Данилин Б.С. - Вакуумное нанесение тонких плёнок, страница 7

3! 1-б. ТОНКОПЛЕНОЧНЫЕ МИКРОСХЕМЫ Изготовление тонкопленочных микросхем путем термического испарения в вакууме через механические маски Наиболее широко распространенными тонкопленочными микросхемами являются гибридные микросхемы. При их изготовлении на подложку' из изоляционного материала путем термического испарения в вакууме, катодного или ионно-плазменного распыления наносят пассивные элементы !резисторы, конденсаторы, проводники), а затем к ним припаивают или приваривают полупроводниковые микроэлементы !диоды и транзисторы) .

При таком методе изготовления тонкопленочных микросхем удается получить сравнительно высокую плотность монтажа при минимальном весе и размерах и сократить оощее число соединений, используюц!их пайку и сварку, так как они применяются только для подсоединения активных микроэлементов !диодов и транзисторов), в то вре~я как пассивные элементы прочно и надежно соединяются между собой непосредственно в процессе их изготовления.

Регулируя процесс осаждения пассивных элементов, добиваются их оптимальных параметров и высокой точности номиналов. Технологический процесс изготовления многослойных тонкопленочных микросхем путем термического испарения в вакууме с применением механическпх 1«свободных») масок состоит из следующих этапов: 1.

Составление топологического плана расположения ' отдельных слоев с учетом особенностей процесса нанесения пленок и эффектов распределения; конечным результатом этого этапа является набор рисунков будущих масок. 2. Изготовление комплекта масок. 3, Изготовление подложек, их очистка и подготовка к нанесению на них тонкопленочных слоев. 4. Последовательное напыление через маски отдельных тонкопленошых слоев для получения резисторов, конденсаторов, контактных площадок и проводников; конечным результатом этого этапа является получение пассивной части микросхемы.

5. Приварка или припайка активных элементов и получение законченной микросхемы. 32 6, 1ерметизация микросхемь1. Перед напылением маску и подложку закрепляют в специальных держателях и помещают в откачиваемый объем. Подложку нагревают до требуемой температуры и затем по очереди плотно прижимают к ней маски, через которые производят напыление. 1!а рис. 1-1О показана последовательность изготовления пленочной микросхемы мультивпбратора. о) гг) г) Ряс. 1-1П.

Последовательиость изгоговлсппя пленочного мультивибратора; в верхнем ряду изображены формы масок, а в нижнем— стадии изготовления микросхемы при иапылеиии: к -- смеси хрома с кремккем, б — хрома, к — мокооккск кремккк, е — хрома; б — меди. Напыление отдельных элементов мультивибратора производят в следующей последовательности.

Сначала напыляют резисторы, для чего используют смесь хрома и кремния 175о>>о Сг и 25ого 51), имеющую сопротивление 2 000 о,и!квадрат. Используя мостовую измерительную схему, выдерживают заданное значение сопротивления с точностью ч-1%. При достижении требуемого сопротивления нспаритель закрывают заслонкой и отключают. Нижние обкладки конденсаторов и проводники напыляют через вторую маску, используя иизкоомнюо пленку хрома, испаряемую с вольфрамовой спирали. Через третью маску напыляют слой диэлектрика в виде моноокиси кремния, испарясмой пз молибденовой лодочки.

Через четвертую маску напыляют верхние обкладки конденсаторов и соединительные проводники. 3 — 261 33 Через пятую маску напыляют выводные электроды в виде толстых слоев меди. Затем для предотвра!ценна окисления подложку охлаждают и вынимают из вакуумной камеры. Для улучшения стай>ильиостп сопротивлений и емкостей, если они будут работать при повышенных температурах, после напыления производят термообработку микросхемы в окнслительной среде прп температуре около 300' С, После тсрмообработки к выводным электродам присоединяют медные луженые проводники и на микросхему наносят слой защитного лака, чем и заканчивается изготовление ее пассивной части. Завершающим этапом изготовления микросхемы является прнпайка или приварка транзисторов и герметизация законченной микросхемы.

Элементы тонкопленочных микросхем Подложки. Материал подложки должен иметь гладкую поверхность, быть химически инертен, обладать высокой механической и электрической прочностью и высокой теплопроводностью, значения коэффициентов термического расширения материала подложки и напыляемых слоев должны быть по возможности близки. Очень трудно подобрать материалы для подложек, которые бы в равной мере удовлетворяли всем перечисленным требованиям.

Физико-химические свойства некоторых материалов, применяемых в качестве подложек, приведены в табл. 1-3. Из стекол лучшими для подложек являются боросиликатные и алюмосиликатные сорта. Путем листового проката этих стекол получают достаточно гладкую поверхность, не прибегая к полировке. Полировка хотя и снижает микронеровности (делая их менее 100 Л), но она значительно дороже листового проката. Кроме того, при полировке может произойти изменение поверхностных свойств стеклянных подложек.

Применение щелочных стекол ограничено нестабильностью их свойств, поскольку при нагреве в электрическом поле наблюдается пнтенсивное выщелачивание. Недостатком стекол является плохая теплопроводиость, что не позволяет их применять при повышенных мощностях нагрева. При интенсивном нагреве предпочтительнее использовать стекло «Пирекс», а также кварц и кварцевое стекло. 34 Таблица 1.3 Материалы о » г с ко ч н а !" а ш» » а »л и» )»» а оо я Вг г а.»« а о» Свойства . м »» ь » о о е 2,55 2,52 МО >И0 1100 1 728 2,7 2,46 1660 ! 700 2 050 Пла гность.

е>с мг... Течпературв раамягчення, С...........' Температура плавления с Коаффнниент тернячеснаго расширения 10 а .. Теплопроводнссть, кал>сек см град Ливлевтрячесная постоянная . 2ЛЗ 5,5 ври ЗО 160> 16ОО 1 620 2 550 1 5>0 1 !0О ! 760 З,о 0,5 6,4 10 А 0,08 0,005 >О 56 10! 16 6.1 9,1 О,оаз О,Е>З О,оаЗ О,О0З О,О> О,з 6.З З,а 4,1 6,З и*- -!ог 6ОО— — >ОО Удельное сопротивление ам.см и !о орел- Сред няя вяя >О Срел няя Хиггнчесвая стоавость .

>О И Хоро. Хоро шая шая 10» Хоро- шая Отлич- ная Неровности, Л 50 200 300 2 000 6 000 — 20 000 Материал подло»ни Предметное стекло для микроскопов Стекло .Пнрскс" Глазурованная керамика . Пирокерамика . Керамика 35 Зв Главным преимуществом керамических подложек перед стеклянными является их высокая теплопроводность. Так, керамика на основе окиси бериллия имеет в 200 — 250 раз большую теплопроводность, чем стекло. Однако даже незначительная добавка некоторых примесей (например, окиси алюминия) резко снижает ее теплопроводность.

Степень шероховатости керамики зависит от процесса ее изготовления. Микронеровности неоораоотанной керамики достигают нескольких тысяч ангстрем и значительно снижаются после полировки, однако полировка может загрязнить поверхность и изменить свойства керамики. Значительное снижение шероховатости достигается путем глазурования поверхности керамики тонким слоем бесщелочпого стекла. При этом высокая теплопроводность керамической основы сочетается с гладкой поверхностью стеклянной глазури. Ниже приводится сравнение микрорельефа некоторых сортов стекол и керамики. К числу новых материалов, используемых для изготовления подложек, относятся ситалл и фотоситалл.

Ситалл — это стеклокерамический материал, получаемый путем термообработкн (кристаллизации) стекла. Большинство известных марок снталлов получено в системах 1лзΠ— А1,0з — 5!О~ — Т1О, и ВΠ— А!зОз 640з — Т10з (РО типа СаО, МдО, ВаО). Ситалл по свойствам превосходит исходное стекло. В зависимости от состава и способа обработки его можно получить прозрачным и непрозрачным. В отличие от большинства высокопрочных тугоплавких кристаллических материалов ситалл обладает хорошей ковкостью (гибкостью) при формовании.

Его можно прессовать, вытягивать, выдувать, прокатывать и отливать центробежным способом. Коэффициент линейного расширения у различных марок ситаллов может меняться от отрицательной величины до 120 ° 1О-т. Температура деформации ситалла выше, чем температура начала размягчения исходного стекла. Материал выдерживает резкие перепады температур в воздушной среде (от +700 до — 60'С). Ситалл обладает высоким электрическим сопротивлением, которое уменьшается с повышением темпера. туры до 400' С. По электрической прочности он не уступает лучшим видам вакуумной керамики. По механической прочности ситалл в 2 — 3 раза прочнее стекла. Он имеет такое же сопротивление изгибу, как отожженный алюминий, и большее, чем титан и нержавеющая сталь. Ситалл имеет высокую сопротивляемость истиранию и низкие диэлектрические потери, которые незначительно меняются с повышением температуры до 400'С, обладает химической стойкостью к воде и кислотам.

Ситалл не порист, дает очень незначительную объемную усадку, газонепроницаем и имеет малую газоотдачу при высоких температурах. Фотоситалл — это стеклокристаллический материал, получаемый путем кристаллизации светочувствительного стекла. Он металлизируется при вжиганип различных металлических паст, содержащих золото н серебро, а также при никелировании и меднении.

Основными составными частями фотоситалла являются окись кремния (75з~), окись лития (11,5%), окись алюминия (1О'$) и окись калия (3,бааз) с небольшими добавками азотнокислого серебра и двуокиси церия. Фо- 36 тоситалл инертен к кислотам, обладает высокой механической и термической стойкостью. Его теплопроводность в несколько раз превышает теплопроводность ситалла, коэффициент термического расширения в интервале температур от 20 до 120' С составляет 90 1О-', удельное объемное сопротивление прн 150' С составляет !0'— 10" ом сж. Тщательная очистка поверхностн подложек перед напылением на них тонкопленочных слоев является непременным условием технологического процесса, поскольку из-за малой толщины пленки любое загрязнение ухудшает условия конденсации и влияет на текстуру образца.

Подложки очищают до и после помещения в вакуумную камеру. Наиболее детально исследоваьы способы очистки стеклянных подложек. До помещения в вакуумную камеру стеклянные подложки обрабатывают кислотами или специальными растворителями (Л. 6) или промывают в растворе едкого кали или едкого патра с последующей обработкой в смеси, состоящей из размельченного двухромовокислого калия, растворенного в концентрированной серной кислоте (хромпике).