Гібридні інтегральні мікросхеми

Рисунок 4. Тонкоплівкові спіральні індуктивності круглої (а, б) і квадратної (в) форми.

Елементи комутації. Такі елементи (провідники і контактні площадки) служать для електричного з'єднання компонентів і елементів ІС між собою, а також для приєднання до виводів корпусу. Електро-фізичні властивості комутаційних провідників і контактних площадок визначаються властивостями вживаних матеріалів, до яких пред'являються наступні вимоги:

1. Висока електропровідність;

2. Хороша адгезія до підкладки;

3. Висока корозійна стійкість;

4. Забезпечення низького і відтворного перехідного опору контактів;

5. Можливість паяння або зварки виводів навісних компонентів;

6. Сумісність технології нанесення плівкових комутаційних провідників і контактних площадок, з технологією виготовлення інших елементів мікросхем.

Найпоширенішим матеріалом тонкоплівкових провідників і контактних майданчиків в ГІМС підвищеної надійності є золото з підшаром хрому, ніхрому або титану. Підшар забезпечує високу адгезію, а золото – потрібну електропровідність, високу корозійну стійкість, можливість паяння і зварки.

Плівкові перехідні контакти. Контактний вузол двох плівкових елементів ГІМС має певний опір, залежний від геометрії і розмірів контакту, електропровідності контактуючих матеріалів, питомого перехідного опору контакту. Під питомим перехідним опором розуміють опір одиниці площі контактного переходу струму, що протікає по нормалі до шарів контакту. Цей опір обумовлений розсіянням носіїв струму на неоднорідностях в місці зіткнення двох металевих матеріалів; стрибкоподібною зміною атомної і електронної структури, а також наявністю чужорідних включень в місці контакту. Отже, значення питомого перехідного опору істотно залежить від природи контактуючих матеріалів, а також умов і способу їх формування.

 

2. Технологія виробництва ГІМС.

2.1 Технологія виробництва тонко-плівкових гібридних інтегральних мікросхем.

Сукупність технологічних операцій, які складають технологічний маршрут виробництва тонко-плівкових ГІС, включає в себе підготовку поверхні підкладки, нанесення плівок на підкладку і формування конфігурацій тонко-плівкових елементів, монтаж і збірку навісних компонентів, захист і герметизацію ГІС від зовнішніх впливів. Важливе значення при створенні ГІС мають контрольні операції, а також підготовка виробництва: виготовлення комплекту масок і фотошаблонів, контроль компонентів ГІС і вихідних матеріалів.

Нанесення плівок на підкладку ГІС здійснюється:

1) термічним випаровуванням матеріалів у вакуумі з конденсацією пари цих матеріалів на поверхню підкладки;

2) іонним розпиленням мішеней з потрібних матеріалів з перенесенням їх атомів на поверхню підкладки;

3) хімічним осадженням плівок в результаті протікання хімічних реакцій в газовій фазі над поверхнею підкладки з утворенням плівкоутворюючої речовини з подальшим осадженням її на підкладку.

Для формування конфігурацій провідного, резистивного і діелектричного шарів використовують різні методи: масковий (відповідні матеріали напилюють на підкладку через знімні маски); фотолітографічним (плівку наносять на всю поверхню підкладки, після чого витравлюють з певних ділянок); електронно-променевої (деякі ділянки плівки видаляють за заданою програмою з підкладки шляхом випаровування під впливом електронного променя); лазерний (аналогічний електронно-променевому, тільки замість електронного застосовують промінь лазера). Найбільшого поширення набули два перших способи, а також їх поєднання.

Масковий метод. Найпростішим методом отримання заданої конфігурації плівкових елементів є масковий, при якому нанесення кожного шару тонко-плівкової структури здійснюється через спеціальний трафарет. При масочний методі рекомендується така послідовність формування шарів ГІС: напилення резисторів, провідників і контактних площадок; міжшарової ізоляції; другого шару для перетину провідників; нижніх об кладок конденсаторів; діелектрика; верхніх обкладок конденсаторів; захисного шару. Плівка з напилюваного матеріалу осідає на підкладці в місцях, відповідних малюнку вікон в масці. Як матеріал знімної маски використовують стрічки берилієвої бронзи товщиною 0,1-0,2 міліметра, покриту шаром нікелю товщиною близько 10 мкм.

Нанесення плівок через знімні маски здійснюють термічним випаровування ням у вакуумі або іонно-плазмовим розпиленням. 
У результаті викривлення маски в процесі напилення плівки між маскою і підкладкою утворюється зазор, що приводить до підплиття. Крім того, розміри вікон в масці при багаторазовому напиленні зменшуються. Все це зумовлює меншу точність даного методу в порівнянні з фотолітографічним. 
Незважаючи на недоліки масковий метод є найпростішим технологічно і високопродуктивним.

Метод фотолітографії. Цей метод дозволяє отримати конфігурацію елементів будь-якої складності і має велику точність в порівнянні з масковим, проте він складніший. 
Існує декілька різновидів фотолітографії. Метод прямої фотолітографії передбачає нанесення суцільної плівки матеріалу тонко-плівкового елементу, формування на її поверхні фоторезистивної контактної маски, витравлювання через вікна в фоторезисті зайвих ділянок плівки. Контактна маска з фоторезисту або іншого матеріалу, більш стійкого до наступних технологічних впливів, відтворює малюнок фотошаблона з плівки.

Експонований фоторезист видаляється (розчиняється) після чого плівка резистивного матеріалу стравлюється з ділянок, не захищених фоторезистом. Далі на підкладці у вакуумі наноситься суцільна плівка алюмінію. Після фотолітографії і травлення алюмінію, плівка залишається в областях контактних майданчиків і провідників. При цьому сформовані на попередньому етапі резистори не пошкоджуються. Після нанесення провідних елементів і резисторів, захисного шару скла, проводиться ще одна, третя фотолітографічна обробка, в результаті якої скло видаляється з областей над контактними майданчиками, а також по периметру плати.

Метод зворотної фотолітографії відрізняється від попереднього тим, що спочатку на підкладці формується контактна маска, потім наноситься матеріал плівкового елементу, після чого проводиться видалення контактної маски. 
При фотолітографічному методі для виготовлення ГІС, що містять резистори і провідники, використовують два технологічних маршрути. Перший варіант - напилення матеріалу резистивної і провідної плівок; фотолітографія провідного шару; фотолітографія резистивного шару; нанесення захисного шару. Другий варіант - після проведення перших двох операцій, тих же що і в попередньому варіанті, спочатку здійснюють фотолітографічне травлення одночасно провідного і резистивного шарів, потім другу фотолітографію для стравлювання провідного шару в місцях формування резистивних елементів, після чого проводиться нанесення захисного шару і фотолітографія для розмежування вікон в ньому над контактними майданчиками.

При виробництві плівкових мікросхем, що містять провідники і резистори з двох різних (високоомного і низькоомного) резистивних матеріалів, рекомендується така послідовність операцій: почергове напилення плівок спочатку високоомного, потім низкоомного резистивних матеріалів; напилення матеріалу провідної плівки; фотолітографія провідного шару; фотолітографія низкоомного резистивного шару; фотолітографія високоомного резистивного шару; нанесення захисного шару.

Комбінований метод. При поєднанні маскового і фотолітографічного методів для мікросхем, що містять резистори, провідники і конденсатори, використовують два варіанти: 
1) напилення резисторів через маску, напилення провідної плівки на резистивну; фотолітографія провідного шару; почергове напилення через маску нижніх обкладок, діелектрика і верхніх обкладок конденсатора; нанесення захисного шару; 
2) напилення резистивної плівки і провідної плівки на резистивну; фотолітографія провідного і резистивного шарів; фотолітографія провідного шару; напилення через маску нижніх обкладок, діелектрика і верхніх обкладок конденсатора;

нанесення захисного шару.

 

Рисунок 5. Підкладка з провідними доріжками та контактними майданчиками нанесена за тонко-плівковою технологією.

1 – контактні майданчики;

2 – з’єднуючі доріжки;

3 – підкладки;

4 – резистор

Для схем, що не містять конденсаторів, застосовують один з трьох варіантів: 
1) напилення через маску резисторів і провідної плівки; фотолітографія провідного шару; нанесення захисного шару; 
2) напилення резистивної плівки; фотолітографія резистивного шару; напилення через маску провідників і контактних площадок; нанесення захисного шару; 
3) напилення резистивної плівки, а також контактних майданчиків і провідників через маску; фотолітографія резистивного шару; нанесення захисного шару.

2.2 Технологія виробництва товсто-плівкових гібридних інтегральних мікросхем.

Після очищення і відпалу плати на неї наносять і впалюють з обох сторін провідникову пасту для формування провідників, контактних майданчиків і нижніх обкладок конденсаторів, після чого формують діелектрик для конденсаторів і перетинів провідників. Верхні обкладки і плівкові перемички виготовляють з однієї пасти. Останніми формують резистори, що мають найнижчу температуру впалювання. Після обслуговування контактних майданчиків виробляють лазерну підгонку резисторів. Кінцеві складальні операції: встановлення виводів, монтаж навісних компонентів і герметизація пресуванням з використанням пластмаси, після чого роблять обрізання рамки і роз'єднання виводів.

Рисунок 6. Підкладка з провідними доріжками та контактними майданчиками нанесена за товсто-плівковою технологією.

1 – контактні майданчик;

2 – з’єднуючі доріжки;

3 – підкладки

2.3 Нанесення тонких плівок у вакуумі.

Найбільш поширеними методами отримання тонких плівок різних матеріалів у вакуумі є методи термічного випаровування та іонного розпилення. 
До процесів термічного випаровування відноситься випаровування: а) з резистивних випарників, включаючи вибуховий випар із застосуванням віброживильників; б) з тиглів з ​​радіаційним і високочастотним індукційним нагрівом; в) за допомогою електронно-променевих випарників (за рахунок сфокусованого променя). До процесів іонного розпилення належить: а) катодне (діодна система), б) іонно-плазмове (тріодна система); в) за допомогою зфокусованих іонних пучків; г) магнетрон.

Перевагами методу термічного випаровування матеріалів та їх конденсації у вакуумі є: реалізація високих швидкостей осадження матеріалів у високому вакуумі, простота, відпрацьованість технологічних операцій і наявність сучасного високопродуктивного обладнання. 
Основними достоїнствами методів іонного розпилення матеріалів є: можливість розпилення практично всіх матеріалів сучасної мікроелектроніки, в тому числі різних сполук (нітридів, оксидів тощо) при введенні в газорозрядну плазму реакційно-здатних газів (реактивне розпилення); висока адгезія одержуваних плівок до підкладок; однорідність плівок по товщині; очищення поверхні підкладок за допомогою іонного бомбардування як перед, так і в процесі осадження плівки.

Метод термовакуумного напилення. Метод заснований на створенні направ-ленного потоку пари речовини і наступної конденсації його на поверхні підкладок, що мають температуру нижче температури джерела пари. Плівка при конденсації формується з окремих атомів або молекул пари речовини. Процес термовакуумного напилення складається з чотирьох етапів: 1) утворення пари речовини; 2) переміщення частинок пари від джерела до підкладок, 3) конденсація пари на підкладках; 4) утворення зародків і ріст плівки.

В даному випадку рівномірність товщини плівок по площі підкладок буде незадовільною. Товщина плівки максимальна в центрі підкладки, тобто на ділянці, розташованій безпосередньо над випарником і спадає до периферії підкладки. Рівномірність можна підвищити за рахунок збільшення відстані між випарником і підкладкою, але при цьому зменшується швидкість напилення. Високої рівномірності товщини плівок на великих поверхнях досягають, застосовуючи приймальні пристрої сферичної форми або динамічні системи приймальних пристроїв, що обертаються щодо нерухомих випарників. Рівномірність товщини плівок у великій партії підкладок досягається в установках з під-ковпаковими пристроями, що забезпечують рівномірне обертання підкладок, закріплених вертикально на створюючих циліндрах, навколо випарників, розташованих по центральній осі циліндра. Застосовуються також динамічні системи, в яких випарники і підкладки розташовуються з зовнішньої сторони барабана. Перевагами динамічних систем є: висока рівномірність товщини розпилення плівок, якісне нанесення плівок на підкладки, що мають складний вертикальний профіль, сходинки і вузькі канавки, зменшення відстані між випарником і підкладками і збільшення за рахунок цього швидкості осадження плівок.

Рисунок 7. Схема пристрою для отримання плівок випаровуванням і конденсацією термовакуумним методом.

1 – паромасляний насос;

2 – манометри;

3 – плита з герметизуючою прокладкою;

4 – заслінка;

5 – оглядове вікно;

6 – ковпак;

7 – нагрівач підкладки;

8 – підкладка;

9 – маска;

10 – випарник;

11 – електроди;

12 – вентилі;

13 – форвакуумний насос.

Метод іонного розпилення. Джерелом іонів служить самостійний тліючий розряд або плазма несамостійного розряду (дугового або високочастотного) інертних газів (зазвичай високої чистоти аргону). Існує велика різноманітність процесів іонного розпилення, що відрізняються характером напруги живлення (постійне, змінне, високочастотне), способом збудження і підтримки розряду, числом і конструкцією електродів і т.д. 
При бомбардуванні позитивними іонами інертного газу поверхня катода одночасно піддається впливу молекул залишкових активних газів. Це призводить до утворення оксидних плівок на катоді, які різко знижують швидкість розпилення (частина оксиду переноситься на підкладку). На поверхні підкладки разом з розпорошеними атомами присутні і негативно заряджені активні іони залишкових газів, які також сприяють формуванню оксидних плівок.