книги / Конструкторско-технологическое проектирование электронной аппаратуры

252

7, i 1. Осаждение тонких пленок в вакууме

более высоким потенциалом, чем катодмишень. Переменная нагрузка /?„ служит для регулирования тока разряда.

Н а рис. 7.23 представлена упро­ щенная структура разряда и распределе­ ние потенциала вдоль разряда, а также типы частиц, участвующих в процессе.

Разряд разделен на две зоны: тем­ ное катодное пространство и светящаяся область. На темное катодное простран­ ство приходится основное падение на­ пряжения. Здесь заряженные частицы разгоняются до энергии, достаточной, чтобы ионы, бомбардируя катод— ми­ шень, освобождали поверхностные ато­ мы и электроны (если мишень из прово­ дящего материала), а электроны — на границе темного катодного пространства ионизировали молекулы аргона. При ионизации образуется ион аргона, кото­ рый, ускоряясь, стремится к мишени, и электрон, который, как и «отработан­ ный» ионизирующий электрон, дрейфу­ ет к аноду в слабом поле светящейся об­ ласти. Освобожденный с поверхности мишени атом вещества, преодолевая

столкновения с молекулами и ионами аргона, достигает поверхности под­ ложки. При этом непрерывный поток ионов бомбардирует мишень, и непре­ рывный поток атомов вещества движется к подложке.

К недостаткам катодного распыления относятся:

возможность распыления только проводящих материалов, способных эмиттировать в разряд электроны, ионизирующие молекулы аргона и под­ держивающие горение разряда;

малая скорость роста пленки (единицы нм/с) из-за значительного рас­ сеивания распыляемых атомов материала в объеме рабочей камеры.

В ы сокочастотное распы ление позволяет распылять любые материа­ лы. При замене постоянного напряжения на переменное диэлектрическая мишень становится конденсатором и подвергается бомбардировке ионами в отрицательный полу период питающего напряжения. Иначе говоря, распы­ ление мишени происходит не непрерывно, как при катодном распылении, а дискретно с частотой питающего напряжения (обычно 13,56 Мгц).

253

чивает существенное снижение давления рабочего газа и повышение за счет этого скорости осаждения пленки. Для этого на разрядный столб наклады­ вается постоянное магнитное поле, вектор которого перпендикулярен век­ тору электрического поля. В результате движение электронов происходит по сложным (близким к циклоидам) траекториям, степень ионизации рабо­ чего газа существенно повышается, что дает возможность снизить давление газа, не снижая (и даже повышая) разрядный ток. В результате повышается скорость роста пленки до нескольких десятков нм/с, что сравнимо со скоро­ стями в процессах термического вакуумного напыления. Характерные ре­ жимы ВЧ-магнетронного распыления: Р = 0,1...0,5 Па; Jp = 2...4 A; Up = = 0 , 7 . 1 кВ.

7.12. Тонкопленочные резисторы

Тонкопленочные резисторы являются элементами гибридных тонкоп­ леночных МС, а также согласующими элементами в микросборках, где они присутствуют в виде резистивных матриц (резистивных «сборок») на от­ дельной миниатюрной подложке, представляющей собой компонент микро­ сборки. В обоих случаях резисторы изготавливаются на основе общей рези­ стивной пленки одновременно, т. е. по интегральной технологии.

Для осаждения тонких резистивных пленок используют стандартные резистивные сплавы в виде порошков (для термовакуумного напыления) или дисков-мишеней (для распыления ионной бомбардировкой). Сплавы

254

7.12. Тонкопленочные резисторы

представляют собой силициды хрома, никеля, железа и двойные или трой­ ные системы на их основе. Содержание кремния в них от 15 до 95 % обеспе­ чивает широкий диапазон удельных сопротивлений. Конкретные марки ре­ зистивных сплавов характеризуются рекомендуемыми значениями удельного поверхностного сопротивления Re, Ом, допустимой удельной мощностью рассеивания Р0, Вт/см2, температурным коэффициентом сопротивления (ТКС) а , К-1 и коэффициентом старения уст. Параметры некоторых сплавов для получения тонкопленочных резисторов приведены в табл. 7.6.

7. Технология изготовления микросхем

Трафаретный способ более производителен, но заметно уступает фо­ толитографическому по разрешающей способности (omm) и точности (Д„):

Уширение проводящего вывода на величину В с каждой стороны при­ звано не допустить изменение сопротивления резистора из-за погрешности совмещения резистивного и проводящего рисунков.

Для приближения выводов высокоомного резистора друг к другу и сокращения длины связей в МС конструктор может отступить от прямоли­ нейной конфигурации резистора и ввести в нее два или более изгибов под прямым углом (рис. 7.25). При этом следует учитывать два обстоятельства.

1. При любой конфигурации резистора входной и выходной токи должны быть ориентированы в одну сторону. В противном случае преду­ смотренные уширения выводов не будут выполнять своих функций и по­ грешность совмещения проводящего и резистивного слоев вызовут допол­ нительную погрешность сопротивления. Следует отметить, что для полу­ проводниковых резисторов указанное правило не имеет смысла.

2. Участок изгиба имеет пониженное сопротивление в сравнении с линейным участком той же длины (по средней линии), что требует коррек­ тировки длины резистора в сторону ее увеличения. Так, Г-образный участок,

Рис. 7.25. Конфигурация резистора типа «меандр»:

а — параметры меандра; б — участки изгиба

256

7.13. Основы толстопленочной технологии

включающий три квадрата (см. рис. 7.25, б), вместо ЗЛСЛимеет сопротивле­ ние 2,55Rcn, а П-образный, включающий пять квадратов, вместо 5Rcn имеет сопротивление 4ЛСЛ (Rcn — удельное поверхностное сопротивление). Это явление объясняется тем, что плотность тока на изгибах оказывается более высокой у внутреннего контура резистора, в результате чего электрическая длина резистора (по средней плотности тока) уменьшается.

Наиболее сложную конфигурацию имеет меандр, который использу­ ется для уменьшения габаритов резистора и упрощения последующей ком­ мутации, хотя занимаемая резистором площадь при этом возрастает. Как следует из рис. 7.25, а, геометрическими параметрами резистора-меандра являются: ширина резистивной полоски а, шаг звеньев меандра t (под зве­ ном подразумевается Г-образная часть меандра), ширина резистора В и дли­ на L. Поскольку L = nt, где п — число звеньев, В = Ип, где / — длина исход­ ного прямолинейного резистора,

(7.15)

Для получения однозначного решения обычно принимают t - 2а и L = В, т. е. меандр вписывают в квадрат, что обеспечивает минимальные габарит­ ные размеры. Тогда

(7.16)

где / и а — длина и ширина предварительно спроектированного резистора линейной конфигурации.

Далее сопротивление резистора-меандра представляют в виде суммы сопротивлений П-образных, Г-образных и линейных участков, из которой затем определяют необходимую длину линейных участков /,. Например, для резистора, представленного на рис. 7.25,

где R — заданное сопротивление резистора.

7.13. Основы толстопленочной технологии

Толстые пленки толщиной в несколько десятков микрометров приме­ няют для изготовления пассивных элементов (резисторов, конденсаторов, проводников и контактов) в гибридных толстопленочных МС, а также про-

7. Технология изготовления микросхем

Рис. 7.26. Структурная схема цикла толстопленочной технологии

водников и изолирующих слоев в некоторых типах многоуровневых комму­ тационных микроплат микросборок.

Воснове толстопленочной технологии лежит использование дешевых

ивысокопроизводительных процессов, требующих небольших единовре­ менных затрат на подготовку производства, благодаря чему она оказывается экономически целесообразной и в условиях мелкосерийного производства. Высокая надежность толстопленочных элементов обусловлена прочным (свыше 5 МПа) сцеплением с керамической подложкой, которое достигается процессом вжигания пасты в поверхностный слой керамики.

Вцелом толстопленочная технология состоит из ряда последователь­ ных идентичных циклов, структурная схема которых приведена на рис. 7.26. При формировании каждого слоя (резистивного, проводящего, диэлектриче­ ского и т. п.) используют соответствующие пасты, которые через сетчатый трафарет наносят на подложку, подвергают сушке и вжиганию. По заверше­ нии формирования всех слоев все резисторы и конденсаторы проходят под­ гонку (обычно лазерную) до заданной точности.

Толстопленочные пасты

В готовом (вожженном) состоянии толстопленочный элемент состоит из мелких функциональных частиц, находящихся в массовом контакте друг с другом (рис. 7.27) и «склеенных» стеклом с невысокой (400...500 °С) тем­ пературой плавления. Для проводящих элементов используют порошки сереб­ ра, палладия и других металлов с высо­ кой электропроводностью. Для рези­ стивных — смесь порошков проводя­ щих частиц и частиц окислов металлов в различных пропорциях, что позволяет варьировать удельное поверхностное

258

7.13. Основы толстоппеночной технологии

относительной диэлектрической проницаемости е, обеспечивают большие значения удельной электрической емкости Со, Ф/см2. Изолирующие слои, наоборот, создаются на основе порошков стекол с малыми г и Со. Функцио­ нальные частицы в процессе вжигания должны сохранять твердое состояние и массовый контакт, т. е. иметь температуру плавления более 900 °С.

Для приготовления паст в смесь порошков функциональных частиц и низкотемпературного стекла добавляют технологическую связку, обычно органические масла. В процессе вжигания нанесенных элементов она долж­ на разлагаться и полностью удаляться из слоя.

Особую группу паст представляют лудящие пасты. Они состоят из частиц припоя, смоченных раствором флюса (например, канифоль в спирте). После нанесения пасты через сетчатый трафарет на толстопленочные мон­ тажные площадки и сушки покрытие подвергается оплавлению (-230 °С).

Марки и свойства различных сплавов и паст приведены в табл. 7.8— 7.11.

Примечания. 1. Температурный коэффициент емкости для различных марок ±3,5-1(Г1К"1. 2. Напряжение пробоя равно 150 В для конденсаторов и 500 В для межслойной изоляции.

Примечания. 1. Толщина пленок после вжигания 17±4 мкм. 2. Пленки облуживаются припоями ПОС-61 и ПСрОС-3-58.

Примечания. 1. Содержание частиц припоя с размером менее 40 мкм — 20 %, с размером 40...80 мкм — 80 %. 2. Нанесение — трафаретной печатью или дозато­ ром. 3. Оплавление при температуре 225±5 °С.

Примечания. 1. Толщина пленок после вжигания 15...20 мкм. 2. Температур­ ный коэффициент сопротивления в диапазоне от -60 до +125 °С для различных ма­ рок ±8 *10"* 1C1. 3. Максимальная удельная мощность рассеивания для различных марок 3...8 Вт/см2.

260

7.13. Основы толстопленочной технологии

Трафаретная печать. Трафарет — проволочная сетка из нержавею­ щей стали или капроновой нити с нанесенным на нее фотоспособом защит­ ным рисунком. Сетка вмонтирована в металлическую рамку. Керамическая подложка устанавливается под трафаретом с зазором, обеспечивающим де­ формацию сетки в пределах ее упругости (рис. 7.28). Для этого размеры сет­ ки должны быть существенно больше размеров рисунка. После нанесения дозированного количества пасты движением ракеля она продавливается че­ рез открытые участки трафарета и переносится на подложку. Таким обра­ зом, контакт трафарета с подложкой происходит по линии, движущейся вместе с ракелем.

Впроцессе сушки полученного отпечатка удаляются летучие компо­ ненты технологической связки.

Вжнгание. На рис. 7.29 приведен типичный температурный цикл вжигания пасты. На первой стадии скорость повышения температуры отно­ сительно невысока, происходит разложение органической связки и ее уда­ ление интенсивной вытяжной вентиляцией. На второй стадии скорость рос­ та температуры повышают, происходит плавление низкотемпературного стекла и образование суспензии твердых функциональных частиц в рас­ плавленном стекле. Собственно вжигание происходит на третьей стадии при постоянной температуре. При этом имеет место как химическое (взаимодей­ ствие окислов стекла и керамики), так и физическое (заполнение стеклом открытых поверхностных пор керамики) сцепление покрытия с подложкой. После выдержки (примерно 10 мин) изделия медленно охлаждают (четвер­ тая стадия) во избежание внутренних напряжений. Общая продолжитель­ ность цикла порядка одного часа.

Взависимости от типа производства вжигание осуществляют в ка­ мерных печах периодического действия (мелкосерийное производство), ли­ бо в туннельных печах непрерывного действия (крупносерийное и массовое производство).

261