИКОВ.

Уровень основных операций.Уровень основных операций.Лазерное осаждение тонких пленок.Лазерное осаждение тонких пленок.

Наибольшее развитие как с научной, так и с практической точек зрения получил в Наибольшее развитие как с научной, так и с практической точек зрения получил в микроэлектронике метод лазерного напыления пленок и пленочных структур - лазерная микроэлектронике метод лазерного напыления пленок и пленочных структур - лазерная вакуумная эпитаксия (ЛВЭ). Интерес к разработке принципиально новых импульсных методов вакуумная эпитаксия (ЛВЭ). Интерес к разработке принципиально новых импульсных методов вакуумной гетероэпитаксии в микроэлектронике возник, в первую очередь, благодаря вакуумной гетероэпитаксии в микроэлектронике возник, в первую очередь, благодаря возрастающей тенденции к совмещению кремниевой и арсенид-галлиевой технологий. возрастающей тенденции к совмещению кремниевой и арсенид-галлиевой технологий. Положительные результаты такого совмещения очевидны, например:Положительные результаты такого совмещения очевидны, например:при замене подложки из при замене подложки из GaAsGaAs кремниевой подложкой могут быть преодолены проблемы, кремниевой подложкой могут быть преодолены проблемы, связанные с чрезвычайной хрупкостью связанные с чрезвычайной хрупкостью GaAsGaAs;;поскольку теплопроводность кремния примерно в три раза большпоскольку теплопроводность кремния примерно в три раза большee теплопроводности теплопроводности GaAsGaAs,, при при выращивании пленок этого материала на кремниевых подложках возможно создание более выращивании пленок этого материала на кремниевых подложках возможно создание более мощных арсенид-галлиевых ИС, имеющих более высокую плотность размещения элементов;мощных арсенид-галлиевых ИС, имеющих более высокую плотность размещения элементов;следует ожидать значительного снижения стоимости полупроводниковых ИС, поскольку тонкие следует ожидать значительного снижения стоимости полупроводниковых ИС, поскольку тонкие пленки пленки GaAsGaAs выращиваются на подложках гораздо большего диаметра, чем диаметр выращиваются на подложках гораздо большего диаметра, чем диаметр существующих арсенид-галлиевых пластин, а при обработке кремниевых подложек существующих арсенид-галлиевых пластин, а при обработке кремниевых подложек используются целевые и широко распространенные методики;используются целевые и широко распространенные методики;появляется возможность разработки приборов новых типов, сочетающих структуры, появляется возможность разработки приборов новых типов, сочетающих структуры, изготовленные в слое арсенида галлия, и структуры, расположенные в кремниевой подложке, изготовленные в слое арсенида галлия, и структуры, расположенные в кремниевой подложке, например, возможность объединения на единой подложке элементов интегральной оптики (на например, возможность объединения на единой подложке элементов интегральной оптики (на основе основе GaAsGaAs) и элементов микроэлектроники (на основе ) и элементов микроэлектроники (на основе SiSi).. )..

Уровень основных операций.Уровень основных операций.Лазерное осаждение тонких пленок.Лазерное осаждение тонких пленок.

Схема установки для ЛВЭ. Схема установки для ЛВЭ. Лазерное излучение от Лазерное излучение от импульсного лазера 1 импульсного лазера 1 фокусируется линзой 3 на фокусируется линзой 3 на поверхнести мишени 4, поверхнести мишени 4, расположенной в вакуумной расположенной в вакуумной камерекамере 2. Пароплазменный 2. Пароплазменный поток 5, возникающий в поток 5, возникающий в результате испарения мишени, результате испарения мишени, осаждается на поверхности осаждается на поверхности прогреваемой подложки 6, прогреваемой подложки 6, создавая на ней тонкий создавая на ней тонкий эпитаксиальный слой эпитаксиальный слой

Уровень основных операций.Уровень основных операций.Лазерное осаждение тонких пленок.Лазерное осаждение тонких пленок.

Для получения высококачественных лазерных конденсатов Для получения высококачественных лазерных конденсатов nn--GaAsGaAs и и nn--InSbInSb на на подложке подложке pp--SiSi плотность потока лазерного излучения должна находиться в плотность потока лазерного излучения должна находиться в интервале 3интервале 3101088-3-3101099 Вт/см Вт/см2 2 [61]. Уменьшение плотности потока лазерного [61]. Уменьшение плотности потока лазерного излучения приводит к резкому отклонению от стехиометрии в пароплазменном излучения приводит к резкому отклонению от стехиометрии в пароплазменном потоке. Увеличение же его до 5потоке. Увеличение же его до 5101099 Вт/см Вт/см22 влечет за собой существенное влечет за собой существенное увеличение дефектности получаемых пленок, как следствие этого, уменьшение увеличение дефектности получаемых пленок, как следствие этого, уменьшение подвижности носителей в пленке. Удалось получить гетероструктуры подвижности носителей в пленке. Удалось получить гетероструктуры GaAsGaAs//SiSi, , InAsInAs//SiSi и и InSbInSb//SiSi при несоответствии параметров решетки 4, 11 и 18при несоответствии параметров решетки 4, 11 и 18% % соответственно. соответственно. Высокоэнергетичные ионы из пароплазменного потока осуществляют Высокоэнергетичные ионы из пароплазменного потока осуществляют распыление окисного слоя, создавая в нем окна размером 1-10 нм. Нраспыление окисного слоя, создавая в нем окна размером 1-10 нм. Нaa участках участках очищенной поверхности начинается эпитаксиальный рост полупроводников очищенной поверхности начинается эпитаксиальный рост полупроводников АА33ВВ55. После зарастания окон на поверхности окисной пленки образуется система . После зарастания окон на поверхности окисной пленки образуется система

ориентированных зародышей новой фазы. Рост пленки на этих дискретно ориентированных зародышей новой фазы. Рост пленки на этих дискретно расположенных зародышах происходит без образования дислокаций расположенных зародышах происходит без образования дислокаций несоответствия, поскольку контакт между пленкой и подложкой имеет место несоответствия, поскольку контакт между пленкой и подложкой имеет место только на части поверхности. При этом выходы столбцов полупроводников только на части поверхности. При этом выходы столбцов полупроводников AA33BB55

в окнах могут отклоняться на значительные расстояния без существенного в окнах могут отклоняться на значительные расстояния без существенного напряжения химических связей.напряжения химических связей.

Уровень основных операций.Уровень основных операций.Лазерное осаждение тонких пленокЛазерное осаждение тонких пленок..

Совмещенная технология Совмещенная технология GaAs/SiGaAs/Si.. На рисунке приведен пример реализации процесса ЛВЭ в конкретном На рисунке приведен пример реализации процесса ЛВЭ в конкретном электронном устройстве - пример получения электронном устройстве - пример получения nn--pp--nn транзистора: транзистора: 1 - пленка1 - пленка АА33ВВ55, полученная методом ЛВЭ; 2 - слой , полученная методом ЛВЭ; 2 - слой pp--SiSi; 3 - слой ; 3 - слой nn--SiSi; 4; 4 - -

окисел; 5 - металлические контакты; 6 - подложка окисел; 5 - металлические контакты; 6 - подложка pp--SiSi. .

Уровень основных операций.Уровень основных операций.Лазерное осаждение тонких пленок Лазерное осаждение тонких пленок

высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП).высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП).

Уровень основных операций.Уровень основных операций.Лазерное осаждение тонких ВТСП- пленок .Лазерное осаждение тонких ВТСП- пленок .

Уровень основных операций.Уровень основных операций.Лазерное осаждение тонких ВТСП- пленок.Лазерное осаждение тонких ВТСП- пленок.

Уровень завершающих операций.Уровень завершающих операций.Лазерное скрайбирование.Лазерное скрайбирование.

Скрайбирование заключается в нанесении рисок на рабочую повСкрайбирование заключается в нанесении рисок на рабочую повepxepxность полупроводниковой ность полупроводниковой пластины с готовыми интегральными пластины с готовыми интегральными ccхемами с целью дальнейшегхемами с целью дальнейшегoo разделения пластин на разделения пластин на кристаллы (чипы). Риски располагают по межсхемным дорожкам в двух взаимно кристаллы (чипы). Риски располагают по межсхемным дорожкам в двух взаимно перпендикулярных направлениях.перпендикулярных направлениях.В 70-х годах повсеместно в электронной промышленности применяется лазерное В 70-х годах повсеместно в электронной промышленности применяется лазерное скрайбирование. Особенностью лазерного скрайбирования является то, что оно обеспечивает скрайбирование. Особенностью лазерного скрайбирования является то, что оно обеспечивает разламывание пластин с перпендикулярными рабочей поверхности боковыми гранями разламывание пластин с перпендикулярными рабочей поверхности боковыми гранями кристаллов. К достоинствам способа лазерного скрайбирования можно отнести высокую кристаллов. К достоинствам способа лазерного скрайбирования можно отнести высокую производительность при отсутствии сколов. Лазерное скрайбирование обеспечивает производительность при отсутствии сколов. Лазерное скрайбирование обеспечивает качественное разламывание пластин кремния толщиной до 400-450 мкм. Недостатком метода качественное разламывание пластин кремния толщиной до 400-450 мкм. Недостатком метода лазерного скрайбирования является разбрызгивание продуктов обработки - частиц испаряемого лазерного скрайбирования является разбрызгивание продуктов обработки - частиц испаряемого и расплавленного полупроводникового материала, из-за чего необходима защита рабочей и расплавленного полупроводникового материала, из-за чего необходима защита рабочей поверхности пластины. поверхности пластины. Для лазерного скрайбирования в настоящее время наиболее широко используется частотный Для лазерного скрайбирования в настоящее время наиболее широко используется частотный АИГ: NАИГ: Ndd-лазер с длиной волны излучения 1,06 мкм в режиме модулированной добротности -лазер с длиной волны излучения 1,06 мкм в режиме модулированной добротности ((ttии=100-500 нс). При использовании такого режима обработки реализуют ширину риски 25-40 =100-500 нс). При использовании такого режима обработки реализуют ширину риски 25-40

мкм с глубиной 50-100 мкм. Как правило, скорость скрайбирования выбирают в пределах от мкм с глубиной 50-100 мкм. Как правило, скорость скрайбирования выбирают в пределах от 100-200 мм/с. Поскольку для эффективной реализации процесса лазерного скрайбирования 100-200 мм/с. Поскольку для эффективной реализации процесса лазерного скрайбирования необходимо равномерно удалить материал в области лазерного воздействия, плотность потока необходимо равномерно удалить материал в области лазерного воздействия, плотность потока излучения необходимо выбирать в диапазоне излучения необходимо выбирать в диапазоне qqсс

33 < <qq< < qqсс44

Уровень завершающих операций.Уровень завершающих операций.Лазерное скрайбирование.Лазерное скрайбирование.

Серийная установка для лазерного скрайбирования состоит из лазера, оптической системы для Серийная установка для лазерного скрайбирования состоит из лазера, оптической системы для фокусировки лазерного излучения и визуального наблюдения за процессом, блоков управления фокусировки лазерного излучения и визуального наблюдения за процессом, блоков управления и механизма перемещения рабочего стола, на котором устанавливается полупроводниковая и механизма перемещения рабочего стола, на котором устанавливается полупроводниковая пластина.пластина.Для улучшения данной процедуры используется режим многократного скрайбирования. Дня Для улучшения данной процедуры используется режим многократного скрайбирования. Дня снижения загрязнения рабочей поверхности пластины продуктами лазерного скрайбирования снижения загрязнения рабочей поверхности пластины продуктами лазерного скрайбирования применяется вакуумный отсос и нанесение на рабочую поверхность пластины слоя латекса применяется вакуумный отсос и нанесение на рабочую поверхность пластины слоя латекса (водный раствор каучука), поливинилового спирта, поверхностно-активных веществ.(водный раствор каучука), поливинилового спирта, поверхностно-активных веществ.Процесс лазерного скрайбирования определяется набором параметров. Длина волны излучения, Процесс лазерного скрайбирования определяется набором параметров. Длина волны излучения, мощность излучения, диаметр фокального пятна, частота следования и длительность импульсов мощность излучения, диаметр фокального пятна, частота следования и длительность импульсов являются фиксированными. А скорость скрайбирования, шаг поперечной подачи образца являются фиксированными. А скорость скрайбирования, шаг поперечной подачи образца (пластины) и число проходов можно изменять. Выбор последних параметров определяется (пластины) и число проходов можно изменять. Выбор последних параметров определяется требуемой глубиной лазерной риски, зависит от толщины пластины и размеров кристаллов требуемой глубиной лазерной риски, зависит от толщины пластины и размеров кристаллов (чипов). Пластины диаметром 76 мм и толщиной 380 мкм скрайбируют за два прохода при (чипов). Пластины диаметром 76 мм и толщиной 380 мкм скрайбируют за два прохода при рабочей скорости стола 120 мм/с. При этом глубина риски долина быть не менее 80 мкм. рабочей скорости стола 120 мм/с. При этом глубина риски долина быть не менее 80 мкм. Пластины диаметром 100 мм, толщиной 460 мкм скрайбируют при той же скорости, но за три Пластины диаметром 100 мм, толщиной 460 мкм скрайбируют при той же скорости, но за три прохода, получая риску глубиной 100 мкм.прохода, получая риску глубиной 100 мкм.

Уровень завершающих операций.Уровень завершающих операций. Маркировка. Маркировка.

В настоящее время существуют два способа лазерной маркировки: сфокусированным пучком и В настоящее время существуют два способа лазерной маркировки: сфокусированным пучком и широким пучком через маску. Последний осуществляется СОшироким пучком через маску. Последний осуществляется СО22-лазерами, а маркировка -лазерами, а маркировка

сфокусированным пучком в основном осуществляется АИГ: сфокусированным пучком в основном осуществляется АИГ: NdNd-лазерами в режиме модуляции -лазерами в режиме модуляции добротности или в импульсном режиме, могут использоваться также непрерывные СОдобротности или в импульсном режиме, могут использоваться также непрерывные СО22-лазеры. -лазеры.

При этом формируются символы из последовательности регулярно распределенных или При этом формируются символы из последовательности регулярно распределенных или перекрывающихся точек. Для управления лазерным лучом в двух взаимно перпендикулярных перекрывающихся точек. Для управления лазерным лучом в двух взаимно перпендикулярных направлениях используются электромеханические дефлекторы - зеркала с гальванометрическим направлениях используются электромеханические дефлекторы - зеркала с гальванометрическим приводом. Использование программного упприводом. Использование программного упpapaвлвлeeния позволяет изменять параметры сигнала ния позволяет изменять параметры сигнала для маркировки.для маркировки.Автоматическая система с электромеханическими дефлекторами обеспечивает маркировку Автоматическая система с электромеханическими дефлекторами обеспечивает маркировку сложных буквенно-цифровых шрифтов. Производительность этого способа маркировки 1 сложных буквенно-цифровых шрифтов. Производительность этого способа маркировки 1 деталь/с или 6 млн. деталей в год. При таких скоростях маркерный знак может содержать до 40 деталь/с или 6 млн. деталей в год. При таких скоростях маркерный знак может содержать до 40 меток. Типичное поле маркировки 7,5÷10 смметок. Типичное поле маркировки 7,5÷10 см22 на рабочем расстоянии 15÷30 см, глубина на рабочем расстоянии 15÷30 см, глубина маркировочного знака по стали достигает 0,005-0,0075 см. При помощи лазеров на АИГ: Nмаркировочного знака по стали достигает 0,005-0,0075 см. При помощи лазеров на АИГ: Ndd в в режиме модуляции добротности наносится цифро-буквенная информация в виде непрерывных режиме модуляции добротности наносится цифро-буквенная информация в виде непрерывных линий, состоящих из перекрывающихся точек.линий, состоящих из перекрывающихся точек.Импульсными АИГ: Импульсными АИГ: NdNd-лазерами при частоте 100 Гц осуществляется штриховая маркировка в -лазерами при частоте 100 Гц осуществляется штриховая маркировка в виде точечных матриц. При растровом сканировании лучом площади до 7,5виде точечных матриц. При растровом сканировании лучом площади до 7,5xx7,5 см компьютер 7,5 см компьютер по программе определяет моменты включения лазера. В последнее время разрабатываются по программе определяет моменты включения лазера. В последнее время разрабатываются универсальные системы для резки и маркировки, пайки и маркировки с использованием до 10 универсальные системы для резки и маркировки, пайки и маркировки с использованием до 10 волоконно-оптических кабелей вывода излучения.волоконно-оптических кабелей вывода излучения.

Уровень завершающих операций.Уровень завершающих операций. Пайка и контроль качества паяных соединений.Пайка и контроль качества паяных соединений.

Принципиальная схема установки для Принципиальная схема установки для пайки с контролем и обратной связью пайки с контролем и обратной связью изображена на рисунке: 1 - детектор изображена на рисунке: 1 - детектор инфракрасного излучения; 2 - инфракрасного излучения; 2 - предусилитель, 3 - преобразователь предусилитель, 3 - преобразователь информации в цифровую форму, 4 - информации в цифровую форму, 4 - юстировочное устройство на базе Не—юстировочное устройство на базе Не—NNee-лазера, 5 - АИГ: N-лазера, 5 - АИГ: Ndd-лазер, 6 - -лазер, 6 - прерыватель, 7 - компьютер, 8 - прерыватель, 7 - компьютер, 8 - координатный стол с сервоприводом, 9 - координатный стол с сервоприводом, 9 - телевизор, 10 -монитор. Время пайки телевизор, 10 -монитор. Время пайки одного соединения - 50 мкс. С учетом одного соединения - 50 мкс. С учетом времени на позиционирование луча времени на позиционирование луча формируются 10 соединений в 1 с, т.е. формируются 10 соединений в 1 с, т.е. обрабатывается от 25000 до 36000 обрабатывается от 25000 до 36000 соединений в 1 ч.соединений в 1 ч.