2.5. Тонкоплівкові гібридні інтегральні мікросхеми

Для виготовлення гібридних інтегральних схем використовується плівкова технологія, яка в сукупності зі способом фотолітографії дозволяє виготовляти з достатньо стабільними параметрами лише пасивні елементи - резистори, ємності, котушки індуктивності. То­му чисто плівкові ІМС являють собою набори резисторів, ємностей а6о резистивно-ємнісні кола, тобто є пасивними ІМС. Активні компоненти гібридних ІМС, як вже згадувалось раніше, виготовляються у вигляді дискретних приладів. Використання навісних активних компонентів викликано труднощами в утворенні стабільних активних елементів у плівковому виконанні.

Технологія виготовлення гібридних ІМС так само, як і напівпровід­никових ІМС, передбачає груповий метод обробки підкладок нанесен­ням плівкових пасивних елементів на діелектричну основу з наступним приєднанням до цих елементів навісних активних компонентів, в чому числі ІMС, розміщених на тій самій основі. Використання в гіб­ридних ІMС широкої номенклатури навісних компонентів дозволяє в ряді випадків одержати для них особливі схемотехнічні переваги пе­ред напівпровідниковими ІMС, хоча гібридні ІMС поступаються останнім у щільності пакування, надійності і собівартості. Слід відзначити, що у виробництві гібридних ІMС досягається вищий відсоток виходу придатних виробів (60...80 %) порівняно з напівпровідниковими ІMС (5 ... 30 %). Технологічні принципи виробництва гібридних ІMС застосовуються також при виготовленні мікрозбірок.

Підкладки. Діелектрична пластина, призначена для виготовлення комутаційної плати, на якій розміщуються плівкові елементи і навісні компоненти, називається підкладкою. Технічні характеристики під­кладки в багатьох випадках визначають якісні показники всієї кон­струкції гібридних ІMС або мікрозбірки.

Матеріал підкладки повинен мати високу чистоту обробки поверхні (R_z ≤ 0,1 мкм на довжині 0,08 мм), високий питомий електричний опір і низькі втрати (tg δ) в робочому діапазоні частот і температур, бути хімічно стійким до матеріалів, які напиляються, і не мати газо­вого виділення в вакуумі; мати температурний коефіцієнт лінійного розширення (ТКЛР) такий самий, як ТКЛР плівок або близький до нього; мати високу теплопровідність; сприяти забезпеченню високої адгезії плівок, які напиляються; мати високу механічну і електричну міцність, а також низьку вартість. Зрозуміло, що жоден з відомих ма­теріалів не задовольняє повністю ці вимоги, але найбільш прийнятни­ми є три групи матеріалів: скло, склокристалічні матеріали й кераміка.

Кожна група матеріалів має суттєві переваги і недоліки. Напри­клад, підкладки з боросилікатного і алюмосилікатного скла мають ду­же високу чистоту поверхні, але низьку теплопровідність. Для кераміки згадані характеристики мають протилежне значення. Практично в компромісі з усіма вимогами до підкладок знаходиться склокристаліч­ний матеріал - ситал. Найбільш широко застосовують для підкладок гібридних ІMС ситал СТ50-1, «Полікор», берилієву кераміку і скло С-48-3.

Промисловість виготовляє прямокутні підкладки різних типорозмірів. Як базові використовуються стандартизовані підкладки розмі­ром 48 60 мм з ситалу і кераміки та 100 100 мм зі скла. Поділя­ючи базову підкладку на 2 і 3 або кратні їм частини, одержують нор­малізований ряд типорозмірів. Товщина підкладок буває 0,6; 1 і 1,6мм.

Резистори. Властивості і параметри тонкоплівкових резисторів в значній мірі і в першу чергу визначаються властивостями резистивних матеріалів. Такі матеріали можна поділити на три основні групи: чисті метали, сплави металів і мікрокомпозиції.

Резистивними матеріалами з чистих металів є хром і тантал; із сплавів металів - ніхром. Проте найширше застосування при виго­товленні тонкоплівкових резисторів знаходять мікрокомпозиції, які за своїми властивостями наближаються до сплавів металів. мікроком­позиції, крім металів, містять і діелектрики або напівпровідники і мають високий опір квадрата резистивної плівки. Характерним мікрокомпозиційним матеріалом є сплав МЛТ-типу з хрому і кремнію з домішками заліза, нікелю й алюмінію. Окремим випадком мікрокомпо­зиційних сплавів є кермети, в яких використовують тугоплавкі і бла­городні метали та діелектрик.

Рис. 2.14

Тонкі плівки наносяться на основу різними технологічними мето­дами, які в сполученні з методом фотолітографії дозволяють одержати резистори необхідної конфігурації і розмірів. Найбільш поширені ме­тоди вакуумного напилення і катодного або іонно-плазмового розпилення. Діапазон номінальних значень опору тонкоплівкових резисторів стандартного розміру становить 10 Ом - 100 кОм при розкиді ± (3-10 %) і номінальній потужності 0,2 Вт. Використовуючи засо­би індивідуального доведення опорів, можна досягти точності плівко­вих резисторів ± 0,01 %.

Конструктивно плівкові резистори звичайно мають або форму прямокутника (рис. 2 14, а), або прямокутника з вигинами (рис. 2.14, б, в, г). У випадку, коли розрахункова довжина резистора перевищує довжину відведеної під нього зони на підкладці, резистору надають складної конфігурації (рис. 2.14, д, е). Слід підкреслити, що змієвидні резистори (рис. 2.14, е) значно перевершують резистори типу «меандр» (рис. 2.14, д) за рівнем розсіюваної потужності.

Найпоширеніше застосування на практиці дістали резистори пря­мокутної форми (рис. 2.14, а). Вони відрізняються простотою кон­струкції, відсутністю локальних перевантажень. Крім того, такі ре­зистори мають однорідне потенціальне поле, а похибки суміщення фо­тошаблонів компенсуються. Метою розрахунку таких резисторів є визначення їх геометричних розмірів з урахуванням забезпечення за­даних потужностей і точності виготовлення.

Вихідними даними для розрахунку резисторів є: номінальне зна­чення опору R (Ом), поверхневий питомий опір ρ_кв (Ом/кв), потужність розсіювання резистора Р(Вт), максимальна питома потужність РО3­сіювання резистивної плівки (Вт/см²) і відносна похибка опору резис­тора γ_R (%).

Для резистора прямокутної форми при К_ф > 1 (2.2), тобто при l > b, розрахунок починають з визначення ширини резистора, яку обирають з умови

(2.5)

де b_р - мінімальна ширина резистора, при якій забезпечується роз­сіяння заданої потужності; b_Δ - мінімальна ширина резистора, при якій забезпечується виконання заданої точності; b_техн – мінімальна ширина резистора, обумовлена роздільною здатністю прийнятого ме­тоду формування конфігурації.

Визначивши і де , – точність відтворення геометрії резисторів (для маскового методу = = ±10 мкм); ; - похибка відтворення питомого поверхневого опору ( = 4 %); - темпера­турна похибка опору; - похибка опору, зумовлена старінням резисторів (не перевищує 2 - 3 %), а також прийнявши b_техн ≈ 100 мкм (для фотолітографічного і маскового методів), за формулою (2.5) остаточно встановлюють значення b.

Знаючи ширину резистора, за формулою (2.2) розраховують його довжину l.

При розрахунку резисторів складної конфігурації слід врахову­вати, що густина струму в кутах загину відрізняється від густини стру­му на прямолінійних ділянках, що враховується величиною коефіцієнта форми. Так, для конфігурацій резисторів, показаних на рис. 2.14, б, в, г, відповідно маємо

К_ф = (l₁ + l₂)/b + 0,559;

К_ф = (l₁ + l₂ + l₃)/b + 1,111;

К_ф = (l₁ + l₂)/b + 2,96.

Доданки 0,559; 1,111; і 2,96 в цих формулах враховують опори кутових загинів плівки.

В окремих випадках необхідна припасовка опорів виготовлених резисторів до номіналу. При цьому застосовують два способи - інди­відуальний і груповий.

На рис. 2.15 показані конструкції тонкоплівкових резисторів, при­стосованих для індивідуальної припасовки. Опір резистора, показа­ного на рис. 2.15, а, припасовують, частково або повністю усуваючи резистивний шар у зоні його розширення. Опір резистора, показаного на рис. 2.15, б, припасовують, перерізаючи резистивні або провідникові перемички. Резистивні або провідні шари підрізують алмазним різцем або лазерним променем.

Рис. 2.15

Групове припасування передбачає зміну всієї структури резистив­ної плівки. Наприклад, якщо нанести на танталові плівки анодне по­криття, то опір усіх плівок збільшується, а на поверхні утворюється ізоляційна плівка оксиду танталу.

Конденсатори. Всі різноманітні конструктивні форми тонкоплівко­вих конденсаторів гібридних ІМС зводяться до двох варіантів: кон­денсатори з тришаровою структурою (рис. 2.16, а), які складаються з двох металічних обкладок, розділених шаром діелектрика, і конден­сатори планарної конструкції (рис. 2.16, б), що являють собою дві роз­ташовані в одній площині обкладки, нанесені на діелектриках. останні конденсатор и називають ще гребінчастими. ємність таких конденсаторів зумовлена крайовим ефектом і вимірюється практично одиницями пікофарад.

Ємність тришарових конденсаторів визначається в пФ:

С = 0,0885 ε S/d, (2.6)

де ε - діелектрична проникність матеріалу діелектрика; S - площа перекриття обкладок конденсатора, см²; d - товщина діелектрика, см. Активна площа перекриття обкладок тришарових конденсаторів гібридних ІMС може досягати 5 мм² і більше, а ємність таких конденсаторів - десятки тисяч мікрофарад.

Властивості і характеристики тонкоплівкових конденсаторів визначаються матеріалом обкладок і діелектричного шару.

Матеріал обкладок повинен мати низький електричний опір, хо­рошу адгезію до матеріалу підкладки та інших плівок, а також низьку рухливість атомів, тому для обкладок не використовують такі мате­ріали, як мідь і золото, атоми яких проникають у діелектрик і утворюють провідні перемички між обкладками. Обкладки найчастіше бувають з алюмінію А99 ДЕСТ 11069-74, танталу ТВ4 TУ95.311-75 і танталу BТІ-ОTУ 1-5-11-73.

Важливими вимогами до діелектрика плівкових конденсаторів є високе значення діелектричної проникності й електричної міцності, мінімальні втрати на високих частотах і низьке значення температур­ного коефіцієнта ємності (TKЄ).

Однією з важливих характеристик плівкових конденсаторів, що залежить від матеріалу діелектричного шару, є питома ємність, яка з урахуванням виразу (2.6) визначається рівнянням С₀ = С/S = 0,885 ε/d. Мінімальна товщина d діелектричного шару обмежена мікродефектами плівкових структур і допустимою робочою напругою.

Рис. 2.16

Вихідними даними для розрахунку тришарових тонкоплівкових конденсаторів (рис. 2.16, а) є номінальна ємність С в пікофарадах, її відносне відхилення від номінального значення γ_С у відсотках і робо­ча напруга U_р у вольтах. В результаті розрахунку необхідно визначити питому ємність С₀, а також геометричні розміри S і d з урахуванням вимог електричної міцності.

Розрахунок починають з визначення товщини діелектрика d ≥ U_рК_з/Е_пр, де К_з - коефіцієнт запасу (К_з = 2 - 4); Е_пр - пробив­на напруга діелектрика, В/см.

Далі розраховують максимально допустиму відносну похибку від­творення площі конденсатора

де - похибка відтворення питомої ємності, яка становить, як правило, 5 -10 %; - температурна похибка ємності, яка визна­чається формулою = α_С (Т - 20 °С); α_С – TKЄ матеріалу діелек­трика, 1/°С; Т - максимальне значення робочої температури кон­денсатора, °С; - похибка, зумовлена старінням конденсатора(2 -3 %).