Процессы и оборудование микротехнологии: Модули 1 и 2

Федеральное государственное бюджетное 
образовательное учреждение высшего образования 
«Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана 
(национальный исследовательский университет)»
Ю.Б. Цветков
Процессы и оборудование 
микротехнологии
Модули 1 и 2
Учебное пособие

УДК 621.3.049.77 (075.8)
ББК 32.85
 
Ц27
Издание доступно в электронном виде по адресу  
ebooks.bmstu.press/catalog/44/book1915.html
Факультет «Машиностроительные технологии»
Кафедра «Электронные технологии в машиностроении»
Рекомендовано Научно-методическим советом  
МГТУ им. Н. Э. Баумана в качестве учебного пособия
Цветков, Ю. Б.
Ц27  
Процессы и оборудование микротехнологии: Модули 1 и 2 : учебное 
пособие / Ю. Б. Цветков. — Москва : Издательство МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2018. — 122, [2] с. : ил.
ISBN 978-5-7038-4864-7
Дано описание общей последовательности процессов микротехнологии на 
примерах производства интегральных микросхем и кремниевого микродатчика давления. Рассмотрены основные этапы получения кремниевых монокристаллических пластин, ключевые операции микротехнологии — изготовление 
кремниевых пластин, оксидирование. Акцентировано внимание на взаимосвязи между свойствами материалов, структуры, устройством и электрическими характеристиками микроструктур. Рассмотрены физико-химические модели и методы анализа качества технологических процессов микротехнологии.
Для студентов МГТУ им. Н. Э. Баумана, обучающихся по направлениям 
«Электроника и наноэлектроника» и «Наноинженерия».
УДК 621.3.049.77 (075.8)
ББК 32.85
© МГТУ им. Н. Э. Баумана, исключитель- 
ное право, 2018.
© Цветков Ю. Б., авторские права, 2018.
© Оформление. Издательство  МГТУ 
ISBN 978-5-7038-4864-7
им. Н. Э. Баумана.

Предисловие
Учебное пособие подготовлено для самостоятельной проработки студентами дисциплины «Процессы и оборудование микротехнологии», входящей в образовательную программу бакалавриата по направлению подготовки 11.03.04 «Электроника и наноэлектроника» (уровень бакалавриата), 
профиль «Электронное машиностроение».
Цель изучения дисциплины — освоение системы общих принципов, положений и методов построения наукоемких технологических процессов на 
примере микротехнологии.
После изучения дисциплины студенты овладеют:
• базовыми знаниями о номенклатуре, возможностях и перспективах 
развития процессов и оборудования микротехнологий;
• методами анализа и управления качеством технологических процессов;
• практическими навыками исследования и реализации ключевых процессов микротехнологии.
Дисциплина и, соответственно, пособие построены по модульному принципу, каждый модуль представляет собой логически завершенный раздел курса.
Для каждого модуля приводится набор планируемых результатов обучения, заданных программой дисциплины. Достижение этих результатов оценивается при текущем контроле усвоения дисциплины.
Для изучения дисциплины необходимо предварительное освоение следующих дисциплин.
1. Иностранный язык («Профессиональная и научная терминология»).
2. Математический анализ («Дифференциальное исчисление»).
3. Аналитическая геометрия («Векторная алгебра», «Матрицы и системы 
линейных алгебраических уравнений»).
4. Интегралы и дифференциальные уравнения.
5. Линейная алгебра и функции многих переменных.
6. Информатика.
7. Физика («Физические основы термодинамики», «Электричество 
и магнетизм», «Электромагнитные волны и оптика», «Основы квантовой теории», «Физика твердого тела»).
8. Химия («Строение вещества», «Общие закономерности протекания 
химических процессов», «Химические и электрохимические процессы в растворах», «Химия элементов»).
9. Электронная компонентная база («Физические процессы в полупроводниковых структурах», модуль «Полупроводниковые приборы).
10. Физико-химические основы электронных технологий.
3

Дисциплина предназначена для достижения ряда результатов обучения: 
что после освоения дисциплины студент будет знать (помнить и понимать), 
уметь (применять, анализировать, оценивать и даже создавать), какими важными навыками он будет владеть.
Планируемые результаты обучения сформулированы в программе дисциплины, их необходимо постоянно иметь в виду при ее изучении, особенно с учетом того, что достижение каждого результата будет оценено при текущем или промежуточном контроле.
Дисциплина построена по модульному принципу, каждый модуль представляет собой логически завершенный раздел курса.
На первом занятии каждый студент получает в электронном виде полный комплект учебно-методических материалов по дисциплине, включающий программу, лекционный курс, методические указания к выполнению 
лабораторных работ.
Лекционные занятия посвящены рассмотрению ключевых, базовых положений курса и разъяснению учебных заданий, выносимых на самостоятельную проработку.
Семинарские занятия проводятся для закрепления усвоенной информации, приобретения навыков ее применения для решения практических задач в предметной области дисциплины.
Лабораторные работы предназначены для приобретения опыта практической реализации основной профессиональной образовательной программы. Методические указания к лабораторным работам прорабатываются студентами во время самостоятельной подготовки. Необходимый 
уровень подготовки контролируется перед проведением лабораторных 
-
работ.
В ряде разделов пособия приведены приложения, разъясняющие основные положения смежных дисциплин, используемых в данном курсе.
Самостоятельная работа студентов включает проработку лекционного 
курса, выполнение домашних заданий, подготовку рефератов и пр. Результаты всех видов работы студентов оформляются в виде их личных портфолио, которые учитываются на промежуточной аттестации.
Предусматривается также расширение материала пособия в результате 
поиска, анализа, структурирования и представления в компактном виде современной информации из всех возможных источников.
Для этого в начале каждого раздела учебного пособия приведены ключевые слова на русском языке. В конце каждого модуля представлены списки дополнительной литературы и адреса источников в Интернете, которые 
можно использовать как начальные источники поиска информации. По 
ключевым словам необходимо найти дополнительную информацию по заданной теме и представить ее в виде аналитического обзора по заданным 
правилам. Новые термины следует оформить в виде глоссария, а изученный 
материал — в виде концептуальной карты (карты памяти).
Каждый раздел завершается списком контрольных заданий, которые необходимо проработать самостоятельно, учитывая, что аналогичные задания 
4

будут предложены при текущем контроле усвоения каждого модуля дисциплины. Их следует выполнять строго по графику учебной работы, обсуждая 
результаты на семинарах и консультациях.
Текущий контроль проводится в течение каждого модуля, его итоговые 
результаты складываются из следующих оценок:
• защита домашних заданий, рефератов;
• защита лабораторных работ;
• контрольные работы,
• работа на лекциях и семинарах.
Для завершения работы в семестре студент должен выполнить все контрольные мероприятия, иметь полный комплект подготовленных домашних 
заданий, рефератов и концептуальных карт.
Промежуточная аттестация по дисциплине (экзамен) основывается 
на результатах текущего контроля, а также включает дополнительное контрольное мероприятие. Оно служит для оценки владения студентом ключевыми, базовыми положениями предметной области, умением их применять, проводить оценку, анализировать и создавать объекты по задаваемым 
параметрам. 
Освоение дисциплины, ее успешное завершение на стадии промежуточного контроля (экзамена) возможно только при регулярной работе во 
время семестра и планомерном прохождении текущего контроля. Создать 
портфолио по трем модулям в каждом семестре, пройти по каждому модулю плановые контрольные мероприятия в течение экзаменационной сессии 
-
невозможно.

Введение
Одно из основных направлений развития современной техники — микроминиатюризация и повышение функциональности ее изделий. 
Термин «микроминиатюризация» был введен в 50-х годах 20 века в США 
разработчиками электронной аппаратуры для первых спутников. Примечательно, что изначально приставка микро- в этом термине воспринималась 
как гипербола. Микроминиатюризация с применением электронных ламп 
и первых транзисторов обеспечивала всего лишь создание электронной аппаратуры с размерами меньшими, чем те, которые до этого считались миниатюрными.
Однако через два-три десятилетия этот термин приобрел буквальное 
значение — электронные устройства становились все миниатюрнее, при 
этом размеры электронных компонентов уменьшились, а их функциональные возможности увеличились радикально.
Появившийся термин «микроэлектроника» уже точно описывал новый 
раздел электроники, связанный с изучением и производством изделий, отдельные элементы которых были уменьшены до микронных, субмикронных 
и нанометровых размеров.
Бурное развитие микроэлектроники в последние десятилетия стало 
возможным благодаря разработке и непрерывному совершенствованию 
технологических методов, обеспечивающих массовое производство микроструктур с уникальными техническими параметрами и приемлемыми экономическими показателями.
В наиболее полной мере эти методы реализованы в полупроводниковом 
производстве при изготовлении интегральных микросхем (рис. В1), а в последнее время микроэлектромеханических систем — МЭМС (рис. В2).
Именно в этих областях достигнуты наиболее впечатляющие практические результаты: резко возросло быстродействие микропроцессоров, увеличены объемы запоминающих устройств, радикально уменьшены размеры 
и повышена чувствительность кремниевых микрода чиков.
т
Расширение функциональных возможностей микроэлектронных компонентов привело к увеличению числа их выводов и, соответственно, 
к возрастанию плотности монтажа на подложках гибридных интегральных 
микросхем и микросборок, на многослойных печатных платах. Ширина 
проводников на этих изделиях уже сейчас составляет 20…50 мкм, непрерывно увеличиваются также их функциональные возможности. При этом структуры интегральных схем и микродатчиков формируют на групповых заготовках — подложках (см. рис. В1, В2). Тенденция к микроминиатюризации 
6

а	
б
Рис. В1. Интегральные микросхемы:
а — топология отдельных кристаллов; б — кремниевая подложка (групповая заготовка)
микроэлектронных компонентов очевидна. Методы технологии микроэлектроники получают широкое распространение в производстве электронной 
аппаратуры, например, при изготовлении печатных плат также используют 
групповые заготовки (рис. В3).
Технологические возможности микроэлектроники послужили основой 
для появления и бурного развития не только микросистемной техники, но 
и оптоэлектроники, они все более широко используются при изготовлении 
дифракционных оптических элементов и микроформованных деталей по 
технологии LIGA (нем. Litographie, Galvanoformung, Abformung — литография, 
гальваностегия, формовка).
К объектам микроминиатюризации относятся весьма разнородные по 
функциональному назначению и параметрам изделия. Вместе с тем с технологической точки зрения они имеют ряд общих признаков, т. е. являются плоскими, многослойными структурами, функциональные элементы 
а	
б
Рис. В2. Кремниевые микродатчики давления:
а — топология отдельных кристаллов; б — кремниевая подложка (групповая заготовка)
7

а	
б
Рис. В3. Печатные платы:
а — топология; б — групповая заготовка
которых выполнены в виде микрорельефов в технологических слоях. Связь 
между слоями осуществляется электропроводящими микропереходами, при 
этом соответствующие элементы слоев точно совмещаются между собой. 
Внешние слои микроструктур должны быть подготовлены для контактирования с другими изделиями при сборке.
Уникальные возможности применяемых для изготовления таких структур технологических методов, оригинальность технических решений, их 
универсальность — все это характерные черты самостоятельного научнотехнического направления, окончательно сформировавшегося в технике 
к концу 20-го столетия и получившего название «микротехнология» (англ. 
microtechnology, microfabrication, microfabrication technology).
Микротехнология представляет собой совокупность методов и технических средств (оборудования, инструментов, используемых материалов), 
применяемых для исследования, разработки и производства сверхминиатюрных приборов и устройств, элементы которых имеют микро- и нанометровые размеры.
Основу микротехнологии составляет комплекс групповых прецизионных 
технологий, разработанных для производства изделий микроэлектроники. 
Укрупненно можно выделить следующие этапы микротехнологии (рис. В4):
1) изготовление монокристаллических кремниевых подложек;
2) формирование на поверхности заготовок тонких функциональных 
слоев;
3) создание на поверхности слоя защитной маски с локальными окнами;
4) микрообработка функционального слоя через окна в маске;
5) микросборка.
Подложки (wafers) — заготовки для формирования микроструктур. Обычно это тонкие пластины из монокристаллического кремния, к  структуре, 
8

Рис. В4. Основные этапы и процессы микротехнологии:
W (Width) — ширина; Δ — погрешности ширины; θ — угол наклона стенки
9

физическим и геометрическим параметрам которых предъявляются особые, 
часто беспрецедентные в технике требования.
Нанесение функциональных слоев реализуют методами элионных технологий, позволяющих с помощью электронных, ионных, атомарных и  молекулярных потоков и сред создавать на поверхности подложек полупроводниковые, проводящие и диэлектрические слои толщиной от нескольких 
нанометров до единиц микрометров. Наиболее распространены методы нанесения тонких слоев вакуумным напылением (physical vapour deposition — PVD) 
и химическим осаждением из паровой фазы (chemical vapour deposition — CVD).
После нанесения функциональных слоев используют микролитографию 
(microlithography), которая позволяет локализовать зоны воздействия на заготовку. Для этого на поверхность заготовки наносят тонкую чувствительную к актиничному излучению полимерную пленку (резист) и экспонируют 
через шаблон с требуемым рисунком (топологией). Затем при проявлении 
происходит локальное удаление участков резиста, образуются окна требуемых размеров и формы, через которые возможен доступ к поверхности заготовки (см. рис. В4). Окна в резисте, их размеры и профиль должны отвечать 
чрезвычайно жестким требованиям, поскольку они определяют качество 
третьего этапа микротехнологии.
Микрообработка (micromachining) обеспечивает локальное воздействие 
на заготовку: нанесение материала, легирование поверхности заготовки 
или ее травление. При микрообработке воздействие обрабатывающей среды ограничивается (локализуется) окнами в резисте. Арсенал современных 
методов микрообработки весьма широк. Для локального нанесения могут 
использоваться методы элионных технологий, например вакуумное напыление, химическое осаждение из паровой фазы, а также гальваническое наращивание.
Локальное легирование проводят методами диффузии из парогазовой 
смеси или ионного легирования.
Локальное травление (изотропное или анизотропное) выполняют 
жидкостными травителями или с использованием плазменных методов, 
создающих требуемый профиль микроструктур.
Важной особенностью микротехнологии является групповой метод обработки (рис. В1, б; В2, б и В3, б), при котором за один цикл экспонирования формируют миллионы окон в пределах одного модуля на заготовке, 
а затем одновременно через эти окна заготовку подвергают микрообработке.
Возможность одновременного и относительно быстрого получения 
огромного числа элементов структур с микронными и субмикронными размерами оказала революционное воздействие на развитие микротехнологии.
Микросборка (assembly) начинается с разделения подложки на отдельные кристаллы и включает монтаж кристаллов на коммутационную плату 
или в корпус (die placing), электрическое соединение элементов кристалла 
с внешними выводами (wire bonding), а также его герметизацию (packaging).
Краткое рассмотрение основных этапов микротехнологии показывает, 
что для ее реализации используют очень широкий спектр технологических 
10