Широко распространены пленки хрома и тантала. Из сплавов наиболее часто используют нихром. На основе керметов, в состав которых С этой целью проводят электрохимическое осаждение меди или золота (в ответственных изделиях) на тонкий слой титана или ванадия.

Методические указания
к проведению лабораторных занятий по дисциплине
«Конструкторское проектирование и технология БИС и СБИС»
Модуль 2

Лабораторная работа № 5. Изучение технологии изготовления гибридных тонкопленочных интегральных микросхем
Цель работы: 1) изучить методы конфигураций элементов тонкопленочных гибридных интегральных микросхем (ГИС); 2) изучить методы нанесения тонких пленок на подложку ГИС; 3) изучить технологические процессы изготовления и конструкции тонкопленочных ГИС; 4) ознакомиться с оборудованием, материалами, видами и причинами брака в технологии тонкопленочных ГИС.
Продолжительность работы - 4 часа.

Теоретические сведения
Совокупность технологических операций, составляющих технологический маршрут производства тонкопленочных ГИС, включает в себя подготовку поверхности подложки, нанесение пленок на подложку и формирование конфигураций тонкопленочных элементов, монтаж и сборку навесных компонентов, защиту и герметизацию ГИС от внешних воздействий. Конструкция простейшей тонкопленочной ГИС представлена на рис. 1.
Подложки. Подложки в ГИС служат диэлектрическим и механическим основанием для размещения активных и пассивных элементов. Для обеспечения заданных электрических параметров к подложкам ГИС предъявляются следующие требования:
высокая механическая прочность, обеспечивающая целостность подложки как в процессе изготовления, так и при эксплуатации ГИС;
высокий коэффициент теплопроводности для обеспечения отвода тепла;
высокая химическая инертность к осаждаемым материалам;
стойкость к воздействию химических реактивов в процессах подготовки поверхности и изготовления ГИС;
стойкость к воздействию высоких температур в процессах формирования элементов и установки навесных компонентов ГИС;
способность к механической обработке (резке, полировке). Материалы подложек и нанесенных на них пленок должны иметь
согласованные ТКЛР для обеспечения малых механических напряжений в пленках, вызывающих отслаивание и растрескивание при охлаждении подложки после нанесения на нее пленок.
Структура материала подложки и состояние ее поверхности существенно влияют на структуру пленок и характеристики пленочных элементов. Для тонкопленочных ГИС при толщине пленок около 100 нм допускается высота микронеровностей примерно 25 нм, т.е. чистота обработки поверхности должна соответствовать 14 классу шероховатости. Толщина подложек составляет 0,3 - 0,6 мм.
Для маломощных ГИС в качестве материала подложки наиболее часто используют стеклокристаллические материалы - ситаллы, содержащие 30 - 90 % Si02, окислы Al, Ti. В. Mg, К, Li. Для мощных ГИС и СВЧ ГИС применяют поликор, имеющий гораздо меньший, чем у ситал-ла, тангенс угла диэлектрических потерь tg8 и более высокую теплопроводность. Если требуется обеспечить хороший теплоотвод, высокую механическую прочность и жесткость конструкции, то применяют металлические подложки, покрытые слоем диэлектрика: эмалированные стальные, анодированные алюминиевые и титалановые. В этом случае отпадает необходимость в корпусировании ИМС, поскольку подложка одновременно является частью корпуса. Эмалированные стальные подложки наиболее дешевые, но они тяжелее других металлических подложек, кроме того, слой стеклоэмали на поверхности подложки ухудшает теплоотвод. Алюминиевые подложки более легкие, но обладают меньшей жесткостью. В титалановых подложках основанием является легкий и прочный титан с накатанной сверху алюминиевой фольгой, что позволяет устранить недостатки, присущие другим металлическим подложкам.
Полиимидные пленки в производстве гибридных тонкопленочных БИС играют все более возрастающую роль. Гибкие полиимидные пленки обладают высокой прочностью на растяжение, отличными изоляционными свойствами (Ј = 3,5; tg5 = 310"" на частоте 1 кГц), электрической прочностью (150 - 275106 В/м), химической стойкостью, несгораемостью. Они имеют высокую радиационную и наиболее высокую среди полимеров температурную устойчивость, не теряют гибкости при температуре жидкого азота и выдерживают высокие температуры до +400 °С). Полиимидные пленки широко применяются в производстве гибридных тонкопленочных БИС на металлическом основании с многослойной разводкой, а также для гибких коммутационных плат в качестве самостоятельной подложки. Полиимидные пленки технологичны, устойчивы к травлению в щелочах и кислотах, что делает их незаменимыми для создания многослойных и многоуровневых ГИС.
Недостатком полиимидных пленок является их высокая стоимость, так как их получают из соединений, синтез которых сложен, проводится во много стадий и требует применения дорогостоящих исходных веществ.
В данной работе представлены образцы, выполненные на ситалловых, титалановых подложках, а также на основе полиимидного лака.
Промышленностью выпускаются подложки разных размеров. При выборе подложки ориентируются на ряд типоразмеров, которые могут быть получены делением сторон по безотходной технологии базовой подложки (размером 96х 120 мм2) на части, кратные 2-м и 3-м. В результате получаются подложки, часть которых предназначена для размещения в стандартных корпусах, а остальные - для изготовления бескорпусных ГИС и микросборок. Непосредственно перед нанесением пленки подложки подвергаются очистке.
Очистка. Выбор способа очистки зависит от вида загрязнений. Возможна жидкостная и сухая очистка в жидких, газовых и плазменных технологических средах. При этом механизмы процессов удаления загрязнений могут быть физическими (механическое удаление), химическими (удаление загрязнений посредством химических реакций), а также комбинированными (использование обоих методов удаления загрязнений, например, при ионной и плазмохимической очистке). Эффективная очистка достигается при сочетании нескольких способов очистки. В составе таких процессов основными операциями являются обезжиривание, травление, промывка, сушка.
В тонкопленочных ГИС наибольшее распространение получила жидкостная очистка. Для ускорения процесса очистки используют нагрев, кипячение, вибрацию, центрифугирование, ультразвуковую обработку, плазму. Например, типовой процесс очистки ситалловых подложек включает следующие операции:
обезжиривание кипячением в перекисно-аммиачном растворе;
промывка в проточной деионизированной или дистиллированной воде;
промывка кипячением в дистиллированной воде;
сушка в парах изопропилового спирта или в потоке нагретого (до 320 °С) инертного газа (аргона, азота).
Метод сухой чистки используют перед наиболее ответственными операциями. Наряду с традиционным отжигом и газовым травлением успешно используют ионное и плазмохимическое травление.
Создание пассивных тонкопленочных элементов ГИС
Резисторы. Для тонкопленочных резисторов используют чистые металлы, сплавы, а также специальные материалы - керметы, которые состоят из частиц металла и диэлектрика. Широко распространены пленки хрома и тантала. Из сплавов наиболее часто используют нихром. На основе керметов, в состав которых входят хром и монооксид кремния, получают высокоомные резисторы. В зависимости от содержания хрома можно получить резистивные пленки с удельным сопротивлением от сотен ом на квадрат до десятков килоом на квадрат. Однако в связи с тем, что свойства керметных пленок сильно зависят от технологических факторов, резисторы имеют худшую воспроизводимость номиналов и больший ТКС по сравнению с металлическими. В настоящее время промышленностью освоена большая группа металлосилицидных сплавов системы SiСг, легированных небольшими добавками железа, никеля, кобальта, вольфрама (РС-3001, РС-3710, РС-5404К, МЛТ-ЗМ, РС-5405Н). При сравнительно малом ТКС и высокой стабильности воспроизведения удельного поверхностного сопротивления диапазон номиналов резистивных сплавов (PC) достаточно широк: 0,5 - 50 кОм/о.
Конденсаторы. Характеристики конденсаторов определяются свойствами применяемых материалов. К диэлектрику конденсаторов предъявляются следующие требования: высокие - диэлектрическая проницаемость ^, электрическая прочность и сопротивление изоляции, малые - температурный коэффициент емкости и тангенс угла диэлектрических потерь, хорошая адгезия, совместимость с технологическими процессами изготовления других элементов микросхемы.
Для изготовления тонких диэлектрических пленок применяют монооксиды кремния SiO и германия GeO, оксиды алюминия А1203, тантала Та205, титана Ti02 и редкоземельных металлов. Высокие удельные емкости имеют титанаты кальция и бария.
Материал обкладок конденсатора должен удовлетворять следующим требованиям: иметь малое электрическое сопротивление обкладок, особенно для высокочастотных конденсаторов, ТКЛР, близкий к ТКЛР подложки и диэлектрика, хорошую адгезию как к подложке, так и к ранее сформированным пленкам, обладать малой миграционной подвижностью атомов, высокой коррозионной стойкостью.
Для изготовления обкладок тонкопленочных конденсаторов применяют алюминий А99 с подслоем титана или ванадия для нижней обкладки и без подслоя при напылении на диэлектрик верхней обкладки.
Элементы коммутации. Такие элементы (проводники и контактные площадки) служат для электрического соединения компонентов и элементов ГИС между собой, а также для присоединения к выводам корпуса. К материалам элементов коммутации предъявляются следующие требования: высокая электропроводность; хорошая адгезия к подложке; высокая коррозионная стойкость; обеспечение низкого и воспроизводимого переходного сопротивления контактов; возможность пайки или сварки выводов навесных компонентов и проволочных перемычек для электрического соединения контактных площадок платы с выводами корпуса Самым распространенным материалом тонкопленочных проводников и контактных площадок в ГИС повышенной надежности является золото с подслоем хрома, нихрома или титана. Подслой обеспечивает высокую адгезию, а золото - нужную электропроводность, высокую коррозийную стойкость, возможность пайки и сварки. Толщина пленочного проводника обычно составляет 0,5 - 1,0 мкм.
В аппаратуре с менее жесткими требованиями к надежности в качестве проводников используют пленки меди или алюминия с подслоем хрома, нихрома, ванадия и титана. Для предотвращения оксидирования меди и улучшения условий пайки или сварки медные контактные площадки покрывают хромом, никелем, золотом или ванадием. Для пайки их целесообразно облуживать погружением схемы в припой, при этом остальные пленочные элементы должны быть защищены.
Алюминий обладает достаточно высокой коррозионной стойкостью и может использоваться как с защитным покрытием никеля или ванадия для обеспечения возможности пайки, так и без него, если присоединение навесных компонентов и создание внешних контактов осуществляется сваркой. Толщина медных и алюминиевых проводников составляет 1 мкм, а толщина никелевого или золотого покрытия - сотые доли микрометра.
Рост функциональной сложности ГИС, использование многовыводных полупроводниковых БИС в качестве компонентов гибридных микросхем привели к необходимости создания многовыводной разводки.
К системе многоуровневой разводки предъявляются повышенные требования: высокая плотность монтажа, качественная межуровневая изоляция, малое переходное сопротивление контактов при переходе с одного уровня на другой, малые паразитные емкости, высокая механическая прочность, эффективный перенос тепла от компонентов к теплоотводящим основаниям, низкая стоимость. Так, например, материалы диэлектрических слоев должны иметь малую диэлектрическую проницаемость, высокую электрическую прочность и высокое сопротивление изоляции. На рис.2 представлены варианты многоуровневой разводки гибридных БИС.
Для многоуровневой коммутации гибридных БИС с применением гибких полиимидных плат функции несущего основания и теплоотвода выполняет металлическая (анодированная алюминиевая) плата, а функции коммутационной платы - система гибких полиимидных пленок толщиной 40 - 60 мкм с нанесенными на них методом тонко-пленочной технологии проводящими дорожками. Двустороннюю металлизацию пленки и вытравленных в ней переходных отверстий производят напылением многослойной пленки Cr-Cu-Cr толщиной
1 - 2 мкм с последующим гальваническим наращиванием меди (13-16 мкм) и сплава Su-Bi толщиной 7-10 мкм.
Гибкие полиимидные коммутационные платы присоединяют к металлической подложке вакуумной пайкой (см. рис.2,в), для чего в соответствующих контактным площадкам местах имеются переходные металлизированные отверстия. При пайке припой заполняет их, образуя прочные коммутационные соединения и одновременно механическое крепление. Для изоляции между гибкими платами с разводкой на обеих сторонах используют прокладки из полиимиднои пленки без разводки, но с отверстиями в местах межслойных переходов. Навесные компоненты могут быть смонтированы как на коммутационной полиимиднои пленке, так и непосредственно на металлической плате через окна, вытравленные в гибких платах.
Пленочные индуктивные элементы. Такие элементы широко распространены в аналоговых ИМС. Индуктивные элементы входят в состав колебательных контуров автогенераторов, полосовых фильтров и т.д.
Для изготовления пленочных спиралей применяют материалы с высокой электропроводностью. Для повышения добротности спирали образующие ее проводники должны быть большой толщины (30 - 100 мкм). С этой целью проводят электрохимическое осаждение меди или золота (в ответственных изделиях) на тонкий слой титана или ванадия.
Защитные покрытия. Применяются для защиты от внешних воздействий и для предотвращения замыкания проводников и пересечений. Для однослойной разводки обычно используется защита негативным фоторезистором, как наиболее простая. Для многослойной разводки в качестве диэлектрических применяют те же материалы, что и для диэлектрика конденсаторов, но с малым значением диэлектрической проницаемости с целью уменьшения паразитных связей между проводниками слоев.

Методы нанесения тонких пленок
Нанесение пленок на подложку ГИС осуществляется:
а) термическим испарением материалов в вакууме с конденсацией паров этих материалов на поверхность подложки;
б) ионным распылением мишеней из наносимых материалов с переносом атомов мишени на поверхность подложки; в) химическим осаждением пленок в результате протекания химических реакций в газовой фазе над поверхностью подложки с образованием пленкообразующего вещества с последующим его осаждением на подложку.
Наиболее распространенными методами получения тонких пленок различных материалов в вакууме являются методы термического испарения и ионного распыления.
Метод термического испарения. Возможно испарение: а) из ре-зистивных испарителей (проволочных, ленточных), включая взрывное испарение с применением вибропитателей; б) из тиглей с радиационным и высокочастотным индукционным нагревом; в) с помощью электронно-лучевых испарителей (за счет сфокусированного луча).
Метод термовакуумного испарения основан на создании направленного потока пара вещества с последующей конденсацией на поверхности подложек, имеющих температуру ниже температуры источника пара.
Термическим испарением в вакууме удается получить наиболее чистые пленки. Достоинства метода: простота, высокая скорость осаждения пленок, возможность напыления многих веществ. Однако этим методом трудно получать пленки из тугоплавких материалов сложного состава, имеющих различные скорости испарения отдельных компонент. Кроме того, для получения высокого вакуума (10~5 - 10~7 Па) требуется сложная система.
Метод ионного распыления. К процессам ионного распыления относятся: а) катодное (диодная система); б) ионно-плазменное (триодная система); в) с помощью сфокусированных ионных пучков; г) магнетронное распыление.
При ионном распылении энергия, необходимая для отрыва атомов испаряемого вещества, образуется в результате бомбардировки его поверхности ионами плазмы. Источником ионов служит самостоятельный тлеющий заряд либо плазма несамостоятельного разряда (дугового или высокочастотного) инертных газов (обычно высокой чистоты аргона). Существует большое разнообразие процессов ионного распыления, различающихся характером напряжения питания (постоянное, переменное, высокочастотное), способом возбуждения и поддержания разряда, числом и конструкцией электродов и т.д.
Газовая среда при катодном распылении может быть инертной (например, аргон) или химически активной (например, кислород). Процесс распыления в химически активной среде называют реактивным распылением.
Метод катодного распыления позволяет получить тонкие пленки металлов (тантала, ниобия, молибдена), а также пленки различных сплавов, характеризующихся высокой адгезией и однородностью.
Ионно-плазменное распыление. Применение триодной системы распыления позволило существенно улучшить вакуумные условия формирования тонких пленок и повысить скорости распыления по сравнению с диодной системой.
Для достижения больших скоростей осаждения необходимо снизить давление в рабочей камере с тем, чтобы свободный пробег атомарных частиц был больше расстояния мишень - подложка, а также повысить плотность ионного потока на мишень. При ионно-плазменном распылении давление составляет (10-1 – 10-5 Па), что в сотни раз меньше, чем при катодном распылении. Благодаря этому распыляемые атомы почти не сталкиваются с молекулами газа и ионами в пространстве между мишенью и подложкой, что уменьшает загрязнение пленки остаточными газами. Большим преимуществом метода является его универсальность. Ионно-плазменным распылением можно получать пленки как чистых металлов, так и сплавов одновременным распылением нескольких независимых мишеней. Ионно-плазменное распыление безынерционного, распыление происходит лишь при подаче напряжения и сразу прекращается при его выключении.
Метод ионно-плазменного распыления является наиболее распространенным в производстве ГИС для получения пленок из материалов с различными свойствами.
Магнетронное распыление. Данный метод является дальнейшим развитием ионно-плазменного распыления. Он основан на распылении материала за счет бомбардировки поверхности мишени ионами рабочего газа (обычно аргона), образующихся в плазме аномального тлеющего разряда при наложении скрещенных электрического и магнитных полей.
Магнетронные распылительные системы относятся к системам распыления диодного типа. Высокая скорость распыления достигается увеличением плотности ионного потока за счет локализации плазмы у распыляемой поверхности мишени с помощью сильного поперечного магнитного поля.
По сравнению с диодными системами распыления магнетронные системы отличают следующие достоинства: высокая скорость распыления (до 35 - 40 нм/с) при сравнительно низком рабочем напряжении (-500 В) и небольшом давлении рабочего газа (0,3 - 0,7 Па); низкий уровень радиационных дефектов и отсутствие перегрева подложек; малая степень загрязненности пленок посторонними газовыми включениями; разнообразие форм распыляемых мишеней; простота конструкций. К недостаткам следует отнести сложность распыления магнитных материалов и материалов с низкой теплопроводностью, а также низкий коэффициент полезного использования материала мишени.
Химические методы. К этим методам относятся: электролитическое и химическое осаждение и анодное окисление. В основу методов положены реакции, протекающие в водных растворах солей металлов при приложении электрического поля (или без него).
Электролитическое осаждение производят в ваннах с электролитом, содержащих два электрода - анод и катод. В качестве подложки, которая является катодом, используют проводящие материалы. Анод выполняют из инертного материала (по отношению к электролиту) или
·материала, из которого осаждается пленка. Этим методом наращивают многослойные пленки меди, никеля и других материалов.
Химическое осаждение основано на восстановлении металлов из водных растворов без приложения электрического поля. Этим методом осаждают пленки никеля, золота, серебра, палладия и других материалов как на проводящие, так и на непроводящие подложки.
Анодное окисление представляет собой взаимодействие химически активных металлов с ионами кислорода, выделяющимися у анода, с образованием оксидной пленки. Путем анодирования получают оксидные пленки тантала и алюминия. При этом сначала на подложку вакуумным методом наносится пленка исходного материала, которая затем подвергается локальному анодированию, что позволяет создать высококачественные пленочные конденсаторы и изолирующие слои при многослойной разводке.
Методы формирования конфигурации топкопленочных элементов ГИС
Для формирования топологических рисунков проводящего, резистивного и диэлектрического слоев используют следующие методы:
масочный - соответствующие материалы напыляют на подложку через маску;
фотолитографический - пленку наносят на всю поверхность подложки, а затем вытравливают с участков, не защищенных фоторезистором; спектронно-лучевои - определенные участки пленки удаляются с подложки по заданной программе под воздействием электронного луча;
лазерный - аналогичен электронно-лучевому, только вместо электронного луча используют луч лазера.
Наибольшее распространение получили два первых способа, а также их комбинация.
Масочный метод. При данном методе пленочный рисунок получают напылением материала пленки на подложку, закрытую съемной затеняющей металлической маской. Пленка из напыляемого материала осаждается на подложке в местах, соответствующих рисунку окон в маске. В качестве материала съемной металлической маски используют ленту бериллиевой бронзы толщиной 0,1 - 0,2 мм, покрытую слоем никеля толщиной около 10 мкм.
Нанесение пленок через съемные маски осуществляют термическим испарением в вакууме либо ионно-плазменным распылением. Метод катодного распыления через съемные металлические маски не применяют, так как маска является экраном, искажающим электрическое поле между катодом и анодом, что может привести к прекращению процесса распыления. Использование для этих целей масок из диэлектрических материалов нецелесообразно из-за низкой точности и трудности их изготовления. Поскольку для обеспечения необходимой жесткости маски имеют сравнительно большую толщину, их края затеняют прилегающие к ним участки подложки.
В результате коробления маски в процессе напыления пленки между маской и подложкой образуется зазор, приводящий к подпылу. Кроме того, размеры окон в маске при многократном напылении уменьшаются. Все это обусловливает меньшую точность данного метода по сравнению с фотолитографическим. С помощью съемных масок нельзя получать замкнутый рисунок (например, кольцо). Чем сложнее конфигурация пленочных элементов, тем ниже точность их изготовления.
Несмотря на указанные недостатки, масочный метод является самым простым, технологичным и высокопроизводительным.
Метод фотолитографии. Этот метод позволяет получить конфигурацию элементов любой сложности и имеет большую точность по сравнению с масочным, однако он более сложен, так как включает ряд прецизионных операций.
Последовательность выполнения основных операций при фотолитографии показана на рис. 3.


Поверхность подложек предварительно очищают, чтобы обеспечить их высокую смачиваемость и адгезию фоторезиста, а также удалить посторонние включения. Затем на подложку наносят тонкий слой фоторезиста (светочувствительную полимерную композицию) и сушат его для удаления растворителя. Фоторезист бывает двух типов: позитивный и негативный.
Совмещение фотошаблона с подложкой и экспонирование выполняют на одной установке. Цель операции совмещения - обеспечение совпадения рисунка фотошаблона с нанесенным рисунком на предыдущей операции. Далее слой фоторезиста экспонируют - подвергают воздействию ультрафиолетового излучения через фотошаблон. В результате рисунок с фотошаблона переносится на слой фоторезиста.
При проявлении слоя фоторезиста отдельные его участки вымываются и на подложке при использовании позитивного фоторезиста остаются неэкспонированные (незасвеченные) участки, а при использовании негативного фоторезиста - экспонированные. Затем слой фоторезиста термообрабатывают при повышенной температуре, т.е. задубливают, вследствие чего происходит его частичная полимеризация и повышается стойкость к травителю. Заканчивается процесс фотолитографии травлением незащищенных фоторезистом участков подложки, созданием рельефного рисунка и удалением остатков фоторезиста.
Существует несколько разновидностей метода фотолитографии.
Метод прямой фотолитографии предусматривает такую последовательность формирования пленочных элементов: нанесение сплошной пленки материала тонкопленочного элемента, формирование на ее поверхности фоторезистивной контактной маски, вытравливание через окна в фоторезисте лишних участков пленки. Контактная маска из фоторезиста или другого материала, более стойкого к последующим технологическим воздействиям, воспроизводит рисунок фотошаблона на пленке.
Метод обратной, или, как его иногда называют, взрывной, фотолитографии (рис.4) отличается от предыдущего тем, что сначала на подложке формируется контактная маска, затем наносится материал пленочного элемента, после чего производится удаление контактной маски. При этом возможны два варианта нанесения пленки на контактную маску.
Первый вариант - сначала пленка осаждается как на контактную маску, так и на свободные от нее участки подложки. Затем при быстром (взрывном) стравливании контактной маски вместе с ней удаляются и участки пленки, расположенные поверх маски (селективное травление). Метод реализуется при термовакуумном напылении, ионном распылением, осаждением из парогазовой смеси.
Второй вариант - пленка осаждается только на свободные от маски участки подложки (селективное осаждение).
Метод может использоваться при электролитическом осаждении электропроводящих материалов. Его нельзя применять для создания многослойных конструкций ГИС, так как для получения рисунка очередного слоя требуется обработка травителем и тщательная очистка подложки от химических реактивов, без чего невозможно добиться удовлетворительной адгезии при осаждении следующих слоев. Поэтому технологический процесс стараются построить так, чтобы нанести все слои микросхемы, а затем последовательным избирательным травлением получить их рисунок.
При фотолитографическом методе для изготовления ГИС, содержащих резисторы и проводники, используют также два различных технологических маршрута.


























Первый вариант - напыление материалов резистивной и проводящей пленок; фотолитография проводящего слоя; фотолитография резистивного слоя; нанесение защитного слоя (рис.5).
Второй вариант - после проведения первых двух операций, тех же, что и в предыдущем варианте, сначала осуществляют фотолитографию и травление одновременно проводящего и резистивного слоев, затем вторую литографию для стравливания проводящего слоя в местах формирования резистивных элементов (рис.6), после чего следует нанесение защитного слоя и фотолитография для вскрытия в нем окон над контактными площадками.
При производстве пленочных микросхем, содержащих проводники и резисторы из двух различных (высокоомного и низкоомного) резистивных материалов, рекомендуется такая последовательность действий: поочередное нанесение пленок сначала высокоомного, затем низкоомного резистивных материалов; напыление материала проводящей пленки; фотолитография низкоомного резистивного слоя, затем высокоомного слоя; нанесение защитного слоя.
Комбинированный метод. При совмещении масочного и фотолитографического методов для микросхем, содержащих резисторы, проводники и конденсаторы, используют два варианта.
Первый вариант - напыление резисторов через маску, напыление проводящей пленки на резистивную; фотолитография проводящего слоя; поочередное напыление через маску нижних обкладок, диэлектрика и верхних обкладок конденсаторов; нанесение защитного слоя (рис.7,а-ж). На рис.7,з показан монтаж навесных компонентов с жесткими выводами.
Второй вариант - напыление резистивной и проводящей пленок на резистивную; фотолитография проводящего и резистивного слоев; фотолитография проводящего слоя; напыление через маску нижних обкладок, диэлектрика и верхних обкладок конденсаторов; нанесение защитного слоя (рис.8,а-ж). Монтаж навесных компонентов представлен на рис.8,з.
Результирующие структуры, показанные на рис.7 и 8, различаются тем, что в первом случае поводящий слой лежит непосредственно на подложке, а во втором случае под проводящим слоем находится резистивный слой, который является адгезионным подслоем для проводников.










Для схем, не содержащих конденсаторов, применяют один из трех вариантов.
Первый вариант - напыление через маску резисторов и проводящей пленки; фотолитография проводящего слоя; нанесение защитного слоя.
Второй вариант - напыление резистивной пленки: фотолитография резистивного слоя; напыление через маску проводников и контактных площадок; нанесение защитного слоя.
Третий вариант - напыление резистивной пленки, а также контактных площадок и проводников через маску; фотолитография резистивного слоя; нанесение защитного слоя.
Кроме указанных вариантов, используемых в тонкопленочной технологии, существует еще один вариант - тапталовая технология, основанная на свойстве тантала служить исходным материалом для проводников, резисторов и конденсаторов. Особенностью тантала и его соединений является высокая воспроизводимость и стабильность параметров.
Для проводников используют пленки тантала, которые получают обычно катодным распылением.
Для резисторов используют пленки нитрида тантала, которые получают реактивным распылением танталового катода в плазме аргона с добавлением азота. В зависимости от парциального давления азота можно получить TaN и Ta2N с различной структурой и разными электрофизическими свойствами. В практических целях условия распыления выбирают так, чтобы получить Ta2N; резисторы из таких пленок отличаются высокой стабильностью. Оксидные пленки Та205 используют в качестве диэлектрика конденсаторов, изоляции пересечений проводников, защитного слоя
Существует несколько вариантов танталовой технологии. Например, возможен такой вариант: напыление тантала для грунтовки подложек; термическое окисление тантала; напыление тантала; фотолитография тантала - создание низкоомных резисторов, проводников и нижних обкладок конденсаторов; формирование контактной маски меди для селективного анодирования тантала (для диэлектрика конденсаторов и мест пересечений проводников); удаление контактной маски; напыление ванадия и алюминия; фотолитография алюминия и ванадия для верхних обкладок конденсаторов и проводников второго слоя в местах пересечений; напыление защитного слоя, фотолитография по защитному слою.

































Существуют также различные варианты совмещения танталовой технологии с другими технологическими методами для создания тонкопленочных элементов.

Рекомендации по применению методов изготовления тонкопленочных ГИС
Масочный метод применяют при мелкосерийном производстве. Точность изготовления R- и С-элементов ±10 %. Фотолитографический способ используют в массовом производстве. Достижимая точность изготовления резисторов ±1 %. Комбинированный масочный и литографический методы применяют при серийном и массовом производстве. Разрешающая способность при изготовлении пленочных элементов 50 мкм, точность изготовления R- и С-элементов соответственно ±1 % и ±10 %. Максимальная точность изготовления резисторов (при подгонке) ±0,1 %, конденсаторов ±5 %. Любой из указанных технологических маршрутов производства ГИС содержит сборочные операции: монтаж навесных компонентов на плату (см. рис.7 и 8), разварку их выводов, последующую их защиту и герметизацию.

Навесные компоненты ГИС
В ГИС применяются как активные, так и пассивные навесные компоненты. В качестве активных навесных компонентов ГИС применяют бескорпусные диоды и диодные матрицы, корпусные диоды и транзисторы в миниатюрном исполнении, бескорпусные полупроводниковые микросхемы и кристаллы; в качестве пассивных навесных компонентов -конденсаторы, наборы прецизионных конденсаторов и резисторов, выполненных на отдельных платах, катушки индуктивности.
Способ монтажа дискретного компонента на подложку ГИС должен обеспечивать отвод теплоты, сохранение целостности ГИС при термоциклировании, стойкость к вибрациям и ударам, отсутствие загрязнений, возможность последующей сборки и герметизации микросхемы.
Для крепления к подложке компонентов с гибкими и балочными выводами используют термостойкие клеи. Толщина клеевого соединения 0,05 - 0,1 мм. Компоненты с металлизированными основаниями можно прикрепить к подложке с помощью припоя или эвтектических сплавов.
Соединение выводов навесных компонентов с контактными площадками микросхемы, а также контактных площадок с выводами корпуса осуществляют сваркой (ультразвуковой, термокомпрессией и др.), а также пайкой низкотемпературными припоями.

Сборка микросхемы в корпус
После резки подложки на отдельные платы, последующего крепления платы специальной пленкой или клеем и монтажа дискретных компонентов производится герметизация ГИС. Герметизация предусматривает окончательную защиту ГИС от климатических и механических воздействий, оговоренных техническими условиями на микросхему или аппаратуру. Этим определяется выбор конструкции корпуса и технологии его герметизации. Для тонкопленочных ГИС обычно используют металлостеклянные или ме-таллополимерные корпуса. В первом случае герметизация проводится с помощью сварки, а во втором - заливкой компаундом.

Описание лабораторного макета
Лабораторный макет состоит из лупы и двух кассет. Первая кассета содержит изделие 1 - набор образцов после различных операций техпроцесса создания однослойной тонкопленочной ГИС; вторая кассета содержит изделие 2 - набор образцов .изготовления ГИС на полиимид-ном носителе и изделие 3 - набор образцов после различных операций техпроцесса изготовления титалановой подложки ГИС.

Лабораторное задание
Домашняя работа:
ознакомиться с описанием лабораторной работы;
подготовить формы таблиц для записи результатов: табл.П 1.1 -3 экз., табл.П1.2 - 1 экз.;
выполнить пп. 1 - 3 требований к отчету;
подготовиться к ответам на контрольные вопросы.
Работа в лаборатории:
изучить последовательность операций изготовления тонкопленочных ГИС (изделия 1 - 3);
измерить сопротивления резисторов изделия 1 до и после лазерной подгонки;
ознакомиться с перечнем оборудования и материалов в производстве ГИС.

Порядок выполнения работы
Внимание! Пластины с образцами очень хрупки. После рассмотрения пластин необходимо сразу же ставить их в кассету. О замеченных дефектах сразу же сообщить преподавателю.
1. Ознакомиться с описанием техпроцесса и маршрутной картой изготовления изделия 1, приведенными в приложении 2.
Определить наименование операций, выполненных для изделия 1.
Указать характерные признаки каждой операции.
Примечание. При формировании элементов ГИС резистивные пленки всегда имеют более темный зеркальный оттенок, чем проводящие пленки. При последовательном напылении резистивной и проводящей пленок на всю поверхность подложки на ее краях можно видеть границу напыления каждого слоя.
Результаты выполнения работы занести в форму табл.П 1.1, в которой наименования операций и их номера нужно записать в соответствии с последовательностью их расположения в маршрутной карте.
4. Указать оборудование, режимы и материалы каждой операции, а также явные и возможные виды и причины брака.
В соответствии с вариантом задания измерить: сопротивления резисторов R:, и R., до и после лазерной подгонки изделия !, принципиальная схема которого представлена на рис.П2.2,а, а топология на рис.П2.3. Результаты измерений занести в форму табл.П 1.2.
Повторить пп. 1 - 4 для изделий 2 и 3. Описание техпроцессов и маршрутные карты приведены в Приложении 2. Результаты занести в формы табл.П1.1.

Требования к отчету
Отчет должен содержать:
титульный лист;
цель работы;
краткие теоретические сведения;
4)результаты выполнения лабораторного задания, сведенные в формы табл.П 1.1 и П1.2

Контрольные вопросы
Какие методы формирования конфигураций пленочных элементов Вы знаете?
Какова последовательность нанесения слоев пленочных элементов при изготовлении масочным методом гибридных интегральных схем, содержащих:

резисторы, проводники и конденсаторы;
резисторы, проводники и пересечения пленочных проводников;
резисторы, проводники, пересечения пленочных проводников и конденсаторы?
3. Какова последовательность нанесения слоев пленочных элемен тов при изготовлении фотолитографическим методом гибридных инте гральных схем, содержащих:
резисторы и проводники;
проводники и контактные площадки;
резисторы с разными сопротивлениями пленки и проводники?
4. Какова последовательность нанесения слоев пленочных элемен тов при совмещении масочного и фотолитографического методов гиб ридных интегральных схем, содержащих:
резисторы и проводники;
резисторы, проводники и конденсаторы?

Назовите методы герметизации ГИС.
Какие корпуса используются для тонкопленочных ГИС?
7. Назовите методы монтажа дискретных компонентов на плате тонкопленочных ГИС.
Назовите методы электрического контактирования дискретных компонентов с пленочными элементами на плате.
Какие материалы применяются для создания резистивных тонкопленочных элементов?
Какие материалы применяются для создания тонкопленочных конденсаторов?
Как и с использованием каких материалов формируется металлическая разводка тонкопленочных ГИС?
Какие требования предъявляются к подложкам ГИС? Какие материалы используются для изготовления подложек?
Какие методы очистки подложек Вы знаете?
С какой целью облуживаются токопроводящие линии?
С какой целью и с использованием каких материалов производится защита ГИС?
Назовите и охарактеризуйте методы нанесения тонких пленок
на подложки ГИС.
В чем различие контактной и съемной масок?
Сравните различные методы формирования конфигураций пленочных элементов ГИС.
В каких случаях изготовление гибридных ИС более целесообразно, чем полупроводниковых ИС?
Что такое танталовая технология?
С какой технологической операции снят данный образец?
Назовите характерные признаки данной операции.
23. Назовите виды и причины брака на данной технологической операции изготовления тонкопленочных ГИС.


Литература
Ильина Э.М. Учетно-методическое пособие для выполнения лабораторных работ по курсу «Конструкторское проектирование и технология интегральных микросхем». М.: МИЭТ, 2007. – 147 с.
Степаненко И.П. Основы микроэлектроники: Учебное пособие для вузов.- М.: Лаборатория базовых знаний, 2001. – 488 с.
Симонов Б.М., Заводян А.В. Технологические основы микроэлектроники. В 2-х частях. - М.:МИЭТ, 2009
Пасынков В.В., Чиркин Л.К. Полупроводниковые приборы: Учебник для вузов. 5-е изд., исправленное. – СПб.: Изд-во «Лань», 2001. – 480 с.








13PAGE 1410915


13PAGE 143415























































Заголовок 1 Заголовок 2 Заголовок 3 Заголовок 4 Заголовок 5 Заголовок 6 Заголовок 7 Заголовок 8 Заголовок 915

Приложенные файлы

  • doc 14868306
    Размер файла: 2 MB Загрузок: 0

Добавить комментарий