Контрольно - измерительное и испытательное оборудование

В производстве ИС важное место принадлежит контролю ка­чества проведения. технологического процесса, состоящего из нескольких десятков различных операций и .переходов. Несо­вершенство и нестабильность отдельных технологических операций и оборудования, приводящие к невоспроизводимости и разбросу параметров изготовленных структур, ошибки опера­торов делают неизбежным появление дефектов в процессе изго­товления ИС. Поэтому для обнаружения дефектов и устране­ния дефектных структур из последующего цикла изготовления, а также для проверки соответствия изготовленной ИС требо­ваниям технических условий используется контрольно-измеритель­ное оборудование.

Различают два вида контроля ИС: производственный и кон­троль готовых структур. Производственный контроль является составной частью технологического процесса и направлен на обнаружение явных и скрытых дефектов. Этот контроль может носить как пассивный, так и активный диагностический ха­рактер. Производственный контроль охватывает целый комплекс различных физических, химических и электрических методов измерений как материалов, полуфабрикатов, структурных эле­ментов и готовых ИС, так и технологических режимов и пара­метров отдельных операций.

Контролируется качество обработки полупроводниковых под­ложек, эпитаксиально выращенных полупроводниковых пленок, а также диэлектрических, металлических, магнитных и других пленок, качество диффузии и ионного легирования, отжига по­лупроводниковых структур, качество проведения микролитогра­фии, травления, сборочных и заключительных операций.

Разработано большое число методов анализа поверхности и приповерхностных слоев. Эти методы классифицируются по ти­пам возбуждающего и регистрируемого излучений, приняты сле­дующие обозначения: ЭСХА — электронная спектроскопия для химического анализа; УФЭС — ультрафиолетовая фотоэлектрон­ная спектроскопия; ЭЗМА — электронно-зондовый микроанализ; СПВ — спектроскопия потенциалов возбуждения; ЭМ — электрон­ная микроскопия; РЭМ — растровая ЭМ; ОЭС — Оже-электронная спектроскопия; ДМЭ — дифракция медных электронов; ДБЭО — дифракция быстрых электронов на отражение; ИС — ионизационная спектроскопия; СПЭ — спектроскопия потерь энергии; ЭФИБ — эмиссия фотонов при ионной бомбардировке; ИОЭС — ионная Оже-электронная спектроскопия; РИНЭ — рас­сеяние ионов низких энергий; РИВЭ —рассеяние ионов высоких энергий; МСВИ — масс-спектроскопия вторичных ионов; ИМА — ионно-зондовый микроанализ; ПМЗ — протонный микрозонд.

Для исследования образцов указанными выше методами не­обходимо осуществлять их препарирование. Послойное стравли­вание образцов проводят с помощью избирательных травителей, воздействующих либо на пленку, либо на подложку. Все боль­шее распространение для препарирования образцов находит ме­тод ионного распыления. При этом одновременно с распылением.

Полупроводниковые приборы и микросхемы применяют в разнообразной аппаратуре, работающей в самых различ­ных условиях: при повышенной влажности, резком изме­нении температуры и т. п.

Почти для всех видов аппаратуры (в особенности косми­ческой, авиационной, медицинской, корабельной) необхо­димы долговечность и практическая безотказность комплектующих полупроводниковых приборов и микросхем в тече­ние всего времени их работы и хранения. Высокая надеж­ность приборов и микросхем обеспечивается не только качеством и воспроизводимостью технологии их изготовле­ния, но и полнотой отбраковочных испытаний и контроля на всех стадиях производства.

После сборочных операций приборы или микросхемы должны пройти ряд технологических (отбраковочных) испытаний, включающих в себя комплекс различных воз­действий, измерение основных электрических параметров и визуальный контроль. Это обусловлено тем, что отдель­ные приборы после сборки могут иметь скрытые дефекты, образованные вследствие несовершенной конструкции и от­клонения технологических режимов при монтаже и герме­тизации; они не выдержат длительной работы в уст­ройствах при различных воздействиях, которые оговорены техническими условиями. В результате технологических испытаний такие изделия отбраковывают.

Выдержавшими испытания считаются приборы и мик­росхемы, которые после испытаний не изменили своей конст­руктивной формы и внешнего вида, сохранили герметич­ность корпуса и электрические параметры.

В полупроводниковой промышленности установлены сле­дующие виды технологических (отбраковочных) испытаний

и контроля: визуальный контроль до герметизации; ме­ханические, климатические и электрические испытания после герметизации; проверка герметичности; визуальный контроль внешнего вида; рентгенотелевизионный контроль.

Состав и последовательность технологических испыта­ний (табл. 24) устанавливают в технологической докумен­тации, исходя из особенностей конструкции приборов и микросхем и технологических процессов их изготовления с учетом видов дефектов и механизмов отказов, характер­ных для данного типа изделия и его назначения.

Визуальный контроль приборов и микросхем проводят до и после герметизации. Визуальным контролем до гер­метизации устанавливают состояние поверхности кристал­ла, элементов конструкции и качества монтажа, а после герметизации — дефекты приборов и микросхем, возникшие при их герметизации. При контроле рекомендуется ис­пользовать образцы внешнего вида прибора или микросхе­мы, рисунки и фотографии, иллюстрирующие дефекты, по ко­торым бракуется прибор.

Ренгенотелевизионный контроль проводят с целью непосредственного наблюдения и исследования внутренней структуры приборов и микросхем. Он предназначен для до­полнительной проверки качества сборки и оценки эффектив­ности визуального контроля до герметизации.

Климатические испытания включают испытания на воз­действие повышенной температуры, на воздействие смены температур и на влагостойкость.

Испытания на воздействие повышенной температуры предназначены для стабилизации параметров. Их проводят в камерах теплоты, обеспечивающих заданную темпера­туру (от 70 до 200 °С) в течение заданного времени. Ре­комендуемая длительность термовыдержки 48±4 ч. Режимы указываются в технологической документации.

Испытания на воздействие смены температур (термоциклирование) применяют для проверки качества выполнен­ных ранее различных внутренних соединений прибора, прочности металлостеклянных спаев, качества защиты. Изделия подвергают воздействию не менее трех непрерыв­но следующих друг за другом циклов. Каждый цикл состоит из двух этапов выдержки изделий в камерах теплоты и холода, обеспечивающих заданный режим. В камере теплоты и холода (рис.16.1) устанавливается заданный темпе­ратурный режим не более чем за 5 мин после загруз­ки в них приборов. Нижнее значение температуры уста­навливается — 60 °С, верхнее выбирают из ряда от 70 до 175 °С. Время переноса изделий из камеры холода в ка­меру теплоты и обратно не должно превышать 1 мин.

В настоящее время в промышленности при испыта­нии на воздействие смены температур наиболее широко применяют специальные камеры РКТЦ-65-200. Цикличес­кое изменение температуры вызывает изменения линей­ных размеров всех деталей приборов и микросхем. Нена­дежные спаи дадут трещины, обрывы, плохое лаковое по­крытие может обнажить электрический переход. Приборы с нарушениями обнаруживают путем внешнего осмотра и изме­рения основных электрических параметров.

Испытание на влагостойкость применяют для выявления дефектов пластмассовых конструкций. Изделия выдержи­вают в камере влажности при 50 или 85 °С и относительной влажности 85±3% или 95±3% не менее 2 сут.

В камере влажности устанавливаются заданные значе­ния температуры и влажности. Она выполнена в виде шкафа и состоит из каркаса с обшивкой, рабочей камеры, систем нагрева и автоматического регулирования теплоты, систем создания и автоматического регулирования влажности.

Рисунок 16.1- Камера теплоты и холода КТХ-0,4-65/155

1 –пенопласт, 2 –рабочий объем камеры, 3 –дверь, 4 –блокировочная кнопка, 5 – панель управления,6-пульт управления,7,11- запорные вентили,8-конденсатор,9- каркас,10-съемная панель,12- реле давления,13- конденсатор-испаритель,14- нагреватель,15- выключатель,16- вентилятор,17- привод вентилятора,18,19- испарители фреона-22 и фреона-13,20- датчики температуры,21- перегородка.

Испытания на стойкость к механическим воздейст­виям служат для проверки механической прочности конст­рукции и качества выполненных ранее внутренних сое­динений (приварка выводов, спаев керамики и стекла с ме­таллами и пр.). С помощью этих испытаний устанавли­вают, не образуются ли кратковременные либо постоян­ные короткие замыкания или обрывы.

Как указывалось выше, в технологии изготовления по­лупроводниковых приборов и микросхем используют испы­тания на воздействие одиночных ударов и испытания на воздействие линейных (центробежных) нагрузок.

При испытании на воздействие одиночных ударов при­боры с помощью специального приспособления жестко закреплены на платформе испытательной установки. Вели­чина ускорения и длительность ударного импульса ука­зываются в технологической документации. На рис. 16.2 по­казана кинематическая схема ударного стенда.

Принцип действия ударного стенда основан на свобод­ном падении стола (массивной стальной плиты) с испытываемыми изделиями; падая, плита ударяется об опоры.

Передача ударных нагрузок осуществляется по следую­щей кинематической цепи. От электродвигателя 7 вращение передается на червячный редуктор 8 и горизонтальный вал 9. На валу жестко закреплен кулачок 10, на который опи­рается вертикальный шток 4. На штоке смонтирована удар­ная пружина 6, которая нижним концом упирается во фла­нец, жестко закрепленный на штоке, а верхним — в ста­кан планки 5. Планка регулировочными винтами // свя­зана с плитой основания стенда. При изменении длины пружины изменяется ударная нагрузка. Ударные импульсы устанавливают с помощью линейки 12. При совмещении стрелки, расположенной на планке 5, можно быстро нала­живать стенд на заданные ударные нагрузки.

Верхний конец штока 4 оканчивается фланцем, который через стержень 14 связан со стаканом 3. Ударный им­пульс возникает после удара штока 4 в стакан 3 под дейст­вием ударной пружины. Между корпусом стенда / и плитой 2, а также между стаканом 3 и направляющей установ­лены прокладки 15, оказывающие влияние на длительность ударного импульса. Плита 2 фиксируется на колонках 13.

При вращении кулачка 10 шток поднимается вверх, сжи­мает ударную пружину и поднимает направляющие с пли­той на 3—4 мм. При падении шток под действием удар­ной пружины ударяет в стакан, удар передается на плиту и корпус с приборами. Частота ударов регулируется часто­той вращения электродвигателя от пульта управления.

Отдельные типы микросхем и особенно приборы в микро­модульном исполнении подвергают испытаниям на удар с ин­дикацией обрывов электродов путем простукивания специ­альным механическим молоточком. Микросхемы или приборы загружают в специальные зажимы, укрепленные на плите приспособления, по которым с определенной силой и час­тотой ударяет механический молоточек. При наличии кратковременного обрыва в испытуемой интегральной микросхеме с резистора снимается положительный импульс нап­ряжения, который фиксируется индикаторным устройством.

Испытание на воздействие линейных (центробежных) нагрузок предназначено для выявления приборов с дефек­тами монтажа и ослабленными узлами соединений выво­дов и корпуса.

Приборы или микросхемы с помощью специального при­способления закрепляют на роторе центрифуги так, чтобы обеспечить приложение линейного ускорения заданной вели­чины и направления. Величина линейного ускорения ус­танавливается в технологической документации исходя из особенностей конструкции прибора

Рисунок 16.2 – Кинематическая схема ударного стенда

1 –стол стенда, 2 –плита, 3 –стакан, 4 –шток, 5 – планка,6- ударная пружина,7- электродвигатель,8- червячный редуктор,9- горизонтальный вал, 10- кулачок, 11- регулировочный винт,12- линейка,13- колонка,14- стержень,15- резиновые прокладки

Испытания проводят при воздействии линейного ускоре­ния в одном наиболее опасном направлении. Продолжи­тельность воздействия 1 мин.

В процессе производства полупроводниковых приборов и ИС подложки проходят через большое число операций (до 200). Однако в процессе производства только несколько десятков ключевых операций (20-50) имеют прямое влияние на характеристики приборов.

Производственный контроль включает:

· Контроль технологических процессов;

· Операционный контроль;

· Приемочный контроль.

Что должны контролировать и измерять ?

1. Геометрические размеры элементов (ширина, толщина, глубина залегания, рельеф травления).

2. Электрофизические характеристики слоев (ρv,ТКС, концентрация, профиль концентрации, ε, tg δ, Е_пφ, N_ss, BAX,ВФХ,тип проводимости).

3. Химические (состав, скорость травления).

4. Механические характеристики (механические напряжения, плотность, твердость, трибологические характеристики, адгезия).

5. Кристаллографические характеристики (структура, наличие дефектов, размер зерна, и т. п.)

К жесткому коромыслу 4, установленному на шарнире 6, прикреплена корундовая игла 3 и подвижный груз W₀, служащий для компенсации веса индентора. Механизм 5 обеспечивает мягкое опускание иглы под действием нагрузки W на образец 2.

· Метод нормального отрыва;

· Метод липкой ленты.

Таблица16.1- Состав и последовательность технологических испытаний

Климатические испытания включают испытание на воздействие повышенной температуры, смены температуры и на влагостойкость. Для м/схем специального назначения добавляются испытания на морской туман, испытания на грибок.

Испытания на повышенную температуру проводят при 70-200⁰С в течение 48 ±44.

Испытание на воздействие смены температуры проводят при-60⁰С до или 175⁰С

Испытание на влагостойкость: Т=50 и 85⁰С; влажность 85 ±3% или 95 ±3% в течение 48 часов.

Полупроводниковые приборы и м/схемы, применяются в разнообразной аппаратуре, работающей в самых разнообразных условиях, при повышенной влажности, резком изменении температуры и т.д.

Почти для всех видов аппаратуры (в особенности для космической, авиационной, корабельной и медицинской) необходима долговечность и практическая безотказность в течение всего времени работы и хранения.

После сборочных операции приборы или м/схемы должны пройти ряд технологических (отбраковочных) испытаний. Выдержавшими испытания считаются приборы и м/схемы, которые не изменили своей конструктивной формы и внешнего вида, сохранили герметичность корпуса и электрические параметры.

Рентгенотелевизионный контроль.по сравнению с оптической микроскопией обладает более высокими значениями пространственного разрешения и глубины резкости, а также возможностью одновременного проведения химического атомарного анализа.

На рисунке представлена блок-схема растрового ЭМ. Электроны генерируются э/пушкой с ускорением напряжения 0,5-25КВ, затем фокусируются в пучок малого диаметра, 0,1-1 мкм, разворачиваемый в растр на поверхность образца. При этом возбуждаются 3 типа излучения: рентгеновское, вторичные электроны и отраженные электроны.

Ток вторичных электронов используется для модуляции интенсивности электронного луча в ЭЛТ. Поскольку развертка электронного луча в ЭЛТ синхронизирована с разверткой первичного э/пучка, на экране ЭЛТ формируется изображение поверхности образца, яркость отдельных элементов которого определяется изменениями интенсивности вторичных или отраженных электронов.

Для проведения химического анализа используется рентгеновское излучение.