 |
|
Тема. Методи ізолювання елементів ІМС
При виготовленні інтегральних схем дуже важливим є контроль технологічних процесів . Добре організований контроль забезпечує високий пріцент виходу придатної продукції . Успішний контроль виготовлення інтегральних мікросхем в основному залежить від знання процесу виробництва і полягає у вимірі та візуальної перевірки основних операцій технологічного процесу , а також у використанні полученой інформації для коригування технологічних режимів . Методи технологічного контролю , використовувані у виробництві ІМС , можна об'єднати в три групи: поопераційний контроль , візуальний контроль , тестові ІМС .
Методи поопераційного контролю після технологічних процесів епітаксії , дифузії та інших ті ж , що і у виробництві дискретних пріборов.Сюда входять вимірювання товщин плівок , глибин pn - переходів , поверхневої концентрації та ін , вироблені на спеціальних контрольних зразках , які розміщені разом з робочою пластинами на дану операцію .
Метод візуального контролю відіграє важливу роль у виробництві ІМС , незважаючи на гадану тривіальність . Він включає огляд схем під оптичним мікроскопом і використання різних засобів візуалізації - спостереження термографії та ін
Нарешті , один з основних методів контролю параметрів ІМС на різних технологічних етапах - це застосування тестових структур. Розглянемо більш докладно два останні методу .
Візуальний контроль . Істотні дані про стан пластини можна отримати візуальної перевіркою за допомогою мікроскопа з великим збільшенням - від 80х до 400х . При цьому виявляються такі показники , як стан поверхні , надлишкове або недостатнє травлення , зміна товщини окисного шару , правильність переходу та ін
Одним з найбільш небезпечних дефектів є пористість окисного шару , легко обнаруживаемая при візуальної перевірки схеми під мікроскопом. Це - невеликі отвори в окісна шарі , викликані або пилом при нанесенні фоторезиста , або пошкодженням фотошаблона . Якщо цей дефект виявиться в критичній точці , то подальша дифузія домішки може викликати коротке замикання переходу і вихід з ладу всієї мікросхеми.
Одним з ефективних методів візуалізації є використання скануючого електронного мікроскопа, що дозволяє спостерігати топографічний і електричний рельєф інтегральної мікросхеми. Це спостереження забезпечує неруйнівний характер контролю . Для спостереження необхідно , щоб поверхня мікросхеми була відкритою. Різка зміна потенціалу на поверхні викликає зміну контрасту зображення, формованого вторинними електронами , і свідчить про розімкнутої електричного кола або про перегрітих ділянках . Цим методом можна легко виявити забруднення переходу , частинки пилу , проколи в окісна шарі і подряпини на тонкому шарі металізації . Нормальний градієнт потенціалу в резистори можна спостерігати у вигляді рівномірного зміни кольору від темного на одному кінці резистора до світлого на іншому його кінці , при цьому підкладка має більш високу напругу зміщення , як це зазвичай буває і інтегральних мікросхемах. Зображення резистора тому буде рельєфним . Встановивши ряд таких зображень інтегральних компонентів , відповідних нормі , можна судити на підставі порівняння з цими еталонами про відхилення і викликали їх причинах . Збільшення енергії електронів у промені дозволяє проникати в поверхневий шар для виявлення таких дефектів , як тріщини .
Для вимірювання термічних профілів з виявленням перегрітих ділянок розроблений інфрачервоний скануючий мікроскоп. Мікроскоп включає ІК -детектор з високою роздільною здатністю , об'єднаний з точною деталлю сканирующим і записуючим пристроями. Чутливим елементом є пластина антимонида індію , підтримувана при температурі рідкого азоту. Таку апаратуру використовують для оцінки якості конструкції даної мікросхеми щодо розсіювання тепла і потужності. Термосканірующій прилад має такі переваги: висока роздільна здатність - порядку 1 * 10-3 мм2 , висока чутливість до зміни температури - близько 2 ° С , широкий температурний діапазон - від 30 до декількох сотень градусів , висока швидкість спрацьовування - одиниці мкс , неруйнуюче і безконтактне вимір.
У планарних структурах на поверхні схеми добре видно гарячі ділянки , що виникають в результаті наявності проколів в оксиді і дифузійних каналів у напівпровіднику . Відхилення від норми виявляють шляхом порівняння з нормально функціонуючими стандартами ІМС . В останні роки широке застосування отримали термографічні системи, засновані на використанні термочутливих фарб. Плівки з термочутливих фарб , у тому числі рідких кристалів , нанесені на поверхню інтегральної мікросхеми , поставленої під навантаження , фарбуються в різні кольори , що дозволяє , спостерігаючи ІМС під мікроскопом , фіксувати зміна температури з точністю до 0.5 ° С.
Тестові інтегральні мікросхеми. Наявність в інтегральних мікросхемах великої кількості конструктивних елементів - по кілька сотень і тисяч перетинів провідників , переходів із шару на шар , областей і висновків активних і пасивних компонентів , контактних майданчиків та ін Практично виключає 100 %-ний контроль всіх елементів по електричним параметрам з - за високої трудомісткості цієї операції. В цей же час необхідність такого контролю , особливо на етапі відпрацювання та вдосконалення технології , очевидна.
Для контролю електричних характеристик структур та якості проведення технологічних операцій використовують спеціально виготовлені або розміщуються на робочій підкладці структури , звані тестовими мікросхемами . Основний принцип їх побудови полягає в тому , що тестова мікросхема по відношенню до реальної повинна бути виготовлена по тому ж технологічним маршрутом , містити всі конструктивні елементи в різних поєднаннях і забезпечувати зручність їх контролю під час випробувань і оцінку якості технологічного процесу. Зручність контролю досягається або послідовним , або паралельним включенням в електричний ланцюг елементів мікросхеми. Тестові мікросхеми складаються з набору декількох сотень однотипних елементів - діодів , транзисторів резисторів , переходів із шару на шар , перетинань провідників та ін з контактними майданчиками і такий комутацією , яка дозволяє при потребі змінити кожен елемент схеми окремо або проконтролювати відразу групу елементів . Наприклад , тестова резисторного схема є послідовною схемою , яка містить 200 елементів , між якими є контактні площадки . Якщо в реальному ІМС зустрічаються високоомні і низькоомні резистори , то роблять дві різні тестові мікросхеми , що відображають специфіку кожного типу резисторів . Аналогічний підхід використовується для тестових мікросхем транзисторів і діодів.
Поряд з тестовими мікросхемами контроль окремих компонентів , в першу чергу діодів і транзисторів , проводиться за допомогою тестових кристалів. Тестовий кристал містить набір ізольованих елементів, що зустрічаються в інтегральній мікросхемі (мал. 54.1). Його розміри близькі до розміру чіпа і на пластині розташоване тестових кристалів стільки ж , скільки розміщується інтегральних мікросхем .
Застосування тестових мікросхем і кристалів дозволяє організувати ефективний технологічний контроль виробництва ІМС і скоротити трудомісткість при проведенні при проведенні випробувань на надійність БІС , особливо на етапі відпрацювання технології .
З підвищенням функціональної складності інтегральних мікросхем різко зростає трудомісткість і складність операцій контролю їх параметрів . Практично неможливо перевірити інтегральну мікросхему без автоматизованих контрольно вимірювальних систем .
До основних видів контрольних випробувань інтегральних мікросхем відносяться:
параметричний контроль
функціональний контроль
діагностичний контроль
Доцільність і ефективність застосування різних видів контролю залежить головним чином від складності і ступеня інтеграції мікросхем , типу логічних елементів і цілей контрольних випробувань .
Параметричний контроль . Використовується для мікросхем з малою інтеграцією і включає в себе вимірювання основних параметрів на постійному струмі. Крім того , даний вид передбачає проведення перевірки правильності виконання нескладних логічних функцій , яка проводиться одночасно з послідовним вимірюванням вихідних електричних сигналів після подачі певної комбінації каліброваних сигналів струму або напруги на входи інтегральної схеми.
Слід зазначити , що ефективність параметричного виду контролю з точки зору оцінки працездатності мікросхеми в цілому з підвищенням ступеня інтеграції зменшується , а вимір деяких процесів , таких , як час наростання і спаду сигналу , стає недоцільним.
Функціональний контроль . Використовується для перевірки інтегральних схем з високим ступенем інтеграції і включає в себе проведення статистичних і динамічних вимірювань на базі контрольної тестової таблиці , складеної , наприклад , за допомогою ЕОМ з урахуванням мінімізації кількості вхідних кодових комбінацій. Функціональний контроль дозволяє проводити перевірку великих інтегральних мікросхем в умовах , близьких до експлуатаційних .
Діагностичний контроль . Найбільш ефективний при проведенні випробувань гібридних інтегральних мікросхем , в яких в принципі можлива заміна несправних елементів , розташованих на загальній підкладці.
Складність і різноманіття програми функціонального та діагностичного контролю інтегральних мікросхем вимагають обов'язкового використання ЦВМ і спеціальних автоматизованих систем. Автоматизовані системи, що використовуються для контролю інтегральних мікросхем , характеризуються такими основними параметрами : продуктивністю , максимальним числом висновків , максимальним числом розрядів кодової комбінації , котра видається однією командою за один цикл управління , числом контрольних постів в системі , з якими можлива одночасна робота , складом і універсальністю програмного забезпечення , можливістю виконання параметричного контролю .
Принцип роботи автоматизованої системи функціонального контролю інтегральних мікросхем із застосуванням ЦОМ полягає в наступному.
За командою від ЦВМ в лічильник адреси пам'яті записується початкова адреса вхідних тестових комбінацій , а в регістр адреси контрольованої тестової комбінації - відповідну адресу. На компаратор подається від ЦВМ очікувана комбінація вхідних сигналів. Кілька розрядів запам'ятовує вхідних тестових комбінацій виділено для зберігання певного числа циклів тактового генератора Протягом періоду зберігання на вхідні висновки інтегральної схеми повинна подаватися одна і та ж тестова комбінація . Число циклів у зворотному коді переписується в лічильник повторень тестових комбінацій , на рахунковий вхід якого надходять тактові імпульси . При його заповненні збільшується вміст лічильника адреси пам'яті і опитується запам'ятовуючий пристрій вхідних тестів за новою адресою. При рівності адреси лічильника пам'яті і регістра контрольованої комбінації припиняється подача тактових імпульсів , компаратор стробіруется за часом , фіксуючи вхідні імпульси останньої тестової комбінації.
Шляхом запису в регістр адреси контрольованої комбінації різних адрес перевіряється інтегральна мікросхема з динамічною логікою на всіх тестових комбінаціях. Крім зазначених елементів система включає в себе схему порівняння , схему видачі вхідних впливів і вентиль .
Найбільш ефективними методами контролю якості сполук є випробування на механічну міцність і металографічний аналіз .
Для перевірки механічної міцності з'єднань існує багато пристосувань і установок , а також способів випробувань . Наприклад , при випробуванні на зріз структуру з приєднаними висновками піддають розтягуванню силою, що діє паралельно поверхні підкладки . Якщо міцність з'єднання становить менше 70 % міцності застосованої зволікання , з'єднання вважається якісним. Випробування з'єднань на відрив виконується шляхом багаторазових вигинів виведення під кутом 30 , 45 і 90 ° щодо поверхні підкладки (установка УКПМ -1). Міцність клейових з'єднань визначають випробуваннями на розрив. Міцність клейового з'єднання на розрив повинна бути не менше ( 125 ... 150 ) * 105 Н/м2.
Металографічний аналіз полягає в обстеженні поперечних або косих шлифов і дозволяє виявити їх внутрішню структуру і виявляти не змочені при пайку ділянки , проплавлення , мікротріщини , раковини , пори , интерметаллические включення , сліди дифузії припою по межах зерен.
Рентгенівська дефектоскопія за допомогою розбіжного пучка дозволяє виявляти внутрішні дефекти і дає достатню інформацію про надійність з'єднань . На відміну від металографічного аналізу цей метод неруйнівний .
Контроль деталей після холодного штампування виконується візуальним оглядом . Основні види браку після холодного штампування та їх причини наведено в табл. 1 . Розмір деталей . Вимірюють універ - сальними вимірювальними інструментами: штангенциркулем , мікрометром , індикатором і оптичним приладом - інструментальним мікроскопом.
Площина поверхонь деталей перевіряють методом світлової щілини за допомогою лекальної лінійки. Око людини здатний вловлювати просвіт в 0.003 ... 0.004 мм.
Контроль на герметичність проводиться двічі: після виготовлення основи корпусу з ізольованими висновками і після герметизації мікросхем . Герметичність спаю висновків з матеріалом підстави або герметичність мікросхеми в корпусі характеризується швидкістю натекания гелію. Для готових мікросхем за критерій герметичності прийнята швидкість натекания гелію (см3 / с) при різниці тисків зовні і всередині корпусу 105 Па . Корпуси високої якості мають швидкість натекания , що не перевищує 10-8 см3 / с.
Перевірка підстав корпусів на герметичність виконується за допомогою спеціальних пристосувань, що дозволяють за допомогою вакуумних ущільнень створювати обсяг , замкнутий на контрольовану деталь .
Існує багато методів контролю на герметичність. Найбільш часто застосовуються мас- спектрометричний , вакуум- рідинний і вологісний методи .
Мас- спектрометричний метод заснований на індикації атомів гелію , що випливають через наявні в окремих вузлах або загерметизованих корпусах течі. Застосування гелію для виявлення течі пояснюється тим , що він є рухомим газом і має високу проникаючу здатність . Гелій вводиться в корпус мікросхеми або при герметизації , або шляхом тривалої витримки вже загерметизованих мікросхем в спеціальних герметичних камерах - бомбах , заповнених після попередньої відкачки гелієм до тиску (3 ... 5 ) * 105 Па . За час витримки (3 ... 48г ) в бомбі в корпуси мікросхем , що мають течі , проникає гелій. Мікросхеми витягують з бомби і поміщають у склянку установки , наприклад напівавтомата УКГМ -2 з трьохпозиційної каруселлю . Поворотом каруселі склянку переходить в нову позицію , ущільнюється і відкачується . Після відкачки обсяг склянки автоматично перемикається на течешукач , який перетворює витікання гелію в електричний сигнал. Якщо сигнал перевищує встановлене значення , ІМ бракується .
Мас- спектрометричний метод відрізняється високою чутливістю. До недоліків відносяться: низька продуктивність ( 100 ... 200шт / ч) , складність обслуговування установок.
Вакуум - рідинний метод заснований на реєстрації бульбашок повітря , що виходять через течі корпусу в рідину , над якою створюють розрядження близько 10 ... 15 Па . Рідина - гас або уайт - спірит попередньо вакуумируют , тобто витримують протягом години при тиску 700 Па і при температурі 70 ... 120 ° С. Мікросхеми занурюють у рідину. Якщо в корпусі є текти , то за рахунок різниці тисків всередині і поза корпусом газ будев виходити назовні у вигляді цівки дрібних бульбашок. Таким чином , при візуальному спостереженні виявляється місце течі. Метод простий , оперативний, більш продуктивний - до 700шт / год, але менш чутливий і тому дозволяє виявляти тільки грубі течі. Метод застосовується як попередній для обробки корпусів з великими течами перед остаточним контролем мас -спектрометричним методом .
Компресійно - термічний метод - різновид попереднього методу . Корпуси опускаються в нагріте обезводнений силіконове масло. Нагрівання до 200 ° С підвищує чутливість методу .
Вологісний метод контролю найбільш простий, надійний і дозволяє одночасно контролювати , крім герметичності , стійкість покриттів корпусів на вплив підвищеної вологості. Мікросхеми витримують у камерах тепла і вологи протягом декількох діб в умовах підвищеної вологості ( 95 ... 98 %) при температурі ( 40 ± 5 ) ° С. Критерієм забракування є погіршення електричних параметрів внаслідок проникнення вологи в корпуси .
СРС № 55