Профессия
сборщик РЭА

       

§ 60. Технология изготовления твердых схем

Твердой схемой называется устройство, состоящее из одного кристалла полупроводника, в котором сформировано несколько активных и пассивных радиокомпонентов без внешних соединений. Создание твердых схем основано на использовании физических свойств кристаллической решетки некоторых твердых тел (кремния или германия). Получение требуемых свойств связано с перестройкой в нужных местах кристаллической решетки основного материала путем введения в него примеси.

При изготовлении твердой схемы в качестве исходного материала используют монокристалл кремния или германия, который разрезают на заготовки требуемых размеров алмазными дисками. Поверхность заготовки шлифуют микропорошком оксида алюминия, полируют алмазной пастой и травят в смеси азотной и плавиковой кислот.

В качестве активных и пассивных радиокомпонентов применяют пленки, полученные методом сплавления, диффузии или эпитаксиального выращивания. Основной задачей при изготовлении твердых схем является образование в заготовке р-п-переходов путем внесения донорных или акцепторных примесей. В качестве донорных примесей используют фосфор, мышьяк, сурьму, а в качестве акцепторных — бор или галлий.

Метод сплавления заключается в том, что примесный металл осаждается на поверхность заготовки. Затем его нагревают до температуры, несколько выше температуры плавления металла. В зависимости от полупроводникового материала (германия или кремния) и от примесного металла процесс сплавления проводят в вакууме, в нейтральной или восстановительной среде. При плавлении происходит одновременное растворение вещества заготовки в жидкой фазе и диффузия примеси из жидкой фазы в прилегающие слои монокристалла. После охлаждения примесный металл оказывается включенным в кристаллическую решетку полупроводника, что обеспечивает требуемый тип проводимости.

Процесс сплавления связан с некоторыми трудностями, заключающимися в установлении оптимального режима сплавления элементов и последующей скорости охлаждения их. Если режим сплавления будет подобран неправильно, то получим некачественный р-п-переход.

Режим сплавления характеризуется температурой и временем процесса. Практически режим сплавления устанавливается экспериментально для каждого конкретного прибора (твердой схемы). Также экспериментально подбирают и скорость охлаждения расплава. Все это делает метод сплавления довольно-таки сложным.

Метод диффузии чаще всего используют для создания р-п-переходов. Под диффузией понимают процесс проникновения атомов одного вещества в другое, который происходит в результате разности концентраций.

Для получения диффузионных p-n-переходов разработаны и применяются различные способы: диффузия в кварцевой ампуле; диффузия на воздухе; диффузия в токе газа и др. Каждый из указанных способов можно проводить различными технологическими приемами. Иногда используют комбинацию диффузионных методов, позволяющую получить p-n-переход заданной геометрии и с требуемыми параметрами.

При изготовлении твердых схем на основе кремния в качестве примесных металлов используют элементы III и IV групп периодической системы. Эти примеси обычно замещают атомы кремния в узлах кристаллической решетки (растворы замещения). В первом приближении под процессом диффузии можно понимать простой переход примеси из одного узла решетки в другой освободившийся соседний узел. Чтобы диффузия замещения протекала с достаточной скоростью, температура кристаллов типа кремния должна быть близкой к температуре плавления. Некоторые другие примеси диффундируют между узлами кристаллической решетки (растворы внедрения). Обычно скорость диффузии внедрения превышает скорость диффузии замещения. В кремнии между узлами диффундируют примеси золота и никеля.

Чем выше температура, тем более высокая энергия сообщается диффундирующим атомам и с тем большей скоростью они движутся сквозь кристаллическую решетку полупроводниковой подложки, т. е. скорость диффузии возрастает. Чтобы получить требуемое распределение примесных элементов в узлах кристаллической решетки полупроводниковой подложки, необходимо процессы диффузии проводить при температурах на 120 —200 °С ниже температуры плавления подложки.

Как метод сплавления, так и метод диффузии имеют существенный недостаток, ограничивающий их использование при построении твердых схем. Он состоит в том, что ни диффузия, ни сплавление не позволяют получать сложные трехразмерные структуры: максимально возможное число переходов при сплавлении — два, а при диффузии — четыре.

Эпитаксиальное выращивание p-n-переходов позволяет получать твердые схемы, у которых число переходов может достигать десяти.

Эпитаксиальное выращивание p-n-переходов заключается в осаждении атомов кремния из газовой фазы на монокристаллические пластины кремния, в результате чего получаются монокристаллические пленки, обладающие заданными свойствами. В процессе выращивания пленки в нее можно вводить легирующие примеси, создавая нужное распределение в ней концентрации примеси и заданный тип проводимости. В результате этого получаются четкие границы между областями с различными типами проводимости.

Эпитаксиальное выращивание выполняется путем вакуумного напыления кремния на подогреваемую подложку или осуществляется в замкнутой системе, в которой для переноса полупроводникового материала от источника, поддерживаемого при низкой температуре, к подложке, находящейся при более высокой температуре, используется галоген. При эпитаксиальном выращивании р-n-переходов необходимо строго контролировать температуру подложки и состав газовой смеси.

В процессе изготовления твердых полупроводниковых схем необходимо контролировать размеры выполняемых радиокомпонентов во всех трех измерениях. Контроль толщины радиокомпонентов осуществляется несложно при получении их методом диффузии или эпитаксиального выращивания. Геометрическую конфигурацию поверхностей радиокомпонентов и соединений микросхем, как правило, определяют способом фотолитографии.

Способ фотолитографии заключается в том, что поверхность кремниевой подложки вначале окисляется, а затем на нее наносят тонкий фотослой, чувствительный к ультрафиолетовым лучам. С помощью негатива маски фотослой экспонируется методом контактной печати и проявляется. Проявитель снимает часть фотослоя, находящегося под темными местами негатива, остальная его часть остается на подложке. После проявления поверхность подложки обрабатывается селективным травителем, воздействующим на слой оксида и не влияющим на основной материал подложки и фотослой. Таким травителем может быть, например, фтористоводородная кислота. Оставшийся фотослой и слой оксида можно стравить еще каким-нибудь селективным травителем. Закрывая оксидной маской часть поверхности подложки на какое-то время в течение цикла диффузии или эпитаксиального выращивания, можно получать р-n-переходы требуемых размеров.

Компонентами твердых схем являются резисторы, конденсаторы, транзисторы и диоды (рис. 128). Наибольшее применение находят диффузионные резисторы, которые имеют сопротивление 500 кОм и небольшие размеры.

Рис. 128. Основные компоненты твердых схем:
а — резистор,б — конденсатор, в — мезатранзистор, г и д — планарный и планарно-эпитаксиальный транзисторы, е — диод, Э — эмиттер, Б — база, К — коллектор, В — вывод

Размеры и форму резистора задают фотошаблоном и режимом диффузии. Сопротивление зависит от конфигурации и размеров слоя. Точность сопротивления диффузионных резисторов составляет + 10%. Максимальная мощность, рассеиваемая диффузионными резисторами, весьма велика и определяется главным образом возможностью теплоотвода через корпус.

В качестве конденсаторов в твердых схемах используется барьерная емкость р-n-перехода. Емкость является функцией ширины и площади переходов. В пластине кремния получают конденсаторы емкостью до 105 пФ/см2.

Плоскостные транзисторы, являющиеся также одним из компонентов твердой схемы, представляют собой устройства с двумя р-n-переходами, выполненными на одном монокристалле полупроводника. Плоскостные транзисторы имеют несколько видов: меза-транзисторы, планарные и планарно-эпитаксиальные.

Для изготовления диода достаточно иметь только один р-n-переход. Для получения p-n-перехода используют метод планарной технологии в едином технологическом цикле с изготовлением транзисторов. Диодам придают транзисторную структуру, а затем в зависимости от его назначения пользуются теми или иными р-и-переходами.

После образования отдельных компонентов твердой схемы: диодов, транзисторов, конденсаторов — их изолируют друг от друга. Для изоляции применяют дополнительные р-л-переходы, т. е. все радиокомпоненты оказываются изолированными, так как диоды смещены в обратном направлении. Однако наиболее распространена изоляция радиокомпонентов оксидом, получаемым на полупроводниковой подложке в результате термообработки.

Отдельные компоненты твердой схемы соединяют между собой внешними проводниками, наносимыми вакуумным напылением. Для этого на поверхность пластины кремния, предварительно покрытую оксидом кремния со вскрытыми окнами, напыляют оксид алюминия. Пройдя через окна, он образует необходимые соединения между радиокомпонентами и контактными площадками.

Присоединение внешних выводов к микросхеме выполняют методом термокомпрессии. Готовую схему герметизируют, размещая ее в пластмассовом корпусе. Наиболее широко используют плоские корпуса, имеющие два ряда жестких штырьковых выводов прямоугольного или круглого сечения. Такие выводы легко вставляются в монтажные отверстия печатных плат.

Готовые интегральные схемы контролируют специальной проверочной аппаратурой. Контроль аналогичен контролю тонкопленочных микросхем.

Контрольные вопросы

  1. Какие конструктивные модули используются при построении радиоэлектронной аппаратуры?
  2. Перечислите основные направления микроминиатюризации РЭА.
  3. Что представляет собой микромодуль?
  4. Что называется тонкопленочной микросхемой?
  5. Какие методы существуют для получения р-n-переходов в твердых схемах?

Top.Mail.Ru
Рейтинг@Mail.ru