Пленочные и гибридные ИМС

1. 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.

2. Подложки ГИС Подложка предназначена для нанесения на нее элементов гибридных и пленочных ИМС, межэлементных и межкомпонентных соединений, а также контактных площадок. 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. 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 — Al2O3 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 % Al2O3, 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; ρv — 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 ρS – 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 Kф – 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 10-105 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

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

16. Тонкопленочные конденсаторы Тонкопленочный конденсатор имеет трехслойную структуру металл – диэлектрик – металл, расположенную на изолирующей подложке. 1) Емкость конденсатора определяется как где ε0 — электрическая постоянная; ε — диэлектрическая постоянная материала; s — поперечное сечение обкладок конденсатора (активная площадь); l,b — длина и ширина обкладок; d — толщина диэлектрической пленки.

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

18. Материалы для тонкопленочных конденсаторов 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.

19. 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 Та2О5, ТiO2, НfO2, Nb2O5. 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 Та2О5. 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.

20. 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.

21. 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 C0 и температурный коэффициент индуктивности (ТКИ).

22. 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: • адгезионный подслой (NiCr, Cr, Ti, Ta) • основной проводящий слой (Au, Cu, Al) • защитный слой (Au, Ni, Ag)