2. Металлизация полупроводниковых структур.

Этот способ используется для формирования межсоединений в ИМС, создания контактных площадок и состоит из двух этапов - металлизации и фотолитографии по металлической пленке.

Нанесение металлизации в планарной технологии осуществляется либо термическим испарением, либо катодным распылением.

При вакуумном термическом испарении металл нагревают электрическим током или бомбардируют его электронным лучом. Перенос потока испаряемых частиц в пространстве источник - подложка зависит от степени вакуума и определяется длиной свободного пробега молекул. При соударении атомов испаряемого вещества с поверхностью подложки происходит конденсация - процесс перехода вещества из газообразной в твердую или жидкую. Качество напыленных пленок зависит от степени очистки, температуры подложки, а также от скорости испарения, вакуума, геометрии системы и др.

Катодное распыление целесообразно применять для получения пленок тугоплавких металлов (с высокой температурой испарения) -титана, вольфрама, молибдена. Для этого в вакуумную камеру напускают при небольшом давлении (1,0 Па ) газ и, подавая постоянное или переменное напряжение 3-5 кВ, между электродами зажигают тлеющий разряд. Образовавшиеся при этом положительные ионы газа ускоряются по направлению к катоду, выполненному из распыляемого материала, и бомбардируют его. Атомы распыляемого катода осаждаются на полупроводниковую подложку и образуют сплошную металлическую пленку.

Фотолитографией по металлической пленке формируют требуемую конфигурацию проводников межсоединений и контактные площадки для присоединения схемы к внешним выводам корпуса .

После окончания групповой обработки пластины со сформированными структурами поступают на сборку приборов (индивидуальная обработка).

Билет № 6

1. Пленочные и гибридные ИМС. Пленочные ИМС имеют подложку (плату) из диэлектрика (стекло, керамика и др.). Пассивные элементы, т. е резисторы, конденсаторы, катушки и соединения между элементами, выполняются в виде различных пленок, нанесенных на подложку. Активные элементы (диоды, транзисторы) не делаются пленочными, так как не удалось добиться их хорошего качества. Таким образом, пленочные ИМС содержат только пассивные элементы и представляют собой ДС-цепи или какие-либо другие схемы.

Принято различать ИМС тонкопленочные, у которых толщина пленок не более 2 мкм, и толстопленочные, у которых толщина пленок значительно больше. Разница между этими ИС заключается не столько в толщине пленок, сколько в различной технологии их нанесения.

Подложки представляют собой диэлектрические пластинки толшиной 0.5—1,0 мм. тщательно отшлифованные и отполированные. При изготовлении пленочных резисторов на подложку наносят резистивные пленки. Если сопротивление резистора не должно быть очень большим, то пленка делается из сплаэа высокого сопротивления, например из нихрома. А для резисторов высокого сопротивления применяется смесь металла с керамикой. На концах резистивной пленки делаются выводы в виде металлических пленок, которые вместе с тем являются линиями, соединяющими резистор с другими элементами. Сопротивление пленочного резистора зависит от толщины и ширины пленки, ее длиныы и материала. Для увеличения сопротивления делают пленочные резисторы зигзагообразной формы.

Топкопленочные резисторы по точности и стабильности лучше толстопленочных, но производсгво их сложнее и дороже. У тонкопленочных резисторов удельное сопротивление может быть от 10 до 300 Ом на квадрат. Точность их изготовления зависит от подгонки. Подгонка состоит в том, что тем или иным способом резистивный слой частично удаляется и сопротивление, сделанное умышленно несколько меньшим, чем нужно, увеличивается до требуемого значения. В течение длительного времени эксплуатации сопротивление зтих резисторов мало изменяется.

Толстопленочные резисторы имеют удельное сопротивление от 2 Ом до 1 МОм на квадрат. Их стабильность во времени хуже, чем у тонкопленочных резисторов.

Пленочные конденсаторы чаще всего делаются только с двумя обкладками. Одна из них наносится на подложку и продолжается в виде соединительной линии, затем на нее наносится диэлектрическая пленка, а сверху располагается вторая обкладка, также переходящая в соединительную линию. В зависимости от толщины диэлектрика конденсаторы бывают тонко- и толстопленочными. Диэлектриком обычно служат оксиды кремния, алюминия или титана. Удельная емкость может быть от десятков до тысяч пикофарад на квадратный миллиметр, и соответственно этому при площади конденсатора в 25 мм3 достигаются номинальные емкости от сотен до десятков тысяч пикофарад. Точность изготовления ± 15 %.

Пленочные катушки делаются в виде плоских спиралей, чаще всего прямоугольной формы. Ширина проводящих полосок и просветов между ними обычно составляет несколько десятков микрометров. Тогда получается удельная индуктивность 10—20 мГн/мм2. На площади 25 мм2 можно получить индуктивность до 0,5 мкГн. Обычно такие катушки делаются с индуктивностью не более нескольких микрогенри. Увеличить индуктивность можно нанесением на катушку ферромагнитной пленки, которая будет выполнять роль сердечника. Некоторые трудности возникают при устройстве вывода от внутреннего конца пленочной катушки. Приходится для этого наносить на соответствующее место катушки диэлектрическую пленку, а затем поверх этой пленки наносить металлическую пленку — вывод.

Гибридные ИМС. Широкое распространение получили гибридные ИМС, в которых применяются плёночные пассивные элементы и навесные элементы (резисторы, конденсаторы, диоды, транзисторы), называемые компонентами ГИС(гибридные интегральные микросхемы). Электрические связи между элементами и компонентами осуществляются с помощью плёночного или проволочного монтажа. Реализация функциональных элементов в виде ГИС экономически целесообразна при выпуске малыми сериями специализированных вычислительных устройств и другой аппаратуры. Условия эксплуатации изделия нормальные. Навесными элементами в микроэлектронике называют миниатюрные, обычно бескорпусные диоды и транзисторы, представляющие собой самостоятельные элементы. Иногда в гибридных ИМС навесными могут быть и некоторые пассивные элементы, например, миниатюрные конденсаторы с такой большой емкостью, что их невозможно осуществить в виде пленок. Это могут быть и миниатюрные трансформаторы. В некоторых случаях в гибридных ИМС навесными являются целые полупроводниковые ИМС. Проводники от транзистора или от других навесных элементов присоединяются к соответствующим точкам схемы чаше всего методом термокомпрессии (провод при высокой температуре прижимается под большим давлением).

Гибридные ИМС изготовляются следующим образом. 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. Нанесение толстых пленок. Структура и размер большинства толстых пленок несовместимы с металлизацией кремниевых интегральных схем, в основном из-за ограничений размеров.

Толстые пленки применяются главным образом для металлизации гибридных электронных структур, таких как структуры, используемые при изготовлении жидкокристаллических индикаторов.

Основным методом нанесения толстых пленок является процесс шелкографии. Обычно для толстых пленок применяются следующие материалы: палладий, серебро, двуокись титана со стеклом, золото-платина со стеклом, двуокись титана с серебром-стеклом.

Резистивные толстые пленки обычно осаждаются и наносятся на керамическую подложку с использованием метода шелкографии. Металлокерамика (кермет) - это тип резистивных толстых пленок, состоящих из взвеси частиц проводящего металла на керамической матрице с органической смолой в качестве наполнителя. Типичные металлокерамические структуры состоят из хрома, серебра или окиси свинца на матрице из моноокиси или двуокиси кремния.

Химическое осаждение

При нанесении металлических пленок на полупроводниковые подложки применяются два основных метода осаждения: электролитическое с применением электрического тока и осаждение без применения электрического тока. Электролитическое осаждение производится в электролитических ваннах, где подложка, на которую должно быть нанесено покрытие, помещается у катода, или отрицательно заряженной клеммы и погружается в электролитический раствор. Электрод, который выполнен из материала осаждаемой пленки, служит анодом (положительно заряженной клеммой). При пропускании постоянного тока через раствор положительно заряженные ионы металла, растворяющиеся в анодном растворе, мигрируют и осаждаются на катоде (подложке). Этот метод осаждения применяется при образовании проводящих пленок из золота или меди.

При осаждении без применении электрического тока одновременное восстановление и окисление осаждаемого металла используется для образования свободных атомов и молекул металлов. Поскольку для этого метода не требуется электрическая проводимость во время осаждения, он может использоваться с подложками изолирующего типа. Никель, медь и золото - это металлы, которые наиболее часто осаждаются таким способом.

Сплавление и отжиг

После того, как металлизированные межсоединения осаждены и протравлены, можно перейти к заключительному этапу сплавления и отжига. Сплавление заключается в помещении металлизированных подложек, обычно с алюминием, в низкотемпературную диффузионную печь, чтобы обеспечить контакт с низким сопротивлением между металлом алюминия и кремниевой подложкой. В заключение на этапе сплавления либо сразу после него пластины часто подвергаются воздействию газовой смеси, содержащей водород, в диффузионной печи при t от 400 до . Отжиг предназначен для оптимизации и стабилизации характеристик прибора посредством соединения водорода с несвязанными атомами на или около границы раздела кремний-диоксид кремния.

Билет №7

1. Большие интегральные схемы.(БИС) Большая интегральная схема (БИС) - интегральная схема (ИС) с высокой степенью интеграции (число элементов в ней достигает 10000), используется в электронной аппаратуре как функционально законченный узел устройств вычислительной техники, автоматики, измерительной техники и др.

По количеству элементов все интегральные схемы условно делят на следующие категории:

■ простые (ПИС) - с количеством элементов в кристалле до 10,

■ малые (МИС) - до 100,

■ средние (СИС) - до 1000,

■ большие (БИС) - до 10000,

■ сверхбольшие (СБИС) - 1000000,

■ ультрабольшие (УБИС) - до 1000000000,

■ гигабольшие (ГБИС) - более 1000000000 элементов в кристалле.

Тех процесс изготовления БИС.На кремниевой пластине с помощью эпитаксиально-планарной технологии изготовляют несколько сотен идентичных ИМ (интегральных микросхем). После разделения пластины на отдельные кристаллы, содержащие одну или несколько элементарных схем, они помещаются в корпуса, при этом происходит переход от микро- к макроструктуре. Интегральные микросхемы, кристаллы которых первоначально были на общей подложке, объединяются с помощью печатного монтажа в блоки. Промежуточные операции — разделение пластины, крепление кристалла, присоединение и разводка выводов и монтаж ИМ на печатную плату— можно исключить, если пластину не разделять на отдельные кристаллы, а объединять их с помощью внутрисхемных соединений [однокристальны* БИМ-большая интегральная микросхема). Этот метод однако предполагает высокий процент выхода отдельных ИМ, что означает уменьшение дефектов в кремниевой пластине и высокое совершенство пленарной технология. Поэтому БИМ реализуются также в виде больших гибридных интегральных микросхем (БГИМ) в которых несколько полупроводниковых или же гибридных интегральных микросхем устанавливается и коммутируется на общем основании. Два этих метода позволят достигнуть высокой степени интеграции.

Технология полупроводниковых ИМ уже включает в себя операции по изготовлению тонких слоев в виде изолирующих пленок Si02 и напыленных пленок металлов для межэлементных соединений. Отсюда совсем близко до идеи дополнить полупроводниковые ИМ тонкопленочными элементами. Отличительными особенностями совмещенных ИМ является применение дополнительных резистивных и диэлектрических материалов наряду с кремнием, Si02 и чистыми металлами для межэлементных соединений, а также независимость принципа действия тонкопленочных элементов от кремния.

Преимущество гибридной технологии заключается прежде всего в расширении и улучшении спектра используемых элементов и в уменьшении гальванических и емкостных связей линейных элементов, так как вместо изоляции обратно смещенным р-п переходами используют более совершенную изоляцию пленками SiOj. Хотя с помощью разделения операций изготовления диодов и транзисторов, с одной стороны, и линейных сходных элементов—с другой, возможна оптимизация параметров отдельных элементов, выход годных ИМ уменьшается из-за большого количества технологических операций. Слои осаждают преимущественно методами термовакумного испарения и катодного распыления, рисунок получают фотолитографией или на основе применения свободных масок. Наибольшие технологические трудности возникают из-за температурных нагрузок, также при креплении кристалла к основанию корпуса, что может привести к изменению номиналов тонкопленочных интегральных элементов.

Короче (как я понял,) БИС – это просто много совмещенных вместе более меньших интегральных схем по степени интеграции.

2. Микроконтактирование. Термин»микроконтактирование», т.е. «соединение» подразумевает механическое и (или) электрическое присоединение кристаллов полупроводниковых ИМС к подложкам с выводными рамками и к подложкам других типов, а также присоединение к ИМС проволочных выводов для внешних(по отношению к ИМС) связей.

Основными способами сборки (механического присоединения) кристалловна основания корпусов, плат, ленточных носителей являются соединения с помощью припоев, эвтектических сплавов, клеев. Между металлизированными поверхностями обратной стороны кристалла и основания корпуса или подложки размещают кусочек фольги припойного сплава или эвтектики толщиной около 50 мкм. Используют нагрев горячим газом, пайку импульсным нагревом. Оптимальный режим эвтектической пайки: температура390 – 420 °С, время 3 – 5 с, давление3 – 5 Н/мм.

Способы сборки, основанные на применении легкоплавких припоев и эвтектик, дают наилучшие показатели по прочности и вибропрочности соединений, обеспечивают хороший теплоотвод, но дороги, плохо поддаются автоматизации. Сборку БИС на коммутационную плату обычно осуществляют приклеиванием кристаллов с помощью эпоксидных и полиимидных клеев. Наиболее эффективным является трафаретный способ нанесения клея на посадочные места коммутационных плат. Распространенными способами монтажа(электрического присоединения) выводов кристаллов на контактных площадках коммутационных плат являются различные виды микросварки или микропайка.

Микропайку используют для покрытых припоем балочных выводов. Медные балочные выводы обычно покрывают слоем сплава олово-висмут или олово-свинец в процессе изготовления полиимидного носителя. Алюминиевые балочные выводы, предназначенные для присоединения к облуженным контактным площадкам коммутационных плат, покрывают тонким слоем тантала и никеля(0,2 – 0,3 мкм), а затем облуживают горячим способом. Обслуженные медные балочные выводы присоединяют к покрытым золотом контактным площадкам коммутационных плат импульсной микропайкой с образованием золото-оловянного эвтектического сплава. Коммутационную плату устанавливают на подогреваемый столик и прогревают некоторое время при температуре примерно 100 °С. Одновременно все балочные выводы прижимают инструментом для пайки к контактным площадкам и пропускают импульсы тока, мощность и длительность которых таковы, что обеспечивают нагрев мест соединения до температуры примерно 450 °С. Происходит контактное плавление и образование золото-оловянной эвтектики.

После затвердевания расплава инструмент поднимают. Такой процесс позволяет получать качественные паянные соединения, на которыене оказывают влияния неоднородность металлизации контактных площадок, разновысотность и неплоскостность поверхности коммутационных плат. Применение защитной газовой среды исключает необходимость использования флюсов, являющихся потенциальным источником коррозии металлизации.

Билет №8