Автоматизированные системы технологического обеспечения качества при серийном изготовлении тонкопленочных ИС с резистивными элементами с учетом контактных сопротивлений

Разработанная тестовая резистивная структура и математические модели (см. раздел 2.2), позволяющие устанавливать взаимосвязь между статистическими характеристиками сопротивлений резисторов и статистическими характеристиками КТП, включая сопротивления контактов, позволяют автоматизировать процесс статистического контроля, анализа и регулирования ТП изготовления ИС, так как процесс измерения сопротивлений тестовых резисторов можно легко автоматизировать [69, 70].

Основными исходными данными, необходимыми для регулирования ТП, являются номинальные значения КТП тестовых резисторов и оценки производственных погрешностей КТП резистивных элементов: удельного поверхностного сопротивления резистивной пленки , ширины , , длины , и удельного переходного сопротивления контактов , , полученные для генеральной совокупности.

Сущность процесса статистического регулирования ТП заключается в воздействии на регулируемые параметры ТП для поддержания погрешностей КТП резистивных элементов, полученных для генеральной совокупности, в пределах заданных границ регулирования с целью получения сопротивлений резисторов ИС в пределах заданных полей допусков.

Для повышения эффективности управления ТП изготовления ИС с резистивными элементами и повышения точности оценки технологических погрешностей необходимо применение прецизионных фотошаблонов для изготовления тестовых подложек и ИС с резистивными элементами (погрешности изготовления элементов фотошаблонов должны быть не хуже 0,5-1 мкм). Кроме того, расчеты резисторов ИС необходимо проводить с учетом систематических и случайных составляющих производственных погрешностей КТП, используя данные, полученные для генеральной совокупности резистивных элементов (см. раздел 4.1). При выполнении этих условий, описанные ниже автоматизированные системы АСК и СРТП, позволяют существенно повысить выход годных ИС с резистивными элементами.

4.1 Принципы построения АСК и СРТП при учете контактных сопротивлений

АСК является основой для создания автоматизированных систем обеспечения качества ИС. Основная задача этой системы заключается в получении информации о параметрах точности ТП, т.е. получении оценок статистических характеристик производственных погрешностей КТП резисторов, возникающих при серийном изготовлении ИС на всех основных операциях, от которых зависит качество изделий [69, 70].

Получение этой информации оказывается возможным благодаря использованию предложенных тестовых структур (см. рис.2) и математической модели в виде систем уравнений (31) и (42).

Оценки статистических характеристик КТП резисторов: выборочные средние значения , , , , и выборочные среднеквадратические отклонения , , , , получаемые в процессе автоматизированного статистического контроля подложек - ой партии по тестовым структурам, являются входной информацией для СРТП.

Рекомендации по настройке ТП и оборудования и расчету резисторов с учетом систематических погрешностей КТП. Основная задача СРТП заключается в определении необходимости настройки технологического оборудования и технологических процессов по параметрам точности.

При точной настройке технологических процессов изготовления резисторов ИС по результатам контроля - ой партии подложек для оценок средних погрешностей имеем:

, , , . (58)

При выполнении соотношений (58) и корректировке размеров резисторов с учетом систематических погрешностей длины, ширины и контактных сопротивлений по формуле (11) оценки математических ожиданий КТП всех изготовленных резисторов ИС - ого типа - ой партии подложек будут близки к значениям:

, , или , (59)

а оценки математических ожиданий сопротивлений всех резисторов будут близки к номинальным значениям:

. (60)

Справедливость соотношения (60) следует из того, что при точной настройке технологических процессов изготовления резисторов - ой партии ИС выполняется соотношение:

, (61)

так как при расчете геометрических параметров резисторов ИС с учетом систематических погрешностей длины, ширины и контактных сопротивлений (см. гл. 4) для средней величины сопротивления изготовленного резистора - ого типа справедливо выражение:

. (62)

При точной настройке ТП формула (62) имеет вид формулы (56).

Рекомендации по расчету размеров резисторов ИС с учетом случайных погрешностей КТП. Формулу (57) для номинальных (расчетных) значений параметров резисторов можно записать в следующем виде:

. (63)

Эта формула позволяет определить случайную относительную погрешность изготовленного резистора с расчетными размерами для реальных случайных погрешностей КТП.

С учетом формулы (63) можно определить ширину или длину резистора, при которой возможно изготовление резисторов с заданным допуском без проведения операций подгонки.

При коэффициенте формы резистора больше единицы определяют ширину резистора, при которой возможно изготовление резисторов с заданным допуском без проведения операций подгонки:

, (64)

где - допуск на сопротивление резистора - го типа (в относительных единицах).

При коэффициенте формы резистора меньше единицы определяют длину резистора, при которой возможно изготовление резисторов с заданным допуском без проведения операций подгонки:

. (65)

Теоретически расчет геометрических параметров резисторов ИС по формулам (64), (65) при выполнении соотношения (58) обеспечивает выход годного резистора - ого типа с вероятностью 0, 9973, что является практически достоверным событием.

Из этого следует, что обеспечивается максимальный процент выхода годных - ой партии ИС с резистивными элементами, если при выполнении соотношений (58) оценки среднеквадратических отклонений КТП резисторов , , , будут близки или не превышают величины оценок для генеральной совокупности , , , :

, , , . (66)

Однако, выполнение условий (58), (66) имеет место в идеальном случае, при точной наладке технологии и оборудования, поэтому для повышения эффективности управления необходимо определить границы регулирования для систематических и случайных составляющих погрешностей КТП резистивных элементов ИС [3, 5].

Определение границ регулирования погрешностей [7, 69]. Границы регулирования для оценок средних значений погрешностей КТП резистивных элементов ИС могут быть определены по экспериментальным значениям среднеквадратических отклонений средних значений , , , , полученным по результатам статистического контроля партий подложек:

- для оценок средних погрешностей длины и ширины:

, , (67)

- для оценок средних значений удельного поверхностного сопротивления и удельного переходного сопротивления контактов:

, . (68)

Границы регулирования для оценок среднеквадратических отклонений погрешностей КТП резистивных элементов могут быть определены по экспериментальным значениям среднеквадратических отклонений относительно средних значений среднеквадратических отклонений погрешностей:

- для оценок среднеквадратических отклонений погрешностей длины и ширины:

, , (69)

- для оценок среднеквадратических отклонений погрешностей удельного поверхностного сопротивления и удельного переходного сопротивления контактов:

, . (70)

В формулах (69), (70) величины , , , - средние значения оценок среднеквадратических отклонений КТП резисторов по результатам статистического контроля партий подложек.

Расчетные значения границ регулирования производственных погрешностей КТП тонкопленочных резисторов по формулам (67)-(70) при изготовлении ИС для принятой в настоящем пособии технологии приведены в таблице 6 [7].



Таблица 6

Материал	, Ом/кв.	Ом/кв.	·103 Ом·мм2	·103 Ом·мм2	мкм	мкм	мкм	мкм
К50С, 2000 Ом/кв.	2000 ± 60	101 - 67	160 - 410	40 -112	4,5 - 9,5	1,7 - 3,9	2,6 - 7,4	1,3 - 3,9
РС3710, 500 Ом/кв.	484 - 516	5,1 - 7,8	18 - 50	2,4 - 9,6	4,7 - 9,8	1,6 - 3,8	3,1 - 7,9	1,9 - 4,2
РС5406К, 50 Ом/кв.	48 - 52	0,46-0,78	2,4 - 6,8	0,34 - 1,4	4,5 - 9,1	1,2 - 3,2	4,5 - 8,1	1,3 - 3,3
РС5406К, 25 Ом/кв.	24 - 26	0,23 - 0,4	2,1 - 6,1	0,34 - 1,4	4,7 - 12	1,7 - 4,3	2,9 - 7,3	1,8 -4,6

Оценка эффективности регулирования ТП. При управлении технологическими процессами изготовления ИС с резистивными элементами, заключающемся в поддержании на постоянном оптимальном уровне величин погрешностей КТП, обеспечивается максимальный процент выхода годных изделий. Эффективность регулирования ТП предлагается оценивать по вероятности выхода годных тестовых резисторов.

Это предложение основано на том, что тестовая структура содержит резисторы с критическими размерами, определяемыми технологическими ограничениями на минимальную длину и ширину резисторов ИС. Именно резисторы с критическими размерами определяют выход годных всей ИС. Кроме того, для групповых технологических процессов изготовления ИС величины , , , , определяемые по тестовым резисторам, имеют такие же значения для всех резисторов групповой партии. Поэтому можно утверждать, что вероятности выхода годных резистивных элементов ИС с размерами, превышающими размеры тестовых резисторов, будут не меньше вероятности выхода годных соответствующих тестовых резисторов, а при максимальной вероятности выхода годных тестовых резисторов следует ожидать максимальную вероятность выхода годных ИС.

Математические ожидания тестовых резисторов, при точной настройке технологических процессов изготовления резисторов ИС, так как размеры тестовых резисторов не корректируют, определяются формулой:

. (71)

Оценки математических ожиданий тестовых резисторов при изготовлении - ой партии подложек в случае отклонения оценок средних значений погрешностей КТП от их значений для генеральной совокупности:

. (72)

Тогда при точной настройке технологических процессов изготовления резисторов ИС, т.е. при , , , для математических ожиданий всех тестовых резисторов - ой партии подложек должно выполняться соотношение:

. (73)

Так как (73) выполняется при выполнении соотношения (58), то при выполнении (73) будет выполняться и (60), т.е. , что и является основной целью регулирования ТП.

Вероятность выхода годных тестовых резисторов - ого типа - ой партии подложек , коррелятивную вероятности выхода годных резистивных элементов ИС, рассчитывают по формуле:

. (74)

При использовании известных таблиц для интеграла вероятности [49] величину можно рассчитать по формуле:

, (75)

где - среднеквадратическое отклонение тестового резистора для генеральной совокупности:

. (76)

При выполнении условия (73) и при выполнении соотношения вероятность выхода годных тестовых резисторов каждого - ого типа - ой партии подложек максимальна и теоретически имеет значение. При выходе погрешностей КТП резисторов за границы регулирования вероятности выхода годных тестовых резисторов уменьшаются.

Вероятность выхода годных всех тестовых резисторов - ой партии подложек, при которой достигается приемлемый процент выхода годных резистивных элементов ИС, должна быть не менее некоторой критической величины , которая для принятой технологии может быть определена экспериментально:

. (77)

Ожидаемая вероятность выхода годных резистивных элементов ИС при выполнении соотношения (77) будет поддерживаться на максимальном уровне.

4.2 Организация автоматизированного статистического контроля, анализа и регулирования ТП изготовления ИС в производстве

Алгоритм расчета статистических характеристик распределения сопротивлений тестовых резисторов и их КТП. Оперативный статистический контроль точности ТП изготовления ИС невозможен без автоматизации процесса измерения сопротивлений тестовых резистивных структур и вычисления оценок статистических характеристик резистивных элементов, а также вероятности выхода годных.

Алгоритм расчета статистических характеристик ТПР ИС на персональном компьютере, необходимых для анализа и регулирования ТП представлен на рис. 4.

Алгоритм включает в себя расчет производственных погрешностей КТП резистивных элементов ИС для получения информации о точности ТП по статистическим характеристикам распределения сопротивлений резисторов тестовых структур и оценки вероятности выхода годных ИС по тестовым резисторам.

Исходными данными для расчета являются: номинальные значения КТП тестовых резисторов , , и оценки статистических характеристик распределений сопротивлений тестовых резисторов для генеральной совокупности (экспериментальные или расчетные по формулам (71), (76)). Все расчеты ведутся по измеренным сопротивлениям тестовых резисторов.

В качестве технического средства автоматизированного статистического контроля ТП может быть использован стенд, схема которого приведена на рис.5. Стенд позволяет автоматически проводить измерение сопротивлений всех тестовых резисторов, вводить данные измеренных сопротивлений в компьютер, проводить, в соответствии с приведенным выше алгоритмом, вычисления и выводить результаты в виде удобном для пользователя.

Рис. 4. Алгоритм расчета статистических характеристик резистивных элементов ИС

Рис. 5. Структурная схема стенда автоматизированного контроля тестовых резисторов: ПТ - подложка с тестовыми резисторами; КУ - контактирующее устройство; КИА - контрольно-измерительная аппаратура; УС - устройство сопряжения; ПК - персональный компьютер

Оценки статистических характеристик КТП резисторов - ой партии ИС: выборочные средние значения , , , , выборочные среднеквадратические отклонения , , , и оценка вероятности выхода годных ИС по тестовым резисторам , получаемые в процессе статистического контроля подложек по тестовым структурам, являются входной информацией для СРТП. Алгоритм организации статистического контроля и СРТП показан на рис. 6.

СРТП анализирует данные АСК по величинам производственных погрешностей КТП ТПР и при выходе величин погрешностей, какого либо из параметров за пределы границ регулирования, выдает информацию о необходимости регулирования ТП и возможных причинах разладки.

Статистическому регулированию подвергают следующие основные операции и блоки ТП: напыление резистивного слоя, формирование ширины резисторов, формирование контактов, формирование длины резисторов. При этом выявлено, что наиболее критичными операциями, влияющими на погрешности изготовленных резисторов, являются операции напыления резистивных и проводящих слоев и межоперационной очистки подложек.

В процессе внедрения автоматизированной СРТП заполнялись контрольные карты и составлены «Таблицы вероятных причин разладки» (см. табл. 7).

При выходе оценок погрешностей КТП резисторов за пределы границ регулирования технолог должен определить причину разладки, пользуясь данными табл. 7, и принять меры к ее устранению.

Рис. 6. Алгоритм статистического контроля и управления групповыми технологическими процессами изготовления резистивных элементов интегральной схемы.



Таблица 7

Вероятные причины разладки ТП и оборудования при контроле партии ИС

Вид погрешности	Характер разладки	Вероятные причины разладки
	Увеличилось	Неправильно рассчитано сопротивление свидетеля
	Увеличилось	Малая скорость вращения карусели подложек. Неравномерное вращение карусели. Разная шероховатость поверхности подложек. Некачественная очистка подложек.
,	Увеличилось	Сильно окислен или загрязнен резистивный слой из-за большого времени межоперационного пролеживания. Истек срок годности раствора для межоперационной очистки подложек. Слишком малое или слишком большое время выдержки подложек при межоперационной очистке Большая влажность в помещении для напыления пленок.
	Увеличилось	Плохой вакуум при напылении проводящих слоев Наличие локальных загрязнений или неоднородностей на поверхности подложек с резистивным слоем.
,	Увеличилось	Увеличение зазора между фотошаблоном и подложкой при экспонировании. Увеличение времени экспонирования. Увеличение времени проявления фоторезиста. Увеличение времени при травлении пленки.
	Увеличилось	Применение других растворов для травления пленок из-за большого времени травления в растворе по отработанной технологии. Истек срок годности растворов для проявления и травления пленок. Неодинаковая скорость травления резистивных пленок на подложках взятых из разных партий.
,	Увеличилось	Причины аналогичны причинам увеличения .
	Увеличилось	Причины аналогичны причинам увеличения .



4.3 Результаты внедрения автоматизированных систем контроля и управления ТП изготовления резистивных ИС

Эффективность внедрения систем АСК и СРТП иллюстрируется рис. 7 на примере изготовления тестовых резистивных структур из материала РС5406К с удельным поверхностным сопротивлением резистивного слоя 50 Ом/кв. Расположение полей рассеяния тестовых резисторов для различных партий определялось экспериментально. Тестовые резисторы партий № 1, 2 имели следующие геометрические параметры: первый резистор имел длину 0,2 мм, ширину 2 мм; второй - длину и ширину 2 мм, а четвертый - длину 2 мм, ширину 0,2 мм. При таких размерах и величине Ом/кв. номинальные величины сопротивлений тестовых резисторов имеют значение 5, 50 и 500 Ом. Геометрические параметры тестовых резисторов партии № 3 рассчитывались с учетом производственных погрешностей КТП для обеспечения номинальных значений и попадания сопротивлений резисторов в поле допуска ±10 % (см. главу 4). После корректировки размеры тестовых резисторов партии № 3 имели следующие величины: первый резистор имел длину 0,24 мм, ширину 2,7 мм; второй - длину 2 мм, ширину 2,03 мм, а четвертый - длину 2 мм, ширину 0,21 мм.

До внедрения автоматизированных систем АСК и СРТП и методики расчета резисторов с учетом производственных погрешностей, полученных с помощью АСК, напыление резистивных сплавов проводилось с отклонением -(10-15) % от номинального значения удельного поверхностного сопротивления, для того, чтобы получать в пределах поля допуска сопротивления резисторов с малыми длинами (партия № 2). Поэтому резисторы с большими размерами почти все проходили процесс подгонки в сторону увеличения сопротивлений до номинального значения. При напылении резистивной пленки с величиной равном номинальному большой процент сопротивлений резисторов с длиной 0,2 мм выходил за пределы поля допуска (партия № 1). Партия № 3 напылялась после внедрения АСК и СРТП. Из рисунка 7 видно, что средние значения сопротивлений резисторов этой партии близки к номинальным значениям, а разброс сопротивлений находится практически в пределах поля допуска.

Рис. 7. Диаграмма полей рассеяния тестовых резисторов: партии № 1, 2 - до внедрения системы СРПТ; партия № 3 - после внедрения системы СРПТ

Внедрение автоматизированных систем АСК и СРТП позволило существенно уменьшить разброс сопротивлений резисторов и увеличить процент резисторов с сопротивлениями близкими к номинальным значениям (партия № 3). При этом в два раза снизилась трудоемкость на операции доводки резисторов и на 30% увеличился процент выхода годных ИС с резистивными элементами.



4.4 Расчет погрешностей ТПР и вероятности выхода годных ИС с резистивными элементами при внедрении автоматизированных систем проектирования, контроля и управления ТП

Вероятность выхода годных ИС с резистивными элементами при изготовлении:

, (78)

где - допуск на сопротивление резистора - го типа (в относительных единицах); - оценки среднего значения и среднеквадратического отклонения сопротивлений резисторов - го типа по выборке объемом ; - число типов различных по конструкции резисторов в ИС.

В общем случае с учетом формул (52), (53) для оценок можно записать следующие выражения:

, (79)

, (80)

где , - погрешности длины и ширины изготовленных резистивных элементов ИС при отсутствии управления ТП и корректировок размеров по систематическим погрешностям.

Если размеры резисторов корректируют с учетом систематической погрешности длины и ширины , то погрешности длины и ширины резистивных элементов при изготовлении - ой партии ИС будут определяться выражениями:

, , (81)

где , - систематические погрешности длины и ширины резисторов, определенные по тестовым резисторам для - ой партии ИС.

При точной настройке ТП выполняются соотношения (58), поэтому величины , обращаются в ноль, при этом становятся справедливыми также соотношения (59), (60).

Из этого следует, что конструктор может оценить ожидаемую вероятность выхода годных ИС с резистивными элементами по формуле (78), пользуясь данными по погрешностям, определенным для генеральной совокупности при точной настройке ТП и оборудования. При этом выражения (79), (80) имеют вид:

, (82)

. (83)

где , а , если > и , если <.

При изготовлении - ой партии ИС по результатам контроля партии на АИС технолог может оценить фактическую вероятность выхода годных ИС , по формуле (78), подставляя в нее оценки средних значений и среднеквадратических отклонений сопротивлений резисторов - го типа которые следуют из выражений (79), (80) с учетом (81):



, (84)

.(85)

Так как ожидаемую вероятность выхода годных рассчитывают по формуле (78) с учетом (82), (83) при выполнении условий (58)-(60), то обычно фактическая вероятность выхода годных ИС .

С использованием интеграла вероятности ожидаемую вероятность резистора - го типа можно рассчитать по формуле:

, (86)

где рассчитывают по формуле (83).

Тогда ожидаемая вероятность выхода годных ИС с резистивными элементами:

(87)

Вероятность резистора - го типа при изготовлении - ой партии ИС с использованием интеграла вероятности можно рассчитать по формуле:

, (88)



где , - оценки средних значений и среднеквадратических отклонений сопротивлений резисторов - го типа, рассчитываемые по формулам (84), (85).

Фактическая вероятность выхода годных при изготовлении - ой партии ИС с резистивными элементами:

(89)

Таким образом, оценить эффективность работы автоматизированных систем обеспечения качества можно по вероятности выхода годных ИС с резистивными элементами каждого типа, путем сравнения фактической вероятности с ожидаемой вероятностью . Однако в условиях многономенклатурного производства ИС, когда число типов ИС доходит до нескольких сотен этот метод оценки становится неприемлемым.

Поэтому эффективность регулирования ТП предлагается оценивать по вероятности выхода годных тестовых резисторов (см. раздел 4.1).



Литература

1. Бахарев С.И. и др. Справочник по расчету и конструированию СВЧ по-лосковых устройств / С.И. Бахарев, В.И. Вольман, Ю.М. Либ и др.; Под ред. В.И. Вольмана. М.: Радио и связь, 1982. 382 с.

2. Бушминский И.П., Морозов Г.В. Технология гибридных интегральных схем СВЧ: Учебное пособие. М.: Высш. школа, 1980. 285 с.

3. Власов В.Е., Захаров В.П., Коробов А.И. Системы технологического обеспечения качества компонентов микроэлектронной аппаратуры // Под ред. А. И. Коробова. М.: Радио и связь, 1987. 157с.

4. Конструирование и расчет контактов в интегральных схемах: Учебное пособие / Ю.П. Ермолаев, О.Г. Эльстинг, Ф.Г. Каримова, Г.П. Анфимов. Ка-зань, 1967. 46 с.

5. Глудкин О.П., Гуров А.И. и [др.] Управление качеством электронных средств. М.: Высшая школа, 1994. 414 с.

6. Коледов Л.А., Волков В.А. и др. Конструирование и технология микросхем / Под ред. Л.А. Коледова. М.: Высшая школа, 1984. 232 с.

7. Крючатов. В И. Конструкторско-технологические основы создания пассивной части высоконадежных микрополосковых СВЧ-устройств дециметрового диапазона с повышенным уровнем мощности // Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук. КГТУ им. А. Н. Туполева, Казань, 2011. С 316.

8. Коледов Л.А., Ильина Л.М. Микроэлектроника. Гибридные интегральные схемы. М.: Высшая школа, 1984.

Дополнительная литература

9. Лугин А.Н. Конструкторско-технологические основы проектирования тонкопленочных прецизионных резисторов: монография. Пенза: Информаци-онно-издательский центр Пенз. ГУ, 2008. 288 с.

10. Спирин В.Г. Проектирование и технология тонкопленочных микросборок с топологическими размерами 10-50 мкм: Монография. Арзамас: АГПИ, 2005. 146 с.

11. Неганов В.А., Яровой Г.П. Теория и применение устройств СВЧ // Под ред. Неганова В. А. М.: Радио и связь, 2006.

Размещено на Allbest.ru

...