Новости. События.

2 апреля 2014 г. «Термометрия в технологии интегральных схем. Репортаж 2 из XX века» А.Н. Магунов

Новые задачи и новые возможности для развития термометрии

  • В 60-е годы XX века в мире началась научная и технологическая гонка по созданию интегральных микросхем со все меньшими размерами отдельных компонентов (транзисторов) и всё большим количеством транзисторов на одном кристалле (чипе). Гонка продолжается и сейчас, через полвека.
  • В 60-е — 70-е годы были разработаны почти все (за исключением лазерного отжига и анизотропного плазмохимического травления микротруктур) базовые технологии, необходимые для создания интегральных схем.
  • Технологический маршрут включал от нескольких десятков до полутора-двух сотен операций, последовательное выполнение которых приводило к созданию интегральной схемы.
  • Многие операции необходимо было проводить при высоких температурах.
  • Температурой требовалось управлять, а для этого — сначала измерять ее.

Термометрия в микроэлектронных технологиях

Для технологии микроэлектроники старые методы термометрии не годились — для контактных методов характерна низкая производительность измерений, для бесконтактных, применительно к вакуумно-плазменным процессам и оптически тонким кристаллам со структурами на поверхности — низкая надежность. Но вывод о непригодности не был сделан, потому что взамен традиционных методов – хоть ненадежных, но имеющихся под рукой — требовалось что-то предложить. Целенаправленно заниматься термометрией в микроэлектронике было некому: все силы уходили на выполнение плановых заданий, весьма жестких, и на решение срочных задач по отладке и поддержанию технологических процессов. Отраслевые НИИ постепенно превращались в заводские лаборатории.

Многочисленные НИОКР, проводимые в рамках хоздоговоров по инициативе предприятий силами вузовских кафедр, были направлены на решение частных задач и на разработку единичных макетов, а не на создание системы температурной диагностики, включающей приборы, в которых реализованы НОВЫЕ и РАЗНЫЕ методы. В макетах измерения проводились всё теми же термопарами и пирометрами, непригодными для новых технологий. Но ничего другого в технике термометрии не было.

Метрологические институты не занимались разработкой новых методов термометрии в области высоких температур. Исследования и разработки в термометрии для новых технологий метрологами не прогнозировались и не координировались. Чтобы разработать новые методы для любой отрасли, надо находиться внутри этой отрасли или рядом с ней. Метрологи создали свою собственную отрасль, где не требуется ничего, кроме платинового термометра сопротивления да пирометра, и перестали понимать, что происходит с температурными измерениями за пределами метрологии.

Были ли какие-то попытки решить проблему термометрии

  • Сейчас трудно понять, почему главные метрологи министерств, ответственных за производство электронных приборов и интегральных схем, еще в 60-е и 70-е годы не осознали важности температурных измерений в технологических процессах и не сформулировали задачу по созданию методов термометрии. Или они были уверены, что ничего нового в области термометрии создать нельзя? Или были уверены в высокой точности имеющихся методов? Ведь кто-то из метрологов давал нелепые данные по высокой точности термометрии в электронике для статьи А.И.Походуна (Измерительная техника. 1992. №5. С.31—33).
  • Почему главные эксперты по новой технике тех же министерств не задали университетским профессорам вопрос о возможности создания новых методов, чтобы заменить ими неуклюжие и бесполезные термопары в вакуумных технологиях? Собрав данные о температурных зависимостях самых разных физических параметров материалов, применяемых в производстве электронных приборов, можно было бы изобрести методы измерения этих параметров и определения температур. Или эксперты считали, что всё необходимое должно появиться сначала в других странах?
  • Надо обратиться к документам 30—50-летней давности. Такими документами являются для нас научно-технические статьи, обзоры, монографии и учебники в области технологии полупроводниковых приборов.

Что сообщали в книгах о температурных измерениях

  • Праттон М., Тонкие ферромагнитные пленки. Л.: Судостроение, 1967. С.22. Точное измерение температуры поверхности подложки затруднено из-за отсутствия достаточно хорошего термического контакта между поверхностью и термопарой.
  • Гимпельсон В.Д., Радионов Ю.А., Тонкопленочные микросхемы для приборостроения и вычислительной техники. М.: Машиностроение, 1976. С.97. Все большее значение в микроэлектронике приобретают ИК методы измерения температуры подложки и испарителя (ИК-пирометрия), позволяющие производить измерения температуры в широком диапазоне.
  • Технология тонких пленок. Справочник. Под ред. Л.Майссела и Р.Глэнга. М.: Сов. радио, 1977. Т.1. С.310. Для контроля температуры подложек более предпочтительны радиационные измерения, не требующие непосредственного контакта с подложкой.
  • С.516. Пластина нагревателя и обратная сторона подложки касаются друг друга не по всей плоскости, а в точках. В результате этого поток тепла в подложку уменьшается, а температура подложки становится неравномерной. Контроль нагрева подложки трудно достижим из-за разности температур пластины нагревателя и поверхности подложки, температура которой с трудом поддается прямому измерению.
  • Зворыкин Д.В., Прохоров Ю.И., Применение лучистого инфракрасного нагрева в электронной промышленности. М.: Энергия, 1980. С.104. Общеизвестны трудности объективного контроля температурного режима нагрева изделий в печах. Применительно к ИК нагреву эти трудности многократно возрастают.

Здесь только те книги, авторы которых осознавали и отмечали трудности и значение термометрии.

 

Темы НИОКР по развитию термометрии для микроэлектроники

  • Разработка устройства для бесконтактного измерения температуры (1984).
  • Разработка радиационного пирометра для измерения температуры кремниевых пластин при импульсном отжиге (1984).
  • Состояние и перспективы развития средств контактного измерения температуры (1987).
  • Специализированный быстродействующий пирометр частичного излучения для измерения температуры подложек интегральных микросхем в установках с радиационным нагревом (1991).
  • Разработка и изготовление экспериментального образца пирометра с цифровой обработкой сигнала (1991).

Видно, что выхода из круга термопар и пирометров здесь нет. А работа всё идёт — в вузах, НИИ, СКБ. Снова и снова термопары, снова и снова пирометры. Опять и опять по кругу…

 

Итоги развития термометрии в микроэлектронике к концу 80-х

  • В 1987 году для определения тепловых полей микросхемы обсуждалось применение термоиндикаторов – веществ, изменяющих свой внешний вид при определенной температуре [Б.И.Олейник, С.И.Лаздина, В.П.Лаздин, О.М.Жагулло, Приборы и методы температурных измерений. М.: Изд. стандартов, 1987].
  • Авторы пишут (с.149): «В целом погрешность измерений при правильном применении термоиндикаторов плавления не превышает нескольких кельвинов, что приемлемо для многих измерений».
  • Здесь очевидный разрыв на целую техническую эпоху между объектом микроэлектроники и средством измерения, предлагаемым метрологами. В тексте нет понимания того, что уже давно требуются новые методы — с другим быстродействием, другим пространственным разрешением, другой производительностью измерений.
  • Итак, измерять температуру в микроэлектронике нечем — нет ни методов, ни средств измерений. Термопары, пирометры, термоиндикаторы — как в 50-е, так и в 80-е годы.
  • В конце 80-х начался промышленный выпуск микросхем с топологической нормой 0.8 мкм… На одном чипе с площадью 1 см² уже сто тысяч транзисторов… Термопара рядом с такой микросхемой выглядит, как кость динозавра…

Как начиналась лазерная термометрия твердых тел

В конце 80-х годов в Институте микроэлектроники РАН (г. Ярославль) существовала лаборатория, где технологи некоторое время безуспешно пытались нанести на монокристаллы кремния однородные по толщине диэлектрические пленки из плазмы ВЧ разряда. Эксперименты привели к предположению, что скорость осаждения пленки на подложку пространственно неоднородна из-за того, что имеется пространственная неоднородность температуры подложки.

Надо было это доказать или опровергнуть прямым измерением температуры в разных точках вдоль радиуса подложки. Но измерить температуру не удавалось ни термопарой (подложки были закреплены на вращающейся восьмигранной призме-нагревателе и двигались в разряде), ни пирометром (плазма и держатель подложки светились намного ярче, чем тонкий кристалл кремния).

В той же лаборатории работали над созданием оптического прибора для диагностики пространственных неоднородностей кристаллов и пленок. Оптические свойства кремния были хорошо изучены, и на этой основе разрабатывался прибор под названием «лазерный микроспектрофотометр с пространственным сканированием». Одна из методик в микроспектрофотометре предполагала использование локального нагревания кристалла. Поэтому изменения оптических свойств при нагревании были нам известны.

Технологи в разговоре посетовали на сложность температурных измерений, важных для отладки технологического процесса. От разговора остались две идеи: «температурные измерения в технологии полезны и нужны» и «измерять температуру в этой и аналогичных ситуациях никто не умеет».

После этого в течение года были предложены два метода лазерной термометрии — по температурному сдвигу края собственного поглощения кремния и по температурному изменению показателя преломления (лазерная интерферометрия плоско-параллельного монокристалла). Требовалось начать НИОКР.

Как пробивалась лазерная термометрия твердых тел

Итак, для нахождения идеи новых методов термометрии потребовалась узнать о значении и трудностях температурных измерений в технологии.

Это удалось потому, что в одной и той же лаборатории занимались и осаждением пленок, и травлением микроструктур, и диагностикой кристаллов. Из разнородных знаний сформировались и необходимость, и возможность создания новых методов.

Какой была реакция на новые идеи и возможность проводить температурные измерения с помощью лазера?

Каждую тему, которую предполагалось включить в институтский план, требовалось провести через ученый совет. Надо было рассказать постановку задачи, обосновать ее и показать, что решение задачи возможно. В случае одобрения темы ученым советом она включалась в официальный план работ на следующий год.

Какие возражения пришлось услышать на совете? «Надо сначала аккуратно сделать то, что уже делали другие: поработать с термопарами, с пирометрами, упорно позаниматься годик-другой, а не ловить журавля в небе«, «Американцы не глупее нас, и если они этим не занимаются, значит, в этом ничего нет, и не надо впустую работать», «Это предложение ниже всякой критики: если бы можно было отовсюду выбросить термопары и поставить лазеры, лазерные лоббисты давно бы это сделали и нам бы не дали этим заниматься, но они почему-то молчат», «Невозможно будет к каждой установке ставить отдельный лазер – тогда на каждой установке потребуется и дополнительный сотрудник».

Тот ученый совет, скорее всего, не включил бы такую тему в план.

Директор нашего института, К.А.Валиев (1931-2010), в прошлом директор НИИ молекулярной электроники с заводом »Микрон» в Зеленограде, понял перспективность и осуществимость предлагаемой работы, он дал ей ход. Впоследствии в предисловии к книге «Лазерная термометрия твердых тел» было написано: «Проблемы технологического контроля при создании интегральных схем обсуждались с К.А.Валиевым, доброжелательная критика и заинтересованность которого всегда оказывали стимулирующее влияние».

Как применялась лазерная термометрия твердых тел

С помощью лазерной интерференционной термометрии два сотрудника института микроэлектроники РАН за первый год работы (1990 г.) провели несколько сотен измерений нестационарной температуры монокристаллов кремния в плазме. За предыдущие 30 лет во всех вакуумных технологиях, вместе взятых, проведено меньшее количество измерений температуры подложек (измеряли только температуру держателя, но она отличается от температуры подложки на 100—400 К).

В следующие годы (1991—1995) с помощью лазерной термометрии были проведены первые систематические исследования кинетики и механизмов теплообмена неравновесной низкотемпературной плазмы (в том числе химически активной) с монокристаллами, на поверхность которых предварительно наносились пленки различных веществ (металлов, полимеров и др.), а также со стеклами.

Для этих исследований потребовалось провести около 2000 измерений в плазме, регистрируя интерферограммы на ленте самописца, вручную измеряя ширину полос интерферограммы (число полос в каждой интерферограмме достигало 50—70 при нагревании, и еще столько же было при остывании) и вычисляя температуры на программируемом микрокалькуляторе МК-61. Сейчас всё это выполняет компьютер.

Лазерная интерференция при нагревании кристалла кремния

  • Фрагменты двух интерферограмм в отраженном свете на длине волны излучения He-Ne лазера λ = 1.15 мкм при нагревании монокристаллов кремния в кислородной плазме. После зажигания разряда кристалл нагревается. Коэффициент отражения света осциллирует во времени из-за монотонного увеличения показателя преломления и толщины кристалла. Сдвиг на одну полосу соответствует увеличению температуры примерно на 5 К. Регистрация — на диаграммной ленте самописца. Длина интерферограммы на ленте достигала иногда нескольких метров. Обработка одной интерферограммы и вычисление температур в моменты времени, соответствующие экстремумам интерферограммы, длилась два-три часа.
  • Интерферограмма при нагревании монокристалла кремния в плазме. По оси Х отложено время в секундах, по оси У — интенсивность отраженного света. Регистрация с помощью компьютера. Обработка — в течение миллисекунд.

Здесь показан только один метод лазерной термометрии (из десяти).

 

Как развивалась лазерная термометрия твердых тел

  • Созданием лазерных методов измерения температуры кристаллов в плазме одновременно с нами, как потом оказалось, занимались исследовательские группы в США, Франции, ФРГ. Были и более ранние работы (конца 60-х и начала 70-х годов).
  • В конце 80-х и в 90-е годы было разработано около десяти новых методов, основанных на дистанционном измерении какого-либо оптического параметра материала (кремния, арсенида галлия и т.д.).
  • Количество публикаций по лазерной термометрии твердых тел в журналах тогда увеличивалось по экспоненте с периодом удвоения 4 года.
  • Достигнуты выдающиеся измерительные характеристики: быстродействие в некоторых методах составляет доли наносекунды; пространственное разрешение составляет 0.3-1 мкм (а в методах термометрии ближнего поля – даже 20-30 нм), температурная чувствительность сигнала достигает десятков и сотен % на 1 К.
  • Проблема теплового контакта датчика с поверхностью ушла в прошлое.
  • Проблема электрических помех–наводок на термопару — осталась в прошлом.
  • Проблема сильного неравновесного излучения в установке перестала существовать.

Выводы из истории термометрии в микроэлектронике

  • Чтобы решить проблему ненадежности теплового контакта, надо было отказаться от теплового контакта (оптический контакт намного надежнее).
  • Чтобы избавиться от электрических наводок на термометр, надо было совсем убрать электрическую цепь, а сигнал о температуре принимать с помощью светового пучка, на который не действует электрическое поле.
  • Чтобы избавиться от постороннего излучения в установке, надо было применить зондирующее излучение намного большей яркости.
  • Чтобы проводить температурные измерения на любом участке работающей микросхемы (без корпуса), не надо прижимать к поверхности термопару и наносить на поверхность термокраски – это варварство. Надо просто направить на тот участок сфокусированный лазерный пучок и зарегистрировать отраженное излучение (метод термоотражения света для регистрации тепловых полей микросхем).
  • Итак, ответы на все вопросы находились не там, где вопросы возникали и не решались в течение десятилетий.
  • Ссылки на некоторые статьи по лазерной термометрии есть на этом сайте (в разделе «Лазерная термометрия. Литература»).

 

 

© 2012-2018 - НИИ ПМТ