Заключительные технологические операции
После получения необходимого рисунка следуют заключительные операции:
1. Лужение контактных площадок;
2. Контроль и подгонка резисторов;
3. Установка и распайка компонентов;
4. Установка платы в корпус и распайка выводов;
5. Герметизация;
Выходной контроль;
5.Основные технологические операции при производстве гибридных ИМС: толстопленочная и тонкопленочная технологии.
При производстве различных типов гибридных интегральных микросхем технологический процесс может содержать различные операции (это во-первых зависит от выбранной технологии - тонкопленочной или толстопленочной, во-вторых от того, какие пассивные элементы используются в схеме - есть ли, например, пленочные конденсаторы). В курсе «Микроэлектроника и микросхемотехника» изучается технологический процесс производства гибридных ИМС по тонкопленочной технологии и содержащие из пленочных элементов только резисторы.
Основные операции при производстве гибридных ИМС:
1. Получение подложки;
2. Очистка подложки от химических и физических загрязнений;
3. Нанесения резистивной пленки;
4. Нанесение проводящей пленки;
5. Фотолитография и травление;
6. Лужение контактных площадок;
7. Контроль и подгонка резисторов;
8. Установка и распайка компонентов;
9. Установка платы в корпус и распайка выводов;
10. Герметизация;
11. Выходной контроль;
Особенности_изготовления_тонкопленочных_мс:
1)материал_подложки-ситалл;
2)максимальный_размер_подложки48х60мм;
3)слои-проводящий,резистивный,защита;
4)мин.ширина_проводника-50мкм;
5)мин.зазор_между_проводниками-50мкм;
6)диапазон_пленочныхрезисторов_от3Ом_до100KОм;
7)герметизация-залив_какомпаундом_или_размещение_в_корпус;
8)монтаж_на_подложке_чип-компонентов;
9) монтаж бескорпусных компонентов с гибкими Аu выводами.
Особенности_изготовления_толстопленочных_микросхем:
1)материал_подложки_керамика;
2)максимальный_размер_подложки_48х60_мм;
3)слои-до3_проводящих,межслойные,резистивные;
4)мин.ширина_проводника_200мкм;
5)мин.зазор_между_проводниками_200мкм;
6)диапазон_пленочных_резисторов_от3Ом_до_1МОм;
7)герметизация-заливка_компаундом_или_размещение_в_корпус;
8)монтаж_на_подложке_чип_компонентов;
9)монтаж_бескорпусных_компонентов-с_гибкими_Аu_выводами;
10) возможно использования других материалов подложки.
При производстве различных типов гибридных интегральных микросхем технологический процесс может содержать различные операции (это во-первых зависит от выбранной технологии - тонкопленочной или толстопленочной, во-вторых от того, какие пассивные элементы используются в схеме - есть ли, например, пленочные конденсаторы).
Основы толстоплёночной технологии
Толстые плёнки толщиной в несколько десятков мкм применяют для изготовления пассивных элементов (резисторов, конденсаторов, проводников и контактов) в гибридных толстоплёночных микросхемах, а также проводников и изолирующих слоёв в некоторых типах многоуровневых коммутационных микроплат.
В основе толстоплёночной технологии лежит использование дешёвых и высокопроизводительных процессов, требующих небольших единовременных затрат на подготовку производства, благодаря чему она оказывается экономически целесообразной и в условиях мелкосерийного производства. Высокая надёжность толстоплёночных элементов обусловлена прочным (свыше 50 кгс/см2) сцеплением с керамической подложкой, которое достигается процессом вжигания пасты в поверхностный слой керамики.
В целом толстоплёночная технология состоит из ряда последовательных идентичных циклов, структурная схема которых приведена на рис. 30. При формировании каждого слоя (резистивного, проводящего, диэлектрического и т.п.) используют соответствующие пасты, которые через сетчатый трафарет наносят на подложку, подвергают сушке и вжиганию. По завершении формирования всех слоёв все резисторы и конденсаторы проходят подгонку (обычно лазерную) до заданной точности.
Трафарет представляет собой проволочную сетку из нержавеющей стали или капроновой нити с нанесенным на нее фотоспособом защитным рисунком. Сетка вмонтирована в металлическую рамку. Керамическая подложка устанавливается под трафаретом с зазором, обеспечивающим деформацию сетки в пределах ее упругости (рис. 32). Для этого размеры сетки должны быть существенно больше размеров рисунка. После нанесения дозированного количества пасты движением ракеля паста продавливается через открытые участки трафарета и переносится на подложку. Таким образом, контакт трафарета с подложкой происходит по линии, движущейся вместе с ракелем.
Тонкопленочные резисторы являются элементами гибридных тонкоплёночных микросхем, а также согласующими элементами в микросборках, где они присутствуют в виде резистивных матриц (резистивных "сборок") на отдельной миниатюрной подложке, представляющей собой компонент микросборки. В обоих случаях резисторы изготавливаются на основе общей резистивной плёнки одновременно, т.е. по интегральной технологии.
Для осаждения тонких резистивных плёнок используют стандартные резистивные сплавы в виде порошков (для термовакуумного напыления) или дисков-мишеней (для распыления ионной бомбардировкой). Сплавы представляют собой силициды хрома, никеля, железа и двойные или тройные системы на их основе.
Содержание кремния от 15 до 95 % обеспечивает широкий диапазон удельных сопротивлений. Конкретные марки резистивных сплавов характеризуются рекомендуемыми значениями удельного поверхностного сопротивления Rсл [Ом], допустимой удельной мощностью рассеивания Р0 [Вт/см2], температурным коэффициентом сопротивления a [K-1] и коэффициентом старения gст.
С учетом выводов из электропроводящей тонкой пленки структуру резистора можно рассматривать как двухслойную. При этом возможны три технологических варианта формирования резисторов (см. структуру и топологию резисторов на рис. 26).
Фотолитографический: напыление сплошной резистивной плёнки, напыление сплошной проводящей пленки, фотолитография по проводящей плёнке, фотолитография по резистивной плёнке (рис. 26,б).
Трафаретный: напыление резистивных элементов через трафарет, напыление проводящих элементов через трафарет (рис. 26,а).
Комбинированный: напыление сплошной резистивной плёнки, напыление проводящих элементов через трафарет, фотолитография по резистивной плёнке (рис. 26,б).
Трафаретный вариант, хотя и является более производительным и дешёвым, заметно уступает фотолитографическому по разрешающей способности (аmin) и точности (Dп), что следует из сравнительной таблицы.
Уширение проводящего вывода на величину В с каждой стороны призвано не допустить изменение сопротивления резистора из-за погрешности совмещения резистивного и проводящего рисунков.
При проектировании группы интегральных резисторов возникает задача определения рабочих размеров l и а для каждого резистора с таким расчётом, чтобы суммарная площадь, занимаемая резисторами, была минимальна. Исходными данными для проектирования являются: номинальные значения сопротивлений резисторов Ri; мощность рассеивания Рi; предельные допустимые отклонения сопротивления ±gRi; температурный диапазон эксплуатации t°min…t°max.
. Основные технологические операции при производстве гибридных ИМС: фотолитография и травление.
При производстве различных типов гибридных интегральных микросхем технологический процесс может содержать различные операции (это во-первых зависит от выбранной технологии - тонкопленочной или толстопленочной, во-вторых от того, какие пассивные элементы используются в схеме - есть ли, например, пленочные конденсаторы). В курсе «Микроэлектроника и микросхемотехника» изучается технологический процесс производства гибридных ИМС по тонкопленочной технологии и содержащие из пленочных элементов только резисторы.
Основные операции при производстве гибридных ИМС:
1. Получение подложки;
2. Очистка подложки от химических и физических загрязнений;
3. Нанесения резистивной пленки;
4. Нанесение проводящей пленки;
5. Фотолитография и травление;
6. Лужение контактных площадок;
7. Контроль и подгонка резисторов;
8. Установка и распайка компонентов;
9. Установка платы в корпус и распайка выводов;
10. Герметизация;
11. Выходной контроль;
фотолитография и травление, которые состоят из следующих этапов:
1. Очистка (Наличие пыли, микрочастиц недопустимо);
2. Нанесение резиста через центрифугу или пульверизатор;
3. Сушка резиста;
4. Экспонирование через шаблон.
Различают два вида экспонирования: контактный и бесконтактный. При контактном экспонировании минимально получаемый размер элементов не превышает 50-200мкм, следовательно для полупроводниковых ИМС непригоден.
Бесконтактный оптический метод также имеет недостаток, обусловленный законами оптики, согласно которым минимальные размеры изображения не могут быть меньше света. Выход - электронно-лучевая и рентгеновская литография При рентгеновском излучении длина волны уф составляет 0,3 - 0,5мкм и при этом практические размеры элементов составляют 1,5-2 мкм. Для получения более мелких деталей служит электронно лучевая литография (См. Рис. 5)
Рис. 5 Принцип электронно-лучевой литографии
Практические возможности ЭЛЛ 0,2 .. 0,3 мкм. К достоинствам электронно-лучевой литографии можно отнести большую глубину резкости и возможность управлять одним лучом (т.е. сканировать).
ЭЛЛ применяется при производстве эталонных ФШ с точностью более чем 2 мкм, при изготовлении БИС менее 1 мкм и при производстве высокоточных ФШ для рентгена или фотолитографии.
5. Проявление резиста - удаление резиста в которых не прошли фотохимические превращения.
6. Задубливание (сушка) резиста - предназначено для завершения процесса полимеризации резиста, увеличение его кислостойкости. Сушка длиться 10 - 20 минут при t = 120 -180 оС.
7. Травление - удаление пленки оксида кремния, не защищенного маской резиста.
8. Удаление фоторезиста.
В).В результате предыдущих операций на поверхности полупроводниковой пластины была сформирована маска из окисной пленки. Для создания областей другого типа проводимости на участках, незащищенных маской используются различные методы. Один из наиболее распространенных - это диффузия под действием температуры. Основным требованием диффузионной системы является доставка диффундирующей примеси к поверхности подложки и проведение диффузии при определенной температуре в течении определенного промежутка времени. При проведении диффузии необходимо соблюдение следующих требований:
1. Возможность регулирования поверхностной концентрации примеси;
2. Отсутствие нарушения поверхности подложки при диффузии;
3. Возможность проведения диффузии одновременно на большом количестве пластин;
Существуют различные методы проведения диффузии, но рассмотрим только один метод, который носит название диффузия в запаянной ампуле (закрытой трубе). Осуществляется в запаянной и откаченной кварцевой трубе. После диффузии труба вскрывается. Такая система свободна от загрязнений. В системе запаянной ампулы происходит термическое испарение источника диффузанта, перенос в газовой фазе, адсорбция атомов примеси на поверхности полупроводника и стенках трубы и диффузия примеси в подложку.
Основной, и самый большой недостаток диффузии - это наличие высокой температуры при проведении операции. При получении многослойных структур необходимо операцию диффузии проводить несколько раз, в результате чего увеличивается размер элементов (т.к. при проведении последующих операций диффузии, продолжает процесс внедрения в подложку примеси, которая диффундировала при предыдущих операциях). Кроме того длительное воздействие высокой температуры может привести к нарушению исходных электрофизических свойств кристаллов. (Готра, стр. 172). В связи с этим были разработаны другие методы внедрения примеси в подложку. Один из них - это метод ионной имплантации.
Ионная имплантация - процесс внедрения в твёрдотельную подложку ионизированных атомов примеси с энергией достаточной для проникновения их в приповерхностные области подложки (от кило до мега э.В). Процесс может проводится при комнатной температуре, благодаря чему сохраняются исходные электрофизические свойства кристаллов.
При внедрении в кристаллическую структуру подложки ионы подвергаются электронным и ядерным столкновениям, однако только ядерные взаимодействия приводят к смещению атомов подложки, возникают радиационные деформации. Такие дефекты устраняются почти полностью путем кратковременного отжига кремния при (t = 900 - 1100 к).
Рис. 6 Система для проведения ионной имплантации
В ионизационной камере под действием различных излучений, (применение дугового разряда или электронной бомбардировкой) осуществляется ее ионизация легированных материалов. Возникающий при этом ускоренный поток необходимо сфокусировать. Время проведения ионной имплантации достаточно мало, порядка нескольких минут.
Существует еще один метод получения областей другого типа проводимости. Этот метод носит название - эпитаксиальное наращивание. Этот метод заключается в получении на поверхности подложки слоя с проводимостью, противоположной проводимости подложки. Метод эпитаксиального наращивания позволяет уменьшить количество операций высокотемпературной диффузии при получении многослойных структур.
Эпитаксия - ориентированный рост слоёв, кристаллическая структура которых повторяет структуру подложки. Если подложка и слой состоят из одного вещества, то процесс называют автоэпитаксиальным, если из разных - гетероэпитаксиальным. Хэмоэпитаксия - процесс образования новой фазы при химическом взаимодействии вещества подложки с веществом растущего слоя.
Стремление произвольной системы к минимуму свободной энергии приводит к тому, что в процессе эпитаксии слои ориентируются в некотором соответствии с по отношению к соприкасающейся атомной плоскостью подложки.
Подложка оказывает существенное влияние на процесс кристаллизации наращиваемого материала.
В процессе проведения эпитаксиального наращивания при высоких пересыщениях легко образуются зародыши различных ориентаций и эпитаксия отсутствует. При увеличении температуры подложки также может произойти изменение ориентации роста. {Готра стр. 204}
Существуют следующие методы проведения эпитаксии: конденсация из паровой фазы, кристаллизация из газовой фазы, жидкофазная эпитаксия и твёрдофазная эпитаксия.
В зависимости от способа доставки кремния к подложке ðàçëè÷àþò ñëåäóþùèå методы получения эпитаксиальных слоев кремния в вакууме: метод молекулярных пучков (из жидкой фазы), сублимация (из твёрдой фазы), катодное распыление (испаряемый материал - катод тлеющего разряда). Общим для данных методов является то, что кремний при испарении и переносе от источника к подложке, а затем кристаллизации не претерпевает каких-либо необратимых химических изменений. Отличаются они друг от друга методикой испарения кремния, условиями осаждения и аппаратурным оформлением процесса.