Пленочные и гибридные ИМС Гибридная ИС (ГИС) – это микросхема, которая представляет собой комбинацию пленочных пассивных элементов и активных компонентов, расположенных на общей диэлектрической подложке. Дискретные компоненты, входящие в состав ГИС, называют навесными. Основными конструктивными элементами гибридных микросхем являются: диэлектрическая подложка; пленочные резисторы, конденсаторы, индуктивности, проводники, контактные площадки; навесные полупроводниковые приборы (транзисторы, диоды, микросхемы); навесные пасcивные элементы (конденсаторы с большой емкостью, трансформаторы, дроссели и т.д.). В зависимости от толщины пленок и способа создания элементов микросхемы подразделяют на тонко- и толстопленочные. 1

2 Для тонкопленочных и гибридных микросхем используют подложки из стекла, стеклокристаллического материала (ситалла) и керамики. Часть подложки, отведенную под одну микросхему, отделенную от других частей вместе со сформированными на ней элементами, в полупроводниковой технологии называют кристаллом, а в пленочной технологии – платой. Подложки ГИС Подложка предназначена для нанесения на нее элементов гибридных и пленочных ИМС, межэлементных и межкомпонентных соединений, а также контактных площадок. К конструкции и материалу подложки предъявляется ряд требований, вытекающих из необходимости обеспечения заданных электрических параметров микросхемы, ее надежности и особенностей технологии изготовления пассивных элементов.

3 Материал подложки должен обладать: высоким сопротивлением изоляции, низкой диэлектрической проницаемостью и низким тангенсом угла диэлектрических потерь, высокой электрической прочностью; высокой механической прочностью, обеспечивающей целостность подложки с нанесенными; высокой химической инертностью к осаждаемым материалам; стойкостью к воздействию высокой температуры в процессе нанесения тонких пленок и термообработки паст при формировании стеклоэмалевых пленок; стойкостью к воздействию химических реактивов в процессе подготовки поверхности подложки перед нанесением пленок, при электрохимических обработках и химическом осаждении пленок; способностью к хорошей механической обработке (полировке, резке).

4 Для изготовления подложек применяются бесщелочные стекла, ситалл и керамика. Стекло. Для подложек используют боросиликатные и алюмосиликатные стекла. Путем листового проката этих стекол получают достаточно гладкую поверхность, не прибегая к полированию. К недостаткам подложек из стекла следует отнести малую теплопроводность, что не позволяет применять их при повышенном нагреве. При интенсивном нагреве предпочтительнее кварц и кварцевое стекло. Подложки из стекла имеют аморфную структуру. Керамика. Исходными материалами являются порошкообразные окислы. Керамики изготовляются с различным содержанием окислов: алюминиевая керамика Al 2 O 3 от 96 % до 99,9 %; бериллиевая керамика BeO 99,5 %. Чем меньше в керамике содержится связующего вещества, тем прочнее керамика. После спекания керамика имеет шероховатую поверхность. Эту поверхность улучшают шлифовкой и полировкой, но это дорого. Для улучшения поверхности керамику покрывают стеклянной глазурью и еще раз отжигают. Керамические подложки имеют поликристаллическую структуру. Синтетический сапфир это монокристаллическая окись алюминия. Прокаленный порошок алюмоаммониевых квасцов расплавляют в кислородно- водородном пламени и выращивают монокристаллическую булю, которую разрезают на пластины и полируют.

5 Ситаллы стеклокристаллический материал. Ситалл отличается от стекла наличием микрокристаллической фазы, занимающей от 50 до 95 % всего объема. Это резко повышает механическую прочность ситалла и улучшает его электрические свойства. В последнее время для изготовления гибридных БИС и микросборок применяют гибкие подложки из полимерных материалов. Наибольшее распространение получили полиимидные пленки толщиной 40–50 мкм. Основными преимуществами гибких подложек являются способность изгибаться и свертываться в трех плоскостях, принимать форму корпуса сложной конструкции, а также малые толщины и масса, ударопрочность. Наиболее перспективными для гибридных БИС и микросборок являются металлические подложки (платы), поверхность которых покрывают относительно тонким (40–60 мкм) слоем диэлектрика. Для этих целей используют алюминиевые пластины с анодированной поверхностью, стальные пластины, покрытые стеклом или полиимидным лаком, и др. Металлические подложки существенно улучшают теплоотвод от компонентов, обеспечивают необходимую жесткость конструкции гибридных ИМС и микросборок.

6 Геометрические размеры подложек стандартизированы. Подложки из стекла имеют размеры 50х50, 48х60, 60х96,100х100 и 96х120 мм, из керамики и ситалла 48х60, 60х96 и96х120, из сапфира 24х30 мм. Толщина составляет 0,35–1 мм. Свойства подложечных материалов Шероховатость поверхности. Состояние поверхности подложки оказывает существенное влияние на структуру наносимых пленок и параметры пленочных элементов.

7 Плоскостность необходима для качественной работы установок совмещения. На четкость линий в фотолитографии особенно влияет волнистость поверхности. Для подложек с большим радиусом кривизны R допустимы отклонения от плоскостности 50 мкм/см, при малом R недопустимы отклонения даже 10 мкм/см. Характерные отклонения от плоскостности для различных материалов подложек представлены в таблице Теплопроводность. Материал подложки должен обладать хорошей теплопроводностью, что позволяет избежать возникновения в микросхеме местного перегрева, вызывающего изменение характеристик или даже разрушения пленок.

8 Термическое расширение характеризуется температурным коэффициентом линейного расширения (ТКЛР). Коэффициент термического расширения типичных подложечных материалов меньше, чем у металлов. Кроме того, обычно применяют многослойные металлические композиции, поэтому при подгонке ТКЛР пленки и подложки приходится искать некоторое компромиссное решение Механическая прочность приобретает важное значение, когда подложки надо сделать тонкими, так как это экономит материал и уменьшает вес ИМС. Обычно толщина подложек составляет десятые доли миллиметра. Толщина подложек из ситалла составляет 0,3–0,5 мм. Термическая стойкость. В отношении термической стойкости материалы располагаются в том же порядке, что и в отношении температуры размягчения или плавления

9 Химическая стойкость существенна на всех стадиях обработки подложек. Все стекла из-за наличия SiO2 подвержены действию плавиковой кислоты, используемой для травления тугоплавких металлов. Кроме того, может наблюдаться взаимодействие окислов щелочных металлов с пленками, приводящее к ухудшению свойств пленок. Отсюда следует, что из стекол в качестве подложек следует использовать бесщелочные стекла, например, алюмоборосиликатные стекла (С48-3, С41-1). Наиболее химически стойки полированные керамические подложки на основе Al2O3, BeO и сапфир. Электропроводность. Считают, что все стекла и керамики, используемые в качестве подложечных материалов, являются хорошими изоляторами. Стоимость. Если принять за единицу стоимости подложечного материала стоимость неглазурованной керамики с содержанием 99,5 % Al 2 O 3, то стоимость стекол составит 0,04–0,65,керамики на основе BeO 4, сапфира 400.

10 Очистка подложек Пленки должны иметь прочную связь (адгезию) с подложкой. Эта связь не должна ухудшаться со временем или под воздействием электрического поля. Хорошая адгезия обеспечивается для таких материалов пленок, которые образуют переходной окисный слой с материалом подложки. Переходной слой обеспечивает отличную химическую связь с подложкой. Для контроля степени очистки подложек используются качественные и количественные методы контроля. Качественный контроль осуществляется по «черному блику», а количественный по методу капли, царапины или путем контроля электропроводности деионизованной воды.

11 Тонкопленочные резисторы Проблема создания тонкопленочных резисторов связана с технологическими вопросами получения следующих характеристик пленки резистивного материала: удельного сопротивления пленки, его воспроизводимости и стабильности во времени; удельной рассеиваемой мощности пленки; температурного коэффициента сопротивления (ТКС); эксплуатационных характеристик (спектра и уровня шумов и др.). 1 резистивная пленка; 2 контактная пленка проводящего материала; 3 подложка

12 Взаимосвязь конструктивных и технологических параметров резисторов устанавливается основным уравнением для их расчета где R сопротивление резистора, Ом; ρ v удельное объемное сопротивление материала резистивной пленки, Ом×м; l,b,d соответственно длина, ширина и толщина резистора Проектируя тонкопленочные резисторы, предполагают, что и толщина резистивной пленки одна и та же для всех одновременно изготавливаемых резисторов. Это позволяет ввести понятие ρ S – поверхностного удельного сопротивления резистивной пленки, величина которого определяется только удельным объемным сопротивлением материала резистивной пленки и его толщиной и численно равна сопротивлению резистора квадратной формы с произвольным размером сторон и имеет размерность Ом/. где K ф – коэффициент формы или число квадратов резистора.

13 Материалы тонкопленочных резисторов К материалам, в первую очередь, предъявляются определенные требования по поверхностному сопротивлению. Наибольшее распространение имеют резисторы с сопротивлениями от 10 Ом до 10 Мом. Для обеспечения таких параметров необходимо, чтобы поверхностное сопротивление слоя составляло Ом/(так как линейные размеры резисторов приходится ограничивать). Резистивные пленки должны характеризоваться низким температурным коэффициентом сопротивления * ТКС (менее 10 –4 1/°С). Материалы, используемые для тонкопленочных резисторов, можно разделить на три группы: металлы; металлические сплавы; металлодиэлектрические смеси – керметы. * Температурный коэффициент сопротивления характеризует зависимость электрического сопротивления от температуры

Конфигурации тонкопленочных резисторов Контактные площадки следует располагать с противоположных сторон резистора для устранения погрешности совмещения проводящего и резистивного слоев. Такая форма не рекомендуется

Тонкопленочные конденсаторы Тонкопленочный конденсатор имеет трехслойную структуру металл – диэлектрик – металл, расположенную на изолирующей подложке. 1) Емкость конденсатора определяется как где ε 0 электрическая постоянная; ε диэлектрическая постоянная материала; s поперечное сечение обкладок конденсатора (активная площадь); l,b длина и ширина обкладок; d толщина диэлектрической пленки.

При проектировании конденсаторов и разработке технологии их изготовления используют понятие об удельной емкости C 0, как одной из характеристик диэлектрического слоя 2) Электрическая прочность Е пр, т.е. напряженность электрического поля, при которой происходит пробой конденсатора. Электрическая прочность определяется экспериментально по пробивному напряжению U пр как Е пр = U пр /d. Рабочее напряжение конденсатора должно быть меньше напряжения пробоя, т.е. Чем больше C0, тем меньшую площадь занимает конденсатор на подложке Из последнего соотношения можно сформулировать условие выбора минимальной толщины диэлектрика

Параметры тонкопленочного конденсатора определяются в основном диэлектрическим материалом. Однако следует иметь в виду, что на свойства диэлектрика могут оказывать существенное влияние металлические обкладки. Поэтому при разработке конденсаторов необходимо выбирать совместно всю совокупность входящих в их структуру материалов. Диэлектрик. К основным характеристикам диэлектрических материалов для конденсаторов относятся диэлектрическая постоянная ε и электрическая прочность Ed. Диэлектрические материалы должны обладать минимальной гигроскопичностью, высокой механической прочностью при циклических изменениях температуры, хорошей адгезией к подложкам. Диэлектрические материалы, используемые для тонкопленочных конденсаторов в основном представляют собой окислы полупроводников и металлов. Материалы для тонкопленочных конденсаторов

Из окислов полупроводников наибольшее распространение в тонкопленочной технологии получили окисел кремния SiO и окисел германия GeO, имеющие высокую диэлектрическую проницаемость. Наибольший интерес представляет ряд окислов тугоплавких металлов, таких как Та 2 О 5, ТiO 2, НfO 2, Nb 2 O 5. Эти материалы по сравнению с другими окислами обладают наиболее высокими значениями диэлектрической проницаемости. Технология получения этих пленок развита далеко не в равной мере. Наиболее отработана технология пленок Та 2 О 5. Материалы обкладок. К материалам обкладок предъявляются следующие требования: низкое сопротивление 0,05–0,2 Ом/, ровная и гладкая поверхность малый коэффициент диффузии. Отказ ТПК чаще всего происходит из-за закорачивания, которое зависит как от качества диэлектрической пленки, так и от качества обкладок. Наилучший выход получается при использовании алюминия, который имеет низкую температуру испарения и малую подвижность атомов на поверхности, благодаря окислительным процессам.

Конструкции тонкопленочных конденсаторов К конструкции конденсаторов предъявляется ряд конструктивно-технологических требований: минимальные габаритные размеры; воспроизводимость характеристик в процессе производства; совместимость технологии их изготовления с процессами производства других элементов гибридной интегральной схемы.

Тонкопленочные индуктивности Тонкопленочные катушки индуктивности обычно изготавливают в виде круглой или прямоугольной проводящей спирали, выполненной на поверхности диэлектрической подложки. Такая катушка индуктивности может быть охарактеризована набором параметров, среди которых в качестве основных можно выделить: индуктивность L, добротность Q, собственную емкость C 0 и температурный коэффициент индуктивности (ТКИ).

Проводники и контактные площадки Тонкопленочные проводящие материалы должны иметь следующие свойства: высокую электропроводность; хорошую адгезию к подложке; способность к сварке или пайке; химическую инертность. К материалам с высокой электрической проводимостью относятся золото, серебро, алюминий, медь. Однако пленки этих металлов не удовлетворяют всей перечисленной совокупности свойств. Например, благородные металлы имеют плохую адгезию к подложке, алюминиевые пленки плохо поддаются пайке и сварке, медь легко окисляется. Таким образом контактные площадки и проводники делаются двух- и трехслойными: 1. адгезионный подслой (NiCr, Cr, Ti, Ta) 2. основной проводящий слой (Au, Cu, Al) 3. защитный слой (Au, Ni, Ag)