Карточка № 21.3 (302).

Толстопленочные микросхемы

§21.4. Тонкопленочные микросхемы

К тонким относят пленки, толщина которых составляет десятые и сотые доли микрометра. При изготовлении ИМС по тонкопленочной технологии для токопроводящих линий, с

помощью которых соединяются пленочные элементы микросхемы, и контактных площадок для подсоединения навесных элементов применяют различные металлы, имеющие высокую электропроводность: алюминий, медь, серебро, золото, никель, хром, олово, их соли и сплавы.

Металлы должны быть устойчивы к химическим воздействиям и иметь хорошую адгезию к подложке.

Для изготовления обкладок конденсаторов чаще всего применяют алюминий и медь; индуктивные элементы (рис. 21.6) изготовляют из никеля, серебра или хрома.

Рис. 21.6. Пленочные индуктивные катушки

Для получения резистивных элементов используют тантал, титан, никель, хром и их сплавы, а также углерод и кремний.

Изолирующие диэлектрические пленки получают окислением внешних слоев металлических пленок или нанесением покрытий из диэлектрических материалов.

Для нанесения тонких пленок на подложку применяют различные методы: вакуумное напыление, катодное распыление, химическое осаждение и электролитическое анодирование.

Метод вакуумного напыления иллюстрируется рис. 21.7. Материал для изготовления пленки помещают в тугоплавкий тигель из платины или вольфрама. Эту систему плотно закрывают колпаком, давление под которым понижают до 10-3 Па, затем тигель нагревают до температуры примерно 1000К. Материал начинает интенсивно испаряться, осаждаясь на более холодной подложке. Осажденная пленка должна быть однородной и плотно соединяться с подложкой, для чего ее поверхность должна быть хорошо очищена от посторонних примесей. Для этого подложку подогревают. Между испарителем и подложкой устанавливают экран, который поглощает молекулы, не попадающие на нее. Осаждающиеся на экране дорогостоящие металлы в дальнейшем смывают и используют вторично.

Для создания композитных пленок в камере размещают несколько испарителей.

Если в рассмотренной схеме нагрев испарителей осуществляется электрическим током, то для создания пленок из тугоплавких материалов, например вольфрама, титана, молибдена, нагрев производят электронным лучом, направленным непосредственно на испаряющуюся поверхность.

Вакуумное напыление можно использовать во всех случаях, однако испарение материалов с высокой температурой кипения — достаточно трудная задача. Поэтому широкое применение находит также метод катодного распыления (рис. 21.8).

При катодном распылении рабочий объем камеры заполняют инертным газом при давлении около 1 Па, а к электродам подводят постоянное напряжение в несколько тысяч вольт. Газ в камере ионизируется, и положительные ионы газа, устремляясь к катоду, выбивают из распыляемого материала молекулы, которые осаждаются на подложке, образуя пленку. Так как разгон ионов осуществляется электрическим полем, процесс распыления может идти при относительно низких температурах распыляемого материала. Метод катодного распыления применяют для создания пленок из таких материалов, как тантал, титан, молибден, вольфрам, платина.

При химическом осаждении в камеру, где помещается подложка, по различным трубопроводам подают газообразные реагенты. В результате химической реакции выделяются молекулы металла или его солей, которые и осаждаются на подложке. Ненужные продукты реакции откачиваются.

Электролитическое анодирование производят в жидком электролите, куда помещают подложку и материал пленки, растворяющийся в электролите. Подложку (анод) подсоединяют к плюсу источника постоянного тока, а материал пленки (катод) — к минусу.

Так как при изготовлении микросхемы нанесение пленок на подложку производят многократно, для получения определенной строго рассчитанной конфигурации каждого слоя применяют фотолитографию.

Карточка № 21.4 (131).

Тонкопленочные микросхемы

§21.5. Фотолитография

Процесс фотолитографии начинается с изготовления негатива. На двухслойной пленке с прозрачной основой и зачерненной поверхностью вычерчивают необходимый рисунок. Делается это с помощью ручного или автоматического координатографа, который снимает непрозрачный слой в местах, где должны быть «белые» контуры. С негатива размером 1 м2 делают уменьшенный отпечаток с помощью специальной камеры. Обычно уменьшение производится в две-три ступени, пока отпечаток не достигнет нужных размеров. Окончательный отпечаток делают на фотопластинке и называют фотошаблоном. Стеклянная основа фотошаблона должна быть идеально чистой и плоскопараллельной.

Следующий этап фотолитографии состоит в нанесении фоторезиста на подложку микросхемы или на напыленную ранее пленку. Фоторезистами называют вещества (обычно эмульсии на основе высокомолекулярных соединений), имеющие свойство после облучения менять способность к растворению в специально подобранных средах.

Фоторезисты делятся на негативные и позитивные. В первых под действием облучения образуются нерастворимые, а во вторых, наоборот, растворимые участки. Фоторезист можно наносить окунанием подложки в эмульсию, с помощью пульверизатора или центрифугированием. В последнем случае получают наиболее однородную и прочную пленку фоторезиста.

При центрифугировании на подложку наносят каплю фоторезиста и помещают в центрифугу. Под действием центробежной силы фоторезист равномерно и плотно (без пузырьков и щелей) распределяется по всей поверхности.

Нанесенный фоторезист просушивают сначала при температуре окружающей среды, а затем в сушильном шкафу при 400 К.

После этого на поверхность, покрытую пленкой фоторезиста, накладывают фотошаблон и экспонируют в ультрафиолетовом свете. В пленке из негативного фоторезиста при облучении образуются нерастворимые участки, которые после проявления остаются на подложке и экранируют ее от напыления. В позитивном фоторезисте облучение формирует растворимые участки, на месте которых после проявления образуются окна. Через эти окна напыляемый материал достигает подложки и оседает на ней.

После напыления проводящей или резистивной пленки фоторезист смывают и на поверхности остаются необходимые элементы тонкопленочной схемы.

Для получения микросхем высокого качества последовательно применяют два вида фоторезистов. Это позволяет получить хорошее совмещение пассивных элементов схемы, контактных площадок и токо-проводящих дорожек.

Карточка № 21.5 (245).

Фотолитография

§21.6. Полупроводниковые интегральные микросхемы

Полупроводниковые интегральные микросхемы изготовляют на одном кристалле введением легирующих примесей в определенные микрообласти. Современные технологии

позволяют создавать в приповерхностном объеме кристалла весь набор активных и пассивных элементов, а также межэлементные соединения в соответствии с топологией схемы.

В качестве активных элементов ИМС наряду с биполярными широко применяются транзисторы типа МДП. МДП-транзисторы проще в изготовлении, дают больший процент выхода годных изделий, позволяют получить более высокую плотность размещения приборов, потребляют меньшую мощность, дешевле биполярных.

Однако у микросхем на основе МДП-транзисторов есть существенный недостаток — сравнительно высокая инерционность. Поэтому там, где требуется высокое быстродействие, в частности в электронных вычислительных машинах, предпочтение отдают ИМС на биполярных транзисторах.

Один из важных критериев оценки ИМС, характеризующий уровень интеграции,— это отношение числа р-n-р-переходов к числу внешних выводов (вентиль/контакт). Чем больше это отношение и чем меньше потребляемая мощность (лучше условия теплоотдачи), тем надежнее электронные блоки на базе микросхем (сравнивать следует блоки одинаковой функциональной сложности). У простых логических схем это отношение меньше единицы. С повышением сложности ИМС отношение вентиль/контакт достигает десяти и более.

Основой полупроводниковых интегральных микросхем чаще всего служит кремний. На одной пластинке кремния диаметром 75 мм и толщиной 0,2 мм можно сформировать до 10 000 полупроводниковых ИМС.

Широкое применение кремния для производства полупроводниковых ИМС обусловлено прежде всего способностью кремния сохранять полупроводниковые свойства при относительно высоких температурах

(до 400 К).