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.
Электрофизические свойства коммутационных проводников и контактных площадок определяются свойствами применяемых материалов, к которым 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; совместимость технологии нанесения пленочных коммутационных проводников и контактных площадок с технологией изготовления других элементов микросхем. 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 коррозионную стойкость, возможность пайки и сварки.
Пленочные переходные контакты. Контактный узел двух пленочных элементов ГИС обладает определенным сопротивлением, зависящим от геометрии и размеров контакта, электропроводности контактирующих материалов, удельного переходного сопротивления контакта.
Под удельным переходным сопротивлением понимают сопротивление единицы площади контактного перехода току, протекающему по нормали к слоям контакта. Это сопротивление обусловлено рассеянием носителей тока на неоднородностях в месте соприкосновения двух металлических материалов; скачкообразным изменением атомной и электронной структуры, а также наличием инородных включений в месте контакта. Следовательно, значение удельного переходного сопротивления существенно зависит от природы контактирующих материалов, а также условий и способа их формирования.
1.3. Компоненты ГИС
Компоненты ГИС могут иметь жесткие и гибкие выводы. Недостатком компонентов с гибкими выводами является трудность автоматизации процессов их монтажа и сборки. Применение компонентов с шариковыми выводами затрудняет контроль процесса сборки. Приборы с балочными выводами дороги, но позволяют автоматизировать сборку, контролировать ее качество, увеличить плотность монтажа.
2. ТЕХНОЛОГИЯ ПРОИЗВОДСТВА ГИБРИДНЫХ
ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМ
2.1. Технологические маршруты производства
тонкопленочных ГИС
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. Важное значение при создании ГИС имеют контрольные операции, а также подготовка производства: изготовление комплекта масок и фотошаблонов, контроль компонентов ГИС и исходных материалов.
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 мишеней 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.
Для формирования конфигураций проводящего, резистивного и диэлектрического слоев используют различные методы: масочный (соответствующие материалы напыляют на подложку через съемные маски); фотолитографический (пленку наносят на всю поверхность подложки, после чего вытравливают с определенных участков); электронно-лучевой (некоторые участки пленки удаляют по заданной программе с подложки путем испарения под воздействием электронного луча); лазерный (аналогичен электронно-лучевому, только вместо электронного применяют луч лазера). Наибольшее распространение получили два первых способа, а также их сочетания.
Масочный метод. Самым простым методом получения заданной конфигурации пленочных элементов является масочный, при котором нанесение каждого слоя тонкопленочной структуры осуществляется через специальный трафарет. При масочном методе рекомендуется такая последовательность формирования слоев ГИС: напыление резисторов, проводников и контактных площадок; межслойной изоляции; второго слоя для пересечения проводников; нижних обкладок конденсаторов; диэлектрика; верхних обкладок конденсаторов; защитного слоя. Пленка из напыляемого материала осаждается на подложке в местах, соответствующих рисунку окон в маске. В качестве материала съемной маски используют ленки бериллиевой бронзы толщиной 0,1-0,2 миллиметра, покрытую слоем никеля толщиной около 10 мкм.
Нанесение пленок через съемные маски осуществляют термическим испарением в вакууме либо ионно-плазменным распылением.
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 обуславливает меньшую точность данного метода по сравнению с фотолитографическим.
Несмотря на 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.
Существует несколько разновидностей фотолитографии. Метод прямой фотолитографии предусматривает нанесение сплошной пленки материала тонкопленочного элемента, формирования 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 из пленки.
Экспонированный фоторезист удаляется (растворяется) после чего пленка резистивного материала стравливается с участков, не защищенных фоторезистом. Далее на подложке в вакууме наносится сплошная пленка алюминия. После фотолитографии и травления алюминия проводящая пленка остается в областях контактных площадок и проводников. При этом сформированные на предыдущем этапе резисторы не повреждаются. После нанесения поверх проводящих элементов и резисторов защитного слоя стекла проводится еще одна, третья фотолитографическая обработка, в результате которой стекло удаляется из областей над контактными площадками, а также по периметру платы.
Метод обратной (взрывной) фотолитографии отличается от предыдущего тем, что сначала на подложке формируется контактная маска, затем наносится материал пленочного элемента, после чего производится удаление контактной маски.
При фотолитографическом методе для изготовления ГИС, содержащих резисторы и проводники, используют два технологических маршрута. Первый вариант – напыление материала резистивной и проводящей пленок; фотолитография проводящего слоя; фотолитография резистивного слоя; нанесение защитного слоя. 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 фотолитографию для стравливания проводящего слоя в местах формирования резистивных элементов, после чего следует нанесение защитного слоя и фотолитография для вскрытия окон в нем над контактными площадками.
При производстве пленочных микросхем, содержащих проводники и резисторы из двух различных (высокоомного и низкоомного) резистивных материалов, рекомендуется такая последовательность операций: поочередное напыление пленок сначала высокоомного, затем низкоомного резистивных материалов; напыление материала проводящей пленки; фотолитография проводящего слоя; фотолитография низкоомного резистивного слоя; фотолитография высокоомного резистивного слоя; нанесение защитного слоя.
Комбинированный метод. При совмещении масочного и фотолитографического методов для микросхем, содержащих резисторы, проводники и конденсаторы, используют два варианта:
1) напыление резисторов через маску, напыление проводящей пленки на резистивную; фотолитография проводящего слоя; поочередное напыление через маску нижних обкладок, диэлектрика и верхних обкладок конденсатора; нанесение защитного слоя;
2) напыление резистивной пленки и проводящей пленки на резистивную; фотолитография проводящего и резистивного слоев; фотолитография проводящего слоя; напыление через маску нижних обкладок, диэлектрика и верхних обкладок конденсатора; нанесение защитного слоя.
Для схем, не содержащих конденсаторов, применяют один из трех вариантов:
1) напыление через маску резисторов и проводящей пленки; фотолитография проводящего слоя; нанесение защитного слоя;
2) напыление резистивной пленки; фотолитография резистивного слоя; напыление через маску проводников и контактных площадок; нанесение защитного слоя;
3) напыление резистивной пленки, а также контактных площадок и проводников через маску; фотолитография резистивного слоя; нанесение защитного слоя.
2.2. Технологические маршруты производства
толстопленочных ГИС
После очистки и отжига платы на нее наносят и вжигают с обеих сторон проводниковую пасту для формирования проводников, контактных площадок и нижних обкладок конденсаторов, после чего формируют диэлектрик для конденсаторов и пересечений проводников. Верхние обкладки и пленочные перемычки изготавливают из одной пасты. Последними формируют резисторы, имеющие самую низкую температуру вжигания. После обслуживания контактных площадок производят лазерную подгонку резисторов. Заключительные сборочные операции: установка выводов, монтаж навесных компонентов и герметизация опрессовкой с использованием пластмассы, после чего производят обрезание рамки и разъединение выводов.
2.3. Нанесение тонких пленок в вакууме
Наиболее распространенными методами получения тонких пленок различных материалов в вакууме являются методы термического испарения и ионного распыления.
К процессам термического испарения относится испарение: а) из резистивных испарителей, 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). К процессам ионного распыления относится: а) катодное (диодная система); б) ионно-плазменное (триодная система); в) с помощью сфокусированных ионных пучков; г) магнетронное.
