Профессия
сборщик РЭА

       

§ 59. Технология изготовления пленочных микросхем

Пленочными микросхемами или тонкопленочными схемами называются схемы, получаемые в результате последовательного изготовления на одной подложке радиокомпонентов и соединительных проводников, представляющих собой пленки из резисторных, диэлектрических, полупроводниковых и других материалов, толщиной от нескольких сотых до десятых долей микрона. Пленочная технология используется для получения всех пассивных радиокомпонентов схемы (резисторов, конденсаторов и др.).

Активные радиокомпоненты схемы (диоды, транзисторы и др.) изготовляют по обычной технологии, но в бескорпусном оформлении и монтируют на подложке. Необходимость в монтаже активных радиокомпонентов снижает надежность тонкопленочных схем.

Подложка тонкопленочной схемы представляет собой диэлектрическое основание, на поверхности которого размещаются все рабочие радиокомпоненты схемы (резисторы, конденсаторы, транзисторы, диоды, соединительные проводники, контактные площадки). Материал подложек — ситалл (стеклокерамический материал), стекло, керамика. Основные требования к материалам подложек — высокие механические и диэлектрические свойства, хорошее согласование по температурному коэффициенту расширения с материалами рабочих элементов, высокая чистота поверхности. Подложки изготовляют различных размеров: 6 х 15, 10 х 16, 12 х 12, 16 х 20, 24 х 30 мм, толщиной 0,6; 1,0; 1,6 мм.

Пленочные микросхемы, в которых наряду с пассивными пленочными радиокомпонентами используются навесные (дискретные) активные полупроводниковые приборы, получили название гибридных пленочных микросхем. Такие схемы, как правило, состоят из подложки, рабочих радиокомпонентов, выводов и корпуса.

В гибридных схемах используются как тонкие, так и толстые пленки. Толстые пленки наносят на подложку методом сеткографии. Токопроводящие элементы и контактные площадки чаще всего выполняют из золота пробы 999,9, серебра, никеля, электролитической меди и алюминия. Для улучшения адгезии токопроводящих материалов с подложкой при изготовлении токопроводящих радиокомпонентов и контактных площадок на нее напыляют предварительно подслой хрома, нихрома и марганца.

Пленочные резисторы изготовляют из материалов, обладающих высоким электрическим сопротивлением и низким ТКС: хрома, нихрома, тантала, металлосилицидного сплава № 3 и сплава MЛT3M. Удельное сопротивление этих материалов должно быть не ниже 300 — 500 Ом/кВ. Для достижения оптимальных параметров резисторов их токопроводящие элементы и контактные площадки изготовляют из золота. Если их делают из меди, то на них наносят дополнительное защитное покрытие из никеля, золота, серебра.

Пленочные конденсаторы получают в виде трехслойной структуры: проводник — диэлектрик — проводник. В качестве диэлектрика используют монооксид кремния SiO, трехсернистую сурьму SbS3, халькогенидные стекла и др., а в качестве проводника — алюминий. Поверхностный слой алюминия легко может быть превращен в диэлектрик путем его окисления. Полученные таким образом конденсаторы обладают малыми диэлектрическими потерями и имеют высокое пробивное напряжение. Тонкопленочные конденсаторы изготовляют емкостью 10—104 пФ. Для напыления межслойной изоляции используют монооксид кремния и халькогенидное стекло.

Основными методами нанесения тонких пленок являются вакуумное напыление (испарение) и катодное распыление. Вакуумное испарение основано на способности металлов и некоторых других неорганических материалов в условиях вакуума перемещаться прямолинейно и оседать на поверхности подложек. Атомы испаряемого вещества, достигшие поверхности подложки, переходят из газообразной фазы в твердую или жидкую и образуется тонкая пленка. Этот процесс носит название конденсации.

Для осуществления испарения необходимо создать вакуум порядка 133-10-5 Па. Осаждаемый материал при этом нагревают до тех пор, пока давление его паров не превысит давления остаточных газов. Процесс нанесения пленок этим методом протекает в вакуумной камере под стеклянным или металлическим колпаком.

В большинстве установок для напыления имеется несколько испарителей (по числу испаряемых материалов в течение технологического цикла); количество подаваемых в камеру подложек обычно составляет 6—10 и более. При нагревании испаритель вначале выделяет газы, которые откачиваются насосами. В это время подложка должна быть закрыта от испарителя затвором (экраном) во избежание ее загрязнения. При напылении пленки экран удаляют, освобождая подложку с маской. Испаряемый материал попадает на подложку через открытые участки маски и тем самым на ней создается пленка заданной конфигурации.

Основными преимуществами вакуумного испарения являются высокая чистота получаемой пленки, удобство контроля ее толщины в процессе напыления и простота выполнения процесса. Недостаток — трудность получения пленок из тугоплавких металлов.

Тугоплавкие металлы (тантал, вольфрам и др.) не удается наносить в виде пленок методом вакуумного испарения. Для нанесения пленок из этих материалов применяют метод катодного распыления. В установках для катодного распыления катодом служит распыляемый материал. Подложка присоединяется к аноду. Для предварительной очистки катода применяют металлический экран, что дает возможность получить пленки с нужными свойствами. Экран также служит для ограничения части атомарного потока на подложку с целью получения большей равномерности толщины пленки.

Метод катодного распыления позволяет формировать на подложке пленку при нормальной температуре. Для этого в вакуумную камеру вводится аргон или водород при давлении 133×10-1 —133×10-2 Па и подается высокое напряжение (1—20 кВ) между катодом и анодом. Положительные ионы из возникающего тлеющего разряда низкого давления движутся к катоду и, получив большую энергию в области катодного падения потенциала, бомбардируют его. Распыляемый металл осаждается на окружающих катод деталях, в частности на участках подложки, которые не закрыты маской. Выбор метода получения пленок зависит от многих факторов: состава наносимого вещества, состояния поверхности и температуры подложки, заданной толщины, режима технологического процесса, методов контроля.

Основные этапы технологического процесса изготовления микросхем следующие: составление топологии схемы; изготовление масок и трафаретов; подготовка подложек к напылению материалов; напыление пленок; монтаж активных радио-компонентов; защита от влияний внешней среды.

Сопоставление топологии схемы начинают с анализа принципиальной электрической схемы. При этом надо стремиться к тому, чтобы количество дискретных (навесных) радиокомпонентов было минимальным. Топология включает комплекс работ, связанных с определением геометрических параметров напыляемых радиокомпонентов и размещением их на подложке. При этом обязательно учитываются минимальные паразитные связи, емкости, наводки и взаимное расположение радиокомпонентов, выделяющих наибольшее количество теплоты.

После определения геометрических размеров напыляемых радиокомпонентов изготовляют топологические чертежи каждого слоя схемы, причем к их точности предъявляют жесткие требования, поэтому чертежи составляются в увеличенном масштабе. Их выполняют на безусадочном материале: специальном картоне или пластмассовой пленке. После изготовления чертежи фотографируют, уменьшая масштаб до 1:1. Полученные негативы тщательно закрепляют и по ним изготовляют позитивы, которые используют для нанесения масок. Маски представляют собой тонкие пластинки из латуни или стали, имеющие прорези, соответствующие расположению радиокомпонентов на подложке. Через эти прорези на подложку конденсируется испаряемый металл. Маски с прорезями изготовляются методом фототравления. Маски должны обладать высокой точностью и разрешающей способностью, механической прочностью и температуростойкостью, должны иметь четкий контур без зазубрин.

Для получения требуемого рисунка схемы при катодном распылении необходимо, чтобы маска плотно соединялась с подложкой. При наличии зазора между маской и подложкой получается размытый рисунок радиокомпонентов, так как часть металла проникает в зазор. В этом случае для получения четкого рисунка схемы целесообразно применять метод непосредственного фототравления, или метод контактной маски, имеющий две разновидности — однопленочную и двухпленочную.

При методе однопленочной маски на подложке создается рисунок из фоторезиста; на подложку напыляют требуемый материал, например хром. Затем подложку помещают в растворитель для фоторезиста. Последний, растворяясь, увлекает за собой металлическую пленку, которая остается только на тех местах, где она осаждалась непосредственно на подложку.

При использовании двухпленочной контактной маски на подложку наносят сплошной слой материала будущей контактной маски (медь, хром и др.). На этот слой наносят фоторезист и способом фотопечати получают требуемое изображение. Сначала удаляют травлением осажденный материал, не покрытый фоторезистом, а затем — оставшуюся часть фоторезиста. В результате получается подложка с нанесенной на нее контактной маской. После этого напыляют пленку требуемого материала, который осаждается на открытые части подложки и маску. При опускании подложки в травильный состав материал контактной маски растворяется и одновременно удаляется нанесенная на него пленка напыляемого материала микросхемы. Так как для растворения материала контактной маски требуются слабые травители, то подложка не разрушается. Этим методом получают четкие и резкие края рисунка схемы, так как зазора между маской и подложкой нет.

После шлифовки и полировки диэлектрические подложки очищают от загрязнений. Металлические загрязнения удаляют с помощью деионизированной воды, жировые — воздействием органических растворителей, химические остатки оксидов — с помощью кислот или щелочей. Затем подложку промывают, травят кислотами и сушат.

Технологию напыления пленок, т. е. изготовление тонкопленочной схемы рассмотрим на примере мультивибратора (рис. 125). Вся схема выполнена из десяти слоев. Методом вакуумного испарения в определенной последовательности наносятся отдельные компоненты схемы. При этом токопроводящие слои отделяются один от другого изолирующими пленками.

Рис. 125. Принципиальная схема мультивибратора:
R1 — R4 - резисторы, С1, С2 - конденсаторы, ПП1, ПП2 — транзисторы

Подложка (рис. 126) имеет размеры 15,2 х 15,2 мм. Все пассивные элементы этой схемы формируются в центре пластины и занимают площадь 7,6 х 7,6 мм.

Рис. 126. Подложка микромодуля : Б1, Б2 - базы ПП1, ПП2, К1, К2 — коллекторы ПП1, ПП2, З — земля

Слои 1, 4, 7 и 10 (рис. 127) представляют собой пленки из оксида кремния, наносимые на ту часть подложки, где формируются пассивные компоненты. Эти слои сравнительно толстые высотой 1 мкм и предназначены для выравнивания платы после нанесения очередного слоя резисторов и проводников, устранения межслойных перемычек и для образования диэлектриков в конденсаторах.

Рис. 127. Этапы изготовления тонкопленочной схемы мультивибратора:
1,4,7 — изоляционные слои, 2,5,8 — слои резисторов R1 — R4, 3 — слой соединительных проводников R2 и обкладки С2, б — слой соединительных проводников R3, R4 и обкладок С1,С2, 9 — слой соединительных проводников R1 и обкладки С1, 10 — изоляционный слой всей схемы

Слои 2, 5, 8, получаемые распылением нихрома, образуют резисторы схемы. Толщина пленки 0,015 мкм. Слои 5,6,9 представляют собой алюминиевые пленки толщиной 0,5 мкм, которые служат в качестве соединительных проводников и обкладок конденсаторов.

Подгонку резисторов выполняют алмазными резцами, которыми срезают участок проводящего слоя. Подгонку резисторов на основе титана, тантала, ниобия можно осуществлять частичным анодированием пленки или выжиганием лучом лазера. Чтобы емкость конденсатора соответствовала номинальной, изменяют геометрические размеры нижнего слоя (обкладки) указанными способами, а также путем регулируемого напыления слоя диэлектрика.

Проводники, соединяющие резисторы и конденсаторы, рекомендуется напылять после нанесения резистивных пленок и пленок обкладок конденсатора. Активные компоненты микросхемы приклеивают к плате поверх осажденных пассивных компонентов. Монтажные соединения выполняют термокомпрессионной сваркой или сваркой расщепленным электродом. Для нормальной работы пленочных микросхем их защищают от влияния внешней среды. Для этого микросхемы помещают в металлические или металлостеклянные корпуса прямоугольной (22 х 22 х 4 мм) или цилиндрической (диаметр 9,4 мм) формы. Корпуса могут быть также изготовлены из полимерных материалов, а выводы — из латуни.

Применяют и бескорпусную защиту микросхем полимерными материалами. Для этого микросхему заливают термореактивными компаундами или покрывают лаками и эмалями. Проводят допусковый контроль параметров готовых тонкопленочных схем, который осуществляют специальной аппаратурой. При этом контролируется несколько параметров. При несоответствии какого-либо параметра заданным допускам схема бракуется — автоматически удаляется. После проверки и контроля интегральные пленочные схемы проходят технологическую тренировку. Затем производят окончательный выходной контроль, маркировку и упаковку в индивидуальную тару.

Top.Mail.Ru
Рейтинг@Mail.ru