2020-04-20
80
Підкладки інтегральних схем
Підкладки ІС є діелектричною і механічною підставою для плівкових і навісних елементів і служать тепловідводом. Матеріал підкладки повинен володіти наступними властивостями і характеристиками:
1) високим опором ізоляції і електричною міцністю;
2) великим коефіцієнтом теплопровідності для ефективної передачі теплоти від тепловиділяючих елементів (резисторів, діодів, транзисторів) до корпусу мікросхеми;
3) достатньою механічною міцністю;
4) стійкістю до дії хімічних реактивів в процесі підготовки поверхні підкладки перед нанесенням плівок;
5) стійкістю до дії нагріву в процесі нанесення тонких плівок і термообробки товстих плівок;
6) здібністю до механічної обробки (різанню і так далі).
Структура матеріалу підкладки і стан її поверхні впливають на параметри плівкових елементів. Велика шорсткість поверхні підкладки знижує надійність тонкоплівкових резисторів і конденсаторів, оскільки мікронерівності зменшують товщину плівок резисторів. При товщині плівок близько 100 нм допускається висота мікронерівностей приблизно 25 нм. Товсті плівки мають товщину 10 – 50 мкм, тому підкладки для товстоплівкових ІМС можуть мати мікронерівності 1 – 2 мкм. [1]
|
|
|
Елементи ІС
Інтегральні мікросхеми складаються з ізолюючої підстави (підкладки), на поверхні якого розміщені плівкові елементи (резистори, конденсатори, спіралі індуктивності, провідники і контактні площадки), а також навісні безкорпусні мініатюрні активні (транзистори, діоди, напівпровідникові) і пасивні (конденсатори, котушки індуктивності і так далі) компоненти. Для захисту ІС поміщають в корпус. [3]
Плівкові резистори
Плівковий резистор розташовують на поверхні діелектричної підкладки, конструктивно він складається з резистивної плівки певної конфігурації і контактних площадок.
Розміри контактної області повинні вибиратися такими, щоб при якнайгірших поєднаннях геометричних розмірів резистивного шару і контактних площадок резистивна і провідна плівки перекривалися, забезпечуючи малий перехідний опір контакту в низькоомних резисторах. Як резистивні матеріали тонкоплівкових резисторів використовують чисті метали і сплави з високим електричним опором, а також спеціальні матеріали – кермети, які складаються з частинок металу і діелектрика (наприклад, Cr і SIO).
Широко поширені плівки хрому і танталу. На основі керметів, до складу яких входять хром і монооксид кремнію, отримують високоомні резистори. Для виготовлення товстоплівкових резисторів застосовують пасти, що складаються з порошку скла, наповнювача і органічної зв'язки. Широко використовують свинцеві і цинкові борсилікатні стекла. Як наповнювач резистивних паст застосовують срібло, паладій і їх сплави. [2]
|
|
|
Резистори, що підганяються
Застосовують плавну і ступінчасту підгонку опору резисторів. Плавна підгонка забезпечує точність до сотих доль відсотка, ступінчаста – до одиниць відсотків. Плавну підгонку опору тонкоплівкових резисторів здійснюють, змінюючи або питомий поверхневий опір, або форму резистивної плівки.
Питомий поверхневий опір змінюють шляхом термічної, хімічної або механічної дії на матеріал плівки. Форму резистивної плівки коректують шляхом видалення частини резистивного матеріалу.
Ступінчаста підгонка опору здійснюється видаленням металевих перемичок в підганяльних секціях. Найбільш поширений спосіб плавної підгонки, пов'язаний із зміною геометрії резистора лазерним променем. В процесі підгонки частина плівки віддаляється і опір збільшується. При лазерній підгонці спочатку проводять грубу підгонку випалюванням плівки упоперек, потім точну – уздовж резистора; випалювання резистивної плівки під кутом дозволяє сумістити грубу і точну підгонку. [1]
Плівкові конденсатори
Такі конденсатори належать до найбільш поширених елементів ІС. Конструктивно ці конденсатори є тришаровою структурою метал – діелектрик – метал (МДМ-структура) і складаються з нижнього і верхнього обкладань, розділених шаром діелектричного матеріалу.
До конструкції конденсаторів пред'являються наступні конструктивно-технологічні вимоги:
1) мінімальні габарити;
2) відтворюваність характеристик в процесі виробництва;
3) сумісність технічних процесів виготовлення конденсаторів з технологічними процесами виготовлення інших елементів ІС.
Характеристики конденсаторів визначаються властивостями використовуваних матеріалів. До діелектрика конденсаторів пред'являються наступні вимоги:
1) високі – діелектрична проникність, електрична міцність і опір ізоляції;
2) малі – температурний коефіцієнт діелектричної проникності і діелектричні втрати, хороша адгезія, сумісність з технологічними процесами виготовлення інших елементів мікросхем. [5]
Діелектрик конденсатора формується методами термічного напилення, іонно-плазмового і реактивного розпилювання.
Для виготовлення діелектричних тонких плівок застосовують монооксиди кремнію SiO і германію GеO, оксиди алюмінію Al2O3, танталу Ta2O5, титана TiO2 і рідкоземельних металів. Високі питомі ємкості мають титанати барію і кальцію. При виготовленні діелектричних шарів товстоплівкових конденсаторів використовують пасти, які містять титанат барію або діоксид титану, що мають високу діелектричну проникність. [2]
Матеріал обкладок конденсатора повинен задовольняти наступним вимогам: мати низький електричний опір обкладань, хорошу адгезію, володіти низькою міграційною рухливістю атомів, високою корозійною стійкістю. [1]
Конденсатори, що підганяються
Іноді виникає необхідність конструювання плівкових конденсаторів з підвищеною точністю відтворення ємкості, що перевершує технологічні можливості способу їх виготовлення, а також конденсатори, ємкість яких може змінюватися в певних межах.
Підгонка може здійснюватися як у бік зменшення, так і у бік збільшення ємкості. Конструкція конденсатора, що підганяється, має підганяльні секції. Підганяльні секції можна довільно розміщувати по сторонах верхньої обкладки. При підгонці можливе збільшення ємкості конденсатора за допомогою дротяних перемичок. Додаткова ємність визначається площею обкладання секції, що додатково підключається.[3]
Плівкові індуктивні елементи
Такі елементи широко поширені в аналогових ІМС. Індуктивні елементи входять до складу коливальних контурів автогенераторів, смугових фільтрів, ланцюгів корекції частотних характеристик і так далі. Товщина плівкової спіралі залежить від робочої частоти і визначається глибиною проникнення електромагнітної хвилі в матеріал плівкового провідника. Для виготовлення плівкових спіралей застосовують матеріали з високою електропровідністю.[2]
|
|
|
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 ГІС підвищеній надійності є золото з підшаром хрому, ніхрому або титану. Підшар забезпечує високу адгезію, а золото – потрібну електропровідність, високу корозійну стійкість, можливість паяння і зварки.[2]
Плівкові перехідні контакти
Контактний вузол двох плівкових елементів ІС 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. [1]
|
|
|
РОЗДІЛ 2. ТЕХНОЛОГІЯ ВИРОБНИЦТВА ІНТЕГРАЛЬНИХ МІКРОСХЕМ
Сукупність технологічних операцій, складових технологічний маршрут виробництва тонкоплівкових ІС, включає підготовку поверхні підкладки, нанесення плівок на підкладку і формування конфігурацій тонкоплівкових елементів, монтаж і збірку навісних компонентів, захист і герметизацію ІС від зовнішніх дій. Важливе значення при створенні ІС мають контрольні операції, а також підготовка виробництва: виготовлення комплекту масок і фотошаблонів, контроль компонентів ІС і початкових матеріалів. [4]
Нанесення плівок на підкладку ІС здійснюється:
а) термічним випаровуванням матеріалів у вакуумі з конденсацією пари цих матеріалів на поверхню підкладки;
б) іонним розпилюванням мішеней з матеріалів, що наносяться, з перенесенням атомів мішеней на поверхню підкладки;
в) хімічним осадженням плівок в результаті протікання хімічних реакцій в газовій фазі над поверхнею підкладки з утворенням плівкотвірної речовини з подальшим його осадженням на підкладку.
Для формування конфігурацій провідного, резистивного і діелектричного шарів використовують різні методи: масковий (відповідні матеріали напилюють на підкладку через знімні маски); фотолітографія (плівку наносять на всю поверхню підкладки, після чого витравляють з певних ділянок); електронно-променевий (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 перші способи, а також їх поєднання.[3]
2.1 Масковий метод
Найпростішим методом отримання заданої конфігурації плівкових елементів є масковий, при якому нанесення кожного шару тонкоплівкової структури здійснюється через спеціальний трафарет. При масковому методі рекомендується така послідовність формування шарів ІС:
1) напилення резисторів, провідників і контактних площадок;
2) міжшарова ізоляція;
3) другого шару для перетину провідників;
4) нижніх обкладань конденсаторів;
5) діелектрика;
6) верхніх обкладок конденсаторів;
7) захисного шару.
Плівка з напилюваного матеріалу осідає на підкладці в місцях, відповідних малюнку вікон в масці. Як матеріал знімної маски використовують плівки берилієвої бронзи завтовшки 0,1-0,2 міліметра, покриту шаром нікелю завтовшки близько 10 мкм.
Нанесення плівок через знімні маски здійснюють термічним випаровуванням у вакуумі або іонно-плазмовим розпилюванням.
В результаті викривлення маски в процесі напилення плівки між маскою і підкладкою утворюється зазор, що приводить до підзапалу. Крім того, розміри вікон в масці при багатократному напиленні зменшуються. Все це обумовлює меншу точність даного методу в порівнянні з фотолітографією.
Не дивлячись на недоліки масковий метод є найпростішим, технологічнішим і високопродуктивним. [1]
2.2 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 тонкоплівкового елементу, формування на її поверхні фоторезистивної контактної маски, витравляння через вікна у фоторезисті зайвих ділянок плівки. Контактна маска з фоторезиста або іншого матеріалу, стійкішого до подальших технологічних дій, відтворює малюнок фотошаблону з плівки. [3]
Експонований фоторезист віддаляється (розчиняється) після чого плівка резистивного матеріалу видаляється з ділянок, не захищених фоторезистом. Далі на підкладці у вакуумі наноситься суцільна плівка алюмінію. Після фотолітографії і травки алюмінієм провідна плівка залишається в областях контактних площадок і провідників. При цьому сформовані на попередньому етапі резистори не ушкоджуються. Після нанесення поверх провідних елементів і резисторів захисного шару скла проводиться ще одна, третя обробка фотолітографії, в результаті якої скло віддаляється з областей над контактними площадками, а також по периметру плати. [1]
Метод зворотної (вибуховий) фотолітографії відрізняється від попереднього тим, що спочатку на підкладці формується контактна маска, потім наноситься матеріал плівкового елементу, після чого проводиться видалення контактної маски.
При методі фотолітографії для виготовлення ІС, що містять резистори і провідники, використовують два технологічні 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 фотолітографію і травлять одночасно провідний і резистивний шари, потім другу фотолітографію для видалення провідного шару в місцях формування резистивних елементів, після чого слідує нанесення захисного шару і фотолітографія для розтину вікон в нім над контактними площадками. [2]
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 низькоомного резистивних матеріалів; напилення матеріалу провідної плівки; фотолітографія провідного шару; фотолітографія низькоомного резистивного шару; фотолітографія високоомного резистивного шару; нанесення захисного шару. [2]
Комбінований метод
При поєднанні маскового методу і фотолітографії 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 обкладань, діелектрика і верхніх обкладань 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 обкладань, діелектрика і верхніх обкладань конденсатора; нанесення захисного шару.
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 майданчиків; нанесення захисного шару;
3) напилення резистивної плівки, а також контактних майданчиків і провідників через маску; фотолітографія резистивного шару; нанесення захисного шару. [1]
РОЗДІЛ 3. МЕТОДИ МЕТАЛІЗАЦІЇ ІНТЕГРАЛЬНИХ СХЕМ
