/
Текст
В.Д- ГИМГЕЛЬСОН
IGA. РАДИОНОВ
ТОНКОПЛЕНОЧНЫЕ
МИКРОСХЕМЫ
ДЛЯ
ПРИБОРОСТРОЕНИЯ
И ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ
ТЕХНИКИ
В. Д. ГИМПЕЛЬСОН,
Ю. А. РАДИОНОВ
ТОННОПЛЕНОЧНЫЕ
МИКРОСХЕМЫ
ДЛЯ ПРИБОРОСТРОЕНИЯ
И ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ
Москва
„МАШИНОСТРОЕНИЕ11
1976
6ФО.З
Г48
УДК 681.2
Редактор инж. Е. Е. Скворцов
Рецензент д-р техн, наук проф. Ю. Р. Носов
Гимпельсон В. Д., Радионов Ю. А.
Г48 Тонкопленочные микросхемы для приборостроения и
вычислительной техники. М.» «Машиностроение», 1976.
328 с.
В книге рассмотрены вопросы конструирования и технологии производства
гибридных тонкопленочных микросхем. Описаны элементы тонкопленочных микро-
схем, материалы для их изготовления. Представлены необходимые сведения
для расчета элементов. Рассмотрены методы, технология и оборудование для
изготовления тонкопленочных слоев, рисунка элементов схемы, а также вопросы
технологии сборочно-монтажных работ. Отдельно рассмотрены проблемы создания
многокристальных больших интегральных схем.
Книга предназначена для инженеров и Техников, связанных с производством
микросхем и аппаратуры на микросхемах в приборостроении и других смеж-
ных отраслях
30407-274
038(01)-76
274-76
6ФО.З
© Издательство «Машиностроение», 1976 г.
ПРЕДИСЛОВИЕ
В настоящее время в народнохозяйственных планах страны
большое внимание уделяется дальнейшему расширению номен-
клатуры изделий приборостроения, увеличению выпуска прибо-
ров, средств автоматизации и вычислительной техники.
Основными путями решения этих задач следует считать:
создание агрегатных средств вычислительной техники повы-
шенной надежности на микроэлектронной элементной базе для
автоматизированных систем управления технологическими про-
цессами и производствами в различных областях народного
хозяйства;
создание агрегатной системы средств сбора, регистрации
и обработки информации на интегральных микросхемах;
создание агрегатированного комплекса средств электроизме-
рительной техники на микроэлектронной элементной базе;
создание комплексов приборов промышленной автоматики,
систем централизованного контроля и средств телемеханики на
основе интегральных микросхем;
создание и освоение промышленного выпуска электронных
часов со стрелочной и цифровой индикацией.
Во всех указанных направлениях решающая роль принадле-
жит микроэлектронике. Переход на микроэлектронную элемент-
ную базу позволяет успешно решать задачи повышения надеж-
ности, точности и быстродействия аппаратуры. При этом значи-
тельно улучшаются экономические показатели производства и
эксплуатации за счет повышения степени механизации и автома-
тизации работ, сокращения трудоемкости сборочных и монтажных
операций, сокращения времени разработки и длительности про-
изводственного цикла; увеличивается срок службы, сокращаются
затраты на техническое обслуживание, уменьшаются энергоза-
траты, масса и габариты аппаратуры.
В отличие от других направлений микроминиатюризации
микроэлектроника, наряду с резким уменьшением габаритов
и повышением плотности упаковки микросхем и устройств, в целом
приводит:
1* 3
к значительному повышению надежности за счет разработки
контролируемых и надежных технологических процессов, исполь-
зования новых физических принципов работы элементов, исклю-
чения ненадежных элементов и использования резервирования,
уменьшения числа соединений в микросхеме и совершенствования
методов их получения и, наконец, за счет облегчения режимов
работы микросхем при низких уровнях напряжения, характер-
ных для микроэлектроники;
к повышению технико-экономических показателей микросхем
за счет использования групповых методов обработки, уменьше-
ния числа соединений, увеличения числа элементов в одной
общей упаковке, а также за счет повышения срока службы
изделий.
Внедрение микроэлектроники в приборостроении характери-
зуется исключительно высокими темпами. Сейчас приборострои-
тельная промышленность использует десятки миллионов инте-
гральных схем широкого применения.
Однако широкая номенклатура изделий приборостроения,
использующая специальные электрические схемы со специфиче-
скими функциональными, метрологическими и электрическими
характеристиками, не может быть эффективно переведена на
микроэлектронную элементную базу при использовании только
интегральных схем широкого применения.
Приборостроительная промышленность вынуждена разраба-
тывать большое количество интегральных схем специального при-
менения и микросборок (усилители считывания и индикации,
усилители мощности, формирователи, операционные и дифферен-
циальные усилители, стабилизаторы напряжения, аналоговые
ключи, датчики теплоэнергетических параметров и др.).
По мере совершенствования технологии интегральных схем
(ИС) специального применения и микросборок будет возрастать
их специализация, функциональная насыщенность и степень
интеграции.
Разработка и внедрение ИС специального назначения и микро-
сборок является лишь переходным этапом технического пере-
оснащения (перевооружения) отрасли к освоению методов и техно-
логии производства микроэлектронной аппаратуры и приборов,
что является основной перспективой современного приборо-
строения.
Решающую роль в процессе создания интегральных схем
специального применения и микросборок, микроэлектронных
приборов и устройств играет гибридная тонкопленочная техноло-
гия, обеспечивающая широкий диапазон свойств реализуемых
элементов схем, высокие точностные характеристики и возмож-
ность реализовать широкую номенклатуру устройств.
Книга охватывает большой круг вопросов, связанных с про-
ектированием и изготовлением гибридных тонкопленочных микро-
схем и микросборок.
4
Авторам книги в значительной степени удалось учесть накоп-
ленный опыт отечественной микроэлектронной промышленности.
Книга поможет разработчикам, конструкторам и технологам гиб-
ридных тонкопленочных микросхем и микросборок для приборо-
строения и вычислительной техники в выборе методов формиро-
вания тонкопленочных структур, методов формирования конфи-
гурации тонкопленочных элементов, методов сборки, монтажа
и герметизации на базе отечественного оборудования, разрабо-
танных материалов и технологии.
В целом книга несомненно будет полезна работникам прибо-
ростроительной промышленности, а также и других отраслей,
внедряющих прогрессивную микроэлектронную технологию для
создания современных приборов, машин и аппаратов.
Главный технолог по микроэлектронике
Министерства приборостроения, средств
автоматизации и систем управления
БАРЫШЕВ В. Г.
ВВЕДЕНИЕ
Развитие микроэлектроники и освоение производства инте-
гральных схем привели к созданию новой элементной базы, новых
методов конструирования и новых технологических процессов.
При этом основные пути развития микроэлектроники харак-
теризуются усилением взаимных связей между схемотехникой,
конструированием, технологией и технико-экономическими воз-
можностями производства.
С технологической точки зрения современная микроэлектро-
ника является интегральной — это означает, что все элементы
микросхемы, как правило, изготавливаются в общем технологи-
ческом процессе и лишь в отдельных случаях используются не-
групповые операции.
В настоящее время наиболее отработаны и доведены до серий-
ного производства два типа интегральных микросхем: тонкопле-
ночные и полупроводниковые.
В тонкопленочных микросхемах элементы изготавливаются
в одном технологическом цикле в виде тонких металлических,
диэлектрических и полупроводниковых пленок на поверхности
изолирующего основания (пассивной подложки). Поскольку в на-
стоящее время имеются принципиальные трудности в создании
надежных активных элементов в тонкопленочном исполнении,
наиболее широко используются гибридно-пленочные микросхемы,
пассивные элементы которых изготавливаются средствами тонко-
пленочной технологии, а активные дискретные компоненты соеди-
нены с ними методами микроконтактирования. В гибридных ми-
кросхемах для создания пассивных компонентов могут быть
использованы и толстые пленки (толщиной до 25—50 мкм) на ке-
рамической подложке. Такие схемы называются гибридными тол-
стопленочными.
| В интегральных полупроводниковых микросхемах элементы
изготавливаются в общем технологическом процессе методами
полупроводниковой технологии в объеме и на поверхности полу-
проводниковой пластины (активной подложки). Интегральные
6
полупроводниковые микросхемы более целесообразно использо-
вать в дискретной схемотехнике, когда требуется большое число
идентичных схем с активными элементами при условии, если к пас-
сивным элементам схемы не предъявляются жесткие требования
по диапазону номиналов и допускам на элементы. Для этих схем
характерна высокая надежность, компактность, дешевизна при
серийном изготовлении.
Преимущество гибридно-пленочных микросхем состоит в более
широких возможностях реализации схем по точности элементов,
по уровню сигналов и по типу реализуемых схемой функций.
Необходимо также отметить, что на современном уровне техноло-
гия изготовления гибридно-пленочных микросхем характеризуется
более низкой стоимостью подготовки производства и большей
мобильностью, т. е. возможностью использования для реализации
широкой номенклатуры специальных схем, необходимых при
производстве современных приборов и средств вычислительной
техники.
При изготовлении интегральных полупроводниковых микро-
схем базовой является планарная технология, при которой эле-
менты схемы формируются в полупроводниковом кристалле ря-
дом последовательных операций диффузии примесей в локальные
области полупроводника с выводом всех областей на поверхность
кристалла.
Интегральные полупроводниковые схемы, получаемые по пла-
нарной технологии, часто называются монолитными.
В целях улучшения технико-экономических показателей, уве-
личения процента выхода годных микросхем и их унификации
были разработаны интегральные полупроводниковые схемы на базо-
вом кристалле. В этих схемах полупроводниковая пластина
в результате использования достаточно сложной технологии
изоляции «окисными карманами» оказывается разделенной на
отдельные, полностью изолированные друг от друга области,
в которых формируются стандартные наборы компонентов. При
этом за счет индивидуальной коммутации на поверхности пластины
могут быть получены различные модификации схем.
При изготовлении ряда схем, особенно линейных, для созда-
ния на поверхности кристалла пассивных компонентов с улуч-
шенными точностными характеристиками и более широким диапа-
зоном номиналов используется тонкопленочная технология. Схемы
такого типа получили наименование совмещенных.
При разработке новых технологических процессов стремятся
уменьшить линейные размеры элементов полупроводниковых
микросхем, что позволяет увеличить степень интеграции микро-
схем и улучшить их выходные характеристики.
Достижения последних лет в технологии полупроводниковых
интегральных схем (изопланарный процесс, локальная эпитаксия,
ионная имплантация) позволяют изготавливать сложные функ-
циональные схемы для аппаратуры различных классов.
7
Перспективным направлением в создании полупроводниковых
интегральных схем является получение транзисторов со струк-
турой металл—диэлектрик—полупроводник (М.ДП). Эта струк-
тура может выступать в качестве транзисторов, диодов, резисто-
ров, конденсаторов.
Основные достоинства МДП-структур: более простая техноло-
гия формирования структуры и повышенная плотность компо-
новки за счет исключения изолирующих областей.
В производстве гибридных пленочных схем используются
передовые технологические процессы тонкопленочной микроэлек-
троники (термовакуумное напыление, катодное и ионноплазмен-
ное распыление, селективная фотолитография, электронно-луче-
вая и лазерная обработка). Подробно это технологическое на-
правление проектирования и изготовления интегральных схем
рассмотрено в настоящей книге.
С точки зрения схемотехники все интегральные схемы (ИС),
нашедшие применение в приборостроении и вычислительной тех-
нике, можно подразделить на цифровые и линейные. В силу своей
специфики и по номенклатуре и по объему производства цифровые
схемы занимают первое место.
Цифровые ИС, используемые для построения средств вычисли-
тельной техники, средств первичной обработки информации,
логических функциональных устройств, устройств управления
и запоминания информации, объединяют следующие типы схем:
схемы диодно-транзисторной логики (ДТЛ); схемы транзисторно-
транзисторной логики (ТТЛ); схемы резисторно-транзисторной
логики (РТЛ); схемы логики с непосредственными связями, схемы
типа «токовые ключи» (ЭСЛ); схемы на МДП-транзисторах, раз-
личного рода полупроводниковые запоминающие устройства (ЗУ).
Наиболее широко используются биполярные схемы ТТЛ.
Все более нарастают темпы выпуска и внедрения схем на МДП-
транзисторах, увеличивается также производство схем на токовых
ключах (ЭСЛ) для сверхбыстродействующей вычислительной тех-
ники.
В настоящее время почти любая система сбора и обработки
информации содержит ЗУ.
Эти устройства до сих пор в основном выполнялись на магнит-
ных материалах (ферритовых кольцах, цилиндрических пленках)
и характеризовались большим потреблением энергии и значи-
тельным объемом устройства управления по сравнению с объемом
накопителя.
Быстрое развитие технологии производства интегральных
схем повышенной степени интеграции определило разработку
полупроводниковых ЗУ.
Полупроводниковые ЗУ разрабатываются как на биполярных
транзисторах, так и на МДП-транзисторах. Обычно первые
характеризуются большим быстродействием, но меньшим инфор-
мационным объемом, чем ЗУ на МДП-транзисторах.
8
Из линейных микросхем наибольшее распространение полу-
чили операционные и дифференциальные усилители.
В измерительной аппаратуре и аналоговых вычислительных
машинах с применением этих усилителей может быть реализована
линейная система большой функциональной сложности. Осуще-
ствление многообразных функций достигается применением раз-
личных схем обратной связи.
Преимущество технологии интегральных схем в том, что их
компоненты получаются в едином технологическом цикле и,
следовательно, с идентичными характеристиками.
Это особенно важно для подобных схем, так как использова-
ние баланса и соотношения параметров компонентов, а не их
абсолютных величин позволяет получать, например, дифферен-
циальные усилители или усилители считывания с характеристи-
ками, которые невозможно было реализовать на дискретных ком-
понентах.
Приборостроение нуждается в широкой номенклатуре опера-
ционных усилителей постоянного и переменного тока, делителей
опорного напряжения, стабилизированных вторичных источников
питания средней и большой мощности, в том числе с защитой от
перегрузок, усилителей мощности постоянного и переменного
тока и многих других линейных микросхем.
Большинство этих схем находится пока в стадии разработки;
причем значительная часть из них относится к разряду так на-
зываемых схем частного применения, которые целесообразно
разрабатывать непосредственно для определенного прибора или
устройства, чтобы максимально выполнить требования к его вы-
ходным параметрам.
В последние годы совершенствование технологии привело
к появлению больших интегральных схем (БИС) с высоким (по-
рядка нескольких сотен и тысяч компонентов) уровнем интегра-
ции, что является основной тенденцией развития элементной
базы приборостроения и вычислительной техники. Внедрение
БИС позволяет еще более повысить надежность изделий, снизить
стоимость, уменьшить габариты и потребляемую мощность.
БИС не только новая элементная база, но и новый подход
к проектированию приборов и средств вычислительной техники.
Его основные особенности следующие:
применение новейших достижений микроэлектронной тех-
нологии;
высокая степень автоматизации процессов проектирования,
изготовления, контроля и диагностики;
новая структурная организация технических средств, обус-
ловливающая появление нового поколения средств вычислитель-
ной техники и электронных изделий приборостроения;
новые принципы логического проектирования, позволяющие
учитывать технологические и схемотехнические особенности
БИС;
9
изменение традиционного характера взаимодействия между
изготовителем БИС и разработчиком аппаратуры.
Один из характерных примеров реализации этих положе-
ний — БИС микропроцессора, в результате появления которой
разработан новый класс малых ЭВМ — микро-ЭВМ, наиболее
массовый и дешевый тип ЭВМ.
Большие интегральные схемы, имея в своем составе несколько
тысяч компонентов, уже не являются функциональным элементом
в полном смысле этого слова (покупным изделием), а являются
неотъемлемой частью проектируемого изделия. Для многих изде-
лий приборостроения разработка таких специализированных
БИС является оправданной и экономически целесообразной.
Учитывая все эти факторы, а также опыт разработок вычисли-
тельных устройств и приборов за рубежом, приборостроительная
промышленность наряду с широким и постоянно увеличивающимся
потреблением стандартных ИС и БИС все более расширяет соб-
ственное производство ИС частного применения для цифровой
техники, специальных линейных схем аналоговой техники, а также
специализированных БИС для широкой номенклатуры изделий
(управляющие вычислительные машины, электронные клавишные
вычислительные машины, часы, электроизмерительные приборы,
приборы промышленной автоматики).
В производстве специализированных схем основную роль
играет технология гибридно-пленочных микросхем.
Выше уже отмечались основные преимущества этой техно-
логии.
К широкому диапазону схемотехнических возможностей гиб-
ридно-пленочной технологии следует добавить сравнительно не-
большие первоначальные затраты на подготовку производства
и сокращенный по сравнению с полупроводниковыми ИС цикл их
проектирования и изготовления.
Наконец, гибридная технология позволяет создавать схемы
высокой степени интеграции — большие гибридные интегральные
схемы (БГИСы), которые в отличие от полупроводниковых БИС
имеют практически неограниченную степень интеграции. Заметим,
что для полупроводниковых БИС такие ограничения определяются
площадью кристалла, минимальными размерами элементов
и т. п.
В производстве гибридных пленочных микросхем наибольшее
развитие получили две технологии: толстопленочная и тонкопле-
ночная.
В толстопленочной технологии материалами проводников,
резисторов и диэлектриков являются специально приготовленные
смеси металлических, стеклоэмалевых и некоторых диэлектри-
ческих порошков с органической связкой. Эти составы наносят
через металлический сетчатый трафарет на керамическую под-
ложку и вжигают в печи при температурах от 500 до 1200° С.
Оборудование для такого производства является весьма простым,
ю
что подчас и определяет низкую стоимость толстопленочных
микросхем.
Несмотря на простоту оборудования, используемого для из-
готовления толстопленочных микросхем, сама технология мате-
риалов достаточно сложна и не очень хорошо изучена. В этой
технологии трудно контролировать такие важные параметры тех-
нологического процесса, как однородность состава, температуру
и скорость вжигания, атмосферу при вжигании.
Поэтому толстопленочные схемы уступают тонкопленочным
по допускам на номиналы и по стабильности параметров компо-
нентов.
В технологии тонкопленочных микросхем используется до-
рогостоящее вакуумное оборудование. Сам технологический про-
цесс более трудоемкий. Однако высокая чистота процесса нанесе-
ния пленок в вакууме и возможность контроля всех критических
параметров процесса определяют перспективность тонкопленоч-
ной технологии для большинства прецизионных схем приборо-
строительной промышленности.
При выборе того или иного технологического направления
немаловажен вопрос стоимости микросхем. Следует иметь в виду,
что на стоимость гибридных схем в гораздо большей мере, чем
технология нанесения пленок, влияют допуски на элементы схемы,
степень сложности схемы, требования к контролю, объем произ-
водства и цена компонентов.
Таким образом, стоимость прецизионных гибридных схем
при серийном производстве зависит в основном от стоимости
навесных, дискретных компонентов и затрат на сборку и испыта-
ния, а не от стоимости подложки с пленочными элементами схемы.
В приборостроительной промышленности тонкопленочные и тол-
стопленочные схемы сравнимы по стоимости.
Вопросы, связанные с проектированием и изготовлением
толстопленочных схем подробно рассмотрены в книге аме-
риканского автора Топфёра «Микроэлектроника толстых пле-
нок».
Проектирование и технология изготовления тонкопленочных
микросхем рассматриваются в ряде книг зарубежных авторов:
«Пленочная микроэлектроника» под ред. Холленда, «Тонкопленоч-
ная технология» Р. Берри, П. Холла и М. Гарриса, «Основы
проектирования интегральных схем» Л. Штерна.
Однако практическая реализация гибридных микросхем по
тонкопленочной технологии самым тесным образом связана с вы-
бором материалов для тонкопленочных элементов схем, подложек
и проводников, а также зависит от выбранных типов выводов
и методов герметизации.
Кроме того, выходные параметры тонкопленочных элементов
микросхем, процент выхода годных схем, диапазон номиналов и
допусков на элементы, наконец, выбор последовательности опе-
раций технологического процесса и режимов зависят в тонкопле-
11
ночной технологии от конкретных технологических методов и
оборудования, а также от специфики средств контроля.
В СССР в настоящее время разработаны комплексы специаль-
ного технологического оборудования и контрольно-измеритель-
ной аппаратуры для тонкопленочной микроэлектроники, находя-
щиеся на уровне лучших мировых образцов, а в ряде случаев
превосходящие их. Технологи могут использовать широкую но-
менклатуру чистых материалов, специальных микрокомпозиций
и сплавов для тонкопленочных элементов, которые расширяют
возможности тонкопленочной технологии. В книге в определенной
степени учитывается опыт отечественной микроэлектронной про-
мышленности в части технологии, материалов и оборудо-
вания.
В тонкопленочной технологии используются различные тех-
нологические методы нанесения тонкопленочных структур: тер-
мовакуумное напыление, катодное распыление, реактивное распы-
ление в среде остаточных молекул реактивного газа, ионноплаз-
менное распыление, высокочастотное распыление.
Каждый из этих методов имеет определенную специфику
и часто один и тот же наносимый материал при различных методах
его получения характеризуется своими специфичными пара-
метрами.
Для изменения структуры тонких пленок, расширения их
возможностей и корректировки свойств тонкопленочных элементов
широко используются методы электрохимической и термохимиче-
ской обработки.
В книге рассмотрены физические основы этих методов, их
техническая реализация, технология нанесения тонкопленочных
элементов, методы и средства контроля в процессе нанесения,
а также соответствующее технологическое оборудование.
Конфигурации тонкопленочных элементов могут быть полу-
чены также различными методами. Наиболее распространенные
из них метод свободной маски и метод фотолитографии. Перспек-
тивным является метод электроннолучевой и ионнолучевой об-
работки.
Физико-химические процессы, лежащие в основе этих методов,
используемые материалы, режимы технологических процессов,
специальное технологическое оборудование и области использо-
вания также являются предметом рассмотрения книги.
В книге представлен анализ технологического процесса изго-
товления тонкопленочных микросхем с точки зрения обеспечения
воспроизводимости результатов и оптимизации процента выхода
годных. На основании уточненного расчета номиналов и допусков
элементов схем с учетом технологии их получения даны правила
разработки топологии микросхем.
Одна из глав посвящена методам, технологии и оборудованию
для сборки, монтажа и герметизации гибридных тонкопленочных
микросхем.
12
Авторы посчитали необходимым обсудить проблемы, связан-
ные с проектированием и технологией изготовления БИС. Анализ
различных конструктивно-технологических направлений БИС под-
тверждает перспективность использования тонкопленочной тех-
нологии для гибридных ИС с увеличенной степенью интеграции.
В книге подробно рассматриваются различные технологические
направления формирования многослойной тонкопленочной комму-
тации на диэлектрической подложке для БГИС, различные ме-
тоды сборки, монтажа и герметизации БГИС.
Значительное внимание в книге уделено методам автоматизи-
рованного проектирования и изготовления интегральных схем.
Главы 1, 2, 3, 5 и 6 написаны В. Д. Гимпельсоном, глава 4 на-
писана Ю. А. Радионовым.
Авторы с благодарностью примут все замечания, направленные
на улучшение данной книги. Замечания следует посылать по
адресу: 107885, Москва, Б-78, 1-й Басманный пер., 3, изда-
тельство «Машиностроение».
ГЛАВА 1
ЭЛЕМЕНТЫ ТОНКОПЛЕНОЧНЫХ МИКРОСХЕМ
Основными элементами тонкопленочных микросхем являются
подложка и система пассивных элементов, включающая рези-
сторы, конденсаторы, индуктивности, проводники и контактные
площадки.
Подложка в тонкопленочных микросхемах является фактически
частью корпуса прибора и в то же время неотъемлемой частью
каждого тонкопленочного элемента.
Оптимальная конфигурация любого из элементов и всей пле-
ночной схемы в целом определяется такими факторами, как:
требуемые выходные параметры схемы, номиналы элементов и
допуски на них, требуемая плотность упаковки, свойства материа-
лов пленочных элементов, мощность рассеяния. В зависимости
от особенностей схемы и предъявляемых к ней требований, кон-
фигурации и площади элементов могут значительно отличаться
друг от друга.
В данной главе рассматривается взаимосвязь между этими
факторами и значение каждого из них в создании тонкопленочных
микросхем высокого качества.
Однако при рассмотрении элементов тонкопленочных микро-
схем следует учесть, что их изготовление в едином технологиче-
ском цикле по интегральной технологии приводит к появлению
новых, присущих лишь интегральным схемам зависимостей.
В частности, свойства каждого из тонкопленочных элементов и
всей схемы в целом зависят от методов и технологии формирова-
ния слоев и рисунков элементов.
Поэтому рассматриваемые здесь свойства материалов пленоч-
ных элементов и основные формулы расчета элементов необхо-
димы для оценки работоспособности элементов в заданных вы-
ходными параметрами схемы и условиями эксплуатации режимах
и правильного выбора системы материалов на этапе проектиро-
вания.
Окончательный расчет элементов схем с учетом основных
факторов технологического процесса рассматривается в гл. 4.
14
1. Тонкопленочные резисторы
Проблема создания тонкопленочных резисторов связана с тех-
нологическими вопросами получения следующих характеристик
пленки резистивного материала:
удельного сопротивления резистивной пленки, его воспроиз-
водимости и стабильности во времени;
удельной рассеиваемой мощности пленки;
температурного коэффициента сопротивления;
спектра и уровня шумов.
С учетом возможности получения данных характеристик ре-
зистивной пленки могут быть рассчитаны электрические пара-
метры и конструкция резисторов (номиналы сопротивления и
допуск, мощность рассеяния, габаритные размеры, паразитные
связи).
Взаимосвязь конструктивных и технологических параметров
резисторов устанавливается в первую очередь основным уравне-
нием для их расчета
о 1 *
PS “ pbh’
где R — сопротивление резистора;
Р — удельное сопротивление материала резистивной
пленки;
/, b, h, S — соответственно длина, ширина, толщина и по-
перечное сечение резистора (рис. 1).
При использовании одного и того же резистивного материала
общей для всех резисторов микросхемы величиной, не завися-
щей от номинала резисторов и его размеров, является сопротив-
ление материала резистивной пленки р.
Проектируя тонкопленочные резисторы, предполагают также,
что и толщина резистивной пленки одна и та же для всех одно-
временно изготавливаемых резисторов.
Это позволяет ввести понятие о рп — поверхностном удельном
сопротивлении резистивной пленки, величина которого опреде-
ляется только удельным сопротивлением материала резистивной
пленки и его толщиной и
численно равна сопротивле-
нию резистора квадратной
формы с произвольным раз-
мером сторон.
Рис. 1. Тонкопленочный резистор:
1 — резистивная пленка; 2 — контакт-
ная пленка проводящего материала;
3 — подложка
15
Уравнение для сопротивления резистора при этом может быть
записано как
R = Ра 4 ’
где N — отношение длины резистора к его ширине или число
квадратов резистора.
Прежде чем перейти непосредственно к рассмотрению методов
расчета и проектирования резисторов, следует отметить, что
свойства материалов, используемых для изготовления тонкопле-
ночных компонентов, находятся в неразрывной связи с условиями
их нанесения. Несмотря на то, что процессы формирования тон-
копленочных структур описываются в последующих главах,
в ряде случаев не представляется возможным описание свойств
этих материалов без ссылки на условия их изготовления.
Для получения пленочных резисторов с номиналами от еди-
ниц и долей ома до десятков и сотен мегом используются мате-
риалы, удельное сопротивление которых изменяется в широких
пределах. Выбор резистивного материала при этом ограничивается
необходимостью получения заданных воспроизводимых и ста-
бильных во времени значений электрических параметров резисто-
ров, способных длительное время работать без параметрических
и катастрофических отказов в выбранном диапазоне значений па-
раметров окружающей среды. С этой точки зрения у тонких слоев
резистивных материалов есть неоценимое преимущество по сравне-
нию с массивными образцами, заключающееся в том, что в тонких
пленках действует ряд механизмов, управление которыми позво-
ляет значительно увеличить удельное сопротивление материалов
и тем самым расширить диапазон возможных его значений.
Ряд таких механизмов перечислен в работе [239], где особое
внимание уделяется эффекту дополнительного рассеяния элек-
тронов на свободных поверхностях пленки, эффекту рассеяния
на границах микрокристаллитов пленки, разделенных собствен-
ными окисными слоями и специально вводимой диэлектрической
фазой, увеличению сопротивления за счет использования сетча-
тых структур, несплошных пленок и пленок с меньшим, чем у обыч-
ных материалов, числом носителей.
Материалы тонкопленочных резисторов можно условно разде-
лить на несколько групп: резистивные материалы на основе чистых
металлов, резистивные материалы на основе металлических спла-
вов, резистивные материалы на основе микрокомпозиций, кер-
меты, полупроводниковые материалы и пр.
Эта классификация достаточно условна, однако она позво-
ляет на примере типовых представителей выявить основные
особенности материалов каждого класса, определить их преиму-
щества или недостатки.
Для изготовления тонкопленочных резисторов первоначально
начали применяться те металлы, которые в массивном состоянии
16
характеризуются большим удельным сопротивлением, малым
температурным коэффициентом сопротивления и, как предпола-
галось, образуют термодинамически устойчивые тонкие пленки со
стабильным фазовым составом при температурах до 200—300° С;
окисные пленки этих металлов характеризуются малой дефект-
ностью и высокой плотностью.
В табл. 1 приведены электрические свойства некоторых ме-
таллов, используемых для изготовления резистивных слоев, и
практически достигнутые для этих материалов значения поверх-
ностного удельного сопротивления [213].
1. Электрические свойства металлов,
используемых для изготовления пленочных резисторов
Металл Удельное сопротивле- ние при 20° С 10-в Ом-см ТКС 10~« °C’1 Диапазон рп, Om/J ТКС пленочных резисторов, 10е °C"1
Алюминий 2,69 4200 j 2-20 200—3500
Титан 55 (44) 3500 | 50-100 700—1800
Хром 13 (19) 5880 50—300 200—800
Никель 6,84 (7,5) 6844 10—300 250
Ниобий 16 (13,1) 3950 50—8-103 400—2000
Палладий 13 (10,8) 3770 20—30 2000—2500
Тантал (в том числе 0-тан- 13—200 100—3800 10—104 100—3000
тал, нитрид тантала, окись тантала) Рений 20 3110 10—104
Платина 9,81 3700 20—30 2000
Золото 2,3 4300 5—10 3900
Необходимо заметить, что приведенные в этой таблице значе-
ния ра и температурного коэффициента сопротивления (ТКС)
пленок получены разными авторами на различном оборудовании
и при использовании различных технологических процессов.
Все это затрудняет объективное сравнение количественных оце-
нок параметров, полученных для различных материалов; более
того, в ряде случаев данные различных авторов по одному и тому же
резистивному материалу противоречат друг другу [155, 204].
Эти противоречия объясняются специфичными условиями роста
и старения тонких пленок в области так называемых критических
толщин, в которой не всегда справедливы зависимости, характер-
ные для массивных материалов, а также неравновесностью со-
стояний при конденсации в условиях значительного переохла-
ждения [155, 204].
На электрические и физические свойства тонких металли-
ческих пленок большое влияние оказывают всевозможные загряз-
нения, вызванные недостаточной чистотой используемых мате-
риалов, химическими реакциями в процессе нанесения тонких
пленок, физической сорбцией свеженанесенных слоев и пр.
2 В. Д. Гимпельсои 17
В условиях, соответствующих обычно используемым режимам
формирования тонких металлических и интерметаллических
слоев, возможны принципиально различные механизмы конден-
сации пленок, приводящие к образованию одной, а чаще одновре-
менно нескольких метастабильных или лабильных фаз, образова-
ние которых определяется первой и второй критическими тем-
пературами [239].
Тем не менее удается выделить некоторые закономерности,
справедливые для большинства рассмотренных в табл.^1 материа-
лов. Это в первую очередь утверждение о том, что пропорциональ-
ность вида
Роч
справедлива лишь в слоях, толщина которых по порядку величины
больше 100 А, и что в более тонких слоях величина сопротивления
определяется размерными эффектами, влияние которых стано-
вится заметным при толщинах пленки h, соизмеримых с длиной
свободного пробега электронов lQ. Согласно модели свободных
электронов Фукса, при h < /0
_ 4
Р/Ра ~ 3/i/Z0 (0,4228 — In Zi/Z0) ’
а при h > lQ
р/ра = 1 + w?
Эти уравнения справедливы при диффузном отражении элек-
тронов. В случае, если часть электронов р рассеивается зеркально
от обеих поверхностей пленки, в эти уравнения необходимо
ввести поправки:
4 1 2
Р/Рп з (1 + 2р) ’ In (1 — h//e) при
И
Р/Р°= 1+^п(т~Р) при/1>'о-
Кроме размерного эффекта на проводимость сплошной тонкой
металлической пленки влияет также рассеяние электронов на
всевозможных дефектах структуры, включая примеси, границы
микрокристаллитов и пр. Если основной вклад в величину со-
противления пленки вносит рассеяние электронов проводимости
на решетке, то, согласно правилу Матиссена, суммарное удельное
сопротивление р' определяется выражением
Р ~ Р (^) ”Ь Рдеф»
18
где р (Т) — температурозависимый член, вызванный электрон-
фотонным рассеянием на температурных колебаниях
решетки;
Рдеф — остаточное сопротивление, вызванное рассеянием на
дефектах структуры и зависящее от толщины пленки,
особенно для материалов, склонных к окислению.
В отличие от рассмотренных выше сплошных металлических
пленок, в тонких островковых пленках и пленках, в которых
одновременно присутствуют металлическая и диэлектрическая
фазы (например, пленки керметов), сопротивление является
экспоненциальной функцией температуры. Сопротивление таких
пленок не подчиняется закону Ома, их шумы имеют аномальный
характер.
В настоящее время принято рассматривать две основные ги-
потезы активационной природы проводимости такого рода пленок.
И та и другая гипотезы связаны с преодолением электронами
проводимости потенциального барьера на границе металлической
и диэлектрической фаз.
Согласно первой гипотезе, проводимость пленки объясняется
тем, что часть электронов в металле имеет энергию, превышающую
высоту потенциального барьера, и поэтому преодолевает его.
Высота этого барьера в первом приближении равна работе выхода
электронов из металла. При малой величине зазора между остров-
ками она определяется диэлектрической проницаемостью мате-
риала зазора, параметрами переходной зоны между металлом
островков и материалом диэлектрика и, наконец, напряжением,
приложенным к островкам, между которыми осуществляется
переход электронов (эффект Шоттки).
Термоэмиссионный ток, согласно уравнению Ричардсона —
Дэшмана, определяется выражением
Д = АТ2ехр (—^)>
где <р — эквивалентная высота потенциального барьера;
А = 120 А/см2-°С.
Поскольку между двумя островками электроны могут одно-
временно переходить в обоих направлениях, суммарный ток
термоэмиссии определяется из уравнения
Дэ = АТ2[ехр( -$)]— ехр(
где фт, <р2— эквивалентные высоты первого и второго барьеров.
Проводимость за счет термоэмиссии является доминирующей
в островковых пленках при зазорах между островками в 100 А
и более. При уменьшении этих зазоров и нормальных условиях
для типичных значений работы выхода около 4—5 эВ согласно вто-
рой гипотезе основным становится механизм туннельной прово-
2* 19
димости. Если термоэмиссионная проводимость определяется
классическим переходом электронов через барьер, то в случае
туннельной проводимости рассматривается переход электронов,
энергия которых меньше высоты потенциального барьера. Воз-
можность такого перехода, согласно квантовой теории, объяс-
няется тем, что внутри диэлектрика вблизи границ металлических
островков волновая функция электрона может быть существенно
отличной от нуля, и, следовательно, существует конечная вероят-
ность квантово-механического туннелирования.
Известно, что воспроизводимость сопротивления резистивных
пленок более высока для области толщин, в которой доминиру-
ющим является механизм объемной металлической проводимости.
Для тугоплавких металлов эта область начинается с более тонких
слоев, чем для материалов с более низкой температурой плав-
ления.
Рассмотрим более подробно свойства наиболее часто исполь-
зуемых резистивных материалов на основе чистых метал-
лов.
Хром удовлетворяет практически всем требованиям, предъяв-
ляемым к материалу резистивной пленки. Он достаточно тугопла-
вок, образует стабильную и плотную окисную пленку, имеет боль-
шое удельное сопротивление, достаточно технологичен.
Необходимость тщательного соблюдения условий проведения
технологического процесса при создании тонкопленочных хромо-
вых резисторов с хорошей стабильностью и воспроизводимостью
одно время охладили интерес разработчиков и технологов к этому
материалу; вместо хрома стал широко использоваться нихром.
Однако в последнее время хром вновь привлекает внимание иссле-
дователей благодаря тому, что при некоторых технологических
операциях он одновременно может нести и дополнительную функ-
циональную нагрузку, выступая в качестве и резистивного и адге-
зионного слоя.
В тонкопленочной микроэлектронике для создания пассивных
компонентов широко используются тантал и его соединения.
На их основе изготавливаются законченные микросхемы, вклю-
чающие в себя тонкопленочные резисторы, конденсаторы и про-
водники.
Универсальность применения тантала объясняется его высоким
удельным сопротивлением, возможностью контролируемого изме-
нения электрических параметров путем легирования и окисления,
хорошими защитными свойствами его окисных пленок, исполь-
зуемыми в качестве диэлектрика конденсаторов и слоев защиты
при различных технологических методах формирования рисунка
микросхем. Термообработанные или анодированные пленки тан-
тала характеризуются высокой стабильностью электрических
свойств и малым значением ТКС.
Структурные исследования тонких танталовых пленок позво-
лили обнаружить присутствие, по крайней мере, двух основных
20
фаз: с объемно-центрированной кубической решеткой — так назы-
ваемый а-Та и с тетрагональной структурой — ₽-Та.
Первая структура характерна для массивного тантала, а вто-
рая встречается только в тонких слоях.
Пленки P-Та имеют большее удельное сопротивление и мень-
шее ТКС по сравнению с а-Та, с этой точки зрения его использо-
вание в качестве резистивного материала более предпочтительно.
Однако в реально получаемых структурах чистых танталовых
пленок обычно присутствуют обе модификации тантала и поэтому
результаты исследований, опубликованные в разное время, слабо
коррелируют друг с другом.
В пленочной микроэлектронике для увеличения ра, повышения
стабильности и уменьшения ТКС используются окислы тантала,
нитриды и карбиды тантала.
Пленки чистого тантала, а также соединения Ta2N и TaN
хорошо анодируются, образуя плотные защитные слои, что обес-
печивает высокую стабильность сопротивления. Изменение сопро-
тивления танталовых пленок с большой концентрацией азота
приблизительно в 3—5 раз меньше, чем для пленок а и fl-Ta.
В окислах тантала при больших концентрациях кислорода
ТКС становится все более отрицательным за счет образования
диэлектрической фазы.
При некоторых технологических режимах получения пленок
нитрида тантала в пленках может быть увеличено содержание
а-Та и fl-Ta за счет фазы Ta2N. При этом образуется аномальная
макроструктура так называемого тантала низкой плотности,
характеризующаяся значительно большими по сравнению с а
и fl-Ta значениями удельного сопротивления и малым ТКС.
Изменение соотношения а- и fl-модификаций тантала в пленке
в сторону увеличения содержания а-Та снижает удельное сопро-
тивление пленки и увеличивает ТКС.
Необходимость создания резистивных пленок с большими
значениями удельного сопротивления порядка сотен и тысяч
омов на квадрат поверхности заставила обратиться к новым типам
материалов, в том числе и к металлическим сплавам. При нане-
сении металлических смесей и сплавов на подложках образуются
структуры пленок нескольких типов, электрические параметры
которых во многом определяются степенью взаимного растворе-
ния и возможностью образования химических соединений исход-
ных компонентов.
При неограниченном взаимном растворении компонентов сплава
образуются твердые растворы замещения и внедрения с кристал-
лической решеткой того же класса, что и у исходных компонентов,
и константой решетки, приблизительно равной средневзвешенной
от констант исходных компонентов. Известно правило, согласно
которому металлы, дающие друг с другом твердые растворы,
всегда имеют общий тип решетки и очень близкие значения ее
параметров.
21
Электрическое сопротивление твердых растворов при комнат-
ной температуре значительно больше, чем у чистых металлов,
и тем в большей степени, чем больше произведение концентраций
компонентов. Это объясняется нарушениями регулярности ре-
шетки микрокристаллитов даже при статистически равномерном
распределении атомов растворенного вещества. В еще большей
степени сопротивление твердых растворов возрастает при обра-
зовании местных неравновесных концентраций атомов компонен-
тов раствора, образующихся возле вакансий и на границах микро-
кристаллитов пленки. Очевидно, что ТКС таких сплавов меньше,
чем у исходных компонентов, из-за высокой концентрации дефек-
тов и наличия центров рассеяния.
Значительное число сплавов при кристаллизации распадается
на смесь различных кристаллов с предварительным взаимным
насыщением до предельных, определяемых взаимной раствори-
мостью концентраций. Смеси такого типа образуются и при одина-
ковых и при различных по типу решетках. В последнем случае
обязательным условием является большая разница межатомных
расстояний или температур плавления компонентов сплава.
Сплавы-смеси характеризуются свойствами, занимающими про-
межуточное положение между свойствами составляющих их фаз.
Удельное сопротивление таких сплавов обычно значительно выше,
чем сопротивление входящих в них компонентов, особенно при
мелкозернистой структуре из-за большого числа дефектов.
Сплавы-смеси характеризуются образованием новой фазы,
свойства которой резко отличаются от свойств исходных компо-
нентов. На рентгенограммах таких сплавов появляются новые
линии, соответствующие кристаллам со своей решеткой. Соотно-
шения компонентов этой фазы обычно выражаются отношением
целых чисел, что говорит об образовании химических соединений
компонентов сплава. Диаграмма состояния таких сплавов сама
как бы состоит из двух отдельных диаграмм, а кривые зависимости
электрических параметров от содержания компонентов сплава
составлены из отрезков кривых, пересекающихся в точке, соот-
ветствующей химическому соединению. Примерами таких сплавов
являются карбиды, нитриды и силициды хрома/тантал а/ воль-
фрама.
Необходимо отметить, что степень взаимного растворения
компонентов сплавов, изготовленных в виде тонких пленок в ус-
ловиях значительного переохлаждения, может быть гораздо
выше, чем это следует из диаграмм состояния для массивных
материалов.
На основании вышеизложенного можно сделать вывод о том,
что сопротивление сплавов обычно значительно выше, а величина
температурного коэффициента меньше, чем у исходных компо-
нентов.
В литературе наиболее подробные сведения по резистивным
пленкам, изготовленным на основе металлических сплавов, при-
22
рис. 2. Зависимость удельного соп-
ротивления р и состава пленок нихрома
от толщины пленки:
1 — зона изменения р; 2 — зона изме-
нения состава нихрома
водятся ^для нихрома, кото-
рый обычно используют в
виде пленки толщиной 100—
500 А. При этих толщинах
с хорошей воспроизводи-
мостью получают резисторы с
поверхностным удельным со-
противлением 50—300 Ом/Q
и температурным коэффи-
циентом сопротивления
200 -1СГ6 °C/"1. На рис. 2 приведена зависимость удельного соп-
ротивления и состава нихрома от толщины резистивной пленки.
Электронно-микроскопические исследования нихромовых пле-
нок, изготовленных в самых разных условиях, показывают, что
обычно пленка состоит из отдельных гранул никеля, окружен-
ных аморфной массой окиси хрома. Обычно сплавы такого вида
имеют отрицательный температурный коэффициент, однако в тон-
ких слоях из-за разницы коэффициентов линейного расширения
материала сплава и материала подложки и высокой температуры
последней в процессе образования пленки расстояние между от-
дельными металлическими зернами уменьшено, что объясняет
положительный и постоянный для пленок различной толщины
и разного удельного сопротивления ТКС.
По своим свойствам к сплавам приближаются так называемые
микрокомпозиции, в состав которых наряду с металлами вводятся
или получаются в процессе изготовления полупроводники или
диэлектрики. Впервые такие пленки были предложены Бочкаре-
вым Б. А. и Бочкаревой В. А. в 1956 г.
При использовании сплавов кремния в сочетании с некоторыми
металлами образуется диэлектрическая фаза в виде окислов
кремния в композиции с проводящей фазой дисилицидов металлов,
многие из которых являются примесными полупроводниками
с высоким .удельным сопротивлением.
До термостабилизации эти пленки имеют практически аморф-
ную структуры неотрицательный ТКС, но после термообработки
кристаллизуются; ,ТКС пленок при этом уменьшается. Структура
таких сплавов однородна и обеспечивает малый уровень шумов
и низкий коэффициент напряжения.
Изменение режимов нанесения пленок позволяет в широких
пределах регулировать ТКС таких сплавов, а большая толщина
23
пленки и термодинамическая устойчивость получающихся соеди-
нений обеспечивают их высокую стабильность и воспроизводи-
мость.
Увеличение процентного содержания диэлектрической фазы
приводит к возрастанию удельного сопротивления микрокомпози-
ций с одновременным изменением величины ТКС в сторону отри-
цательных значений. Для каждого типа микрокомпозиций суще-
ствует своя граничная концентрация диэлектрической фазы, при
которой происходит резкое увеличение абсолютных значений ра
и ТКС; обычно она соответствует 50—70% содержанию окислов
в пленке.
Наиболее широко для изготовления микрокомпозиционных
резисторов используются сплавы типа МЛТ. Обычно в их состав
входят в качестве основных веществ хром и кремний с добавками
железа, никеля и алюминия.
При нанесении пленок из сплавов МЛТ удается с хорошей
воспроизводимостью получать удельные сопротивления в диапа-
зоне 50—1000 Ом/Д, с температурным коэффициентом 60—
150-10"6 °C-1 (для сплава МЛТ-ЗМ) в диапазоне 200—800 Ом/0.
Для получения резистивных пленок с поверхностным удель-
ным сопротивлением 1 кОм/Q и более используют керметы, яв-
ляющиеся частным случаем микрокомпозиций. В их состав входят
благородный или тугоплавкий металл и диэлектрик. Высокая
надежность таких резисторов обеспечивается особенностями струк-
туры сплава, представляющего собой отдельные гранулы металла,
находящиеся в аморфной массе диэлектрика. Проводимость
в такой структуре осуществляется при высокой концентрации
металла за счет контакта металлических гранул, а при большом
содержании диэлектрика — за счет смешанного механизма про-
водимости, включающую металлическую проводимость, туннели-
рование электронов через тонкие диэлектрические барьеры и
термоэмиссию.
В литературе описаны самые различные составы керметов:
нихром — моноокись кремния, золото — моноокись кремния, зо-
лото — фтористый магний, хром — фтористый магний, алюминий—
моноокись германия, железо — моноокись кремния, хром — окись
вольфрама, дисилицид хрома— стекло С 41-1 и многие другие,
однако наиболее полные и воспроизводимые результаты при высо-
кой стабильности резисторов и приемлемом значении ТКС в на-
стоящее время удалось получить лишь для керметов хром — моно-
окись кремния.
На рис. 3 представлена зависимость удельного сопротивления
керметовой пленки последнего вида от весового соотношения
(у%) входящих в нее компонентов.
Максимальное удельное сопротивление ра, которое удалось
получить для керметов Сг—SiO, составляет 20 кОм/□. Однако
практически используются резисторы на основе Сг—SiO с удель-
ным сопротивлением не более 2000 Ом/Ц.
24
В последнее время разработаны специальные сплавы, напри-
мер сплав PC-1004, для высокоомных резисторов с удельным со-
противлением 40—50 кОм/Д [103]. Основным недостатком этих
резисторов является высокая абсолютная величина ТКС. Тем не
менее эти резисторы могут успешно применяться в высокоомных
делителях напряжения.
В табл. 2 приведены данные по ра и ТКС для основных рези-
стивных материалов.
2. Характеристики основных резистивных материалов
Материал Удельное сопротивление, Ом/D ТКС 10» 1/°С Толщина, О А Источник
Нихром 10—400 ~ 50 ч-500 50—500 [233, 781
300 * 100 * (100—130) * [1901
Тантал 50—500 100ч-200 — [233, 1161
100 * 150 * 500 *
Окись олова 100—5 000 100ч- 250 — [2331
Кермет (Сг—SiO) 10—20 000 —25ч-100 200—1200 [103, 1901
(1 000—2 000) * (-754-75) * 200 *
Хром 50—500 300—600 — [78, 190]
200-300 * 100 *
Сплав Сг—Si2 100—10 000 50—250 — [781
МЛТ-ЗМ 200—500 — 100 4-200 — [104]
Ренин 300—7 000 0—200 — [233
Молибден 200—1 000 4000—1100 — [233
Сплав PC-1004 40 000—50 000 — — [ЮЗ]
* Рекомендуемые величины.
При конструировании микросхем часто приходится использо-
вать резисторы достаточно сложной конфигурации, некоторые из
них представлены на рис. 4. Для таких резисторов строгий подсчет
величины сопротивления может быть проведен лишь с учетом
особенностей распределения потенциала в резистивной пленке.
В расчетах обычно принимаются следующие обозначения: I —
длина резистора; b — ширина резистора; N — число квадратов
(|) резистора. Для ряда наиболее характерных элементов топо-
логии резистора проделаны подобные вычисления и результаты
их приведены на рис. 5.
Необходимо, правда, заметить, что величина погрешности,
вносимая неравномерным распределением потенциала в попереч-
ном сечении резистора, обычно значительно меньше других видов
погрешностей, рассматриваемых ниже, и поэтому для практи-
ческих расчетов достаточно определить длину средней линии
резистора и на каждый его изгиб прибавить по половине квадрата.
Значительно больший интерес представляет задача определе-
ния величины сопротивления резисторов с переменным попереч-
ным сечением, которые используются для создания так называе-
25
Рис. 3. Зависимость удельного сопротивления пленок Сг—SiO от процентного содержа-
ния SiO (у)
п = №1+0,32
О
п= №1+цш
п=^+1,68±0,05
D = +2,9610,1
n=£ + 0,36
П = ^+ 0,569
Рис. 4. Возможные конфигурации пленочных резисторов:
а — прямоугольная; б — меандра; в — подковообразная; г — кольцевая; д — угловая;
е — меандра с прямоугольными отрезками
Рис. 5. Расчет числа квадратов для различных конфигураций пленочных резисторов
26
мых гантельных резисторов с малым контактным сопротивлением
и для подстраиваемых резисторов.
Для таких резисторов число квадратов резистивной пленки
подсчитывается по формулам:
для резистора, изображенного на рис. 6, а,
U2 \ 1 / \ 1 / J
где 5 = 62/дх и /2 > Ь2/3;
для резистора, изображенного на рис. 6, б,
W = '. + t+Lr^J1„(|+J)_2„( « )1,
uj ^2 ЗТ L \ <S — 1 ) \ 1 / J
где 5 = b2lbr и > 26 2/3;
для резистора, изображенного на рис. 6, в,
кг /1 ! 1г I 1 2 , / 4S \ . S2—1 ,/S2—1\
N'~bi + b2 I’S я1п\52+1) + nS Cos (,S2+1)’
где S = Ь2/Ьх и l2 > b2.
Для резисторов в виде кольца (рис. 4, г) с коаксиальным распо-
ложением выводов число квадратов
= <г-1п—,
2л
где гг и г2—соответственно внутренний и внешний радиусы
кольца, а для подковообразных резисторов, ана-
логичных изображенному на рис. 4, в,
Х = ап / -1 ;
In
ап — угол сектора подковы в радианах.
Кроме рассмотренных выше конфигураций резисторов, исполь-
резисторы, представляющие
зуются также и секционированные
собой ряд параллельно или пос-
ледовательно соединенных рези-
сторов. Расчет конструкции такого
типа резисторов приведен в гл. 5.
Для однозначного определения
длины и ширины резистора на-
ряду с зависимостью =
используется неравенство S; >
> kbh где Si — минимально
допустимая площадь резистора,
Рис. 0, Конфигурация тонколленочиого ре*
зистора с резким изменением ширины линии
27
определенная как отношение мощности, выделяемой на рези-
сторе Ph к удельной мощности рассеяния пленки Ро, т. е.
Совместное решение этих двух уравнений позволяет для
каждого резистора определить минимальные значения lL и bL\
Задача осложняется тем, что мощность, выделяемая на ре-
зисторе, рассеивается не только поверхностью самого резистора,
но и нагретыми этим резистором участками подложки.
Таким образом, приведенные формулы предполагают наихуд-
шие условия работы резистора, но не учитывают реальных условий
работы микросхемы.
Рассчитанная ширина резистора может быть принята лишь
с учетом возможностей технологического процесса по разрешаю-
щей способности (гл. 3).
Кроме того, случайные погрешности линейных размеров влияют
на воспроизводимость резисторов тем в большей степени, чем
меньше ширина резистивной пленки и чем больше отношение ^тах-
для одновременно изготавливаемых резисторов.
Наконец, существует еще одно ограничение на ширину рези-
стора, которое вызвано точечными дефектами.
При известной плотности этих дефектов на подложке и за-
данном законе распределения дефектов можно подсчитать, ка-
кова суммарная длина всех одновременно изготавливаемых ре-
зисторов шириной Ь.
В табл. 3 приведены оценки максимального числа квадратов
одновременно изготавливаемых резисторов на подложках раз-
мером 60x48 мм при 5%-ной вероятности отказов в зависимости
от степени запыленности воздуха рабочего помещения.
3. Допустимые значения загрязненности помещений
при изготовлении резисторов
Категория помещены я Допустимое содержание в 1 л воздуха частиц аэрозолей разме- ром 0,5 мкм Число квадратов резистивной пленки при ее ширине, мкм
50 100 200
2 35 15 000 50 000 Более 50 000
3 350 3 000 10 000 50 000
4 3500 400 1 250 6 000
28
Тонкопленочные элементы в интегральных схемах имеют пре-
имущества по сравнению с обычными компонентами в отношении
паразитных параметров: последовательной индуктивности, шун-
тирующей емкости, шунтирующего и последовательного сопро-
тивлений. Паразитные индуктивность и емкость в случае пле-
ночных резисторов имеют существенно меньшие значения, чем
у объемных резисторов, и обычно ими можно пренебречь, за исклю-
чением случаев, когда резисторы используются в высокочастот-
ных схемах, не характерных для изделий приборостроения.
Наличие шунтирующего сопротивления обусловлено сопротив-
лением утечки через подложку.
Величина последовательного сопротивления зависит в основ-
ном от сопротивления контакта «резистор—проводник».
Шунтирующие сопротивления важны в случае больших номи-
налов сопротивлений; последовательные — для низкоомных ре-
зисторов.
Для уменьшения последовательного сопротивления приме-
няют соответствующую технологию нанесения резистивных и
контактных слоев. Получаемое при этом контактное сопротивле-
ние не превышает обычно 10'2 Ом. Сопротивление проводящих
линий делают минимальным за счет выбора низкоомных материа-
лов, длины и ширины проводников. Обычно последовательное
сопротивление несущественно, если общее сопротивление рези-
стора превышает 10 Ом.
При отсутствии микроскопических загрязнений эффективное
поверхностное сопротивление материалов подложек, используе-
мых для гибридных тонкопленочных микросхем (см. п. 5, гл. 1),
составляет 1010—1015 Om/Q [21].
Наиболее критичными по току утечки являются участки
между линиями в конфигурации резисторов типа «меандра».
Сопротивление между двумя параллельными участками ре-
зистора типа «меандра» можно рассчитать по следующей фор-
муле [21]:
R'=~- (2ра) Ь- [ 1 - | (W£')W,
где ра — удельное поверхностное сопротивление пленки;
Ра — удельное поверхностное сопротивление подложки;
li — длина прямого участка резистора;
bi—ширина резистора;
Ь{ — расстояние между линиями.
Выражение в прямых скобках характеризует относительное
изменение сопротивления, связанное с шунтирующим сопроти-
влением.
Например, если ра = 100 Ом/Ц, р'а = 1010 Ом/Ц, bi = Ы
a lt = 100 Ьъ относительное изменение сопротивления будет
равно 0,01%.
29
Таким образом, в случае больших поверхностных сопротивле-
ний пленки или больших отношений, входящих в соотношение
размеров линий шунтирующее сопротивление будет вносить боль-
шой вклад в суммарное сопротивление резистора.
Согласно приведенному выражению пропорции линии играют
большее значение, чем ее абсолютные размеры. Уменьшение
влияния поверхностной утечки достигается в основном за счет
увеличения расстояния между линиями.
2. Тонкопленочные конденсаторы
Тонкопленочный конденсатор конструктивно представляет со-
бой многослойную структуру, в простейшем случае состоящую
из двух металлических обкладок, разделенных слоем диэлектрика
(рис. 7).
Основные электрические параметры пленочных конденсато-
ров: емкость, рабочее напряжение, ток утечки и импеданс опре-
деляются многочисленными факторами, в том числе используе-
мыми материалами, конструкцией и технологией изготовления
пленочной структуры, ее совместимостью с процессами получения
других элементов пленочной микросхемы. К обкладкам кон-
денсатора, проводникам и контактным площадкам пленочной
микросхемы предъявляются требования высокой электропровод-
ности, хорошей адгезии к контактирующим слоям. Диэлектрик
конденсатора в ряде случаев может быть использован в качестве
защитного слоя для резисторов и проводников микросхемы.
Аналогичным по структуре конденсатору является пересечение
пленочных проводников, элемент достаточно часто используемый
в гибридно-пленочных микросхемах, особенно в конструкциях
с жесткими выводами навесных элементов. Во многом тожде-
ственна конденсатору /?С-структура с распределенными парамет-
рами.
Конструкция и технология изготовления конденсаторов имеют
ряд особенностей. Емкость конденсатора практически не зависит
от формы общей части его обкла-
док. Диэлектрик конденсатора
работает в полях высокой нап-
ряженности, определяемых малой
его толщиной; поэтому для кон-
денсаторов в большей степени,
чем для других элементов пле-
Рис. 7. Тонкопленочный конденсатор:
1 — ннжняя обкладка; 2 — диэлектрик;
3 — верхняя обкладка;
а н Ь —* длина и ширина площади перекрытия
верхней и ннжней обкладок конденсатора
30
ночной микросхемы, характерны катастрофические отказы, выз-
ванные микродефектами пленочных структур [213, 239].
Указанные выше параметры пленочных конденсаторов опре-
деляются в основном свойствами диэлектрического слоя: его
составом, методом получения и толщиной. В то же время выбор
того или иного материала диэлектрика часто диктует и соответ-
ствующий подбор материалов обкладок конденсатора, использо-
вание влагозащитных и нивелирующих поверхность подложки
изолирующих слоев и пр.
Поскольку свойства материалов, полученных в виде тонких
пленок, могут значительно отличаться от свойств массивных
образцов, при проектировании конденсаторов и разработке техно-
логии их изготовления используют понятие об удельной емкости
(Со) (см. табл. 4) как одной из характеристик материала диэлек-
трического слоя:
С = 0,0855 %S=C0S пФ.
а и
4. Зависимость электрических характеристик тонкопленочных конденсаторов
от материала диэлектрика
Материал диэлектрика Диэлектрическая постоянная e Удельная емкость Co. мкФ/см2 Электрическая прочность, В/см-10”в
Та2Об 16—25 0,08—0,1 1—6
А12О3 6-9 0,01—0,4 1—8
SiO 5—6,8 0,01 2
SiO2 3,8—4 0,005—0,02 1,5—10
TiO2 30—40 0,3—2 1
ZrO2 20—22 0,07—0,1 4
ZnS 10 0,03 1
MgF2 5,5 0,01 2
GeO 10—12 0,015 0,5—1,5
Sb2S3 18—21 0,1 0,2—1,0
Величина Со может изменяться как за счет выбора материала
с заданным значением е (от 3,5 для двуокиси кремния и до 80—120
и более для пленок титаната бария), так и за счет подбора соответ-
ствующей толщины пленки. Последняя обычно ограничена снизу
допустимым процентом выхода годных незакороченных конден-
саторов и рабочим напряжением [202], а сверху механической
прочностью получаемой структуры: пленки толщиной в несколько
микрон и более обычно имеют малую адгезию к ниже лежащим
слоям из-за больших внутренних напряжений.
Второй параметр, характеризующий свойства диэлектриче-
ских тонкопленочных материалов — электрическая прочность.
Пределы ее варьирования от 0,1-106 до 10-Ю6 В/см.
Напряжение пробоя в В определяется по формуле
Unp = Ed,
31
где Е — электрическая прочность диэлектрика, В/см;
d — толщина диэлектрика, см.
Однако для большинства материалов величина напряжения
пробоя зависит от дефектов в материале диэлектрика, качества
поверхности подложек и от материала электродов конденса-
тора.
Последнее связано с повышенной подвижностью металла элек-
тродов, которая приводит к миграции атомов в диэлектрический
слой. Так, например, при использовании Ag в качестве электро-
дов пленочного конденсатора пробой наступает при более низких
напряжениях, чем при использовании А1 или Au.
Если металлические электроды тонкопленочного конденсатора
достаточно тонки (до 2500—3000 А), пробой не разрушает конден-
сатор, так как металлические обкладки выгорают в области
диаметром порядка 50 мкм, а диэлектрик в значительно меньшей
области. Такой пробой не катастрофичен, и конденсатор может
быть использован.
Очевидно, что рабочее напряжение конденсатора должно
быть меньше напряжения пробоя. Как правило, оно составляет
10—30% от величины t/np.
Кроме диэлектрических потерь, в конденсаторе имеется еще
один источник потерь, связанный с сопротивлением обоих элек-
тродов:
tg« = te « + ?§!,
где tg 6 — измеряемый тангенс угла диэлектрических потерь;
tg 6' — частотно-независимый вклад диэлектрика;
С — емкость конденсатора;
со — угловая частота;
р — удельное сопротивление материала электродов;
— толщина электрода;
а, b — длина и ширина площади перекрытия верхнего и ниж-
него электродов.
Из этого уравнения видно, что р, dx и их соотношение сильно
влияют на работу тонкопленочного конденсатора при высоких
частотах. Ограничения по частоте для высокочастотного кон-
денсатора могут быть уменьшены увеличением толщины и прово-
димости металлических электродов.
Например, в танталовых пленочных конденсаторах величина
потерь в основном определяется танталовым анодом с большой
величиной р. Поэтому в танталовых конденсаторах целесообразно
нижний электрод выполнять из более проводящего материала,
например такого, как алюминий [68].
Толщина нижней обкладки конденсатора также влияет и на
напряжение пробоя [52] (рис. 8).
Рассмотрим свойства некоторых наиболее часто используе-
мых диэлектрических материалов.
32
Рис. 8. Зависимость напряжения пробоя
от толщины нижней обкладки конденсатора
при толщине слоя диэлектрика GeO в мкм:
/ — 1,7; 2 — 1,55; 3 — 0,85; 4 — 0,46
Моноокись кремния, обычно
получаемая термическим испа-
рением, имеет диэлектрическую
постоянную от 3,5 до 6,8, что
соответствует изменению со-
става от двуокиси до чистой
моноокиси кремния; образует
малодефектную
пленку [213].
и
гладкую
Удельную емкость таких пленок рекомендуется выбирать по-
рядка 10* пФ/см2 при рабочем напряжении до 30 В. Пленки мо-
ноокиси кремния успешно используют в качестве защитных слоев
при создании резисторов и как нивелирующие покрытия [35].
В конденсаторах с моноокисью кремния обкладки чаще всего
изготавливают из алюминия. Присутствующая на поверхности
алюминия тонкая и плотная окисная пленка резко снижает ве-
роятность закорачивания конденсаторов, а малая миграционная
подвижность атомов алюминия практически исключает отказы
конденсаторов в процессе их эксплуатации.
Пленки моноокиси германия также получают термическим
испарением, но при более низких, чем для моноокиси кремния,
температурах. Благодаря большему значению диэлектрической
проницаемости (е 10), с приемлемым процентом выхода годных
получают конденсаторы с Со = 150^-200 пФ/мм2 при рабочих
напряжениях до 15 В. Существенным преимуществом моноокиси
германия по сравнению с моноокисью кремния является то, что
существуют многочисленные рецепты травителей, позволяющих
селективно снимать пленку моноокиси германия без заметного
воздействия на другие, ранее изготовленные элементы пленочной
микросхемы.
В то же время влагостойкость пленок GeO значительно меньше
и поэтому пленочные конденсаторы требуют применения спе-
циальных мер защиты.
Пленки окиси тантала в отличие от рассмотренных выше
получают анодным окислением. Эти пленки характеризуются
диэлектрической проницаемостью, изменяющейся в диапазоне
16—25, и малой дефектностью. Важным преимуществом анодно-
окисляемых пленок является возможность строгого контроля тол-
щины пленки в процессе ее получения, поскольку последняя
является однозначной функцией приложенного напряжения.
Одной из модификаций структур пленочных конденсаторов с Та2Об
являются конденсаторы с двухслойным диэлектриком окись тан-
3 В. Д. Гнмпельсон
33
тала—окись марганца. В такой структуре окись марганца вы-
ступает в качестве твердого электролита для анодирования де-
фектных областей в Та2О5. К сожалению, в этой структуре на-
блюдаются высокие значения tg 6 и велика температурная зави-
симость емкости.
Вообще, необходимо заметить, что область применения много-
слойных диэлектрических структур постоянно расширяется. В ли-
тературе описаны конденсаторы с двумя и более слоями различных
диэлектрических материалов [51], которые используются для
создания высоконадежных и бездефектных конденсаторных струк-
тур, для создания конденсаторов с малой удельной емкостью.
Появились сообщения об ультрамногослойных диэлектрических
слоях, создаваемых на вращающихся подложках, периодически
попадающих в зону действия испарителей различных диэлектри-
ческих материалов. В таких структурах наблюдается повышен-
ное значение электрической прочности (табл. 5).
5. Структуры конденсаторов и их свойства
Материал диэлектрика Материал подложки Материал иижнего электрода 1 Материал верхнего электрода Диапазон ем- кости, пФ tg6 при 1 кГц о о T-t О Щ н CQ «J В
Та2Об Стекло, глазуро- ванная керами- ка Та Au 5-102— 5-104 0,003 200 50
Та2О5 Стекло, глазуро- ванная керами- ка Та NiCr-ACl 5-102— 5-104 0,003 200 30
Та2Об Стекло, глазуро- ванная и негла- зурованная ке- рамика Стекло, глазуро- ванная керами- ка Та MnO2-Au 5-102— 5-10® 0,01 400— 700 75
Та2О5 -4- 4- SiO Та NiCr-Au 102—103 0,01 — 50
А12О3 Стекло, неглазу- рованная кера- мика А1 Al 103—10® 0,004— 0,001 300— 500 50
SiO Стекло, глазуро- ванная керами- ка А1 Al 102—104 0,005— 0,01 100— 500 50
GeO Ситалл, стекло А1 Al 2-102— 1,5-104 0,001— 0,005 500 20
Sb2S3 Ситалл, стекло А1 Al Ы02— 2-104 0,004— 0,01 500 15
Наряду с перечисленными в табл. 5 диэлектриками для полу-
чения конденсаторов используются редкоземельные боросиликаты.
На основе пленок цирконата самария в структуре А1—Sm2O3 X
х 2ZrO2—Al получены конденсаторы с удельной емкостью 0,1—•
34
0,125 мкФ/см2, тангенсом угла диэлектрических потерь 4-10'3—
2-Ю'2 при удельном объемном сопротивлении диэлектрика
1012—1013 Ом-см [78].
Обычно все конденсаторы имеют одинаковую толщину диэлек-
трика, так как пленка диэлектрика создается в едином процессе.
Таким образом, все конденсаторы будут иметь одинаковую удель-
ную емкость, которая должна удовлетворять требованиям кон-
денсатора, работающего под наибольшим напряжением. Этого
можно избежать, используя, например, последовательное соеди-
нение конденсаторов или пленки диэлектрика различной толщины.
В первом случае требуется большая площадь подложки, во вто-
ром— дополнительные технологические процессы. Тем не менее
в случае, если в схеме имеется один конденсатор с малой ем-
костью, к которому предъявляются повышенные требования,
целесообразно использование одного из этих решений.
3. Тонкопленочные индуктивности
Тонкопленочные катушки индуктивности обычно изготавли-
вают в виде круглой или прямоугольной проводящей спирали,
выполненной на поверхности диэлектрической подложки (рис. 9).
Такая катушка индуктивности может быть охарактеризована
набором параметров, среди которых в качестве основных можно
выделить: индуктивность L, добротность Q, собственную емкость Со
и температурный коэффициент индуктивности (ТКИ).
Строгий расчет индуктивности пленочной катушки достаточно
сложен, поэтому чаще прибегают к эмпирическим соотношениям,
в которые входят параметры элементов конструкции катушки:
ее форма, число и размеры витков при заданных ограничениях
на используемые материалы подложек.
а)
Рис. 9. Тонкопленочная индуктивность:
а — круглой формы; б — квадратной формы; в — ширина
проводника; т—шаг проводников индуктивности; /г—суммарная
ширина проводников; d и D — внутренний и внешний размеры
индуктивности
3'
35
Так, для плоской спиральной катушки, изготовленной на
диэлектрическом основании, с достаточной для практических
расчетов точностью при D > 3,5d и h т справедливо соотноше-
ние [157]
Т __ 25^№
1 + з —
нГ,
где Dy = 0,5 (D + d) — средний диаметр витка;
N — число витков катушки;
h = 0,5 (D — d) — суммарная ширина проводников;
т—шаг проводников.
Из формулы следует, что при прочих равных условиях вели-
чина индуктивности пропорциональна среднему диаметру витка
спирали и квадрату числа витков. Поскольку практически раз-
меры отдельных пленочных элементов не превосходят 1 см2,
а число витков спирали ограничено суммой межвитковых емко-
стей, активным сопротивлением спирали, разрешающей способ-
ностью используемого процесса нанесения пленок и получения
рисунка, постольку предельная величина индуктивности пленоч-
ной катушки на диэлектрической подложке обычно меньше
0,5 мкГ.
Отношение реактивного и активного сопротивления катушки
определяет ее добротность. Поскольку рабочая частота микро-
схемы и величина индуктивности обычно заданы заранее, улуч-
шение параметров микросхем, например избирательной способ-
ности контуров, достигается за счет уменьшения активного со-
противления
d .г»
где b — ширина проводника.
Необходимо также учесть, что на высоких частотах активное
сопротивление катушки является функцией частоты и опреде-
ляется эффективной глубиной проникновения переменного тока
в пленочный проводник — d:
d = 1/— ,
где у — электропроводность материала проводника на постоян-
ном токе;
ц — относительная магнитная проницаемость материала про-
водника;
(о — круговая частота переменного тока.
Увеличение добротности катушек обычно достигается за счет
выбора материалов с малым удельным сопротивлением (обычно
это медь с подслоем титана или ванадия), использования доста-
точно толстых (до 30—40 мкм) слоев, использования изоляцион-
36
Ubtx слоев с малыми потерями на рабочих частотах (стекло, си-
таллы) и применения профилированных подложек, с тем чтобы
витки катушки формировались на выступающих участках осно-
вания и тем самым уменьшалась межвитковая емкость.
Использование в пленочных катушках индуктивности слоев
толщиной в несколько десятков микрометров определяет специ-
фические методы их нанесения по заданному рисунку. Наиболее
часто используются процессы осаждения сплошного токопроводя-
щего покрытия, нанесения на него диэлектрического защитного
слоя, окна в котором соответствуют рисунку спирали с после-
дующим гальваническим наращиванием слоев до необходимой
толщины и снятием диэлектрического и тонкого проводящего
слоев в зазорах между витками спирали.
Еще одна возможность увеличения добротности катушек ин-
дуктивности заключается в преимущественном выборе круглой
формы спирали, поскольку для одного и того же номинала индук-
тивности длина проводника круглой спирали меньше, чем квадрат-
ной, и соответственно меньше величина активного сопротивления.
Существует оптимальное соотношение внутреннего и внешнего
диаметров спирали, численно равное d/D = 0,4 для круглой
спирали и 0,362 для квадратной спирали [77].
При перечисленных условиях добротность тонкопленочных
катушек индуктивности находится в пределах 80—150.
Для упрощения расчетов величин индуктивности L и доброт-
ности используют номограммы (рис. 10), при построении которых
выбраны постоянные значения расстояния между соседними вит-
ками и внутреннего диаметра d спирали, которые равны соответ-
ственно 100 и 500 мкм. Для рассматриваемого случая при увели-
чении внутреннего диаметра от нуля до некоторого значения
добротность катушки возрастает на 15—20%, а индуктивность
уменьшается на 14%. Поэтому при расчете топологии заданные
значения индуктивности увеличивают на 14%. Число витков N
спирали определяется по номограмме (рис. 10, а).
Максимальная добротность достигается при максимальном
Ь
значении параметра а = так как при этом заданная величина
индуктивности получается при меньшем числе витков, т. е. при
меньшей длине токопровода.
Далее из оптимального отношения диаметров находят внутрен-
ний диаметр спирали, по полученным а и N определяют пара-
метр Т), численно равный отношению индуктивности L к числу ква-
дратов спирали (рис. 10, б), по заданной рабочей частоте опреде-
ляют значение удельного поверхностного сопротивления, рас-
считывают добротность спирали, увеличивают расчетное значение
добротности на 15% и по номограммам определяют собственную
резонансную частоту индуктивности /0 (рис. 10, а).
При ограничении по занимаемой площади а выбирается макси-
мальным.
37
Рис. 10. Номограмма для расчета параметров пленочной индуктивности
круглой формы
а — индуктивности; б — добротности собственной резонансной частоты
f0 (группа кривых, отмеченных *)
Можно рассчитать топологию также по заданным значениям
добротности и индуктивности. При этом заданное значение до-
бротности уменьшают на 15%.
Расчет топологии может производиться также для произволь-
ных значений h и d [76].
38
4. Проводники и контактные площадки
Необходимыми элементами любой тонкопленочной микро-
схемы являются пленочные проводящие слои и контактные пло-
щадки, основное назначение которых объединить пленочные и
навесные компоненты в законченную схему, выполняющую опре-
деленную электрическую функцию.
Этим обусловлено все многообразие требований, предъявляе-
мых к пленочным проводникам и контактным площадкам. Они
должны с минимальными потерями подводить напряжение пита-
ния к функциональным компонентам микросхемы, с минималь-
ными искажениями передавать сигналы, обеспечивать надежный,
чаще всего невыпрямляющий и малошумящий контакт с элемен-
тами микросхемы.
Требования, предъявляемые к пленочным проводникам и кон-
тактным площадкам в ряде случаев противоречат друг другу.
Например, увеличение ширины пленочного проводника умень-
шает его индуктивность, но одновременно возрастает емкость
этого проводника относительно земли и расположенных в непо-
средственной близости элементов микросхемы. Материалы с ма-
лым значением удельного сопротивления, применяемые для про-
водников и контактных площадок, как правило, имеют плохую
адгезию к подложке.
Ниже рассматриваются основное критерии, определяющие
выбор материала проводников и контактных площадок.
Как уже отмечалось в п. 1 гл. 1, в тонких слоях металлов
удельное сопротивление определяется рядом размерных эффек-
тов [16] и для толщин, не превышающих 103 А, обычно в 1,2—
1,5 раза больше, чем для массивного материала.
Сопротивление пленочного проводника, подсчитанное из вы-
ражения
К = Ро|,
будет, очевидно, тем меньше, чем меньше его длина и чем больше
толщина и ширина проводящей пленки. Если длина проводника
определяется расстоянием между соединяемыми элементами, то
остальные члены правой части выражения в значительной степени
могут изменяться.
В том случае, когда проводящая пленка одновременно высту-
пает в качестве контактной площадки, при отсутствии ограниче-
ний по ширине минимальная и максимальная ее толщина опре-
деляется возможностью получения надежного паяного или свар-
ного соединений (см. п. 2 гл. 5).
Максимальная толщина проводящей пленки определяется
также допустимой погрешностью изготовления критичных к ли-
нейным размерам пленочных элементов, например резисторов.
39
Еще одним фактором, определяющим верхнюю границу тол-
щины проводящей пленки, является усилие отрыва или сдвига
пленки. Этот параметр в первом приближении зависит от соотно-
шения сил адгезии пленки к основанию и возникающих напряже-
ний (например, из-за разности коэффициентов линейного расшире-
ния пленки и основания).
Если силы адгезии сконцентрированы лишь в области кон-
такта двух разнородных слоев и с этой точки зрения не зависят от
толщины пленки, то термические напряжения пропорциональны
объему пленки и, следовательно, сила сцепления пленки и основа-
ния, как правило, убывает с толщиной.
Эти и многие другие факторы ограничивают диапазон толщин
проводящих пленок областью 0,1—10 мкм.
Ширина проводящей пленки так же, как и ее толщина, опреде-
ляется рядом электрических и технологических ограничений.
Абсолютные значения и соотношения линейных размеров как
отдельных элементов схемы, так и их групп определяют значения
паразитных параметров схемы: собственную и взаимную емкость,
собственную и взаимную индуктивность. Увеличение ширины
проводящей пленки приводит к возрастанию паразитных емко-
стей, а ее уменьшение увеличивает паразитную индуктив-
ность [21].
При заданном значении удельного сопротивления минимальная
ширина проводящей пленки определяется также предельно допу-
стимой плотностью тока, проходящего через проводник, и допу-
стимой величиной падения напряжения. Первая из этих величин,
в свою очередь, зависит от целого ряда теплофизических пара-
метров конструкции микросхемы и в первом приближении моно-
тонно возрастает с уменьшением теплового сопротивления системы
проводник—окружающая среда. Поскольку тепловыделения
в пленочных проводниках обычно невелики, тепловое сопротивле-
ние системы проводник—подложка мало, и с достаточной для
расчетов точностью можно считать, что все тепло аккумулируется
подложкой.
Величина допустимого падения напряжения должна обязатель-
но приниматься во внимание в схемах с низкоомными прецизион-
ными резисторами, в делителях напряжения, балансных каскадах
и ряде других случаев. Обычно этот параметр оценивается на
заключительной стадии расчета, когда уже выбраны все опреде-
ляющие падение напряжения параметры: материал проводника,
его длина, толщина и ширина.
Среди многочисленных технологических ограничений на ши-
рину проводника отметим лишь некоторые. Как и для случая
тонкопленочных резисторов, при заданной суммарной длине всех
проводников микросхемы существует некоторое (определяемое
минимально допустимым процентом выхода годных по обрывам
проводников) предельное число квадратов проводника п. Обычно
и = 5000-ь 10 000.
40
Максимальная ширина проводящей пленки в местах ее пере-
сечения с другими проводниками определяется предельно допусти-
мой суммарной площадью всех пересечений микросхемы, которая
выбирается в зависимости от процента выхода годных пересе-
чений.
Еще одно ограничение на максимальную ширину пленки кон-
тактной площадки возникает в случае необходимости приварки
внешних выводов и выводов навесных компонентов на подложку
с высоким значением теплового сопротивления в плоскости по-
следней. Оказывается, что режимы микросварки в этом случае
сильно зависят от площади массивной (толщиной 3—10 мкм)
контактной площадки из-за резкого возрастания теплоотвода. Это
приводит к необходимости форсирования режимов сварки, в ре-
зультате чего проводящая пленка может отслаиваться.
Минимальная ширина контактной площадки не должна быть
меньше некоторой экспериментально определенной величины,
которая в зависимости от уровня интеграции микросхемы соста-
вляет 50—350 мкм.
Величина адгезии является одним из решающих аргументов
при выборе того или иного материала проводника, его толщины и
размеров элементов. В самом деле, контактные площадки в момент
присоединения выводов испытывают весьма большие нагрузки как
механического (усилие прижима, энергия ультразвукового кон-
центратора и т. д.), так и термического характера.
Величина сил адгезии проводников к подложке в идеализиро-
ванных условиях определяется природой сил взаимодействия этих
материалов и складывается из сил:
межмолекулярного взаимодействия Ван-дер-Ваальса, опре-
деляющих процесс физической сорбции материала пленки к под-
ложке;
химического взаимодействия, связанных со значительной энер-
гией активации, но действующих на малых (соизмеримых с меж-
атомными) расстояниях;
возникающих на границе раздела материалов с различной
работой выхода электронов.
Кроме того, величина сил адгезии определяется взаимной
диффузией материалов.
Доля вклада каждого из перечисленных выше механизмов
адгезии определяется, кроме природы контактирующих мате-
риалов, еще и условиями нанесения пленки, а именно [197]:
поверхностью подложки (адгезия пленок благородных металлов
определяется в основном силами физической сорбции и растет при
увеличении шероховатости подложки);
степенью чистоты поверхности подложки (адгезия кислородно-
активных материалов убывает при нанесении на подложки,
Длительное время хранившиеся после очистки);
наличием подслоя и его природой (адгезия золота на нихроме
объясняется, вероятно, образованием двойного электрического
41
слоя и максимальна при использовании в качестве подслоя титана,
работа выхода электронов из которого минимальна);
температурой, при которой наносится пленка, и энергией
осаждающихся атомов (из-за активации механизма хемосорбции
и образования окислов осаждаемых материалов).
При выборе материала проводников и контактных площадок
необходимо учитывать возможность его взаимодействия с другими,
используемыми при изготовлении микросхемы материалами (ма-
териалы резисторов, конденсаторов, индуктивностей; материлы
технологических защитных слоев, являющихся неотъемлемой
частью микросхемы; материалы, используемые для формирования
структуры и рисунка микросхемы). Необходимо также учитывать,
что в процессе эксплуатации микросхемы возможно взаимодей-
ствие материалов микросхемы с влагой и газами окружающей
атмосферы.
Здесь, как и в ранее рассмотренных случаях, при выборе
материала проводника необходимо учитывать противоречивые
требования. С одной стороны, материал проводящего слоя должен
по возможности легко взаимодействовать с реактивами, исполь-
зуемыми для его травления. С другой стороны, с точки зрения
стабильности параметров микросхемы в процессе ее эксплуатации,
взаимодействие материалов проводников (а также резисторов,
конденсаторов) с образующимися на поверхности микросхемы
слабыми растворами кислот и щелочей явно нежелательно ввиду
возможности химической коррозии и поверхностной миграции
ионов разнородных материалов. Особенно велика опасность
поверхностной миграции под действием постоянных напряжений,
используемых в микросхемах, которая приводит к обрывам и
закорачиванию проводников.
Одним из возможных решений этой проблемы является пас-
сивация поверхности микросхемы диэлектрическими защитными
слоями на основе окислов алюминия и кремния.
При выборе материала защитных покрытий при прочих равных
условиях необходимо руководствоваться положением этих мате-
риалов в вытеснительном ряду. Этот ряд построен по убывающей
активности материалов, т. е. любой справа расположенный мате-
риал растворяется в электролите менее энергично, чем материал,
расположенный левее:
А1, Сг, Cd, Fe, Ni, Sn, Pb, Cu, Ag, Au.
Необходимо также учитывать возможность взаимодействия
разнородных материалов, используемых при изготовлении микро-
схемы. Так, при напылении тонкопленочных резисторов имеет
место контакт проводящего и резистивного слоев и, следовательно,
не исключена возможность образования интерметаллических соеди-
нений. Последние существенно влияют на величину контактного
сопротивления и являются дополнительными источниками шумов
и нелинейности сопротивления.
42
Поскольку контактные площадки предназначены для присоеди-
нения навесных активных элементов и внешних выводов микро-
схемы, одним из решающих факторов, определяющих выбор
материала, является его способность к пайке и сварке без наруше-
ния ее целостности. Подробно эти вопросы будут рассмотрены
в п. 2 гл. 5.
С точки зрения минимального электросопротивления наиболее
подходящими для создания проводников и контактных площадок
являются золото, серебро, медь, никель и алюминий (табл. 6).
6. Характеристики проводников и контактных площадок
Материал Толщина слоя, О А Удельное сопротивле- ние, Ом/Q Материал Толщина слоя, О А Удельное сопротивле- ние, Om/Q
Нихром Золото Нихром Медь Никель Нихром Медь Серебро 100—300 6 000—8 000 100—300 6 000—8 000 300—500 100—300 4 000—10 000 800—1 000 0,03—0,04 0,02—0,04 0,02—0,04 Нихром Медь Золото Нихром Алюми- ний Никель 100—300 6000—8000 500—600 400—500 2500—3500 500 0,02—0,04 0,1—0,2
Золото обладает высокой химической стойкостью, малым
электросопротивлением, хорошо паяется и сваривается с выводами
навесных компонентов микросхемы. К его недостаткам кроме
высокой стоимости следует отнести низкую адгезию к диэлектри-
ческой подложке и склонность к агрегации [214]. Поэтому золото
при создании пленочных проводников и контактных площадок
чаще всего используется в комбинации с другими материалами:
адгезионным подслоем хрома, нихрома, титана или выступает
в качестве верхнего химически инертного защитного и технологи-
ческого слоя на тантале, меди и некоторых других материалах
Серебро имеет наибольшую электропроводность, коррозионно-
устойчиво, допускает пайку и сварку. Высокая миграционная
подвижность серебра при отсутствии надлежащих мер защиты
в ряде случаев приводит к отказам микросхемы.
Медь—один из наиболее часто используемых материалов.
Она характеризуется высокой электропроводностью, хорошо соче-
тается с другими материалами при создании многослойных про-
водников, медь по свойствам приближается к серебру и сохраняет
присущий серебру недостаток — высокую миграционную подвиж-
ность. Кроме того, медь склонна к окислению. Поэтому медь
в качестве материала проводящего слоя обычно используется
с адгезионным подслоем марганца, титана, хрома или нихрома и
защитным покрытием из никеля, золота или припоя. Для умень-
шения электромиграции меди под действием постоянных потен-
циалов в присутствии влаги окружающей атмосферы обязательно
43
использование плотных и негигроскопичных диэлектрических
покрытий.
В последнее время появились сообщения о разработке и успеш-
ном использовании фракционирующих сплавов на основе меди.
Один из таких сплавов содержит в своем составе марганец, медь
и никель [16].
Никель обычно не применяется в качестве основного компонента
материала проводящего слоя, а используется в качестве верхнего
защитного слоя на меди, алюминии и пр. Он обеспечивает надеж-
ную пайку и сварку внешних выводов микросхемы.
Алюминий широко применяется для создания проводящих
слоев, контактных площадок и элементов пересечений. Кроме
того, в микросхемах с тонкопленочными конденсаторами алюми-
ний используется для верхних и нижних обкладок.
Образующаяся на алюминии тонкая окисная пленка затруд-
няет его сварку и особенно пайку; однако ее присутствие позво-
ляет создавать высоконадежные пленочные пересечения благодаря
эффекту «самозалечивания». Большим преимуществом алюминия
при создании тонкопленочных проводников и пересечений явля-
ется то, что в ряде технологических процессов проводящая пленка
алюминия может быть превращена в диэлектрический слой окиси
алюминия и, следовательно, возможно получение безрельефных
структур (см. п. 2 гл. 6). Еще одно преимущество алюминия по
сравнению с другими материалами заключается в возможности
использования так называемого эффекта алюмотермии. Последний
широко используется в металлургии для восстановления окислов
ряда металлов. В рассматриваемом случае тонкая проводящая
пленка алюминия, нанесенная поверх какого-либо другого ме-
талла, способна восстановить его, изменить его валентность. Эти
свойства алюминия уже используются в_ряде технологических
процессов селективной фотолитографии.
К достоинствам алюминия следует также отнести и то, что
он практически не меняет свои свойства при температурах
до 500° С.
Благодаря перечисленным выше свойствам алюминий находит
самое широкое применение в технологии гибридно-пленочных
микросхем. К недостаткам алюминия следует отнести технологи-
ческие сложности получения толстых (5—10 мкм) слоев.
Одновременное использование различных материалов при
создании одной микросхемы накладывает на их выбор ряд допол-
нительных ограничений. Рекомендуется учитывать возможность
химической и электрохимической коррозии, электродиффузии,
появление дополнительных шумов, контактной разности потен-
циалов в месте контакта разнородных материалов, переходного
сопротивления на границе раздела слоев.
Расчет пленочных проводников в зависимости от конкретных
требований микросхемы производится на выполнение следующих
критериев:
44
величина падения напряжения на проводнике не должна
превышать Uma^
сопротивление проводника не должно превышать Rmax\
плотность тока через проводник не должна превышать /max/Smln
(S — площадь сечения проводника);
собственная емкость проводника не должна быть больше Стах;
собственная индуктивность проводника не должна быть больше
^тах*
Кроме того, учитывается взаимная емкость и взаимная индук-
тивность проводников.
Расчет проводников по величине допустимого падения напря-
жения [7Пров. доп необходим при проектировании схем с малой
помехозащищенностью при малых уровнях сигналов и сводится
к проверке условия
^пров = ^пр ^пров. доп»
где Rпр — сопротивление проводника;
1 — ток, проходящий по проводнику.
При изготовлении микросхем с прецизионными низкоомными
резисторами и делителями напряжения расчет ведется по допусти-
мому значению сопротивления проводника:
^пр ~ Ро £ пр. доп’
причем величина RnPtAon обычно определяется из условия, что
погрешность величины сопротивления прецизионного резистора
из-за сопротивления проводника не должна быть больше 0,1—0,2
допуска на номинал резистора.
Поскольку допустимые значения плотности тока в пленочных
проводниках очень велики, расчет плотности тока в проводниках
обычно не производится.
Паразитные параметры пленочных проводников могут быть
определены из следующих соотношений:
собственная емкость пленочного проводника прямоугольной
формы
С = 0,024е'—.-.- пФ,
.4/
1ПТ
где — средняя арифметическая диэлектрических проницаемо-
стей воздуха и подложки;
собственная индуктивность пленочного проводника прямоуголь-
ной формы
L = 2-10-4/(lny+0,22^4-0,5) мкГ,
где b < /;
взаимная емкость двух проводников
С = 0,0885е'с/,
45
где I — длина пленочного проводника;
С — емкостный коэффициент, определяемый взаимным рас-
положением элементов.
5. Подложки для тонкопленочных микросхем
Конструкция гибридной микросхемы в большинстве случаев
предполагает наличие диэлектрической подложки, на которой
размещаются пленочные пассивные и навесные активные и пассив-
ные компоненты.
Круг требований к материалу подложки и ее конструктивному
оформлению постоянно расширяется. Так, увеличение уровня
интеграции предполагает уменьшение размеров компонентов ми-
кросхемы, при этом резко возрастают требования к качеству
обработки поверхности подложки, ее гладкости и плоскостности.
Как правило, с увеличением уровня интеграции возрастает рас-
сеиваемая в микросхемах мощность, что предъявляет повышенные
требования к теплопроводности материала подложки, ставит
проблему совместимости ее материала и конструкции с материалом
и конструкцией тепловыделяющих элементов и корпуса [21}.
Повышение требований к точности и стабильности параметров
компонентов микросхемы привело к расширению класса исполь-
зуемых материалов, диапазонов режимов и способов их обработки.
В связи с этим к подложкам предъявляются все более жесткие
требования по механической прочности, термостойкости, устой-
чивости к воздействиям перепадов температур и химической
стойкости.
Следует также отметить и такую общую тенденцию, как повы-
шение функциональной нагрузки, заключающуюся в том, что
один и тот же элемент, в данном случае подложка, должен выпол-
нять несколько различных и часто противоречивых функций.
Известны, например, конструкции микросхем, в которых подложка
выступает в качестве элемента корпуса и, следовательно, должна
обеспечивать и герметизацию микросхемы.
Одновременно с ростом выпуска микросхем и расширением
областей их применения в народном хозяйстве возрастает роль и
таких факторов, как доступность материалов и их стоимость.
Кроме перечисленных выше требований материал подложки
должен обладать большим поверхностным и объемным сопротивле-
нием, в том числе в присутствии влаги и электролитов, малой
(а в ряде случаев большой) диэлектрической проницаемостью,
технологичностью. Последнее понятие включает в себя возмож-
ность легкой и качественной очистки поверхности от следов
загрязнений и паров жидкостей, возможность резки подложек на
модули, близость температурного коэффициента расширения
(ТКР) материалов подложки и наносимых пленок и пр.
Ни один из известных материалов не может удовлетворить
одновременно всем перечисленным требованиям, однако можно
46
выделить наиболее часто используемые группы материалов:
стекла, стеклокристаллические материалы, керамики и монокри-
сталлические материалы [78].
Подложки, изготовленные из стекла, характеризуются высоким
качеством обработки поверхности. В мировой практике наиболее
широко используются боросиликатные и алюмосиликатные стекла
с минимальным содержанием окислов щелочных металлов. Шерохо-
ватость таких подложек обычно меньше 250 А, отклонение от
плоскостности для шлифованных и полированных подложек
порядка 0,1 и 2—4 мкм/мм для поверхностей, получаемых огневой
полировкой. Поскольку в состав практически всех стекол входит
кремнезем, химическая стойкость стеклянных подложек невысока
и в ряде случаев необходимо применять специальные меры по
защите поверхности подложки слоями окислов или нитридов.
Существенным недостатком стекла является его низкая тепло-
проводность, которая на порядок меньше теплопроводности
керамики. Однако именно в сочетании со стеклом созданы кон-
струкции микросхем с малым тепловым сопротивлением. В этих
конструкциях мощные навесные тепловыделяющие элементы раз-
мещаются на пьедесталах из ковара, впаянных в стекло, а элементы
с малым тепловыделением, но требующие качественной подготовки
поверхности, наносятся на полированное стекло.
В отечественной промышленности в качестве материалов для
подложек широко применяют ситаллы, являющиеся продуктами
рекристаллизации стекол с очень мелкими (до 0,01 мкм), равно-
мерно распределенными по объему кристаллами, соединенными
тонкими прослойками остаточного стекла. Ситаллы имеют высокие
электроизоляционные свойства, высокую механическую проч-
ность, термостойкость, влаго- и газонепроницаемость, химическую
и абразивную устойчивость [18, 28]. Они хорошо обрабатываются,
их можно прессовать, вытягивать, прокатывать и отливать цен-
тробежным способом.
Сравнительные исследования свойств тонкопленочных компо-
нентов, изготовленных на ситалле и других материалах, показали
несомненные преимущества первых. Так, резисторы, изготовленные
на ситалле, характеризуются минимальным разбросом сопротивле-
ний, а процент выхода годных конденсаторов максимален. Учиты-
вая эти факторы, большинство разработчиков использует ситалл
в качестве основного материала подложек [43, 87].
Основным преимуществом керамических подложек по сравне-
нию со стеклянными является их высокая теплопроводность.
К недостаткам керамики следует отнести большую шероховатость
ее поверхности.
Микронеровности керамики, составляющие несколько тысяч
ангстрем, значительно уменьшаются после полировки. Однако
при этом несколько загрязняется поверхность и изменяются
свойства керамики. Для снижения шароховатости применяют
глазурование керамики тонким слоем бесщелочного стекла. В этом
47
случае высокая теплопроводность керамики сочетается с гладкой
поверхностью стеклянной глазури.
И керамикам и стеклам присуща волнистость поверхности,
причем для керамики она увеличивается из-за коробления в про-
цессе отжига, а также при операции глазурования.
В табл. 7 представлены основные характеристики наиболее
распространенных отечественных стекол, керамик и ситаллов.
7. Характеристики основных материалов подложек
Характеристики Стекло С48-3 Керамика 22ХС Ситалл СТ50-1
Класс шероховатости по- V12 V13-14
верхностн Температурный коэффициент линейного расширения, °C"1 48-10-’ (60—75)-10-7 50-10-’
Тепл опр оводность, кал/см- с» град (2-3,2)-10s >20-103 >3,4- 10s
Диэлектрическая проницае- мость при 10е Гц и Т = = +20° С 6,8 <10,3 8,5
В ряде случаев в микросхемах, предназначенных для приборо-
строения и вычислительной техники, могут быть использованы и
другие материалы. Это связано, например, с необходимостью
встраивания специальной микросхемы в посадочное место прибора
сложной конфигурации, с применением бескорпусной конструк-
ции гибридной-пленочной схемы с выводами, непосредственно
вмонтированными в подложку.
Наконец, специальной подложки требуют микросхемы с повы-
шенной мощностью рассеивания.
Из материалов для таких специальных подложек наиболее
интересны: фотоситалл, поликор, синтетический сапфир, керамика
из окиси бериллия [213].
Фотоситалл — стеклокристаллический материал, получаемый
путем кристаллизации стекла со светочувствительными добавками
(например, окислы цезия и олова).
Основными составными частями фотоситалла являются окись
кремния (75—80%), окись лития (11,5—12,5%), окись алюминия
(4—10%), окись калия (2,5—3,5%) с небольшими добавками азот-
нокислого серебра, двуокиси церия и окиси олова.
Фотоситалл устойчив к кислотам, обладает высокой механи-
ческой и термической стойкостью. Теплопроводность фотоситалла
несколько выше теплопроводности ситалла, температурный коэф-
фициент линейного расширения составляет 9-10"в 1/°С, удельное
объемное сопротивление равно 1-1010 Ом-см.
48
Под воздействием ультрафиолетового облучения через пози-
тивный фотошаблон на фотоситалле проявляется конфигурация
подложки, изображенная на фотошаблоне. В результате такой
фотохимической обработки можно получить подложку любой
формы, с отверстиями и рисками размером до нескольких десятков
микрометров.
Высокоглиноземистый керамический материал —• поликор,
обладая повышенной теплопроводностью и хорошей обрабаты-
ваемостью, позволяет к тому же изготавливать подложки с арми-
рованными плоскими и штырьковыми выводами.
Керамика из окиси бериллия применяется для подложек наи-
более мощных схем. Ее теплопроводность почти на два порядка
выше теплопроводности стекла.
В качестве подложки может использоваться и синтетический
сапфир (монокристаллическая окись алюминия). Его основные
отличия — высокая термостойкость и повышенная теплопровод-
ность. Однако чрезвычайно высокая стоимость сдерживает широ-
кое распространение этого материала.
Габаритные размеры подложек, используемых для изготовле-
ния пленочных микросхем, стандартизованы. Для большинства из
перечисленных выше материалов они составляют 60X48 мм при
толщинах от 0,5 до 2 мм. Именно на эти размеры ориентировано
технологическое оборудование, предназначенное для выпуска
плат гибридных микросхем.
Поскольку размеры самих микросхем обычно значительно
меньше указанных выше, на стандартных подложках изготавли-
вается несколько однотипных плат микросхем. Эти платы разме-
щаются на подложке таким образом, чтобы коэффициент исполь-
зования ее поверхности был максимальным. Именно поэтому
нормализованный ряд типоразмеров плат получается безотходным
делением стандартной подложки на 2, 3, 4, 6, 8, 12 и более частей.
Необходимо заметить, что такой способ получения ряда типо-
размеров плат часто вступает в противоречие с особенностями
конструкции микросхем высокого уровня интеграции, в которых
необходимо максимально использовать монтажную поверхность
корпуса.
4 В. Д. Гимпельсои
ГЛАВА 2
МЕТОДЫ И ТЕХНОЛОГИЯ ФОРМИРОВАНИЯ
ТОНКОПЛЕНОЧНЫХ СТРУКТУР
Технология изготовления гибридных тонкопленочных микро-
схем объединяет самые разнообразные процессы от очистки под-
ложек до герметизации готовых микросхем. Для реализации этих
процессов используются различные методы и оборудование. Их
выбор для изготовления конкретной микросхемы представляется
подчас весьма затруднительным и определяется как требованиями,
обусловленными выходными параметрами микросхемы, так и
реальными условиями производства.
Определяющими в технологии гибридных тонкопленочных
микросхем являются процессы формирования тонкопленочных
структур, процессы формирования рисунка тонкопленочных эле-
ментов, процессы сборки и монтажа микросхем.
Методы формирования тонкопленочных структур можно под-
разделить на две группы: конденсационные, при которых тонкие
пленки наносятся на подложку в вакууме в специальных уста-
новках, и вневакуумные (электро- и термохимические), использую-
щие, как правило, химические реакции на поверхности пленки
или в газовой фазе.
К первой группе методов относятся термовакуумное напыление
и катодное распыление, разновидностями которого являются
реактивное, ионно-плазменное и высокочастотное распыление.
Все эти методы широко используются в технологии тонких
пленок и являются универсальными: каждый из них может слу-
жить основой для создания законченной тонкопленочной микро-
схемы.
Вневакуумные методы находятся в стадии развития. Их основ-
ное назначение в настоящее время — расширение диапазона
свойств пленочных материалов за счет изменения их структуры,
химического состава, толщины и т. д. К этим методам относятся:
термическое окисление, электролитическое анодирование и осаж-
дение, химическое осаждение из газовой фазы. В большинстве
случаев эти методы не требуют дорогостоящего оборудования и
являются весьма экономичными.
50
Частично эти методы рассматриваются в гл. 6 при рассмотрении
вопросов многослойной коммутации. Важным преимуществом
первой группы методов является возможность контроля практи-
чески всех основных технологических параметров в процессе
нанесения тонких пленок. Методам и средствам контроля тонких
пленок посвящен п. 4 гл. 2.
Немаловажное значение имеет в технологии тонких пленок
выбор специального технологического оборудования. Поэтому
в настоящей главе дан перечень разработанных и выпускаемых
отечественных установок с их основными техническими харак-
теристиками, облегчающий выбор оборудования, необходимого
для комплектования участков и цехов по изготовлению гибридно-
пленочных микросхем.
1. Технология очистки подложек
для тонкопленочных микросхем
Загрязнения — серьезная проблема при изготовлении и экс-
плуатации электронного оборудования. Неполное удаление за-
грязнений с подложки может привести к закорачиванию электри-
ческой цепи, коррозии материалов, локальному ухудшению адге-
зии к подложке, повышенной проницаемости влаги [133].
Существуют сотни различных видов загрязнений. Типичные
загрязнения, встречающиеся на поверхности диэлектрических
подложек, следующие:
волокна (нейлон, целлюлоза), силикаты (песок, зола, пепел),
окислы, масла, жиры, силиконы, металлы, ионные примеси.
Источниками загрязнения поверхности подложек могут быть:
пыль и другие частицы из воздуха; жидкие химические реактивы
(кислоты, органические растворители, вода); металлические пин-
цеты, пальцы рук оператора и т. д.
Для выбора метода очистки необходимо знать: какие загрязне-
ния имеются на поверхности; какое влияние они оказывают;
каким образом можно их удалить, не нарушив качество поверх-
ности подложки; какие методы контроля могут быть использованы.
Чистой считается такая поверхность, на которой остается
допустимое в данном технологическом процессе количество за-
грязнений [191]. Другими словами, чистота поверхности — это
не постоянный, а переменный критерий, зависящий от требований,
предъявляемых к микросхеме.
В производстве микросхем обычно метод очистки поверхности
подложек перед нанесением тонкопленочных слоев подбирается
эмпирическим путем, а критерием правильности выбора является
процент выхода годных изделий и надежность работы схемы.
Однако при этом не всегда выявляются границы его эффективного
применения и влияния различных факторов на качество очистки,
в результате чего может резко уменьшиться процент выхода год-
ных изделий без каких-либо на первый взгляд явных причин.
4* 51
Очистка предполагает разрыв адсорбционных связей между
подложкой и загрязнениями без нарушения поверхности самой
подложки.
Очистка может осуществляться путем химических реакций,
термообработки, ионной бомбардировки и механической обработки.
Обычно проводится цикл различных обработок в определенной
последовательности.
Для большинства подложек эффективна очистка в ультразвуко-
вой ванне с растворителем. Ультразвуковые волны вызывают
кавитацию (образование, рост и захлопывание газовых пузырьков)
с локальными повышениями гидростатистического давления. При
этом растворитель проникает между загрязнением и подложкой.
Степень ультразвуковой очистки зависит от частоты колебаний,
их мощности, поверхностного натяжения и вязкости очищающего
раствора, геометрического расположения подложки относительно
источника ультразвуковых колебаний.
Для очистки подложек используются частоты в пределах от 20
до 50 кГц. Нижний предел устанавливается из условий слыши-
мости звука человеческим ухом. Верхний предел определяется
способностью ультразвука вызывать кавитацию. Наиболее важное
для очистки физическое свойство очищающего раствора — поверх-
ностное натяжение: чем оно выше, тем больше энергии высвобож-
дается при кавитации. Однако используются и растворители
с низким поверхностным натяжением из-за их способности про-
никать в микротрещины.
Для очистки поверхности в качестве растворителей используют
галлоидозамещенные углеводороды, такие, как трихлорэтилен,
перхлорэтилен, хлористый метил и др., имеющие низкую удельную
теплоемкость и легко перегоняющиеся.
Химическая обработка может эффективно применяться как
в сочетании с ультразвуковой, так и самостоятельно.
Химические реагенты делятся на две группы: щелочные и
кислотные. Щелочные омыляют жиры и снижают поверхностное
натяжение. Кислотные, взаимодействуя с загрязнениями, напри-
мер с некоторыми окислами, превращают их в более растворимые
соединения.
Существенным недостатком химической очистки подложек
в различных реагентах является то, что после извлечения подложки
и испарения жидкостей возможно оседание на поверхности загряз-
нений, ранее растворенных в последнем слое моющей жидкости.
Поэтому в качестве эффективных растворителей для заключи-
тельных промывок подложек используются деионизованная ди-
стиллированная вода и изопропиловый спирт (парообразный).
Обязательным условием финишной промывки в деионизованной
воде является постоянное обновление моющей среды. Желательно
также наличие нейтральной атмосферы.
По данным ведущих зарубежных фирм [21] и отечественных
специалистов, технология очистки, которая обеспечивает хорошие
52
результаты для подложек из стекла, сапфира и керамик, может
выглядеть так:
ультразвуковая промывка в растворителе при 20° С;
ультразвуковая промывка в растворителе при 70° Сив парах
растворителя;
промывка в проточной воде;
кипячение в растворе перекиси водорода;
промывка в горячей дистиллированной воде;
кипячение в деионизованной дистиллированной воде (15 мин);
сушка в потоке чистого азота при 110° С (15 мин).
Исследования последних лет показали, что выход годных
элементов пленочных микросхем на подложках из ситалла, под-
вергнутых ультразвуковой обработке, ниже, чем на необработан-
ных. Это связано, очевидно, с появлением микротрещин в поверх-
ностном слое подложки. В связи с этим основным методом очистки
подложек из ситалла является химическая очистка.
Поскольку ситаллы по своей природе многофазны — в состав
ситалла СТ-50-1 входит аморфная (кальций — магний — алюмино-
силикатное стекло) и кристаллические фазы (диопсид и рутил), —
при действии химических реагентов возможно глубокое избира-
тельное травление отдельных фаз. Это приводит к опасности
образования резкого рельефа микронеровностей на поверхности.
Поэтому для химической обработки подложек из ситалла
предпочтительны вода, растворы кислот, нейтральные и кислые
растворы солей, которые образуют на поверхности ситалла мало-
растворимые вещества (гидросиликаты, соли металлов), тормозя-
щие процесс разрушения поверхностного слоя.
Данные электронно-микроскопических исследований показали,
что оптимальной является очистка подложек в горячих водных
растворах следующего состава:
перекись водорода Н2О2 — 320 мл;
водный аммиак NH3H2O — 80 мл;
вода дистиллированная до 1000 мл.
Высота микронеровностей при этом не возрастает, а иногда
даже уменьшается и после очистки не превышает 80—100 А.
Типовой технологический процесс очистки подложек из ситалла
состоит из следующих операций:
кипячения в растворе перекиси водорода, дистиллированной
воды и водного аммиака в течение 15—20 мин;
промывки в проточной дистиллированной или деионизованной
воде;
кипячения в дистиллированной воде в течение 5—10 мин;
сушки в парах изопропилового спирта в течение 30 мин.
Сушка может осуществляться также в потоке нейтрального
газа (аргона или азота) в печи, нагретой до температуры 320=^30° С,
в течение 10—15 мин при давлении газа от 1,0 до 1,5 ати; охлаж-
даются подложки в той же печи в струе проходящего газа до
температуры 120^=30° С.
53
В качестве методов контроля степени очистки поверхности
подложек могут быть использованы различные физические и физи-
ко-химические методы анализа: радиохимические, фотометриче-
ские, спектральные и т. д. (табл. 8).
Все эти методы обладают высокой чувствительностью, однако
они требуют специальных условий проведения эксперимента,
дорогостоящего оборудования, значительного времени для анализа
и обработки результатов, а также высокой квалификации опера-
тора.
Поэтому они предназначены лишь для определения природы
загрязнений, установления соотношения между количеством за-
грязнений и физической характеристикой поверхности подложки,
служащей критерием ее чистоты. С помощью этих методов анали-
зируется принятый технологический процесс обработки под-
ложки.
Для непосредственного контроля подложек в процессе изгото-
вления микросхем разработаны более простые методы (табл. 9).
Эти методы в основном удовлетворяют предъявляемым к ним
требованиям, но имеют определенные недостатки, которые следует
учитывать при оценке качества очистки подложек.
Наименее эффективны методы окунания и распыления. Первый
в силу низкой чувствительности, второй из-за возможности попада-
ния загрязнений на подложку во время пульверизации. Кроме
того, оценка методом распыления находится в зависимости от
величины, формы струи и расстояния от пульверизатора до под-
ложки.
Метод испытания в парах воды наиболее удобен на практике,
так как не требует специальных устройств и вспомогательных
материалов. Подложка устанавливается на фторопластовую
пробку, закрывающую колбу с кипящей водой, и обрабатывается
струей пара, проходящей через отверстие в пробке.
При контроле по методу конденсации подложка, извлеченная
из сосуда Дьюара с жидким азотом, на воздухе покрывается инеем,
который через 2—5 мин в зависимости от степени ^охлаждения
начинает таять. При отсутствии загрязнений конденсат покрывает
поверхность подложки сплошной пленкой воды; при загрязне-
ниях же на поверхности подложки образуются мелкие капли воды,
видимые, невооруженным глазом. Во избежание ошибок контроль
методом конденсации должен проводиться в помещениях, в атмо-
сфере которых исключена возможность появления паров масел
(например, от вакуумных насосов).
•При контроле степени очистки по методу измерения краевого
угла смачивания подложку в вертикальном положении устанавли-
вают под микроскопом типа МИИ-4 и пунктирную линию, наблю-
даемую в окуляр, совмещают с вершинами капли, нанесенной на
поверхность подложки (а—а, рис. 11). Показания круговой шкалы
микроскопа фиксируются. Пунктирная линия переводится в поло-
жение касательной к капле (б—б),
54
8. Возможные методы контроля степени очистки поверхности подложек
Наименование метода Чувствитель- ность, г/см2 Краткая характеристика метода
Метод радиоактивных изотопов IO'?— Ю-9 Обнаружение остатков загрязнений, содержащих радиоактивные компо- ненты. Имитирующее радиоактивное загрязнение наносят на поверхность подложки и измеряют его радиоак- тивность счетчиком Гейгера. После очистки подложки по выбранной тех- нологии определяют остаточную ра- диоактивность, характеризующую загрязнения Фотографическая регистрация ионизи- рующих излучений (в данном случае загрязнений)
Радиографический метод —
Метод нейтронной акти- вации 10-9—10-1» Подложки облучают нейтронами в ядерном реакторе, а затем изме- ряют спектры излучения подложек и сравнивают со спектрами эталон- ных подложек
Электронно-микроскопи- ческий метод Ю-I2— Ю-20 При прохождении через подложку электроны рассеиваются в зависимо- сти от толщины и плотности различ- ных участков загрязнений подлож- ки. Метод не позволяет обнаружить некоторые органические загрязнения
Люминесцентный 10'5 Свечение пленки загрязнений при об- лучении ультрафиолетовым светом ртутно-кварцевой лампы
Фоток олор иметр ический метод 10-8 Остаточное загрязнение на подложке переводят в растворимое окрашен- ное состояние и измеряют светопо- глощен ие полученного раствора
Нефелометрический ме- тод 10-’ Измерение интенсивности света, рас- сеянного или поглощенного, при прохождении через раствор до и после очистки подложек
Спектрофотометр ический метод 10-8 Измерение поглощения растворов, со- держащих загрязнения, после очи- стки подложек в ультрафиолетовой области спектра
Спектральный метод 10'8—10-’ Возбуждение свечения органических загрязнений высокочастотным разря- дом в атмосфере гелия. Регистрация спектра производится фотографиче- ским методом
К онд у ктом етр и чески й метод 10-’ Измерение удельного сопротивления растворов, содержащих загрязнение после очистки подложек
Метод каталитического сжигания органических загрязнений 10-’ Сжигание поверхностных органических загрязнений в атмосфере кислорода в присутствии медного катализатора. Образующуюся углекислоту обнару- живают методом конденсации
55
9. Технологические методы контроля загрязнений подложек
Наименование метода Чувствитель- ность. г/см2 Краткая характеристика метода
Метод окунания 10“в—10~7 Чистая поверхность хорошо смачи- вается. При наличии на поверхности гидрофобных загрязнений будут об- наруживаться смоченные и несмо- ченные участки
Метод распыления 10-«—10-8 На загрязненной поверхности подлож- ки вода конденсируется в виде мел- ких капель. Если же поверхность чистая, капли воды сливаются в сплошную пленку
Метод испытания в па- рах воды 10-’—10-’ То же
Метод конденсации 10-’—10-8 Наблюдение смачиваемости поверхно- сти подложки конденсатом, образую- щимся при охлаждении подложки до температуры ниже точки росы окружающей среды
Метод измерения краево- го угла смачивания 10-’ Значение краевого угла смачивания подложки часовым маслом зависит от чистоты поверхности. В случае чистой поверхности угол будет не- большим
Метод измерения коэф- фициента трения 10-8 Зависимость силы трения от количе- ства загрязнений. Чистые поверх- ности обладают чрезвычайно высо- ким коэффициентом трения
Метод наблюдения в тем- ном поле микроскопа При наблюдении подложки исполь- зуется косое освещение, что исклю- чает попадание в объектив зеркально отраженных от поверхности лучей, механические загрязнения наблю- даются в виде ярких точек
Разница в показаниях составляет угол 0, который для часового
масла С-3 (СТУ-36-10-17-63) не должен превышать 3°. Чем этот
угол меньше, тем лучше качество очистки.
Наибольшей чувствительностью обладает метод измерения
коэффициента трения («метод царапины»), позволяющий дать
количественную оценку степени очистки, правда, в отдельных
точках поверхности.
Этот метод требует специального приспособления, в котором
измеряется усилие перемещения металлической иглы (на практике
чаще всего используется титановая игла) по поверхности под-
ложки. Следует отметить, что этот метод обладает чувствительно-
стью лишь к органическим загрязнениям и практически нечувстви-
телен к неорганическим.
Все рассмотренные методы контроля, как правило, дополня-
ются наблюдением подложек в темном поле микроскопа. Их при-
56
рис. И. Измерение краевого угла сма-
чивания
меняют в определенной сово-
купности друг с другом в за-
висимости от предполагае-
мого характера загрязнений,
материала подложки, имею-
щегося оборудования, харак-
тера производства.
Свежеочищенная поверх-
ность может повторно заг-
рязняться из атмосферы
производственного помеще-
ния. Поэтому подложки
должны храниться в герме-
тичных эксикаторах или
вакуумных шкафах (но не
более 1,5—2 ч) или немедленно помещаться в установку для
нанесения тонкопленочных структур.
Окончательное удаление молекул воды с поверхностного слоя
подложек для предотвращения возможности окисления наносимых
пленок производится в вакуумной камере.
При прогреве подложки до температуры 200—300° С в течение
2—3 мин выделяется основная масса влаги и поверхностно сорби-
рованных газов. Окончательная дегазация подложки произво-
дится в вакуумной установке непосредственно перед нанесением
пленки с помощью ионной бомбардировки в тлеющем разряде.
Электроны в тлеющем разряде, имея более высокие скорости, чем
ионы газа, отрицательно заряжают подложку, которая, в свою
очередь, притягивает положительные ионы. В результате ионной
бомбардировки органические молекулы загрязнений расщепля-
ются и образуются летучие соединения, которые удаляются с под-
ложки.
Такой способ очистки оказался эффективным. Электронная
микроскопия поверхности показывает, что при его применении не
происходит глубоких изменений в поверхностном слое под-
ложки.
Ситалловые подложки обрабатываются ионной бомбардировкой
при давлении остаточного газа в камере ЬЮ"3 мм рт. ст. при
напряжении 3 кВ в течение 5—10 мин. При более длительной
обработке может произойти сопутствующее очистке осаждение
алюминия. Кроме того, при неправильно выбранных материалах
конструкции подколпачного устройства тлеющий разряд может
стать источником загрязнений.
57
2. Термовакуумное напыление
Одним из наиболее универсальных методов получения пленоч-
ных структур самого различного назначения является метод
термовакуумного напыления. Этот метод давно и успешно исполь-
зуется в различных областях техники, в том числе для создания
дискретных радиокомпонентов и элементов пленочных интеграль-
ных микросхем с хорошо воспроизводимыми электрическими
параметрами.
Широкое использование этого метода основывается на возмож-
ности проведения большинства необходимых технологических
операций в контролируемых и «чистых» условиях, что позволяет
использовать ряд известных соотношений геометрической оптики,
кинетической теории газов, статистической физики, термодинамики
и физики твердого тела для объяснения эффектов роста и струк-
турных преобразований изготавливаемых тонкопленочных струк-
тур.
Можно отметить и такие достоинства этого метода, как возмож-
ность получения пленочных структур на подложках и ранее
нанесенных слоях, изготовленных из самых различных металлов,
диэлектриков и полупроводников, хорошую адгезию напыляемых
пленок, разнообразие методов контроля толщины и скорости нане-
сения пленок, наличие соответствующей контрольно-измеритель-
ной и регулирующей аппаратуры, малый уровень загрязнений при
проведении технологического процесса, возможность варьирования
в широких пределах режимами и, наконец, наличие достаточно
простых методов получения рисунка пленочных структур.
Прежде чем перейти к описанию процесса термовакуумного
напыления, необходимо ввести некоторые понятия и критерии,
определяющие специфику этого процесса. Сюда, в первую очередь,
могут быть отнесены условия, обеспечивающие получение потока
пара распыляемого материала в зоне испарителя, требования
к вакуумным условиям в пролетном пространстве, исключающие
возможность сколько-нибудь значительного взаимодействия этого
потока с атмосферой остаточных газов рабочей камеры напылитель-
ной установки и, наконец, условия, определяющие допустимый
уровень загрязнений в наносимой пленке в результате ее взаимо-
действия с адсорбируемыми поверхностью молекулами остаточной
атмосферы и продуктами десорбции с разогретой подложки [74,
88, 159, 229].
Поскольку при вакуумном напылении перенос испаряемого
материала осуществляется молекулярным потоком, рассмотрим
необходимые условия, обеспечивающие заданную плотность этого
потока при разогреве материалов в вакууме.
Известно, что при любых температурах, отличных от абсолют-
ного нуля, вещество может испаряться и что с повышением темпе-
ратуры или, что то же самое, энергии атомов или молекул вещества,
находящегося в твердой или жидкой фазе, возрастает вероятность
58
того, что отдельные атомы или молекулы покидают поверхность
испаряемого материала и переходят в парообразное состояние.
Вероятность этого процесса может быть описана выражением вида
Р~ еХр\ RTJ'
где Д£ — энергия, необходимая для перевода атомов в паро-
образное состояние;
R — универсальная газовая постоянная.
Если испаряемое вещество находится в ограниченном замкну-
том объеме, то, спустя некоторое время, в этой системе установится
динамическое равновесие, при котором число испаряющихся
с поверхности и конденсирующихся на ней атомов уравняется.
В случае больших объемов такого рода равновесие не наступает
и процесс испарения продолжается до полного распыления разо-
гретого материала.
По Ленгмюру при давлениях, не превышающих 1 мм рт. ст.,
истинная скорость испарения не зависит от давления. Если это
условие выполняется, то, согласно кинетической теории газов,
скорость испарения, выражаемая числом молекул и, покидающих
единичную поверхность испарителя в одну секунду, можно запи-
сать в виде [74, 229]
1 -
П = -г VC,
4 ’
где v — число молекул пара в единице объема;
с— средняя скорость молекул пара.
Если учесть, что
Р
v ~ кТ
и
у лМ '
где Р — давление пара;
Т — абсолютная температура;
к — постоянная Больцмана;
R — универсальная газовая постоянная;
М —. молекулярный вес пара,
то после подстановки значений v и с в формулу для вычисления п
выражение для изменения массы испаряемого с единицы поверх-
ности в 1 с вещества AG может быть записано как
А „ пМ -л Г М
&G~ir~P V 2лЯТ ’
где N — число Авогадро.
59
Использованное в йослёдйём выражений значение давлений
пара испаряемого вещества может быть подсчитано из уравнения
Клайперона для теплоты испарения
, _ VT dP
h~ I ' dT'
где 1 — механический эквивалент калории (1 кал = 4,18 Дж);
V — объем, занимаемый 1 г пара.
Теплота испарения L для температур до (1,3—1,5)7плавл
аппроксимируется выражением
L = L0 —АТ,
где Lo— скрытая теплота испарения при 7 = 0.
Решая уравнение, определяющее AG, в предположении, что
пар ведет себя как идеальный газ, т. е.
PV = RT/M,
Шампе [2291 после разделения переменных и интегрирования
получил выражение
IgP = a —pigT —у,
где а, Р, Lo — постоянные для данного вещества.
Аналогичное выражение получено Дэшманом С. и Колером Л.
Согласно проведенному ими анализу, скорость испарения с еди-
ницы поверхности может быть определена из выражения
lg IF = С—0,51g 7—^,
где
С = Л + 0,5 lg М +5,766.
В табл. 10 приведены значения коэффициентов А, В и С для
материалов, наиболее часто используемых в пленочной микро-
электронике.
10. Значение коэффициентов уравнения скорости испарения
для различных материалов
Материал А В -10’ с Материал А ВЛО3 с
Си 11,96 16,98 8,63 Та 13,04 40,21 9,93
Ag 11,85 14,27 8,63 Сг 12,94 20,00 9,56
Аи 11,89 17,58 8,80 Мо 11,64 30,85 8,40
А1 11,79 15,94 8,27 W 12,40 40,68 9,30
Si 12,72 21,30 9,21 Мп 12,14 13,74 8,77
Ti V 12,50 13,07 23,23 25,72 9,11 9,69 Ni 12,75 20,96 9,40,
60
Требования к условиям в пролетном пространстве обычно
формулируются, исходя из допустимого числа соударений атомов
потока распыляемого вещества с молекулами остаточной атмосферы,
поскольку вероятность изменения направления их движения и
образования соединений в пролетном пространстве определяется
исключительно вероятностью соударений. Известно выражение
для длины свободного пробега атомов, подсчитанное в предполо-
жении отсутствия преимущественного направления движения
атомов:
1=--,
где d — эффективный для рассматриваемого типа взаимодействия
диаметр атома или молекулы;
п—молекулярная концентрация атомов.
Используя это выражение, представляется возможным опре-
делить, какая часть направленного молекулярного потока пара
испаряемого вещества /0 при прохождении пролетного простран-
ства V не претерпит столкновений:
I = .
Последнее выражение при малых значениях отношения 141
хорошо аппроксимируется соотношением
Z = Z0(l —Z'/e).
Необходимо также заметить, что длина свободного пробега
молекул в атмосфере остаточных газов при прочих равных усло-
виях зависит от состава остаточной атмосферы, который, в свою
очередь, в значительной степени определяется типом используемых
насосов, скорость откачки которых по различным газам различна.
Кроме того, длина свободного пробега зависит от геттерирующего
действия испаряемых материалов и десорбции газов с разогретых
поверхностей откачиваемого объема.
Атмосфера остаточных газов в пролетном пространстве в зна-
чительной степени влияет и на процессы конденсации пленок [223 ].
Не все попавшие на подложку молекулы остаточных газов оста-
ются на ее поверхности. Значительная часть молекул покидает
приемную поверхность в результате теплового движения и соуда-
рения с атомами испаряемого вещества. Однако при диссоциации
молекул газа могут образовываться достаточно устойчивые соеди-
нения как с материалом подложки, так и с наносимыми слоями,
что приводит к нестабильности и невоспроизводимости физико-
химических и электрических свойств пленок.
Для уменьшения степени загрязнения наносимых слоев оста-
точными газами необходимо проводить напыление в высоком
вакууме при больших скоростях. Хорошие результаты получаются
также при использовании геттерирующих свойств самих распыляе-
мых материалов. Для этого при закрытой заслонке, экранирующей
61
подложку от напыления, проводят длительное испарение с тем,
чтобы газы, активно поглощаемые этим материалом, сорбировались
пленками, осажденными на элементах конструкции подколпачного
устройства напылительной установки, и лишь после этого произ-
водят напыление на подложку.
Особенности зарождения, рост и старение тонких металли-
ческих и диэлектрических пленок, получаемых вакуумным напы-
лением на аморфных подложках, определяют особенности струк-
туры и электрофизических свойств тонких слоев.
Атомы испаренного вещества, попадая в поле действия поверх-
ностных атомов подложки, обмениваются с ними энергией в зави-
симости от рассматриваемых ниже энергетических соотношений,
либо адсорбируются приемной поверхностью, либо отражаются от
нее, или, наконец, спустя некоторое время, называемое временем
жизни атома на подложке, претерпевают повторное испарение
с вероятностью [74, 88, 159, 212, 226, 229]
n / Q \
P = ”vexp^-TJ,
где v — частота собственных колебаний адсорбированного атома;
Q — энергия его связи с поверхностью;
Т — эквивалентная температура атомов, которая в общем
случае лежит внутри интервала температур подложки и
испарителя.
Среднее время жизни атома на поверхности подложки при этом
составляет
= (1/v) exp (Q/kT).
Для того чтобы адсорбированный атом пришел в термическое
равновесие с подложкой, необходимо весьма ограниченное число
его колебаний с частотой v. Так, в случае равенства масс атомов
пара и материала подложки для потери 90% избыточной энергии
достаточно трех периодов колебаний.
Мигрируя по поверхности, адсорбированный атом либо хемо-
сорбируется активными центрами подложки, образуя устойчивые
соединения, либо с некоторой вероятностью, определяемой при
прочих равных условиях плотностью потока пара, встречается
с другими атомами испаренного вещества, либо, наконец, в случае
малой плотности потока пара, испаряется с подложки.
Вероятность испарения образовавшихся в результате столкно-
вения группировок атомов меньше, чем у отдельных атомов, на
величину, определяемую энергией их конденсации. Тем не менее,
если размер этих группировок, называемых также адатомами или
кластерами, меньше некоторой величины, называемой критическим
радиусом зародыша, то вероятностью испарения пренебрегать
нельзя.
Величина критического радиуса рассчитывается исходя из
термодинамической и атомарно-статистической теории зародыше-'
образования.
62
Общий вывод этих теорий заключается в том, что более высоким
температурам подложки и меньшим температурам плавления напы-
ляемых материалов (т. е. меньшим Q) соответствует большее
значение величины критического радиуса и, при прочих равных
условиях, более высокое значение критической скорости нанесе-
ния. Одновременно это означает, что пленки тугоплавких метал-
лов, характеризующиеся малыми значениями критического ра-
диуса зародыша, образуют «электрически сплошную» проводящую
структуру в более тонких слоях, поскольку характерная для них
высокая плотность зародышей на поверхности подложки при рав-
ном количестве конденсированного вещества создает необходимые
условия для туннельной и термоэмиссионной проводимости.
Концентрация зародышей закритического размера в процессе
конденсации увеличивается до тех пор, пока расстояние между
отдельными зародышами не становится соизмеримым с величиной
среднего диффузионного пробега атомов, определяемого по формуле
Эйнштейна как
X = V 2Dsxs,
где Ds — коэффициент поверхностной диффузии, который с энер-
гией активации поверхностной диффузии фдиф связан
выражением
Ds = a2v exp (— (?диф/кТ).
Начиная с этого момента, рост пленки происходит в основном
за счет присоединения атомов конденсата, диффундирующих по
поверхности к зародышам, размер которых увеличивается до тех
пор, пока не наступит момент, когда границы отдельных моно-
кристаллитов сливаются. Если до этого отдельные зародыши не
оказывали друг на друга сколько-нибудь заметного влияния и при
произвольной ориентации микрокристаллитов на аморфной под-
ложке число дефектов их структуры было относительно невелико,
то при образовании общих границ островков пленки происходит
укрупнение зерна, изменение ориентации, захват и оттеснение
на границы зерен примесей, что сопровождается увеличением
общего числа дефектов структуры.
Последующие стадии роста пленки характеризуются относи-
тельно медленным заполнением окон в образовавшейся сетке
в основном за счет роста перемычек между отдельными микро-
кристаллитами и увеличением фазовой, структурной и субструк-
турной неравновесности.
Формирование тонких пленок в условиях значительного пере-
охлаждения приводит к образованию ненаблюдаемых в массивных
образцах аномальных кристаллических и аморфных модификаций
структур, что определяет, с одной стороны, резкое отличие их
электрофизических и химических свойств и значительно искажает
и без того сложную картину процессов старения тонких пленок.
Процессы старения тонких пленок в основном сводятся к фазо-
вым физико-химическим и полиморфным превращениям, в резуль-
63
Рис. 12. Схема установки для термического напыления
тате чего может меняться тип кристалли-
ческой решетки пленки, агрегатное со-
стояние неравновесных и метастабиль-
ных фаз, и к внутрифазовым макро- и
субструктурным изменениям, сопровож-
дающимся изменением дисперсности
структуры, взаимной ориентации микро-
кристаллитов, перераспределением точеч-
ных, линейных, поверхностных и объем-
ных дефектов структурными и пр. Все эти
процессы в большей или меньшей сте-
пени приводят к изменению электрофизических и химических
свойств тонкопленочных структур в направлении сближения их
со свойствами массивных образцов и к их стабилизации.
На основании вышеизложенного к основным технологическим
параметрам, определяющим структуру и свойства тонкопленочных
слоев, получаемых термовакуумным распылением, можно отнести:
материал подложки и состояние ее поверхности, определяемое
характером микронеровностей и параметрами атмосферы остаточ-
ных газов;
физико-химические свойства напыляемого материала;
толщину напыляемой пленки;
соотношение между температурой плавления напыляемого
материала и температурой подложки при нанесении пленки, опре-
деляющее особенности конденсации по одному из двух основных
механизмов: «пар — кристалл» или «пар — жидкость— кри-
сталл»;
скорость нанесения пленки;
давление и состав остаточных газов в процессе нанесения и
термостабилизации пленки;
режимы термостабилизацни пленочных структур.
Термическое вакуумное напыление производится в установке
(рис. 12), под колпаком 1 которой устанавливают подложку 4,
закрепленную на держателе 3, нагреватель подложки 2 и испа-
ритель 6. Между испарителем и подложкой устанавливают за-
слонку 5, позволяющую в нужный момент прекращать нанесение
испаряемого материала на подложку.
Степень вакуума под колпаком определяет длину свободного
пробега испаряемых частиц материала — X. Если расстояние
между испарителем и подложкой обозначить через ft, то прямо-
линейное движение испаряемых частиц можно обеспечить лишь
при X >ft. Поскольку обычно в вакуумных установках расстояние
между испарителем и подложкой составляет 150—200 мм, то из
условия X ft необходимая степень вакуума составляет 1 • 10“4 мм
рт. ст.
64
Учитывая возможность десорбции молекул газа из элементов
конструкции установки при нагреве, обычно напыление большин-
ства материалов тонкопленочных микросхем производят при
вакууме не хуже ^-Ю"5 мм рт. ст.
С некоторыми допущениями поток частиц испаряемого мате;
риала подчиняется закону Кнудсена—Ламберта, по которому
количество частиц, попадающих на подложку при испарении из
точечного источника, прямо пропорционально cos ф, где ф — угол
отклонения потока частиц от нормали к поверхности подложки, и
обратно пропорционально квадрату расстояния от испарителя до
подложки.
Поскольку испарители в реальных установках отличаются от
точечных источников, каждый из них характеризуется своей
диаграммой направленности, определяющей телесный угол ф паров
испаряемого материала.
При термическом вакуумном напылении испаряемые материалы
нагреваются за счет прямого или косвенного нагрева. При прямом
нагреве материал нагревается непосредственно при прохождении
по нему тока или за счет электронной бомбардировки. При косвен-
ном нагреве материал нагревается за счет теплопередачи от испа-
рителя. Нагрев испарителя может быть резистивным, индукцион-
ным, электронной бомбардировкой и т. д.
Испарители с резистивным нагревом наиболее простые. В них
легко осуществляется контроль температуры за счет тока и по-
требляемой мощности.
Преимущество индукционного нагрева в возможности уста-
новки нагревателя вне вакуумной камеры.
Электронный нагрев обеспечивает концентрацию большой
мощности, но испарители с электронным нагревом, как правило,
характеризуется низким к. п. д. и высокой стоимостью.
При выборе испарителя следует учитывать следующее:
при рабочей температуре испарителя давление паров мате-
риала, из которого он изготовлен, должно быть пренебрежимо
малым;
испаряемый материал должен хорошо смачивать поверхность
испарителя и иметь с ним хороший тепловой контакт;
между испаряемым материалом и материалом испарителя не
должно быть химического взаимодействия (табл. 11).
Следует, однако, помнить, что некоторые металлы (например,
А1) образуют с материалом испарителя сплавы с низкой температу-
рой испарения. В связи с этим для испарителей таких металлов
следует подбирать определенное соотношение сечений материала
испарителя и испаряемого вещества. Например, для А1 непри-
годны испарители в виде тонкой вольфрамовой ленты (алюминий,
образуя эвтектический сплав, «растворяет» ленту). Для А1 приме-
няются испарители в виде множества вольфрамовых прово-
лочек, обладающие значительно большей смачивающей поверх-
ностью.
5 в. Д. Гимпельсон
65
11. Материалы испарителей,
рекомендуемых для испарения наиболее распространенных металлов
Испаритель Испаряемый материал Испаритель Испаряемый материал
А1 W, Та, Мо, Ni Ni W
Au W, Мо Ag Та, Мо, Ni, Fe
Си Ni, Мо Та W, Та
Конструктивно все испарители делятся на проволочные
(рис. 13), ленточные (рис. 14) и тигельные (рис. 15).
Проволочные испарители — в основном одноразового действия;
с остальных испарителей можно производить до 10—15 напы-
лений.
Если необходимо испарить строго определенное количество
материала, в испарителях применяются специальные механизмы
дозировки — вибробункеры, дозаторы. Например, для непрерыв-
ной подачи проволоки из испаряемого материала может быть
использовано устройство, показанное на рис. 16, а. Проволока
сматывается с катушки 1 и через направляющую трубку 3 подается
на испаритель 4 с помощью роликового механизма 2, который
приводится в движение электродвигателем, расположенным вне
вакуумной камеры.
На рис. 16, б показан электромагнитный вибропитатель.
Металлический бункер 2 в виде чашки установлен внутри цилиндри-
ческого корпуса 1 на якоре электромагнита. В бункере имеется
винтовая канавка, заканчивающаяся отверстием. При пропуска-
нии через обмотку электромагнита переменного тока бункер начи-
нает вибрировать, порошок поднимается по винтовой канавке до
отверстия и по лотку 3 попадает в испаритель 4.
Для испарения тугоплавких материалов применяются в основ-
ном испарители с электронным нагревом, которые подразделяются
на испарители с горячим катодом и анодной мишенью и испарители
с «электронной пушкой».
На рис. 17 изображен электронный испаритель первого типа.
Эммитируемые накаленным катодом 1 электроны ускоряются
в поле анода 4 — медного водоохлаждаемого тигля, и в результате
бомбардировки разогревают его вместе с находящимся в нем
материалом 3 до высоких температур. Образующиеся при иониза-
ции молекул остаточного газа ионы стекают на специальный
электрод 2, находящийся под отрицательным потенциалом. Этот
же электрод фокусирует электронный поток на испаряемый ма-
териал.
66
Рис. 13. Схемы проволочных испарителей:
а — V-образный испаритель; б — линей-
ный испаритель; в — спиральный кони-
ческий испаритель (для смачивающих
материалов)
Рис. 14. Схемы ленточных испарителей:
а — лодочка; б — лента с вдавленным
желобом; в — отрезок ленты
Рис. 15. Тигельный испаритель для моно-
окиси кремния:
1 — диффузор; 2 — нагреватель; 3 — ти-
гель; 4 — термопара; 5 — экраны; 6 —
испаряемый материал
Лучшими фокусирующими свойствами обладают автономные
электронные испарители, в которых в качестве источника элек-
тронов используется «электронная пушка», а фокусировка осуще-
ствляется постоянными магнитами или электромагнитами.
В испарителях ИЭЛ-2ЭМ и ИЭЛ-2ПМ, серийно выпускаемых
отечественной промышленностью, напряжение на аноде 6—10 кВ,
максимальный ток эмиссии 200 мА, напряжение на управляющем
электроде 20—500 В, ток накала катода 14А, размер сфокусиро-
ванного луча 10—60 мкм (в ИЭЛ-2ЭМ) и 3—15 мкм (в ИЭЛ-2ПМ).
Принцип действия индукционных испарителей основан на
разогреве испаряемого металла высокочастотным магнитным по-
лем, создаваемым катушкой-индуктором (рис. 18). Испаряемый
материал 1 в керамическом тигле 2 помещается в поле индуктора 3.
Металл нагревается и плавится за счет вихревых токов, взаимо-
действующих с высокочастотным полем.
5* 67
Недостаток этого испарителя — нестабильность скорости
испарения, так как эффективность нагрева металла высокочастот-
ным полем понижается по мере уменьшения его объема в процессе
напыления.
Режимы технологического процесса напыления тонких пленок
могут изменяться в широких пределах в зависимости оч исполь-
зуемого оборудования, методов нанесения материалов, измерения
пленок и множества субъективных факторов.
Одним из наиболее технологичных материалов тонкопленочных
резисторов является хром, который принадлежит к группе метал-
лов с высокой температурой плавления (1900° С). Его напыление
осуществляется сублимацией, т. е. возгонкой из твердой фазы.
При хорошем контакте хрома с испарителем резистивного типа
температура сублимации 1200° С [197].
Изучение структуры хромовых пленок свидетельствует о том,
что они состоят из чистых островков металла, находящихся в ре-
шетке изолирующей окиси хрома.
На рис. 19 представлена зависимость удельного сопротивления
хрома от температуры подложки Тп и скорости напыления v.
Рис. 16. Загрузочные устройства испарителей;
а — для непрерывной подачи проволоки;
б — вибробункер
Вода
Рис. 17. Электронный испаритель типа * коль-
цевой катод»
68
Рис. 18. Индукционный испаритель
Рис. 19. Удельное сопротивление пленок хрома в зависимости от температуры подложки
и скорости напыления (на графике числовые значения равны отношениям удельного со-
противления пленок к удельному сопротивлению массивного материала)
Было обнаружено, что при скорости напыления около 225 А/с и
температуре подложки около 275° С сопротивление хрома может
быть приблизительно в 2 раза больше, чем для массивного мате-
риала.
При большом отношении давления остаточных газов к скорости
нанесения отмечается увеличение удельного сопротивления хромо-
вой пленки, что объясняется авторами работы адсорбцией газовых
примесей и образованием окислов хрома, тогда как при малом
значении этого отношения сопротивление возрастает в основном
за счет дефектов структуры пленки, вызванных большой плот-
ностью зародышей.
Некоторые авторы считают, что такое различие в величине
удельного сопротивления объясняется наличием преимуществен-
ной ориентации микрокристаллитов пленки при определенной
комбинации технологических параметров: скорости конденсации,
давления и состава остаточных газов. Переход к более плотно
упакованным структурам происходит при уменьшении давления
остаточных газов и увеличении скорости напыления. В высоком и
чистом вакууме в широком диапазоне скоростей напыления преоб-
ладает ориентация микрокристаллитов с плоскостью НО, парал-
лельной плоскости подложки, при плохом вакууме микрокристал-
литы ориентируются по плоскости 111 и при промежуточных зна-
чениях технологических параметров по плоскости 100. Если
учесть, что отношение ретикулярных плотностей атомов в этих
плоскостях соответственно равно 0,58 : 1 : 1,44 (100; 111; ПО),
то можно объяснить значительные уходы величины сопротивления
при термостабилизации резисторов, изготовленных в «плохих» и
«промежуточных» вакуумных условиях.
На рис. 20 приводится зависимость удельного сопротивления от
толщины для хромовых пленок, изготовленных при различных
69
температурах подложки. Сравнивая данные этого графика со
свойствами объемных образцов, можно сделать вывод, что при
прочих равных условиях наиболее совершенная структура хромо-
вой пленки образуется при температуре около 350° С.
На рис. 21 показано влияние остаточного давления на воспро-
изводимость пленочных хромовых резисторов [43]. Из графика
очевидна необходимость поддержания высокого вакуума при
напылении.
Анализ литературных данных позволяет суммировать рекомен-
дации по технологии изготовления хромовых резисторов и опре-
делить область оптимальных режимов напыления для удельных
сопротивлений пленок хрома (50—500 Ом/0).
Для получения стабильных и воспроизводимых резисторов
процесс напыления необходимо производить в вакууме порядка
10"6 мм рт. ст. при температуре подложки 300—350° С со скоростью
порядка 10—30 А/с. Кроме того, необходимо проводить термо-
стабилизацию хромовых тонкопленочных резисторов при темпе-
ратуре 350—400° С в течение 30 мин.
Исследования, проведенные авторами, показали, что изгото-
вленные при таких режимах резисторы (с защитой слоем — моно-
окиси кремния) при испытаниях под удельной нагрузкой 15—
20 мВт/мм2 при температуре до 125° С в течение 5000 ч показали
хорошую стабильность; величина ухода сопротивления
обычно не превышала 0,5—1% (рис. 22).
Рис. 21. Зависимость воспроизводимости плеиочных резисторов от остаточного давления
в рабочей камере при различных Pq [6 (/?)% — относительные отклонения сопротивлений
от номинальных значений]
70
Рис. 22. Зависимость ухода сопротивления хромовых резисторов в процессе испытаний
при Гп = 125° С, Руд = 154-20 мВт/мм2 для различных значений ра
Рис. 23. Зависимость состава пленки нихрома от температуры испарителя (Ги)
Основными проблемами термовакуумного напыления нихрома
являются значительная разница в давлениях паров никеля и хрома
и повышенная активность нихрома ко многим тигельным мате-
риалам [87]. Состав напыленных пленок нихрома может суще-
ственно отличаться от исходного материала, так как при нагреве
сплава происходит преимущественное испарение хрома из-за
большего давления паров.
Чем ниже температура нагрева, тем больше разница в давлении
паров. Например, при 1000° С хром испаряется в 300 раз быстрее,
чем никель, в то время как при 1300е С только в 8 раз быстрее.
Для получения исходного состава (80? о Ni — 20% Сг) темпе-
ратура испарителя должна быть 1600° С (рис. 23), по при этой
температуре скорость испарения слишком высока, что усложняет
контроль процесса.
Другой проблемой напыления нихромовых пленок является
частичное окисление хрома при осаждении (степень окисления
зависит от скорости напыления, от концентрации газов и темпе-
ратуры подложки).
Кроме того, так как пленку обычно подвергают стабилизации,
изменение сопротивления из-за ее окисления зависит от количества
хрома в поверхностном слое пленки.
Влияние скорости напыления (VH) нихрома на свойства напы-
ляемых пленок в связи с этим очень сложно. Так, например, ТКС
пленок с удельным поверхностным сопротивлением ро 1004-
4-150 Ом/0 имеет максимум при VH ~ 15 А/с и становится отри-
цательным при Vu < 1 А/с.
При больших V{1 средний размер кристаллов сравнительно
небольшой и плотность дефектов структуры пленки достаточно
велика. Свсженапыленная пленка мало окислена. Все это увелп-
71
Рис. 24. Зависимость ТКС от Vv нихромовой
пленки:
1 — ра = 100 Ом/П; 2 — pQ = 500 Ом/D
чиваетвероятность окисления пленки
со временем и приводит к относи-
тельно большому изменению ее ра,
особенно при малой толщине [29].
Неравномерное распределение тем-
пературы в данном случае может
привести к повышенному разбросу
pD по подложке.
С уменьшением Уи увеличивается
средний размер кристаллитов,
уменьшается плотность дефектов и
повышается степень окисления пленки. Это приводит к повыше-
нию стабильности пленок при средних значениях (рис. 24).
Дальнейшее понижение Ун вызывает еще более сильное окисле-
ние пленки и повышение ее удельного сопротивления. При не-
изменном pD пленки это приводит к необходимости увеличения ее
толщины и, следовательно, к изменению ТКС в сторону положи-
тельных значений.
Лучшая воспроизводимость нихромовых резисторов получена
при температуре подложки 350° С с последующей термообработкой
при 350° С в течение 30 мин.
Хорошие результаты по воспроизводимости нихромовых пленок
дает испарение «взрывным» методом, когда порошок определенного
состава подается дозами па перегретый испаритель, который
обеспечивает практически мгновенное испарение, или электронной
бомбардировкой непрерывно подаваемой нихромовой проволоки.
При нанесении пленок кермета также используют «взрывное»
испарение. Скорость испарения при этом практически не зависит
от температуры испарителя, а определяется лишь скоростью
подачи материала. Практически температура испарителя равна
1700—2000° С.
Изменение удельного сопротивления резисторов из кермета
определяется рядом процессов
Ра — Ро + Арто + Арткс + Аро. к
где р0 — удельное сопротивление резистивного слоя непо-
средственно после напыления;
Арто— величина изменения ро в процессе термообработки;
Арткс — величина изменения ро при остывании подложки
за счет ТКС;
Ар0 к - величина изменения ро при открывании камеры.
Величины Арто, Арткс и Ар0 к могут достигать 10%.
72
При термической обработке параллельно проходят два про-
цесса. С одной стороны, рекристаллизация, способствующая
образованию проводящих мостиков или уменьшению числа диэлек-
трических промежутков между соседними частицами проводящей
фазы; с другой стороны, окисление зерен проводящей фазы,
сопровождающееся увеличением диэлектрического барьера между
зернами. На рис. 25 показаны кривые изменения сопротивления
при термообработке в вакууме. По характеру кривых на рисунке
можно предположить, что рекристаллизация завершается за время
порядка 10 мин и имеет тенденцию к насыщению.
Возрастание сопротивления, связанное, по-видимому, с окисле-
нием, является более медленным процессом, скорость которого
растет с температурой. Процесс уменьшения сопротивления на-
блюдается, начиная с температуры 350° С, что, вероятно, связано
с началом роста кристаллитов силицида хрома. Процесс окисления
становится преобладающим через 10—20 мин термообработки и
сильнее влияет на сопротивление в случае состава с большим
содержанием диэлектрической фазы.
При увеличении температуры подложки от 200 до 400° С
удельное сопротивление пленок кермета понижается в 1,5—2 раза.
Это сопровождается переходом от почти аморфной структуры
к некоторому структурному упорядочению. При дальнейшем
возрастании температуры наблюдается увеличение сопротивления,
а ТКС уменьшается, оставаясь в пределах отрицательных значе-
ний.
Небольшое возрастание удельного сопротивления при больших
температурах подложки связано, очевидно, с образованием более
крупных проводящих зерен.
Большой опыт накоплен в отечественной промышленности по
технологии термовакуумного напыления специальных многокомпо-
нентных сплавов, например сплава МЛТ-ЗМ.
Сплав МЛТ-ЗМ может испаряться как с ленточного испарителя
с загрузкой определенной навески материала, так и «взрывным»
Рис. 25. Зависимость изменения сопротивления пленок кер-
мета при термическом отжиге в вакууме
73
Рис. 26. Зависимость ТКС от температуры (а) подложки и (6) испарителя:
I — при испарении с ленточного испарителя; 2 — при испарении «взрывным» методом
Л/?
Рис. 27. Зависимость - —, % от температуры:
J\
а — подложки; б — испарителя
методом. На рис. 26 и 27 показаны зависимости ТКС и изменения
сопротивления пленки от температур подложки и испарителя
[198]. Как видно из этих зависимостей, температура подложки,
равная 340° С, является оптимальной. При этой температуре
наблюдается минимум ТКС и величины изменения сопротивления.
Оптимальной температурой испарителя для испарения сплава,
по-видимому, следует считать Т = 15004-1600° С. При этой
температуре наблюдается переход через ноль значений ТКС и
А/?
значительно снижается величина .
к
Для получения танталовых тонкопленочных резисторов ис-
пользуются чаще всего катодные методы распыления, однако
возможно также термовакуумное напыление тантала с последую-
щим окислением до нужного номинала в вакуумной камере струей
кислорода или воздуха.
74
Напыление тантала в этом случае производится с помощью
электронной пушки на подложку, нагретую до температуры 250—
300? С при вакууме не хуже 5 • 10-6 мм рт. ст. [56, 208 L Электрон-
нолучевое испарение тантала в высоком вакууме позволяет при-
близительно на порядок повысить скорость напыления пленки по
сравнению с катодным распылением. Если учесть, что давление
остаточных газов при вакуумном напылении на 3—5 порядков
ниже, то становится очевидной меньшая степень загрязнения
получаемых таким образом пленок. Использование термического
окисления позволяет получать относительные погрешности рези-
сторов на уровне 3—5%.
Как уже отмечалось в гл. 1, существенное влияние на номинал
резисторов и их воспроизводимость оказывает выбор материала
контактных площадок и проводников (рис. 28) [431.
Термическое вакуумное напыление проводящих пленок из
Al, Au, Си и Ag производится обычно на подслой хрома для полу-
чения требуемой адгезии к подложке.
Хром испаряется из вольфрамовых испарителей проволочного
типа при давлении остаточного газа 1 • 10"5 мм рт. ст. Продолжи-
тельность испарения 10—15 с (до получения пленки с ра =-•
= 500 Ом/Q). Испарение основного металла рекомендуется начи-
нать до окончания испарения хрома; это обеспечивает максималь-
ное сцепление Al, Си, Ag и Au с подслоем. Испарение Au, Си и Ag
производится, как правило, из молибденовой или танталовой
лодочки; А1 — из вольфрамовых проволочных испарителей.
Рис. 28. Зависимость контактного сопротивления хромового резистора от материала
контактной площадки при различных значениях удельного сопротивления
Рис. 29. Зависимость средней величины усилия отрыва от подложки медных контактных
площадок от температуры подложки (площадь контактной площадки, покрытой припоем,
1,1 мм2; диаметр проволоки 0,3 мм):
/ — после напыления; 2 — после камеры влаги; 3 — после камеры влаги н термоциклиро-
вания
75
Основное влияние на проводимость, адгезию к подложке,
механическую прочность и свариваемость этих пленок оказывают
температура подложки и скорость напыления.
Как показали испытания, повышение температуры подложки
при напылении Си от 150 до 400° С при скорости напыления
250 А/с приводит к уменьшению среднего относительного измене-
ния сопротивления в 5 раз [30]. Однако максимальная
механическая прочность соединения медной проволоки (усилие
отрыва Р) наблюдается (рис. 29) при температуре напыления Си
300° С; причем основной вид разрушений контактной площадки —
отрыв пленки меди вместе с подслоем от подложки. С увеличением
скорости напыления от 3 до 500 А/с увеличивается среднее отно-
сительное изменение сопротивления, но одновременно увеличи-
вается средняя величина механической прочности соединения.
Аналогичные результаты показали испытания контактных
площадок и проводников из Au и Ag. При исследованиях выявлена
кристаллическая структура пленок меди с величиной зерна около
100 А и более.
Изменение параметров медных контактных площадок после
воздействия окружающей среды можно объяснить окислением,
приводящим к увеличению сопротивления, и снятием внутренних
механических напряжений при низкотемпературном отжиге, веду-
щем к уменьшению сопротивления. Окисление больше влияет на
параметры мелкозернистых пленок, полученных при температурах
подложки до 300° С. Уменьшение сопротивления у контактных
площадок, полученных при температуре подложки выше 300° С,
вызвано снятием остаточных напряжений.
Напыление при больших скоростях приводит к возникновению
мелкозернистой структуры с большими напряжениями, способ-
ствующей интенсивному окислению, что объясняет относительно
большое возрастание сопротивления материала контактных пло-
щадок, напыленных при больших скоростях. Кроме того, частич-
ное окисление пленок происходит уже во время напыления при
малых скоростях.
Частичное окисление во время напыления при малых скоростях
напыления уменьшает адгезию пленки. Уменьшается адгезия и
при слишком больших скоростях, очевидно, за счет увеличения
дефектов кристаллической решетки [213].
Таким образом, возможно определить оптимальные режимы
напыления проводящих пленок. Например, для меди: Тп = 300-г-
4-350° С и V = 2004-250 А/с.
Технология напыления алюминия несколько сложнее техноло-
гии напыления остальных проводниковых материалов из-за того,
что алюминий растворяет большинство материалов, из которых
изготовлены испарители, включая вольфрам. Вольфрамовый испа-
ритель не разрушается только в том случае, когда выбрано опре-
деленное соотношение между поверхностью испарителя (как уже
76
Рис. 30. Зависимость адгезии алюминиевых пленок:
а — от температуры подложки; б — от скорости напыления
отмечалось, это полоска, изготовленная из плотно прилегающих
вольфрамовых проводников, 0 0,8—1 мм) и количеством испаряе-
мого алюминия. Алюминий расплавляется при температуре 660° С
и легко растекается по поверхности испарителя.
Повышать температуру при расплавлении следует медленно,
так как окисная пленка на поверхности алюминия разрушается
внезапно и металл с большой скоростью испаряется (при темпе-
ратуре примерно 1000° С); при этом может происходить быстрое
разбрызгивание металла, который не успевает испариться.
Оптимальные режимы напыления алюминия: температура под-
ложки Тп = 120° С и скорость напыления V = 150 А/с. Зависи-
мости адгезии алюминиевых пленок от Тп и V представлены на
рис. 30.
Наряду с возможностями увеличения адгезии за счет выбора
материала подслоя и оптимизации режимов напыления использу-
ются также и другие методы, например воздействие на подложку
в процессе напыления ультразвуковых колебаний. Увеличение
адгезии в этом случае можно объяснить интенсификацией ультра-
звуковыми колебаниями процесса роста окисной пленки на гра-
нице раздела пленка—подложка и получением критической
толщины окисной пленки уже в процессе напыления [114]. Это
один из выходов в решении противоречия между требованиями
высокой электропроводности, хорошей адгезии и свариваемости.
Перспективно также использование фракционирующих сплавов
(например, композиции 1,5—2% Мп; 4,5—5% Ni; 0,05—0,1% Ti;
остальное— Си). Проводимость пленок на основе фракционирую-
щих сплавов лишь незначительно уступает электропроводности
алюминия [163]. При напылении зона, прилегающая к подложке,
обогащается компонентом с наиболее высокой упругостью пара
(марганцем), что способствует улучшению адгезионных свойств.
Обогащение приповерхностной зоны пленки компонентами с наи-
более низкой упругостью пара (никелем и титаном) способствует
повышению коррозионной стойкости при сохранении хорошей
свариваемости. Обеднение внутренних слоев пленок легирующими
элементами способствует формированию крупнозернистого конден-
сата, имеющего повышенную электропроводность.
Если металлические пленки легко образуют мелкокристалли-
ческую структуру, то диэлектрические пленки в основном состоят
из аморфной фазы. Большинство диэлектрических соединений при
термическом вакуумном напылении или диссоциирует или имеет
слишком высокую температуру испарения. У моноокиси кремния
SiO температура испарения сравнительно невелика 1250—1400° С.
Однако при нагревании возможно попадание на подложку мел-
ких частиц, что приводит к дефектам на подложке. Поэтому SiO
испаряется из испарителей диффузионного типа. Большое влия-
ние на параметры пленки SiO оказывают скорость напыления и
давление остаточных газов.
При напылении SiO состав пленок изменяется в пределах от
SiO до SiO2 в зависимости от степени адсорбции кислорода из
остаточных газов в камере. Напыление при низких скоростях
(до 5 А/с) в вакууме 1 • 10"5 мм рт. ст. приводит к появлению в со-
ставе пленок фазы SiO2 с диэлектрической проницаемостью
е = 3,5.
При высоких скоростях напыления (более 30 А/с) в пленке
обнаруживается твердый раствор кремния в SiO2.
Оптимальные режимы напыления SiO : V = 154-20 А/с; Тп =
= 300° С. При этом получаются пленки с е = 5,04-6,0.
Зависимость е, tg 6, Епр конденсаторов А1 — SiO—А1 от УИ
показана на рис. 31.
Существенную роль играет термообработка конденсаторной
структуры А1—SiO— Al после напыления. Значительное повыше-
:пР 106
Ь/сн
Рис. 31. Зависимость параметров тонкопленочных конденсаторов от ско-
рости напыления
78
Ийе температурной стабильности наблюдается при термообра-
ботке структуры в течение 30—45 мин при температуре 400—
450° С.
Моноокись германия GeO испаряется при более низкой темпе-
ратуре (800° С), чем SiO2 [189]. При малых скоростях испарения
структура слоев GeO, осажденных на холодную и горячую под-
ложку, различна. При Тп 200° С наблюдается однородная
мелкозернистая структура, а при Тп = 120° С в однородном слое
наблюдаются отдельные агломераты частиц.
Исследование процесса конденсации слоев GeO позволило
установить, что в самом начале испарения наряду с микрокристал-
литами GeO очень часто в пленке содержится чистый Ge.
Основной особенностью напыления трехсернистой сурьмы
Sb2S3 является образование прослойки A12S3, которая при раз-
герметизации вакуумной установки разлагается с образованием
газа H2S, что приводит к появлению пузырей на нижней обкладке
в местах контакта А1—Sb2S3. Поэтому обкладки конденсатора
с Sb2S3 в качестве диэлектрика следует защищать окисной плен-
кой А12О3.
Другая особенность этого материала заключается в том, что
низкотемпературные диэлектрики при напылении интенсивно осе-
дают на масках и на элементах конструкции подколпачной сис-
темы. При прогреве подложек они легко сублимируются и меняют
атмосферу остаточных газов под колпаком. Это существенно влияет
на физические свойства напыляемых пленок. Поэтому применение
Sb2S3 крайне ограничено.
К вакуумному оборудованию для нанесения тонких пленок
предъявляется ряд общих требований, в соответствии с которыми
оно должно обеспечивать:
предельный вакуум в рабочей камере не хуже 10"6 —
10"7 мм рт. ст.;
рабочий вакуум 5-Ю'6—3-10-5 мм рт. ст. в течение всего
процесса нанесения тонких пленок;
безотказность работы в течение всего вакуумного цикла;
скорость откачки не менее 5—10 л/с на 1 л рабочего объема;
прогрев подложки до 400—500° С с высокой точностью
поддержания температуры (в большинстве установок не
хуже —5° С).
Все установки для термовакуумного напыления состоят из
вакуумной системы с насосами предварительного и окончатель-
ного вакуума, камеры напыления с подколпачным устройством и
электрической части (блоки питания, контрольно-измерительные
приборы, устройства и элементы автоматики).
Установки термического вакуумного напыления подразде-
ляются на однопозиционные и многопозиционные.
В однопозиционных установках операции выполняются по-
следовательно одна за другой, в то время как в многопозиционных
они могут быть совмещены по времени [62, 71].
79
12. Основные характеристики отечественных установок
для термовакуумного напыления тонких пленок для гибридных ИС
Установка Метод нане- сения Количество подложек Предель- ный вакуум, мм рт. ст. Количе- ство испари- телей или мишеней Особые характеристики
УВР-2 тк 2 5-Ю"5 1 Многослойные плен- ки металлов
УВР-3 тк 10 5-10’5 2 То же
УВР-4 т 6 ь ю-« 1 Мелкие серии тонко- пленочных элемен- тов
УВН-1 т 1 5- IO’8 2 Для исследователь- ских работ
УВН-2 т 6 2-10-« 6 Базовая
УВН-2У-1 т 6 2-10-« 5 Раздельное нанесе- ние материалов
УВН-2У т 6 2-IO'6 5 То же
УВН-1М тк 1 5-10-« 2 Для исследователь- ских работ
УВН-2М т 6 5-IO’7 5 Базовая модель
УВН-2М-1 т 6 5-Ю'7 6 Многослойные схемы за один вакуумный цикл
УВН-2М-2 т 8 5-I0-’ 5 Раздельное нанесе- ние слоев
УВН-2М-3 э 8 5-10-’ 2 То же
УВН-71Р-2 т 8 5-10-’ 5 Раздельное нанесе- ние слоев
УВН-71П-3 * т 12 5-10-’ 3 Установки для серий- ного производства
УВН-73П-2 ** э 60 шт/цикл 6-10-’ 2 Металлические плен- ки
УВН-74П-1 ** эт 12 ыо-’ 1,2 Полуавтоматическая установка
УВН-74П-2 ** эт 12 ыо-’ 1,2 Оптическое измере- ние толшины
УВН-74П-3 ** эт 160 шт/цикл 40 шт/цикл 5-КГ7 1,2 Для серийного произ- водства
УРМ3.279.0.23 т 12 5-IO'7 4 Пленки металлов для фотошаблонов
УРМЗ.279.011 эт 8 5-Ю'7 1,3 Многослойные ди- электрические по- крытия Раздельное нанесе- ние слоев
УРМЗ.279.017 т 12 5-10-’ 3
Примечание. Т — термическое испарение; К — катодное напыление; Э —
электронно-лучевой нагрев.
* Базовой моделью УВН-71П-3 является установка УВН-70А-1.
** Базовой моделью УВН-73П-2. УВН-74П-1, УВН-74П-2, УВН-74П-3 является
установка УВН-70А-2.
80
Большинство установок, используемых в настоящее время
в отечественной и зарубежной практике, однопозиционные.
По числу операций осаждения тонкопленочных слоев, про-
изводимых на установке за один вакуумный цикл, однопозицион-
ные установки термического вакуумного напыления делятся на
однооперационные и многооперационные.
Однооперационные установки осуществляют однослойное на-
пыление как сплошных слоев, так и пленок с рисунком заданной
конфигурации в случае применения масок (гл. 3). Напыление на
этих установках называется напылением с разрывным циклом.
После операции напыления одного материала необходима разгер-
метизация установки и смена маски в случае масочного напыления.
Преимущества разрывного цикла состоят в возможности ви-
зуального контроля точности совмещения слоев и стабилизации
состава остаточных газов в вакуумной камере.
Однако необходимость разгерметизации приводит к загрязне-
нию напыляемых пленок и делает невозможным напыление много-
слойных элементов (конденсаторов) и схем в помещениях,^не со-
ответствующих требованиям вакуумной гигиены. Кроме того,
в связи с длительным временем откачки разрывный цикл часто
оказывается неприемлемым из-за его неэкономичности. В этом
случае более приемлемы многооперационные установки непрерыв-
ного действия, в которых имеются механизмы смены масок и сов-
мещения. Эти установки более производительны, но опыт работы
указывает на возможность неконтролируемого влияния остаточ-
ных газов на структуру пленки и увеличение вероятности несов-
мещения слоев при масочном напылении.
Установки однооперационные и многооперационные изготав-
ливаются со сменой подложек над позицией испарителя и без
смены подложек. Однооперационные установки без смены под-
ложек могут быть одноместными и многоместными. В многоопе-
рационных установках со сменой подложек перемещаться могут
как подложки, так и испарители с масками.
В однопозиционных установках значительное время затрачи-
вается на откачку рабочего объема. Поэтому основным резервом
повышения производительности может быть использование много-
позиционных установок последовательного, параллельного и
последовательно-параллельного действия [70], особенно со шлю-
зовой загрузкой подложек [4, 23].
Отечественные установки для термовакуумного напыления
тонких пленок и их основные характеристики представлены
в табл. 12.
3. Катодное распыление
Катодное распыление — еще один универсальный метод по-
лучения тонкопленочных структур различного назначения. В от-
личие от метода вакуумного напыления при катодном распылении
перенос материала мишени на подложку осуществляется за счет
6 В. Д. Гимгтельсон 81
энергии положительных ионов, образующихся в тлеющем разряде
и бомбардирующих катод из распыляемого материала.
Метод катодного распыления позволяет получать пленки
тугоплавких материалов, осуществлять перенос сложных по со-
ставу сплавов и смесей без нарушения процентного соотношения
входящих в них компонентов. Адгезия пленок, полученных ме-
тодом катодного распыления, обычно выше, чем при термовакуум-
ном напылении.
Совершенствование технологии катодного распыления способ-
ствовало появлению в последнее время различных модификаций
этого процесса.
Так, для изготовления диэлектрических пленок в 1962 году
была предложена система высокочастотного распыления, особен-
ностью которой является попеременная бомбардировка мишени
ионами и электронами. При ионной бомбардировке осуществляется
распыление диэлектрической мишени, а накапливающийся на ней
положительный заряд нейтрализуется электронами во второй по-
лупериод приложенного напряжения.
Ионная бомбардировка в системах с постоянным смещением и
при распылении на переменном токе используется для уменьше-
ния степени загрязнения подложки остаточными газами, атомы
и молекулы которых в результате взаимодействия с высокоэнер-
гетическими ионами рабочего газа приобретают энергию, доста-
точную для десорбции с подложки. С этой же целью были разра-
ботаны системы катодного распыления с несамостоятельно под-
держиваемым разрядом.
Известно, что эффективность диодных систем катодного рас-
пыления резко падает при рабочих давлениях ниже 10“2 мм рт. ст.
из-за уменьшения концентрации ионов рабочего газа. Для стиму-
ляции процесса в более высоком вакууме прибегают к различным
методам искусственного поддержания разряда, плазма в которых
индуцируется или термоэмиссионным катодом или высокочастот-
ным полем. Кроме того, используются системы, в которых иони-
зация плазмы осуществляется либо за счет увеличения энергии
электронов в многоэлектродных системах, либо за счет увеличе-
ния длины пробега электронов в магнитном поле.
Необходимо отметить еще одно преимущество метода катод-
ного распыления, заключающееся в том, что при его использова-
нии относительно просто решается проблема источников наноси-
мого материала в высокопроизводительном оборудовании. Труд-
ности решения именно этого вопроса не позволили до настоящего
времени реализовать практически ни одной надежно действующей
установки термовакуумного напыления непрерывного действия,
тогда как установки катодного распыления такого типа успешно
эксплуатируются в течение ряда лет.
Теория и практические аспекты катодного распыления в на-
стоящее время разработаны достаточно подробно и позволяют
объяснить и прогнозировать многие эффекты этого процесса 186,
82
Рис. 32. Зависимость коэффициента
распыления полукристаллической меди
от энергии бомбардирующих ионов
88, 160, 213, 2231, обнару-
женные в экспериментах
последних лет:
коэффициент распыления
(S), равный отношению числа
выбитых из мишени атомов
к числу бомбардирующих подложку ионов, определяется
массой иона [160] и его энергией (рис. 32);
для каждой комбинации распыляемого вещества и рабочего
газа существует некоторая пороговая энергия, ниже которой
распыление не происходит;
коэффициент распыления при больших энергиях уменьшается
вследствие проникновения ионов в глубь материала;
при наклонном падении ионов рабочего газа на мишень диа-
грамма направленности распыления отличается от распределения
по закону косинуса;
при распылении монокристаллической мишени диаграмма на-
правленности распыления асимметрична, главная ее ось ориенти-
рована вдоль направления плотнейшей упаковки кристалла из-за
эффекта самофокусировки;
повышение температуры мишени при распылении практи-
чески не влияет на величину коэффициента распыления, если
процесс не сопровождается физическим испарением легкоплавкого
материала.
Можно условно выделить три уровня взаимодействия при стол-
кновении ионов рабочего газа с атомами мишени, приводящие
к ее распылению. При больших энергиях ионов это взаимодей-
ствие происходит на уровне ядер и сопровождается их смещением.
Область взаимодействия при этом определяется радиусами ядер
по Бору aQ и составляет
_ 4па^т^Ег (1 - Ed/Emax)
Qp " m2EdE
где и т2— массы взаимодействующих атомов;
21 и г2— атомные номера иона и атома мишени;
Ег — ридберговская энергия для водорода (13, 68 эВ);
Ed — энергия смещения атома в решетке;
Е — энергия иона.
При такого рода взаимодействии неподвижный атом может
приобрести энергию
Р __ 4П71^2 р
тах “ (ПТх+Х)2
6*
83
Если эта энергия превышает Ed, то существует некоторая
вероятность смещения атома в решетке и, следовательно, воз-
можно распыление материала мишени.
При малых энергиях ионы взаимодействуют не с ядрами ато-
мов мишени, а с экранирующим электронным блоком. В этом слу-
чае обычно анализируется модель взаимодействия твердых сфер,
причем
где от — полное поперечное сечение взаимодействия при столкно
вении твердых шаров:
_ ла*ЕА
т — 2,72£ 9
здесь ЕА — минимальная энергия, при которой применима мо-
дель слабо экранированного взаимодействия.
В области промежуточных значений энергии взаимодействия
ионов рабочего газа с атомами кристаллической решетки справед-
лива модель слабо экранированных кулоновских столкновений
в сечении взаимодействия
ор = ла2.
Энергия, приобретаемая смещаемым атомом, при таком взаимо-
действии определяется выражением
где Ев—максимальная энергия, при которой справедлива при-
нятая модель.
Необходимость использования трех механизмов взаимодей-
ствия ионов рабочего газа с атомами кристаллической решетки
определяется тем, что значения Ed для различных распыляемых
материалов существенно отличаются друг от друга, более того,
для одного и того же распыляемого материала величина Ed раз-
лична для атомов, расположенных вблизи дефектов структуры
и в ненарушенной решетке. Практически одновременно могут
работать две или даже три рассматриваемые модели столкнове-
ний, что существенно затрудняет интерпретацию результатов раз-
личных исследований.
Приповерхностный атом, смещенный в результате соударения,
передает свою энергию ниже расположенным атомам кристалли-
ческой решетки, и, если межатомное расстояние меньше двух
атомных радиусов, имеет место фокусировка, аналогичная фоку-
сировке, наблюдаемой при столкновении близко расположенных
биллиардных шаров. Таким образом, энергия смещенного атома
передается в весьма узком канале. Общее число возбужденных
атомов приблизительно равно E/2Edt причем половина из них,
84
диффундируя к поверхности, может покинуть ее. Коэффициент
распыления
S = СТрЛ2/3 ЛР/2),
где п — число атомов в единице объема;
W — число столкновений, вызванных одним первично воз-
бужденным атомом.
Степень загрязнения пленки, полученной катодным распыле-
нием, согласно работе [7], оценивается выражением
где Ng — количество атомов активных фоновых газов, ударяю-
щихся о единичную поверхность пленки в единицу
времени;
а — коэффициент аккомодации газовых атомов;
Vn — скорость осаждения пленки.
Как отмечалось выше, при приложении к подложке отрица-
тельного смещения степень загрязнения пленки снижается за
счет преимущественного выбивания газовых молекул при бомбар-
дировке положительными ионами и составляет [213]
_ — (//<7) (S' — ₽)
Чь- aNg-(j/q)(S'-V) + Vn’
где ₽ — часть тока в цепи смещения, обусловленная ионами
примеси;
/ — полная плотность тока в цепи смещения;
q — заряд электрона;
S' — эффективный коэффициент распыления.
Для уменьшения степени загрязнения пленки при катодном
распылении используют откачные системы, позволяющие в ре-
жиме подготовки получать высокий (порядка 10"6—10-7 мм рт. ст.)
вакуум, и рабочие газы с малым содержанием активных приме-
сей. Кроме того, как и при термовакуумном напылении, исполь-
зуется геттерирующее действие свеженанесенной пленки, полу-
ченной распылением мишени при закрытой заслонке.
Для сплавов, состоящих из материалов, нерастворимых в твер-
дом состоянии, характерно независимое распыление входящих
в них компонентов; сплавы, образующие соединения, распы-
ляются как единое целое.
Общепринятой моделью распыления сплавов в настоящее
время является следующая. На поверхности образца первона-
чально происходит преимущественное распыление компонентов
с большим коэффициентом распыления, в результате чего первые
слои наносимой пленки обогащаются этим компонентом. При этом
в поверхностном слое мишени соотношение компонентов сплава
85
г)
Рис. 33. Схемы катодного и иониоплазмеиного распыления:
а — диодная схема распыления постоянным током; б — диодная схема распыления по-
стоянным током с постоянным смещением; я — диодная схема распыления на переменном
токе; г — триодная схема распыления с постоянным потенциалом на мишени; д — три-
одная схема с разделением камеры формирования разряда и камеры распыления; е —
система с пушкой для ионного распыления (К — катод; А — анод; П — подложка;
М — мишень; Тр — трансформатор; Э — электроды; Б — блок питания)
уже не соответствует составу первоначально подготовленного
образца.
Далее процесс как бы авторегулируется и поверхностный слой
поддерживается в таком состоянии, при котором скорость распы-
ления каждого из компонентов (пропорциональная произведе-
ниям концентраций компонентов на коэффициенты их распыле-
ния) соответствует процентному составу исходного сплава, Так,
при распылении сплава медь—золото в слое толщиной 30—80 А
содержание золота постепенно уменьшается от 93 до 34%, после
чего резко возрастает концентрация меди в поверхностном слое
мишени и далее состав напыляемой пленки точно соответствует
процентному составу сплава.
На рис. 33 показаны различные схемы ионного распыления.
Простейшая из них (рис. 33, а) — двухэлектродная система с ис-
86
пользованием тлеющего разряда, образующегося при подводе
высокого напряжения к аноду — подложке и катоду — мишени
при низком (от 10'3 до 10"1 мм рт. ст.) давлении. Рабочим газом,
вводимым в систему, чаще всего является аргон. Расстояние между
электродами составляет обычно от 10 до 120 мм при диаметре элек-
тродов от 50 до 500 мм. Рабочее напряжение — несколько кило-
вольт [211.
Скорость Q осаждения материала на подложке в такой системе
пропорциональна скорости распыления катода и может быть вы-
ражена формулой
Q ~cJ-S,
где с — постоянная данной установки;
/ — ионный ток;
S — коэффициент распыления.
Коэффициент распыления, в свою очередь, как уже отмечалось,
зависит от напряжения разряда и от природы используемых
ионов. Для повышения скорости распыления следует выбирать
давление газа по возможности высоким; при этом коэффициент
распыления S должен быть близок к максимальному.
Положение подложек относительно катода выбирается эмпи-
рически таким образом, чтобы скорость распыления была доста-
точной, а однородность напыляемой пленки по толщине — опти-
мальной.
При катодном распылении потенциал, приложенный к под-
ложке — аноду, создает у ее поверхности Лэнгмюровское темное
пространство, в котором ионы, бомбардирующие подложку, уско-
ряются. Энергия ионов изменяется при изменении потенциала.
С помощью потенциала, приложенного к подложке вместо ее за-
земления, можно регулировать интенсивность ионной бомбарди-
ровки и управлять такими параметрами тонких пленок, как струк-
тура, чистота, ТКС и удельное сопротивление. Такой метод, исполь-
зующий катодное распыление с управляемой интенсивностью,
носит название распыления со смещением [112]. Схема распыле-
ния по этому методу показана на рис. 33, б.
Пленки, осаждаемые с помощью распыления со смещением,
характеризуются высокой степенью чистоты, так как большинство
примесей (особенно ионов газа) селективно удаляется из пленки
за счет повторного распыления, возникающего в результате
ионной бомбардировки.
На рис. 33, в показана схема диодного распыления на перемен-
ном токе низкой частоты (50 Гц). Когда напряжение на мишени
отрицательно, распыление происходит в направлении подложки;
во второй полупериод происходит вторичное распыление. Для
предотвращения вторичного испарения материала с подложки
в схему выпрямляющего диода включают сопротивление, ограни-
чивающее потенциал коллектора.
87
Эта система менее эффективна из-за общего снижения скорости
осаждения.
Рассмотренные выше диодные системы пригодны лишь для рас-
пыления проводящих материалов. Это объясняется тем, что по-
ложительный заряд накапливается на катоде из-за дипольных
свойств диэлектрика. Этот заряд нейтрализует ионную бомбар-
дировку, распыление практически не происходит и тлеющий раз-
ряд гасится.
Для распыления диэлектриков применяется так называемое
высокочастотное распыление, при котором потенциал приклады-
вается к проводящему электроду, находящемуся за непроводя-
щей мишенью.
В этом случае положительный заряд, образующийся на по-
верхности во время отрицательного полупериода, нейтрализуется
электронами при положительном полупериоде. Для такого про-
цесса обычно пользуются частотами около 10 МГц. Поскольку
единственной частотой этого диапазона, разрешенной для про-
мышленного применения, является частота 13,56 МГц, она и
нашла наибольшее распространение. Скорости осаждения диэлек-
триков при этом методе достигают 30 А/с [21 ]. Для поддержания
высокочастотного разряда и стабилизации тлеющего разряда
часто используют магнитное поле. Магнитное поле предотвращает
также попадание вторичных электронов на подложку, так как они
разогревают подложку, что приводит к уменьшению скорости на-
пыления [69].
При катодном распылении состав материала пленки почти
совсем не отличается от состава мишени. Если же в камеру по-
дать реактивный газ, то становится возможным напыление соеди-
нений. Такое распыление называют реактивным и используют
для осаждения различных пленок, главным образом окисных и
нитридных [55]. Механизм реактивного распыления с образова-
нием соединений до сих пор не имеет строгого теоретического обо-
снования.
В зависимости от парциального давления реактивного газа
реакция образования соединения может протекать либо на ка-
тоде (и тогда на подложку распыляется готовое соединение),
либо на подложке в процессе образования пленки.
При низких давлениях более вероятен второй механизм, при
высоких — первый. Возможна также реакция в паровой фазе.
При реактивном распылении составом пленки можно управлять
непрерывно, так как газовый компонент входит в металлическую
пленку, не образуя соединения до тех пор, пока не достигается вы-
сокая концентрация газа в металле. Реактивное распыление —
один из важнейших методов в тонкопленочной технологии, по-
скольку можно получать широкий диапазон свойств тонких пле-
нок за счет изменения концентрации реактивного газ§ [197].
Катодное распыление имеет ряд преимуществ перед методом
термического испарения особенно для осаждения пленок сплавов.
88
Рис. 34. Влияние содержания хрома
в нихромовых пленках на поверхност-
ное сопротивление р:
/ — при катодном распылении; 2 —
при термовакуумном напылении
Например, у нихромовых
пленок, полученных катод-
ным распылением, состав
остается постоянным в ши-
роком диапазоне поверхност-
ного сопротивления (рис. 34),
а ТКС меняется гораздо мень-
ше, чем у пленок, получен-
ных испарением. Даже при
разных коэффициентах рас-
пыления химический состав
напыленных пленок соответствует
составу катода — мишени.
Другой метод получения пленок сплавов состоит в том, что их
формируют из отдельных компонентов, при распылении несколь-
ких катодов с одним и тем же потенциалом разряда. Определен-
ный состав пленок получается подбором относительных площадей
катодов.
Возможно также независимое распыление катодов равной
площади с дифференцированной подачей напряжения на каждый
из них.
Главным недостатком всех рассмотренных выше диодных ме-
тодов распыления является необходимость относительно высокого
давления инертного газа для поддержания разряда, что повышает
вероятность загрязнения пленки. На рис. 33, а, д и е показаны
варианты трехэлектродной системы катодного распыления; ра-
бочий процесс в этом случае называют также ионно-плазменным
распылением. При ионно-плазменном распылении бомбардировку
специальной мишени осуществляют ионами плазмы газового раз-
ряда низкого давления. Дуговой газовый разряд зажигается между
раскаленным катодом, являющимся источником электронов и
анодом при напряжении 150—260 В. Разрядный ток в этом слу-
чае достигает нескольких ампер.
Электроны, излучаемые катодом, ионизируют молекулы инерт-
ного газа. При подаче отрицательного потенциала от 200 до 1000 В
на мишень ионы будут бомбардировать ее поверхность, материал
мишени будет распыляться и конденсироваться на подложке-
Концентрацией ионов в плазме можно управлять, меняя либо
ток электронной эмиссии, либо ускоряющее электроны напряже-
ние; энергией распыляющих ионов управляют, меняя напряжение
на мишени. Распыление по этому методу производится при дав-
89
лениях от 10~4 до 10'3 мм рт. ст. Характерной особенностью ионно-
плазменного напыления является безынерционность процесса.
Достаточно снять отрицательный потенциал с мишени, как распы-
ление прекращается.
Распыление диэлектриков в случае трехэлектродной системы
производится высокочастотным плазменным распылением, при
котором на мишень вместо отрицательного потенциала подается
высокочастотный потенциал (1—3) кВ [164].
Как при ионно-плазменном, так и при высокочастотном рас-
пылении в разрядном промежутке наводится магнитное поле.
Под его воздействием электроны двигаются вдоль силовых линий;
при этом увеличивается вероятность ионизации молекул рабочего
газа, возрастает ионный ток и увеличивается скорость распыления.
Правда, воздействие магнитного поля приводит к некоторой не-
равномерности плотности ионов, и, как следствие, к неоднород-
ности пленок по толщине.
Системы ионно-плазменного и высокочастотного распыления
имеют ряд модификаций. Например, используют четвертый управ-
ляющий электрод между катодом и анодом наподобие сетки элек-
тронной лампы, что позволяет еще более точно регулировать па-
раметры процесса.
Широкое применение нашли модифицированные системы вы-
сокочастотного распыления, в которых источником ионов является
плазма высокочастотного разряда.
Реализация реактивного распыления при трехэлектродной
системе и высокочастотном разряде позволяет получить соедине-
ния с заданными свойствами и значительно расширяет возмож-
ности метода.
Наряду с лучшими условиями конденсации в высоком вакууме
ионно-плазменное напыление имеет ряд преимуществ перед ка-
тодным:
выше скорость роста пленок (до нескольких тысяч ангстрем
в минуту);
большая равномерность пленок по толщине на большой пло-
щади;
более простое регулирование процесса;
выше адгезия пленок.
С помощью катодного, реактивного, ионно-плазменного и
высокочастотного распыления можно получать различные тонко-
пленочные элементы микросхем: проводники, резисторы, диэлек-
трики конденсаторов и пересечений.
В настоящее время самым распространенным материалом для
тонкопленочных микросхем, получаемых с помощью катодных и
ионно-плазменных методов распыления, является тантал, который
может выступать в роли проводников и обкладок конденсатора
микросхемы.
Оксидные слои на тантале, а также некоторые его химические
соединения, получаемые при распылении, могут быть использо-
90
ваны в качестве отдельных слоев структуры тонкопленочных
резисторов и диэлектрика конденсаторов.
Рассмотрим основные параметры танталовых пленок: удельное
сопротивление, ТКС и толщину в зависимости от режимов распы-
ления.
Наиболее характерным является реактивное распыление тан-
тала в среде азота, который в небольших количествах добавляют
к аргону.
Удельное сопротивление ра и ТКС танталовых пленок зависит
от количества азота, вводимого в систему (рис. 35). Без легирова-
ния азотом могут образовываться танталовые пленки с разными
кристаллическими структурами: объемно-центрированной куби-
ческой структурой (ОЦК), так называемой а-Та и тетрагональной
структурой Р-Та.
Пленки а-Та являются низкоомными и поэтому могут
использоваться в качестве проводников и обкладок конденса-
тора. Их удельное сопротивление лишь не намного больше, чем
у массивного материала.
По мере повышения давления азота удельное сопротивление
пленки а-Та растет вследствие захвата азота в межузельные
позиции пленки. Эта структура сохраняется вплоть до насыщения
пленки азотом. Затем избыточный азот вызывает образование
в пленках соединения Ta2N и кривая ра становится пологой.
При дальнейшем увеличении давления азота состав пленок
меняется пока не образуются монофазные пленки из Ta2N. Затем
появляется новая гранецентрированная кубическая (ГЦК) фаза,
связываемая [21] с образованием TaN.
Чаще всего без легирования азотом получаются пленки
P-Та, структура которых наблюдается только в пленках. В этом
случае увеличение давления азота сначала снижает удельное
сопротивление, так как постепенно образуется ОЦК-фаза, погло-
Рис. 35. Влияние парциального давления Ро азота:
а — па удельное сопротивление танталовой пленки; б -- на температурный коэффициент
сопротивления
91
Рис. 36. Зависимость удельного сопротивления пленок тантала от парциального давления
кислорода
Рис. 37. Характерные рабочие области режимов:
1 — тлеющего разряда постоянного тока; 2 — высокочастотного и иоииоплазменного
распыления; 3 — получения Та низкой плотности; 4 — получения нитрида тантала
щающая азот. При переходе пленки полностью в ОЦК-фазу, за-
висимость удельного сопротивления пленки от концентрации
азота аналогична вышерассмотренной.
Для структур (J-Ta ТКС близок к нулю, а для а-Та имеет
высокое положительное значение. В первом случае с увеличением
концентрации азота ТКС сначала растет, проходит через макси-
мум и затем уменьшается почти до нуля, что соответствует ТКС
Ta2N. Основное преимущество пленок Ta2N состоит в некритич-
ности к параметрам технологического процесса. Их р0 и ТКС за-
висят исключительно от парциального давления азота в системе.
При использовании в качестве реактивного газа кислорода
зависимость удельного сопротивления пленки от концентрации
кислорода в начальной стадии аналогична его зависимости от
концентрации азота (рис. 36).
По мере увеличения парциального давления кислорода пленка
по составу приближается к оси тантала и ее [87] удельное сопро-
тивление быстро увеличивается.
Однако как пленки Та2О5, так и окислы TiO2, А12О3, SiO, по-
лученные реактивным распылением, оказались непригодными
для изготовления диэлектриков пленочных конденсаторов из-за
малой электрической прочности и большого тока утечки.
Прямое катодное распыление диэлектриков одним из высоко-
частотных методов оказывается более эффективным. Поэтому
метод реактивного распыления используется в основном для по-
лучения высокоомных резисторов.
Скорость осаждения при катодном распылении влияет на свой-
ства танталовых пленок, определяя уровень содержащихся в ней
92
загрязнений. При реактивном распылении от скорости осаждения
(vn) зависит отношение компонент, достигающих подложки. Ско-
рость осаждения связана с величиной разрядного тока. При на-
пряжении на катоде порядка 5 кВ удельное сопротивление пле-
нок в зависимости от разрядного тока в интервале, характерном
для изменения структуры от (J-Ta до а-Та, изменяется от
6 • 10'4 Ом • см (при токе 400 мА) до 4 • 10-4 Ом - см (при токе 650 мА).
При более низких напряжениях (1—1,5 кВ) для поддержа-
ния увеличивают давление инертного газа. В результате по-
лучают пленки низкой плотности, обладающие высоким р и нуле-
вым ТКС. На рис. 37 показаны рабочие области режимов тлеющего
разряда постоянного тока 1 и режимов триодной системы или
системы высокочастотного распыления 2. На этом же рисунке
показана область получения пленок тантала низкой плотности 3.
Для протекания химических реакций при реактивном распы-
лении требуется большая энергия падающих на подложку ато-
мов Та. Поэтому рабочая область 4 смещается в сторону высоких
напряжений разряда и плотностей тока [14].
Упомянутые выше пленки тантала низкой плотности могут
быть как а-Та, так и [J-Ta. Этот тип отличается не микро-,
а макроструктурой, и его появление связано с захватом в объем
пленки большого количества атомов аргона и остаточных газов.
Удельное сопротивление нелегированных танталовых пленок
низкой плотности может достигать 5 мОм-см.
Обычно при распылении Та температура подложек составляет
200—400° С и слабо влияет на свойства танталовых пленок.
Более высокая температура может влиять на структуру, но она
не характерна для тонкопленочной технологии.
Скорость напыления диэлектрических пленок при высоко-
частотном распылении зависит от подводимой мощности (рис. 38).
Для применения в интегральных тонкопленочных схемах не-
обходимо создание пленок, однородных по толщине. Степень од-
нородности зависит, в первую
очередь, от отношения размера
мишени к расстоянию между ми-
шенью и подложкой: чем больше
величина этого отношения, тем
более однородна пленка. Однако
выдерживать большие соотноше-
ния в реальных установках не
удается. Поэтому при проекти-
ровании оборудования большое
Рис. 38. Зависимость скорости осаждения от
входной мощности, полученная для различ-
ных окислов:
/ — AliO3; 2 — SiO2; 3 — Ta2O5
93
Вййманйе уДеляют форме мйшенй и ее расположению в устанбвкё.
При этом учитывают основные факторы, определяющие распреде-
ление распыляемого материала по поверхности подложки: сте-
пень однородности распыления мишени; количество соударений
атомов распыляемого материала с атомами рабочего газа и вели-
чину коэффициента распыления [67].
Так, например, для диодной системы с диаметром мишени
125 мм неравномерность пленки по толщине составляет 3,5%
на участке радиусом 30 мм. При диаметре мишени 200 мм нерав-
номерность составляет 2% на площади, ограниченной окруж-
ностью с диаметром 125 мм.
Катодное и ионно-плазменное распыление успешно приме-
няется и для получения тонких пленок других металлов, а также
неметаллических материалов и резистивных композиций. Так,
например, катодным распылением получают проводящие пленки
Си, Аи с подслоем Сг, Ti, резистивные пленки Сг и них-
рома.
Используя распыление со смещением, можно получить пленки
по свойствам очень похожими на свойства объемных сплавов,
имеющие поверхностное сопротивление около 40 Ом/Q. Эти
пленки очень стабильны, их свойства при термической обработке
на воздухе изменяются незначительно. Учитывая также высокую
воспроизводимость (величина поверхностного сопротивления обе-
спечивается в пределах — 2%), этот метод получения резистив-
ных пленок можно рекомендовать для формирования низкоомных
резисторов.
Для изготовления высокоомных резисторов из материалов,
используемых при катодном распылении, предпочтение следует
отдать нитриду тантала.
Однако наибольшее применение методы катодного распыления
нашли для получения диэлектриков тонкопленочных конденса-
торов. Хорошие характеристики в качестве диэлектрика для
тонкопленочных конденсаторов показали материалы со сравни-
тельно низким коэффициентом диэлектрической проницаемости
SiO2 (е = 3,94) и AL2O3 (е = 8,55). У этих пленок tg 6 на поря-
док (А12О3) и даже на два порядка (SiO2) ниже, чем у Та2О5.
При распылении этих материалов используются диодные вы-
сокочастотные установки мощностью 600 Вт; причем с увеличе-
нием мощности от 300 до 600 Вт скорости осаждения растут, на-
пример для Та2О5 с 50 до 225 А/мин и для А12О3 с 12 до
60 А/мин.
Для SiO2 максимальную скорость осаждения получают при
давлениях (1—2)-10"3 мм рт. ст. При увеличении напряженности
магнитного поля скорость распыления SiO2 может быть увели-
чена вдвое. При увеличении давления с 1 * 10"3 до 2-10'3 мм рт. ст.
скорость нанесения уменьшается (вдвое) независимо от наличия
магнитного поля. Оптимальное расстояние от источника до под-
ложки для распыления SiO2 составляет 4,5 см.
94
При увеличении этого расстояния до 6,35 см скорость осажде-
ния незначительно уменьшается, при дальнейшем увеличении —
быстро падает.
При изготовлении тонкопленочных конденсаторов небезраз-
лично, каким методом получены обкладки конденсаторов. Напри-
мер, пленки SiO2 получают более гладкими (с меньшими неров-
ностями микрорельефа), если материал нижней обкладки полу-
чен катодным распылением, а не испарением в вакууме.
Конденсаторы на основе пленок, полученных катодным рас-
пылением, имеют высокий процент выхода годных; причем наивыс-
ший процент выхода годных наблюдается у конденсаторов на
основе SiO2. При малых площадях конденсатора выход год-
ных конденсаторов на основе SiO2 и Та2О5 может дости-
гать 100%.
В последнее время ведутся интенсивные исследования метода
высокочастотного распыления по трехэлектродной системе.
Получены положительные результаты по распылению кварца и
других материалов.
Особенностью вакуумных установок для катодного распыле-
ния является необходимость особой защиты от проникновения
в распылительную камеру паров масла, которые, попадая в область
разряда, разлагаются и полимеризуются, образуя сажеобразные
осадки как на подложках, так и на мишенях. Поэтому желательно
использовать безмасляные средства откачки или применять особо
эффективные средства защиты [131.
В установках ионного распыления используется инертный газ,
который непрерывно подается и откачивается. Для того чтобы
распыление производилось ионами рабочего газа и не происхо-
дило взаимодействия распыляемого материала и осаждаемой
пленки с десорбированными газами, желательно работать при
повышенном расходе инертного газа.
Максимальное напряжение на катоде в диодных системах для
получения устойчивого тлеющего разряда при большой плотности
тока составляет около 5 кВ; так как при напряжениях выше 5 кВ
приращение коэффициента распыления незначительно [21, 188].
В триодных и тетродных системах распыления напряжение до
3 кВ можно считать достаточным.
В системах с автономным ионным источником [72] напряже-
ние может достигать 5—10 кВ.
Для локализации плазмы и тлеющего разряда в установках
применяют диэлектрические экраны. В связи с возможностью
значительного повышения температуры подложки из-за большой
энергии распыленных частиц в установках ионного распыления
предусматривается охлаждение подложек. За счет бомбардировки
ионами и за счет высокочастотных потерь при высокочастотном
распылении также возможен чрезмерный нагрев мишени. И в этом
случае предусматривается охлаждение, обычно водой. Все уста-
новки катодного, ионно-плазменного и особенно реактивного
95
распыления должны иметь систему для очистки, смешения и кон-
троля газов.
Поскольку скорости осаждения весьма чувствительны к ко-
лебаниям напряжения на аноде и на мишени, а также к измене-
нию тока канала катода в триодных и тетродных системах, в уста-
новках вводится стабилизация режимов разряда [73] в пределах
1—1,5%.
Отечественные установки для катодного распыления тонких
пленок и их основные характеристики представлены в табл. 13.
13. Основные характеристики отечественных установок
для катодного распыления тонких пленок для гибридных ИС
Установка Метод нане- сения Коли- чество подло- жек Предель- ный вакуум, мм рт. ст. Количе- ство испари- телей илн мишеней Особые характеристики
УВН-Р И 6 1-10-е 1 Металлы
ИПУ-6 И 6 ыо-« 6 Многослойное напыление
УВН-60А-1 УВН-62П-1 К 200 5- 10-е 1 Базовая модель Тантал
УВН-62П-2 К 108 5- 1О'в 1 Групповое нанесение зо-
УВН-72Р-1 И 96 5-10-’ лота и других метал- лов Массовый выпуск изде-
УВН-75Р-1 иэ 96 7-10-’ 1;1 лии Металлы, диэлектрики,
УВН-75Р-2 к, э 85 5-Ю'7 1;1 сплавы Тантал в среде аргона
УВН-75Р-3 иэ ПО 7-10-’ 1;1 Металлы, сплавы, ди-
УРМ3.279 013 и 7 Ы0-» 1 электрики Металлы
УРМ3.279 014 и 2 1-10-е 1 Металлы, полупровод-
УДПМ-1 и 30 Ы0-» 1 ники, диэлектрики Двустороннее напыление
УПН-1 (модерни- и 8 5-10-» 1 Металлы
зация УВН-2М-2) УНУ-ЗМА и, э — 5-10-’ 1;1 Модуль технологической
ИОН-1В и 6 5-10-» 6 линии Многослойное напыление
И — ионио-плазменное распыление; К — катодное распыление; Э — электронно-
лучевой нагрев.
4. Контроль технологических режимов
и параметров пленок в процессе формирования
тонкопленочных структур
В процессе формирования тонкопленочных структур вакуум-
ными методами особо важен контроль следующих параметров тех-
нологического процесса: степени вакуума и парциального давле-
96
ния остаточных газов; температуры подложек и испарителя;
изменения сопротивления резистивной пленки, толщины и ско-
рости напыления.
Для измерения остаточного давления в вакуумных установ-
ках, предназначенных для напыления тонких пленок, приме-
няются в основном термоэлектрические и ионизационные приборы
[105, 197].
В термоэлектрических приборах в качестве задающей вели-
чины используется зависимость теплопроводности газа от давле-
ния в объеме лампы (термопарная лампа ЛТ-2 или ЛТ-4М), рав-
ного давлению в подколпачном устройстве.
На нить накала лампы подается напряжение постоянного тока.
С изменением давления меняется теплопроводность газа, умень-
шается степень нагрева термопары и, следовательно, уменьшается
термо-ЭДС. Прибор измеряет давление до 1 * 10“3 мм рт. ст.
Достоинство метода — простота, надежность и достаточная
для таких давлений точность.
Ионизационные вакуумметры состоят из манометрическойлампы
(ЛМ-2) и ионизационного термопарного вакуумметра (ВИТ-1).
Прибор измеряет остаточное давление от 10"3 до 5 • 10"8 мм рт. ст.
Как уже отмечалось, при изготовлении пленок термическим
испарением большое влияние на свойства пленок оказывает состав
остаточных газов в вакуумной камере.
Одним из приборов, измеряющих парциальные давления,
является омегатрон марки ИПДО-1, в котором регистрация пока-
заний осуществляется самописцем.
В омегатроне локальная ионизация молекул газа осуще-
ствляется электронами, излучаемыми раскаленным катодом.
Ионы передвигаются между двумя параллельными пластинами
высокочастотным полем, на которое налагается вращающееся
магнитное поле. Одновременное воздействие магнитного и электри-
ческого полей заставляет положительные ионы двигаться между
пластинами по спирали с возрастающим радиусом. Некоторые
ионы попадают на коллектор.
Изменяя частоту, можно достигнуть того, что на коллектор
будут попадать ионы с различными массовыми числами. Пики
ионных токов образуют спектр масс, по которому можно опреде-
лить состав и парциальное давление каждого компонента остаточ-
ных газов (например, масса водорода = 2, азота = 28, аргона =
= 40 и т. д.)
Более чувствительными являются масс-спектрометры марки
МХ4301, в которых индикатором является осциллограф.
Температура подложки в процессе напыления в зависимости
от метода напыления и напыляемого материала может меняться
в пределах 150—600° С.
Для воспроизводимости параметров элементов необходимо,
чтобы температура в любой точке подложки в процессе напыле-
ния отличалась бы не более чем на ^=10° С.
7 R Д, Гимпельсон 97
Для этого подложка устанавливается на теплораспределитель
(подложкодержатель) из массивного теплопроводящего мате-
риала (меди).
Для измерения температуры подложки в большинстве про-
мышленных установок используют проволочные термопары хро-
мель-копель и регистрирующие или показывающие потенциометры
с регуляторами.
Одним из основных недостатков проволочных термопар яв-
ляется возможность нарушения теплового контакта между чув-
ствительным элементом и подложкой. Поэтому предпочтительно
использовать пленочные термопары, которые могут быть нане-
сены непосредственно на обрабатываемую подложку или на спе-
циальный образец («свидетель»), укрепляемый на подложкодер-
жатель рядом с подложкой.
Термопарный метод используют также при измерении и ре-
гулировании температуры нагрева испарителя, характеризую-
щей скорость испарения. В этом случае применяются платино-
платинородиевые термопары, так как температуры нагрева испа-
рителей могут достигать 2000° С и более. Температура испарителя
может быть косвенно оценена по потребляемой мощности, для
чего в цепь испарителя включаются вольтметр и амперметр.
При этом следует, однако, иметь в виду, что некоторые материалы,
применяемые для испарителей (вольфрам, молибден), сильно
увеличивают свое сопротивление при высокой температуре по
сравнению с комнатной (в 5—10 раз).
Все большее значение в микроэлектронике приобретают инфра-
красные методы измерения температуры подложки и испарителя
(ИК-пирометрия), позволяющие производить измерение темпе-
ратур в широком диапазоне.
; При радиационном методе температуру подложки измеряют
по изменению лучистости исследуемой поверхности. Истинная тем-
пература вычисляется по формуле
'Г __
1 ист , /-- >
У sT%
где Тр — радиационная температура;
гт— излучательная способность поверхности;
т — коэффициент пропускания среды.
Радиационный метод обладает максимальной точностью в диа-
пазоне температур 0—500° С.
Наибольшей точностью при температурах 1200—3000° С обла-
дает монохроматический метод, при котором измеряется ярко-
стная температура Тярк по спектральной интенсивности лучи-
стости при длине волны К = 0,65 мк:
ГиСТ ” Х In [ 1 Ь ехтх (еС2Л ГяР;< -1 ) ] ’
98
где CYC2 — постоянные, связанные с характеристиками конкрет-
ного оборудования.
Цветовой метод измерения температуры подложки исключает
многие из причин погрешностей предыдущих двух методов (влия-
ние промежуточной среды, состояния поверхности объекта ит. д.).
При этом методе определяется цветовая температура по соот-
ношению спектральных интенсивностей излучения при двух дли-
нах:
Тцв В В ’
где А и В — постоянные;
Ь%2 — спектральные интенсивности излучения.
Истинная температура подсчитывается по формуле
т __ ____________7*цв__________
ИСТ ", т (1п^^ Ф 1пХ*-/тЧ '
цв ^(1/^-1/^)
Удельное сопротивление напыляемой резистивной пленки из-
меряется по методу «свидетеля», при котором на внешнюю изме-
рительную цепь выведены контакты «подложки—свидетеля» с из-
вестной площадью между контактами (рис. 39); «свидетель» уста-
навливается рядом с напыляемой подложкой, так что параметры
напыляемой резистивной пленки на них идентичны [87]. Напри-
мер, если отношение-у на «свидетеле» выбрано равным 4, то для
напыления на подложку резистивного слоя с ро = 250 Ом/Ц
сопротивление «свидетеля», которое должно быть выдержано при
напылении, /? — 4*250 -= 1000 Ом. Эта величина со-
противления измеряется омметром типа М-218, после чего про-
цесс напыления прекращается с помощью заслонки, расположен-
ной в установке вакуумного напыления между подложкой
испарителем.
Рис. 39. «Свидетель» для двухзондовою
измерения сопротивления:
/ — контактная площадка; 2 — ситалл
Рис. 40. Мостовая схема прн двухзон -
довом методе измерения:
^маг — сопротивление магазина соп-
ротивлений; /?св — сопротивление на
«свидетеле»; ЯЬ2 — постоянные сопро-
тивления; Г — гальванометр; Ф —
фотоэлемент
7*
99
О)
Рис. 41. Резистор с контактами:
а — на микросхеме; б — на «свидетеле»; 1 — резистивный слой; 2 — контактный слой
Рис. 42. Схема измерения четырехзондовым методом:
а — «свидетель» для четырехзондового измерения; 1 — контактная площадка; 2 — си-
талл; б — схема измерения четырехзондовым методом
Управление заслонкой может быть автоматическим. В этом
случае сопротивление «свидетеля» (7?св) включено в мостовую
схему (рис. 40).
Этот метод носит название «двухзондового» метода измерения.
Он получил наибольшее распространение вследствие своей про-
стоты. На этом методе основана работа приборов КС-1 и КС-2 [-63].
Однако двухзондовый метод вносит некоторую системати-
ческую погрешность в измерение R, которая существенно ослож-
няет контроль и управление процессом.
Эта погрешность связана, во-первых, с условиями контакти-
рования резистивных и контактных слоев при разной последо-
вательности их нанесения (рис. 41). Во-вторых, при образовании
контактных соединений пленочных элементов возможно появле-
ние интерметаллических соединений, увеличивающих переход-
ное сопротивление.
В связи с этим более перспективным является четырехзондо-
вый метод измерения, при котором исключается влияние переход-
ных сопротивлений [43 ].
«Свидетель» в этом случае имеет четыре контакта (рис. 42, а)
и включается в схему, показанную на рис. 42, б.
По сопротивлениям /?св и /?маг течет ток = /2 = 200 мкА
от стабилизированных источников тока ГТ, который не зависит
от величины этих сопротивлений и переходных сопротивлений.
100
В случае равенства /?св = /?маг мост будет сбалансирован;
потенциал точки а будет равен потенциалу точки &; срабатывает
нуль-орган, усиленный сигнал с которого подается на схему управ-
ления заслонкой.
Основная трудность в построении прибора по этому методу
состоит в создании высокостабильных генераторов тока.
Технология тонкопленочных схем совершенствовалась по мере
развития приборов для контроля толщины и скорости напыления
пленок в процессе вакуумного напыления. Для этой цели разра-
ботаны различные методы. Основными из них являются:
1. Оптический.
2. Резистивный.
3. Емкостный.
4. Ионизационный.
5. Частотный.
Имеется большое количество оптических методов измерения
толщины тонких пленок, основанных на явлениях поляризации,
интерференции, отражения и пропускания света [7].
Большинство из них пригодно для контроля пленки после ее
изготовления.
Для измерения толщины пленок в процессе их изготовления
применяют лишь метод, основанный на измерении величины отра-
жения при пропускании света пленкой, осажденной на прозрач-
ной подложке [213]. Поскольку в процессе напыления пленки
растет ее толщина, интенсивность света, проходящего через пленку,
уменьшается, а отраженного увеличивается. Изменение интен-
сивности отраженного света фиксируется фотоэлементом, на вы-
ходе которого стоит чувствительный прибор. Точность измерения
толщины пленки оптическим методом не превышает 10—15%.
Этот метод применяется только для измерения толщины тонких
полупрозрачных пленок. Пленки толщиной порядка 600 А и
выше почти полностью поглощают свет. По этой причине этот
метод для контроля толщины пленочных элементов микросхем
практически не применим.
При резистивном методе толщина напыляемой на подложку
металлической пленки контролируется по изменению сопротив-
ления контрольного образца — «свидетеля», установленного в ва-
куумной камере рядом с подложкой. Изменению толщины пленки
от 400 А до 1 мкм. для некоторых металлов соответствует линей-
ное изменение сопротивления:
1 ЯГ
где р — удельное, сопротивление материала пленки, Ом/см;
/, b — соответственно длина и ширина пленки на контроль-
ном образце, см;
R — сопротивление контрольного образца, Ом;
D — коэффициент пропорциональности.
101
Точность измерения толщины резистивным методом 5—10%,
но он применим только к проводящим пленкам.
Метод позволяет контролировать и скорость напыления пленки.
Так как на практике используют большие скорости напыления,
величина сопротивления пленок может изменяться за долю се-
кунды в значительном диапазоне (до кОм). Для управления про-
цессом напыления при таких скоростях применяются автомати-
ческие установки, которые контролируют толщину напыляемой
пленки, производят запись режимов на самописце и прекращают
напыление по достижении заданной толщины посредством вклю-
чения заслонки.
Емкостный метод заключается в измерении емкости специаль-
ного конденсатора (рис. 43), диэлектриком которого служит
напыляемая пленка [87, 159]. Этим способом можно контролиро-
вать толщину и скорость осаждения только диэлектрических
пленок. Точность измерения толщины 3—5% при ширине про-
водника и зазора 0,2 мм (прибор ЕИТ-1).
При ионизационном методе скорость напыления вещества опре-
деляется посредством измерения ионного тока паров этого ве-
щества. Для этой цели используют ионизационный манометр,
установленный над испарителем (рис. 44). Перед манометром по-
мещается заслонка, прерывающая поток паров с частотой 10—
20 Гц. Пары вещества импульсами попадают в объем ионизацион-
ного манометра. В цепи коллектора манометра протекают два тока:
постоянный ионный, характеризующий давление в вакуумной
системе, и переменный, характеризующий режим испарения.
Переменная составляющая ионного тока усиливается узкопо-
лосным усилителем и является мерой скорости испарения. Исполь-
Рис. 4з. Емкостный датчик:
1 — гребенчатые контакты; 2 — напыляемая пленка
Рис. 44. Измерение скорости напыления ионизационным манометром:
1 — ионизационный манометр; 2 — подложка; 3 — вращающаяся заслонка; 4 — экран;
5 — испаритель
102
зование токового интегратора для переменной составляющей
обеспечивает определение толщины пленки.
Этот прибор является универсальным и точным, позволяющим
производить непрерывный контроль многих сотен пленок. Он
может быть использован для стабилизации процесса напыления.
Поддержание постоянной скорости испарения обеспечивается
цепью обратной связи, воздействующей на мощность, подводимую
к испарителю. Прибор устойчив к температурным воздействиям.
К недостаткам этого метода следует отнести относительную
громоздкость схемы и необходимость тщательной градуировки
измерительного прибора для каждого вещества. Датчик крайне
критичен к воздействиям переменных магнитных полей. При на-
пылении диэлектрических пленок затруднительно измерение тол-
щины и скорости осаждения.
Достоинства ионизационного метода — высокая точность
(до 1%)#, широкие пределы измерения (от единиц до нескольких
тысяч А/с) при напылении металлических пленок.
Этот метод реализован в отечественных приборах ИСТИН,
ИСТИ-2.
Частотный метод измерения толщины пленки основан на яв-
лении изменения частоты кварцевого резонатора при увеличении
его массы. Эта зависимость определяется соотношением
А/ __ Ат у Af
fo то Y(A
где Af—изменение резонансной частоты кристалла, вызванное
осаждением на него пленки, Гц;
/о — резонансная частота кристалла, Гц;
А/и — масса осажденной пленки, г;
— масса кристалла, г;
у — плотность материала пленки, г/см3;
у о — плотность кварца, г/см3;
А/—'толщина осажденной пленки, см;
tQ — толщина кристалла кварца, см.
Экспериментально установлено, что эта зависимость линейна
и сохраняется вплоть до А/ = О,О5/о.
Толщина пленки
д, Yo^o А/ __
У/о Nfl ’
где ДО — частотная постоянная кварца.
Как видно из формулы, толщина пленки, измеренная частот-
ным методом, в основном определяется значениями А/, у и /0,
а точность измерения толщины зависит от точности измерения
этих параметров [146, 148].
Прибор для измерения толщины пленки состоит из двух квар-
цевых генераторов. Частота одного из них постоянна, частота
другого, расположенного в вакуумной камере, зависит от тол-
103
щины напыляемой пленки. Усиливается и измеряется разностная
частота генераторов АД Точность измерения определяется точ-
ностью применяемого частотомера, шкала которого отградуиро-
вана непосредственно в ангстремах. Можно также измерять раз-
ностную частоту методом нулевых биений, для чего эталонный
генератор делается перестраивающимся. Преимущество такого
способа в том, что используется постоянно одна и та же цена
деления шкалы частотомера. Это повышает точность измерений.
Но этот способ трудно осуществить практически.
| Кварц помещается в держатель специальной конструкции,
охлаждаемый водой, с экраном, препятствующим нагреву кварца
от нагревателя подложки. Температура охлаждаемого кварца за-
висит от температуры воды и не превышает 20° С.
К недостаткам метода следует отнести уход частоты кристалла
от механических сотрясений, изменения положения кристалла
в держателе или электрического контакта кварца с выводами.
Установлено, что допустимая толщина напыленной пленки на
кварцевой пластине не должна превышать 2—4 мкм. Это соответ-
ствует 20—40 напылениям пленок толщиной по 1000 А каждая.
Напыленный слой легко удаляется с кварца растворением в кисло-
те, после чего кварц может быть использован для дальнейших
измерений.
Достоинством метода является его применимость при напыле-
нии как однослойных, так и многослойных пленок. Чувствитель-
ность прибора при напылении металла 1—2 Гц/А. Погрешность
измерений не превышаете 5%. Скорость напыления для случая
испарения из разных испарителей может измеряться с точностью
el %. Этот метод универсален, т. е. позволяет измерять в про-
цессе напыления толщину любых по составу пленок. По этому
принципу работают отечественные приборы КИТ-1 и КИТ-2 [147].
ГЛАВА 3
МЕТОДЫ И ТЕХНОЛОГИЯ
ФОРМИРОВАНИЯ РИСУНКА
ТОНКОПЛЕНОЧНЫХ СТРУКТУР
1. Классификация методов формирования рисунка
тонкопленочных структур
Для создания геометрического рисунка совмещенных тонко-
пленочных элементов, образующих многослойную структуру,
можно выделить три группы методов: метод свободной маски, ме-
тод фотолитографии и метод лучевой обработки (рис. 45).
Наиболее простым методом получения заданной конфигура-
ции элементов пленочных микросхем является масочный метод,
при котором нанесение каждого слоя тонкопленочной структуры
осуществляется через специальный трафарет, с определенной
точностью повторяющий геометрические размеры топологиче-
ского чертежа микросхемы.
Трафареты, применяемые в тонкопленочной технологии, мо-
гут быть монометаллическими, биметаллическими и комбиниро-
ванными.
Для изготовления монометаллических трафаретов приме-
няют механические методы обработки: сверловка, фрезеровка,
вырубка, штамповка, расточка, ультразвуковая обработка. При-
менение этих методов ограничено относительно неточными раз-
мерами рисунка и большими отверстиями (например, они могут
быть использованы для трафаретов подслоя или защитного слоя
микросхемы). Поскольку в тонких пластинках при воздействии
инструмента возможно недопустимое искажение поверхности,
эти методы применимы для трафаретов толщиной не менее 0,2 мм
с величиной отверстий 0,3 мм и более при минимальном металли-
ческом промежутке между отверстиями 1—2 мм [43, 218].
Из механических методов изготовления монометаллических
трафаретов наиболее отработанным является метод электроискро-
вой обработки.
Для изготовления монометаллических трафаретов могут быть
применены электроннолучевая и лазерная обработка. Электронно-
лучевые и лазерные установки, разработанные и внедренные в на-
стоящее время, обладают достаточной мощностью для прорезания
отверстий и пазов в материале толщиной 100 мкм и более. С по-
мощью этих методов возможно получение отверстий в трафарете
с точностью края до 2—3 мкм. Следует, однако, отметить, что
105
Способы формup о в ан и я рисунка
Метод свободной паски
Метод фотолитографии
Методы лучевой обработки
Бипетал-
пические
паски
Копбини-
рованные
па ск и
Монопе-
талличес
кие
паски
Последо-
ватель-
ная
Обрат-
ная
Селектив-
ная
Методоп
ионного
травления
Аноднып
окисле
моем
Электро-
нолито-
графия
Рентгена
литогра-
фия
Лучевая
терпичес
кая
обработ-
ка
Фрезе-
рование
лучоп
ОКГ
Фото
кипичес
кий
петод
резистив-
ный за-
Элект-
ронно- лу-
чевое
фрезеро-
вание
Механи-
ческая
обработ
Ионно-
Проекци
о иная
Последо-
ватель-
ная
ка лучоп
ОКГ
Фото-
щитный
слой
Элект-
ронно- лу-
чевая
обработ-
Защит-
ный слой
из
слой
окисла
Металло-
ческий за
щитный
Обработ-
Типи-
ческое
трав-
ление
Элект-
p&iunu-
ческое
наращи-
вание
Элект-
роиск-
ровая
обра-
ботка
Ульт-
разву-
ковая
обра-
ботка
Сверле
ние и
фрезе-
рова-
ние
fPpoe к
ционная
Кон
тактная
зазор on
Г оло-
графия
Рис.
45. Классификация методов фор-
мирования рисунка
высокая стоимость оборудования и трудности управления процес-
сом делают эти методы изготовления трафаретов непроизводи-
тельными и неконкурентоспособными по сравнению, например,
с электроискровым или фотохимическим методом.
Биметаллические и комбинированные трафареты изготавли-
вают фотохимическим методом, при котором рисунок на трафарет
переносится со специально изготовленного прецизионного фото-
шаблона, представляющего собой стеклянную пластинку с не-
гативным или позитивным изображением рисунка, образованным
тонким слоем материала, не прозрачного для света определенной
длины волны
Различные типы фотошаблонов и технология их изготовления
подробно рассмотрены в п. 2 гл. 3. В этом же разделе рассмотрены
разновидности фотохимического метода изготовления трафаретов:
химическое травление и электрохимичёское наращивание.
Перенос рисунка с фотошаблона на трафарет, так же как и
перенос рисунка с фотошаблона непосредственно на пленочную
структуру при использовании метода фотолитографии, осуще-
ствляют с помощью ряда последовательных фотохимических про-
цессов: нанесения специальных светочувствительных материалов—
фоторезистов; экспонирования, при котором фоторезист меняет
свои свойства в местах освещения; проявления рисунка на фо-
торезисте и задубливания.
Все эти процессы вместе с травлением тонких пленок по обра-
зованному фоторезистом рельефу являются составляющими фо-
толитографии как метода получения рисунка тонкопленочных
структур.
Фотолитография может быть последовательной, селективной,
обратной и с использованием анодного окисления.
При последовательной фотолитографии операции нанесения
тонкопленочного слоя чередуются с операциями травления пленки
по защитному фоторезистивному рельефу.
При селективной фотолитографии на подложку наносятся два
или более тонкопленочных слоя, а затем в них вытравливаются
требуемые конфигурации с помощью так называемых селектив-
ных травителей, которые взаимодействуют с одним из слоев и не
взаимодействуют с остальными.
Метод селективной фотолитографии значительно повышает
производительность тонкопленочной технологии за счет возмож-
ности нанесения слоев без разгерметизации вакуумных установок
в едином цикле. Сложность метода — в подборе селективного тра-
вителя.
Метод «обратной» фотолитографии основан на применении
в качестве маски тонкого слоя легкотравящегося металла. Этот
металл напыляется непосредственно на подложку. С помощью
фото резистивного защитного рельефа в нем формируется рисунок
негативный по отношению к требуемому изображению. Фото-
резист удаляется, и на металлическую маску наносится рабочий
107
материал. При травлении материала маски, находящейся под
рабочим слоем, последний удаляется с подложки, за исключе-
нием мест, где он осажден непосредственно на подложку. За счет
этого получается резкий край рисунка. Однако технологический
процесс фотолитографии несколько усложняется.
Возможен и упрощенный метод «обратной» фотолитографии,
при котором на подложку наносится фоторезист и на нем обра-
зуется негативный рисунок требуемой конфигурации; далее на-
носится сплошной слой рабочей пленки, который удаляется с под-
ложки вместе с фоторезистом, за исключением тех мест, где он
непосредственно контактирует с подложкой или с предыдущим
тонкопленочным слоем.
Более подробно методы последовательной, селективной и
«обратной» фотолитографии будут рассмотрены в п. 3 гл. 3.
Для формирования рисунка на тонких пленках некоторых ме-
таллов, например тантала, в ряде случаев используют его пол-
ное окисление в процессе анодирования [21 ]. Защиту рельефа
тантала, образующего рисунок элемента микросхемы, осуще-
ствляют теми же фоторезистами, которые применяют в технике
прямого травления. При этом возникают следующие проблемы:
возможен электрический пробой фоторезиста и подтекание элек-
тролита под край фоторезиста. Более надежную защиту обеспе-
чивают с помощью тонкой пленки другого металла, например
алюминия. Алюминий осаждают на всю поверхность покрытой
танталом подложки и затем удаляют с участков, которые будут
подвергнуты анодированию, с помощью фотолитографии и селек-
тивного травления.
Используя электролит, пригодный для алюминия и тантала,
производят анодное окисление всей подложки, пока весь тантал
не перейдет в окисел (толщина пленки алюминия при этом должна
быть достаточной, чтобы избежать ее полного окисления). Остав-
шийся алюминий удаляется травлением в слабом травителе.
Наконец, в ряде случаев в качестве защитного рельефа исполь-
зуют окисел тантала. При этом методе анодируются рабочие
участки, а не удаляемые. Для локализации рабочих участков
можно применять как фоторезист, так и алюминиевую защитную
маску. Пленка тантала при анодировании (напряжение анодиро-
вания около 25 В) не полностью переходит в окисел.
После удаления фоторезиста или алюминиевой защитной маски
тантал травят во фтористом травителе, в котором окисел служит
маской для металла, находящегося под ним.
Преимущество первых двух методов анодирования для полу-
чения рисунка в образовании плоской бесступенчатой пленочной
структуры, что особенно важно при изготовлении многослойных
пленочных микросхем.
Применение третьего метода целесообразно в случае приме-
нения селективного травителя, не взаимодействующего с поверх-
ностью подложки.
108
Наряду с методами химического травления и анодного окисле-
ния, при которых из-за подтравливания несколько снижается
точность и разрешающая способность фотолитографии, исполь-
зуют ионное травление [66].
Метод ионного травления основан на использовании положи-
тельных ионов с высокой кинетической энергией для удаления
атомов материала, подвергающегося травлению. Поскольку
ионы бомбардируют подложку перпендикулярно ее поверхности,
эффект подтравливания не возникает (рис. 46). и точность полу-
чения заданной конфигурации элементов микросхемы повышается.
В отличие от химического при ионном травлении удаляют как
материал, подлежащий удалению, так и фоторезист, поэтому тол-
щина слоя фоторезиста должна обеспечить защиту при продол-
жительном травлении. Таким образом, ионное травление позво-
ляет сохранять полностью точность рисунка, полученного на фо-
торезисте.
Процесс переноса изображения с фотошаблона на подложку
осуществляют методами контактной, проекционной печати или
печати с зазором.
При контактной фотолитографии, наиболее распространенной
в настоящее время, фотошаблон после совмещения плотно прижи-
мается к подложке, после чего экспонируется пучком параллель-
ных лучей света в масштабе 1 : 1 (рис. 47).
Такой метод имеет два существенных недостатка: быстрый
износ фотошаблона при контакте с подложкой и необходимость
обеспечить зазор между фотошаблоном и подложкой при пере-
мещении фотошаблона таким образом, чтобы величина этого за-
зора (10—>20 мкм) не превышала глубины резкости микроскопа
при большом увеличении.
При проекционной фотолитографии указанные недостатки кон-
тактного метода отсутствуют.
В этом случае изображение проецируют на подложку через
специальный объектив с высокой разрешающей способностью
(рис. 48).
Возможны три варианта проекционной фотолитографии:
передача всего изображения фотошаблона на подложку (па-
раллельное экспонирование);
шаговое экспонирование каждой схемы на подложку (после-
довательное экспонирование);
вычерчивание изображения на фоторезисте тонким лучом,
сканированием которого управляет ЭВМ.
Третий вариант в основном используют для получения фото-
шаблонов. Наибольшее распространение получил первый вариант.
При проекционной фотолитографии срок службы фотошаблона
практически неограничен, повышается точность процесса и сни-
жается трудоемкость [44].
Проекционная фотолитография пока не находит широкого
применения из-за того, что площадь, на которой можно получить
109
Рис. 46. Методы травленил пленки:
а — химическое; б — ионное; 1 — фоторезист; 2 — окись кремния
Рис. 47. Схема контактной фотолитографии:
1 — лампа; 2 — конденсор; 3 — фотошаблон; 4 — фоторезист; 5 — подложка
Рис. 48. Схема проекционной фотолитографии:
1 — лампа; 2 — конденсор; 3 — фильтр; 4 — фотошаблон; 5 — объектив; 6 — фоторезист;
7 — подложка
изображение с высокой степенью разрешения, очень невелика.
Это ограничение особенно важно для тонкопленочной технологии,
где размер подложки 60X48 мм и выше.
Для обеспечения разрешающей способности на большой пло-
щади в настоящее время разрабатываются голографические ме-
тоды, позволяющие значительно упростить процесс фотолитогра-
фии и избежать применения высокоразрешающих объектов.
В этом смысле голография — процесс получения изображения,
при котором на светочувствительном материале фиксируется вол-
новая картина рассеянного объектом света в виде интерферен-
ционной картины, образующейся в результате наложения двух
когерентных пучков света: опорного, идущего непосредственно
от лазера и прошедшего лишь систему расширения, и отражен-
ного от объекта [215].
Схема регистрации голограммы показана на рис. 49. Когерент-
ный пучок света от лазера 1 проходит систему линз 2, 3, расши-
ряющих этот пучок. Далее широкий пучок 4 проходит через полу-
прозрачное зеркало 5 и частично в качестве опорного пучка 6
попадает на светочувствительную пластинку 7. Другая часть
с помощью зеркала 8 направляется на фотошаблон 9, который
изменяет волновой фронт пучка света. После прохождения фото-
шаблона модулированный пучок света 10 попадает также на свето-
чувствительную пластинку 7.
110
При наложении опорного и модулированного пучков в пло-
скости фотопластины образуется интерференционная картина,
которая и регистрируется светочувствительным слоем.
Такая пластинка с сетью светлых и темных полос называется
голограммой. Для воспроизведения изображения (рис. 50) го-
лограмма 2 освещается когерентным пучком света /, который ди-
фрагирует на структуре голограммы и дает два изображения ри-
сунка фотошаблона; мнимое — в плоскости Р', действительное —
в плоскости Р". Мнимое изображение 4 может наблюдаться ви-
зуально при взгляде через голограмму. Действительное изобра-
жение 3 может быть зафиксировано на фоточувствительном мате-
риале, напрцмер фоторезисте.
Все голографические методы можно разделить на две группы:
схемы записи и восстановления изображения с помощью голо-
грамм-фотошаблонов и схемы голографической мультипликации.
В первой схеме рисунок фотошаблона записывается на голограмму.
Эта схема включает оптический квантовый генератор как источ-
ник когерентного излучения, призму, которая расщепляет луч,
и линзовые системы, расширяющие луч. Схема может работать
как на пропускание, так и на отражение. Голографирование на
111
Рис. 51. Схема голографирования иа отражение:
а — установки для записи голограммы с фотошаблона; б — воспроизведение рисунка
с полученной голограммы; 1 — лазер; 2 — параболическое зеркало; 3 — расширяющая
линза; 4 — поворотное зеркало; 5 — апертура; 6 — опорный пучок; 7 — пучок, модули-
руемый фотошаблоном; 8 — фотошаблон; 9 — диск с голограммой; 10 — коллиматор;
11 — вращающаяся ромбическая призма; 12 — подложка
Рис. 52. Схема воспроизведения и мультипликации с помощью голограммы-растра:
1 — промежуточный фотошаблон с единичным рисунком; 2 — диафрагма; 3 линза;
4 — система диафрагм; 5 — голограмма-растр; 6—экраны; 7 — подложка с фоторезистом
отражение имеет преимущество по сравнению с голографированием
на пропускание, так как устраняется одна из причин дефектов—
неплоскостность подложки фотошаблона [7]. При записи голо-
граммы (рис. 51, а) луч ОКГ расширяется до диаметра 20 см и
пропускается через 12 отверстий в апертурном диске: 6 отверстий
по краям для пучков, модулируемых фотошаблоном, и 6 отверстий
в центре для опорных пучков. Пучки, проходящие через краевые
отверстия, отклоняются поворотным зеркалом, проходят через
фотошаблон и фиксируют его рисунок на голограмме [8]. Следо-
вательно, одновременно формируются 6 голограмм. Пылинки,
царапины и т. п. могут привести к появлению дефекта на любом
из изображений, но на каждом из них дефекты располагаются на
разных участках. При восстановлении все шесть изображений
накладываются одно на другое, что приводит к компенсации де-
фектов.
Для воспроизведения рисунка с полученной голограммы
(рис. 51, б) луч ОКГ расширяется до пучка диаметром 5 см и цен-
тральная его часть диаметром 2,5 см пропускается через вращаю-
щуюся ромбическую призму, сканирующую последовательно
6 голограмм. Далее пучки сходятся, что позволяет получить дей-
ствительные бездефектные изображения в нужной точке.
Вторая схема голографического мультиплицирования исполь-
зует единичный рисунок фотошаблона и универсальную голо-
112
грамму-растр (рис. 52). В качестве источника излучения в этом
случае можно применять как ОКГ, так и некогерентный источ-
ник— лампу ДРШ-500 с интерференционным фильтром.
Основная сложность при использовании голографии заклю-
чается в том, что длины волн, соответствующие максимуму из-
лучения современных лазеров, не соответствуют областям макси-
мальной спектральной чувствительности фоторезистов, поэтому
параллельно с разработкой новых ОКГ идут также разработки
новых фотополимерных материалов. Так, например, разработан
фотополимер, чувствительный к видимому или ультрафиолетовому
свету [7, 127]. Голограмма на этом фотополимере не требует обра-
ботки, поскольку материал является самопроявляющимся.
Уникальным свойством этого материала является то, что при
записи информации на фотополимер, чувствительный к ультрафио-
летовому излучению, информация может быть воспроизведена
с помощью "видимого света, к которому материал не чувствителен.
Результаты исследований подтвердили перспективность при-
менения голографии в фотолитографических процессах. Достиг-
нутое разрешение 3—5 мкм на большом поле вполне удовлетво-
ряет требованиям тонкопленочной технологии.
Однако следует отметить, что практическая реализация го-
лографического метода в технике фотолитографии находится пока
в начальной стадии.
Еще один метод фотолитографии, позволяющий увеличить
срок службы фотошаблона — фотолитография с зазором (20—
30 мкм) между фотошаблоном и подложкой [167].
При зазоре порядка 20 мкм размытость края рисунка на про-
явленном фоторезисте составляет около 2 мкм, что снижает точ-
ность фотолитографического процесса. Количественно размы-
тость края определяется контрастностью фоторезиста, которая,
в свою очередь, определяется как отношение светового потока,
при котором начинается химическая реакция в фоторезисте, к ми-
нимальному световому потоку, необходимому для экспонирования
фоторезиста. Контрастность определяется типом фоторезиста и
толщиной его слоя. Ширина размытости края на фоторезисте за-
висит от контрастности и градиента интенсивности света в крити-
ческой области. Таким образом, уменьшение размытости края
можно получить увеличением градиента интенсивности. Один из
путей увеличения градиента интенсивности состоит в использо-
вании модифицированных фотошаблонов, в которых в прозрач-
ные области добавлены узкие непрозрччные полоски (1—1,5 мкм),
как это делается, например, в дифракционных решетках.
Это позволяет повысить градиент интенсивности света в кри-
тической области в 3,5 раза и уменьшить ширину размытости края
до 0,6 мкм, что соответствует контактной фотолитографии без
зазора [66].
Факторы, ограничивающие разрешающую способность метода,
можно разделить на принципиальные, которые определяются
8 В. Д. Гимпельсон ИЗ
предельными возможностями оптики, и технические, обусловлен-
ные современным уровнем технологии.
Разрешающая способность фотолитографии определяется по
числу линий в 1 мм при равенстве ширины всех линий и зазора
между ними. Если обозначить разрешающую способность через В,
а ширину линии через L (мкм), то связь между ними определяется
выражением
D 1000
В ~ 2L •
Дифракционный предел оптической системы, согласно крите-
рию Релея, определяется соотношением
Z,raln = l,221(i)
для источника света, находящегося в бесконечности, и
^mln = 1-22^ (-д’) ( 1 + )
для определенного масштаба уменьшения Mf
где X — длина волны света;
D — диаметр относительного отверстия объектива;
f — фокусное расстояние со стороны изображения;
Lmin — минимальная ширина линии, соответствующая макси-
мальному разрешению.
Вводя числовую апертуру Л, определяемую выражением
л 1
Л = л sin -g-a,
где л — показатель преломления среды между объективом и
изображением;
а — угол между крайними лучами светового пучка, входя-
щего в отверстие объектива со стороны изображения
(апертурный угол выхода),
и учитывая соотношение для объективов
— ~2~ Dq/[q\
получим максимальную разрешающую способность
820п sin -i- а
о ____________
^тах — ' \
и минимальную ширину линий
т 0,61Х
п sin — а
114
Минимальная ширина линий для видимого света 0,15 мкм;
для ультрафиолетового — 0,11 мкм. Эти величины определяют
теоретический предел оптического разрешения фотолитографии.
С учетом свойств современных объективов даже с применением
идеального фоторезиста минимальная ширина линии по центру
рабочего поля объектива, которая может быть получена (из рас-
чета), составляет 0,2 мкм.
Кроме того, имеются геометрические погрешности, связанные
с оптической передачей изображения на подложку (астигматизм,
сферическая аберрация и т. д.), и ошибки, возникающие при опе-
рациях совмещения и размножения изображения, а также хи-
мических операций проявления, травления и т. д. Все эти погреш-
ности приводят к возрастанию величины суммарной ошибки ме-
тода оптической фотолитографии до 1 мкм.
Таким образом, уже одно химическое травление сводит на нет
преимущества проекционной фотолитографии и не позволяет
создавать элементы микросхем размером менее 1 мкм (ВтаХ =
•= 500 лин/мм).
Следует отметить, что разрешающая способность, получаемая
методом контактной фотолитографии, вполне соответствует требо-
ваниям к точности рисунка тонкопленочных схем.
Поиски же сравнительно новых лучевых методов обработки
вытекали из требований к точности рисунка полупроводниковых
интегральных схем. Тем не менее, уже сейчас на первом этапе
их разработки и внедрения целесообразно обратить на них вни-
мание с точки зрения возможностей их использования при фор-
мировании рисунка тонкопленочных микросхем, так как наряду
с высокой разрешающей способностью лучевые методы представ-
ляются перспективными для упрощения технологического процес-
са, внедрения комплексной автоматизации производства микросхем.
Лучевые методы обработки, используемые в микроэлектронике
для формирования рисунка, включают электронолитографию,
рентгенолитографию и метод лучевой термической обработки.
Электр онолитографи я — это фотолитографический процесс,
в котором для экспонирования вместо лучей видимого или ультра-
фиолетового диапазона используется электронный луч. При
электронно-лучевом экспонировании возможно получение субми-
кронных размеров. Кроме того, электронный луч обладает рядом
преимуществ по сравнению со световым. Во-первых, длина волны
электронного луча на несколько порядков меньше, чем у светового;
при этом даже на структурах с субмикронными размерами, не
наблюдается дифракционных эффектов [179, 215]. Во-вторых,
большие энергии электронных пучков позволяют производить
экспонирование специальных электроночувствительных слоев —
электронорезистов, которые не экспонируются светом.
Примером такого электронорезиста может быть полиметилме-
такрилат. На нем можно получать линии шириной до 0,1 мкм
[66, 121, 145] при нечеткости края 300 А.
8* 115
Наряду со специальными электронорезистами в электроноли-
тографии возможно применение и обычных фоторезистов [145,
235]. Чаще всего механизм экспонирования фоторезистов элек-
тронным и оптическим пучком одинаков.
В том случае, когда для экспонирования резистов используют
электроны относительно высоких энергий, механизм экспониро-
вания выглядит несколько иначе. Для того чтобы полимериза-
ция произошла надежно и на всю глубину, энергия электронов
должна быть такой, чтобы величина их пробега в резисте превы-
шала толщину его слоя.
Экспериментально определено, что в полимеризации участвуют
и отраженные от подложки электроны, что является большим пре-
имуществом электронно-лучевого экспонирования, так как позво-
ляет получить тонкие кислотостойкие слои при хорошей адгезии
к подложке.
Еще одним важным преимуществом электронного пучка яв-
ляется большая глубина фокуса, которую можно получить в элек-
тронно-оптических системах, по сравнению с оптическими. Боль-
шая глубина фокуса позволяет значительно ослабить жесткие тре-
бования к проекционным системам, связанные с местоположением
и плоскостностью подложек.
Наконец, самое главное преимущество электронолитографии,
с точки зрения ее использования в тонкопленочной технологии, —
возможность автоматического управления процессами формиро-
вания и отклонения электронного луча и сравнительно простой
стыковки электронно-лучевой установки с ЭВМ.
Это позволяет получать конфигурации элементов микросхем
непосредственно на подложке, покрытой слоем электронорезиста
или фоторезиста, без использования фотошаблонов. Особенно
важна гибкость электронно-лучевой технологии, легко перестраи-
ваемой с одной конфигурации на другую, в производстве схем
высокой степени интеграции.
Экспонирование электронным лучом может осуществляться
двумя методами [91, 97]:
экспонирование рисунка остросфокусированным сканирующим
лучом (последовательная электронолитография);
одновременное экспонирование всей схемы проецированием
широким пучком электронов уменьшенного изображения рисунка
на поверхность образца (проекционная электронолитография).
При первом методе параметры пучка — плотность тока, уско-
ряющее напряжение, диаметр — подбираются таким образом,
чтобы обеспечить необходимую дозу облучения, получить требуе-
мую ширину линий и при этом свести к минимуму тепловые воз-
действия пучка.
Время обработки при экспонировании сканирующим лучом
определяется по формуле
. Q *$обр
116
где t — время обработки, с;
Q — доза облучения, Кл/см2;
j — плотность тока в пучке, А/см2;
So6p и 5Л—площадь обработки и площадь луча соответ-
ственно.
Таким образом, время обработки резко возрастает при умень-
шении диаметра пучка, так как плотность тока при этом также
уменьшается.
На рис. 53 показана схема установки для последовательной
фотолитографии. Экспозиция каждого элемента осуществляется
путем последовательного перемещения пучка вдоль ряда точек,
необходимых для создания рисунка. Общее время создания
рисунка в этом случае складывается из следующих составляющих:
времени перехода от последней точки одного элемента к пер-
вой следующего (—1 мкс);
времени передачи команд от ЭВМ к цифроаналоговому преоб-
разователю для перемещения луча в новую точку (—2 мкс);
времени установки величины тока луча при включении
(— 10 мкс).
времени экспозиции поверхности (последнее зависит от чув-
ствительности резиста).
Время экспозиции, как это видно из вышеприведенной фор-
мулы, можно уменьшить с помощью увеличения плотности тока
пучка. В настоящее время
на промышленном обору-
довании для последова-
тельной экспозиции резис-
тов получают плотность
тока, равную 1 А/см2 для
пучков диаметром 0,1 мкм.
При этом время экспо-
зиции составляет примерно
60 мкс на одну точку.
Следует отметить, что
время, затрачиваемое на
значительное
создание ри-
сунка, ограничивает применение этого
метода. Другое ограничение метода пос-
ледовательной фотолитографии—слож-
ность точного определения положения
рисунка на пластине относительно луча
Рис. 53. Схема установки Для последовательной элек-
тронолитографии:
/ — входные данные; 2 — ЭВМ.; 3 — Цифроаналоговый
преобразователь; 4 — электронная пушка; 5 — управ-
ляющий электрод; 6 — фокусирующая катушка; 7 —
отклоняющая система; 8 — электронный пучок; 9 —
обрабатываемая подложка
117
из-за малой площади, которая одновременно обрабатывается
электронным лучом (в японских установках IEBX-2 и IEBX-4
[45, 137] она составляет 2X2 мм).
Это объясняется тем, что при больших отклонениях электрон-
ный пучок размывается, вследствие чего уменьшается разрешаю-
щая способность.
Учитывая сравнительно невысокие требования к точности
геометрических размеров рисунков тонкопленочных микросхем
(по сравнению с полупроводниковыми структурами), имеется
возможность автоматизированного перемещения столика с под-
ложкой при неподвижном электронном луче.
Несмотря на вышеуказанные ограничения метод последова-
тельной электронолитографии перспективен в связи с возможно-
стью применения машинного проектирования и автоматизирован-
ного производства тонкопленочных микросхем при сравнительно
простом оборудовании.
При проекционной электронолитографии широкий электронный
пучок проходит через шаблон и воспроизводит его изображение
на подложке, покрытой резистом. Шаблоны предварительно
изготавливаются методами фотолитографии или последовательной
электронолитографии.
В некоторых системах вместо шаблона используют специальный
фотокатод, выполненный, например, из тонкого слоя палладия,
осажденного на маску из двуокиси титана (рис. 54).
Достоинством метода проекционной электронолитографии яв-
ляется высокая разрешающая способность. При сравнительно
больших размерах элементов на шаблоне можно получить за
счет уменьшения изображения в плоскости подложки размеры
в сотни и даже десятки ангстрем.
Кроме того, метод обладает высокой производительностью.
К недостаткам метода следует отнести необходимость создания
прецизионных шаблонов и фотокатодов.
Перспектива метода электронолитографии состоит в создании
многолучевых установок с острофокусированными пучками. При
этом обработка групповой подложки размером 60 X 48 мм будет
производиться одновременно несколькими электронными пучками.
В качестве экспонирующего излучения, кроме электронного,
применяют мягкие рентгеновские лучи с короткими длинами
волн (например, 10 А). В этом случае процесс формирования
рисунка микросхем называется рентгенолитографией (рис. 55).
Шаблон для рентгенолитографии представляет собой полу-
прозрачную для рентгеновских лучей подложку, на которую
нанесен топологический рисунок в виде тонкой пленки, сильно
поглощающей рентгеновские лучи.
Минимальная ширина линии, которая может быть получена
при рентгенолитографии, зависит от расстояния между шаблоном
и подложкой S, диаметра источника рентгеновских лучей' d,
расстояния от источника до шаблона b и может достигать вели-
118
12
Рис. Б4. Схема установки для про-
е кциоиной электронолитографии:
/ — электронный пучок; 2 —
электронорезист; 3 — тонкопленоч-
ный материал; 4 — подложка; 5 —
палладиевый фотоэмиттер; 6 — мас-
ка из двуокиси титана; 7 —подлож-
ка фотокатода; 8 — отклоняющая
катушка; 9 — фокусирующие ка-
тушки; 10 — окно для ультрафио-
летового излучения; tl — источник
ультрафиолетового излучения; 12 —
отражатель
Рис. 55. Схема экспонирования
рентгеновскими лучами:
/ — подложка; 2 — резист; 3 —
поглощающая пленка; 4—подложка
шаблона; 5 — Х-лучи; 6 — мишень;
7 — электронный пучок
чины 0,25 мкм. В качестве материала мишени — источника
рентгеновского излучения — выбирают молибден, алюминий или
медь. Электроны фокусируются в пучок диаметром 1 мм. Плот-
ность тока мишени не менее 20 А/см2. Экспозиция при этом менее
10 мин. Основной трудностью в рентгенолитографии является
создание шаблона.
Для обеспечения высокой точности изображения поглощаю-
щая пленка должна быть тонкой и сильно ослаблять рентгенов-
ские лучи.
119
С учетом того, что лучшее затухание рентгеновских лучей
наблюдается в золоте, а кремний практически полностью про-
пускает рентгеновские лучи, шаблон для рентгенолитографии
изготавливается из тонкой золотой пленки, нанесенной на крем-
ниевую подложку.
Следует отметить относительную простоту оборудования для
рентгенолитографии.
Однако сложность технологии изготовления шаблонов зна-
чительно выше, чем получение шаблонов для фотокатодов.
Наконец, для формирования рисунка тонкопленочных микро-
схем перспективными представляются методы непосредственного
воздействия на тонкопленочную структуру электронными, лазер-
ными и ионными пучками, позволяющие вообще отказаться от
маскирования с помощью шаблонов и резисторов.
В этом случае используются пучки с высокой плотностью
энергии, достаточной для термического испарения материала.
Характер взаимодействия пучка с обрабатываемым материалом
определяется мощностью пучка на единицу площади пленки,
чистотой поверхности пленки, наличием окислов и т. д.
Для термического испарения используются «жесткие» режимы
обработки с большой плотностью мощности (>106 Вт/см2) и
малым временем обработки (^1 мкс).
Минимальную ширину линии Lmln, определяющую предель-
ную разрешающую способность термического метода, можно
определить по формуле
Lmln = /5^ + 4^,
где dmln — минимальный диаметр лазерного или электронного
пучка.
Практически с помощью электронных и лазерных пучков
получена ширина линии, равная 30—50 мкм (на пленках алю-
миния).
Термические электронные и лазерные пучки нашли широкое
применение в микроэлектронной технологии в такой операции,
связанной с реиспарением нанесенных материалов, как подгонка
тонкопленочных резисторов. Применение этих методов для фор-
мирования рисунка пока ограничено в связи с тем, что недоста-
точно исследованы влияние излучения на микроструктуру пленки
и подложки и возможность возникновения дефектов, обуслов-
ленных напряжениями и ударными волнами.
Применение ионных пучков позволяет использовать нетерми-
ческие процессы распыления, что предотвращает появление
дефектов в пленке и подложке и позволяет получить большую
четкость контура микроэлектронной структуры.
Ионные пучки имеют большую плотность объемного заряда
по сравнению с электронными пучками при равных значениях
плотности тока и ускоряющего напряжения.
120
Высокая плотность объемного заряда приводит к некоторому
расширению ионных пучков под действием электростатических
сил, что, в свою очередь, приводит к более низким по сравнению
с электронными пучками значениям плотности тока.
В настоящее время удалось получить ионные пучки с мини-
мальным диаметром в 200 мкм при токе I > 10"4 А, достаточном
для эффективного реиспарения материалов.
Таким образом, одной из основных задач на пути реализации
безмасочного метода получения рисунка с помощью ионных
пучков является создание ионных источников с высокой плот-
ностью тока.
2. Технология изготовления фотошаблонов
и трафаретов
Фотошаблоны — основной инструмент как для осуществле-
ния операций фотолитографии, так и для производства трафа-
ретов .
Необходимость обеспечения точности рисунка изготавливае-
мых микросхем и точности совмещения отдельных слоев микро-
схемы предъявляет к фотошаблонам жесткие требования.
Фотошаблоны должны иметь строго рассчитанный геометри-
ческий рисунок с допусками на размер элементов в пределах 1—
5 мкм для тонкопленочных микросхем и долей микрометра для
полупроводниковых интегральных схем.
Для повышения производительности фотолитографически^ про-
цессов и обеспечения групповых методов обработки фотошаблоны,
как правило, содержат несколько одинаковых рисунков.
Для получения фотошаблонов обычно вычерчивают увеличен-
ный в 10—1000 раз по сравнению с окончательным изображением
фотооригпнал, который затем уменьшают средствами фотографии
и многократно экспонируют на фотопластинку, получая групповой
эмульсионный фотошаблон. Для изготовления тонкопленочной
микросхемы необходим комплект, состоящий из 3—7 фотошабло-
нов.
Входящие в комплект фотошаблоны имеют различные, но
взаимосвязанные изображения.
Наряду с требованиями по линейным размерам весьма важной
характеристикой фотошаблонов является плотность дефектов
(царапин, проколов), что в конечном итоге определяет качество
и выход годных микросхем.
Кроме того, качество фотошаблона определяется неровно-
стью, размытостью или нечеткостью края рисунка, которые для
тонкопленочных микросхем должны быть в пределах 1 мкм [21,
43, 215].
Вычерчивание фотооригиналов, представляющих собой графи-
чески точное повторение рисунка будущего фотошаблона, произ-
121
Рис. 56. Схема ручного координато-
графа:
/ — стол; 2 — корпус поперечного
винта; 3 — каретка с инструментом;
4 — резец; 5 — винты продольной и
поперечной подачи
водится в увеличенном в
10—100 раз масштабе. Мас-
штаб увеличения фотоориги-
нала выбирают в зависимости
от размеров элементов и тре-
буемой точности изготовле-
ния трафаретов. Например,
если размер на фотошаблоне требуется выдержать с точностью
—0,003 мм, то при точности вычерчивания фотооригинала ±0,1 мм
масштаб увеличения 50 : 1 будет достаточным.
Для вычерчивания фотооригиналов применяются прецизион-
ные координатографы — столы, имеющие механизмы перемеще-
ния головки с иглонакалывателем или резцом в двух взаимно
перпендикулярных направлениях (рис. 56). Величина перемеще-
ния инструмента определяется по отсчетному устройству. С по-
мощью иглонакалывателя на лист ватмана, наклеенный на стекло,
наносятся координаты точек, по которым вычерчивается рисунок
фотооригинала.
Большую точность дает метод гравировки на плакированном
материале. В этом случае в оправку вместо иглы вставляется
резец.
В качестве материала для фотооригиналов, получаемых мето-
дом вырезания, используют полированное стекло толщиной 6—
10 мм при допустимой неплоскостности до 100 мкм, которое по-
крывают черной нитроэмалью «Экстра» слоем толщиной 30—
50 мкм.
Для лучшего отслаивания пленки после вырезания в качестве
подслоя применяют технический вазелин.
Наряду со стеклом в СССР и за рубежом широко используют
покрытые лаком полиэфирные пленки, обладающие достаточно
высокой степенью прозрачности для света длины волн 520—560 нм.
Стеклянные подложки для фотооригиналов обеспечивают бо-
лее высокую стабильность линейных размеров по сравнению
с пленочными при изменении температуры и влажности и могут
многократно использоваться.
Однако пленочные подложки с лаковым покрытием более
просты в обращении и обеспечивают возможность использования
режущего инструмента без повторной заточки.
Лаковая пленка должна отвечать следующим требованиям:
быть непрозрачной для видимой коротковолновой части спектра,
122
обеспечивать вырезание контуров резцом без отслаивания пленки
и сдвигов, а также быстрое и чистое снятие с подложки вырезан-
ных областей с сохранением хорошего сцепления со стеклом
неснятых участков пленки.
Твердость резца подбирается таким образом, чтобы он не
царапал подложку и хорошо прорезал лаковую пленку. Резец
изготавливается из износостойкой стали.
После прорезания пленки по требуемому контуру подлежащая
удалению ее часть осторожно поддевается скальпелем и удаляется
пинцетом.
Точность изготовления фотооригинала, достигаемая таким
методом, зависит от качества резца, субъективных факторов,
а также от точности самого координатографа.
Точность современных координатографов с учетом погреш-
ностей установки резца, точности перемещения ходовых винтов
и т. д. достигает —0,025 мм/
Поскольку процесс создания фотооригинала один из самых
трудоемких, разработаны координатографы с программным управ-
лением. Программу после выполнения операции вырезания хранят
в памяти вычислительной машины до появления необходимости
повторного использования.
Все изготавливаемые оригиналы одного комплекта (одной
микросхемы) должны иметь базовые отметки для последующего
совмещения, выполненные с максимальной точностью.
В табл. 14 представлены отечественные и зарубежные коор-
динатографы и их основные характеристики.
Контроль точности изготовления фотооригиналов произво-
дится с помощью часовых проекторов, компараторов или с по-
мощью микроскопа и проектора, установленных непосредственно
на каретке координатографа.
Кроме метода вырезания на плакированном материале, приме-
няется также наклеивание черной липкой ленты на специальную
доску и набор плоских фигур из белого непрозрачного полиэти-
лена, вставляемых с помощью штифтов в точно просверленные
отверстия наборной доски. Однако эти методы уступают методу
вырезания по точности.
Для получения фотошаблонов фотооригинал фотографируют
специальными редукционными камерами с применением высоко-
разрешающей оптики и специальных фотопластин с высокой чув-
ствительностью, контрастностью и разрешающей способностью.
Одно из основных условий получения качественного фото-
шаблона — согласование по спектру излучения источника и
спектральной чувствительности фотослоя.
Основными характеристиками фотоматериалов являются све-
точувствительность S, коэффициент контрастности у, плотность
вуали D, разрешающая способность R (табл. 15) [1661.
Для фотошаблонов полупроводниковых интегральных схем
используют фотопластины с еще большей разрешающей способ-
123
14. Основные характеристики координатографов
Страна, фирма Модель Тип координатографа Размер оригинала, мм Мини- мальный шаг, мкм Точность, ± мкм Т очность повторе- ния , i мкм Скорость переме- щения по осям X, У, мм/с Тип головки самописца
СССР ЭМ 701 ЭМ 707 ЭМ 703 ЭМ 706 Ручной. Декартова си- стема координат Ручной. Смешанная си- стема координат Автоматический Полуавтоматический 750X750 800X800 1200Х 1200 1200Х 1200 900Х 1500 — 50 25 — Резец, годограф
25 100 25
ГДР Карл Цейсс Картимат Автоматический 30 — 35
Швейцария Демерт Аристомат 1400Х 1800 1200Х 1400 1250Х 1250 — 100 50 75 50 25 30 30 22,5 20 Резец, фотоголовка
>-ФРГ Цузе ZG-4
Япония Дайнипон Скрин MPG
США Каради Гербер Унитекс КДВ-16133 КДВ-20133 40 740 8746 8748 8750 Ручной 1625X1320 2006X1320 25,4 20 10 — Резец
Автоматический 355,6Х 508 381X609,6 12,7 12,5 12,5 63,5 Резец, фотоголовка, вращающийся нож
1193,8X1298 1498X2006 2006X2590 50,8 50,8 25,4 50 25 203,2
ФРГ Аристо А Е Г-теле' функен 4438 8448 NCT-2021 Ручной 850X850 1200Х 1500 20 50 20 25 66 Резец
Автоматический 720 X 500 10,0 5 200 Резец, годограф, фотоголовка
15. Основные характеристики фотопластии,
применяемых для изготовления фотошаблонов
Тип фотопластин Чувстви- тельность S Плот- ность Do Коэффициент контраст- ности у Разрешающая способность ^шах’ лин/мм
ЬР-(Орво, ГДР) 1,2- 10“ 2 0,12 4,0 600
ВР (СССР) 6-10‘3 0,08 3,5 1050
Сухой коллодион (СССР) з- ю-3 0,03 5,0 1200
HRP (Кодак, США) 5-10-3 0,03 3,5 1500
8 Е56 (Агфа—Геверт, Бель- гия) 8-10-2 0,02 4,5 1500
16. Основные характеристики репродукционных объективов
Страна, фирма Модель Фокусное расстояние, мм Относитель- ное отверстие Разрешающая способность, лин/мин Размер поля, мм
Ультра— 155 I : 4 200 0 80
Япония —Микро— 150 I : 5,6 150 64X95
—Никор 105 I : 2,8 400 0 24
Эра-7 105 I ; 2,8 500 (край — 450) 0 20
СССР Эра-13 150 1 : 4,5 320 (край — 300) 0 45
Эра-15 125 I : 4,5 320 (край — 300) 0 45
20 1 : 1,5 1200 0 3,2
Франция Церко — 105 I : 7 400 (край — 250) 0 50
150 1 : 5,6 250 (край — 180) 0 120
ФРГ Оптон — 190,3 1 : 4 450 0 90
США Су пер бел ь- тер 35 — 200 10X10
125
ностью (до 2000 лиН/мм). Это пластины марок СРБШ (СССР),
KHRP фирмы «Кодак» (США) и Микронмаск фирмы «Агфа Ге-
верт» (Бельгия) [189, 215].
Следует отметить, что все характеристики фотопластин в зна-
чительной степени зависят от режимов обработки материалов при
проявлении экспонированного изображения (рис. 57).
Применяемые фотопластины определяют выбор источника
освещения при фотографировании.
Требования к освещению при фотографировании фотоориги-
нала большой площади (до 1200 X 1200 мм) делают необходимым
применение световых табло из люминесцентных ламп с соответ-
ствующим подбором люминофора для усиления излучения в нуж-
ной области.
Можно использовать также лампы дневного света и лампы
накаливания.
Для равномерности освещения применяют диффузные экраны
(например, молочное оргстекло).
Важнейшим звеном в процессе получения точных фотошабло-
нов является применение высокоразрешающих объективов
(табл. 16), основными характеристиками которых являются: отно-
сительное отверстие, фокусное расстояние, поле зрения, предел
разрешения и качество изображения [5, 43, 151.
Эти характеристики взаимосвязаны.
Наименьшее расстояние между двумя линиями изображения,
разрешаемое идеальным объективом, зависит от относительного
отверстия и определяется по формуле
/ -= 1,221-^-,
где X — длина волны света;
f — фокусное расстояние;
D — диаметр отверстия объектива.
Разрешающая способность в линиях на 1 мм при длине волны
X — 560 мкм
R - 1470у-.
126
17. Основные характеристики редукционных камер
Страна» фирма Модель Максимальное рабочее поле оригинала, мм Размеры фотопластн- ны, мм Кратность уменьшения, крат Условия освещения оригинала Точность перемещения фотопластииы в плоскости изображения, 4- мм Точность контроля размеров изображения, ± мм
СССР ЭМ-503А ЭМ-513 750X750 1200Х 1200 90Х 120 60X90 20, 30, 100 30, 40, 50 Проходящий свет 0,002 0,002
ГДР Карл Цейсс RK-30 — 24 X 36 30X30 70Х 70 51X51 30 Отраженный и прохо- дящий свет — —
Япония Дайниппон Скрин С-501 С-503 1200Х 1200 1000Х 1000 15X51 102Х 127 50X50 64X64 25, 10, 60 30, 40, 20, Ю Проходящий свет 0,005 0,001
ФРГ Климш Микроника-Е 1500X 1500 78X39 10—100 со спе- циальными объекти- вами Отраженный и прохо- дящий свет 0,001 0,001
США Дэвид Манн XLC 1503 Декакон-Ш 1000Х 1000 1016Х 1016 51X51 64X64 203Х 254 127Х 127 63X63 50X50 10—20 13—25 25—50 3,5—13 Проходящий свет 0,005 0,0025
Промежуточный
фотошаблон /
Окончательное
уменьшение и
мультипликация
Первичное
уменьшение
Контактное
перепечаты-
вание
5)
а)
шаблон затем мультиплицируется с
Рис. 58. Схемы технологических про-
цессов уменьшения изображения:
а — многоступенчатая; б — односту-
пенчатая
Таким образом, для повы-
шения разрешающей способ-
ности требуются объективы
с большим относительным
отверстием.
С другой стороны, глу-
бина резкости обратно про-
порциональна относитель-
ному отверстию.
В результате первичного
отсъема специальной редук-
ционной камерой, как пра-
вило, получается промежу-
точный фотошаблон, пред-
ставляющий собой увеличен-
ное изображение одной схе-
мы. Промежуточный фото-
одновременным уменьшением
на фотоповторител ях.
В табл. 17 представлены основные технические характеристики
отечественных и зарубежных редукционных камер, используемых
в промышленности.
В случае, если не требуется особой точности рисунка или
когда требуемый размер фотошаблона получается при первом
уменьшении, мультиплицирование осуществляется непосред-
ственно редукционной камерой, для чего в камере имеется возмож-
ность перемещать фоточувствительную пластину в процессе
съемки. Кроме того, с помощью встроенного микроскопа на
редукционной камере возможно непосредственное измерение полу-
чаемого в процессе пересъема изображения с точностью 1 мкм.
Современные фотоповторители обеспечивают точность до
0,2 мкм.
Для простых изображений при невысоких требованиях к точ-
ности линейных размеров фотошаблона возможно использование
растровых редукционных камер, в которых размноженное изоб-
ражение получается непосредственно при пересъеме за счет спе-
циальных многолинзовых или многоотверстных структур [166].
На рис. 58, а показана схема технологического процесса
многоступенчатого уменьшения. Схема одноступенчатого умень-
шения с использованием растровой многолинзовой редукционной
камеры показана на рис. 58, б.
128
Рис. 59. Схема одиопози-
ционного фотоповторителя:
/ — источник света; 2 —
конденсор; 3 — объект (про-
межуточный оригинал); 4 —
объектив; 5 — фотопласти-
на; 6 — плита координат-
ного стола; 7 — измери-
тельная система; 8 — си-
стема управления работой
блока экспонирования
Рис. 60. Схема миогопози-
циоииого фотоповторителя:
/ — источник света; 2 —
конденсор; 3 — объект; 4 —
объектив; 5 — фотопластииа;
6 — плита координатного
стола; 7 — измерительная
система; 3 — система управ-
ления работой блока экспо-
нирования
Вторичный отсъем с окончательным уменьшением и мульти-
плицированием изображения является важнейшей операцией
технологии изготовления фотошаблонов. Эта операция выпол-
няется на фотоповторителях, основные требования к которым —
высокая разрешающая способность и высокая точность мульти-
пликации [7].
Конструктивно фотоповторитель представляет собой обра-
щенный микроскоп, проецирующий изображение промежуточного
фотошаблона на фотопластину, которая перемещается относи-
тельно неподвижной оптической системы; в соответствии с задан-
ной программой мультипликации на фотопластину многократно
экспонируется изображение промежуточного фотошаблона
(рис. 59).
Поскольку для изготовления одной микросхемы требуется
комплект из нескольких совмещенных фотошаблонов, в большин-
стве случаев целесообразно использование многопозиционных
фотоповторителей, в которых несколько проекционных систем,
жестко связанных друг с другом, объединены в единый блок,
размещенный над прецизионным координатным столом (рис. 60).
9 В. Д. Гимпельсон 129
18, Основные характеристики фотоповторителей
Страна» фирма Модель Максимальное перемещение стола» мм Метрологи- ческая (абсолютная) точность позициони- рования » + МКМ Воспроиз- водимость позицио- нирования, ± мкм Количество позиций Степень автоматизации Кратность уменьше- ния Размеры промежуточного оригинала, мм
СССР ЭМ-505А ЭМ-510 ЭМ-515А ЭМ-522А ЭМ-525 ЭМ-528 ЭМ-552 50X50 2 3 2,5 0,2 0,25 10,0 0,5 1 1 0,25 0,2 0,25 0,5 1 9 6 1 6 1 1 Полуавтомат 10 50X 50, 60X 60, 70X70 50X 50, 70X 70 70X70 50 X 50, 70 X 70 32X32 90Х 120
Автомат
80X80
20, 10, 4 10 2 10,4
450 140X140
ГДР Карл Цейсс ANP-3 ANP-4 42 54 2 0,15 9 15, 10, 6 50X50
Япония Дайниппон DSC-51-S1 DSC-51-S6 DSC-511-S6 DSC-51-SA-S6 DSC-512-W4 DSC512-W6 DSI of America 50 3 1,5 0,75; 1,0 2 1 1 Полуавтомат 10
6 Автомат 10,4
60 50 70 70 254 0,25
0,75
4 62X62
6
0,5 10 50X50
Страна, фирма Модель Максимальное перемещение стола, мм Метрологи- ческая (абсолютная) точность позициони- рования , i мкм
Голландия Филиппе — 80 —
1080 60 1
1280 — 1,27
США
Дэвид Манн 1480
1680 100 2
1795 2
3095 0,2
ITT Лиммс
Варадин Имаже Ентеризес Оптомеханизм — 125 80 —
LSI-610 80
Белл —
Иаде 4M-10A-XVL-6 4M-4XVL 100 1 0,25
Продолжение табл. 18
Воспроиз- водимость позицио- нирования, ± МКМ Количество позиций Степень автоматизации Кратность уменьше- ния Размеры промежуточного оригинала» мм
0,2 Автомат 20, 10, 4 50X50
1080-1 1080А-4 1080В-6 6 1480-1 1480А-4 1480В-6 6 1795-1 1, 4, 6 Полуавтомат 10,3 30X30
10 50Х 50
0,25 Автомат 62X62
9 4 4 50Х 50 50Х 50, 62Х 62 50X50, 62X62
1. 4, 6 1 10,4 10 50Х 50 62X62
0,12
0,25 6 1.4 10,4 10 50X50
В этом случае все фотошаблоны одного комплекта будут иметь
одинаковые шаговые погрешности и характеризоваться повышен-
ной точностью совмещения. Тем не менее, для особо точных работ
многопозиционные повторители оказываются менее эффективными
из-за появления таких ошибок, как, например, аберрация разных
объективов одного фотоповторителя, погрешности координатного
стола и т. д.
Поэтому наиболее точные фотоповторители чаще всего одно-
тубусные. Их точность в настоящее время достигает 0,1—0,2 мкм
(табл. 18).
В результате вторичного отсъема и мультипликации полу-
чается так называемый групповой эталонный фотошаб-
лон [172].
Контактной фотопечатью с него снимаются копии — рабочие
фотошаблоны, поступающие на операцию фотолитографии.
Таким образом, процесс изготовления фотошаблонов является
чрезвычайно трудоемким и длительным.
Возрастающие требования к мобильности технологии, рост
номенклатуры производства интегральных схем и особенно тре-
бования, связанные с необходимостью изготовления сложных
коммутационных плат для БГИС, потребовали упростить процесс
изготовления фотошаблонов.
Так, на смену координатографам и редукционным камерам
приходят генераторы изображений — устройства, изготовляющие
в соответствии с информацией, поступающей, например, от ЭВМ,
промежуточные фотошаблоны [172, 182].
В настоящее время применяют три способа генерирования
изображений: микрофотонабор, фотомонтаж и сканирование с по-
элементной разверткой.
При микрофотонаборе топологический рисунок набирается
из отдельных элементов прямоугольной формы, размеры и разво-
рот которых могут варьироваться. В соответствии с вводимой
информацией эти элементы последовательно экспонируются на
фотопластину.
Фотомонтаж характеризуется наличием стандартных фраг-
ментов будущего рисунка, которые также последовательно экспо-
нируются в нужных местах фотопластины.
Сканирование с поэлементной разверткой аналогично формиро-
ванию изображения в телевизионных трубках. Основным недо-
статком этого метода является сложность управления и трудность
обеспечения достаточно высокой точности. Тем не менее метод
весьма перспективен для сложных коммутационных фотошабло-
нов [173]. Использование генераторов изображения позволило
сократить число этапов в процессе изготовления фотошаблонов
и заменить крупногабаритные фотооригиналы перфолентами и
перфокартами.
Технические характеристики отечественных и зарубежных
генераторов изображения приведены в табл. 19.
132
19. Основные характеристики генераторов изображения
Страна» фирма Модель Диапазон перемещения координатного стола по X, Y Точность ПОЗИЦИ- рования, ± мкм Воспроиз- водимость ПОЭИЦИ- роваиия, ± мкм Дискрет- ность перемеще- ний, мкм Размер пластины, мм Источник экспонирования Рабочая длина волны, им Крат- ность уменьше- ния
ЭМ-508 ЭМ-5Н 40X40 1,5 1,0 2,0 2,5 1 1 ! 25
ЭМ-518 48X60 2,5 — 10 70X70 1 1 '°
СССР ЭМ-519А 75X75 1,5 0,5 1,0 Ртутно- кварцевая лампа 405—436 ! 10; 2
ЭМ-519Б 80X80 0,5 ! Ю; 4
ЭМ-533 80 X 100 1,5 0,2 0,5 80X100 ! 10; 4; 2
ЭМ-527 80X80 0,2 2,0 80X80 1 ! 1 10
ЭМ-549 140Х 140 0,5 1 — 10; 4; 2
Япония Кокусай Электрик PG-3000L 130 0,5 0,2 — 100Х 120
Ниппон — 1 —
США 1600 — 1,25 6,25 Импульсная 546 10
Дэвид Манн 2600 100Х 120 лампа
Варадине Электр о- оптикаль 127 0,25
Оптомеханизм LSI-800 100 50X50
Цирекс 1001 50 2,5 — -
Дэвид Манн 3000 — 0,25 — 1,0 100X100 Ксеноновая । лампа 1 —
При использовании генераторов размеры промежуточных фо-
тошаблонов определяются не полем проекционного объектива,
а рабочим полем координатного стола, которое можно увеличи-
вать, не ухудшая четкости рисунка на всем поле фотошаблона.
Для увеличения стойкости при контактной печати в серийном
производстве получили распространение металлизированные рабо-
чие фотошаблоны, имеющие на порядок более высокую стойкость
по сравнению с эмульсионными. Изготовляются они на стекле,
покрытом тонким слоем хрома. Пленка хрома покрывается фото-
резистом, который через эталонный фотошаблон экспонируется,
проявляется, задубливается, после чего проводится травление
хрома.
Кроме экономических преимуществ, хромовые фотошаблоны
обладают высокой разрешающей способностью, которая связана
в первую очередь с уменьшением толщины слоя хрома по сравне-
нию с толщиной эмульсии на обычных фотопластинах (хром —
0,1 мкм, фотоэмульсии — 4 мкм).
Стеклянные подложки, используемые для изготовления хроми-
рованных рабочих фотошаблонов, должны отвечать высоким
требованиям по однородности состава, прозрачности, механиче-
ской прочности к истиранию. Кроме того, стекло должно легко
шлифоваться и полироваться.
Перечисленным требованиям в наибольшей степени отвечает
отечественное стекло марки К-8 ГОСТ 3514—54. В США исполь-
зуют боросиликатное стекло марки 7059.
Допустимая неплоскостность стеклянных подложек для рабо-
чих фотошаблонов, предназначенных для тонкопленочных микро-
схем,— до 10 мкм. Размеры пластин 70 X 70 X (1,5— 7,0) мм
и 90 X 90 X (5— 10) мм [215].
Хром, используемый для фотошаблонов, — высокой степени
очистки, электролитический, рафинированный в водороде.
Передвакуумным напылением хрома стеклянные подложки тща-
тельно очищаются от органических и механических загрязнений.
Существует несколько способов очистки.
Некоторые источники [2151 рекомендуют следующую техноло-
гию: обработка в горячем растворе 10 %-ной перекиси водорода
с добавкой 25%-ного аммиака (20 мин); промывка в деионизован-
ной воде— 10 мин; отмывка серной кислотой в ультразвуковой
ванне— 10 мин; промывка в проточной деионизованной воде;
сушка на центрифуге.
В других источниках [38] предлагают очищать стеклянные
подложки в щелочи, хромовой смеси и парах изопропилового
спирта, а также подвергать подложки термической обработке
при температуре 400—420° С в вакуумной камере непосредственно
перед напылением пленки.
Возможна также обработка в тлеющем разряде в вакуумной
камере при остаточном давлении 1-Ю"1—8-Ю"2 мм рт. ст.,
напряжении 2 кВ, токе 0,35 А, в течение 30 мин.
134
Напыление пленки хрома производится в высоком вакууме
(до 1-Ю"6 мм рт. ст.) при скорости напыления 5—10 А/с пред-
почтительно с использованием планетарного вращения подложек
для получения равномерной по толщине пленки и подавления
роста крупных кристаллов.
Экспериментальные данные показали, что пленки, осажденные
при температуре подложки 100° С, имеют, как правило, наимень-
шую пористость: 0—2 микропрокола на 1 мм2. Хорошие резуль-
таты дает двухслойное нанесение пленок хрома с извлечением на
воздух после нанесения первого слоя. Видимые проколы в таких
пленках не наблюдаются.
Фотолитография (см. п. 3 гл. 3) пленок хрома — один из
важнейших процессов, определяющих качество фотошаблона.
Для фотолитографии хрома используются позитивные фоторе-
зисты толщиной 0,3—1 мкм [120, 215].
При использовании позитивного фоторезиста хром травится
в разбавленной соляной кислоте (1 : 1). Недостатком этого тра-
вителя является большая скорость травления, что затрудняет
контроль процесса и определение момента его окончания.
Была исследована возможность травления хрома в насыщен-
ном и концентрированном растворах А1С13 [217].
Действие этих растворов основано на образовании в резуль-
тате гидролиза соляной кислоты, растворяющей пленку хрома.
Исследования показали, что хромированные фотошаблоны,
полученные травлением в растворе А1С13, имеют высокое каче-
ство, что объясняется снижением скорости реакции растворения
хрома (почти в 6 раз) и возможностью контролировать процесс
травления. Наличие окислов хрома обусловливает увеличение
длительности травления пленок. Это необходимо учитывать при
выборе режима формирования двухслойных пленок. Вынос на
воздух, прогрев в вакууме до температуры осаждения второго
слоя приводят к частичному окислению первого слоя. Поэтому
двухслойные пленки всегда травятся послойно. Общее время
травления двухслойных пленок 1—2 мин.
Значительная окисленность пленок хрома и снижение каче-
ства хромовых фотошаблонов могут быть вызваны недостаточной
очисткой подложки, наличием на ней адсорбированных газов и
паров воды, низкой скоростью осаждения хрома и заполнением
вакуумной камеры после напыления* воздухом при сравнительно
высокой температуре подложки.
Поскольку пленка хрома на стекле тонка, во время травления
ширина линии рисунка (в) не будет увеличиваться более чем
на 0,1 мкм с каждой стороны. Оптическая плотность D рисунка
изменяется от нуля на прозрачных (вытравленных) участках
до полной плотности непрозрачного хрома на длине 0,1 мкм.
Фотоэмульсионный шаблон имеет фоновую вуаль на прозрач-
ных участках и переход к полной плотности на длине 2 мкм
(рис. 61).
135
Рис. 61. Сравнение градиентов оптичес-
кой плотности на краях рисунка фото-
шаблона (ширина линии 5 мкм, толщина
пленки хрома 0,5 мкм);
1 — в хроме; 2 — в фотоэмульсии
Рис. 62. Ширина линии рисунка в зависи-
мости от времени экспозиции:
/ — заниженная; 2 — нормальная;
3 — завышенная
Рис. 63. Характеристика пропускания
идеального прозрачного фотошаблона
При перепечатке хромовых фотошаблонов с эмульсионного
фотошаблона для получения требуемых размеров рисунка необ-
ходимо точно подобрать время экспонирования. Для этого на одном
фотошаблоне экспонируют последовательно отдельные области
с увеличением времени экспонирования. Затем фотошаблоны
проявляют, травят и измеряют один из размеров. Данные наносят
на график (рис. 62). Оптимальное время может быть определено
в точке пересечения кривой с осью ординат.
Наряду с хромом для фотошаблонов применяют и другие
материалы, исключающие его недостатки. Было бы, например,
желательно устранить паразитное отражение света и обеспечить
возможность визуального контроля за совмещением через непро-
зрачные области. Это достигается в том случае, если материал
имеет высокую оптическую плотность в ультрафиолетовой области
спектра и низкую (высокое пропускание) в красной видимой
области спектра (так называемые ^«красные» фотошаблоны) (см.
рис. 63).
Так, например, фирма «Кодак» (США) разработала метод
получения таких шаблонов путем проявления с использованием
специальных красителей 15]. По этому же пути пошла фирма
Квалитрон (США)^ДЗ! ].
136
Однако эти фотошаблоны обеспечивали малую износоустой-
чивость и разрешающую способность. В 1969 году появились
сообщения о разработке транспарентных (полупрозрачных) фото-
шаблонов на основе органических материалов 12241 и на основе
пленки из окислов металлов [237 ] и, в первую очередь, на пленке
окисла железа Fe2O3, получаемой методом реактивного распы-
ления.
Пленки Fe2O3 имеют хорошее пропускание в области видимого
спектра, а в области длин волн 490 мкм пропускание практически
равно нулю. Это позволяет осуществлять совмещение, наблюдая
изображение на подложке непосредственно через пленку, которая
визуально имеет желтую окраску с хорошо различимыми кон-
турами топологии.
В связи с трудностями химического травления пленок Fe2O3
исследуется возможность использования пленок Fe2O3 + V2O5.
Хорошие результаты дает также метод ионного травления пленок
Fe2O3.
Контроль фотошаблонов включает измерение линейных разме-
ров и оценку количества дефектов.
Измерение линейных размеров на фотошаблоне — одна из
самых трудоемких и ответственных операций. Как правило, изме-
ряют базовые размеры фотошаблона, шаги мультиплицирования,
точные размеры наиболее ответственных элементов схемы по
краям и в центре фотошаблона, а также совмещаемость элементов
в комплекте фотошаблонов на одну схему.
Для измерения линейных размеров от 10 мкм и выше приме-
няют часовые проекторы типа ЧП-2 или универсальные измери-
тельные микроскопы типа УИМ-23 или УИМ-25. Размеры менее
10 мкм измеряют на микроскопах типа МИИ-4, МИМ-7
и т. д.
Проверка совмещаемости может производиться подсчетом сум-
марной ошибки отдельно измеряемых фотошаблонов [1841 или
при попарном измерении фотошаблонов с помощью двойного
микроскопа типа МС-51 или установки ПКФ-1.
Дефекты фотошаблонов чрезвычайно разнообразны как по
виду, так и по причинам их возникновения. Сюда входят и цара-
пины на стекле, и проколы на пленке хрома, и невытравленные
участки, и островки хрома на прозрачных областях. Большинство
этих дефектов обнаруживается визуально. Так, например, невоо-
руженным глазом могут быть обнаружены проколы на хроме
размером 2,5 мкм.
Используя микроскоп, можно обнаружить проколы менее
0,1 мкм.
Трудоемкость отыскания и подсчета дефектов фотошаблона
заставляет искать новые методы контроля и создавать специальное
контрольное оборудование.
Одним из примеров может служить метод пространственных
фильтров [207].
137
Сущность метода заключается в том, что с помощью обычного
высокоразрешающего объектива в его фокальной плоскости об-
разуется разложение периодической структуры фотошаблона на
гармонические колебания, соответствующие разложению в ряд
Фурье.
Своеобразная световая фигура, отражающая периодическую
структуру фотошаблона, фиксируется на фотопластину, которая
служит пространственным фильтром, задерживающим все лучи,
идущие от периодической структуры фотошаблона, и пропускаю-
щим лучи, идущие от непереодических дефектов. После соответ-
ствующего восстановления изображения можно наблюдать только
изображения дефектов.
Более удобным представляется использование микротелеви-
зионного анализатора Глассимат фирмы «Лейтц» (ФРГ). Яркое
увеличенное изображение фотошаблона, полученное с помощью
объектива высокого разрешения и телевизионного монитора,
анализируется встроенной ЭВМ, выдающей информацию о наличии
дефектов и их плотности по полю фотошаблона.
Как уже отмечалось, одним из самых распространенных мето-
дов получения рисунка микросхем является метод «свободной
маски», который базируется на использовании специальных
металлических трафаретов.
К трафарету предъявляют ряд специальных требований,
определяемых условиями его эксплуатации. Трафарет должен:
обладать жесткостью и упругостью, чтобы при нагреве в про-
цессе напыления не деформироваться;
быть достаточно тонким, чтобы не образовывать затенения
при напылении;
иметь минимальные неровности в плоскости для плотного
прилегания к подложке;
выдерживать достаточно высокую температуру (до 400° С)
при вакууме порядка 10~6 мм рт. ст. без заметных деформаций;
иметь малые остаточные напряжения и коэффициент линей-
ного температурного расширения, близкий к материалу подложки.
Кроме того, материал масок должен иметь низкое давление
собственных паров и обладать минимальной газоотдачей.
Этим требованиям отвечают сплавы меди, сталь, молибден,
бериллиевая бронза.
При изготовлении монометаллических масок применяют метод
фотолитографии и электрохимического наращивания.
В этом случае на полированную пластину из нержавеющей
стали наносят фоторезист, экспонируют через фотошаблон и
проявляют.
Изолирующий рисунок на поверхности пластины соответствует
будущим местам отверстий на трафарете.
На открытые же места пластины гальваническим способом
наращивают слой меди или никеля толщины от 0,05 до 0,1 мм
и затем отделяют полученный трафарет от пластины.
138
С одной пластины можно, таким образом, получить несколько
трафаретов.
Этот метод не нашел широкого применения, так как:
необходимая точность трафарета может быть достигнута лишь
при очень тонких (непрочных) гальванических слоях;
ограничена возможность получения трафаретов со сложной
конфигурацией из-за возможности повреждения при отделении
от пластин;
производительность метода небольшая в связи с длительностью
электрохимического наращивания.
Более простым и производительным является метод фотохими-
ческого травления (фрезерования) (рис. 64), при котором неза-
щищенные места заготовок растворяются, в результате чего
в трафарете получаются отверстия.
Этим способом изготавливают маски из молибдена, тантала,
вольфрама, обладающие повышенной жесткостью, механической
прочностью и термостойкостью.
Монометаллические трафареты, полученные методом фотохи-
мического травления, применяют редко из-за растравливания
материала (величина подтравливания приблизительно равна глу-
бине травления) и ограниченной точности перенесения рисунка
с фотошаблона (до 5—15 мкм).
Для устранения подтравливания применяют биметалличе-
ские трафареты, в которых один слой, более толстый (100—
150 мкм), служит основой и обеспечивает механическую проч-
ность маски; другой слой, относительно тонкий, является соб-
ственно трафаретом и обеспечивает точное воспроизведение ри-
сунка трафарета.
В качестве основы биметаллического трафарета применяют,
как правило, пластины из бериллиевой бронзы БрБ2 толщиной
0,1—0,15 мм; в качестве маскирующего слоя—никель (7—
10 мкм), наносимый на пластины методом электрохимического
осаждения (рис. 65).
Биметаллические маски характеризуются высокой точностью
изготовления рисунка и относительной простотой технологиче-
ского процесса.
В настоящее время это самый распространенный метод полу-
чения трафаретов для тонкопленочных микросхем.
Основными недостатками биметаллических трафаретов яв-
ляются: непрочность нависающих слоев никеля, возможность
подпыления и «зарастания» щели при напылении материалов,
обладающих хорошей адгезией к бронзе, и коробление в процессе
напыления в результате разности коэффициентов линейного рас-
ширения бронзы и никеля.
Некоторые из этих недостатков отсутствуют при изготовлении
трехслойных трафаретов (рис. 66).
Трудность метода заключается в изготовлении зеркальных
фотошаблонов для двустороннего формирования рисунка и точ-
139
a) EZZZZZZZZZZZZ^a
Негативный фоторезист
6) i/7777/7/777777771
УФ-свет Фотошаблон
|S I l\ l I I I I
а? Г Y'
г) \///7/>/77////7/Д
д) У/7//Ау777А//777,\
''Пан
Растравливание^
е) |wa‘ 'т7777\
ж; РАУ А ' 177777
a) VZZZZZZZZZZZZZZZZ2
Негативный фоторезист
б)
Фотошаблон
I l\ I I I t » I I
в) МШМШЯ
г)
Никель Лак
б)
е) \’7///>7777?77777\
*> [7777k' rLV/A|
Подтравливание
3) \>777Л' Ш/У/Л
a) V/7/777/7777777777
б)
УФ-свет Фотошаблон
> I 1I \| I III
1/1 I м ♦ f ♦ I
Зеркальный фотошаблон
г) EZZZZ^^ZZZCT
д) [^77/7^^7///А]
Никель
е) [У777/А^77^7/7гл]
ж) [V7777l\
Рис. 64. Схема фотохимического метода изготовления монометаллических трафаретов:
а — заготовка; б — нанесение фоторезиста; в— экспонирование; г — проявление; д —
нанесение лаковой защиты; е — травление; ж — удаление фоторезиста и защиты
Рис. 65. Схема изготовления биметаллических трафаретов:
а — заготовка; б — нанесение фоторезиста; в — экспонирование; г — проявление; д —
электрохимическое нанесение никеля; е — удаление фоторезиста; ж — селективное трав-
ление металла основы маски; з — удаление лаковой защиты
Рис. 66. Схема изготовления трехслойных трафаретов:
а — заготовка; б — двустороннее покрытие негативным фоторезистом; в — экспониро-
вание; г — проявление; д — электрохимическое нанесение никеля; е — удаление фото-
резиста; ж — травление и получение готовой маски
ном их совмещении (не хуже 3—5 мкм) в процессе двусторонней
печати (рис. 67).
Зеркальные фотошаблоны изготавливаются обычно фотохими-
ческим травлением хрома, нанесенного на стекло методом вакуум-
ного напыления: первый — травлением рисунка по эмульсион-
ному фотошаблону, второй — травлением рисунка по первому
хромовому фотошаблону.
Наряду с фотохимическим методом изготовления трафаретов
применяют также методы, в которых используют процессы элек-
трофизической обработки материалов — электроискровой, элек-
тронно-лучевой, световой.
Наиболее отработанным в настоящее время является метод
электроискровой обработки, который обладает рядом существен-
ных преимуществ по сравнению с фотохимическим и имеет особое
значение для пленочной микроэлектроники в опытном и мелко-
серийном производстве, так как позволяет значительно сократить
сроки изготовления трафаретов. Наряду с высокой мобильностью
метод обладает еще рядом преимуществ, к числу которых отно-
140
Рис. 67. Схема рамки для совме-
щения зеркальных фотошаблонов:
/ — винт поворотного стола; 2 —
основание рамки; 3—винт крепле-
ния и регулировки подложки нега-
тива; 4 — хромовый негатив на
стекле; 5 — корпуса-подшипники;
б — крышка рамки; 7 — винт
крепления зеркального негатива;
8 — зеркальный негатив; 9 — за-
мок рамки
сятся повышенная прочность трафаретов, экономическая эффек-
тивность.
Электроискровая или электроэрозионная обработка материалов
основана на аэрозионном действии электрического разряда
(искры), протекающего между двумя электродами в жидкой
диэлектрической среде с образованием на поверхности одного
из них лунки.
Последовательное действие большого числа разрядов при-
водит к тому, что размеры и форма одного электрода (инструмента)
отпечатываются на поверхности другого электрода (детали).
Этому способствует так называемый эффект полярности, заклю-
чающийся в преимущественном износе одного из электродов.
Величина износа зависит от материалов электродов и параметров
импульсов.
Для изготовления трафаретов применяют два способа электро-
искровой обработки, которые отличаются друг от друга по виду
применяемого электрода-инструмента и оборудования:
метод копирования электрода-инструмента;
метод обработки непрофилированным электродом (проволокой).
Для получения рисунка трафарета методом прямого копиро-
вания используется электрод-инструмент конфигурации, повторяю-
щей требуемый рисунок.
Электрод-инструмент изготавливают, как правило, путем ме-
ханической обработки или электроискровым методом по чертежу
трафарета с учетом требуемой точности изготовления и величины
электроискрового промежутка.
При изготовлении трафаретов методом непрофилированного
электрода в качестве электрода-инструмента используется мед-
ная или вольфрамовая проволока (обычно применяется проволока
диаметром от 20 до 200 мкм), протягивающаяся с определенной
скоростью в направлении, перпендикулярном к поверхности
обрабатываемого трафарета.
Широкое распространение этого метода обусловливается про-
стотой получения замкнутого контура практически любой слож-
ности и возможностью получения прецизионных тонких щелей
(до 10 мкм), которые необходимы в тонкопленочной электронике,
например, для получения высокоомных резисторов.
141
3. Фотолитография
в тонкопленочной технологии
Фотолитография — совокупность фотохимических процессов
(экспонирование, проявление, травление и т. д.), широко приме-
няющихся в микроэлектронике для получения локальных обла-
стей интегральных полупроводниковых схем и формирования
рисунка тонкопленочных микросхем.
Особенностью фотолитографии для пленочных микросхем яв-
ляется широкий диапазон применяемых материалов и значительно
большая, чем в полупроводниковом кристалле, площадь обработки,
на которой необходимо получить рисунок.
Для получения рисунка на тонкопленочном слое применяются
специальные светочувствительные и после проявления устой-
чивые к воздействию кислот и щелочей составы — фоторезисты.
Под действием излучения, падающего через фотошаблон на опре-
деленные участки пленки, фоторезист изменяет первоначальные
свойства; появляются растворимые и нерастворимые участки
пленки. Полученный слой нерастворенного фоторезиста после
задубливания защищает пленку при травлении открытых уча-
стков.
Фоторезисты подразделяются на позитивные и негативные.
Негативные фоторезисты под действием света становятся нераство-
римыми и создают защитные участки под прозрачными областями
фотошаблона. Позитивные фоторезисты повторяют рисунок фото-
шаблона (рис. 68).
Основными критериями оценки и выбора фоторезистов яв-
ляются чувствительность, кислотостойкость, хорошая адгезия
к материалам подложки и разрешающая способность.
Критерием чувствительности для негативных фоторезистов
является задубливание в освещенных участках на глубину, необ-
ходимую для эффективной защиты от травления.
Для позитивных фоторезистов критерием чувствительности
является степень разрушения освещенных участков, подлежащих
травлению.
Кислотостойкость фоторезиста определяют с помощью коэф-
фициента травления [166]
где h—глубина травления;
х — боковое растравливание.
Разрешающая способность используемых в фотолитографии
фоторезистов весьма высокая — до 1500—2000 лин/мм. Однако
более правильно говорить о разрешающей способности фотолито-
графического процесса в целом, которая определяется после
травления пленки. На разрешающую способность процесса,
помимо свойств фоторезиста, влияют свойства пленки и подложки,
142
Рис. 68. Образование рельефа фоторезис-
тами
характеристики источника излу-
чения, характеристики техноло-
гического процесса создания
рельефа, а также качество фото-
шаблонов.
В настоящее время на этапе
проявления фоторезисты позво-
ляют получать линии шириной
0,3 мкм [43].
В качестве позитивных фото-
резистов в СССР применяются
фоторезисты на основе нафтохинондиозидного продукта (№ 27,
№30, №383 и др.). Например, фоторезист №383 представляет
собой соединение нафтохинондиазида с новолаком. В качестве
растворителя применяется диоксан.
В тонкопленочной микроэлектронике нашли также применение
фоторезисты на основе модификаций натурального каучука,
содержащие светочувствительные диазосоединения ФН-102 и
ФН-103.
Отличительной особенностью этих фоторезистов является иХ
высокая химическая стойкость к действию большинства травите-
лей и повышенная стойкость в электрохимических процессах.
Перед нанесением фоторезиста металлические пленки А1,
Си, Та, Ti, Сг и т. д., напыленные на ситалловые подложки, об-
рабатываются в парах четыреххлористого углерода или трихлор-
этилена. Для нанесения фоторезиста на пленку используют
центрифугирование, пульверизацию, полив. При центрифугирова-
нии выдерживают толщину слоя с допуском =tl0%. Частота
вращения центрифуги зависит от концентрации фоторезиста и
подбирается экспериментально.
На рис. 69 показана зависимость толщины пленки от частоты
вращения центрифуги при различных значениях вязкости фото-
резиста [8, 100].
Толщина высушенной пленки зависит не только от вязкости
растворителя и скорости центрифугирования, но и от содержания
испаряющегося растворителя:
где k—коэффициент, учитывающий концентрацию фоторезиста;
v — кинематическая вызкость раствора фоторезиста;
со — угловая скорость центрифуги.
Для новолачных фоторезистов с концентрацией 10—20%
величина k находится в пределах 3-10"3— 6-10"3.
143
При нанесении тонких пленок фоторезиста (менее 1 мкм)
время центрифугирования не влияет на толщину пленки и 20—
30 с оказывается достаточно.
При пульверизации возможно осуществление контроля тол-
щины пленки фоторезиста в широких интервалах (от 0,35 до
20 мкм).
Кроме того, пульверизация обеспечивает однородность по
толщине слоя и сравнительно малый расход фоторезиста.
Толщину слоя фоторезиста регулируют путем изменения
давления фреона, используемого для распыления фоторезиста,
размеров выходного отверстия распылителя, а также скорости
движения столика, на котором закреплены подложки [209].
Метод полива применяют для создания толстых слоев фото-
резиста (10—20 мкм). Операцией, завершающей формирование
слоя фоторезиста, является сушка. Сушку фоторезиста, как пра-
вило, проводят при температуре 60—100° С в течение 20—60 мин.
Так, например, сушка фоторезиста типа ФН-102 осуществляется
в течение 30 мин при 60—70° С, либо 20 мин при 90—100° С.
Экспонирование фоторезиста может осуществляться через
фотошаблон контактным и проекционным способом.
Выбор источника излучения определяется спектральным рас-
пределением чувствительности фоторезиста. Для фоторезистов,
применяемых в отечественной промышленности, применяются
в основном ртутно-кварцевые лампы (типа ПРК-4, ПРК-7,
СВДШ-500).
Основное условие высокого качества экспонирования — выбор
оптимальной выдержки — тесно связано с дальнейшими опера-
циями проявления, задубливания, травления и требует тщатель-
ной экспериментальной отработки.
При экспонировании следует избегать как передержек, так
и недодержек; при недодержках полимеризация происходит
лишь в верхних слоях пленки фоторезиста, а нижние слои пленки
сохраняют способность
раствориться в прояви-
теле [240]. Передержка
приводит к ухудшению
резкости линий и точности
размеров вследствие раз-
мыва или сужения линий
(в зависимости от приме-
рке. 69. Зависимость толщины
пленки фоторезиста на основе про-
дукта 83 и но вола ка от числа обо-
ротов центрифуги при различных
значениях вязкости фоторезиста:
1 — v = 0.54 см2/с; 2 — у =
= 0,033 см2/с; 3 — V = 0.023 см’/с
144
#+ LLI1III®
Рис. 70. Отметки совмещения
нения позитивного или негативного фоторезиста) под влиянием
полимеризации смежной области.
Повышение качества процесса фотолитографии и точности
получаемых фоторезистивных рисунков можно достигнуть с по-
мощью управляемого экспонирования, при котором одновременно
регулируются уровень освещенности и время экспонирова-
ния [12].
При выборе режимов экспонирования необходимо учитывать
тип применяемых фотошаблонов. Так, например, при использо-
вании цветных фотошаблонов за счет частичного пропускания
света через окрашенный слой и дифракционных эффектов возможен
брак — повторное изображение рисунка в области света или тени,
так называемый «двойной край» [19]. Одним из возможных путей
устранения этого явления является оптимизация режимов экспо-
нирования.
Другим ответственным моментом, определяющим качество
фотолитографии, является совмещение рисунков фотошаблонов
с рисунками на подложке.
Как правило, совмещение происходит в специальном приспо-
соблении — рамке, имеющей базовые поверхности. Специальные
отметки на фотошаблоне с помощью оптической системы микро-
скопа выставляют относительно этих базовых поверхностей,
которые, в свою очередь, являются базами держателя подло-
жек [203].
На рис. 70 показаны различные типы отметок совмещения.
При фотолитографии второго и последующего слоев в уста-
новке совмещения и экспонирования производят совмещение от-
меток фотошаблона непосредственно с отметками на предыдущем
слое.
Одно из основных требований к отметкам совмещений — раз-
меры прозрачных отметок на темном поле фотошаблона должны
быть больше размеров отметок на предыдущем фотошаблоне,
а размеры непрозрачных отметок на светлом поле фотошаблона
меньше соответствующих отметок на предыдущем фотошаблоне.
Совмещение можно производить как вручную, так и автоматиче-
ски в зависимости от типа применяемых установок. Точность
совмещения, достаточная для тонкопленочных структур, 5—
10 мкм. Однако современные установки могут обеспечить точность
до 1 мкм и лучше.
Ю В. Д. Гнмпельсон 145
Автоматизация совмещения базируется в основном на исполь-
зовании фотоэлектрической системы распознавания [41, 99, 153].
В табл. 20 представлены основные технические характеристики
отечественных и зарубежных установок совмещения и экспони-
рования.
Контроль точности совмещения можно осуществлять путем
измерения относительного смещения отпечатков одного фотошаб-
лона при двух- или трехкратной печати на одну и ту же подложку.
При этой методике ошибка совмещения определяется как
суммарная погрешность, зависящая от случайных отклонений при
операциях нанесения фоторезиста, проявления, экспонирования,
а также от качества края фотошаблона.
Ошибка совмещения по этому методу может быть определена
с точностью не более 1—2 мкм.
Точность совмещения может быть проконтролирована и дру-
гим методом, который основан на последовательном экспониро-
вании на одну подложку двух совмещенных фотошаблонов; причем
изображение первого фотошаблона проявляется неполностью,
а только до появления серых тонов, достаточно различимых при
работе на установке совмещения.
Проявление рисунка при применении негативных фоторези-
стов заключается в удалении неполимеризованных областей фото-
резиста, чаще всего в том растворителе, который использовался
для приготовления резиста (трихлорэтилен, толуол, ксилол).
При применении позитивного фоторезиста проявление — это
химическая реакция, критичная к ряду технологических фак-
торов:
типу проявителя и его концентрации;
времени проявления;
температуре проявителя.
Для проявления позитивных фоторезистов на основе нафто-
хинондиазидов обычно используются сильно разбавленные вод-
ные растворы едкого натра или тринатрийфосфата, например,
2%-ный водный раствор тринатрийфосфата или органические
проявители типа этаноламинов 1165].
При сушке негативного фоторезиста (поливинилциннамата)
оптимальной является температура 210 10° С (при времени
выдержки 1 ч).
Высокотемпературную сушку применяют и для позитивных
фоторезистов (например, Т = 230ч-240° С в течение 30 мин для
фоторезиста № 30).
Травление пленок по незащищенному контуру—основной
процесс, определяющий качество формируемого слоя с определен-
ным рисунком.
Выбор травителя (табл. 21) для тонкопленочного материала
определяется, с одной стороны, его физико-химическими свой-
ствами, с‘другой, — нейтральностью по отношению к применен-
ному фоторезисту, подложке и ранее нанесенным слоям [205].
146
20. Характеристики установок совмещения и экспонирования
Страна, фирма Модель Размер обрабаты- ваемых пластин, мм * Размер фотошабло- на, мм Точность совмещения, ± мкм Производи- тельность, шт/ч Примечание
США Электрогласс 686 0 50 •— 0,5 — Общее увеличение микроскопа 20—400Х
Кулике энр Соффа 680 — — 0,5 120 Увеличение микроскопа 150Х
Микротекс 2025 0 60 •— 0,1 •— Общее увеличение микроскопа 100—660х
Каспер Инструмент — 76X76 — 0,06 — Ширина линий до 1 мкм. Мас- штабы 1 : 1; 2 : 1; 4 : 1;10 : 1
ФРГ АЕГ-Телефун- кен 689 0 57 0 38 — 1 — Разрешающая способность си- стемы 400 мкм/мм в центре, 300 мкм/мм по краю
6890 0 58 1 Разрешающая способность 400 л ин/мм в центре, 300 лин/мм по краю. Ширина линий 5 мкм
ГДР Карл Цейес 830-03 0 20-40 50X50 0,4 — Минимальный размер элемента 5—10 мкм
Электромат 830-11 0 45 — 0,1 — Общее увеличение микроскопа 6,3—630Х
Франция Делмас Микролес 0 80 •— —. —— Разрешающая способность си- стемы 600 лин/мм. Загрузка и выгрузка пластин — ручная
Япония Токио Соку- Т-6822 ч 0 51 76X76 1,0 — —
хан МА-201 0 76 100X125 0,5 — <—
США Ранк Преци- зион — 0 76 — 0,25 — Зазор между шаблоном и пла- стиной 3—5 мкм. Оптическая настройка
СССР УПСЭ-2, ДЕМ 2.207.009 60X48 k 120X90 3 50 Увеличение микроскопа 50х, 80Х, 160Х. Время экспониро- вания 0,1 с—4 мин
Продолжение табл. 20
Страна, фирма Модель Размер обрабаты- ваемых пластин, мм * Размер фотошабло- на, мм Точность совмещения, + мкм Производи- тельность, шт/ч Примечание
СССР ЭМ-517А 60X48 70X70 5 100 Время экспонирования 0,1 — 59,9 с
УПСЭ-1 ДЕМ2.207.002 60X48 100X90 3 40 Общее увеличение микроскопа МБС-2 87,5>\ Время экспони- рования в автоматическом режиме 8—240 с, в ручном 240 с
ЭМ512А 0 40—60 90X90 70X70 1 60 Время экспонирования 0,5— 99,9 с. Минимальный размер элемента и зазора между эле- ментами 5 мкм. Входит в ли- нию ДЕМ.1.142.000
ЭМ-524 0 30-40 100Х 100 1,5 30 Минимальный размер элемента и зазора между элементами 5 мкм. Время экспонирова- ния 1—200 с. Метод совмеще- ния — проекционный
ЭМ-526 0 40-60 70X70 100X100 0,6 60 Минимальный размер элемента и зазора между элементами 2—3 мкм. Время экспониро- вания 0,5—59,9 с
ЭМ-544 0 40—60 70X70 100Х 100 1 100 Минимальный размер элемента 5 мкм. Установка с фото- электрическим контролем
УСП-03 0 50 —. 0,5 —• Общее увеличение 20—400*
АФ-4 0 60 — 0,5 80 Общее увеличение 20—400Х
УСПЭ-3 60X48 70X70 5 120 •—
* Установки для обработки пластин менее 60X48 предназначены для полупроводниковой технологии и могут применяться для фото-
литографии тонкопленочных микросхем меньших размеров.
21. Травители для тонкопленочных слоев
Материал пленки Возможные травители Примечание
Алюминий Хлорид железа, гидрат окиси натрия Эти травители не действуют на тантал, титан, золото и пла- тину
Хром Ортофосфорная кислота, соля- ная кислота, хлорид железа, концентрированная соляная кислота Годится также серная кислота, но она менее желательна
Медь Хлорид железа, персульфат аммония Эти травители годятся также для сплавов с высоким содержа- нием меди
Золото «Царская водка» —
Молибден Концентрированная серная кислота, разбавленная азот- ная кислота Можно также использовать анод- ное травление в хромовой кис- лоте
Нихром Концентрированная соляная кислота и вода Годится для никеля и для ма- гнитных сплавов на основе ни- келя
Платина «Царская водка» Годится для сплавов платины
Кремний Хлорид железа, концентриро- ванные азотная и плавиковая кислоты —
Двуокись Насыщенный водный раствор Скорость травления около
кремния фтористого аммония 1000 А в минуту
Серебро Нитрат железа Годится также разбавленная азотная кислота, но она менее желательна
Тантал Концентрированная плавико- вая кислота, разбавленная азотная кислота Этот травитель не действует на золото и нихром, но если они нанесены на стеклянную под- ложку, то при отсутствии за- щиты могут от нее отслаи- ваться
Титан Разбавленная плавиковая кис- лота Этот травитель не действует на золото, нихром и тантал
Весьма важным является вопрос о зависимости скорости про-
текания процесса от концентрации травителей, так как почти
все применяемые в настоящее время травители так или иначе
воздействуют на фоторезисты (набухание, подтравливание и
т. д.). Скорость процесса травления регулируется концентрацией
травителя или введением в его состав специальных буферов,
замедляющих процесс.
Фотолитография тонких пленок, включая выбор фоторезиста,
режимов экспонирования и проявления, выбор травителей и
режимов химической обработки, требует индивидуальной тех-
нологии в зависимости от материалов пленки и подложки, тол-
щины пленки, ее назначения и даже режимов ее напыления.
Следует отметить, что в технологии тонкопленочных микро-
схем наибольшее распространение получили позитивные фото-
149
резисты, в первую очередь из-за устойчивости к широкому диапа"
зону травителей, используемых в технологии производства тонких
пленок.
Ниже приводятся данные по технологии производства пленок
из наиболее распространенных в пленочной микроэлектронике
материалов, напыленных на ситалловую подложку.
При фотолитографии хрома для резистивных слоев и подслоя
целесообразно применение фоторезиста № 383, имеющего хорошую
адгезию к хрому и обеспечивающего достаточную химическую
стойкость при травлении рельефа хрома.
Фоторезист наносят на хром в центрифуге при частоте враще-
ния 2000 об/мин. Сушка 40 мин при температуре Т = 80° С.
После экспонирования — проявление в глицериновом прояви-
теле следующего состава:
вода бидистиллированная — 420 мл;
фосфорнокислый натрий — 40 г;
глицерин — 1500 мл.
Промывку проводят в деионизованной воде.
Вторая сушка (термозадубливание) в течение 20 мин при
температуре 140° С.
Травление хрома проводят в соляной кислоте с катализатором
алюминиевой палочкой.
Эксперименты показали плохое травление хрома, напыленного
на ситалловые подложки, в качестве резистивного слоя без термо-
стабилизации в вакууме.
Время травления хрома со стабилизацией несколько секунд
(в зависимости от толщины слоя).
Хорошие результаты дал эксперимент по травлению подслоя
хрома в перманганате калия КМпО4 в течение 20—40 мин с по-
следующей промывкой в перекиси водорода Н2О2 [2].
При фотолитографии меди для контактных площадок и
проводников на ситалловых подложках также используется
фоторезист № 383. Проявление производится в 2%-ном водном
растворе фосфорнокислого натрия без глицерина во избежание
появления соединений меди.
Рекомендуемые режимы сушки — первая сушка 20 мин на
воздухе, вторая сушка — 60 мин при Т = 80° С. Для травления
меди используется травитель следующего состава [43]:
хлорное железо — 4 %;
серная кислота— 15%;
вода дистиллированная — 81 %.
После травления в этом травителе требуется неоднократная
промывка в бидистиллированной воде. Сушка после промывки
30 мин при Т = 80° С. Снятие фоторезиста производится смесью:
диметилформазид—диоксан— 1 : 1. Время обработки 10—15мин.
В случае использования ванадия в качестве подслоя травле-
ние контактных площадок осуществляется в 25 %-ном растворе
персульфата аммония при температуре 40° С.
150
При фотолитографии алюминия для проводников и обкладок
конденсатора нанесение фоторезиста, сушка, проявление и тер-
мозадубливание фоторезиста № 383 аналогичны этим процессам
на хроме.
Для травления алюминия могут быть использованы: 50%-ная
ортофосфорная кислота, нагретая до 60—70° С, или смесь трех
кислот: уксусной, азотной, ортофосфорной с водой. Последний
состав позволяет регулировать скорость травления, понижая
температуру смеси с 60 до 30° С.
Удаление фоторезиста производят диоксан-диметилформазидом.
При использовании для травления алюминия ортофосфорной
кислоты протекает следующая химическая реакция:
2А1 + 2Н3РО4 -> 2А1РО4 + ЗН2.
Если вязкость раствора велика, происходит прилипание пу-
зырьков выделяющегося водорода, что препятствует полному
вытравливанию алюминия и приводит к возникновению дефектов
в проводниках.
Для улучшения однородности травления используют орто-
фосфорную кислоту в смеси с азотной [102]:
ортофосфорная кислота — 40 мл;
азотная кислота — 30 мл;
вода — 40 мл.
Температура травителя 65° С. Время травления 0,5—1,0 мин.
При повышении температуры резко возрастает скорость трав-
ления, что затрудняет определение момента окончания травления
9 и ухудшает адгезию алюминия к фоторезисту, а это, в свою оче-
редь, приводит к подтравливанию.
При фотолитографии тантала, как показала зарубежная
практика, применяют травители на основе азотной, серной, фос-
форной кислот с обязательным присутствием плавиковой кислоты.
Однако опыт работы показал, что присутствие плавиковой кис-
лоты приводит к разрушению поверхности подложки. В связи
с этим было проведено исследование возможности применения
травителей, в которых плавиковая кислота заменена фторидами,
например NaF [50].
В этом случае воздействие травителя на танталовую пленку
без разрушения ситалловой подложки обусловливается регули-
рованием скорости травления и определяется степенью растворе-
ния примененного фторида в азотной кислоте с образованием
фтористоводородной кислоты (достаточной для травления Та,
но недостаточной для растворения подложки):
HNO3 + NaF z=r NaNO3 + HF.
Механизм травления тантала следующий: азотная кислота
окисляет тантал до пятиокиси
2Та + 10HNO3z± Та2Об + 10NO2 + HF;
151
затем пятиокись тантала реагирует с фторидом натрия в присут-
ствии фтористоводородной кислоты с образованием тантала натрия
Та2О5 + 4NaF + 10HF 2Na2TaF7 + 5Н2О.
При использовании этого травителя была получена точность
±=0,35 мкм для элемента с шириной линии 5 мкм при толщине
пленки от 500 до 1500 А.
В стадии разработки находятся методы и технология травле-
ния тонкопленочных диэлектриков: моноокиси кремния и гер-
мания, двуокиси кремния.
Для моноокиси германия (травление происходит при комнат-
ной температуре) рекомендуется травитель следующего состава:
ортофосфорная кислота — 60 мл;
азотная кислота — 30 мл;
вода — 40 мл.
Рекомендуемый травитель для моноокиси и двуокиси кремния:
аммоний фтористый — 200 мл;
кислота плавиковая — 62 мл;
вода деионизованная — 300 мл.
Методы селективного травления пленочных микросхем, позво-
ляют получать схемы с резисторами, контактными площадками,
проводниками и конденсаторами.
В случае, если коммутация микросхемы может быть выпол-
нена с помощью масок, а для получения резисторов требуется
применение фотолитографии, применяется одинарное селективное
травление (рис. 71) [115].
На подложку напыляется сплошной резистивный слой из
сплава МЛТ-3, а сверху через маску— проводники и контактные
площадки с подслоем нихром—золото или хром—медь. Затем
наносят фоторезист и проводят фотопечать. После проявления
остаются защищенные слоем фоторезиста места будущих рези-
сторов. Для травления незащищенных участков применяют тра-
витель, который хорошо растворяет резистивный слой, но не
воздействует на контактный слой и подслой.
Метод двойного селективного травления позволяет вообще
отказаться от трафаретов (рис. 72).
На ситалловую подложку напыляются три сплошных слоя:
сплав МЛТ-3, хром и золото (или медь). Нанесенный фоторезист
экспонируют через фотошаблон коммутации. Затем травят в се-
лективном травителе, растворяющем золото (или медь), но не
действующем на адгезионный слой. Потом снимают фоторезист,
травят адгезионный подслой в травителе, не действующем ни на
золото, ни на сплав МЛТ-3.
После вторичного нанесения фоторезиста процесс проходит
аналогично способу одинарного селективного травления.
Для селективной фотолитографии в некоторых случаях исполь-
зуется травитель для сквозного травления многослойных пленок;
например, для травления системы: сплав РС-3710—V—Си.
152
a)
б)
б)
г)
0)
е)
ж)
з)
EZZZZZZZZZZZZZZZZ1
фоторезист
УФ-cSem Фотошабпон
О)
б)
в)
г)
д)
е)
*9
Рнс. 71. Схема метода одинарного селективного травления:
а — подложка; б — подложка с резистивным слоем; в — то же, с контактными площад-
ками; г — то же, со слоем фоторезиста; д — экспонирование; е — проявление фоторезиста;
ж — травление резистивного слоя; з — удаление фоторезиста
Рнс. 72. Схема метода двойного селективного травления:
а — подложка с резистивными и контактными площадками, покрытая фоторезистом;
б — экспонирование; в — проявление фоторезиста; г — травление контактного слоя Au;
д — удаление фоторезиста; е — травление подслоя хрома; ж — вторичное ианесеиие
фоторезиста
Сослав травителя:
азотная кислота — 30 мл;
фтористый водород— 10 мл;
деионизованная вода — 60 мл.
Как уже отмечалось, для удаления фоторезиста после вытрав-
ливания рисунка микросхем обычно применяются органические
растворители, например, диметилформамид и диоксан (1 : 1)
для позитивных фоторезистов на основе нафтохинондиазида,
метиленхлорид, трихлорэтилен и толуол (1 : 0,5 : 0,5) для нега-
тивных типа ФН102, ФШОЗ.
Удаление фоторезистов производится раствором, нагретым
до 90—150° С.
После удаления фоторезистов, как правило, производится
отмывка в горячей или холодной деионизованной воде и сушка.
Все большее распространение находит универсальный плаз-
мохимический метод удаления фоторезиста [20, 48]. Этот метод
заключается во взаимодействии фоторезиста с атомарным кисло-
родом плазмы, в результате чего образуется двуокись углерода,
вода и другие летучие окислы.
153
Подложки загружаются в реакционную камеру сдавлением
кислорода около 10 мм рт. ст. С помощью двух электродов в ка-
мере образуется плазма, обогащенная атомарным кислородом.
Скорость удаления фоторезиста зависит от давления кислорода
в камере, от расхода кислорода, от напряжения на индукторе,
от толщины слоя удаляемого фоторезиста.
Наибольшая скорость удаления фоторезиста - наблюдается
при давлении кислорода 3 мм рт. ст. [48].
Увеличение толщины слоя фоторезиста от 0,6 до 1 мкм приводит
к некоторому удлинению времени очистки (рис. 73).
Плазмохимический метод позволяет автоматизировать процесс
удаления фоторезиста с применением программированного газо-
вого потока; причем программа может меняться в зависимости от
площади обрабатываемых подложек, их количества и толщины
слоя фоторезиста.
Выше уже отмечались преимущества метода «обратной» фото-
литографии (метода контактной маски) (рис. 74), в котором ри-
сунок, обратный по отношению к рисунку трафарета, образуется
непосредственно на поверхности подложки.
Однако этот метод имеет ряд недостатков. Если в качестве
маски употребляется слой фоторезиста, подложка плохо очищается.
Если же используется металл, то вновь возникают все проблемы,
связанные с химическим травлением. Процесс плохо воспроиз-
водим из-за неоднородного отрыва пленки вдоль всего контура,
Рис. 73. Зависимость времени удаления фоторезиста от толщины его слоя при различных
напряжениях на индукторе (давление 1 мм рт. ст.; расход кислорода 0,0184 л/мин; обра-
ботка одной подложки)
Рис. 74. Метод «обратной» фотолитографии:
а — маскирование фоторезистом или легкотравящимся металлом, например медью;
б — напыление рабочего слоя; в — удаление маски и образование рисунка; / — маска;
2 — подложка; 3 — рабочий слой
154
Линия Зазор Линия Разнеры
1 на исходи он
фотошаблоне
Линия 3азор
Линия
Разперь!
окончательного
рисунка
на подложке
Рис. 75. Усложненный вариант метода «обратной» фотолитографии:
а — осаждение тонкой пленки Меди; б — нанесение фоторезиста; в — формирование ри-
сунка иа фоторезисте; г — электролитическое осаждение меди; д — удаление фоторезиста;
е — кратковременное травление; ж — напыление рабочего слоя; з — окончательный
рисунок после удаления медной маски
Рис. 76. Поперечные сечения медной маски, полученной при осаждении меди на экспони-
рованный фоторезист:
а — время экспонирования фоторезиста Тх (иа фоторезист осаждается тонкий слой меди);
б — время экспонирования фоторезиста Т г > Т\ (на фоторезист осаждается толстый
слой меди)
Наиболее важным этапом здесь является электролитическое
осаждение меди, что очень важно для получения резкости края.
При этом появляется возможность сравнивать размеры окон-
чательного изображения на подложке с размерами фотошаблона,
так как размеры изображения на фоторезисте и, следовательно,
на меди в значительной степени зависят от времени экспониро-
вания, как это показано на рис. 76.
Большинство фотолитографических операций производят в гер-
метичных скафандрах, обеспечивающих необходимую изоляцию
от воздействий внешней среды. Скафандры изготовляют из нержа-
веющей стали и оргстекла.
Обычно скафандры соединены между собой с помощью шлю-
зов, через которые передаются обрабатываемые подложки, в так
называемые фотолитографические линейки.
В фотолитографическую линейку входят следующие установки:
химической обработки пластин (обезжиривание);
155
22. Основные характеристики установок для фотолитографии
Тип, модель или иомер чертежа Назначение Производи- тельность, плат/ч Число одновременно обрабатываемых плат, шт. Техническая характеристика
ПВХО-ГС60-2 Обезжиривание плат в па- 100 В парах рас- Скорость вращения центрифуги: в режиме отмывки 100—150 об/мин; в режиме сушки 1000—3500 об/мин. Температура нагрева растворителя (80— 160)—3° С
ДЕМЗ. 240.027 рах растворителя и на центрифуге творителя — 36. На центрифу- ге — 6
ПНФ-1 Нанесение фоторезиста 20 2 Частота вращения центрифуги 500— 3000 об/мин Частота вращения центрифуги 500 — 8000 об/мин. Толщина фоторезиста 0,5— 2 мкм
ПНФ-2 То же 300 4
ПТФ-1М g ДЕМЗ.021.010 Сушка и задубливание фо- торезиста 1000—1200 •— Температура в рабочей камере (40—400)±= =t5° С. Рабочая среда — инертный газ. Нагрев инфракрасным излучением
УСДФ-1 ДЕМЗ.023.002 То же 30 10 Температура в рабочей камере (20—200)^ — 5" С. Время сушки и задубливания до 30 мин
Полуавтомат для термо- обработки фоторезиста Сушка и задубливание фо- торезиста 500 — Нагрев инфракрасным излучением (нагре- ватели— лампы КГ-220-1000-1)
ПТУ-1 ДЕМЗ.240.009 Проявление фоторезиста, снятие фоторезиста с по- следующей отмывкой плат в дистиллирован- ной воде, спирте, сушка плат, травление слоя зо- лота, хрома, МЛТ-ЗМ Проявление фоторезиста в тринатрийфосфате 10—120 3 Время травления 15—180 с. Время очистки и промывки 15—180 с. Возможна авто- матизация процесса обработки подло- жек при наличии транспортного устрой- ства
ПВХО-ГС60-1 100 140 —
Снятие фоторезиста и обез- жиривание в парах рас- творителя 100 —
Назначение
Тип, модель или иомер
чертежа
Производи-
тельность,
плат/ч
Травление слоя ванадия, алюминия, меди, сплава МЛТ-ЗМ и РС-3710 с последующей промыв-
кой в деионизованной воде и сушкой на цен- трифуге 20—120
УТУ-1 Травление слоя золота, хрома, сплава МЛТ с последующей промыв-
ДЕМЗ.240.014
кой в дистиллированной
сл воде и сушкой 100
РВХО-ГС-60-1 Травление слоя ванадия меди, сплава МЛТ-ЗМ и РС-3710 с последующей промывкой в деионизо- ванной веде и сушкой на центрифуге
РПХО-Г60-В Снятие фоторезиста с по- 200
ДЕМЗ.240.044 следующей отмывкой плат
УВК-1 Контроль качества обез- 20
ДЕМ2-790.002 жиривания, проявления, травления
ДЕ4.137.015 Контроль качества обез- жиривания, проявления, травления —
У В К-2 ДЕМ.3.842.003 То же 50
Продолжение табл, 22
Число одновременно обрабатываемых плат, шт. Техническая характеристика
6 Температура реактива в рабочей камере 50—80° С
12 (в кассете) Время травления 15—180 с. Температура подогрева воздуха 20—200° С. Травле- ние — поштучно, промывка и сушка — групповым методом в кассете
6 Время травления 10—240 с. Частота вра- щения центрифуги 1400 об/мин. Темпе- ратура раствора 30—80° С
30—40 Очистка плазмохимическим способом. Пре- дельный вакуум 3’ 10'3 мм рт. ст.
1 Максимальное увеличение 87,5х
1 Увеличение микроскопа 5х. Размеры на- блюдаемых дефектов 15—20 мкм
1 Увеличение микроскопа 35—87,5*
нанесение фоторезиста (с центрифугированием при п = 500 ч-
ч-ЗООО об/мин);
сушки фоторезиста;
совмещения и экспонирования;
проявления рисунка;
контроля качества проявления (с микроинтерферометром
МИИ-4);
травления металлов, диэлектриков и резистивных слоев.
В табл. 22 представлены отечественные установки для фотоли-
тографии, разработанные для производства гибридных тонко-
пленочных схем на ситалловых подложках, размером 60 X 48 мм.
Фотохимические процессы в фотолитографии находятся в ста-
дии непрерывного совершенствования. Этим объясняется и много-
образие фотолитографических установок.
Например, наряду с установками для нанесения фоторезиста
методом центрифугирования разработаны установки для нанесе-
ния фоторезиста методом распыления. В установках для прояв-
ления применяется метод проявления в неподвижном растворе,
метод пульверизации, метод проявления в растворе с направлен-
ными вибрациями.
В настоящее время проявляется тенденция к применению
установок сушки с радиационным и инфракрасным нагревом
вместо обдува и резистивного нагрева пластин с фоторезистом.
Интенсивно внедряются методы и оборудование для ионного
травления рисунка и плазмохимического метода удаления фото-
резиста.
ГЛАВА 4
РАСЧЕТ И ПРОЕКТИРОВАНИЕ
ПАССИВНОЙ ЧАСТИ
ГИБРИДНЫХ ТОНКОПЛЕНОЧНЫХ
МИКРОСХЕМ
Вопросы проектирования пассивных компонентов гибридных
микросхем рассматривались в первой главе настоящей книги.
В ней приведены расчетные соотношения, позволяющие по извест-
ным линейным размерам компонентов и электрофизическим
параметрам используемых слоев определить номинальные значе-
ния сопротивления резисторов, емкости пленочных конденса-
торов и т. п.
Однако при синтезе микросхем приходится решать и обрат-
ную задачу: при заданных номинальных значениях электрических
параметров компонентов и известных допусках на погрешность
их изготовления необходимо оптимальным образом (например,
с максимально высоким процентом выхода годных) спроектиро-
вать топологию микросхемы: определить размеры компонентов,
выбрать ро,е ит. д. Эта задача не имеет единственного решения.
Заданному номинальному значению сопротивления резистора,
например, соответствует множество возможных комбинаций ли-
нейных размеров резисторов. Если предположить, что с увеличе-
нием размеров компонентов растет процент выхода годных, то
очевидно, что при ограниченной площади микросхемы необходимо
решать задачу оптимального распределения этой площади между
отдельными компонентами микросхемы.
В настоящей главе будет показано, что воспроизводимость
компонентов микросхемы определяется также и тем, какие соот-
ношения имеют место между их размерами, т. е. при проектиро-
вании нецелесообразно проводить независимое определение разме-
ров каждого отдельного компонента. Кроме того, необходимо
учитывать корреляцию электрофизических параметров одновре-
менно изготавливаемых компонентов.
1. Погрешности резисторов интегральных схем
Для тонкопленочных резисторов корреляция параметров в пер-
вую’очередь означает, что удельное поверхностное сопротивление
резистивной пленки ро одно или почти одно и то^же для всех
159
одновременно изготавливаемых резисторов микросхемы или
группы микросхем, получаемых в одном технологическом цикле.
Именно поэтому расчет линейных размеров всех резисторов
микросхемы проводят по основной формуле:
где Ri — номинальное значение сопротивления;
lt и bi — номинальные значения длины и ширины резистора.
Прежде чем перейти к вопросу оптимизации топологии рези-
сторной части микросхем, целесообразно выбрать критерии вос-
производимости резисторов и оптимальности топологии микро-
схемы.
При разработке топологии в качестве такого критерия, ве-
роятно, можно выбрать процент выхода годных схем. Но исполь-
зовать этот критерий при анализе воспроизводимости нельзя,
поскольку при изготовлении схем различной степени сложности
на одном предприятии, при одном технологическом процессе,
на одном оборудовании, при том же самом обслуживающем пер-
сонале, то есть в условиях одного и того же технологического
комплекса, выход годных схем будет различным.
Для оценки воспроизводимости необходим критерий или
система критериев, параметры которых не зависили бы от сте-
пени выполнения требований, предъявляемых к изготавливаемой
схеме.
В одном из возможных вариантов такая система может быть
предложена в составе линейной, контактной, градиентной и
аппаратурной погрешностей. Появление этих погрешностей для
реальных резисторов объясняют тем, что действительные значе-
ния линейных размеров резистора и поверхностного удельного
сопротивления резистивной пленки отличаются от таковых для
идеализированного резистора и равны:
h = h +
ЬЧ = +
Ра; = Pa +6 (par).
Кроме того, в основной формуле для реального резистора
необходимо ввести член, учитывающий влияние переходного
сопротивления 7?пер f на границе контакта резистивной и прово-
дящей пленок 2 .
Многочисленные эксперименты показали, что отклонения па-
раметров от их заданных значений малы и их можно считать
величинами первого порядка малости. Тогда, пренебрегая вели-
160
чинами второго порядка малости и выше, получим уравнение
для сопротивления реального резистора:
^ = Pd<4+2^- = -^Pd+46(PdO-
bi bt th <h
ti С \ I 6 (Zt) t 2^nep i
— Pd6 (M 4- -T— pD 4-------bi •
Если ввести новый параметр — контактную погрешность
Раб (//) -|- 27?пер I,
тогда
Rt = Ра + ~^“б (рп/)----раб (bt) Н—
а относительная погрешность сопротивления резистора
__ d (PgQ 6 (bt)
Ri Pg bi Ribi
Первый член правой части последнего соотношения является
суммой градиентной и аппаратурной погрешностей резистора,
следующий за ним — линейной погрешностью и последний —
контактной. Линейная погрешность — параметр, определяющий
невоспроизводимость резисторов вследствие отклонения эффектив-
ного значения ширины резистора от заданной величины, вызван-
ного (при масочной технологии) заращиванием трафарета распы-
ляемым материалом, первоначальной погрешности ширины щели,
подпыления материала резистора за границы, определяемые
трафаретом, и пр.
Контактная погрешность — параметр, определяющий невос-
производимость резисторов из-за контактных сопротивлений,
неучтенных в основной расчетной формуле по определению номи-
нала идеализированного резистора. Как было принято выше,
контактная погрешность определяется переходными сопротивле-
ниями на границе раздела резистивной и проводящей пленок и
подпылением материала контактной площадки на пленку рези-
стора, что приводит к частичному закорачиванию последнего.
Градиентная и аппаратурная погрешности — погрешности
удельного поверхностного сопротивления резистивной пленки.
Градиентная погрешность — параметр, определяющий невоспро-
изводимость резисторов из-за градиентов собственно технологи-
ческих параметров процесса напыления и термостабилизации по
подложке. Основные источники градиентной погрешности — гра-
диент температуры по поверхности подложки и градиент скорости
Нанесения резистивной пленки. Последний, как известно, вызван
неравномерностью и нестационарностью диаграммы направлен-
ности испарителя и действием известного закона косинуса. Аппа-
ратурная погрешность — параметр, определяющий невоспроиз-
11 В. Д. Гимпельсон 161
водимость резисторов из-за погрешностей контрольно-измеритель-
ной и регулирующей аппаратуры, контактной и линейной погреш-
ностей контрольного сопротивления «свидетеля» и т. д.
Как было отмечено выше, электрофизические параметры инте-
грально изготовленных компонентов в значительной мере корре-
лированы. Это означает, что относительные погрешности компо-
нентов, в данном случае резисторов, изготовленных на одной
подложке (или на партии одновременно напыляемых подложек),
значительно меньше, чем относительные погрешности резисторов
на подложках, напыленных в различное время. Использование
этой особенности интегрального процесса позволяет при значи-
тельно ослабленных требованиях к абсолютной точности рези-
сторов получать качественные электрические характеристики
микросхем при условии выполнения достаточно жестких требова-
ний к относительной погрешности резисторов. Поэтому представ-
ляется целесообразным погрешности резисторов разделить на
две части. Первая из них — погрешность параметра внутри одного
технологического цикла, определяет относительную погрешность
резисторов по этому параметру внутри этого цикла. Далее эта
часть погрешности будет называться некоррелирующей. Вторая,
коррелирующая часть погрешности определяется превышением
погрешности параметра в партии подложек над той же погреш-
ностью одного технологического цикла и названа так потому, что ее
величина не определяет относительной погрешности параметра
резисторов в одном технологическом цикле.
Предположим, что в группе технологических циклов пара-
метр Xi некоррелирован, величины Х{ не коррелируют между
собой (индексом вверху будем обозначать принадлежность к циклу)
i = 1, 2 ... п;
/ - 1, 2 ... k,
где п — количество резисторов, изготавливаемых в цикле;
k — количество циклов в партии.
Средние по циклам от величины X
Yt да - - ,'г S
i=l
будут иметь тем меньшую дисперсию, чем больше п.
Как известно из теории вероятностей, дисперсия Yt (X)
В том случае, когда величины коррелированы между собой
в пределах цикла,
162
и
п, k k п
i,j=l j=l /=1
k
+4- 2 (y,~x)2—a-^=°\y)+°2 (m.
/=1
fe n, k
где х-42у/(х) =^F S X‘-
/=1 G/=l
Дисперсия параметра x в партии может быть представлена
в следующем виде:
О (х) = Ок (^) 4“ О'нк (^),
где Ок (х) — дисперсия коррелирующей части погрешности;
о£к (х) — дисперсия некоррелирующей части погрешности.
Рассмотрим теперь каждый тип погрешностей в отдельности.
2. Линейная погрешность
В понятие линейной погрешности входит группа параметров,
влияние которых на воспроизводимость резисторов может быть
оценено некоторым эквивалентным изменением линейных разме-
ров компонентов.
В зависимости от способа получения рисунка микросхемы
в эту группу могут входить различные параметры, однако спо-
собы оценки их влияния и пути минимизации линейной погреш-
ности в целом одинаковы. При использовании масочной техноло-
гии линейную погрешность определяют:
точность изготовления масок и степень их «износа»;
экранирование потока маской при косом напылении;
подпыление за границы, определяемые маской;
миграция материала напыленной пленки при термостаби-
лизации.
Технология изготовления масок описана в гл. 3; на данном
этапе рассмотрения важно только то, что первоначальная точ-
ность изготовления окон в этих масках составляет 5—15 мкм
и практически не зависит от их размеров.
Очевидно, что точность изготовления пленочных компонен-
тов не может быть лучше указанной величины, а если учесть, что
помимо рассматриваемого параметра на воспроизводимость ли-
нейных размеров влияют и другие факторы, то очевидно, что
линейная погрешность будет иметь большую величину.
При длительном использовании комплекта трафаретов размеры
его окон меняются, что объясняется короблением ослабленных
11* 163
окнами масок й запылением грайиц окон испаряемым материалом.
Величина такого запыления определяется количеством испарен-
ного материала, его физико-химическими свойствами и особен-
ностями взаимодействия с материалом маски в выбранном диапа-
зоне технологических режимов. На рис. 77—79 представлены
результаты замеров среднего значения ширины щели в биметал-
лической маске после многократного напыления слоев хрома,
меди и моноокиси кремния. Заращивание трафарета хромом сопро-
вождается образованием нитевидных структур (по-видимому,
свернутых напряжениями сжатия тонких хромовых слоев), при-
водящих к местным дефектам резистивной пленки. Пластичная
медь монотонно заращивает трафарет, а периодически обрушиваю-
щиеся слои моноокиси кремния приводят к случайному значению
линейной погрешности.
Неплотное прилегание маски к подложке объясняет наблю-
даемое увеличение ширины наносимой пленки относительно раз-
мера щели в трафарете. Именно здесь целесообразно разъяснить,
что имелось в виду в определении понятия линейной погрешности,
когда говорилось об эквивалентном изменении линейных размеров
компонентов. В данном случае, несмотря на то, что ширина напы-
ленной пленки больше расчетной, сопротивление резистора воз-
растает по сравнению с образцами, изготовленными без подпы-
ления. В самом деле, количество материала, прошедшего через
маску в каждом сечении, очевидно, не зависит от наличия зазора
между подложкой и трафаретом. Одновременно это означает,
что поперечное сечение резистора остается постоянным при любом
зазоре. Если учесть, что для тонких пленок имеет место обратно
пропорциональная зависимость удельного сопротивления от тол-
щины пленки, то при толщинах больше критических из двух
пленок равного поперечного сечения большим сопротивлением
обладает пленка большей ширины.
Конечная толщина маски и напыление на подложку под неко-
торым углом являются источниками погрешности другого типа,
связанной с образованием полностью или частично затененных
участков подложки, на которых должна быть нанесена пленка.
Особенно велико влияние этого фактора при изготовлении рези-
сторов малой ширины и при напылении на вращающиеся под-
ложки в отсутствии экранирующих диафрагм. Количественная
оценка этого влияния для случая неподвижных подложек и до-
статочно толстых пленок подсчитывается просто, однако в слу-
чае испарителей сложной формы и относительного перемещения
подложек и испарителей целесообразно проводить эксперимен-
тальное определение параметров линейной погрешности.
Гораздо более сложно учесть влияние на величину линейной
погрешности миграционной подвижности атомов. Параметры этого
процесса определяются температурой и длительностью напыления
и термостабилизации пленок, физико-химическими характери-
стиками используемых материалов (энергией связи испаренного
164
Рис. 77. Зависимость размеров окна биме-
таллической маски от числа циклов (k)
напыления хрома
Рис. 78. Зависимость размеров окна биме-
таллической маски оз числа циклов (k)
напыления меди
Рис. 79. Зависимость размеров окна биме-
таллической маски от числа циклов (k)
напыления моноокиси кремнии
165
материала и подложки, временем релаксации, наличием градиентов
температур, значением напряженности поля в плоскости под-
ложки и пр.), качеством подготовки приемной поверхности
и т. д. Однако если учесть, что в качестве резистивных обычно
используются тугоплавкие материалы, миграция атомов которых
по поверхности подложки, как правило, незначительна, влияние
подвижности атомов на воспроизводимость эффективных значений
линейных размеров компонентов не удается выделить на фоне
других составляющих линейной погрешности.
При использовании фотолитографических методов формиро-
вания рисунка микросхем линейная погрешность определяется
другими параметрами и в гораздо большей степени зависит от
выбранной схемы технологического процесса.
Общими для всех этих схем являются параметры процесса
получения рисунка на фоторезисте или слое, заменяющем фото-
резист. Как известно, на этой стадии процесса (при контактной
печати) точность воспроизведения рисунка определяется:
исходной точностью рисунка на фотошаблоне;
фоточувствительным слоем — его толщиной, однородностью,
спектральной чувствительностью, контрастностью или оптиче-
ской плотностью почернения;
качеством поверхности, на которую наносится пленка фото-
резиста — ее плоскостностью, характером микрорельефа поверх-
ности и ее макрогеометрией (близость рисунка к краю под-
ложки);
осветителем—яркостью, спектральной характеристикой, сте-
пенью коллимирования потока, распределением интенсивности
потока по полю и стабильностью этих параметров во времени;
состоянием технологического пространства — запыленностью,
влажностью и температурой воздуха;
взаимодействием этих параметров, проявляющихся в нерез-
кости (размытости) края изображения, неровности края, числе
и характере точечных дефектов на фоторезисте [2151.
При травлении рисунка микросхемы обычно выделяют два
фактора, определяющие величину линейной погрешности: под-
травливание, характеризуемое так называемым клином травле-
ния, и погрешность, связанную с недостаточной стойкостью фото-
резистивного слоя к используемым растворам и продуктам трав-
ления. Если величина подтравливания при использовании изо-
тропных травителей соизмерима с толщиной стравливаемого слоя,
то вторая составляющая линейной погрешности определяется
интенсивностью процесса стравливания. Так, например, при
травлении хромового резистивного слоя в присутствии алюминия
(материал контактной площадки) в травителях, содержащих
соляную кислоту, происходит бурное выделение водорода, в ре-
зультате чего может происходить отслаивание пленки фоторези-
ста, а это, в свою очередь, приводит к увеличению линейной
погрешности.
166
Знак линейной погрешности на каждой из стадий процесса
получения рисунка определяется тем, какой из двух основных
типов процессов используется: негативный или позитивный.
Так, при использовании негативных фоторезистов экспонирован-
ные участки, соответствующие неудаляемой части покрытия, полу-
чаются несколько больше, чем соответствующие им светлые поля
фотошаблона и, следовательно, на этом этапе линейная погреш-
ность положительна. При использовании негативных фоторези-
стов наблюдается обратная картина, соответствующая отрица-
тельным значениям линейной погрешности.
По аналогичным соображениям некоторые типы процессов
получения рисунка микросхемы также можно отнести к нега-
тивным или позитивным. К первой группе относятся методы так
называемой «взрывной» фотолитографии, при использовании ко-
торых линейная погрешность из-за подтравливания технологи-
ческого слоя также положительна. Вторая более многочисленная
группа процессов включает в себя традиционные методы после-
довательной и селективной фотолитографии и характеризуется
отрицательным значением линейной погрешности. Очевидно, что
в каждом конкретном случае знак линейной погрешности опре-
деляется соотношением погрешностей всех стадий процесса, но
поскольку абсолютное значение погрешности при травлении
значительно больше, чем всех предыдущих вместе взятых стадий
процесса, знак линейной погрешности обычно совпадает со знаком
погрешности при травлении.
Ввиду того, что погрешность 6 (/) отнесена к контактной по-
грешности, линейная погрешность является функцией б (Ь).
Основной вклад в величину этой погрешности вносят системати-
ческие факторы, поэтому коррелирующая часть погрешности
я в л я ется дом и н и р у ющей.
В целом линейная погрешность может быть представлена
в виде
6(A) = ок(Ь)ел + ояк(Ь)елЬ (31)
где Ок (б) — дисперсия коррелирующей части
линейной погрешности;
о’нк (р) — дисперсия некоррелирующей части
линейной погрешности;
ел, eni (i — 2, . . п) — статистически независимые слу-
чайные величины с единичной дис-
персией.
Экспериментально установлено, что б (Ь) не зависит от ве-
личины Ь, причем | б (б) । ——б (Ь). Эта величина может быть
учтена при изготовлении трафаретов или фотошаблонов. Тогда
А = bi—6 (Ь) bi -ь | Б (Ь) 16 (Ь,) о.
В дальнейшем величина Ы будет обозначаться просто Ь[.
167
Как и математическое ожидание, дисперсия линейной погреш-
ности в достаточно широких пределах варьирования ширины
резистора не зависит от последней.
Общее выражение для линейной погрешности может быть
представлено в виде следующей зависимости:
1 6 (bi) I Г ZU\ I /их 1
(^l) fa. fa. (^) “F °к (^) ^лЬ
Далее в этом выражении знак минус будет опускаться, т. е.
знак в погрешности б (Ь) изменится на противоположный.
3. Контактная погрешность
Основная формула для расчета сопротивления резистора не
учитывает влияния на величину сопротивления так называемых
контактных сопротивлений. В то же время в ряде случаев, осо-
бенно при изготовлении низкоомных резисторов, погрешность,
вносимая сопротивлением контакта, становится достаточно боль-
шой, что приводит к существенному снижению выхода годных
микросхем.
Величина контактного сопротивления определяется двумя
основными факторами: переходным сопротивлением на границе
раздела проводящей и резистивной пленок и погрешностью длины
резистора, которая по формальному признаку должна была быть
отнесена к линейной погрешности. Введение ее в состав контакт-
ной погрешности методически более оправдано, поскольку при
проектировании топологии микросхемы безразлично, чем вы-
звана данная погрешность, а имеют значения лишь способы ее
минимизации.
Так, для резисторов, изготовленных в одном технологическом
цикле, вклады переходных сопротивлений и погрешности длины
резисторов обратно пропорциональны длине резистора, в то время
как погрешность ширины резистивной пленки оказывает на ре-
зисторы тем меньшее влияние, чем больше ширина резистора.
Имеет смысл отметить различие в способе образования вели-
чины контактного сопротивления при масочной и фотолитографи-
ческой технологии. В первом случае погрешность длины рези-
стора имеет отрицательное значение (из-за подпыления материала
контактной площадки на резистивную пленку сопротивление
резистора уменьшается) и складывается с положительным по
знаку переходным сопротивлением. Поэтому абсолютная вели-
чина контактной погрешности меньше любого из двух входящих
в нее компонентов.
При использовании фотолитографической технологии и пере-
ходное сопротивление и погрешность длины резистора имеют один
и тот же знак и поэтому контактное сопротивление равно сумме
обоих компонентов погрешности.
168
Из сказанного, однако, не следует делать вывод о том, что при
использовании фотолитографической технологии абсолютная ве-
личина контактной погрешности больше, чем при масочной тех-
нологии. В каждом конкретном случае величина контактной
погрешности определяется свойствами используемых материалов
и режимами их обработки, а также зависит от разрешающей
способности используемых методов формирования рисунка.
Параметры закона распределения контактной погрешности
не зависят от линейных размеров резисторов, поскольку вели-
чина переходного сопротивления резистивно-проводящей струк-
туры связана с единичной длиной зоны контакта резистивной
и проводящей пленок, но в значительной мере определяется по-
верхностным удельным сопротивлением резистивной пленки.
Математическое ожидание величины контактного сопротивле-
ния может быть учтено при проектировании топологии резисторов
= Rki — Rk и б (RK) = 0.
Контактная погрешность, как и линейная, может быть разде-
лена на коррелирующую и некоррелирующую части:
6 (Rxi) = <*нк («к) &к.1 ”4“ °к («к) ^к»
где входящие в выражение величины определяются аналогично
величинам для линейной погрешности.
4. Градиентная погрешность
Как отмечалось выше, погрешность удельного поверхностного
сопротивления резистивной пленки определяется градиентной
и аппаратурной погрешностями. Однако если аппаратурная по-
грешность определяет невоспроизводимость среднего по циклу
значения pD, то градиентная погрешность позволяет оценить
различие значений ра внутри одного технологического цикла.
Основные причины, вызывающие градиент ра по поверхности
одновременно напыляемых подложек —• градиенты собственно тех-
нологических параметров процесса напыления и термостабилиза-
ции пленок. Среди этих параметров в первую очередь следует
выделить:
неравномерность и нестационарность во времени диаграммы
направленности испарителя (с учетом возможного взаимного
перемещения подложек и испарителей), результатом чего является
непостоянство скорости напыления на различных участках под-
ложки во времени и пространстве;
градиент температуры по поверхности подложки во время
напыления и термостабилизации пленок, что приводит к различ-
ным условиям роста и стабилизации структуры пленки;
разное время напыления различных участков подложки;
различная степень чистоты поверхности подложки и пр.
169
В монографии [2] дан анализ распределения толщины пленок,
а следовательно, и скорости напыления для ряда классических
источников испарения:
для точечного испарителя
h tn cos ср cos 0 т cos2 0 tn h2
лр Г2 лр г2 Лр г3 *
для элементарного поверхностного испарителя
, tn cos 0 tn h
4л p г2 4л p r4
Для кольцевого испарителя, который рассматривается как
сумма бесконечно малых точечных или поверхностных источников,
при расстоянии между ними и произвольно выбранной на поверх-
ности подложки точкой
Г = у +s2'• S • cos а ,
толщина пленки при использовании кольца из точечных источ-
ников
тт _ т______________НЕ (k)__________
“ [h2 + (d + S)2]1 /2 [Н2 + (d — S)2]
и при использовании кольца из элементарных поверхностных
источников
/ = т Н2 (ff2+d2 + S2)
1 ~ ЯР [(Н2 + d2+ S2)2 — 4S2 d2f/2 ’
где Е (k) — полный эллиптический интеграл;
т — масса испаренного вещества;
р — плотность испаренного вещества;
Н — расстояние подложка — источник;
г—расстояние до произвольной точки подложки;
S—радиус кольцевого испарителя;
d — расстояние от выбранной точки на подложке до
центра подложки.
Выбор рассмотренных выше типов источников обусловливается,
по крайней мере, двумя причинами: во-первых, тем, что соответ-
ствующие этим типам источников расчетные соотношения имеют
наиболее простой вид, и, во-вторых, тем, что простейшие испари-
тели действительно имеют характеристики, близкие к характе-
ристикам перечисленных выше источников. В самом деле, испа-
ритель в виде капли расплавленного металла, удерживающейся
силами поверхностного натяжения на проволочном нагревателе,
имеет характеристику, близкую к характеристике точечного
испарителя, диаграмма направленности испарения для капли
металла на ленточном нагревателе совпадает с диаграммой эле-
ментарного плоского источника, а распределение толщины пленок
170
от размещенных по кругу точечных испарителей совпадает с рас-
пределением кольцевого источника.
К сожалению, такие испарители позволяют испарять лишь
малые количества материала и неравномерность пленок по тол-
щине может быть весьма большой.
Помимо решения этих проблем, усилия разработчиков на-
правлены на разработку испарителей, позволяющих производить
испарение с большими скоростями. Как показано в гл. 2, увели-
чение скорости испарения может быть достигнуто при повышении
температуры испарителя и за счет увеличения зеркала испаряемого
материала. Поскольку первая из этих возможностей часто огра-
ничена или максимальной рабочей температурой нагревателя или
жесткими температурными допусками при испарении фракциони-
рующих материалов, поскольку чаще используют вторую возмож-
ность, как за счет создания единичных испарителей с большой
поверхностью испарения, так и используя большое число малых
испарителей. В последнем случае наибольшую сложность пред-
ставляет задача обеспечения идентичных режимов их работы.
Из испарителей с большой поверхностью испарения первыми
были применены проволочные и ленточные. При нанесении нихро-
мовых пленок использовали режим возгонки с системы парал-
лельно расположенных проволок. Гальванически нанесенные
хром и никель испаряли с вольфрамовых кернов. Для источников
такого типа характерна цилиндрическая диаграмма направлен-
ности, что обеспечивает высокую степень равномерности вдоль
оси испарителя. Однако это достигается только в том случае,
если температура по всей длине испарителя постоянна.
Одним из возможных путей повышения скорости испарения
и корректировки диаграммы направленности испарителей яв-
ляется использование экранов-отражателей. В самом деле, коэф-
фициент полезного использования испаряемого материала для
точечных и плоских испарителей весьма низок, а установка
экранов-отражателей позволяет его несколько повысить. При ра-
зумной геометрии экранов возможно «исправление» диаграммы
направленности испарителя, однако этот путь реален лишь при
стационарных характеристиках источников.
К сожалению, диаграммы направленности большинства реаль-
ных испарителей многократного действия нестационарны во
времени и для получения характеристик, близких к расчетным,
необходимо проводить напыление в течение большого промежутка
времени (рис. 80). При достаточной длительности процесса напы-
ления и соответственно больших толщинах отклонение реального
распределения толщины пленки по поверхности подложки от
некоторого статистически наиболее вероятного распределения
может быть сделано сколь угодно малым.
Для повышения равномерности толщины пленок на больших
поверхностях можно использовать системы, в которых подложки
размещаются по поверхности, расстояние от каждой точки которой
171
до испарителя выбирается в соответствии с реальной диаграммой
направленности испарителя. Для точечного источника такой
поверхностью является сфера или поверхность, близкая к ней
по форме, например система усеченных конусов.
Однако основным направлением в решении задачи получения
пленок с малым разбросом по толщине становится использование
динамических систем, в которых в процессе напыления подложки
перемещаются относительно испарителя [64].
В простейшей системе такого типа подложки, закрепленные
на диске или сфере, вращаются относительно неподвижного испа-
рителя, причем в ряде случаев ось вращения подложек может не
совпадать с главной осью диаграммы направленности испарителя.
В таких системах обычно используются точечные или малые
плоские источники.
В случае совпадения оси вращения подложек с осью источника
происходит выравнивание толщины покрытия в точках, равно-
отстоящих от оси вращения, но разброс толщины в точках, соот-
ветствующих разным радиусам, не «исправляется», а лишь усред-
няется. При несовпадении осей экспериментальным подбором
расстояния между ними можно добиться значительного выравни-
вания распределения толщины пленки по подложке.
Аналогом таких систем при линейном перемещении подложек
являются системы с проволочным или ленточным испарителями.
Как и в рассмотренном выше случае, подложки имеют одну сте-
пень свободы относительно испарителя и разумный выбор разме-
172
ров испарителя и скорости перемещения положен позволяет
уменьшить разброс толщин по сравнению со статическими систе-
мами в 2—5 раз.
Использование более сложных видов перемещений подложек
относительно испарителей в принципе позволяет получать пленки
с разбросом по толщине значительно меньше одного процента,
однако конструкция систем такого типа и их надежность остав-
ляют желать лучшего. Тем не менее такие системы создаются
с самыми различными комбинациями вращательных, поступатель-
ных и угловых перемещений.
I В ряде случаев используют системы, в которых сложное отно-
сительное перемещение обеспечивают за счет движения и подло-
жек и испарителей. Так, в некоторых барабанных системах
подложки совершают вращательное движение вокруг оси барабана,
а испаритель перемещается поступательно вдоль этой же оси.
Еще одна возможность уменьшения разброса толщин пленок
заключается в использовании подвижной относительно подложек
(или перемещающегося испарителя) диафрагмы. Например, в уста-
новке УВН 2М-2 подложки вращаются на оси, смещенной отно-
сительно испарителя, и для минимизации градиентной погреш-
ности можно использовать профилированную диафрагму, форму
которой обычно подбирают экспериментально.
Еще одним источником неравномерности распределения тол-
щины пленки по поверхности одновременно напыляемых подложек
может явиться различная продолжительность процесса напы-
ления. Эта погрешность может быть продемонстрирована на при-
мере вакуумной напылительной установки УВН 2М-2 и ей по-
добных. В установках такого типа за один технологический
цикл напыляются 8—12 подложек, однако благодаря использо-
ванию экранирующей диафрагмы в каждый данный момент напы-
ляется только одна подложка. Поскольку начало и конец процесса
напыления не синхронизированы относительно положения диска
подложек, очень велика вероятность того, что часть подложек
будет напыляться на один элементарный (соответствующий про-
хождению подложки над диафрагмой) цикл больше, чем осталь-
ные.
Вторым источником погрешности такого типа является дви-
жение заслонки. При возвратно-поступательном характере ее
движений даже на неподвижных подложках толщина пленки будет
различной. Если принять, что скорость нанесения пленки по-
стоянна, то длятуменьшения рассматриваемой погрешности необ-
ходимо изменить характера ер смещения заслонки таким^образом,
чтобы направление ее перемещения в начале^и конце~процесса
напыления не изменялось.
Два последних случая, очевидно, значимы при малой дли-
тельности процесса напыления. Так, при частоте вращения диска
подложек 50 об/мин и продолжительности процесса напыления
1 мин ожидаемое отклонение по толщине пленок составит 2%,
173
а при времени открывания и закрывания заслонки по 0,5 с ма-
ксимальная разность в толщине составит не более 1,5%.
Еще одной причиной градиентной погрешности является гра-
диент температуры по поверхности подложки. В гл. 2 показано,
что изготовление резистивных слоев микросхем при различных
температурах приводит к разбросу величины поверхностного
удельного сопротивления. Отсюда следует, что если на различных
участках подложки в процессе напыления и термостабилизации
пленок температура будет различна, то различным будет и зна-
чение ра\
Основными причинами градиента температуры по поверх-
ности подложки являются:
большое тепловое сопротивление в системе нагреватель —
выравнивающая пластина — подложка—окружающая среда с пе-
реходными сопротивлениями в местах контакта отдельных слоев
и ограниченность тепловой системы;
возмущающее воздействие испарителя как источника лучи-
стой энергии, особенно в нестационарном режиме (в момент
начала напыления) и при использовании масочной технологии,
когда подложка частично экранирована металлической маской.
Минимизация градиента температуры по поверхности под-
ложки для рассматриваемой системы возможна за счет:
увеличения размеров выравнивающей пластины;
использования в такой системе нагревателей с неравномерной
специально подобранной характеристикой тепловыделения;
использования подложек, изготовленных из материала с боль-
шой теплопроводностью, и обеспечения хорошего теплового кон-
такта между подложкой и выравнивающей пластиной (например,
при пайке подложек к выравнивающей пластине);
выравнивания теплового сопротивления системы относительно
окружающей среды (например, за счет использования надежной
тепловой изоляции подложек относительно конструктивных эле-
ментов подколпачного устройства) или, наконец, как самое ра-
дикальное средство, использование подогрева до одной и той же
рабочей температуры всего подколпачного устройства.
Температура подложки, кроме рассмотренных выше факторов,
зависит также и от режимов работы испарителя: размеров его
излучающей поверхности, рассеиваемой на испарителе мощности,
расстояния между подложкой и испарителем, продолжительности
процесса напыления, наличия диафрагм (при вращении подло-
жек), скорости осаждения пленки и энергии, выделяемой при
конденсации.
Особенно велико влияние испарителя на градиент температуры
по поверхности подложки при использовании масочной техно-
логии, когда подложка частично экранирована металлической
маской. Для минимизации влияния испарителя на градиент тем-
пературы по поверхности подложки целесообразно использовать
устройства, экранирующие лучистую энергию, но не препятству-
174
ющие пролету пара испаряемого вещества к подложке, так назы-
ваемые механические селекторы скоростей.
На градиент поверхностного удельного сопротивления также
оказывают влияние всякого рода микро- и макронеоднородности.
К ним можно отнести неодинаковую степень обработки и очистки
поверхности подложки, наличие (при масочной технологии)
выполненных по определенному рисунку слоев различных мате-
риалов и пр. Влияние этих факторов на градиентную погрешность
определяется известной зависимостью коэффициента аккомода-
ции потока от скорости нанесения, температуры подложки и со-
стояния приемной поверхности.
Из определения градиентной поверхности следует, что она
может быть представлена как превышение относительной погреш-
ности поверхностного удельного сопротивления i-ro резистора
над относительной погрешностью свидетеля ра св:
с _ 6 (Pai) (Ра св) _ Pqi Pq св
гр‘~ Ра ~ Ра
Очевидно, что градиентная погрешность зависит от расстоя-
ния между резистором и свидетелем, а в статистическом плане
(при расчете неизвестно, в каком месте микросхемы и подложки
находится резистор) от положения свидетеля на подложке и
от ее размеров. Известно, что для малых значений поверхностного
удельного сопротивления резистивной пленки распределение ра
по поверхности подложки с высокой степенью достоверности
отображается некоторой функцией координат (при неподвижных
подложках и малых источниках, например, законом косинуса),
в то время как для малых толщин распределение носит случайный
характер. Это говорит о наличии коррелирующей и некоррели-
рующей частей градиентной погрешности
^гр i ~ <*гр. к^гр Ч” <*гр. нк^гр I*
5. Аппаратурная погрешность
Известно, что рассеяние погрешностей резисторов, изгото-
вленных в ряде разделенных во времени однотипных технологиче-
ских процессов, больше рассеяния в одном таком процессе. При-
чиной этого является аппаратурная погрешность, объясняющая
такое превышение несовершенством контрольно-измерительной
и регулирующей аппаратуры, обеспечивающей постоянство или
изменение по заданному закону параметров технологического
процесса, а также аппаратуры, фиксирующей окончание процесса
напыления.
Для того чтобы получить наилучшее приближение к расчет-
ному значению ра резисторов микросхемы, необходимо прекра-
175
тить напыление в тот момент времени, когда среднее значение
сопротивления контрольного образца свидетеля
Ясв = (1 + k) (ро -Н t1 + 0 + Y)**.
где к — математическое ожидание поправочного коэффициента,
учитывающего влияние взаимного расположения свиде-
теля и резисторов;
а — математическое ожидание значения ТКС резисторов,
в том числе и свидетеля (предполагается, что значе-
ние ТКС в процессе термостабилизации резисторов не
изменяется);
Т — математическое ожидание температуры, при которой
происходит напыление микросхемы;
у — математическое ожидание коэффициента старения рези-
сторов, в том числе и свидетелей, при термостабилиза-
ции.
Однако в момент окончания напыления реально полученное
сопротивление свидетеля [индекс (*) означает реализованное
значение соответствующего параметра] не совпадает с расчетным
7?СВ — Лев “h SRcb. апп. св = (1 & ) ( pj —|—т—X
\ *св &св J
X (1+а*Т*)(1+у*),
где 6ЛСВ. апп. св — реализованное значение погрешности аппара-
туры по отработке номинала свидетеля.
| После преобразования и исключения погрешностей второго
порядка малости имеем
Ясв (1 + (1 + £* + а*Г* 4- Y* 4-
_Дра _ 6b 6/?к \ .
р Q b Rcb^cb J
Ввиду того, что реализованные значения k*, а*, Т*9 у* не
совпадают с расчетными после окончания процесса напыления,
стабилизации и остывания, погрешность Лра/ра выражается как
—D- = — [№ 4- (6а) Т + (6Т) а 4 бу] 4-
ра Rcb
db 6₽к
Ь ^св^св
♦* Здесь /св — без индекса, поскольку погрешность А/ введена в /?*, а в чле-
Я*
не -г—Ьсз—без индекса, поскольку погрешность этого приближения второго
Ьсв
порядка малости.
176
где 6k, ба, 6Т, бу—• отклонения от соответствующих расчетных
значений параметров.
Если ввести обозначения
-^апп-св = 6(0), (6а) Т + (6Т)а + 6? = 6(оо),
АСВ
6k = бгр,
то выражение для Дра/ра может быть записано в виде
АРо __д । £ /п\ । х (^) 6rk । д
~ -- Огр 4" О (U) + ° (°°) а р ~h Г Оапп. св-
Pq ° КсвРсл
Поскольку линейная погрешность свидетеля
6 (^св) ~ ^нк (^) ^л. св “Н (^) ^л>
а контактная
® («к. св) ~ ^нк («к) ^к. св “F (*св) ^к»
то бгр может рассматриваться отдельно как градиентная погреш-
ность.
Окончательное выражение для аппаратурной погрешности
записывается в следующем виде:
£ __ __ °НК (^) ^Л. СВ_gjl _____ °нк (₽к) gK. св _
иалп h ' h р h
С7св ^св АСВ^СВ
_ ^ (R ) eK + б (0) + 6 (оо) 6апп. св.
ACBt'cB
Очевидно, что 6(0), б (с>о) и бапп. св имеют только коррели-
рующую часть
6(0) 4-6(00)+ 6 апп. св — ^апп^апп,
где
(^ашт) — О’ (б (0)) + О (б (сю)) О (бапп. св)-
- Во всех приведенных выше расчетах предполагалось, что
условия изготовления и свидетеля и резисторов одновременно
изготавливаемых микросхем практически одинаковы, а имеют
место лишь случайные флуктуации параметров технологического
процесса. Именно на этом основывается предположение о высокой
степени корреляции всех одновременно изготавливаемых компо-
нентов, в том числе и свидетеля. Но если это предположение
справедливо для резисторов микросхемы и здесь действительно
имеет место «хорошая» корреляция параметров, то, к сожалению,
условия изготовления свидетеля обычно существенно отличаются
от условий изготовления резисторов микросхемы. Поэтому сте-
пень корреляции электрофизических параметров свидетеля с па-
раметрами одновременно изготавливаемых резисторов гораздо
ниже, чем в рассмотренном ранее случае.
12 В. Д . Гимпелъсон 177
Если учесть, что свидетель является тем самым датчиком, по
величине сопротивления которого в процессе изготовления опре-
деляют основные параметры тонкопленочных резисторов микро-
схемы, то задача повышения уровня корреляции параметров
свидетеля и одновременно изготавливаемых резисторов стано-
вится очевидной.
Рассмотрим факторы, определяющие отклонение свойств сви-
детеля от свойств одновременно (и по нему) изготавливаемых
резисторов.
Для того чтобы линейная погрешность свидетеля была равна
(или хотя бы близка) линейной погрешности резисторов
микросхемы, необходимо, чтобы условия, определяющие гео-
метрию и свидетеля и резисторов микросхем, были бы одина-
ковы.
В одном из известных вариантов масочной технологии размеры
и свидетеля и резисторов определяются металлическими масками.
Но если для повышения воспроизводимости размеров резисторов
стараются обеспечить минимальный зазор между маской и тра-
фаретом, то при подготовке свидетеля обеспечивают ощутимый
зазор между свидетелем и трафаретом с целью исключе-
ния возможности закорачивания контактных площадок свиде-
теля.
В другом варианте свидетель изготавливается на отдельной
подложке и его размеры заранее определены расстоянием между
предварительно нанесенными контактными площадками и ши-
риной подложки свидетеля. Очевидно, что и в этом случае трудно
говорить об идентичности условий, определяющих линейную
погрешность свидетеля и резисторов микросхемы.
В варианте фотолитографической технологии линейные раз-
меры резисторов вообще определяются лишь после процесса на-
пыления и точность их изготовления зависит от параметров про-
цесса фотолитографии. В то же время размеры свидетеля опре-
делены или до или определяются в процессе напыления.
Аналогичные рассуждения, проведенные относительно кон-
тактной погрешности свидетеля, позволяют сделать вывод о том,
что соблюдаются условия, определяющие высокий уровень кор-
реляции контактной погрешности для всех одновременно изго-
тавливаемых резисторов, и не выполняются условия, необходимые
для корреляции контактного сопротивления свидетеля и рези-
сторов микросхемы.
В самом деле, общепринятая последовательность изготовле-
ния резисторов как при масочной, так и при фотолитографической
технологиях предполагает первоначальное нанесение резистив-
ного слоя, после чего наносится проводящий слой. При изготов-
лении свидетеля такая последовательность операций неприем-
лема. Необходимо первоначально нанести контактные площадки
свидетеля, подсоединиться к ним измерительным прибором и
лишь после этого наносить резистивный слой.
178
Различная последовательность нанесения контактных узлов
свидетеля и резисторов микросхемы приводит к низкой корреля-
ции их контактных сопротивлений из-за:
различной геометрии контактных узлов (у свидетеля рези-
стивный слой сверху, у резисторов микросхемы — снизу);
различия электрофизических свойств контактных пар (даже
если контакты и свидетеля, и резисторов микросхемы выполнены
из одного и того же материала, то контактное сопротивление
все равно может быть различным, поскольку эти слои нанесены
в разное время: у свидетеля контактная пара образуется при
нанесении резистивного слоя, у резисторов микросхемы — при
нанесении проводящего слоя).
Контактная погрешность, кроме переходного сопротивления
на границе раздела резистивной и проводящей пленок, опреде-
ляется также и величиной погрешности, вызванной подпылением,
неточным изготовлением трафаретов и пр. Поэтому все сказанное
относительно различия линейной погрешности при нанесении
свидетеля и резисторов микросхемы справедливо и для контактной
погрешности.
Условия, определяющие толщину и свойства резистивного
материала на свидетеле и одновременно изготавливаемых резисто-
рах, также далеко не одинаковы. Основной причиной различия
в этом случае является необходимость контроля величины сопро-
тивления свидетеля в процессе его изготовления и (это уже не
обязательно) стабилизации.
Несмотря на то, что формально соблюдают условия, необхо-
димые для получения высокой степени корреляции свойств сви-
детеля и резисторов микросхемы (скорость поступления паров
в окрестность свидетеля и резисторов микросхемы более или
менее одинакова; температура на свидетеле и подложке также
более или менее одинакова; давление и состав остаточных газов
один и тот же, время напыления и стабилизации тоже одинаковы),
имеются отличия в толщине и свойствах резистивной пленки сви-
детеля и резисторов, причем тем больше, чем меньше толщина
пленки.
Влияние процесса измерения на электрофизические свойства
свидетеля достаточно разнообразно и, к сожалению, весьма
значительно.
Для подтверждения сказанного проведем эксперимент. Для
этого в камере напылительной установки разместим два свидетеля,
каждый из которых экранируется от потока распыляемого ма-
териала индивидуальной заслонкой. Первый свидетель в этом
эксперименте является датчиком скорости нанесения резистивной
пленки (с его помощью определяют и регулируют режим работы ис-
парителя), а основной эксперимент проводят на втором свиде-
теле.
Скорость нанесения резистивной пленки можно контролировать
с помощью простейшей схемы, приведенной на рис. 81.
12* 179
Е
0
Рис. 81. Блок-схема прибора контроля скорости роста проводимости резистивной пленки
Рис. 82. Зависимость скорости роста проводимости резистивной пленки от времени напы-
ления Для системы из Двух свидетелей:
— время открывания заслонки второго свидетеля; t2 — время, соответствующее на-
чалу регистрации скорости роста проводимости; — время, соответствующее замыканию
последнего диэлектрического зазора; — время образования непрерывной металлической
пленки; tb — время, соответствующее окончанию переходного режима
Если выполняется условие, что /?св 5> 7?обр, то проводимость
резистивной пленки, в первом приближении совпадающая с ее
толщиной, пропорциональна падению напряжения на /?обр.
Если £Л?обр подать на один вход двухкоординатного самописца,
а по второму входу осуществлять развертку во времени, то угол
наклона кривой на самописце будет прямо пропорционален ско-
рости роста проводимости резистивной пленки.
Выведем испаритель на рабочий режим, контролируя скорость
нанесения резистивной пленки по первому свидетелю, и в некото-
рый момент времени tr откроем заслонку, экранирующую второй
свидетель. На рис. 82 представлен график изменения скорости
роста проводимости для обоих свидетелей.
Как следует из графика, скорость роста проводимости ре-
зистивной пленки второго свидетеля остается равной нулю до
некоторого момента времени t2. Это может быть объяснено, во-
первых, тем, что необходимо некоторое время для установления
коэффициента аккомодации, заметно отличающегося от нуля,
и, во-вторых, тем, что для образования проводящей структуры
(по которой регистрируется скорость роста проводимости) необ-
ходима пленка толщиной в несколько десятков ангстрем.
Используя только описанную выше аппаратуру, можно лишь
предполагать, что зависимость скорости роста проводимости на
участке /2—13 по первому из указанных выше механизмов должна
иметь экспоненциальный характер. Это подтверждается экспери-
ментами по определению скорости роста толщины пленки, изме-
ряемой кварцевым датчиком. Отсюда следует, что скорость'роста
проводимости тормозится некоторым неизвестным механизмом,
влияние которого оценивается разностью ординат пунктирной 2
и основной кривой 1 (рис. 82).
Можно предположить, что таким «тормозящим» напыление
механизмом может быть некоторый эффект электрического поля,
180
создаваемого в плоскости свидетеля источником напряжения изме-
рительной аппаратуры.
Влияние внешнего электрического поля на структуру и сплош-
ность металлических пленок впервые было обнаружено Чопрой
[213], который показал, что электростатические заряды влияют
на равновесную форму зародышевого островка, поскольку его
свободная энергия изменяется в присутствии заряда. Чопрой
также было обнаружено, что электрически непрерывная сетчатая
структура проводящей металлической пленки в условиях воздей-
ствия постоянного электрического поля образуется при тем мень-
ших ее толщинах, чем больше напряженность электрического
поля. Необратимое изменение электрического сопротивления
пленок ряда металлов под воздействием проходящего через пленку
тока объясняют миграцией нестационарных образований в пленке.
Чопра проводил свои эксперименты при значительных напряжен-
ностях поля, превышающих 100 В/см, при этом напряженность
поля определялась расчетным путем (делением приложенного
напряжения на расстояние между электродами). Далее будет
показано, что эффективное значение напряженности поля не сов-
падает с расчетным значением, а значительно превышает его.
В самом деле, напряженность поля на свидетеле, первона-
чально определяемая как t/^cB/ZCB, в процессе роста числа и пло-
щади зародышевых островков существенно возрастает и в каждый
момент времени, предшествующий образованию непрерывной
(хотя бы по одному из возможных путей) металлической пленки,
может быть определена из уравнения
Е — URc*
L ~~ ЕД; ’
где J Az — среднее значение суммарного зазора между металли-
ческими островками, измеренное между контактами
свидетеля.
Своего максимального значения напряженность поля в ди-
электрических зазорах достигает в момент времени, непосред-
ственно предшествующий замыканию последнего (разрывающего
электрическую цепь) зазора.
Физическая модель этого процесса представлена на рис. 83.
Металлические зародыши имитируются элементами произвольной
формы, выполненными из электропроводной бумаги малого сопро-
тивления, надежно прижатыми к основному слою электропровод-
ной бумаги большого сопротивления. Последовательные этапы
образования проводящей пленки представлены на позициях 1—4.
Позиции /, 2 отражают этап роста пленки с электрически изоли-
рованными и далеко отстоящими друг от друга зародышевыми
островками, напряженность поля в этом случае определяется
как разность напряжений между островками, деленная на расстоя-
ние между ними. Очевидно, что^при увеличении числа и площади
181
отдельных островков напряженность поля в зазорах между ними
возрастает и достигает максимума перед замыканием последней
перемычки 3 между внешними контактами.
После образования непрерывной сетчатой структуры 4 на-
пряженность поля между элементами сетки определяется падением
напряжения на сетке и остается приблизительно постоянной вне
зависимости от размеров зазоров и пор. В самом деле, потенциалы
на границе каждого замкнутого зазора
Va-Ub
/св
и напряженность поля
_^сп
/сз (а Ь)
иИсП
/св
= const •
На рис. 84 представлен график изменения напряженности
поля в плоскости свидетеля для рассмотренного выше случая.
Сравнение внешнего вида кривой 1 на рис. 82 с кривой на
рис. 84 позволяет предположить, что именно напряженность
поля является тем механизмом, который определяет уменьшение
скорости роста проводимости резистивной пленки на стадии
островковой структуры.
Для того чтобы окончательно убедиться в этом, необходимы
эксперименты, в которых при сохранении общей структуры опи-
санных выше опытов
либо варьировалась
напряженность поля на
свидетеле, либо она
вообще исключалась
(или по крайней мере
не превышала UrcJIcb).
Как видно из пре-
дыдущего эксперимен-
та, максимальное зна-
чение напряженности
поля на свидетеле,
определенное из гео-
метрических соображе-
ний, может быть сколь
угодно большим и прак-
тически определяется
каким-то иным физи-
ческим механизмом
Рис. 83. Электрофизическая мо-
дель свидетеля
182
Рис. 84. Зависимость напряженности поля в плос-
хости свидетеля от времени напыления
— время открывания заслонки; t2 — время
начала рсста проводимости пленки; t3 — время
замыкания последнего диэлектрического зазора;
t4 — время образования непрерывной металличес-
кой пленки
(напр имер, поверхностной иониза-
цией). Поэтому использование раз-
личных значений питающих напря-
жений не приведет к соответствую-
щему изменению напряженности
поля и, следовательно, не позволит
получить интересующую нас зависи-
мость.
Второй возможный способ проведения эксперимента заклю-
чается в использовании пассивного свидетеля (т. е. свидетеля,
который в процессе напыления не контролируется), но этот способ
позволяет судить лишь о заключительной стадии процесса и по
этой причине не может нас удовлетворить.
Следовательно, остается единственная возможность: исполь-
зовать специальный, предварительно металлизированный сви-
детель, напряженность поля на котором равна (до образования
сплошной проводящей пленки)
Для чистоты эксперимента необходимо обеспечить эквивалент-
ность прочих (кроме напряженности поля) параметров и, в первую
очередь, необходимо, чтобы оба свидетеля имели одно и то же
основание. Это необходимое условие вызвано тем, что коэффи-
циент аккомодации паров металла на чистую металлическую
поверхность равен единице и сильно зависит от степени загряз-
ненности поверхности (рис. 85). Для регулирования степени
загрязненности подложки используется монотонная зависимость
толщины адсорбированного чистой металлической поверхностью
слоя остаточных газов от продолжительности перерыва в напыле-
нии t2, t3. Угол наклона кривой а монотонно убывает с уве-
личением /.
Рис. 85. Зависимость вре-
мени установления заданной
скорости роста проводимости
от степени загрязненности
подложки
183
Одно из возможных решений заключается в том, что первона-
чально на одном из свидетелей (например, /?св1) напыляется
и стабилизируется непрерывная проводящая пленка (сопротивле-
ние ее /?м. пл), затем поверхность свидетелей между контактами
покрывается тонким (с многочисленными проколами) диэлектри-
ческим защитным слоем, к контактам обоих свидетелей подсоеди-
няются измерительные зонды (по схеме на рис. 86), свидетель без
металлического подслоя (/?св2) шунтируется резистором (/?ш),
сопротивление которого равно сопротивлению уже напыленной
металлической пленки, и производится одновременное напыление
на оба свидетеля.
Напряжение t7li2 в каждый момент времени пропорционально
разности проводимости обоих свидетелей, поскольку
у 1 ЕКобр 2
11 2 г, , ПЛ^СВ 1 D 1_ ^Ш^св 2
'хобр 1 “I р ZlTd Аобр 2 "1 о
Ам. ПЛ т Асв 1 Аш т Аса 2
Если
^обр 1 = ^?обр 2, ^М. ПЛ = св, R1U »Яобр,
ТО
У1,2 = ERo6p (Лх —Л2),
а скорость его изменения пропорциональна разности скоростей
роста проводимости резистивных пленок обоих свидетелей. На
рис. 87 представлен график разности скоростей роста проводи-
мости (AV) для рассмотренного выше случая, полученный на
самописце ПДС-021.
Еще одним подтверждением зависимости скорости роста пленки
от напряженности поля является следующее рассуждение. Пред-
положим, что скорость роста пленки увеличивается с возраста-
нием напряженности поля. В этом случае случайная флуктуация
Рис. 88. Блок-схема прибора контроля разности скоростей
нанесения пленок двух свидетелей
184
Рис. 87. Зависимость разности скоростей нанесения Двух
металлических Пленок от времени
плотности потока пара испаряемого веще- / \
ства или какая-либо другая причина (на- / \
пример, местные поверхностные загрязнения / ___
и пр.) приведут к различной плотности раз- -
мещения и различной площади металличес- 2
ких островков. Напряженность поля, оче-
видно, будет различна на разных участках подложки, и там, где
она больше, скорость роста пленки возрастет, тем самым увеличится
неравномерность поверхностного удельного сопротивленияпопод-
ложке по сравнению с образцами, изготовленными в отсутствии
поля.
Если предположить обратную зависимость, то в местах с по-
ниженной плотностью концентрации зародышей, т. е. там, где
напряженность поля меньше, скорость роста островков пленки
будет выше и, следовательно, будет наблюдаться эффект умень-
шения градиентной погрешности.
Серия таких контрольных экспериментов была проведена на
подложках, на часть из которых напыление было проведено
в электрическом поле. Поскольку рассматриваемый эффект на-
блюдается лишь до момента образования непрерывной сетчатой
проводящей структуры и при продолжении напыления нивели-
руется иными эффектами, процесс напыления заканчивался сразу
после появления сплошной проводящей пленки.
Оказалось, что справедливым является последнее из предпо-
ложений. Пленки, изготовленные в электрическом поле, характе-
ризуются меньшей градиентной погрешностью, и, следовательно,
скорость роста пленки убывает с возрастанием напряженности
поля.
В этих же экспериментах выяснилось, что рассматриваемый
эффект поля не приводит к анизотропии свойств пленки. Для этого
исследовалась воспроизводимость резисторов (изготовленных ме-
тодом фотолитографии), различным образом ориентированных от-
носительно вектора напряженности поля. Оказалось, что разброс
поверхностного удельного сопротивления резистивной пленки
резисторов, ориентированных вдоль и поперек вектора напря-
женности, не превышает разброса ра для резисторов, изготовлен-
ных в отсутствии поля. Это позволяет говорить об активацион-
ной природе влияния напряженности поля на скорость роста
плейок.
Возрастание напряженности поля резко уменьшает скорость
роста пленки на свидетеле по сравнению с образцами, изготовлен-
ными в отсутствии поля (т. е. с резисторами одновременно изго-
тавливаемых микросхем). Тем не менее наступает момент, когда
185
границы между отдельными островками смыкаются и напряжен-
ность поля резко уменьшается. Начиная с этого момента, меха-
низм влияния напряжения источника питания измерительного
прибора имеет иной характер.
Для выяснения этого влияния целесообразно вспомнить о то-
ковой тренировке резисторов, процессе, широко используемом
для стабилизации параметров прецизионных компонентов. Прак-
тика показывает, что при пропускании тока через резистор про-
исходят глубокие внутренние изменения в структуре резистивной
пленки, что сопровождается изменением величины сопротивления
резистора. Эти изменения тем более значительны, чем больше
плотность тока в поперечном сечении резистора, и особенно
велики на начальных этапах тренировки.
Все это позволяет сделать вывод о большой концентрации
метастабильных дефектов структуры в свеженанесенной рези-
стивной пленке. Таким образом, пропускание тока через резистор
приводит к изменению его сопротивления во время тренировки
(в данном случае напыления) и к стабилизации его свойств при
старении.
23. Измерение сопротивления групп резисторов,
напыляемых с подключением измерительных приборов (1)
и без подключения приборов (2)
№ группы! резисто- I ров 1 № рези- сторов Сопротивление резисторов (Ом) при различном времени стабилизации пленки, мин
0 1 1 2 4 8 15 | 30 69
1 R1 1000 1000 999 999 998 998 998 998
R2 1002 1001 1001 1001 1000 1000 1000 999
R3 998 997 997 997 996 99G 996 996
R4 1000 999 999 998 998 997 997 997
R5 999 999 998 | 998 998 ; 998 997 997
R6 1003 1003 1002 1002 । 1001 1001 1000 1000
2 R7 911 908 | 905 903 900 897 894 892
R8 | 920 916 | 913 911 909 907 906 906
R9 | 908 904 । 901 899 897 895 893 892
R10 912 909 907 905 903 | 902 902 901
RH 917 914 911 909 | 908 ' 907 | 1 1 908 906
R12 | 915 | 911 908 905 905 | 904 903 | 903
186
Для подтверждения сказанного, рассмотрим результаты сле-
дующего эксперимента. В камере напылительной установки раз-
мещены подложки с предварительно нанесенными контактами
(типа свидетелей). Процесс нанесения резистивного слоя осуще-
ствляют обычным способом, в процессе напыления к половине
образцов (группа I) приложено напряжение от измерительного
прибора. По окончании процесса напыления и в течение всего
времени стабилизации измеряют сопротивление всех напыленных
образцов. Результаты измерений по двум таким экспериментам
сведены в табл. 23.
На основании данных экспериментов можно сделать следую-
щие выводы:
1. В момент окончания напыления дисперсия сопротивлений
резисторов в пределах одной группы образцов, измеренных
в процессе напыления, приблизительно в 1,2—1,5 раза меньше,
чем дисперсия образцов, не контролировавшихся при напылении.
2. Воспроизводимость номиналов сопротивлений образцов пер-
вой группы в момент окончания напыления значительно выше,
чем для образцов второй группы. Так, погрешность математиче-
скогЬ ожидания всех образцов первой группы, очевидно, равная
конкретной реализации погрешности измерительной аппаратуры,
составляет 0,4%, а для образцов второй группы находится в пре-
делах 25% в зависимости от материала резистивной пленки и
режимов напыления (табл. 24).
3. Стабильность резисторов первой группы значительно выше,
чем у резисторов второй группы. Обычно наблюдаемые значения
уходов резисторов первой группы находятся в пределах 0,1—2%
(в зависимости от материала резистивного слоя, pD и режимов
стабилизации), тогда как для резисторов второй группы эта за-
висимость носит более резкий характер (табл. 24).
4. В пределах каждой отдельной партии разброс уходов ре-
зисторов первой группы при стабилизации меньше, чем для
резисторов второй группы, причем величина разброса в ряде
случаев является монотонной функцией величины ухода.
Поскольку в нашем случае процесс тренировки совпадает
с процессом напыления резисторов, то очевидно, что сопротивле-
ние свидетеля в момент окончания процесса напыления будет
(при совершенной контрольно-измерительной и регулирующей
аппаратуре) практически совпадать с расчетным значением, в то
время как сопротивления резисторов микросхемы могут суще-
ственно от него отличаться.
К сказанному можно добавить, что стабильность резисторов,
прошедших термотренировку, в принципе выше, чем для нетрени-
рованных. Следовательно, при термостабилизации уход харак-
теристик свидетеля будет незначительным, а сопротивления ре-
зисторов будут меняться, как это обычно имеет место.
Вторая группа факторов, определяющих смысл и содержание
аппаратурной погрешности, проявляется в том, что даже при
187
выполнений рассмотренных выше требований не удается в ряде
разделенных во времени однотипных технологических процессов
поддерживать на строго одинаковом уровне все технологические
параметры.
24. Погрешность средней величины
и дисперсия удельного сопротивления резисторов из различных материалов,
для разных толщин пленки
Материал резистора Параметр Погрешности при различных значениях удельного сопротивления
50 100 250 500 1000 2000
Хром 6 (Ра) —5,6 —2 0,3 4,7 — —
ст(Ра) 1,6 1,3 2,1 3,1 — —
Нихром 6 (Ра) -2,4 —0,6 2,7 5,4 — —
а(Ра) 2,3 1,8 2,7 3,9 — —
МЛТ-ЗМ 6 (Ра) — — -4,7 —0,4 — —
ст(Ра) — — 3,1 3,7 — —
Кермет 6 (Ра) — — — —6,8 —4,1 0,3
а(Ра) — — — 5,4 4,8 4,4
Результатом этого является большое рассеяние отклонений
сопротивлений тонкопленочных резисторов в ряде последователь-
ных процессов по сравнению с одним технологическим процессом.
Значительная часть этого дополнительного рассеяния, очевидно,
относится к коррелирующей части линейной, контактной и гра-
диентной погрешностей и в основном рассмотрена ранее. К соб-
ственно аппаратурной погрешности можно отнести снижение
уровня корреляции сопротивления свидетеля (в том числе и
Ясв. расч) и резисторов микросхемы при их изготовлении и термо-
стабилизации за счет различия в температуре и времени проведения
процессов, давлении и составе остаточных газов при напылении
и стабилизации, скорости нанесения пленок и пр.
188
Суммируя градиентную и аппаратурную погрешности Поверх-
ностного удельного сопротивления резистивной пленки, имеем
8(Pci) _ ак(Ь)ел <тк(/?к)?к I V !
~ ьсв RctJ>CB + аа"п^пп +
I п _ __ °НК (6) ел . СВ _ °НК (^к) ек. св
-Г^гр.к^гр Г^гр.нЛр/ bzb RcbbcB
где
гт' I ZV п ______ ^нк (&) еЛ. СВ °Н1< (/?св) еК. св _ п”
иапп^апп ~т~ ^гр. к^гр — b ь -----^апп^апп»
а
\2 / ' \2 | ~2 I Qhk I °нк (^св)
\tfanrj — WaniJ Orp. к “| р I 2 /,2 *
°св ^св°св
Математическое ожидание градиентной и аппаратурной по-
грешностей может быть учтено при определении номинала сви-
детеля:
6 = 6 _1_ 6
n uann I игр*
HD
Таким образом, суммарная относительная погрешность рези-
стора
I (Rd = °iei + ак (Rid [ r^7 — ] ек +
Ч~ ак (Ь) -----ь~ ] 4“ <7апп^аппэ
где
^.2_____________________2 /U\ 1 I (^к) I <т2
— Снк(0)-р- Н ^2^2 Нагр.ИК.
6. Расчет выходных параметров
технологического процесса
Как следует из предыдущего раздела, для описания погреш-
ности резистора необходимо задать набор констант, характери-
зующих погрешности, линейные размеры резисторов и четыре
статистически случайные величины с единичной дисперсией.
Для описания п резисторов необходимо иметь п + 3 статистически
независимых случайных величин с единичной дисперсией:
^л, ^апп> f = 1, 2, . . ., П.
189
Для удобства последующих вычислений введем новые обозна
чения:
£апп ~ 1л-)-1 >
~ 1и+2>
~ 1л+з>
4=1, 2, ..п.
При этом, поскольку все математические ожидания погреш-
ностей учтены в соответствующих расчетах:
1(^) = 0
i = 1, 2, .. и,
Очевидно, что годной является такая микросхема, для которой
удовлетворяются следующие условия:
и для некоторых i и /
при условии выполнения ограничения по непревышению допу-
стимой мощности рассеивания на каждом резисторе
5.
где Pi — мощность, рассеиваемая на г-м резисторе;
Sf — площадь г-го резистора;
Рдоп — допустимая рассеиваемая мощность на единицу пло-
щади резистора.
Резисторы, для которых оговорено условие До-, назовем
сопряженными, это условие эквивалентно выражению
Аналогично может быть записано и условие на абсолютную
погрешность резистора
А,.
Если последние условия выполняются не со стопроцентной
вероятностью, то процент выхода годных схем, при условии, что
190
выполняется ограничение по рассеиваемой мощности, опреде-
ляется интегралом
и 4-3
J = j • • • j П da(,
й”4-з i
где область интегрирования для f-резистора определяется как
I °ill + (Ь) ] ?,i+2 + ак (RK) [-#^Г —
” ] ^+3 + '11 А‘ ’
i 1, 2, ..п
и для сопряженных резисторов i и / как
I а^/ + ак (Ь) [ ] £л+2 + ак (/?к) [ -^7
а
/ ВЦ
€Хр
1 — }-dlh i = 1, 2,. .и 4- 3.
1 /2л
Подробное изложение этого метода расчета размеров пассив-
ных компонентов микросхемы представлено в работе Вальдмана
и Радионова [6], там же рассмотрены некоторые элементарные
приемы, позволяющие в ряде случаев (схемы с технологически
низкоомными или высокоомными резисторами, схемы, для кото-
рых оговорена относительная погрешность компонентов) повы-
сить выход годных микросхем.
Эти приемы в основном сводятся к следующему:
1. При использовании масочной технологии и большом зна-
чении отношения целесообразно использовать два
резистивных слоя с различными значениями ра. В случае, если
в конструируемой микросхеме оговорена относительная погреш-
ность компонентов 6 (/?,//?;), необходимо их размещать в пределах
одного резистивного слоя.
2. Технологически низкоомные резисторы должны иметь оди-
наковую длину или состоять из последовательно включенных
секций, для которых выполняется условие
где lL — длина секции г-го резистора;
п — число его секций.
191
3. Технологически высокоомные резисторы должны иметь
одинаковую ширину или состоять из секций, для которых выпол-
няется условие
где bL— ширина параллельно включенных секций f-го резистора;
п— число его секций.
4. Конструкция свидетеля должна обеспечивать максимальное
приближение ра св к рад., что достигается за счет увеличения
площади свидетеля, числа одновременно включенных свидетелей
оптимальной геометрии и сближения условий изготовления сви-
детеля и резисторов микросхемы.
Поскольку параметры свидетеля входят только в часть нера-
венств, определяющих область Qn+3:
i= 1. 2....п
или
....»•
необходимо выбирать параметры свидетеля такими, чтобы общий
вклад коррелирующих частей линейной и контактной погреш-
ностей в аппаратурную погрешность наилучшим образом компен-
сировался.
То есть
(Як) I J___1 i2 , PkC0 I 1_
|РсА' Pq^cb | I bf bCB
стремился к минимуму.
Величины /св и Ьсъ могут быть найдены по принципу наимень-
ших квадратов.
Для низкоомных резисторов (при Д, = Д) решение имеет вид
п
^св п bi
i~\
Для высокоомных резисторов
1 _1 VL
/св п / i
i=l
Справедливости ради надо заметить, что выбор критерия ком-
пенсации достаточно сложен и задача оптимизации в принципе
192
должна предусматривать отыскание оптимальных размеров сви-
детеля. Тот критерий, который был предложен выше, достаточно
справедлив при наличии тесного группирования номиналов
вокруг одного среднего значения. При наличии двух и более
центров группирования может быть предложен другой простой
критерий — минимальное значение максимальных отклонений
с учетом в качестве веса данного отклонения допуска на резистор.
В этом случае выражение имеет очень похожий вид, но в нем
участвуют лишь резисторы с наименьшим и наибольшим номи-
налами.
13 В. Д. Гимпельсо!
Г Л А В A [5
ТЕХНОЛОГИЯ СБОРКИ И МОНТАЖА
ГИБРИДНОПЛЕНОЧНЫХ МИКРОСХЕМ
1. Подгонка элементов тонкопленочных микросхем
Одним из важных преимуществ пленочной микроэлектроники
является возможность получения прецизионных элементов микро-
схем (сопротивлений и конденсаторов) путем использования спе-
циальных методов доводки номиналов после создания тонко-
пленочной структуры. Различают два вида подгонки резисторов:
технологическую и функциональную. Технологическую подгонку
применяют в процессе изготовления резисторов, когда реализуе-
мые значения допусков больше заданных. Функциональную под-
гонку схем производят путем изменения величин сопротивления
в схемах по выходным параметрам схем. В первом случае~диапа-
зон подгонки обычно не превышает 20—25%; во втором—ре-
зисторы могут подгоняться на несколько сот процентов.
Подгонка может быть дискретной, когда топология резистора
или конденсатора предусматривает специальные перемычки, кото-
рые при подгонке перерезаются или подпаиваются, и плавной,
при которой практически не изменяется топология микросхемы.
Дискретная подгонка обеспечивает точность ±Д2ч-5)% на ре-
зисторы и =t=5% на конденсаторы.
Дискретный способ подгонки основан на том, что тонкопленоч-
ные резисторы имеют ряд секций с определенными номинальными
значениями сопротивления и известными отклонениями от номи-
нала, находящимися внутри поля допуска. Это позволяет одним
контрольным замером неподогнанного резистора определить ком-
бинацию подгоняющих секций. Поскольку число таких секций
должно быть по возможности мало, необходимо выбрать такую
конструкцию резистора, чтобы сопротивления секций и их ком-
бинации давали равномерную последовательность величин сопро-
тивлений. Этому требованию удовлетворяет конструкция под-
гоняемых сопротивлений, показанная на рис. 88, а.
Секции с сопротивлениями 2° /?, 21/?, . . ., 2nR являются
основными. Секции, имеющие сопротивления k (2° R), k (21/?), . ..,
k (2nR), подгоняющие, причем k — отношение номиналов соп-
ряженных параллельных подгоняющей и основной секций,
194
Рис. 88. Дискретно подгоняемые резис-
торы:
а — ннзкоомные; б — высокоомные
п = Р — 1, где Р — ЧИСЛО
подгоняющих секций.
Различные комбинации под-
гоняющих секций с основными
позволяют получить 2П вариан-
тов резисторов, номиналы кото-
рых определяются из следую-
щего соотношения:
о (V
где i — порядковый номер резистора в ряду монотонно возра-
стающих номиналов резисторов, полученном при различных ком-
бинациях секций, причем tmax 2k— 1.
Если учесть, что при подгонке сопротивление увеличивается
и что максимальный технологический допуск Дтах больше за-
данного допуска на сопротивление Дь то номинал неподогнанного
резистора RQ должен быть меньше заданного номинала рези-
стора А?н И СВЯЗаН С НИМ СООТНОШеНИеМ 7?0 (1 + ^тах) = Ян (1 +
+ Дх) — первое граничное условие. Отсюда
р _ р 1 + Д1
(2)
Но из уравнения (1)
(ПРИ г'— °)-
Подставив уравнение (3) в уравнение (2), получим
___ о 1 —|— Aj
-И 1 U 1 + Дтах
Отсюда
, 14-Д1 .*+1
н 1 + Дтах &’тах
(3)
(4)
Величина k может быть определена из следующих соображе-
ний: при уменьшении технологического допуска от Атах до не-
которого А сопротивление неподогнанного резистора изменяется
от (1 4- Aj) до R„ (1 — Ax), т. е.
( /?о(Ц- А,11ах) = R„ (1 + AJ;
I Ru(l -|-A) -Rnd-AO.
13* 195
Отсюда, исключая Ro, получаем
1 1 а __ t1 —Д1) С1 4~ Атах) (5)
Поскольку при дальнейшем уменьшении технологического
допуска величина сопротивления становится меньше RH (1 — AJ,
необходимо произвести первую подгонку резистора, т. е. пере-
резать подгоняющую секцию k (2° R). При этом величина подо-
гнанного сопротивления Rx должна увеличиться на величину,
не большую (а в пределе равную) 2AiRH, т. е.
(1 -|- А) = R0(l I- А) + 2АА. (6)
В то же время из уравнения (1)
= (при1- = 1) (7)
Подставив в уравнение (6) значения из (3), (5) и (7) и решив
его относительно k, получим
k = Д—
2/ maxAj
Для определения соотношения между Ах и Атах воспользуемся
вторым граничным условием: максимально подогнанное сопро-
тивление резистора, изготовленного с максимальным отрица-
тельным технологическим допуском (—Атах), должно быть больше
(а в пределе равно) (1 — AJ, т. е.
^Gnax (1 Атах) — RH (1 Ai)« (9)
Но из уравнений (1) и (4)
Я«тах = • --р (ПРИ 1 = 1‘тах) (10)
1 ~г атах «
Подставив уравнение (10) в (9) и решив его относительно Атах,
получим
д ____ д Отах 1) А1 4“ Отах Н- 1) ,1П
птах — 1 д г; д Г-^ ГЛ ' I1
1 -Г ai Umax^i Цтах 1)J
Если технологический допуск изготовления резисторов Атехн
^тах» a R и k рассчитаны в соответствии с формулами (4) и (8),
то обязательно имеется некоторая комбинация основных и под-
гоняющих секций, обеспечивающая 100%-ный выход резисторов
с заданным допуском RH (1 — AJ.
Рассмотрим вопрос выбора комбинации подгоняющих секций
в зависимости от реально полученного допуска. Очевидно, что
с каким бы допуском А мы не изготовили подгоняемый резистор,
он должен удовлетворять соотношению
RH(l-A1)^Rf(l + A)^RH(l + A1); (12)
или на основании уравнений (12) и (11)
- а'> тйЬ (11- а» •=(1 -1- д.) i:.“.
196
Используя правую часть неравенства, определяем верхнюю
границу допуска Д для комбинации секций, соответствующую ьму
номиналу
Л /1 1 Л \ 1 4-Дщах ^max i Ртах
Атах Г- (1 + АО *
Аналогично для левой части неравенства
Л —. /1 Л \ 1 “!• Дтах ^тах i Ртах
ЛпйпГ - (1 Д1) 1<Ai -kimax±i 4=0 •
Подставляя значения I от 0 до гп1ах, получим граничные значе-
ния допусков, внутри которых необходимо использовать вполне
определенную комбинацию секций, соответствующую значению i.
Из табл. 25 видно, что значения сопротивлений двух после-
довательных вариантов подогнанного резистора перекрывают
друг друга, т. е. вблизи границ допусков могут быть использованы
как одна, так и другая комбинации. Удобнее ввести так назы-
ваемый расчетный допуск
а _ Amin i 4~ Ашах i 1 I£max
₽асч ~ 2 | i=0 ’
25. Определение секций,
подлежащих разрезке при дискретной подгонке резисторов
i бтах бтш брасч max брасч min (ХЕШ 0^ С £ § о. •о оГ Секции, подлежащие разрезке
0 0,315 0,190 0,315 0,190 1050 950 —
1 0,190 0,075 0,190 0,082 950 865 k (2»Я)
2 0,088 —0,015 0,082 —0,007 865 794 k (22Я)
3 0 —0,100 —0,007 —0,085 794 732 k (20 Я) + k (?R)
4 —0,070 —0,164 —0,085 —0,150 732 680 k (PR)
5 —0,138 -0,220 —0,150 —0,207 680 635 k (2»Я) + k (22Я)
6 —0,195 —0,270 -0,207 —0,255 635 596 k (22Я) + k (22Я)
7 —0,243 —0,315 —0,255 —0,315 596 548 k (2»Я) + k (2*Я) + + k (2lR)
197
который бы ограничивал область применения каждой комбина-
ции секций, и установить расчетные границы Amaxf-i и Aminf.
В связи с тем, что контрольный замер проводится только
для 7?0, необходимо знать его величину при всех найденных
расчетных допусках, т. е. установить зависимость между реаль-
ным значением АраСЧ и комбинациями подгоняемых секций.
Из уравнения (2) имеем
Г) _ Г) 1
Реальное сопротивление
Ъ (1 + Арасч) = RH (1 + Драсч) Н’ .
1 т amax г 11=0
Рассмотренная выше конструкция дискретно подгоняемого
резистора удобна для низкоомных резисторов, имеющих малое
отношение 1/Ь. Для высокоомных сопротивлений можно рекомен-
довать другую топологию, которая может быть использована
с теми же расчетными соотношениями (рис. 88, б).
Основные, полученные в общем виде, формулы сведены
в табл. 26. Там же приведены частные формулы, полученные
при различном числе подгоняющих секций А
Плавная подгонка резисторов (до 0,1% и выше) может осу-
ществляться за счет изменения ра (т. е. объемных свойств пленки
и ее толщин) и за счет изменения числа квадратов N.
Подгонка за счет изменения толщины резисторов происходит
при термическом окислении поверхностного слоя резистивной
пленки, за счет чего уменьшается ее эффективная толщина.
В некоторых случаях (например, для тантала) лучшим спо-
собом изменения эффективной толщины пленки является анодное
окисление [239].
На рис. 89 показано приспособление для анодирования от-
дельного резистора.
Площадь соприкосновения анодирующего электролита с ре-
зистивным материалом ограничена жировой маской, которая
наносится методом трафаретной печати.
С помощью электродов, установленных на контактные пло-
щадки, на резистор периодически подается положительный по-
тенциал и измеряется его сопротивление. Если конструкцию
системы подгонки выполнить из нескольких модулей, содержащих
схемы измерения сопротивления и источники питания, можно
проводить индивидуальную подгонку нескольких резисторов
одновременно.
Индивидуальная подгонка обеспечивает точность сопротив-
лений до 0,01% и компенсирует градиентную погрешность по-
верхностного сопротивления резистивной пленки.
Однако процесс индивидуальной подгонки имеет ряд недо-
статков, которые делают его неперспективным.
198
26. Формулы для расчета дискретно-подгоияемых резисторов
Общие формулы Частные формулы при различном числе подгоняемых секций
Р = 1 Р —2 Р = 3 Р = 4 Р = 5
*тах = 2^ — 1 1 3 7 15 31
х x(‘max-*4-0|‘Sx R 2+J I1 * k + 1 |о k-— 1 |о п7*+1|7 k+ 1 |о 15^+» I15 R k+1 lo п 316+1 I31 X k-^\ |о
Л=Лн--^1-Х я-^тах х ±±^1_ 1+Д2 Ян^-х 1 + Д1 1 4“ Атах 6 4-1 1 ч-At н 36 1 4- Дгаах k+ 1 14- д, *н 7k 1+Дтах k+ 1 1 + Дх Кн 15А 1 + Дщах 6+1 1 + Дх Кн 316 1 + Дщах
k= 2’4max*Ai А. 2Ai 1 — Al 6Дх 1-Д1 14Aj 1-Дх ЗОДх 1-Дг 62Дг
A max — Gmax 0 Ai + — д (*tnax 4~ 1) 1 14~ AlUmax Ах 4“ 4" (*тах — 1)] 2Д1 H-Ai А> (2At-b 4) 1 + ДНЗДх + 2) > Д1(6Дх+8) 1 + Д1(7Д1 + 6) ДхСИДхЧ- 16) 1+ 4^154! 4- 14) Дг (ЗОДх + 32) 1 + Дх (31Дх + 30)
Рис. 89. Приспособление для подгонки тантало-
вых пленок резисторов анодированием:
1 — сильфон; 2 — жировая маска; 3 — подлож-
ка; 4 — танталовый катод; 5 — контакт 6 —
электролит
Анализ существующих
операции фотолитографии
быть исключены.
Однородность пленки тантала,
получаемой катодным распылением,
позволяет применять групповой ме-
тод подгонки всех резисторов на
подложке. Однако и этот способ
не обеспечивает однородности окис-
ления резисторов.
способов приводит к выводу, что все
после анодного окисления должны
Контакты и резисторы должны быть сформированы до опера-
ции анодного окисления, тогда они не будут являться закорачи-
вающими слоями. Таким образом, необходим третий проводящий
слой, который закоротит все резисторы подложки, причем этот
слой должен наноситься на подложку с уже сформированным
рисунком микросхемы. Этот закорачивающий слой в то же время
защитит все контакты от анодного окисления.
Если фотолитографию окон под анодирование в третьем, за-
щитно-закорачивающем слое и фотолитографию длины резистора
делать раздельно, то из-за неточности совмещения неизбежно
появятся участки резистора, не окисленные при анодной под-
гонке.
Следовательно, третий слой должен быть нанесен на под-
ложку, на которой сформирован только контур микросхемы,
т. е. фиксирована ширина резисторов. Только после того, как на
третьем слое проведена фотолитография окон под анодирование
с длиной окна, равной заданной длине резистора, можно стравить
материал проводников с резистора. Таким образом, используя
третий слой в качестве технологической маски для травления
проводящего слоя, т. е. для фиксирования длины резисторов,
можно обеспечить однородное анодное окисление резистора по
всей его длине.
Следует заметить, что третий слой не должен закорачивать
электрическую цепь в электролите, поэтому материалом для него
может служить любой окисляющийся при анодировании провод-
ник, например алюминий или медь. Для дополнительной изоляции
фоторезист после фотографировки третьего слоя можно не снимать.
Контроль изменения поверхностного сопротивления резистив-
ной пленки в процессе анодного окисления можно проводить
по контрольному резистору. Один контакт контрольного рези-
200
стора должен быть накоротко замкнут с третьим слоем, чтобы
обеспечить одинаковые условия окисления со всеми резисторами
на подложке.
Рассмотрим порядок всех технологических операций на при-
мере изготовления микросхемы с тонкопленочными танталовыми
резисторами и алюминиевыми контактами. Этот процесс содержит
следующие операции:
1. Нанесение сплошной резистивно-проводящей структуры.
2. Создание с помощью фотолитографии совместного рисунка
резистивно-проводящих элементов микросхемы (рис. 90, а). Эта
операция фиксирует ширину всех резисторов микросхем и кон-
трольного резистора.
Алюминий травится в водном растворе хромового ангидрида
и фтористого аммония. Тантал травится в смеси азотной и пла-
виковой кислот. Полученная структура покрывается фоторези-
стом (рис. 90, б).
3. Нанесение слоя меди на подложку способом термического
напыления. Операция производится после тщательной промывки
в ацетоне и деионизованной воде.
6 3 2 1
д)
Рис. 90. Подгонка танталовых резисторов анодированием:
/ — подложка; 2 — тантал; 3 — алюминий; 4 — фоторезист; 5 — медь;
6 — окись тантала
201
4. Вскрытие с помощью фотолитографии контактов контроль-
ного резистора и окон для анодного окисления. Длина окна должна
быть равна длине резисторов микросхемы, а ширина больше
ширины резисторов обычно на двойную погрешность совмещения.
Слой меди в окнах удаляется азотной кислотой (рис. 90, в).
5. Стравливание с резистивных дорожек алюминия в водном
растворе хромового ангидрида и фтористого аммония (рис. 90, г).
Травление алюминия в таких распространенных травителях,
как ортофосфорная кислота, соляная кислота и щелочь, не допу-
стимо из-за подтравления тантала и разрушения пленки фоторе-
зиста. Эта операция фиксирует длину всех резисторов схемы и
контрольного резистора.
6. Измерение сопротивления контрольного резистора и опре-
деление пригодности пленки тантала для анодного окисления.
7. Анодное окисление всех резисторов одновременно в общей
электролитической ванне с кольцевым катодом. Медный слой
является общим анодом для всех резисторов микросхемы и кон-
трольного резистора. Система подгонки обеспечивает периодиче-
ское отключение анодного тока и подключение контрольного ре-
зистора к мостовой схеме измерения сопротивлений. По достиже-
нии нужного номинала анодное окисление прекращается.
8. Удаление фоторезиста и стравливание слоя меди в трави-
теле, который не взаимодействует с алюминием и окисью тантала,
например, в азотной кислоте (рис. 90, д).
Таким образом, получается подложка с готовыми микросхе-
мами.
Следует отметить, что точность окончательного значения сопро-
тивлений резисторов, изготовленных предложенным способом,
определяется однородностью напыленной резистивной пленки
и точностью операции фотолитографии.
Для сопротивлений из хрома, рения и других монометаллов
используется термическое окисление. При нагреве на воздухе
происходит интенсификация окислительных процессов на по-
верхности пленки и увеличение вследствие этого удельного сопро-
тивления ра.
В случае, когда резисторы имеют защитное покрытие, пре-
дохраняющее пленку от окисления, изменение ра происходит
за счет отжига резистивного материала. Сопротивление пленки
при этом является функцией времени термической обработки.
На рис. 91 показана зависимость сопротивления пленок ком-
позиции Сг—SiO (20% SiO) от времени обработки. Обрабатывая
термически всю подложку и регулируя изменение сопротивления
одного из резисторов, можно подгонять удельное сопротивление
пленки до весьма точных значений.
Более совершенным методом нагрева является нагрев излу-
чением, инфракрасным или лазерным [168].
Эффект при нагреве излучением может ,'быть различным.
При относительно длительном нагреве инфракрасным излучением
202
Рис. 91. Зависимость изменения сопротивления пленок Cr —SiO (20% SiO) от времени
нагрева при разных температурах
Рис. 92. Изменение сопротивления резисторов при различной удельной мощности луча
ОКГ (UZ)
на воздухе наблюдается необратимое увеличение ра из-за диффу-
зии кислорода в пленку, а в вакууме — уменьшение ра вслед-
ствие структурных превращений в пленке. При импульсном воз-
действии расфокусированного луча лазера на материал пленки
происходит необратимое снижение величины ра опять-таки из-за
структурных превращений в пленке. На рис. 92 показано расчет-
ное 1 и экспериментальное 2 относительное изменение сопротивле-
ния () при обработке пленок из хрома толщиной порядка
300 А на ситалле.
Из рисунка видно, что наиболее сильные структурные пре-
вращения в пленке начинаются при интенсивности светового
потока W = 3-103 Вт/см2 (соответственно, расчетная темпера-
тура Т = 500° С).
При интенсивности потока (5—6) • 103 Вт/см2 наблюдается
тенденция к насыщению; при этом величина р приближается
к значению для массивного материала. Как показали исследова-
ния, такая подгонка резисторов одновременно стабилизирует
пленки, уменьшает их ТКС и существенно повышает допустимую
мощность рассеивания.
Еще одним эффективным способом подгонки резисторов яв-
ляется обработка пленок джоулевым теплом, выделяющимся при
прохождении тока через резистор. Пожалуй единственным не-
достатком этого процесса является его сравнительно невысокая
точность, поскольку побочным эффектом подстройки является
разогрев резистора и, следовательно, большая погрешность изме-
нения величины сопротивления из-за ТКС. Для повышения точ-
ности замеров необходимо увеличение промежутка времени между
подстройкой и собственно замером. Ниже будет описано, каким
образом этот недостаток может быть успешно преодолен.
203
Процесс токовой подстройки также объясняется двумя меха-
низмами изменения величины сопротивления. Первый из них
связан с окислением резистивной пленки как с поверхности, так
и по границам микрокристаллитов. Его эффективность пропор-
циональна некоторой степени температуры нагрева резистивной
пленки. Температура, в свою очередь, является монотонной
функцией мощности, рассеиваемой на резисторе. Очевидно, что
окисление резистивной пленки приводит к возрастанию величины
сопротивления резистора.
Второй механизм токовой подгонки резисторов определяется
преобразованием структуры резистивной пленки. При этом про-
исходит закорачивание изолированных окисной пленкой микро-
кристаллитов, миграция точечных, поверхностных и объемных
дефектов структуры. Эффективность этого механизма, очевидно,
связана с амплитудным значением тока и напряжения импульсов
подстройки, а оказываемое им воздействие приводит к уменьше-
нию величины сопротивления [96].
Таким образом, меняя соотношение между амплитудным и
средним значениями мощности импульсов подстройки, можно
изменять величину сопротивления как в сторону ее увеличения,
так и в сторону уменьшения. Необходимо также заметить, что
с нагревом резистора однозначно связан первый механизм токо-
вой подстройки и при прочих равных обстоятельствах большую
точность подстройки следует ожидать от второго механизма.
Далее будет показано, что при групповой постройке резисторов
влияние разогрева резистивной пленки на точность измерения
может быть сделано сколь угодно малым и в этом случае можно
использовать оба механизма токовой подстройки.
Следовательно, устройство токовой подгонки резисторов
должно обеспечить подачу на резистор импульсов напряжения
большой амплитуды, малой длительности и большой скважности.
Амплитудное значение напряжения может быть определено экспе-
риментально по изменению величины сопротивления и может
автоматически регулироваться. Блок-схема такого устройства
представлена на рис. 93.
Подгоняемый резистор поочередно (например, с помощью
контактов реле, управляемого мультивибратором) подсоединяется
к формирователю импульсов подстройки ФИ или через образцо-
вый резистор 7?обр к источникам постоянного напряжения ГП
и ГПИ. В полупериоды измерения импульсы напряжения с 7?подг
подаются на вход интегрирующего усилителя ИУ, на выходе
которого напряжение пропорционально среднему значению на-
пряжения ^подг. На дифференциальном усилителе ДУ выраба-
тывается сигнал, пропорциональный скорости изменения сред-
него значения напряжения t/д » который попадает на вход
операционного усилителя ОУ, где сравнивается с заданным зна-
чением скорости изменения напряжения. На выходе операцион-
204
и!ПИ
Lmjljj______-
Рис. 94. Временная диаграмма работы
устройства токовой подгонки резисторов
ного усилителя сигнал, пропорциональный рассогласованию 6t/,
через устройство обратной связи ОС попадает на индикацию.
Этот же сигнал усиливается линейным усилителем мощности УС
и формируется в последовательность импульсов, огибающая
которой определяется значением напряжения на линейном уси-
лителе мощности У У и сформированной пачкой импульсов.
На рис. 94 представлена временная диаграмма работы этого
устройства.
В устройствах такого типа используются либо цифровые,
либо аналоговые способы контроля. В данном случае рассмотрена
аналоговая схема контроля, основным элементом которой является
мост постоянного тока. На рис. 95 представлена упрощенная
схема моста, которая в два последовательных такта осущест-
вляет сравнение сопротивления подгоняемого резистора 7?£Одгг.
с двумя другими, сопротивления которых соответственно равны
RnoflTi (1 — до И Яподг, (1 + до, где Д, — допуск на под-
гоняемый резистор.
205
Выполнение условия /?П0Дг (1 — Az) < /?£0Дг. < (1 +
+ AJ анализируется полярночувствительным нуль-индикатором
НИ (например, цифровым вольтамперметром В К-2-20).
Поскольку существуют разумные пределы подстройки рези-
сторов, очень просто реализуется режим работы «годен—негоден»
для подгонки. Для этого достаточно параллельно или R2—
в зависимости от того, в какую сторону предполагается подгонять
резистор, — подключить сопротивления /?3, номинал которого
выбирается из условия
кГ+к : = 1 -Н Аподг,.,
где Аподг. — допустимое значение относительного изменения со-
противления при подгонке.
Величина Аподг определяется общим для всех резисторов
комплексным параметром, который зависит от материала рези-
стивной пленки, ее толщины, режима обработки. Общим для
всех подстраиваемых резисторов является и номинал Ri = R2,
определяемый как среднее геометрическое /?тах и /?т1п резисторов
микросхемы.
На рис. 96 показано изменение сопротивления пленочных
резисторов композиции Сг—SiO как функция числа импульсов
и уровней мощности.
Из рисунка видно, что общее изменение сопротивления дости-
гает 30%, а после подачи 10—12 импульсов изменение сопротив-
ления, приходящееся на один им-
пульс, составляет =^0,1 % и менее.
Таким образом, выбрав скорость
подачи импульсов— 100 имп/с
Рис. 95. Схема измерения номинала подгоняемого резистора
Рис. 96. Зависимость изменения сопротивления пленок от числа импульсов для разных
уровней мощности
206
И соответствующий уровень мощности, подгонку одного резистора
можно производить с точностью =to,l % менее чем за 1 с.
Возможна также подгонка тонкопленочных резисторов путем
механической обработки пленки, например, натиранием поверх-
ности пленки стальной полированной иглой.
При этом уменьшение величины сопротивления за счет струк-
турных изменений в результате локальных отжигов, которые при-
водят к сокращению границ между зернами и увеличению подвиж-
ности носителей заряда, может достигать 40% при точности
=t2% [84].
Широкое распространение получили методы подгонки за счет
изменения числа квадратов путем удаления части резистивной
пленки.
Удаление пленки может производиться с помощью скрайби-
рования, пескоструйной обработки, электроэрозионной обра-
ботки, химической обработки, испарения электронным лучом
или лучом лазера в импульсном или непрерывном режиме излу-
чения.
| Лазерный метод доводки наиболее экономичен, производи-
телен, доступен автоматизации и обеспечивает максимально вы-
сокую точность доводки [140].
Оптические квантовые генераторы имеют ряд свойств, дела-
ющих их применение для обработки материалов весьма перспек-
тивными.
Во-первых, это возможность строгой локализации лазерного
излучения за счет фокусировки.
Во-вторых, — высокая плотность энергии в фокусе ОКГ (до
1О10—1015 Вт/см2), достаточная для испарения практически любого
вещества.
Кроме того, благодаря кратковременности воздействия, обра-
ботка лучом ОКГ ведется в определенной зоне без существенного
изменения свойств окружающих участков.
Весьма полезной особенностью лазера является небольшая
глубина поглощения его излучения в металлах, что позволяет
применять его для обработки тонких пленок без нарушений
подложек или материала под пленкой.
Регулирование энергии излучения U7 и длительности импульсах
позволяет осуществлять столь различные процессы, как термооб-
работка поверхности пленок или полное испарение материала
пленки.
При воздействии на пленку излучения импульсного твердо-
тельного лазера интенсивностью 106—108 Вт/см2 происходит
испарение материала пленки [98]. Для предотвращения разру-
шения подложки и минимального воздействия на близлежащие
участки пленки длительность импульса выбирают порядка 10~7 с.
На рис. 97 показаны варианты рисунка подгонки при выжи-
гании участков пленки излучением импульсного твердотельного
лазера.
207
В результате выжигания участков пленки (рис. 97, а, б, в, г, д)
уменьшается площадь поперечного сечения в месте обработки,
а следовательно, п реальное отношение -у- резистора, что ведет
к увеличению сопротивления.
В связи с увеличением плотности тока в зоне малых сечений
проводника имеют место локальные перегревы резистивной пленки.
Поэтому самой невыгодной представляется топология подгоняе-
мого резистора, представленного на рис. 97, б ид. При выжигании
пятен в шахматном порядке на периферии резистора (рис. 97, е)
прямоугольный резистор превращается в змейку с почти постоян-
ной площадью поперечного сечения.
На размер выжигаемого пятна, а следовательно, и б/? влияют
следующие параметры ОКГ [210]:
энергия импульса Q;
длительность импульса т;
фокусное расстояние объектива /;
фокусировка луча лазера F.
На рис. 98 показана зависимость площади испаренного пятна S
от напряжения подкачки U для двух объективов с f = 10 мм и
/ = 20 мм.
Из графика видно, что при одинаковом увеличении U наиболь-
шее увеличение пятна дает объектив с f = 20 мм.
Аналогично, и А/? при f = 20 мм в значительно большей сте-
пени зависит от U (см. рис. 99). При f = 10 мм эта зависимость
гораздо слабее и имеет почти линейный характер.
На рис. 100 показано изменение приращения сопротивления
при изменении положения поверхности пленки относительно фо-
куса оптической системы (фокусировки).
Дозировка плотности энергии путем расфокусировки является
наиболее приемлемым методом для подгонки, обеспечивающим
достаточный диапазон и необходимую плавность изменения А/?.
Подгонка в этом случае заключается в последовательном выжига-
нии пятен различного диаметра (см. рис. 97, г).
Схема подгонки (рис. 101) показывает, что при перемещении
подложки с пленочным резистором из положения /// в положение
III или / уменьшится диаметр пятна и соответственно А/?. При
этом точность подгонки
у = 100%,
где R — номинальное значение сопротивления;
А/? — изменение сопротивления за один импульс.
Число импульсов
где г — истинное значение сопротивления.
208
г) fl) е)
Рис. 97. Варианты рисунка под-
гонки резисторов излучением
импульсного твердотельного
лазера
Рис. 98. Зависимость S — f (t/)
Рис. 99. Зависимость AJ? — f (U)
Рис. 100. Зависимость ДЦ =
= / (Д'7)
Рис. 101. Схема подгонки при
изменении AF
14 В. Д. Гимпельсон
Уменьшение диаметра йятйа Приводит К повышению у, но И
одновременно к увеличению п, что снижает производительность.
Максимальный диаметр пятна ограничен увеличением рассеивае-
мой мощности.
В связи с этим опять-таки оказывается оптимальным метод
подгонки выжиганием пятен разного диаметра, при этом подгонка
разбивается на три стадии: грубую, точную и прецизионную.
Процесс подгонки можно автоматизировать. Для этого сигнал
о величине подгоняемого сопротивления поступает на схему управ-
ления вертикальным и горизонтальным положением столика
с микросхемой.
При достижении определенного значения разности R — г
последовательно включается одна из трех ступеней вертикального
перемещения. При достижении заданной величины R — г (напри-
мер, 0,1%), одновременно с прекращением излучения ОКГ, начи-
нается перемещение столика с резистором в новое положе-
ние.
Для подгонки широко используются и газовые лазеры с непре-
рывным излучением, позволяющие производить эффективную под-
гонку «врезанием» в резистор.
Топология подстраиваемого таким образом резистора проекти-
руется исходя из необходимости изменения поперечного сечения
на 20—25%; при этом разогрев резистора в месте подгонки не дол-
жен превышать допустимого. Иначе говоря, в качестве расчетного
значения ширины резистивной пленки принимается ширина, соот-
ветствующая максимально допустимой подгонке резистора
(рис. 102, а).
Заметим, что изменение глубины прорези Я вызывает непропор-
циональное изменение величины сопротивления, причем в тем боль-
шей степени, чем больше отношение Н/b и чем меньше I. Таким
образом, последние этапы подстройки, которые должны выпол-
няться наиболее осторожно, в резисторах подобной геометрии при-
водят к более резкому возрастанию величины сопротивления, чем
этого можно было бы желать.
На рис. 102, б представлен график изменения величины при-
dR
ращения от Я/6, далее называемый характеристикой под-
стройки резистора, для ряда значений конструктивных параметров
I и Ь. На основе этих данных можно сделать вывод, что более ли-
нейную характеристику (с точки зрения подстройки) имеют рези-
сторы с малым числом квадратов. Следовательно, топология таких
резисторов более удобна для изменения величины сопротивлений
в широком диапазоне значений.
В случае необходимости подстройки длинных и узких резисто-
ров обычно выделяют подстроечную секцию с малым числом квад-
ратов, на которой и осуществляют подгонку. Преимущество такой
конструкции заключается в линейности характеристики подгонки,
однако диапазон регулировки сопротивления обычно мал.
210
Более удачную характеристику подгонки имеют резисторы пере-
менного сечения (рис. 103).
Резисторы такой топологии характеризуются большим диапа-
зоном подстройки и достаточно линейной характеристикой под-
гонки. Характер подгоночной характеристики такого резистора
позволяет рекомендовать грубую подстройку осуществлять по
линии f (//J, а точную — по линии f (Н2), т. е. осуществлять гру-
бую и точную подгонку при изменении направления перемещения
инструмента. Интересной особенностью резисторов такой конст-
рукции является то, что в них существуют оптимальные направле-
ния подстройки, в которых величина приращения dR/dH умень-
шается с увеличением глубины реза. Вообще варианты подстройки,
связанные с изменением направления перемещения инструмента,
позволяют получать высокие скорости подстройки при малом пере-
мещении обрабатывающего инструмента. Чаще всего при этом ис-
пользуются системы с изменением направления перемещения ин-
струмента на 90°. На рис. 104 представлен образец подогнанного
Рис. 102. Подгонка резистора поперечным врезанием:
а — схема; б — зависимость приращения сопротивления от Н при раз-
личной длине резистора I
а — схема подгонки; б — зависимость приращения сопротивления от Я, и
в —то же — от Я, и
14*
211
Рис. 104. Подгонка резистора с измене-
нием направления врезания:
а — схема; б — зависимость приращения
сопротивления от соотношений Ht и
Рис. 105. Подгонка резистора с произ-
вольным изменением направления вреза-
ния
таким образом резистора и семейство соответствующих подгоноч-
ных характеристик [пунктиром показана подгонка по линии
f (Нг)].
Очевидно, что в зависимости от величины рассогласования
между заданным значением величины сопротивления резистора и
его текущим значением можно варьировать направление перемеще-
ния инструмента (рис. 105), выравнивая тем самым подгоночную
характеристику.
Соответствующие аналитические зависимости приведены в рабо-
тах [83, 124 и 125]. Однако существует большое число дестабили-
зирующих факторов, влияние которых приводит к существенным
отклонениям реальных подгоночных характеристик от расчетных
значений. Практически подгонка такого типа осуществляется
на автоматах. Процесс подгонки прекращают при достижении до-
пустимого значения величины сопротивления при неизменном на-
правлении перемещения инструмента, либо изменяют направле-
ние перемещения при заданной величине рассогласования или,
наконец, изменяют направление перемещения в зависимости от
величины рассогласования.
Подгонка пленочных конденсаторов после напыления пред-
ставляет собой задачу значительно более трудную, чем подгонка
резисторов.
Наиболее часто применяется метод подгонки с помощью им-
пульсного разряда, который выжигает слабые точки (поры, газо-
вые включения) в изоляционной пленке и тем самым уменьшает
общую емкость конденсатора.
Проводятся эксперименты по выжиганию пленок, образующих
конденсатор, излучением ОКГ.
Поскольку глубина поглощения излучения металлической
пленкой может быть небольшой, принципиально возможно испа-
рение верхней обкладки конденсатора без повреждения диэлектри-
212
Рис. 106. Щелевой кон-
денсатор:
а — схема конденсатора;
б — зависимость емкости
конденсатора от длины
зазора
ческой пленки. Трудности здесь пока в точной регулировке энер-
гии излучения О КГ.
Другой метод заключается в испарении всех трех слоев кон-
денсатора. В этом случае возникает опасность закорачивания верх-
ней и нижней обкладки по торцу на границе выжигаемой пленки.
Пути борьбы с этим явлением опять-таки в подборе режимов излу-
чения.
Перспективным представляется метод селективного травления
верхнего электрода с использованием технологии фотолитографии.
Новые возможности появляются при использовании луча О КГ
для прожигания узких полосок в проводящей пленке и получении
так называемых щелевых конденсаторов малой емкости (рис. 106).
При использовании линейной зависимости емкости щелевого
конденсатора от длины зазора (при постоянной ширине зазора),
возможно не только получение конденсатора заданной емкости, но
и его подгонка после настройки схемы [ПО].
2. Технология микроконтактирования
в гибридных тонкопленочных микросхемах
Гибридно-пленочные микросхемы требуют чрезвычайно надеж-
ных методов выполнения соединений типа: тонкопленочная кон-
тактная площадка — вывод бескорпусного активного прибора или
ИС; контактная площадка — соединительный проводник; соеди-
нительный проводник — вывод микросхемы (рис. 107). Существу-
ющие методы микросоединений и технология их выполнения будут
рассмотрены ниже.
В настоящее время для изго-
товления выводов и пленочных
контактных t площадок широко
Рис. 107. Микросоедииения в гибридно-
плеиочной микросхеме:
/ — контактные площадки; 2 — вывод
схемы; 3 — изолятор; 4 — корпус;
5 — навесной активный микроэлемент;
6 — подложка
213
применяются следующие материалы: для проводников — Au, Си>
А1, диаметром 10—200 мкм; для пленочных площадок — Ап, Си,
А1, с подслоем Cr, Ti, NiCr, общей толщиной 0,2—2,0 мкм [22].
Таким образом, основными особенностями микроконтактиро-
вания проводников с пленками являются: малая толщина пленки,
очень большое соотношение толщин свариваемых материалов
(порядка 1 : 100), невысокая прочность пленки, малые размеры
контактных площадок.
Методы микроконтактирования, применяемые в гибридных
тонкопленочных схемах, должны удовлетворять следующим требо-
ваниям:
прочность соединения должна быть не ниже прочности соеди-
няемых элементов микросхем;
соединение должно иметь минимальное переходное сопротивле-
ние;
основные параметры процесса микроконтактирования (темпера-
тура нагрева, длительность и удельное давление) должны быть ми-
нимально возможными, с тем чтобы не повреждались элементы
схемы:
качество соединений должно контролироваться простыми на-
дежными методами.
Методы микроконтактирования, применяемые в микроэлектро-
нике, можно подразделить на три основных вида: склейка, пайка
и сварка.
Клеевые соединения могут осуществляться как с помощью
токопроводящего, так и с помощью непроводящего клея.
В качестве токопроводящего клея в микроэлектронике в на-
стоящее время используются так называемые «контактолы», пред-
ставляющие собой клей на основе эпоксидных смол с наполнителем
из мелкодисперсного серебра с диаметром частиц менее 1 мкм.
Мелкодисперсное серебро получается путем восстановления из
AgNO3 [87].
В зависимости от состава клея и процентного содержания ком-
паунда, отвердителя и серебра контактолы могут иметь различные
физико-химические свойства.
Увеличение доли металлического наполнителя приводит к уве-
личению электропроводности, однако при этом падает прочность
соединения. При содержании 90% серебра в контактоле р =
= 0,1 Ом-см.
Механизм электропроводности контактола состоит в образова-
нии металлических пятен касания под действием электростатиче-
ских сил и гидростатического давления в жидком клее. При отвер-
ждении клея проводящие цепочки фиксируются.
Технология соединений проста — нанесение определенной дозы
контактола в место контактирования и сушка при определенном
режиме.
Однако применение контактольных соединений ограничи-
вается микросхемами, к которым не предъявляется особых
214
Требований по србку службы, Надёжности И эксплуатационным
условиям.
Это определяется потенциальной ненадежностью контактоль-
ных соединений, объясняемой как самой природой контакта, так
и технологией его образования [43, 118].
Основные недостатки контактольных соединений следующие.
Весьма затруднено получение однородного состава контактола
при перемешивании отдельных компонентов. Контактол опреде-
ленного состава требует строго определенных режимов сушки,
получение идентичных свойств проблематично. Неоднородность
состава определяется также «оседанием» более тяжелых частиц
металла в композиции со временем и испарением летучих компо-
нентов (полиэфир). Кроме того, контактол имеет плохую адгезию
к некоторым металлическим поверхностям, плохо устойчив во
времени, особенно при воздействии влаги и температуры. Наконец,
площадь, занимаемая соединением (0,2—0,4 мм2), велика для пле-
ночных микросхем.
При использовании непроводящего клея [131] поверхности
соединяемых элементов сближаются под воздействием внешнего
давления до образования металлических пятен касания по высту-
пам микрорельефа поверхностей и квазиметаллических пятен
(с тонкой пленкой клея). Это определяет двойной механизм про-
водимости: электропроводность и туннельный эффект проникнове-
ния электронов через тонкую пленку диэлектрика.
Лучшие результаты получаются при соединении с пленками
не проволочных, а фольговых выводов при обработке поверхностей
тонким абразивным порошком или травлением.
Некоторые авторы [197 ] рекомендуют применение этого метода
для групповых соединений пленок с плоскими выводами, изготов-
ленными на фольге (например, при контактировании выводов на
гибком шлейфе к пленочной магнитной матрице). Недостаточная
прочность клеевых соединений и неустойчивость к внешним воз-
действиям не позволяют рекомендовать этот метод в большинстве
случаев для микроконтактирования в гибридно-пленочных микро-
схемах.
Образование паяных соединений характеризуется взаимным
растворением металла и припоя, образованием химического соеди-
нения металла с припоем (например, CueSb6) и сцеплением под
действием металлических связей [144].
Учитывая малую толщину и объем металла пленки, слабую
адгезию его к'подложке, при пайке пленочных микросхем целе-
сообразно, во-первых, применять припои, практически не раство-
ряющие основной металл пленки и не вступающие с ним в химиче-
скую реакцию, а обеспечивающие образование металлических свя-
зей: во-вторых, необходимо снижать, по возможности, температуру
пайки и уменьшать продолжительность процесса.
Прочность соединений_при пайке равна прочности материала
припоя. При неправильном выборе припоя могут образовываться
215
хрупкие интерметаллические фазы в виде сплошной тонкой пленки;
при этом прочность соединения может быть невысокой. Большое
разнообразие припоев и возможность их легирования позволяют
в большинстве случаев получать нужные результаты [195].
Качество пайки практически не зависит от способа нагрева и
не критично к режимам. Так, например, припой ПОС-61 хорошо
смачивает паяемую поверхность при температурах от 220 до 300° С.
Изменение времени пайки от 3 до 15 с мало влияет на качество
соединения. Тем не менее, вышеуказанные требования гибридных
тонкопленочных микросхем накладывают определенные ограниче-
ния на применяемые в микроэлектронике методы пайки и обору-
дование.
Наибольшее распространение нашли: пайка импульсно-нагре-
ваемым инструментом с дозировкой припоя; пайка за счет тепла,
выделяемого при прохождении электрического тока через паяемые
детали и токоподводящие элементы и методы пайки с нагревом
инфракрасным, световым и лазерным излучением.
Пайка с нагревом излучением находится в стадии разработки
и используется в настоящее время для облуживания контактных
площадок (в частности инфракрасное излучение).
Для пайки проводников и тонкопленочных контактных пло-
щадок из Au, Ag, Си чаще применяется легкоплавкий оловянно-
свинцовый припой ПОС-61 с температурой плавления 183° С.
Может применяться также припой ПОССр-2.
Для уменьшения опасности растворения пленки в припой
вводятся добавки металла пленки.
При пайке пленок из Ag в оловосодержащий припой вводится
2—3% серебра; при пайке пленок Au применяется припой с добав-
ками золота.
Пайка производится’без флюса, либо с пассивными флюсами
типа спирто-канифольного или ФПП, причем предпочтение, по
мнению некоторых исследователей [144], отдается применению
флюса ФПП, защищающего место пайки от окисления.
Для пайки алюминиевых пленок могут быть рекомендованы
припои П150А, П170А, П200А.
При контроле паяного соединения следят за тем, чтобы припой
полностью покрыл проводник в месте контактирования и чтобы
паяное соединение или проводник не выступали за пределы кон-
тактной площадки.
Качество паяного соединения определяется испытанием его
прочности на отрыв и на срез.
Следует отметить, что паяные соединения недостаточно ста-
бильны по прочности и ненадежны. Метод пайки имеет низкую про-
изводительность при его использовании для микроконтактирова-
ния.
Непрерывные поиски надежных методов соединения для гибрид-
но-пленочных микросхем привели к разработке и внедрению
в промышленность новых технологических процессов: термоком-
216
прессии, сварки косвенным импульсным нагревом, ультразвуко-
вой сварки, сварки сдвоенным электродом (последняя в литературе
упоминается как электр о контакта а я сварка, сварка с микроза-
зором, сварка расщепленным электродом) [141].
Все перечисленные методы относятся к сварке давлением, при
которой соединение получают путем одновременного действия
давления и нагрева, причем нагрев не доводит соединяемые ме-
таллы до расплавления, а лишь увеличивает их пластичность [2311.
Экспериментальные данные и теоретический анализ показы-
вают, что процесс сварки давлением протекает в два этапа: 1) об-
разование физического контакта между соединяемыми поверхно-
стями за счет пластической деформации одного или обоих соеди-
няемых материалов; 2) активация контактных поверхностей и об-
разование сцепления за счет металлических связей [177].
Сила сцепления примерно пропорциональна фактической пло-
щади 5Ф пятен касания металлов, которая зависит от усилия сжа-
тия Р, состояния поверхностей и объемных свойств металлов.
Учитывая, что материал подложки и тонкая металлическая
пленка выдерживают значительные нормальные давления, дефор-
мацией пленочной контактной площадки можно пренебречь.
Рост 5ф будет происходить до тех пор, пока Р не будет уравно-
вешено силой, пропорциональной пределу текучести материала
при сжатии:
Р = £фСат,
где с — коэффициент, приблизительно равный, 3.
Величина сот примерно равна твердости по Бринеллю. НВ.
Тогда Р = £//В5ф, где £ — коэффициент, определяемый опытным
1 f
путем -у-< § < 1, зависит от геометрии поверхности контакти-
рования и качества ее обработки.
Металлические поверхности обычно покрыты окисными плен-
ками. При давлениях, превышающих предел текучести металла,
более твердая пленка окислов растворяется и с увеличением дав-
ления увеличивается площадь чисто металлического контакта.
Металлические связи образуются при сближении поверхностей
на расстояние в несколько ангстрем. В образовании монолитного
соединения существенную роль играют также микродиффузион-
ные процессы.
Прочность возникших связей будет зависеть от начальной по-
верхностной энергии металлов и степени ее активации.
При термокомпрессионной сварке давление на свариваемые
поверхности выбирается таким образом, чтобы деформация про-
водника на 10—15% происходила только после его разогрева при
достижении материалом проводника пластического состояния.
Давление передается непосредственно через сварочный инстру-
мент, а нагрев точки сварки производится путем разогрева элек-
тронагревателем всей подложки. Сварочный инструмент может
217
а) б) 8) г) д) е)
Рис. 108. Термокомпрессионная сварка:
а — иглой; б — капилляром с отверстием; в — «птичьим клювом*
Рис, 109. Сварка обратной термокомпрессией:
1 — игла с капилляром; 2 — нагреватель
Рис. 110. Термокомпрессионная сварка методом оплавленного шарика:
а — образование шарика; б — образование соединения; в — подъем и отвод инструмента;
г — образование соединения; д — подъем инструмента; е — отрезка проводника с образо-
ванием шарика
быть в виде иглы, иглы с капилляром или в виде «птичьего клюва»
(рис. 108).
Однако в связи с недопустимостью многократного нагрева до
высоких температур активных и пассивных элементов пленочных
микросхем такой метод практически не применяется для присоеди-
нения выводов к тонкопленочным контактным площадкам.
Более приемлем метод обратной термокомпрессии, когда ис-
пользуется нагрев зоны сварки горячим рабочим инструментом —
капилляром или иглой (рис. 109).
В качестве материала для горячего инструмента используется
вольфрам, окись бериллия, молибден, карбид вольфрама, рубин
[150].
Преимущество этого метода — более точное регулирование
температуры точки сварки и значительно меньший нагрев окружа-
ющих деталей.
Обычно для монтажа гибридных интегральных схем исполь-
зуют комбинированный нагрев инструмента до 350° С и под-
ложки — до 200° С.
Для увеличения площади контакта разработана термокомпрес-
сионная сварка методом оплавленного шарика, который образуется
на конце выходящего из капилляра проводника, при помощи пла-
мени или электрического разряда (рис. НО). Размеры шарика
выбираются исходя из размеров контактных площадок схемы.
218
Диаметр соединения должен, по крайней мере, в 2 раза, но не более
чем в 5 раз, превышать толщину проводника.
Режимы термокомпрессионной сварки (Р, TQ С и t) некритичны
и могут изменяться в широких пределах.
Например, при сварке золотого проводника 075 мкм с медной
пленкой рекомендуются следующие режимы: Т = 370° С и t =
= 0,5 с. Однако прочность сварного соединения существенно не
изменится при изменении t от 0,3 до 3 с и Т от 288 до 500° С.
Для получения качественного соединения процесс термоком-
прессионной сварки может длиться до 30—60 с. Установка термо-
компрессии состоит из столика с нагревательной колонкой, меха-
низма для создания давления, рабочего инструмента, механизма
подачи и обрезки проволоки, микроманипулятора, системы наблю-
дения, блоков питания и управления.
На рабочем столике, температура нагрева которого регули-
руется в пределах от 100 до 500° С, крепится корпус микросхемы.
В этом месте создается зона инертного газа (азот или аргон).
В табл. 27 представлены характеристики некоторых зарубеж-
ных и отечественных установок для термокомпрессии.
В основном эти установки пригодны для монтажа интеграль-
ных полупроводниковых схем. Для тонкопленочных схем возможно
применение термокомпрессионных установок с совместным нагре-
вом столика и инструмента (ЭМ-421 А).
Установки ЭМ-422 и ЭМ-422А обеспечивают сварку внахлестку
с переменной деформацией соединения за счет наклона рабочего
торца инструмента и при определенных условиях могут приме-
няться в технологии тонких пленок. В установке ЭМ-439А'при-
соединение проволочного вывода к пленке выполняется оплавлен-
ным шариком встык.
Метод сварки импульсным косвенным нагревом—«тепловым
клином» — отличается от термокомпрессионной сварки тем, что
нагрев рабочего инструмента производится только в момент сварки,
а выделение тепла сосредоточено в нижней части инструмента.
Инструмент—игла или капилляр (рис. 111) разрезается на
две части, кроме конца, который используется в качестве нагрева-
тельного элемента, образуя «тепловой клин». Это позволяет регу-
лировать продолжительность и величину нагрева с большой точ-
ностью.
Материалом инструмента может служить твердый сплав, воль-
фрам, карбид вольфрама или нержавеющая сталь.
Вследствие кратковременности процесса нагрева, проводник
в месте контакта может нагреваться до более высоких температур,
чем при термокомпрессии.
Размеры торца инструмента могут быть найдены по следующим
соотношениям:
1. Для сварки с подачей проволоки через капилляр
d = dQ + (2-3) dn.
219
27. Характеристики термокомпрессионных установок
X арактеристика Модель 1605 Кулике анд Соффа (США) Ойлет- бандер (Англия) W-1500 Аксион (США) Контакт 1А (СССР) Контакт 2А (СССР) ЭМ-422 (СССР) ЭМ-422А (СССР) ЭМ-42ТА (СССР) ЭМ-439А (СССР)
Рабочий инструмент Капил- ляр Клин с вы- ступом Клин с пло- ским торцом Клин из сап- фира । 1 1 i «Пти- чий 1 клюв» 1 1 1 i 1 i 1 1 — —
Диаметр присоединяемого провод- ника, мкм 10-80 18—50 10—100 20—100 40—80 ! 1 ! 25—60 8-25 25—60 8-25 1 25-60 | 8-25 25—60 8-25
Минимальный размер контактной площадки, мкм 40X40 40X40 60X60 30X30 i ; 16x15 1 - i • —
Длительность сварки, с — До 10 — 0,2—30 1 j 1—60 i | 1—20 | 0,4-3,6 । • 0,08—3,6 0,4-3, &
Температура нагрева рабочей зо- ны, Т° С До 450 0—500 0—400 20—500 100—500 250—400 250—400 1 100—400 25—400
Диапазон давлений, гс — 1—1000 — 10—150 50—150 30-600 100—1200 30—600 100-1200 I j 30—600 .100—1200 15—100
Температура инструмента, Т° С 100—300 — — — — 120—300 1 ! 120—300 120—300 120—300
2. Для сварки с подачей проволоки внахлестку
d = (24-3) 4,
где d — диаметр торца инструмента;
4 — диаметр проволоки;
4— диаметр отверстия (d0 = 1,54)-
Температура нагрева инструмента определяется напряжением
на первичной обмотке сварочного трансформатора и длительностью
сварочного импульса.
Зная зависимость напряжения при сварке от напряжения
на первичной обмотке сварочного трансформатора и вольт-ампер-
ную характеристику установки, можно определить величину
энергии сварки.
Основные режимы сварки импульсным косвенным нагревом
характеризуются:
усилием прижима проволоки к площадке Р,
температурой нагрева Т° С,
длительностью теплового импульса t.
Усилие выбирается в зависимости от пластичности материала
и диаметра привариваемой проволоки (см. табл. 28).
28. Усилие сварки
£ Свариваемый 'материал Усилие сварки в гс при диаметре проволоки в мкм
30 50 100
Золото | 40—50 50—100 120—150
Алюминий 50—80 80—120 140—230
Медь | 120—200 | 250—320 350—500
Характер теплофизических процессов, происходящих при
нагреве сварочного инструмента, процессы выделения и рассеи-
вания тепловой энергии в зависимости от времени сварки и тепло-
физических свойств свариваемых материалов определяют неодно-
значность выбора температуры и
сварочной энергии, определяемой
напряжением на трансформаторе
блока питания (f/TP) и временем
сварки (/) (рис. 112).
Рис. lit. Инструмент для сварки косвенным
импульсным нагревом:
а — разрезная игла; б — V-образный инстру-
мент; в — капилляр
221
Например, На жестких режимах (малое бремя Сбарки) для по-
лучения заданной температуры требуется несколько меньшая
энергия сварки. При мягких режимах (увеличенное время сварки)
большая часть тепла рассеивается и результирующая температура
оказывается несколько ниже. На мягких режимах качество
сварки получается более высоким. Это связано с тем, что более
жесткий сварочный импульс приводит к сильной деформации
сварных соединений и тепловым напряжениям в пленках и под-
ложке [54].
На рис. 113—116 приведены результаты экспериментального
исследования прочности сварных соединений, выполненных на
установке СКИН-1, в зависимости от различных технологических
факторов [43].
С целью продления срока службы сварного инструмента сварку
иногда производят в среде инертного газа (азота или аргона),
предотвращающего окисление свариваемых деталей.
Основные технические характеристики установок для сварки
импульсным косвенным нагревом представлены в табл. 29.
Большинство этих установок универсальные; на их может
производиться монтаж широкой номенклатуры микросхем в самых
разнообразных корпусах.
Наряду с универсальными, имеются и специализированные
установки, например, ЭМ-441 для монтажа микросхем серии «По-
сол».
Наличие в этой установке механизма подачи микросхем на
рабочую позицию и механизма выгрузки после сварки значительно
повышает ее производительность по сравнению с базовой универ-
сальной моделью ЭМ-425А.
В Советском Союзе впервые создана полностью автоматическая
установка ЭМ-440, обеспечивающая загрузку, совмещение, сварку
и выгрузку микросхем в корпусе «Терек» для гибридных тонко-
пленочных схем широкого применения [33].
Последние установки серии ЭМ обеспечивают два режима
сварки с раздельной регулировкой каждого режима по мощности
сварочного импульса, продолжительности сварки и усилия нагру-
жения. В них использован инструмент с капилляром для монтаж-
ной проволоки. Этот инструмент в сочетании со специальным меха-
низмом позволяет осуществить автоматический выход на вторую
сварку с образованием регулируемой по высоте и длине петли
между первой и второй сваркой.
Наличие в ряде случаев на свариваемых поверхностях прочной
окисной пленки привело к необходимости применения сварки
с активацией процесса энергией механических колебаний ультра-
звуковой частоты.
Сваривание металлов в этом случае происходит за счет роста
физического контакта поверхностей при сминании и срезании
микронеровностей под действием продольных ультразвуковых ко-
лебаний (тангенциальной нагрузки), разрушения окисных пленок
222
Рис. 112. Экспериментальная зависимость Т° С сварки от энергии в импульсе (для уста-
новки СКИН-1) при различном напряжении на вторичной обмотке трансформатора блока
питания (7тр
Рис. 113. Зависимость прочности на отрыв от температуры сварки для проводника из Си
0 80 мкм (контактная площадка — Си)
Рис. 114. Зависимость прочности на отрыв от давления при сварке проводников из Си
(контактная площадка — Си)
Рис. 115. Зависимость прочности на срез от температуры для проводника из Си 0 80 мкм
(контактнаи площадка — Си)
Рис. 116. Зависимость оптимальной прочности на срез и на отрыв от температуры свар-
ных соединений вывода из Au 0 25 мкм (контактная площадка — Си толщиной 4000—
5000 А)
223
29. Характеристики сварочных установок импульсного косвенного нагрева
Характеристика Модель 800 Вельте к (США) Кон- та кт-ЗА (СССР) СКИН-1 (СССР) МКС-02 (СССР) УСП-01 (СССР) ЭМ -408А (СССР) ЭМ-425А (СССР) ЭМ-440 (СССР) ЭМ-441 (СССР) МС-ЗР2-2 (СССР)
Производительность, сварок/ч Диаметр проводников, — 160—250 250 500 900 700 800 2000 1600 600
18—100 20—100 30-100 20—200 30—50 20—60 20—60 30—60 30—60 40—150
мкм
Длительность импуль- 0,01—2,0 0,02—2,0 0,05—3,0 0,005— 0,001 — 0,01 — 1,0 0,02—0,8 0,05— 0,05— 0,01 — 1,0
са, с Давление на инструмент, 100—300 30—150 30—500 1,5 50—500 0,01 10—200 20—250 20—50 0,08 10—120 0,08 10—120 100—4000
гс
Род работы * Р Р Р Р ПА Р ПА А ПА Р
ьэ * Р — ручной, ПА — полуавтоматический, А — автоматический.
30. Характеристики установок ультразвуковой сварки
Характеристика УЗСМ-1 (СССР) УЗС-1 (СССР) Модель 423 Кулике анд Соффа (США) Модель РМА 60/20 Лехфельд США ЭМ-423 (СССР) УЗП-02М (СССР)
Производительность, сварок/ч 1500 1500 3000 2500
Диаметр выводов, мкм —- 30—100 12—52 12—75 25—60 20—50
Рабочая частота, кГц 36-50 55—65 44 60 60 66 75
Длительность сварки, с 0,1—4 0,1 —1,6 0,02—1,0 — 0,1—1,0 3,0
Давление на инструмент, гс 50—800 50—500 •— 0—500 100—750 1 •—
Рис. 117. Схема ультразвуковой сварочной уста-
новкн:
1 — магнитострикционный преобразователь; 2 —
концентратор; 3 — сварочная головка; 4 — место
сварки; 5 — подложка с микросхемой; 6, 7 —
столик с микроманнпулятором; 8 — подача воды;
9 — ввод от УЗ-генератора
и выталкивания их в зазоры между
микровыступами. Кроме того, трение
приводит к интенсивному выделению
тепла в зоне контакта. Под влиянием
этого тепла металл микровыступов
переходит в пластическое состояние, течет и способствует образо-
ванию металлических связей. Для работы установок ультразву-
ковой сварки используется ультразвуковой генератор, работаю-
щий на частотах 40 и 60 кГц. Энергия электрических колебаний
ультразвуковой частоты преобразуется магнитострикционным
преобразователем (рис. 117) в энергию механических колебаний
и через концентратор передается в зону сварки.
Длительность ультразвуковой сварки колеблется от 0,02 до 3 с.
Одним из важнейших элементов оборудования для ультразвуковой
сварки является сварочный инструмент, который должен обеспе-
чить получение сварного соединения требуемой формы и размеров
и удобную подачу привариваемой проволоки под рабочий торец
инструмента. Перспективным является инструмент с боковым
отверстием для подачи проволоки [150], который применен в. уста-
новке УЗП-02М.
Из установок ультразвуковой сварки в табл. 30 для монтажа
гибридных тонкопленочных микросхем предназначены установки
УЗСН-1; УЗС-1 и ЭМ-423.
В настоящее время применяется несколько схем передачи
ультразвуковых колебаний к свариваемому изделию (рис. 118).
Основными технологическими режимами ультразвуковой
сварки являются: усилие сжатия Р, время сварки /, частота пита-
ющего напряжения f и амплитуда колебаний наконечника Л,
определяемая током возбуждения /.
Экспериментальным путем были установлены следующие диа-
пазоны параметров: амплитуда колебаний инструмента 0,5—
10 мкм и частота колебаний 40—60 кГц.
Величина t зависит от толщины и физических свойств сваривае-
мых материалов.
При малом времени сварки соединение получается недостаточно
прочное, так как площадь физического контакта еще недоста-
точна.
При слишком большом времени t под действием знакоперемен-
ных деформаций начинается разрушение возникших узлов схваты-
вания, приводящее к снижению прочности соединения (рис. 119).
Д. д. Гнмпельрон 2?5
Аналогичная зависимость наблюдается при изменении усилия сжа-
тия Р.
Прочность сварного соединения зависит также от степени де-
формации проводника. Оптимальной считается такая деформация,
когда наблюдается смешанный характер разрушения соединения
при испытании: отрыв по утонению проводника—>50%, срез по
соединению — 50 % .
В табл. 31 приведены экспериментально установленные режимы
ультразвуковой сварки проводников с пленками.
31. Режимы ультразвуковой сварки
Проводник Пленка Усилие сжатия, гс Время сварки, с Ток возбуждения, А
Материал Диаметр, мкм
А1 100 Au 220—230 0,4 0,8
Au 30 Au 230—250 0,5 1,5
Au 30 Та 380—400 0,8 1.2
Al 100 Al 190—200 0,3 1,5
Au 30 Al 190—200 0,3 1,5
Си 60 Au 320—340 0,8 1,5
Основными достоинствами ультразвуковой сварки являются:
возможность соединения различных металлов (и даже диэлек-
триков);
возможность соединения материалов, резко отличающихся по
толщине;
Рис. 118. Схемы передачи и
ввода ультразвуковых колеба-
ний:
г)
а — продольные колебания;
б — продольно-поперечные ко-
лебания; в — изгибиые колеба-
ния; г — колебания, направлен-
ные перпендикулярно свари-
ваемым поверхностям; д — кру-
тильные колебания; Хпр —
длина волны продольных ко-
лебаний; %п — длина волны
поперечных колебаний; Хи —
длина волны изгибающих коле-
баний
226
незначительный нагрев пленок;
невысокие требования к состоянию поверхности материалов
и возможность соединения металлов, покрытых окисной пленкой;
отсутствие структурных изменений в зоне соединения.
Широко применяется комбинированный метод микроконтакти-
рования с использованием ультразвука и косвенного нагрева
(табл. 32). Сообщение инструменту при косвенном импульсном на-
греве высокочастотных колебаний значительно уменьшает время
сварки и увеличивает прочность соединения за счет разрушения
окисной пленки. Амплитуда ультразвуковых колебаний и удельное
давление меньше, чем при чисто ультразвуковой сварке, а ста-
бильность процесса выше.
32. Характеристики установок для ультразвуковой сварки
с дополнительным нагревом
Характеристика Модель 422 Кулике аид Соффа США «Контакт 4А» (СССР) УЗП-ОЗ (СССР) МС-41П2-1 (СССР) МО41ПЗ-2 (СССР)
Производительность, сварок/ч Диаметр выводов, мкм Рабочая частота, кГц Длительность импульса, с Давление на инструмент, гс Температура нагрева столи- ка, °C 13-500 60 200—350 20—100 60 0,05—1,5 20—180 0—450 1 1700 20-50 75 250 । । 800 — ! 66 20—250 250 1000 i — 66 1 20—250 250
Характеристика МС-41ПЗ-3 (СССР) МС-41ПЗ-4 (СССР) ЭМ-424А (СССР) УЗСКН-1 (СССР) ЭМ-420А (СССР)
Производительность, сварок/ч Диаметр выводов, мкм Рабочая частота, кГц Длительность импульса, с Давление на инструмент, гс Температура нагрева столи- ка, °C 1000— 1200 66 20—150 50—250 1000— 1200 66 20-150 50—250 800 25—60 66^6 0,05—3,0 30—600 20—250 250 30—100 44 0,1-1,6 25—1000 600 25—60 60 0,08—1,0 30-600
15!
227
Рис. 120. Зависимость прочности на срез РСр и на отрыв Ротр температуры сварки (про-
водник — А1 0100 мкм; контактная площадка — А1 толщиной 4000 А)
Рис. 121. Сварка сдвоенным электродом:
1 — проводник; 2 — подложка; 3 — тоикоплеиочиая контактная площадка; 4 — элек-
трод; 5 — контакт
При исследовании режимов сварки на УЗСКН-1 с косвенным
импульсным нагревом с ультразвуком было установлено, что
оптимальные значения прочностных свойств и удовлетворитель-
ная стабильность получаемых результатов при сварке алюминие-
вого проводника с алюминиевой контактной площадкой будут
иметь место при толщинах пленки выше 3500 А. При этом для вы-
водов диаметром 100 мкм оптимальная температура сварки 420—
460° С, усилие сжатия 20—80 гс.
Для улучшения образования физического контакта использо-
вался предварительный импульс t = 0,6-е-0,8 с при резонансной
частоте 48 кГц и минимальной мощности.
На рис. 120 представлена зависимость прочностных свойств
соединения алюминиевой проволоки диаметром 10 мкм с пленкой
из алюминия толщиной 4000 А от температуры сварки [43].
Для соединения проводников с пленочными микросхемами
разработан также метод сдвоенного (или расщепленного) элек-
трода, обладающий большой универсальностью. С помощью этого
метода можно осуществить соединение: проводник — пленка,
проводник—• вывод микросхемы. Кроме того, метод сварки сдвоен-
ным электродом пригоден для приварки выводов интегральных
схем на печатные платы или пленочные коммутационные
платы [1361.
Сварка сдвоенным электродом является разновидностью элек-
троконтактной сварки, при которой ток проходит между двумя
электродами через свариваемый проводник (рис. 121).
Основная часть тепла выделяется в точках контакта соедини-
тельный проводник—-электрод. Наличие при этом давления
электродов в местах сварки приводит к смятию микровыступов.
При этом площадь металлического контакта увеличивается, сцеп-
ление за счет металлических связей облегчается, происходит сва-
ривание металлов на значительной площади.
228
Процесс образования сварного соединения аналогичен сварК
импульсным косвенным нагревом.
Однако в связи с малым сечением пленочного проводника
величина энергии сварки лимитируется, т. е. используется им-
пульсный режим с малой длительностью импульса при большой
амплитуде тока.
При значительном токе и кратковременном импульсе в месте
соприкосновения проводников свариваемые металлы могут рас-
плавляться с образованием после кристаллизации сварного соеди-
нения.
Такой режим сварки расплавлением также находит примене-
ние для присоединения проводников к пленочным контактным
площадкам.
В качестве источника энергии используется заряд конденса-
торов. Возможно также использование импульсного режима пере-
менного тока [151]. Электроды выполняются из вольфрама или
сплавов молибдена, металлов, имеющих высокую температуру
плавления и хорошую теплопроводность. Длительность нагрева
при сварке сдвоенным электродом значительно меньше, чем при
сварке импульсным косвенным нагревом (0,005—0,02 с) и повре-
ждение компонентов схемы в результате нагрева сведено к мини-
муму.
Металлографическое изучение сварки проводников с тонко-
пленочными контактными площадками сдвоенным электродом
показало, что сварка золотой проволоки с золотой и алюминиевой
пленкой отличается высоким качеством; удовлетворительна также
сварка золотой проволоки с танталом.
К недостаткам метода можно отнести опасность теплового
удара и возможность утечки тока. Сравнительные характеристики
установок для сварки сдвоенным электродом представлены
в табл. 33.
33. Характеристики установок для сварки сдвоенным электродом
Характеристика MCW-EL/IL Хугес (США) УСДЕ
Производительность, сварок/ч Диаметр свариваемых проводников, мкм Длительность импульса, с Давление на инструмент, гс Энергия сварочного импульса, Вт* с, или сварочный ток, А 20—150 0,001—9,999 50—450 До 800 А 80—100 30—150 0,02—1,0 50—2000 4,8—5,2 Вт-с
Большие плотности энергии, создаваемые при фокусировании
электромагнитного излучения ОКГ, и возможность вследствие
этого расплавлять небольшие объемы материала создают предпо-
сылки для использования ОКГ при сварке в микроэлектронике.
Кратковременное (10~3—10“6 с) сосредоточение высокой плот-
ности энергии (до 1010 Дж/см2) на малом участке поверхности
229
Свариваемых материалов обеспечивает сохранность окружающих
участков. При этом не успевают развиваться окислительные про-
цессы [98].
Процесс сварки происходит следующим образом. После разо-
грева поверхности металла происходит термический взрыв — со-
здание внутри металла импульса высокого давления; при этом
пары расплавляют металл в зоне сварки.
Для реализации соединения типа «проводник—пленка» необ-
ходимо соблюдение следующих основных условий:
длительность импульса излучения т должна быть меньше вре-
мени необходимого для начала плавления материала пленки,
и больше времени ^пр, необходимого для плавления проводника,
т. е. tnjl > т > ^пр (при определенной интенсивности излуче-
ния W). С уменьшением величины интенсивности излучения W
интервал допустимых значений длительности импульса будет уве-
личиваться.
На рис. 122 приведен график [123] для определения предель-
ных параметров импульса излучения ОКГ: и t для каждой
конкретной пары свариваемых элементов. По этому графику
можно для определенного диаметра d проводника (линия, парал-
лельная оси абсцисс) выбрать энергию импульса W и для этой
энергии — длительность импульса t для сварки заданного мате-
риала с пленочной контактной площадкой (линия, параллельная
оси ординат).
Из этого графика видно, что с ростом диаметра проводника
резко возрастает потребность в увеличении длительности импульса.
Так, например, для сварки золотого проводника 0 50 мкм с мед-
ной пленкой на ситалле £min = 2 мс, а для золотого проводника
0 100 мкм длительность импульса составляет уже около 10 мс.
Рнс. 122. График для определения предельных энергетических параметров импульса
излучения лазера при сварке «проводник—пленка»
Рнс. 123. Обработка при различной фокусировке луча:
а — сходящимся лучом; б — расходящимся лучом
230
Интенсивность излучения Wтакже не должна превышать опреде-
ленный уровень для предотвращения выплесков металла при сварке
из-за неравномерности распределения температур в зоне разогрева.
В некоторой степени этим явлением можно управлять с по-
мощью фокусировки светового потока (рис. 123).
При обработке поверхности сходящимся световым пучком в ма-
териале эффективно образуется лунка в связи с тем, что интен-
сивность излучения возрастает по мере вытеснения жидкости и
смещения границы «жидкость—пар» вниз (рис. 123, а). Этот про-
цесс является самовозбуждающимся. Равновесие на границе
пара и жидкости неустойчиво.
При обработке поверхности расходящимся пучком (рис. 123, б)
рост лунки за счет вытеснения жидкости замедляется.
| Таким образом, при сварке с помощью ОКГ световой поток
следует направлять на зону сварки так, чтобы обрабатываемая
зона находилась ниже фокальной плоскости.
При надлежащем выборе значений W и t возможна сварка ме-
таллов с различными температурами плавления, например тан-
тала и меди.
Наиболее пригодны для сварки излучением ОКГ медь, серебро
и золото.
Сварка с помощью ОКГ применима при различных условиях.
Луч ОКГ может вводиться через прозрачные среды в вакуум,
в камеру высокого давления и т. д.
Большим преимуществом ОКГ является возможность сварки
в непосредственной близости от стеклянных или керамических
изоляторов.
Важной характеристикой соединений является переходное
соединение контакта, зависящее не только от материала соединяе-
мых элементов, но и от способа соединения. Результаты экспери-
ментов показали, что переходное сопротивление контактов, полу-
ченных сваркой с помощью ОКГ, на порядок ниже, чем у соедине-
ний, полученных сваркой давлением.
Широкое применение ОКГ для сварки сдерживается в настоя-
щее время низким к. п. д. установок, малой производительностью,
трудностью точного контроля выходной энергии.
Для микроконтактирования используются твердотельные ОКГ
на рубине, неодинаковом стекле или алюмоиттриевом гранате.
Электронно-лучевая сварка представляет собой один из видов
сварки плавлением. При ней кинетическая энергия электронов в ре-
зультате электронной бомбардировки материалов соединения пре-
вращается в тепловую, разогревая металлы в зоне сварки.
Основными преимуществами метода являются возможность
электронного управления положением луча и в связи с этим воз-
можность автоматизации сварочно-монтажных работ.
Внедрение электронно-лучевой сварки в микроэлектронику
сдерживается пока из-за сложности и высокой стоимости оборудо-
вания.
231
Таким образом, в настоящее время для микроконтактирования
в тонкопленочной микроэлектронике чаще всего используется
сварка импульсным косвенным нагревом; в ряде случаев с ней
успешно конкурируют сварка сдвоенным электродом, ультразву-
ковая сварка и сварка с помощью ОКГ, которые в ближайшем
будущем найдут еще более широкое применение.
Наряду с методами проволочного монтажа в гибридных тонко-
пленочных микросхемах широко внедряются методы беспроволоч-
ного монтажа, позволяющие механизировать и автоматизировать
процессы сборки. Эти методы потребовали создания новых типов
выводов бескорпусных полупроводниковых приборов и интеграль-
ных схем, новых видов оборудования (табл. 34). Методы беспрово-
лочного монтажа будут рассмотрены в гл. 6.
34. Характеристики установок для сборки и монтажа с жесткими выводами
Характеристика ЭМ-431 ЭМ-432
Производительность, кристалл/ч 400 4000
Число одновременно присоединяемых кристаллов, 1 10
шт. Усилие сжатия присоединяемых элементов, гс: основное 100—700 100—700
дополнительное 350—1500 —
Температура импульсного нагрева инструмента, °C Температура нагрева рабочего стола, °C 150—450 150—450
100—350 —
Частота ультразвукового генератора, кГц 53—61 59—61
Максимальная мощность УЗГ, Вт 10 63
Диапазон регулирования времени присоединения, с 0,2—4,5 0,2—4,5
3. Герметизация микросхем
Задача герметизации — защита микросхемы от внешних воз-
действий и придание ей законченного конструктивного оформле-
ния.
Технологические приемы герметизации должны быть простыми
и обеспечивать возможность механизации и автоматизации про-
цесса. В процессе герметизации температура элементов микро-
схемы не должна превышать допустимую [22].
По конструктивно-технологическим признакам герметизация
подразделяется на бескорпусную и корпусную (рис. 124).
Бескорпусная герметизация гибридных тонкопленочных микро-
схем осуществляется в основном заливкой в специальные заливоч-
ные формы под вакуумом или при небольшом избыточном давлении
порядка 0,5 атм (литьевое прессование).
Из материалов, применяемых для бескорпусной герметизации
микросхем, наибольшее распространение получили эпоксидные и
232
Рис. 124. Методы герметизации
кремнийорганические смолы, полиуретаны, а также полиэфиры
и полисульфиды.
Эпоксидные смолы технологичны, так как их вязкость может
сильно меняться при нагреве или с помощью разбавителя.
Основные характеристики эпоксидных смол с минеральными
наполнителями, широко используемые для литьевого прессования
при герметизации интегральных схем, следующие:
плотность у = (2,54-3) г/см3;
термостойкость Т = 1504-230° С;
коэффициент диэлектрической проницаемости е = 44-5;
тангенс угла диэлектрических потерь tg 6 — 0,01.
Отвердитель эпоксидных смол выбирается в зависимости от
технологии заливки и условий эксплуатации.
В качестве отвердителя применяются:
полиамины, если отверждение происходит при нормальной
температуре;
ангидриды кислот, если температура эксплуатации микросхемы
превышает 125° С;
фталевый ангидрид, если требуется минимальная стоимость
заливочной операции.
233
Эпоксидные смолы имёют высокую адгезию к материалу ЬЫ-
вода и корпуса, а в ряде случаев и к материалу элементов микро-
схемы, небольшую усадку при отверждении, хорошую атмосферо-
стойкость, а также позволяют автоматизировать и механизировать
процесс заливки.
Кремнийорганические смолы также меняют вязкость в широких
пределах. Кроме того, кремнийорганические смолы могут затвер-
девать при нормальной температуре. Их основные характеристики
следующие:
у - 1-4-5 г/см3; 8 - 2,8 —3,6; Т = -60- +300° С; tg 6 -
= 0,003 — 0,005.
Полиуретаны имеют повышенную адгезию к материалам микро-
схемы, но термостойкость их ниже 150° С. Полисульфиды и поли-
эфиры отверждаются при температуре около 100° С (при использо-
вании в качестве катализатора перекиси бензола) и при комнатной
температуре (при использовании в качестве катализатора цикло-
гексана).
Основные характеристики их следующие:
у = 0,7-0,8 г/см3; 8 = 2,8-5,2; tg S = 0,005.
Диапазон указанных свойств материалов может быть сущест-
венно расширен за счет применения различных наполнителей.
Можно, например, сблизить значения удельных коэффициентов
теплового расширения заливочного материала и материала элемен-
тов микросхемы.
Характер влияния различных наполнителей на свойства ком-
паундов показан в табл. 35.
35. Влияние наполнителей на свойства компаундов
Наполнитель Увеличение значения параметра Уменьшение значения параметра
Тепло- провод- ность Устойчи- вость к тепло- вому Удару Устойчи- вость к динамич. нагрузке Электро- провод- ность Плотность Коэффи- циент теплового расшире- ния Усад- ка
SiO2 1 х X X
Слюда X X
Кварц X i X 1 1 X х
Алюминий х X 1 1 1 1 х X
Графит ! ! 1 * 1 1
Легкие сфе- рические частицы X
234
Наибольшее распространение в промышленности получили
эпоксидные компаунды с различными наполнителями. Специально
для гибридно-пленочных схем разработаны компаунды типа ПЭК
(эпоксид плюс полиэфир), ЭФП-63, ЭДК и МФД-5, обеспечиваю-
щие достаточную прочность, влагостойкость и повышенную эла-
стичность. Возможно также использование порошкообразных ком-
позиций К-81-39 или ЭФП-63 [162].
Герметизация микросхем заливкой в специальные формы,
названная здесь бескорпусной, поскольку не требует специально
изготовленных деталей корпуса, обеспечивает тем не менее произ-
водство микросхем со строго фиксированными габаритными разме-
рами, размерами выводов, шага между выводами и т. д. Поэтому
в литературе принято такой метод герметизации называть гермети-
зацией в пластмассовые корпуса (иногда их называют также поли-
мерными или металлополимерными).
Разработка и производство микросхем в подобных пластмассо-
вых корпусах в настоящее время осуществляется в широких мас-
штабах. Операции их сборки и герметизации производятся груп-
повым методом и имеют высокие технико-экономические показа-
тели. В большей степени это относится к полупроводниковым
интегральным схемам, так как гибридные интегральные схемы
в пластмассовых корпусах являются более напряженными конст-
рукциями. Это обусловлено разностью тепловых и упругих свойств
материалов подложки и корпуса, а также геометрическими факто-
рами. Неправильный выбор материала корпуса или его геометрии
может быть причиной появления в конструкции напряжений, пре-
вышающих предел прочности материала подложки. Это может при-
вести к разрушению конструкции.
Результаты экспериментов [162 ] показывают, что с увеличением
размеров подложки необходимо увеличивать толщину стенок
корпуса; подложку желательно располагать в геометрическом цен-
тре корпуса и т. д.
Конструкция гибридных тонкопленочных микросхем в пласт-
массовом корпусе должна удовлетворять ряду технологических
требований: выводы микросхемы должны быть плоскими (часто
выводы объединяют технологической рамкой), крепление выводов
к контактным площадкам микросхемы должно выдерживать на-
грузки со стороны протекающей пластмассы.
Для уменьшения влияния герметизирующего материала на
элементы микросхем применяют специальные демпфирующие со-
ставы, например, на основе кремнийорганического каучука
СКТН-1. Тем не менее, учитывая вышеуказанные ограничения,
подобный вид герметизации применяется лишь для микросхем с ма-
лой площадью подложки.
Для герметизации пластмассой разработано высокопроизводи-
тельное оборудование с использованием трансферной формовки.
В одном из видов такого рода оборудования используют много-
местные прессформы и мощные прессы. Это наиболее универсаль-
235
ный вид оборудования, пригодный для герметизации интеграль-
ных схем любых габаритов. В другом виде оборудования исполь-
зован узкоспециализированный трансферный пресс с выносными
кассетами, выполняющими функции прессформ. Кассета, заменя-
ющая прессформу, отличается простотой и дешевизной.
Для увеличения производительности в полуавтомате исполь-
зуется принцип выносной кассеты, при котором полимеризация
происходит вне рабочей зоны прессования. Все основные операции
автоматизированы. Наличие сменных кассет позволяет герметизи-
ровать микросхемы различных габаритов без переналадки. Эти
установки входят в комплект высокоавтоматизированного обору-
дования для сборки интегральных микросхем на отрезках ленты
с выводной рамкой.
Основные технические характеристики установок для гермети-
зации пластмассой представлены в табл. 36.
36. Характеристики установок для герметизации пластмассой
Марка устаиовки Производи- тельность, корпусов/ч Температура нагрева Прессою рмы, Усилие зажима прессформы, к ГС Потребляемая мощность, кВт Рабочая скорость прессования, мм/с
ЭМ-31 ОБ 1000 100—200 1 300—1 500 5,2
УТП-25 1000 До 300 25 000 — 0,1—20
ПГМП-2 400—800 190 10 000 10 0,5—20
УГП-50 1000 190 5 000 12 0—16
Одним из простейших видов герметизации является заливка
в заранее изготовленные корпуса из пластмассы или металла.
В этом случае технология заливки упрощается, поскольку не тре-
буется изготовления дорогостоящих форм, однако в комплекс
технологических процессов добавляется процесс изготовления
корпусов.
Корпуса придают микросхемам необходимую механическую
прочность, влагостойкость и стойкость к химическому воздей-
ствию [175] и представляют собой элементарную оболочку, изго-
тавливаемую штамповкой или горячим прессованием. Они могут
выпускаться на специализированных предприятиях и иметь не-
сколько типоразмеров. Кроме того, корпуса изготавливают раз-
ных цветов, что улучшает товарный вид изделий и может оказаться
полезным при выпуске кодированных блоков.
Заливка в корпуса-оболочки осуществляется в основном
теми же составами, что и заливка в формы.
Более совершенным методом герметизации в пластмассу яв-
ляется шовноклеевая герметизация, при которой используют
пластмассовые корпуса с армированными выводами. Крышка,
так же пластмассовая, приклеивается к корпусу после установки
в него микросхемы и приварки выводов. В качестве материала кор-
236
Рис. 125. Пластмассовый корпус:
1 — крышка; 2 — подложка с микросхемой; 3 —
место склеивания; 4 — основание корпуса; 5 —
армированный вывод
пуса и крышки используется пресс-
порошок марки К-124-38 или поли-
стирол (рис. 125).
Шовноклеевая герметизация яв-
ляется одним из самых технологич-
ных и экономичных видов гермети-
зации микросхем для бытовой
электронной аппаратуры, ЭВМ и
аппаратуры, работающей в нормаль-
ных условиях.
В связи с развитием нового нап-
равления в микроэлектронике — так
называемой микроэлектронной аппа-
ратуры, где предусматривается об-
щая герметизация изделия, микро-
схемы могут герметизироваться обва-
лакиванием и поверхностным пок-
рытием, подобно методам влагозащиты, используемым при гер-
метизации радиоэлектронных функциональных узлов [190].
Распространенными методами поверхностного покрытия изде-
лия являются их окунание в материал покрытия или нанесение
последнего путем распыления. Материалами в этом случае могут
служить эпоксидные эмали с минеральными наполнителями, крем-
нийорганические эмали и т. д. Как и в случае герметизации в пласт-
массовые корпуса, при герметизации вводятся демпфирующие
эластичные покрытия.
Наряду с очевидной простотой методов окунания и распыления
у них имеется и ряд недостатков: трудность нанесения равномер-
ного по толщине покрытия, длительность процесса сушки на воз-
духе и необходимость последующего отверждения при повышенной
температуре.
Одна из основных задач герметизации — защита от влаги
(воды и водяных паров). Вода — это лучшая среда для электри-
ческой диссоциации и образования растворов с молекулами ион-
ного типа. Кроме того, вода — химически активное вещество, ко-
торое способствует образованию растворов солей, кислот, щелочей,
коллоидных растворов. Поскольку диаметр молекул воды равен
3 А, влага способна проникать через микропоры и микротрещины
защитных материалов и пленок.
Процесс проникновения влаги через плотную защитную пленку
проходит очень медленно. Однако как только под пленку проникает
влага, там немедленно образуется концентрированный водный рас-
237
твор солей. Так как с внешней стороны пленки раствор менее кон-
центрированный, создаются условия для осмоса—интенсивного
проникновения влаги под пленку.
В результате осмоса под пленкой возникает значительное
давление, приводящее к ее вспучиванию и отслаиванию.
Вышеперечисленные заливочные материалы и пластмассы
лишь в незначительной степени защищают микросхему от влаги.
Их влагопроницаемость во много раз выше, чем, например, у ме-
таллов.
Поэтому для гибридных тонкопленочных микросхем наиболее
надежным методом герметизации является вакуум-плотная герме-
тизация в специальных корпусах.
В зависимости от материала, который применяется для изго-
товления корпусов и герметизации их внешних выводов, вакуум-
плотные корпуса подразделяются на металлостеклянные, металло-
керамические, керамические и стеклянные (рис. 126). Основные
размеры корпусов определяются габаритами стандартных подло-
жек микросхем. Однако оптимальные размеры элементов корпуса
должны быть рассчитаны, исходя из обеспечения минимального
перегрева элементов микросхемы или минимальных габаритов, при
которых еще не наступает заметного увеличения теплового сопро-
тивления микросхемы [80, 81 ]. Деталями корпуса являются: осно-
вание, крышка, изолятор и выводы. Для герметизации и изоляции
внешних выводов вакуум-плотных корпусов применяются в основ-
ном твердые стекла (коэффициент теплового расширения а =
= (45-55) -10-7 1/°С).
Твердые стекла образуют хороший спай с коваром (а =
— 47-10"7 1/°С) и молибденом (а = 55-Ю'7 1/°С), что и опреде-
ляет выбор материала для металлостеклянных корпусов [138 L
Чаще всего это ковар—сплав железа (54%), никеля (29%)
и кобальта (17%). Температура плавления ковара 1450° С; рабочая
температура в вакууме 1000° С и на воздухе 600° С.
Рис. 126. Вакуумплотные
корпуса:
а — металлостеклянный:
1 — подложка с микро-
схемой; 2 — металличес-
кая крышка; 3 — вывод;
4 — место пайки или
сварки; 5 — основание
корпуса; 6 — стеклян-
ная изоляция вывода;
б — металлокерамичес-
кий: 1 — керамическое
кольцо; 2 — металличес-
кая крышка; 3 — место
пайки; 4 — вожженные
в керамику проводники;
5 — выводы; 6 — кера-
мическое основание кор-
пуса; 7 — подложка с
микросхемой
238
Технология создания спая металла со стеклом при изготовлении
корпуса состоит в следующем.
Стекло заготавливают в виде таблеток определенной формы пу-
тем спекания из стеклянного порошка или в виде бусинок, наре-
занных из стеклянной трубки.
Заготовку корпуса, полученную штамповкой или фрезерова-
нием, травят для удаления рыхлых окисных пленок и отжи-
гают в вакууме для удаления газов. Далее заготовку пасси-
вируют для создания тонкой и прочной окисной пленки,
являющейся, так называемой, буферной зоной, которая пре-
дотвращает появление микротрещин при температурных дефор-
мациях.
Спай осуществляют путем нагрева и выдержки соединяемых
деталей (корпус — таблетка или бусинка стекла — вывод). Заклю-
чительную операцию — отжиг — проводят путем медленного (не
более 10° С в минуту) охлаждения для предотвращения возникно-
вения остаточных напряжений.
Процесс производится в специальных муфельных печах кон-
вейерного типа.
Формованный стеклянный корпус [90] спаивается непосред-
ственно с материалом выводов. Это самый дешевый из вакуум-плот-
ных корпусов. Однако он не нашел распространения из-за высоких
температур, необходимых для образования спая «крышка—кор-
пус» при окончательной герметизации.
Большое распространение получили керамический и металло-
керамический корпуса, в которых собственно корпус изготавли-
вается из алюмосиликатной керамики или керамики на основе
окиси бериллия, характеризующейся повышенной стойкостью
к термоударам, а крышка может быть как металлической, так и
керамической.
Вместо металлостеклянного спая для герметизации выводов
в этих корпусах может быть использован спай металлизированной
керамики с металлом вывода.
Для металлизации керамики используются молибдено-марган-
цевые пасты. Выводы впаиваются в керамику через металли-
зированные участки специально подобранным припоем.
Преимущества металлизированной керамики— высокая на-
дежность герметизации и прочность соединений.
Для гибридно-пленочных микросхем этот тип корпуса тем не
менее используется редко, так как его стоимость при увеличении
размеров резко возрастает по сравнению с металлостеклянным.
Вакуумплотная герметизация крышки с корпусом может осущест-
вляться пайкой или сваркой.
Пайка применяется в основном лишь для плоских керамиче-
ских и металлокерамических корпусов. Обычно это бесфлюсовая
пайка мягкими припоями (с температурой плавления до 200—•
220° С) с предварительным облуживанием. Нагрев при пайке осу-
ществляется с помощью нагревательного столика (установка
239
Рис. 127. Схема холодной сварки корпуса:
1 — верхний пуансон; 2 — крышка корпуса;
3 — основание корпуса; 4 — нижний трапецие-
видный пуансон
ЭМ-325) или струей инертного газа, нагретого до 300—320° С
(установки Г-10 и АГМП-1) [200 ].
Основным методом вакуум-плотной герметизации корпусов
гибридно-пленочных микросхем является сварка (контактная,
холодная, ультразвуковая, электронно-лучевая и аргонодуговая).
При холодной сварке чистые металлические поверхности сдав-
ливаются, поверхностные слои растягиваются и растрескиваются,
образуя отдельные островки, которые соединяются под большим
давлением. После снятия давления сцепление сохраняется при
условии, что один из материалов имеет достаточную пластич-
ность [190]. Для получения надежного сварного соединения бур-
тик корпуса перед сваркой обрабатывают вращающейся металли-
ческой щеткой.
Корпуса для холодной сварки изготавливают из ковара,
а крышки — из мягкого материала (меди). Чаще всего применяют
одностороннее деформирование, когда со стороны мягкого мате-
риала (крышки) используют плоский пуансон, а с нижней — тра-
пециевидный пуансон (рис. 127).
Пуансоны изготавливают из высококачественных легирован-
ных сталей Х12М или Х12Ф1.
Комплект пуансонов рассчитан на 25—30 тыс. операций.
Давление, необходимое для холодной сварки, обычно состав-
ляет 400—500 кгс/см2.
Преимущества холодной сварки: отсутствие нагрева микро-
схемы; отсутствие газовыделений; простота технологического обо-
рудования.
Тем не менее этот метод не получил большого распространения
при герметизации корпусов гибридных тонкопленочных микро-
схем, так как при использовании холодной сварки существенно
увеличивается периметр наружного контура корпуса. Кроме того,
применение холодной сварки ограничено трудностями получения
надежного соединения тонкостенных деталей [75].
Ультразвуковую сварку используют сравнительно недавно.
При ней нормальное давление заменяется тангенциальными си-
лами, создаваемыми крутильными колебаниями. Ультразвуковая
сварка пригодна для изготовления сравнительно больших корпу-
сов, однако пока применяется редко в связи с отсутствием обору-
дования и неотработанностью технологии [43].
240
Одним из самых перспективных методов герметизации вакуум-
плотных корпусов безусловно является электронно-лучевая сварка,
которая имеет ряд существенных преимуществ по сравнению с дру-
гими методами.
Это, во-первых, возможность сваривать любые материалы и
сплавы с очень малой зоной термического влияния (что позволяет,
например, производить сварку в непосредственной близости от
спая «металл—керамика»). Во-вторых, дегазация шва при сварке
в вакууме позволяет гарантировать качество в связи с исключением
реакций расплавленного металла с газами.
При электронно-лучевой сварке сфокусированный луч имеет
диаметр 0,5 мм и энергию до 2000 кВт/см2.
Температура корпуса при сварке может достигать 400° С [85].
С целью снижения температуры основания применяют специальные
медные оправки. Еще более эффективно введение в зазор между
оправкой и основанием слоя теплопроводной жидкости (например,
вакуумного силиконового масла). Такой способ обеспечивает тем-
пературу на микросхеме не выше 70° С.
В табл. 37 приведены материалы, применяемые для корпусов,
герметизируемых электронно-лучевой сваркой, и показаны пары,
обладающие лучшей свариваемостью.
37. Совместимость материалов для изготовления корпусов
Материал Никель Медь МБ Сталь Х18Н9Т Молибден ВМ-1 Ковар H29KI8
Никель X X X X
Медь МБ X — — X —
Сталь Х18Н9Т X — — — X
Молибден ВМ-1 — X — 1 —
Ковар Н29К18 X — X 1 - X
В табл. 38 приведены сравнительные характеристики электрон-
но-лучевых установок, которые могут применяться для герметиза-
ции металлостеклянных корпусов. Наиболее приспособленной из
них является установка А.306.05. Для повышения производитель-
38. Характеристики электронно-лучевых установок для герметизации
Характеристика ЭЛУРО-1 А.306.05 А.306.07
Ускоряющее напряжение, кВ Максимальная сила тока в лу- че, мА Плотность энергии, кВт/мм2 Диаметр фокального пятна, мкм Длительность импульса, мс 50; 75; 100 10 500 10 2-14 25 200 20 500 1; 2; 5; 10; 25; 50 20 100 15 400 2; 5; 10; 15; 25; 50; 100
16 В. Д Гимпельсои
241
МОсти установка снабжается магазинными устройствами или систе-
мой непрерывной подачи изделий в вакуумную камеру.
Применение электронно-лучевой сварки сдерживается исклю-
чительно высокой стоимостью оборудования.
Большое распространение в настоящее время получил один из
видов контактной сварки — конденсаторная сварка.
Источником нагрева материала корпуса и крышки при конден-
саторной сварке является импульс тока, проходящего через со-
противление на стыке свариваемых материалов. Прижимной
пуансон установки, по форме повторяющий буртик корпуса, обес-
печивает определенное давление на место сварки, регулируя тем
самым
Преимущества конденсаторной сварки:
кратковременность процесса и высокая производительность
установок;
малая зона термического влияния.
Применение конденсаторной сварки ограничено корпусами
с периметром до 70—80 мм. Это ограничение связано с необходи-
мостью использования мощных источников энергии (конденсатор-
ного типа), которые в настоящее время разрабатываются.
> Установки для конденсаторной сварки в настоящее время яв-
ляются наиболее распространенным видом оборудования для гер-
метизации малогабаритных металлостеклянных корпусов. Наибо-
лее совершенной из них является установка МТК-5. Однако ее
применение ограничено круглыми корпусами диаметром 3—42 мм.
В СССР разработаны две мощные установки для конденсатор-
ной сварки. Это установка ДЕ.2.950.093 для сварки корпусов
типа «Терек». Максимальная энергия, развиваемая установкой,
8200 Вт-с, источник питания установки работает на конденсаторах
К50-И-1 (6 штук). Установкой создается усилие в 60—1000 гс и
обеспечивается производительность до 600 сварок/ч.
Установка ЩЯМ1.142.001 предназначена для сварки корпусов
периметром от 55 до 100 мм с усилием сжатия 150—1350 гс при
толщине свариваемых кромок 0,4—0,8 мм. Производительность
установки 360—1200 сварок/ч.
Одними из универсальных и надежных видов оборудования
являются установки для роликовой контактной сварки, позволя-
ющие герметизировать металлостеклянные и металлокерамиче-
ские корпуса размерами до 75 мм.
Для металлокерамических корпусов с размерами шва до 10 мм
и толщиной крышки 0,1 мм применяются ролики диаметром 4—
10 мм и углом конусности 60—90°.
При увеличении размеров корпуса и толщины крышки угол
конусности уменьшается, а радиус возрастает, что удлиняет срок
сл ужбы эл ектр одов.
Для вакуумной герметизации корпусов гибридно-пленочных
микросхем с периметром 100—300 мм широко применяется аргоно-
дуговая сварка.
242
Сварка в этом случае осуществляется неплавящимся электро-
дом с продувкой аргона через горелку, что обеспечивает стабиль-
ное горение дуги и высокое качество сварного шва. В СССР раз-
работано три модели установок для аргонодуговой сварки:
УСКМ-2, УСКМ-3, УСКМ-4.
В установке УСКМ-2 корпуса и крышки устанавливаются
в кассеты по 15 шт. (одновременно в установке находятся по 6 кас-
сет двух типов). Камера заполняется гелием, а аргон продувается
через горелку. Горелка на каретке перемещается по направляю-
щему рельсу. Длина горизонтального хода горелки 680 мм. Ско-
рость сварки 8—55 м/ч.
Рабочая камера установки для аргонодуговой сварки предва-
рительно вакуумируется и заполняется гелием, что, с одной сто-
роны, обеспечивает контролируемую среду при сварке, с другой —
облегчает проверку герметичности заваренного корпуса.
Одновременно в установке заваривается 90 корпусов. Толщина
свариваемых кромок корпусов 0,1—0,6 мм при сварочном токе
15 А. Установки УСКМ-3 и УСКМ-4 являются модернизациями
установки УСКМ-2, расширяющими ее технологические возмож-
ности и обеспечивающими максимальные удобства эксплуатации.
К недостаткам метода следует отнести необходимость значи-
тельно увеличивать размеры буртика под сварку, увеличивая
тем самым габариты микросхемы и усложняя теплоотвод в процессе
сварки.
В стадии разработки находятся установки для сварки с по-
мощью ОКГ корпусов гибридно-пленочных микросхем.
Одним из важных моментов в технологии герметизации яв-
ляется проверка корпусов микросхем на герметичность.
Проверка эта осуществляется дважды: при изготовлении осно-
вания корпуса с изолированными выводами и после герметизации
микросхемы.
Герметичность корпуса характеризуется скоростью натекания
(см3/с) газов из атмосферы. Проверка герметичности производится
масс-спектрометрическим методом с помощью гелиевого течеиска-
теля типа ПТИ-6 или ПТИ-7. Масс-спектрометр обнаруживает
натекание гелия порядка 1-10"8 см3/с.
Для проверки основания корпуса применяется специальное
приспособление, позволяющее с помощью уплотнения создать
замкнутый вакуумный объем, соединенный с чувствительным эле-
ментом течеискателя.
При обдуве основания корпуса гелием, последний при наличии
течи попадает в вакуумный объем и затем обнаруживается течеиска-
телем.
Применение гелия в качестве «тест-газа» увеличивает чувсти-
тельность метода, так как гелий имеет большую, чем другие газы,
проникающую способность через весьма мелкие поры и щели.
В связи с тем, что содержание гелия в атмосфере и в газах, выделяе-
мых из стенок микросхемы и аппаратуры контроля, мало, соответ-
16* 243
ственно мал фоновый уровень сигнала течеискателя. Это повышает
чувствительность течеискателя.
Корпуса, если в них не проник гелий при герметизации, опрес-
совываются в специальной установке при давлении порядка 4—
5 кгс/см2 в течение 6 суток.
Корпуса с проникшим в них гелием помещают в стакан, из
которого откачивают воздух до предельного вакуума и соединяют
его с чувствительным элементом течеискателя.
Производительность современных установок для проверки гер-
метичности масс-спектрометрическим методом составляет 100—
200 шт/ч.
Более простым методом, не требующим сложного оборудования,
и более производительным (до 700 шт/ч) является вакуумно-жид-
костный метод.
Контроль негерметичности в этом случае осуществляется
визуальным наблюдением истечения из корпусов, погружен-
ных в непрерывно вращающееся масло или керосин. Масло и ке-
росин помещены в объем, откачиваемый до рабочего вакуума
5-10"6 мм рт. ст.
Этот метод более грубый и менее надежный. Герметизированные
микросхемы проходят полный цикл измерений по программе при-
емо-сдаточных испытаний, после чего их маркируют и упаковы-
вают в спецтару.
ГЛАВА 6
БОЛЬШИЕ ГИБРИДНЫЕ
ИНТЕГРАЛЬНЫЕ СХЕМЫ
1. Основные конструктивно-технологические
направления в разработке
больших интегральных схем
Основная тенденция развития современной микроэлектро-
ники — переход к схемам с высокой степенью интеграции, так
называемым большим интегральным схемам (БИС). Этот переход
осуществляется на базе известных технологических процессов,
используемых как в тонкопленочной технологии, так и в других
распространенных технологиях микроэлектроники: полупровод-
никовой и толстопленочной.
При создании БИС все эти направления часто настолько тесно
переплетены, что рассматриваемые здесь большие гибридные ин-
тегральные схемы (БГИС) не могут быть изучены без пояснения
некоторых аспектов полупроводниковой и толстопленочной техно-
логий и конструктивно-технологических направлений БИС, свя-
занных с чисто полупроводниковой технологией. При этом не оста-
навливаясь на планарной технологии формирования полупровод-
никовых структур, методах изоляции элементов полупроводнико-
вых структур, методах внедрения примесей и формирования ри-
сунка, в данной главе будут рассмотрены проблемы изготовления
многослойной коммутации на поверхности кристалла, методы и
технология изготовления спецвыводов к полупроводниковым кри-
сталлам, методы сборки и монтажа интегральных бескорпусных
схем со спецвыводами. Все это в значительной мере помогает по-
нять технологические возможности и преимущества больших гиб-
ридных интегральных схем.
Исторически сложилось так, что усовершенствование какого-
либо технологического процесса в микроэлектронике приводило
не только к качественному улучшению данной технологии, но и
к принципиальным изменениям в методах проектирования и изго-
товления интегральных схем (ИС).
Так, повышение степени интеграции и надежности ИС привело
к внедрению:
машинного проектирования ИС;
нового высокопроизводительного технологического оборудо-
вания;
245
новых методов многослойной коммутации и межслойной изоля-
ции компонентов;
новых методов сборки и микроконтактирования;
новых надежных корпусов и методов герметизации;
методов и средств автоматизированного контроля ИС.
До настоящего времени отсутствует четкое определение и клас-
сификация БИС. В ряде случаев такое определение дается исходя
из количественного критерия; по числу компонентов (для линей-
ных схем) и по числу инверторов (для логических схем) на корпус.
Однако этот критерий не однозначен. Степень интеграции ИС зави-
сит от технического уровня страны, предприятия, фирмы, года
разработки и т. д. Некоторые зарубежные специалисты предлагали
определять БИС как схемы с двухслойной металлизацией,
для разработки которых использованы вычислительные уст-
ройства.
Специалисты ряда ведущих зарубежных фирм считают, что
БИС это система совершенствования технических и технологиче-
ских средств и методов для разработки и изготовления ИС с повы-
шенной степенью интеграции и повышенной надежностью.
Наконец, ряд специалистов большими интегральными схемами
называют только ИС на кристалле полупроводника увеличенной
площади с оптимальной плотностью компонентов для максималь-
ного снижения стоимости ИС.
Все эти толкования 1968—1972 годов в последние годы теряют
свою категоричность, и специалисты находят точки сближения
различных мнений.
Анализ зарубежных и отечественных разработок, литературных
источников и информационных сообщений позволяет с точки зре-
ния конструктивных и технологических особенностей подразделить
БИС на следующие:
1. БИС, представляющие собой усложненную функциональную
схему на полупроводниковом кристалле с высокой степенью ин-
теграции элементов. Функционально этот тип БИС может быть
как линейным, так и логическим, может быть выполнен на бипо-
лярных элементах или МОП-структурах, может представлять со-
бой также матрицу однотипных диодных, транзисторных и других
полупроводниковых структур.
2, БИС, представляющие собой неразрезанную полупроводни-
ковую пластину с многослойной (многоуровневой) коммутацией,
нанесенной поверх изолирующего окисла. БИС этого типа может
объединять на втором и третьем (верхних) уровнях коммутации
различные функциональные ИС, универсальным образом закомму-
тированные на первом (нижнем) уровне. Коммутация в этом случае
может быть «по заказу», учитывающая как потребность в той или
иной БИС, так и реальный выход годных ИС на пластине.
В случае матричных однотипных структур верхний уровень
коммутации может быть стандартным с корректировкой после вы-
явления годных ИС, Чаще всего такой тип коммутации исполь-
246
|
Рис. 128. Большая гибридная интегральная схема
зуется в схемах запоминающих устройств (ЗУ) на триггерах, на
МОП-структурах и т. п.
3. БИС, представляющие собой многокристальную схему,
в которой отдельные кристаллы устанавливаются в один много-
выводной корпус и могут быть соединены между собой с похмощью
навесных проводников, как это делается в гибридных ИС. Такие
БИС называются моноборидными [233].
4. БИС, представляющие собой многокристальную схему,
в которой отдельные кристаллы устанавливаются на диэлектриче-
скую подложку с многослойной коммутацией. В случае необходи-
мости на эту подложку могут быть установлены пассивные эле-
менты (резисторы, конденсаторы) расширенного диапазона номи-
налов и повышенной точности. Для таких схем в отечественной и
зарубежной литературе принят термин БГИС — большие гибрид-
ные интегральные схемы, в отличие от полупроводниковых БИС,
к которым относятся БИС первого, второго и третьего типа
(рис. 128).
Для увеличения числа слоев коммутации, улучшения условий
теплоотвода и т. д. диэлектрическая подложка может представлять
собой многослойную керамику, проводники в которой изготов-
лены методами толстопленочной технологии. Для этих же целей
в различных вариантах БГИС могут быть использованы специаль-
ные диэлектрические пленки, металлизация на которые наносится
различными технологическими методами.
Первый тип БИС в значительно большей степени, чем осталь-
ные, связан с количественным критерием. В связи с увеличением
247
Числа элементов в кристалле схема, которая в 1968—1972 годах
считалась БИС, в 1972—1975 годах перешла в разряд СИС (сред-
няя интегральная схема). Таким образом, определение БИС для
первого типа «подвижно» во времени. До 1970 года оптимальное
число вентилей на схему с точки зрения процента выхода годных,
стоимости и надежности составляло 20—30 шт., в 1970—1971 го-
дах — 40—60 шт., в 1972—1975 годах — 100—500 шт., а в схемах
на МОП-транзисторах— до 1500—2000 шт. При этом стоимость
схемы и стоимость одного вентиля значительно снизились.
Одной из основных характеристик данного типа БИС является
процент выхода годных схем, что связано в первую очередь с пло-
щадью кристалла. Если кристаллы обычных ИС имели размеры
до 1 мм2 (1,0х 1,0 мм), то кристаллы БИС в настоящее время имеют
размеры до 5,1 X 5,1 мм и более. Можно ожидать появление БИС
на кристаллах размером 7,6X7,6 мм и даже 12,7X12,7 мм [60].
В связи с тем, что выход годных ИС с увеличением размера кри-
сталла уменьшается (несмотря на совершенствование технологии),
существует теоретический предел роста степени интеграции пер-
вого типа БИС.
К дефектам, влияющим на процент выхода годных ИС, отно-
сятся дефекты кристаллической структуры кремния, дефекты,
возникающие в процессе обработки пластины, и дефекты, появ-
ляющиеся на операциях сборки и герметизации.
Большинство дефектов на полупроводниковой пластине носит
случайный характер, а выход годных кристаллов зависит от их
числа и от распределения дефектов по пластине. Наименьший
процент выхода годных получается при равномерном распределе-
нии дефектов по пластине.
С другой стороны, увеличение размера кристалла и связанное
с ним увеличение уровня сложности полупроводниковой одно-
кристальной БИС ведет к уменьшению числа внешних соединений
и, следовательно, к общему повышению надежности системы.
Примером могут служить однокристальные полупроводниковые
БИС на МОП-структурах (МОП-БИС). Их применение в массо-
вых изделиях современного приборостроения (ЭКВМ, часы и т. д.),
где часто одна МОП-БИС содержит все электронное устройство
изделия (генератор, делитель частоты, формирователь импульсов,
дешифратор в электронных часах; арифметическое устройство,
ЗУ, схему управления, выходное устройство в ЭКВМ), оказалось
весьма эффективным с точки зрения надежности и стоимости.
В то же время аналогичные изделия на МОП-ИС с низким уровнем
интеграции отличаются пониженной надежностью и низкими экс-
плуатационными характеристиками.
Производство первого типа БИС базируется в основном на
известных технологических процессах полупроводникового произ-
водства, но требует их серьезного совершенствования. К чисто
технологическим проблемам, связанным с изготовлением полупро-
водниковых БИС, следует отнести задачи в области эпитаксиаль-
248
ного наращивания, термических процессов диффузии и окисления,
фотолитографии, технологии многослойной коммутации и меж-
слойной изоляции.
Наиболее перспективными являются однокристальные
МОП-БИС с комплементарными структурами (КМОП-БИС), позво-
ляющие получить максимальную плотность компоновки на кри-
сталле с приемлемым процентом выхода годных, высокими показа-
телями стабильности и надежности.
Это объясняется относительной простотой технологии МОП-
структур (в сравнении с биполярной технологией) в основном за
счет сокращения высокотемпературных и прецизионных фотолито-
графических операций.
Однако разработка и производство МОП-БИС требует разра-
ботки и внедрения новых технологических процессов: ионного
легирования, электронно-лучевой фотолитографии, плазмохими-
ческой обработки.
Учитывая все эти технологические трудности, можно утверж-
дать, что первый тип БИС целесообразен лишь для стандартизиро-
ванных схем цифровой техники, выпускаемых серийно (сумматоры,
сдвиговые регистры, постоянные и оперативные ЗУ), и некоторых
специализированных схем для изделий массового производства
(часы, ЭКВМ и т. д.).
Целесообразность разработки однокристальных полупроводни-
ковых БИС для широкого класса схем в приборостроении и вы-
числительной технике сомнительна также с точки зрения сущест-
вующих энергетического, теплового и конструкционного преде-
лов, принципиально ограничивающих практическую степень ин-
теграции, надежность (до 10~9 1/ч) и, следовательно, функцио-
нальную сложность схем.
Второй тип БИС, изготавливаемый на целой, неразрезанной
полупроводниковой пластине, является в технологическом плане
как бы логическим следствием первого.
Это связано с тем, что целая пластина является естественной
рабочей единицей, получаемой после комплекса технологических
процессов.
На такой пластине можно достигнуть очень высоких уровней
сложности (до 5 тысяч схем на пластине).
Для этого типа схем, очевидно, невозможен так называемый
метод фиксированных соединений, основанный на разработке
стандартных фотошаблонов на этапе проектирования БИС
и предполагающий 100%-ный выход всех ячеек на плас-
тине. Есть несколько путей решения этой проблемы [37,
181, 225].
Одним из путей является использование метода избирательных
соединений. При этом методе комплект шаблонов для осуществле-
ния коммутации (чередующихся слоев металлизации и изоляции)
разрабатывается и изготавливается на основании результатов
испытания ячеек на пластине.
249
Преимущество такого метода состоит в увеличении процента
выхода, так как используются только годные схемы. Однако необ-
ходимость проверки каждой ячейки заставляет создавать лишние
контактные площадки, что приводит к уменьшению коэффициента
использования площади кристалла. Кроме того, изменение кар-
тины межсоединений может привести к возникновению различных
проблем, связанных с появлением паразитных связей.
Метод избирательных соединений предполагает использование
машинного проектирования на ЭВМ и быстрой реализации с ис-
пользованием новейших методов и средств микроэлектронной тех-
нологии во избежание длительного межоперационного хранения
полупроводниковой пластины.
При массовом производстве БИС широкого функционального
назначения с избирательными соединениями целесообразно приме-
нять специализированную вычислительную машину, которая будет
производить следующие операции:
прием данных стопроцентного контроля полупроводниковой
пластины о годных ячейках и о необходимых соединениях;
компоновку БИС;
трассировку соединений;
управление установкой формирования рисунка на фотошаблоне.
Другой путь создания БИС на неразрезанной пластине заклю-
чается во введении избыточности ячеек и двух уровней стандартной
коммутации: первого — внутри элементарной ячейки и второго —
для всей пластины.
В этом случае после функционального контроля схемы тре-
буется произвести разрыв непрерывных связей внутри дефектных
ячеек или же разорвать связи на втором уровне коммутации с по-
мощью какого-либо технологического инструмента, например,
электронного луча или луча ОКГ.
Такой путь сокращает число измерительных операций и может
быть эффективен для матричных схем и схем с регулярной струк-
турой, к которым применимы методы логического анализа.
Промежуточное положение между методом избирательных
соединений и методом стандартной коммутации с прерыванием свя-
зей после контроля занимает метод переноса контактных пло-
щадок.
При этом методе создается стандартная коммутация на элемен-
тарной ячейке и стандартный рисунок межсоединений, исполь-
зующий, однако, не контактные площадки ячеек, а отдельные, ни
с чем не связанные контактные площадки, созданные на диэлек-
трике неподалеку от контактов ячеек. Далее производится «под-
гонка» контактных площадок годной ячейки к контактным пло-
щадкам межсоединений короткими металлическими перемычками.
Таким образом, для каждой из пластин в связи с различным рас-
положением на них годных ячеек должен специально создаваться
только один нестандартный рисунок, необходимый для переноса
контактных площадок (рис. 129).
250
Рис. 129. Метод переноса контактных площадок:
1 — пластина с первым слоем металлизации для коммута-
ции внутри ячейки; 2 — стандартный шаблон первого
диэлектрического слоя с отверстиями над контактными
площадками ячейки; 3 — шаблон второй металлизации —
единственный специальный шаблон переноса контактов для
данной БИС; 4 — стандартный шаблон второго диэлектричес-
кого слоя верхнего уровня металлизации БИС; 5 — стан-
дартный шаблон третьей металлизации
Для обеспечения переноса контактных
площадок от годной схемы к контактным
площадкам межсоединений требуется до-
вольно простая схема соединений, что нес-
колько упрощает изготовление БИС на
неразрезанной пластине.
Тем не менее, технология создания БИС
на неразрезанной пластине любым из ука-
занных методов настолько сложна, что спе-
циалисты многих ведущих зарубежных фирм
выражают сомнение в возможности реализа-
ции этого типа БИС в широких масштабах.
Несомненно значительно более простым и
гибким является метод создания БИС на нес-
кольких кристаллах, собранных в одном
корпусе.
Кристаллы могут содержать как отдельные транзисторы, так
и интегральные схемы с низким, средним и высоким уровнем
интеграции.
Основной недостаток этого типа БИС — наличие большого
количества проволочных соединений и нерациональное увеличе-
ние сборочно-монтажных работ в интегральной технологии. Такой
монтаж налагает существенные ограничения, связанные с числом
выводов в корпусе. Например, в корпус с 16 выводами можно
поместить максимум 4 схемы вентиля с 4 выводами.
Несмотря на то, что в принципе на базе этого конструктивно-
технологического направления можно реализовать БИС с уровнем
интеграции и плотностью компоновки такими же, как и в чисто
полупроводниковых схемах, этот тип был распространен на пер-
вом этапе разработки и в настоящее время из-за низкой надеж-
ности используется лишь для отработки БИС первого и второго
типа.
В четвертом типе БИС использованы все преимущества полу-
проводниковой и тонкопленочной технологии. В БИС этого типа
могут быть использованы полупроводниковые интегральные схемы
любого уровня интеграции, включая БИС первого и даже
второго типа и прецизионные тонкопленочные пассивные компо-
ненты.
251
Производство многокристальных БИС целесообразно с уров-
нем интеграции не менее 10 кристаллов на корпус. При изготовле-
нии полупроводниковых БИС такой же степени интеграции про-
цент выхода годных может быть оценен как а10, где а— процент
выхода годных элементарных полупроводниковых интегральных
схем, эквивалентных по уровню интеграции ИС, устанавливае-
мым в БГИС. Если принять, что на неразрезанной полупроводни-
ковой пластине дефектные ИС составляют 10% (а = 90%) и слу-
чайно распределены по пластине, то общий процент выхода год-
ных полупроводниковых БИС составит на этапе освоения в произ-
водстве не более 3% даже при бездефектной технологии монтаж-
ных операций.
Отсюда ясно, что обоснованная степень интеграции для БГИС,
по крайней мере, на порядок превышает степень интеграции для
полупроводниковых БИС.
В настоящее время количество ИС в БГИС достигает 100, та-
ким образом степень интеграции БГИС может быть на два порядка
выше, чем в полупроводниковых БИС. Абсолютное значение сте-
пени интеграции БИС зависит от уровня технологии, но указанное
соотношение в пользу БГИС сохранится.
БГИС по характеристикам надежности, стоимости, быстро-
действия и габаритам значительно превосходит печатный монтаж
с использованием обычных интегральных схем.
Действительно, монтаж кристаллов на тонкопленочной комму-
тационной плате обеспечивает более высокую надежность по
сравнению с внешними соединениями корпусных ИС с печатной
платой. При этом значительно уменьшается число контактов
в устройстве.
Таким образом, надежность БГИС приближается к надежности
полупроводниковой БИС равной степени интеграции и позволяет
реализовать основное преимущество применения БИС в приборо-
строении и вычислительной технике.
С точки зрения стоимости схем существенное значение имеет
повышение процента выхода годных, уменьшение потребности
в корпусах, снижение количества и трудоемкости монтажных
операций.
Стоимость сборочных операций при изготовлении БГИС, как
правило, составляет около 40% общей стоимости изделия, в то
время как для обычных интегральных схем эта цифра возрастает
до 65%.
В табл. 39 приведены результаты расчета себестоимости раз-
личных типов ИС и БИС, выполненных на МОП-структурах для
схемы типа «постоянное запоминающее устройство» (ПЗУ) [192].
Анализ сравнительных данных подтверждает значительные
технико-экономические преимущества конструктивно-технологи-
ческих принципов БГИС. Так, у БГИС с информационной ем-
костью 1000 бит себестоимость 1 бита информации составляет
примерно 2 коп., а у аналогичных по информационной емкости
252
полупроводниковых БИС — около 73 коп., т. е. более чем в 35 раз.
Эти данные близки к зарубежным оценкам (табл. 39).
39. Себестоимость различных ИС и БИС
Типы Количе- ство бит Плотность элементов, эл/см3 Стоимость, руб. Себестоимость 1 бита, коп.
МОП-ИС низкой степени ин- 30 200 5,25 17,5
теграции МОП-ИС средней степени ин- 100 500 5,74 4,74
теграции БГИС на МОП-ИС низкой сте- 1000 600 31,6 3
пени интеграции БГИС на МОП-ИС средней сте- 1000 850 19,07 2
пени интеграции МОП-БИС на одном кристалле 1000 5000 734,0 73
Поскольку задержки распространения сигнала на современ-
ных полупроводниковых схемах составляют 2—10 нс на логиче-
ский вентиль, быстродействие схем в значительной степени за-
висит от длины монтажных линий (в современных платах с пе-
чатным монтажом скорость распространения сигналов прибли-
зительно равна 15 см/с).
При пленочной коммутации в БГИС длина соединительных
линий сокращается по сравнению с печатным монтажом на поря-
док и более. Это определяет эффективность применения БГИС
с точки зрения быстродействия.
Технология изготовления БГИС предполагает использование
в качестве «покупных» изделий бескорпусных полупроводниковых
приборов и интегральных схем. Если раньше были некоторые опа-
сения в возможности контроля и транспортировки бескорпусных
приборов и ИС, то в настоящее время они могут поставляться на
тех же основаниях, что и корпусные.
Номенклатура и объем выпуска бескорпусных приборов и ИС
постоянно растут. На них разработаны соответствующие стандарты
и нормали, в которых устанавливаются габаритные и присоеди-
нительные размеры, условия хранения, методики контроля, спец-
тара для хранения и транспортировки и т. д.
Основные технологические проблемы БГИС:
создание надежной тонкопленочной коммутации с изоляцией
между слоями, обеспечивающей 100%-ный выход годных по пере-
сечениям, с минимальными паразитными связями и высокой раз-
решающей способностью;
создание надежных и высокопроизводительных методов сборки
и монтажа бескорпусных приборов и ИС;
создание крупномасштабных корпусов с вакуум-плотной гер-
метизацией и хорошим теплоотводом;
разработка и внедрение автоматизированных методов проекти-
рования и изготовления БГИС.
253
Все эти технологические проблемы подробно рассмотрены ниже.
В заключение сказанного можно сделать вывод о том, что в на-
стоящее время с учетом современного уровня полупроводниковой
технологии БГИС представляются оптимальным решением про-
блемы разработки больших интегральных схем специального на-
значения.
БГИС, как правило, проигрывают чисто полупроводниковым
БИС по плотности упаковки, но в них проще решаются проблемы
теплоотвода, паразитных связей, стоимости и т. д.
Кроме того, с помощью БГИС уже сейчас могут быть дости-
гнуты уровни интеграции, которые пока не доступны другим ти-
пам БИС.
2. Многослойная коммутация
на диэлектрической подложке для БГИС
Использование в БГИС многофункциональных полупроводни-
ковых бескорпусных ИС с высокой и средней степенью интеграции
требует создания сложной системы соединений на сравнительно
небольшой площади. Как правило, для этого достаточно двух-
слойной коммутации на диэлектрической подложке.
В ряде случаев требуется большее число слоев. Технология
многослойной коммутации состоит в последовательном нанесении
токопроводящих и изолирующих пленок и придании им соответ-
ствующей конфигурации. Для этого используются те же техно-
логические методы, что и для обычных гибридных схем. Эти ме-
тоды подробно рассмотрены в главах 2 и 3.
Однако требования к многослойной коммутации в БГИС по-
стоянно возрастают, что потребовало применения новых материа-
лов и внедрения новых технологических процессов. Большинство
из этих методов нашли применение в реальных конструкциях оте-
чественных и зарубежных БГИС.
Одна из важнейших проблем в многослойной коммутации —
получение надежной межслойной изоляции.
Требования к материалу диэлектрика сводятся в основном к сле-
дующему. Он должен иметь низкую диэлектрическую проницае-
мость (для уменьшения емкости монтажа), высокое удельное со-
противление, минимальное влагопоглощение и термостойкость,
высокую электрическую прочность.
Наиболее часто в качестве изоляционных материалов БГИС
применяют неорганические диэлектрики: окислы металлов и полу-
проводников, оксидные стекла.
Основные диэлектрические параметры окислов металлов за-
висят от их физико-химических свойств. Определяющими среди
них являются ширина запрещенной зоны и степень окисления ме-
таллов.
На рис. 130 показана зависимость электрической прочности
Епр max при толщине пленки 1500-^2000 А и диэлектрической
254
Рис. 130. Зависимость электричес-
кой прочности £пр тах при d
(15004-2000) д и диэлектричес-
кой проницаемости е, отнесенных
к степени окисления х (1 < х <
< 2,5) от ширины запрещенной
зоны окислов типа МОХ.
1 — РЬО; 2 — TiO2; 5 — Bi 2OS;
4 — HfOi; 5 — GeO; 6 — Ta2Ob;
7 — ZnO; 8 — SnO2: 9 — TeO2;
10 — Nb2OB; 11 — S2O; 12 — ZrO2;
13 — GeO2; 14 — SiO; 15 — BaO;
16 — CaO; 17 — A12O,; 18 — Mg2O;
19 — BeO; 20 — SiO2; 21 — J2O3
Рис. 131. Методы получения диэ-
лектрических пленок окислов метал-
лов и полупроводников
проницаемости 8, отнесенные к степени окисления х (1 < х <
< 2,5), от ширины запрещенной зоны Eg окислов типа МО2 (све-
дения получены в результате обобщения литературных данных).
Как видно из рис. 130, диэлектрическая проницаемость е убы-
вает с увеличением Egi что обусловлено увеличением энергии
связи компонентов, входящих в состав окисла. Одновременно при
этом увеличивается электрическая прочность, что не противоречит
представлениям о лавинном и лавинно-инжекционном механизмах
пробоя.
Пленки окислов алюминия, тантала и кремния по параметрам е
и £пр в основном удовлетворяют требованиям к межслойной изо-
ляции (точки 6, 14, 17, 20 на рис. 130).
Для получения пленок окислов А12О3, Та2Об, SiO и SiO2
чаще всего используют анодирование, термовакуумное напыление,
реактивное и высокочастотное распыление (рис. 131).
255
Исследования показали, что пленки SiO2, А12О3 и Та2О5,
осажденные высокочастотным распылением, однородны и имеют
аморфную структуру, устойчивую при температурах до 500° С
[164 ].
В табл. 40 и 41 представлены основные характеристики Епр
и р для диэлектрических пленок SiO2, А12О3 и Та2О5, получен-
ных указанными методами.
40. Характеристика диэлектрических пленок
Диэлек- трик Технология получения е е объемного материала Пробивное напряже- ние £пр’ В/См Толщина пленки при измерении _Епр- А
SiO Термовакуумное напы- ление 3,94 3,75 (11—2)-10’ 500— 9 000
SiO2 ВЧ-распыленне
А12О3 В Ч-распыление Термовакуумное напы- ление с электронно- лучевым нагревом 8,55 7,9 8,99 (8—2)-10’ 90—800
Анодирование 8,9
Та2О5 Реактивное распыление Термовакуумное напы- ление с электронно- лучевым нагревом Высокочастотное рас- пыление Анодирование 25—50 25 27 21,2— 33,2 65 а-тантал 24 (|3-тан- тал) (4—0,5)* 10е 1 500— 15 000
41. Удельное сопротивление и пробивное напряжение
диэлектрических пленок
Диэлектрик Удельное сопротивление р, Омсм о Толщина, А Диапазон напряжения, В Площадь электрода, мм2
, SiO 1018—1017 7000 10—200 20
1018—101’ 2000 2-35 5
А12О3 >10» 6000 5-70 | 5
2000 Г’ 1-16 | 5
Та2О5 1018—ю12 8000 2500 1—15 | 115 | 5 5
256
Из табл. 40 и 41 следует, что лучшие диэлектрические харак-
теристики имеют моноокись и двуокись кремния; в случае исполь-
зования проводников из алюминия или тантала возможно также
применение окислов этих металлов.
Наряду с вакуумными методами и анодированием в техноло-
гию нанесения диэлектрических пленок для межслойной изоля-
ции все более интенсивно внедряются сравнительно новые термо-
химические методы получения пленок SiO2, такие как гидролиз
силанов и галогенидов кремния, термическое разложение (пиро-
лиз) кремнийорганических соединений, разложение паров крем-
нийорганических соединений в высокочастотном разряде.
В первом из них используется способность силанов и галогени-
дов кремния разлагаться в присутствии паров воды. Реакции при
использовании газовой смеси SiCl4 + Н2 + СО2 следующие:
СО2 + Н2 Z2 Н2О + СО;
SiCI4 + 2Н2О SiO2 + 4НС1.
При отсутствии газа СО2 или малом его количестве без измене-
ния остальных параметров этим же методом могут наноситься и
слои чистого кремния, что используется, например, при создании
многослойных структур.
Скорость осаждения пленок SiO2 зависит от концентрации га-
зов в смеси и температуры и не зависит от химического состава
подложки.
Сильная температурная зависимость (рис. 132, 133) является
существенным недостатком метода, так как приводит к плохой
воспроизводимости пленок по толщине.
Несколько лучше воспроизводимость при использовании NO.
В этом случае слой SiO2 может содержать также включения ни-
трида кремния Si3N4, что несколько улучшает диэлектрические
свойства пленки.
В табл. 42 показано время выращивания слоя SiO2 толщиной
5000 А при использовании различных способов гидролиза соедине-
ний кремния.
42. Время выращивания слоя SiO2 методами гидролиза
Температура °C COt + SiCl4 NO + SiCl4 CO. + + SiBr. NO + + SiBr4 H2O + 4-SiH4 4- + Ar H2O + + SiH4 + 4- Ar
825 143 30 9 3
900 — — 1 58 12 3 2
950 350 114 38 11 2 1
1050 83 17 — — 1 1
1100 28 7 — — 1 1
1200 5 3,2 — — 1 0,5
Метод гидролиза для создания .межслойной изоляции ограни-
чен использованием в качестве диэлектрической подложки БГИС
17 В Д. Гимпельсон 257
Рис. 132. Температурная за-
висимость скорости роста
SiO2 из смеси SiCl4 4-
4 СО 2 4- Н2 при скорости
потока 1 л/мин
Рис. 133. Температурная за-
висимость скорости роста
SiO2 из смеси СО2 т Н2 +
4 SiBr4 различного состава:
1 — SiBr4 — 0,6%; СО2 —
6%; 2 - SiBr4 - 0,2%,
СО 2 — 2,5%; 3 — SiBr4 —
0,1%, СО2-1%
Рис. 134. Схема установки
для осаждения SiO2 при тер-
мическом разложении алкил-
силанов:
/ — ввод газа-носнтел я; 2 —
источник паров кремннйор-
ганических соединений; 3 —
нагреватель; 4 — кварцевая
труба в печи; 5 — подлож-
ка; 6 — кассета; 7 — выход
газа
Рис. 135. Установка для разложения паров алкилсилаиов в тлеющем разряде:
/ — ввод фонового газа; 2 — ввод паров алкилснлана; 3 — вводы ВЧ-геиератора; 4 —
подложка; 5 — нагреватель; 6 — выход к вакуумному насосу
Рис. 136. Зависимость удельного сопротивления р пленок SisN4 от толщины d
258
материала, устойчивого к высоким температурам процесса, на-
пример кремния с окисленной поверхностью.
Несколько меньшие температуры нагрева подложек при выра-
щивании слоя SiO2 методом термического разложения паров крем-
нийорганических соединений, например, тетраэтоксисилана
Si (ОС2Н5)4. Термическое разложение тетраэтоксисилана проис-
ходит в потоке азота или аргона при температуре 700° С (рис. 134).
Установлено, что скорость роста слоя SiO2 возрастает от 10 до
70 А в минуту с повышением температуры, увеличением расхода
исходного материала, а также зависит от расположения подложки
относительно потока.
Метод разложения силанов позволяет снизить температуру под-
ложки до 150—300° С при температуре в зоне разложения 700° С.
Таким методом могут быть выращены слои толщиной до 20 000 А.
Метод получения пленок SiO2 разложением паров кремний-
органических соединений в тлеющем разряде требует сравнительно
простой установки (рис. 135), в которую подается парогазовая
смесь и фоновый газ (кислород в случае использования алкилсила-
нов и аргон в случае использования алкилоксисиланов). Высоко-
частотная энергия (частота 0,5 МГц, мощность генератора 1 кВт)
подводится через два медных электрода, впаянных в верхнюю
часть камеры.
Механизм роста пленки SiO2, по-видимому, заключается в по-
лимеризации свободных радикалов типа Si—О, образуемых
при столкновении ионизированных молекул газа-носителя
с органической молекулой и адсорбируются поверхностью под-
ложки.
В табл. 43 представлены основные характеристики пленок SiO2,
полученных методами гидролиза и разложения паров в тлеющем
разряде.
Пленки SiO2, полученные гидролизом, имеют удовлетворитель-
ные изолирующие свойства. Их электрические характеристики
стабильны в течение длительного времени. Пленки SiO2, полу-
ченные пиролизом, характеризуются большой пористостью. По-
этому их обычно уплотняют термообработкой в парах воды.
43. Характеристики пленок SiO2, полученных гидролизом
Метод получения пленки Коэффициент диэлектрической проницаемости е Пробивное напряжение ^пр' В^см
1 Гидролиз смеси ! Гидролиз смеси Гидролиз смеси Термическое разложе- ние алкилсиланов 1 3,8 3,7 3,8 5,5—6,5 10-10’ (5—10)-10е (5—7)-10’ 4- 10е
17*
259
OJ 0,2 0,3 ОЛО'ПКП
Рис. 137. Зависимость пробивного напряжения £пр пленок Si3N4 от d
Рис. 138. Зависимость тангенса угла диэлектрических потерь tg б (при частоте 1 мГц)
пленок SisN4 от d
Пленки SiO2, полученные разложением кремнийорганических
соединений, аморфны и характеризуются наличием небольших
внутренних напряжений.
Их электрические характеристики также могут считаться удо-
влетворительными.
В последние годы, особенно в полупроводниковой технологии,
проявляется интерес к использованию в качестве межслойной изо-
ляции нитрида кремния Si3N4, так как он имеет более высокие
теплопроводность, термостабильность, радиационную и химиче-
сую стойкость, чем SiO2.
На рис. 136, 137 и 138 показаны основные характеристики ни-
трида кремния, полученного аммонолизом при скорости потока
аммиака 10 л/мин, молярном отношении SiCl4/NH3—6-Ю"3 и
температуре подложки 1000° С [109].
Нитридные пленки по электрическим параметрам не уступают
оксидным, а в некоторых случаях превосходят их (например, они
обеспечивают надежную изоляцию при более тонких слоях).
Диэлектрическая проницаемость пленок Si3N4 составляет 6,2—6,5,
электрическая прочность 107 В/см. Внедрение нитридных пленок
в технологию межслойной изоляции многослойных структур огра-
ничивается опять-таки высокой термостойкостью подложки, необ-
ходимой для проведения процесса.
Из всех оксидных соединений наиболее перспективными в пле-
ночной микроэлектронике оказались стеклообразные композиции.
Во-первых, это обусловлено возможностью в широких пределах
варьировать основными электрическими, механическими и теп-
ловыми параметрами пленки диэлектрика путем подбора состава
композиции.
Во-вторых, сложные стеклообразные композиции практически
нечувствительны к неоднородности поверхности подложки, в ре-
260
зультате чего пленки композиций оказываются абсолютно беспо-
ристыми.
К легко стеклующимся окислам (стеклообразователям) отно-
сятся SiO2, GeO2, ВгО3, Р2О5, Ag2O3, Sb2O3; на их основе могут
быть получены сложные композиции стекол.
Образуют стекла в сочетании с ними и окислы ТеО2, SeO2,
МоО3, Bi2O3, А12О3, Ga2O3 и V2O5.
Потенциальные возможности многокомпонентных систем к об-
разованию устойчивых стеклообразных соединений зависят обычно
от свойств отдельных компонент. Однако усложнения составляю-
щих позволяет повысить вязкость исходной смеси и, следовательно,
снижает ее способность к кристаллизации. Получаемая компо-
зиция становится менее критичной к неоднородностям и различ-
ным дефектам [154, 178], что определяет повышенную электри-
ческую прочность пленок.
Один из простейших методов изготовления стекловидных пле-
нок состоит в плавлении коллоидных частиц стекла, осажденных
из суспензии центрифугированием (метод седиментации) [213].
Равномерные по толщине однородные беспористые пленки кон-
тролируемого состава получаются при нагреве порошка стекла
после центрифугирования в течение 5 мин при температурах, близ-
ких к температуре размягчения стекла. При этом состав пленок
не отличается от состава исходного материала.
В процессе нанесения требуется жесткий контроль вязкости и
летучести суспензирующей среды и размеров частиц стеклянного
порошка (—0,1 мкм).
Преимущества этого метода: стабильность химического состава
получаемой пленки, «залечивание» сквозных отверстий и пор
в процессе оплавления, хорошая адгезия к подложке, простота
оборудования и технологичность процесса.
Основной недостаток процесса связан со сравнительно высокой
температурой обжига, что вызывает дополнительные требования
к материалу коммутирующих слоев.
Один из вариантов состава стекла, используемого для диэлек-
трической изоляции в БГИС, следующий: А12О3— 10%; ZnO —
40%, CuO—10%, PbO —20%, Ва2О3 — 20%.
Это стекло после тщательного размельчения растворяют в рас-
творе: трихлорэтилен — 30%, этилацетат — 20%, изопропило-
вый спирт— 15% (остальное—суспензия стекла).
Ванночку с этой смесью и опущенной в нее подложкой поме-
щают в центрифугу. Процесс осаждения длится 2—3 мин при
частоте вращения центрифуги 4000 об/мин. Слой стекла в 14—
15 мкм наносят в два приема по 7 мкм с оплавлением каждого слоя.
Наряду с седиментацией возможно также химическое выса-
живание стекол из раствора [26].
Для высаживания стеклообразных пленок применяют пленко-
образующие растворы, содержащие соединения, разлагающиеся
при сравнительно низких температурах.
1002 261
Это, например, продукты гидролитической поликонденсации
таких кремнийорганических эфиров, как этиловый или бутило-
вый эфир ортокремниевой кислоты, либо такие соединения, как
диметилэтоксихлорсилан, которые при гидролитической поли-
конденсации образуют силоксановые цепи, склонные образовывать
полимеры.
Если нанести этот раствор на поверхность подложки, то после
испарения растворителя на поверхности останется пленка. По-
следующая кратковременная термоокислительная деструкция при
температурах 250—700° С превращает пленку в стекловидную.
Для нанесения пленкообразующих растворов могут приме-
няться разные способы: погружение подложки в пленкообразую-
щий раствор, распыление или пульверизация пленкообразующего
раствора, распыление или пульверизация пленкообразующего
раствора и нанесение раствора пипеткой на подложку, вращаю-
щуюся с постоянной скоростью.
Последний способ является наиболее распространенным. Ка-
чество получаемых из растворов пленок зависит от чистоты покры-
ваемой поверхности, чистоты воздуха в помещении, где наносят
пленки, срока хранения растворов и скорости вращения покры-
ваемого образца, а также точности поддержания температуры
при термо деструкции.
Опыты, проведенные со стеклом марки Х10А, показали, что
в процессе нанесения стекло может покрываться сетью трещин,
которые приводят к коротким замыканиям между верхним и ниж-
ним слоями металлизации.
Однако простота метода и универсальность привлекают к нему
постоянное внимание. Не исключено, что в будущем будут най-
дены такие составы стекол, при использовании которых можно
будет избежать указанных недостатков.
Развитие химии органических полимеров привело к появле-
нию нового типа материалов для многослойной коммутации — ор-
ганических диэлектриков.
Эти материалы в виде тонких пленок имеют высокие диэлек-
трические параметры, эластичность, минимальные внутренние на-
пряжения и достаточно технологичны. В многослойных структурах
возможно также применение органических и неорганических ди-
электриков в сочетании друг с другом.
После полимеризации органические диэлектрики образуют
плотную пленку без пустот и трещин. Большинство полимеров
имеет удельное сопротивление не менее 1010 Ом-см. Коэффициент
диэлектрической проницаемости находится в пределах 2,5—6,0.
Электрическая прочность достаточно высока, выше 106 В/см
[213].
Один из наиболее интересных для микроэлектронной техно-
логии метод получения тонких диэлектрических пленок — элек-
тронная бомбардировка органических материалов (например, ме-
тилметакрилата и стирола, дивинилбензола, эпоксидной смолы).
262
44. Характеристики
полимерных пленок, полученных
электронной бомбардировкой
Полимер Диэлек- трическая проницае- мость е Электри- ческая прочность £пр> В/см
Метил- 3,5 2- 10е
метакрилат Акролеин 3,5 3- 10е
Дивинилбензол 3,2 5- 10е
В большинстве случаев пары
исходного вещества напускают-
ся в систему при относительно
низких давлениях. При исполь-
зовании эпоксидной смолы тех-
нология нанесения полимерной
пленки состоит в испарении
смолы при температуре порядка
110° С в высоком вакууме и
одновременной электронной
бомбардировке подложки.
Пленки, полученные этим
методом, по надежности изоли-
рующих свойств превосходят многие другие, например, пленки,
полученные испарением в высоком вакууме. Диэлектрическая
проницаемость этих пленок 5—6, электрическая прочность
(1,2—1,9) • 106 В/см.
На поверхностные свойства эпоксидных полимерных пленок
большое влияние оказывает фотолиз под действием ультрафио-
летового облучения. Тонкие металлические пленки поэтому могут
быть нанесены лишь на экспонированную поверхность эпоксидной
пленки.
Фотолиз может быть использован и как самостоятельный про-
цесс получения диэлектрических пленок [242]. С этой целью ис-
ходный газ (бутадиен, метилметакрилат, акролеин, дивинилбен-
зол) напускается в вакуумную камеру. При облучении поверх-
ности металлизированной подложки (после получения первого
слоя коммутации) ультрафиолетовым светом в присутствии паров
одного из этих газов образуется стабильная и надежная пленка
полимера.
Пленки, изготовленные этим методом, практически обладают
теми же свойствами, что и массивные полимеры (см. табл. 44).
Толщины полимерных пленок, применяемых для изоляции,
обычно порядка 1000—2000 А, однако имеются сообщения и об
использовании пленок толщиной 200 А.
Самый распространенный метод нанесения полимерных пле-
нок— нанесение их в тлеющем разряде. Скорость нанесения
пленки при этом методе зависит от напряжения между катодом и
подложкой, давления в системе и ионного тока. Недостатком
метода является то, что подложка нагревается за счет излучения
катода, температура которого может достигать 1600° С.
Преимущество метода заключается в простоте оборудования
и возможности использования очень широкого класса мате-
риалов.
Сравнительно новым вариантом метода нанесения пленки из
газовой фазы является пиролиз, который заключается в реком-
бинации свободных радикалов на поверхности подложки с обра-
зованием твердого полимера.
263
К полезным свойствам этих пленок, например пленки поли-
л-ксилилена, относится то, что при облучении полимера ультра-
фиолетовым светом в присутствии кислорода происходит деполи-
меризация и, следовательно, отпадает необходимость использова-
ния фоторезистов для получения рисунка слоя. Это обеспечивает
хорошее разрешение при образовании рисунка через фотошаблон
или трафарет.
Диэлектрические свойства пленок, полученных электронной
бомбардировкой, фотолизом ультрафиолетовыми лучами или в тле-
ющем разряде, зависят от природы мономера и от способа полу-
чения слоя.
Эти свойства аналогичны свойствам массивного материала за
исключением высокой электрической прочности, которая для пле-
нок превышает I -106 В/см.
Имеются сообщения о нанесении органических изоляционных
пленок, например циклокаучука, методом термического вакуум-
ного напыления.
В отечественной микроэлектронике применяются изоляцион-
ные слои на основе полимерного лака ПАК-1 и фоторезиста
ФН-103, которые наносят на поверхность подложки центрифуги-
рованием с последующей полимеризацией при температуре 200° С.
В последнее время в качестве диэлектрика все чаще исполь-
зуют сложные структуры, состоящие из двух и более последова-
тельно наносимых слоев разнородных материалов.
Пересечения, изготовленные с использованием «сэндвичных»
диэлектриков, характеризуются меньшим числом проколов и более
высокой надежностью. Среди наиболее часто используемых ком-
бинаций диэлектрических материалов в первую очередь следует
упомянуть пары: А12О3 — SiO3; А12О3 — SiO2; А12О3— ПАК-1.
Необходимо отметить, что применение многослойных диэлектри-
ков без уменьшения плотности компоновки (за счет неточного сов-
мещения слоев) наиболее эффективно при использовании принци-
пов самосовмещения при последовательном нанесении материалов.
Определенный интерес представляют ультрамногослойные ди-
электрики, получаемые напылением из двух поочередно пере-
крываемых испарителей. Пленки такого типа имеют очень высо-
кую надежность, однако существует ряд технологических огра-
ничений.
Использование тех или иных изоляционных материалов и ме-
тодов их нанесения в технологии многослойной коммуникации за-
висит от выбора материала и толщины проводников верхнего и
нижнего слоев. При выборе материала проводников в сочетании
с соответствующим диэлектриком следует учитывать эффекты
термо- и электродиффузии, которые могут иметь место при работе
схемы. Кроме того, следует принимать во внимание технологиче-
скую совместимость материалов и процессов.
Наиболее распространенные материалы тонкопленочных про-
водников, используемых в многослойной коммуникации, следую-
264
щие: Al, Au, Cu, Ta, Ag, а также комбинации Сг — Au, Сг •— А1,
Та — А1. Электрофизические свойства этих пленок и технология
их нанесения рассматривались в главах 1 и 2. Здесь же важно
отметить некоторые проблемы металлизации многослойных струк-
тур: получение надежного контакта между верхним и нижним
слоем металлизации, в месте перехода с одного слоя на другой;
получение непрерывных металлических соединений с минималь-
ным сопротивлением проводящих линий (поверхностное сопро-
тивление должно быть не более 0,010 m/Q).
Так, при исследовании пленок А1 и Au, используемых в ка-
честве проводников, установлено, что толщина верхнего провод-
ника из алюминия должна быть больше толщины проводника из
золота, по крайней мере, в 4 раза. Это позволяет при нагреве из-
бежать выпадения фаз АиА12 и AuAl, имеющих более высокие
электросопротивления, чем Au и А1. При использовании А1 и Та
в качестве нижних проводящих слоев следует учитывать возмож-
ность окисления проводников в процессе нанесения диэлектрика
и его обработки.
Это может привести к увеличенному контактному сопротивле-
нию между слоями и потенциальной ненадежности БГИС.
Для обеспечения хорошего контакта между первым и вторым
слоями алюминия разработано несколько методов. Один из методов
состоит в термической обработке после металлизации верхнего слоя
(обычно при температуре около 500° С). Улучшение контакта после
термообработки может наступить вследствие того, что алюминий
реагирует с окисью алюминия, образуя окислы другого состава
и разрушая тем самым сплошной слой диэлектрика. Кроме того,
может произойти механическое разрушение диэлектрика А12О3
при рекристаллизации обеих пленок алюминия и установление
контакта между ними.
В БГИС применяют два варианта двухслойной коммутации:
с изоляцией в местах пересечения (рис. 139), со сплошным слоем
изоляции и окнами в местах контакта верхнего и нижнего слоев
металлизации (рис. 140). Пересечение должно быть выполнено
так, чтобы паразитная емкость была минимальной. Отсюда стрем-
ление увеличивать толщину пленки диэлектрика, что, однако, при-
водит к появлению ступенек на границе окисла, угол наклона ко-
торых изменяется от тупого до острого и может затруднить полу-
чение однородного металлизирующего покрытия. Ступеньки обра-
зуются и в местах контакта верхнего и нижнего проводниковых
слоев.
Хорошее покрытие ступеньки металлом характерно для струк-
тур со сглаженными ступеньками. Это обеспечивается химической
обработкой рельефа изолирующей пленки в случае использова-
ния метода фотолитографии для вскрытия окон и расфокусирова-
ния наносимого слоя диэлектрика за счет преднамеренного не-
плотного прилегания трафарета в случае вакуумных методов на-
несения диэлектрика через маску.
2G5
Рис. 139. Двухслойная коммутация с изоляцией в местах пересечений:
д — пересечение; б — контакт; 1 — верхний слой коммутации; 2 — слой изоляции;
3 — нижний слой коммутации; 4 — диэлектрическая подложка
Рис. 140. Двухслойная коммутация со сплошным слоем изоляции и окнами в изоляции
в местах перехода со слоя на слой:
а — пересечение; б — контакт; 1 — верхний слой коммутации; 2 — слой изоляции;
3—инжний слой коммутации; 4 — диэлектрическая подложка
Целесообразно проводить и сглаживание рельефа нижнего
слоя металлизации для сглаживания рельефа изолирующей
пленки.
При нанесении диэлектрических и проводящих слоев в вакуум-
ных установках широко применяется изменение угла падения мо-
лекулярного пучка на рельефную подложку. Для этого исполь-
зуют внутрикамерные устройства, производящие напыление
с переменным углом конденсации за счет использования планетар-
ных механизмов вращения узлов подложкодержателей, которые
обеспечивают высокую равномерность толщины наносимой пленки
на всех плоских участках подложки и одновременно плавный
переход при осаждении пленки на боковые грани «ступеньки» [65 ].
С точки зрения исключения влияния ступенек наибольший ин-
терес представляют методы анодирования металлических пленок.
Пленки А12О3 и Та3О5 могут обеспечить так называемую «бессту-
пенчатую» двухслойную коммутацию.
Один из вариантов бесступенчатой двухслойной коммутации
с использованием окиси алюминия разработала фирма Сигнетик
(США) [161].
Поверхность нанесенного на подложку слоя алюминия окис-
ляют в ванне на небольшую глубину, образуя плотный окисел
А12О3 точно по рисунку нижнего коммутационного слоя
(рис. 141, а). Затем нижний коммутационный слой маскируют с по-
мощью фоторезиста через тот же фотошаблон, и те участки алю-
миния, которые при обычной технологии должны были быть страв-
лены, полностью окисляют в другой ванне. При этом вокруг ком-
мутационного слоя образуется изолирующий слой окисла А12О3
(рис. 141, б). Верхний слой коммутации, наносимый далее, обра-
зуется уже на плоском бесступенчатом основании. Перед нане-
266
сением верхнего коммутационного слоя плотному анодированию
может быть снова подвергнута вся структура, как это показано
на рис. 142, в, так что проводники нижнего слоя металлизации
будут покрыты плотным слоем изолятора как сверху, так и с боков.
В некоторых случаях изоляция А12О3 может быть усилена нане-
сением на нее пленки двуокиси кремния толщиной около 0,5 мкм.
Другой способ состоит в том, что после вытравливания окон
в диэлектрике производится электролитическое осаждение ме-
талла проводника в полученные отверстия. Осаждение произ-
водится до тех пор, пока толщина металла в отверстиях не станет
равной толщине диэлектриков. В этом случае в плоскости верхних
проводников не наблюдается ступенек и искажений рельефа [234].
Паразитная емкость в местах пересечения уменьшается не
только с увеличением толщины диэлектрика, но и при уменьшении
ширины проводников.
Однако уменьшение ширины проводников приводит к увели-
чению сопротивления. Таким образом, конструкция пересечения
является компромиссом между величиной паразитной емкости
проводников и последовательным сопротивлением каждого про-
водника.
Если эти параметры не критичны, можно использовать бес-
ступенчатую конструкцию, в которой тантал играет роль провод-
ника, а в качестве диэлектрика используется окись тантала. Если
необходимо получить малую емкость пересечений при относительно
большом сопротивлении проводников, то можно использовать
в качестве диэлектрика, например, двухслойную систему окись
тантала — двуокись кремния. Если важны обе величины, тр про-
водники лучше делать из толстых слоев алюминия или золота,
а в качестве диэлектрика применять SiO, SiO2 или другой окисел
из рассмотренных выше.
Надежность многослойных соединений зависит от ряда слу-
чайных факторов. Наиболее часто встречающиеся из них: дефекты
на фотошаблонах, используемых для фотолитографии проводящих
и диэлектрических слоев, и дефекты, возникающие из-за пыли при
проведении фотолитографических операций. При многослойной
Рис. 141. Процесс изоляции нижнего коммутационного слоя, разработанный фирмой
Сигиетик (США):
а — после сплошного анодирования; б — после общего (мягкого) анодирования; в —
после дополнительного упрочнения: / — плотный окисел А12ОЯ; 2 — коммутационный
слой А1; 3 — подложка; 4 — изолирующий слой А12О3
267
коммутации каждое микроотверстие является возможным источ-
ником замыкания между слоями, в результате чего схема ста-
новится дефектной. Замыкания между слоями могут появляться
и за счет роста холмиков на поверхности металлического слоя во
время последующей термообработки. Диэлектрик или фоторезист
не закрывают холмики, а это может привести к вытравливанию
отверстий как в металле, так и в окисле. Стеклянная изоляция
также часто растрескивается на холмиках и приводит к образова-
нию большого числа замыканий. Так как травители, используе-
мые для травления диэлектрика, часто взаимодействуют со слоем
металлизации, то весьма важен контроль за травлением окон
в диэлектрике. Неравномерность слоя диэлектрика может при-
вести к тому, что во время травления окон одни контакты ниж-
него слоя металлизации окажутся недотравленными, а другие —
нарушенными вследствие перетравливания. И в том, и в другом
случае возможен обрыв цепи.
Рассмотрим конструктивно-технологические особенности не-
которых вариантов многослойных тонкопленочных структур.
Одна из наиболее распространенных структур: алюминий с под-
слоем хрома — проводящий слой и моноокись кремния, получен-
ная термовакуумным испарением, — изоляционный слой.
Возможны несколько схем технологического процесса для со-
здания такой структуры.
1. Последовательное вакуумное напыление через трафареты
нижнего слоя металлизации, изоляции и верхнего слоя металли-
зации.
2. Последовательное напыление нижнего слоя металлизации,
изоляции и верхнего слоя металлизации сплошными слоями
с последующей фотолитографией путем селективного трав-
ления.
3. Напыление сплошного нижнего слоя металлизации с после-
дующей фотолитографией и затем напыление изоляционного слоя
и верхнего слоя металлизации через трафарет.
Первая схема технологична, так как может быть осуществлена
в едином цикле на многооперационной вакуумной установке без
разгерметизации, что значительно улучшает качество и надеж-
ность пленок. Однако этот метод ограничивает разрешающую
способность последующей коммутации (т. е. ограничивает мини-
мальную ширину линии и минимальное расстояние между ними).
При этом методе достигнуты предельные значения по ширине
линии и по расстоянию между ними в 100 мкм. Кроме того, для
вакуумного напыления по этому методу требуется достаточно
дорогой комплект прецизионных трафаретов. Для некоторых
сложных слоев коммутации изготовление трафарета вообще не-
возможно. И, наконец, серьезные ограничения на коммутацию
накладывают возможности совмещения слоев при замкнутом цикле
напыления, учитывая различные температуры подложки при на-
пылении Сг, А1 и SiO (при напылении структуры проводник —
268
изолятор — проводник в современных конструкциях установок
трудно обеспечить точность совмещения лучше —50 мкм).
Вторая схема практически свободна от всех недостатков пер-
вой. Ее характеризуют высокие точности совмещения (до долей
микрометра) и высокая разрешающая способность (ширина линий
и расстояние между ними до нескольких микрометров). Однако,
осуществление этого метода в настоящее время затруднено из-за
сложности травления диэлектрика. В связи с этим, очевидно,
целесообразно использование третьего варианта, при котором
нижний слой металлизации изготавливается методом фотолито-
графии, а напыление изоляционного и верхнего проводящего слоя
производится через сравнительно простые трафареты. При этом
наиболее сложный коммутационный рисунок переносится в ниж-
ний слой, а в верхнем остаются лишь перемычки из проводников
в виде полосок (рис. 142).
Изоляция из SiO используется также в БГИС, в которых одно-
временно с многослойной коммутацией формируются контактные
выступы из меди (рис. 143) для монтажа бескорпусных интеграль-
ных схем без выводов. Технология изготовления таких БГИС
заключается в следующем.
На неподогретую подложку напыляют: хром (0,1 мкм), затем
слой алюминия (1 мкм), слой хрома (0,1 мкм) и слой меди «5 мкм).
Хром обеспечивает хорошую адгезию проводников к подложке,
алюминий служит проводником, второй слой хрома предотвращает
коррозию алюминия при непосредственном контакте с верхним
слоем меди, из которого изготавливаются контактные выступы.
Медь обеспечивает хорошее облуживание выступов путем по-
гружения в расплавленный припой. Селективная фотолитография
для создания контактных выступов осуществляется с помощью
позитивного фоторезиста ФГ1-383. В качестве травителя меди
269
используют смесь из уксусной, ортофосфорной и азотной кислот,
причем за счет подтравливания выступы получают форму трапе-
ции с высокой равномерностью по высоте.
Фотолитография коммутационного слоя осуществляется пу-
тем использования фоторезиста ФР-200 (на основе резольной смолы)
и травителей: серной кислоты для хрома и щелочного травителя
для алюминия. Минимальная ширина линий нижнего коммута-
ционного слоя и расстояние между ними составляют 50 мкм.
Нанесение диэлектрического слоя моноокиси кремния толщи-
ной 3—4 мкм осуществляется вакуумным испарением через маски
на неподогретую подложку.
Верхний слой коммутации в виде переходных мостиков из
алюминия с подслоем хрома также напыляется на неподогретую
подложку через маски.
Нанесение слоев на подложку без ее подогрева, помимо сокра-
щения длительности цикла, позволяет получить высокую точность
совмещения слоев (до =tl0 мкм).
По этой технологии были получены коммутационные платы
БГИС с 533 пересечениями, со 160 контактами первого и второго
слоев коммутации при выходе годных плат 30—50% [53].
Один из основных дефектов структуры А1—SiO—Al заклю-
чается в возможном появлении микротрещин в проводниках и ди-
электрической пленке. Исследования показали, что плотность
микротрещин в SiO на пленке алюминия значительно больше,
чем в SiO на подложке. Количество микротрещин увеличивается
с увеличением толщины диэлектрической пленки. Предполагается,
что появление сквозных отверстий в алюминиевой пленке и
микротрещин в диэлектрике обусловлено внутренними напряже-
ниями, возникающими при термообработке [141].
В другом варианте БГИС используется многослойная струк-
тура: алюминий в качестве нижнего коммутационного слоя, ком-
позиционный диэлектрик SiO2—Si—Si—SiO2 для изоляционного
слоя и структура ванадий—медь (с оловом в месте контакта) для
верхнего коммутационного слоя.
В технологический процесс создания такой структуры входят
следующие операции: термовакуумное напыление алюминия; фото-
литография нижнего коммутационного слоя; нанесение SiO2 мето-
дом пиролитического окисления кремнийорганических соединений
при температуре 500° С (толщина слоя 0,2 мкм); напыление крем-
ния ионно-плазменным распылением в среде аргона (толщина
слоя 1,2 мкм); фотолитография кремния; повторное напыление
кремния (толщина слоя 1,2 мкм); повторная фотолитография крем-
ния; повторное нанесение слоя SiO2 (толщина слоя 0,2 мкм);
фотолитография по двум слоям SiO2.
Композиционный диэлектрик SiO2—Si—Si—SiO2 обеспечи-
вает высокий процент выхода годных плат по пересечениям и не-
разрывность линий верхнего коммутационного слоя за счет исклю-
чения ступенек в окнах изолятора для контактирования верхнего
270
и нижнего слоя. Это достигается тем, что слои SiO2 и Si травят
в разных травителях (травитель для кремния взаимодействует
с окислом в 6—10 раз медленнее, а травитель для окисла слабо
взаимодействует с кремнием). Травление контактных окон про-
водится в два приема: сначала вытравливается кремний, а после
нанесения второго слоя формируются окна в обоих слоях SiO2
до нижнего слоя алюминия.
В связи с тем, что для верхнего коммутационного слоя исполь-
зуют медь, на которую затем в месте контактов требуется нанести
олово для контактирования с шариковыми выводами ИС, на медь
напыляют тонкий слой ванадия, предохраняющий медь от окис-
ления.
После напыления меди и ванадия производится нанесение фото-
резиста и образование в нем окон, в которых стравливается вана-
дий и производится электрохимическое осаждение олова.
Процесс создания многослойной коммутации этого типа БГИС
заканчивается снятием фоторезиста и фотолитографией верхнего
коммутационного слоя V + Си.
Процент выхода годных плат по этой технологии достигает
30—40%.
Третий вариант многослойной коммутации предполагает ис-
пользование для верхнего и нижнего слоев коммутации алюминия,
осажденного термическим вакуумным испарением, а для изоля-
ции — слой SiO2 толщиной 1,5—2 мкм, полученный методом высо-
кочастотного распыления при температуре подложки 100° С. Ско-
рость напыления составляет 100 А/мин при напряжении 1 кВ и ча-
стоте 13,56 МГц.
При этой технологии число закороченных соединений дости-
гает 5%. Они могут быть «залечены» импульсом тока или же пере-
резаны лучом лазера и вновь смонтированы с помощью пере-
мычек.
Этот вариант БГИС привлекает своей простотой и может быть
применен в мелкосерийном производстве для выпуска небольшой
партии изделий.
Интересен вариант коммутационной платы БГИС, в которой
в качестве изоляционного слоя используется стекло марки ФП
(—44—15 мкм), наносимое на ситалловую подложку методом се-
диментации. В связи с тем, что при оплавлении стекла требуется
высокая температура и окислительная среда, в качестве нижнего
слоя коммутации используется пленка золота, получаемая мето-
дом термовакуумного напыления. Верхний слой коммутации из
меди имеет повышенную толщину (до 10 мкм) для разводки в нем
схем питания, наиболее критичных к величине сопротивления.
Перед напылением меди края окон в стекле оплавляют для умень-
шения влияния ступенек.
Толстый слой меди может быть получен методом термовакуум-
ного напыления с последующим гальваническим наращиванием.
В последнее время отработана технология напыления толстых
271
слоев меди. Поскольку медь быстро окисляется, ее защи-
щают серебром для облегчения последующего контактирова-
ния.
Такой конструктивно-технологический вариант БГИС при от-
носительной простоте технологического процесса обеспечивает
получение многослойной коммутации с хорошими техническими
данными.
В усовершенствованном варианте этого типа БГИС еще один
слой проводников наносится на обратную сторону ситалловой
подложки.
Переходы между слоями, нанесенными на обе стороны под-
ложки, осуществляются гальваническим заращиванием отверстий,
полученных лазерной или электронно-лучевой прошивкой. Воз-
можен и еще более технологичный метод получения переходов
в ситалловой подложке. Если на обратную сторону подложки на-
нести слой металлической фольги, то при электронно-лучевой про-
шивке металл реиспаряется и заращивает отверстие. Такой метод
особенно эффективен при использовании электронно-лучевой уста-
новки с программным управлением, что обеспечивает более легкий
переход на новую схему коммутации. Эта технология отличается
высокой плотностью коммутации и низкой удельной емкостью
межслойной изоляции.
Все рассмотренные выше варианты технологических процессов
создания коммутационных плат БГИС не учитывали возмож-
ность нанесения пассивных элементов схемы одновременно с много-
слойной коммутацией.
С этой точки зрения рассмотрим вариант БГИС, в котором
в качестве изоляции использован полимерный лак ПАК-1.
На ситалловую подложку за один технологический цикл оса-
ждают два сплошных слоя: резистивный и проводящий (резистив-
ный слой, например, из сплавов РС-3001 или РС-3710, проводя-
щий — из золота с подслоем хрома). После проведения фотолито-
графии и получения резисторов и первого слоя коммутации на-
носят на центрифуге слой полимерного лака в 2 мкм с последую-
щей полимеризацией его при температуре 200° С. Второй слой
коммутации из алюминия наносят также методом термовакуум-
ного напыления и фотолитографии.
Соединение верхнего и нижнего слоев происходит через вы-
травленные окна в слое полиимида.
При напылении алюминия используется подслой Ti или V
толщиной 500—1000 А. Тонкая пленка подслоя обеспечивает вы-
сокую адгезию пленки А1 и защищает от образования интерметал-
лического соединения Au с А1 в местах переходов при эксплуата-
ции БГИС в условиях повышенных температур.
Слой А1 толщиной около 0,7 мкм обеспечивает удельное со-
противление ^0,05 Ом/П, однако возможность образования тре-
щин на ступеньках, образуемых слоем лака в 2 мкм, приводит
к необходимости увеличивать слой металла до 2—3 мкм.
272
В модернизированном варианте такой БГИС для повышения
надежности изоляции на полиимид напыляют через маску SiO
(толщина слоя SiO 2 мкм). В этом случае, однако, возникают труд-
ности совмещения рисунков изоляционных слоев, полученных
разными методами: фотолитографией и напылением через маску.
Кроме того, с применением двойной изоляции такого типа резко
падает технологичность БГИС.
Среди наиболее часто используемых комбинаций пар диэлек-
трических материалов следует выделить окись алюминия — дву-
окись кремния, двуокись кремния — полиимид, моноокись крем-
ния — полиимид.
Рассмотрим более подробно конструкцию и технологию изго-
товления коммутационной платы такого типа, состоящей из двух
сигнальных слоев, разделенных двойным диэлектрическим слоем
моноокись кремния — полиимид.
Электрические параметры используемых в этой конструкции
материалов приведены в табл. 45. Последовательные этапы полу-
чения структуры показаны на рис. 144.
45. Параметры слоев коммутационной пленки
Слой Материал Толщина, мкм Удельное сопротивление р, Ом/П Коэффициент диэлектри- ческой проницае- мости е Удельная емкость пересечений Суд. пФ/см2
1-н сигнальный А1 5 0,005 - 1 -
Диэлектрик SiO 0,5 — 7—8 ' 10
ПАК-1 3,5 1 1 3,5—4,5
2-й сигнальный А1 j 3,5 0,009 — —
Первоначально на подложку наносят сплошную пленку, со-
стоящую из трех последовательных слоев: алюминия, моноокиси
кремния и алюминия (табл. 46, рис. 145). Рисунок первого сигналь-
ного слоя получают методом фотолитографии, причем слой моно-
окиси кремния в дальнейшем будет использоваться в качестве пер-
вого слоя составного диэлектрика, а тонкая пленка алюминия
(на рис. 144 не показана) является маской для травления моно-
окиси кремния. Основные режимы фотолитографического про-
цесса получения рисунка первого сигнального слоя приведены
в табл. 47, п. 1.
На подложку с вытравленным первым сигнальным слоем на-
носится сплошная пленка полиимидного лака ПАК-1, которая
затем частично имидизуется при температурах 140—180° С в те-
чение получаса. Поскольку используемый фоторезист ФП-383
стравливается в травителе для полиимидного лака, на подложку
18 В. Д. Гнмпельсон 273
Рис. 144. Последовательные этапы получения структуры:
/ — алюминий; 2 — моноокись кремния; 3 — полиимидный лак ПАК-1; 4 — сплошной
слой алюминия; 5 — алюминий после травления рисунка
Рис. 145. Многослойная керамическая структура:
/ — подложка с вертикальными переходными столбиками; 2 — проводники первого ком-
мутационного слоя; 3 — проводники второго коммутационного слоя; 4 — контактные
площадки и проводники иа верхней поверхности многослойной керамики
наносят тонкий сплошной слой меди, который используется в ка-
честве маски (см. п. 2 табл. 46). При второй фотолитографии про-
изводится травление полиимидного лака, затем он окончательно
имидизуется при температуре 300° С в течение 10 мин, после чего,
используя полиимидную пленку в качестве маски, стравливают
моноокись кремния с первого сигнального слоя на открытых
участках. Основные параметры фотолитографического процесса
получения диэлектрического слоя приведены в табл. 47, п. 3.
После получения рисунка диэлектрика на подложку наносят
сплошные слои алюминия, ванадия и вновь алюминия (см. п. 3
табл. 46), причем первые два слоя являются технологическими.
Слой ванадия позволяет осуществить селективное стравливание
алюминия верхнего сигнального слоя, а тонкий слой алюминия
обеспечивает травление ванадия, обычно трудно удаляемого с ди-
электрической подложки. Очевидно, что при травлении тонкого
слоя алюминия частично стравливается и материал первого сиг-
нального слоя, но, учитывая большую разницу в их толщине,
такое подтравливание вполне можно допустить.
274
46. Режимы процессов нанесения слоев коммутационной платы
Процесс Материал Толщина слоя, мкм Температу- ра, °C Время, с
be напыление Алюминий Моноокись кремния Алюминий 5 0,5 0,2 180 180 180 100—120 120—180 10
1-я имидизация Лак ПАК-1 3,5 120—180 Подъем температуры в течение 30 мин
2-е напыление Медь 0,2 180 30
Окончательная имидизация Лак ПАК-1 — 300 Подъем температуры и остывание с печью
3-е напыление Алюминий 0,2 180 10
Ванадий 0,05 180 20
Алюминий 3,5 180 80—120
Параметры процесса получения рисунка второго сигнального
слоя представлены в табл. 47, п. 3.
Относительно большое число используемых вспомогательных
слоев и операций в данном случае оправдывается необходимостью
получения малых переходных сопротивлений между обоими сиг-
нальными слоями. Выбранная последовательность операций обес-
печивает нанесение каждого последующего слоя на чистую по-
верхность, ранее не контактировавшую с фоторезистом.
В целях улучшения теплоотвода в БГИС исследуется возмож-
ность использования керамики в качестве подложки вместо си-
талла, в частности: поликора, керамики ХС-22 и т. д.
При использовании керамических подложек для многослойной
коммутации может быть использована толстопленочная техноло-
гия. В этом случае проводники получаются методом трафаретной
печати пастой состава Ag—Pd, слой диэлектрика — пастой, со-
стоящей из смеси порошка А12О3 со стеклом. Межслойные пере-
ходы могут быть получены одновременно с нанесением верхнего
слоя проводников.
Такая технология обеспечивает малое удельное сопротивление
проводников и малые паразитные емкости, но не выдерживает
жестких требований к плотности коммутации БГИС. Кроме того,
из-за недостаточной плоскостности вожженых проводников ис-
ключено применение механизированной сборки при установке
бескорпусных ИС с жесткими выводами.
Уже одно это делает толстопленочную коммутацию неперс-
пективной для большинства типов БГИС.
18* 275
276
47. Режимы процессов фотолитографии
Порядко- вый номер процесса фотолито- графии Стравливаемый материал Материал масочного слоя Состав травителя Темпера- тура, °C Время травле- ния, с Примечание
1 Алюминий (0,2 мкм) Моноокись кремния Алюминий (5 мкм) ФП-383 ФП-383 + А1 SiO Водный раствор Сг2О3 + NH4F HNO3 + HF. Водный раствор Сг2О3 + NH4F или Н3РО4 20 20 70 80 До 10 До 30 60-90 При травлении моноокиси крем- ния фоторезист ФП-383 стравли- вается, поэтому введена алю- миниевая маска
2 Медь Лак ПАК-1 Моноокись кремния ФП-383 Си ПАК-1 HNOg NaOH HNO3 + HF 20 50 20 1—2 До Ю До 30 При травлении лака ПАК-1 в NaOH фоторезист ФП-383 стравливается, поэтому введена маска из меди
3 Алюминий (3,5 мкм) Ванадий Алюминий (0,2 мкм) ФП-383 А1 -г ФП-383 V -г А1 -г ФП-383 Водный раствор Cr2O3 + nh4f HNO3. Водный раствор Cr2O3 + NH4F 20 20 20 До 60 1—5 До 30 Слой ванадия введен для исключе- ния возможности травления алюминия первого сигнального слоя; алюминий (0,2 мкм) для травления ванадия
Один из новейших методов увеличения плотности компоновки
БГИС при увеличении рассеяния тепла конструкцией схемы —
использование многослойной керамики (рис. 145).
Требования к керамическому материалу следующие:
низкая диэлектрическая проницаемость для обеспечения пере-
дачи сигнала;
хорошая теплопроводность, достаточная для отвода мощности
рассеяния;
согласованность коэффициентов термического линейного рас-
ширения керамики и кремния, позволяющая монтировать полу-
проводниковые бескорпусиые ИС непосредственно на керамику;
механическая прочность.
Кроме того, керамика должна обладать термической и хими-
ческой стойкостью в процессе дальнейшей обработки и воспроиз-
водимостью характеристик.
Наиболее подходят по этим требованиям глиноземистая и берил-
лиевая керамика.
Технология изготовления многослойной керамической платы
довольно сложна. На первом этапе из выбранного керамического
материала изготавливают гибкую пленку заданной толщины, ко-
торую разрезают на заготовки нужного размера.
Для приготовления керамической пленки используют суспен-
зию (керамический шликкер), содержащую порошкообразные ис-
ходные окислы, органический растворитель и добавки смачиваю-
щего, диспергирующего и пластифицирующего агентов.
После сушки и разрезки плат в них пробивают сквозные от-
верстия для последующей металлизации и методом трафаретной
печати наносят коммутационный слой.
Металлизация отверстий может осуществляться молибдено-
выми столбиками, выбиваемыми в местах переходов из молибде-
новой фольги с помощью специальных штампов.
Для металлизации используют тугоплавкие материалы —
молибден или вольфрам, поскольку процесс спекания глинозе-
мистой и бериллиевой керамики протекает при температуре свыше
1400° С. Толщина металлизирующего покрытия от 4 до 25 мкм.
После контроля керамических подложек с металлизацией и
межслойными переходами их складывают послойно одну на дру-
гую и нагревают. В процессе спекания улетучивается органиче-
ское связующее вещество, керамика уплотняется, образуются
контактные переходы между слоями металлизации и переходными
столбиками. Для предотвращения окисления металлов спекание
проводят в среде водорода.
Полученную таким образом слоеную конструкцию шлифуют и
полируют со стороны более толстого керамического слоя до вскры-
тия контактов, которые затем металлизируют вакуумным нанесе-
нием тонкой пленки.
Следует отметить, что применение толстопленочных материалов
для верхнего коммутационного слоя невозможно по двум причинам:
277
во-первых, для вжигания большинства толстопленочных мате-
риалов необходима окислительная среда в интервале температур
500—1000° С, что несовместимо с температурой вжигания молиб-
дена или вольфрама; во-вторых, как уже отмечалось, с помощью
толстопленочной технологии не достигается требуемая разрешаю-
щая способность разводки под жесткие выводы полупроводни-
ковых ИС.
Внедрение многослойной керамики с тонкопленочной комму-
тацией верхнего слоя для широкой номенклатуры БГИС специаль-
ного назначения, очевидно, будет ограничено из-за сложности
перестройки схемы коммутации. Кроме того, серьезным препят-
ствием является высокая стоимость многослойной керамики в связи
с низким процентом выхода годных из-за неплоскостности, короб-
ления, усадки, нарушения переходных контактов и т. д.
Более перспективным методом многослойной коммутации
БГИС, позволяющим увеличить число слоев при одновременном
повышении надежности пересечений, является использование
тонкой полиимидной пленки, на которой с двух сторон форми-
руются коммутационные слои, соединенные между собой через
металлизированные отверстия.
Нанесение проводящего покрытия из меди на полиимидную
пленку с заранее вытравленными в местах перехода отверстиями
осуществляется методом термовакуумного напыления аналогично
нанесению проводящего покрытия на ситалл. В связи с тем, что
толщина полиимидной пленки незначительна (50—60 мкм), метал-
лизация отверстия получается в процессе напыления меди на обе
стороны пленки. Рисунок проводников изготавливается посред-
ством фотолитографии. Далее на слой термически осажденной
меди наносят электрохимически медь толщиной до 10 мкм
с последующей защитой слоем из олова и висмута. Общая
толщина одного слоя коммутации на полиимидной пленке
4 мкм.
Полиимидная пленка с двухслойной коммутацией крепится на
диэлектрической подложке, имеющей пассивные элементы и двух-
или однослойную коммутацию, пайкой или сваркой к столбикам
(рис. 146). В полиимидной пленке предусматриваются отверстия
под навесные бескорпусные компоненты и ИС, которые крепятся
в этом случае на жесткую диэлектрическую подложку. Бескорпус-
ные приборы могут также крепиться на полиимидную пленку как
это показано на рис. 146.
Такая система коммутации обеспечивает стопроцентную гаран-
тию качества пересечений и переходов со слоя на слой и требует
всего лишь визуального контроля качества.
В подобной конструкции БГИС реализована схема с числом
пересечений 2000 и числом переходов с одного уровня коммута-
ции на другой —500.
При испытаниях на предельно допустимые нагрузки не наблю-
далось заметного изменения сопротивления проводников вплоть
278
Рис. 146. БГИС с применением полиимидиой пленки и тремя слоями коммутации:
1 — снталловая подложка; 2 — полинмндная пленка; 3 — металлизированное отверстие;
4 — бескорпусная интегральная схема; 5 — столбик иа первом коммутационном слое;
6 — третий слон коммутации; 7 — полимерная изоляция; 8 — второй слон коммутации
(шины питания); 9 — первый слон коммутации
до нагрузки 400 мА. Это значение тока во много раз превышает
максимально возможные токи на активных элементах.
В такой конструкции количество коммутационных слоев может
быть увеличено при склеивании полиимидных пленок с двусторон-
ней или односторонней коммутацией в гибкую многослойную кон-
струкцию, аналогичную многослойной печатной плате [591. В ка-
честве межслойных склеивающих материалов можно использовать
полиимидные пленки, покрытые с двух сторон клеем (полиэфир-
ным или эпоксидным). Переходы в этой гибкой многослойной плате
осуществляются методом сквозной металлизации отверстий с хи-
мическим осаждением меди.
С помощью полиимидных пленок может осуществляться одно-
временно монтаж бескорпусных кристаллов (см. п. 3 настоящей
главы).
Интересна перспектива применения полиимидных пленок в бу-
дущем.
Уже сейчас налажен выпуск фольгированной полиимидиой
пленки. За рубежом выпускается полиимидная пленка с резистив-
ным и фольгированным покрытием, на которой методом селектив-
ной фотолитографии могут быть сформированы как двухслойная
коммутация, так и резисторы.
Наконец, переход на гибкие пленочные коммутационные платы
облегчает серийное производство БГИС. Это связано с тем, что
гибкие материалы могут поставляться в виде рулонов, которые
удобны для применения в непрерывных технологических процес-
сах.
Одной из сложных проблем в технологии многослойной ком-
мутации любого вида является выявление закороченных пересече-
ний и разрывов цепи в местах перехода с одного слоя на другой.
Контроль осуществляется с помощью зондов через контактные
площадки. Зондирование контактных площадок, предназначен-
ных для монтажа кристаллов, нежелательно с точки зрения их
279
сохранности для последующего монтажа. Кроме того, для осуще-
ствления 100%-ного контроля коммутации необходима постоянная
перестройка зондов в связи с нерегулярностью расположения кон-
тактных площадок.
Поэтому предпочтительнее другой вариант контроля, при ко-
тором контактные площадки под монтаж кристаллов соединяют
(согласно коммутации) технологическими перемычками, в резуль-
тате чего контроль осуществляется только через внешние выводы.
При этом сокращается число проверяемых цепей (число сочетаний
выводов) и соответственно время контроля платы.
В сложных коммутационных платах БГИС трудно определить
причину отказа схемы и место дефекта в коммутации. Для разде-
ления факторов технологического процесса проектируется спе-
циальная тестовая структура, позволяющая получить достовер-
ную информацию о причине отказа и произвести корректировку
того или иного этапа технологического процесса.
3. Сборка и монтаж БГИС
Увеличение общего числа необходимых соединений в БГИС
предполагает использование новых более совершенных методов
сборки, обеспечивающих высокую надежность изделий.
Разработка новых методов сборки и монтажа идет по пути
сокращения удельного веса ручных сборочных операций и исполь-
зования групповых технологических процессов.
Параллельно исследуются и находят практическое примене-
ние несколько конструктивно-технологических направлений, ос-
нованных на предварительной ориентации подлежащих соедине-
нию выводов.
Наряду с рассмотренными в п. 2 гл. 5 методами проволочного
монтажа, также используемыми в БГИС и сохраняющими, как
будет показано ниже, некоторые свои преимущества, все более
широкое применение находят:
монтаж с помощью переходных самоподдерживающихся вы-
водных рамок (эспандеров);
монтаж с помощью балочных выводов;
монтаж методом «перевернутого кристалла» с использованием
жестких выводов.
Общие требования к материалам выводов, используемым в этих
методах, такие же, как и в методе проволочного монтажа: техно-
логичность и совместимость с материалами контактных площадок.
Назначение переходных выводных рамок (эспандеров) за-
ключается, во-первых, в создании жесткоориентированной си-
стемы выводов, и во-вторых, в согласовании шага выводов на
кристалле и на коммутационной плате (иногда этот метод назы-
вают также «паучковым» (рис. 147).
Эспандеры изготавливают из тонкого (до 0,1 мм) листового ма-
териала методом травления или штамповки.
280
Рис. 148. Моитаж с помощью балочных выводов из Au иа кристалле:
1 — кристалл; 2 — силицид платины; 3 — балочный вывод из Au; 4 — нитрид кремния;
5 — платина; 6 — титан; 8 — золотая контактная площадка на подложке
Рис. 147. Монтаж кристаллов с помощью эспандеров:
1 — подложка; 2 — контактные площадки на подложке; 3 — кристалл; 4 — контактные
площадки на кристалле; 5 — эспандер
Материалами для изготовления эспандеров служат медь, ко-
вар, алюминий, молибден с покрытием из золота, никеля или
припоя.
В зависимости от метода изготовления эспандера ширина выво-
дов может быть от 50 до 150 мкм при шаге между выводами 100 и
250 мкм соответственно.
В одном из вариантов метода эспандера используется гибкая
лента, обеспечивающая механическую опору слабым проводни-
кам в процессе присоединения кристаллов. После присоединения
выводов к кристаллу и к подложке эта лента удаляется.
По сравнению с проволочным монтажом метод эспандера обес-
печивает механизацию операции монтажа за счет фиксированного
расположения выводов и увеличивает производительность сборки
в 20 раз [9].
К недостаткам метода следует отнести увеличение площади,
занимаемой кристаллом, и невысокую надежность за счет боль-
шого числа контактов (аналогично методу проволочного монтажа).
Одним из путей решения этой проблемы является создание так
называемых балочных (металлизированных) выводов, изготавли-
ваемых одновременно с кристаллом путем напыления на его по-
верхность слоя золота или алюминия с последующим травлением
рисунка и подтравливанием тела кристалла по периметру, в ре-
зультате чего выводы оказываются за пределами кристалла.
Балочные выводы имеют толщину до 10—12 мкм. На рис. 148
показан один из вариантов балочных выводов, осажденных элек-
тролитическим методом поверх структуры из последовательных
слоев силицида платины, титана и платины [236]. Силицид пла-
тины обеспечивает контакт с кремнием, обладающий малым пере-
ходным сопротивлением; слой титана необходим для связи пла-
тины с нитридом кремния, а платина препятствует миграции золота
в расположенную под ней структуру. Эта технология обеспечи-
вает надежный контакт между балочным выводом и контактной
площадкой кристалла, а также высокую прочность вывода.
281
Разделение пластины на отдельные кристаллы производится
методом глубинного травления через маску, образуемую фоторе-
зистом или лазерным скрайбированием. На рис. 149 показан упро-
щенный вариант балочного вывода с использованием хрома в ка-
честве подслоя под балочным выводом из золота. Хром обеспечи-
вает хорошее сцепление и с алюминием, который также можно
использовать для балочных выводов ИС. Слой алюминия в этом
случае напыляется в вакууме до толщины порядка 5—6 мкм.
Алюминиевые балочные выводы позволяют сократить контакт-
ные площадки на кристалле до ширины 5 мкм с расстоянием между
контактами 5 мкм. Практически толщина балочных выводов
сравнима с толщиной кристалла, поэтому они представляют собой
короткие и очень жесткие консоли, которые могут выдерживать
большие механические напряжения.
Существуют варианты конструкций, в которых балочные вы-
воды делают на подложке, а не на кристалле. В этом случае кри-
сталл укладывают в отверстие, вытравленное в подложке таким
образом, чтобы контактные площадки касались балочных выводов,
выступающих за края отверстия (рис. 150).
В случае использования в коммутации на полиимидиой пленке
возможен еще один вариант балочных выводов [238].
На промежуточной пленке
(рис. 151) изготавливают два
метром 25 мкм для соеди-
нения балочных выводов
с проводниками верхнего
коммутационного слоя и
балочные выводы шири-
ной 65 мкм. Кристаллы
устанавливают на диэлект-
из полиимида толщиной 25
слоя
коммутации, отверстия
мкм
диа-
Рис. 149. Монтаж с помощью балочных выводов из AI на кристалле:
1 — кристалл; 2 — нитрид кремния; 3 — тонкий слой хрома; 4 — алюминиевый балоч-
ный вывод
Рис. 150. Балочные выводы на подложке:
1 — балочный вывод иа подложке; 2 — отверстие для кристалла; 3 — коммутация на
подложке; 4 — место соединения балочного вывода с контактной площадкой на кристалле;
5 — кристалл; 6 — подложка
282
Рис. 151. Монтаж кристаллов на диэлектрической подложке с помощью балочных выводов
на полиимидной плейке с двухслойной металлизацией:
1 — диэлектрическая подложка; 2 — проводящий слой; 3 — иижиий коммутационный
слой; 4 — верхний коммутационный слой; 5 — металлизированное отверстие; 6 — поли-
имидная пленка; 7— балочный вывод; 9 — защитное покрытие; 9— кристалл; 10— поток
отводимого тепла
рическую подложку с толстым проводящим слоем, что позволяет
улучшить отвод тепла в схеме.
Методы переноса балочных выводов на подложку или на про-
межуточную плату снижают себестоимость БГИС по сравнению
с обычным вариантом балочных выводов за счет снижения стои-
мости кристаллов и увеличения процента выхода годных кри-
сталлов.
Несмотря на усложнение технологии изготовления БГИС, ме-
тод балочных выводов имеет ряд существенных достоинств.
К ним относятся:
ремонтопригодность;
прочность конструкции, не требующей дополнительных креп-
лений кристалла (если не нужен теплоотвод);
возможность одновременного присоединения всех выводов,
открывающая пути к автоматизации процесса.
Применение жестких выводов характерно для сборки методом
перевернутого кристалла, при котором кристалл монтируется на
диэлектрическую подложку лицевой стороной.
Метод перевернутого кристалла позволяет осуществить элек-
трическое и механическое соединение контактных площадок кри-
сталла и подложки при зеркальном расположении их друг отно-
сительно друга.
В качестве жестких выводов при монтаже по методу перевер-
нутого кристалла могут быть использованы специальные кон-
тактные шарики или выступы на кристалле или на подложке.
Материалы шариков и выступов и соединяемых с ними мате-
риалов контактной площадки должны быть совместимыми для
обеспечения надежных соединений пайкой или сваркой.
283
Если число контактных шариков или столбиков свыше трех, то
в процессе соединения они должны максимально деформироваться
на величину зазора (рис. 152, а)
D d+ AS + AC + АВ,
где D — зазор между выступом и контактной площадкой;
d — деформация соединения для одного из выступов;
AS — максимальная величина микронеровностей на поверх-
ности подложки со сформированной коммутацией, под-
считанная по площади кристалла (рис. 153, б);
АС — максимальная величина микронеровностей кристалла
со сформированной структурой (рис. 153, в);
АВ — максимальное отклонение размера высоты выступа.
Для обеспечения соединения и выборки зазора D возможны
два метода.
Первый метод предполагает использование сдавливания для
пластической деформации более высоких выступов с последую-
щим соединением термокомпрессией или ультразвуковой сваркой.
Второй метод основан на использовании жидкой контактной фазы,
например, эвтектических сплавов золото—кремний, свинец —
олово, золото—олово.
При использовании второго метода важно правильно выбрать
количество припоя, который заполнит полость D без замыкания
соседних выступов. В связи с различной высотой микронеровно-
стей может быть рекомендована следующая высота контактных
выступов:
для кремниевых подложек 2—2,5 мкм;
для стеклянных и ситалловых подложек 8—10 мкм;
для подложек из керамики 18—20 мкм.
Диаметр контактных выступов на кристалле обычно состав-
ляет 50—100 мкм; на подложке— 150—200 мкм.
Одним из самых распространенных вариантов метода перевер-
нутого кристалла является использование шариков припоя
(рис. 153).
Технология получения шариков на кристалле заключается
в следующем [219].
Рис, 152. Расстояние между столбиками и соответствующими контактными площадками
при монтаже методом перевернутого кристалла:
а — максимальное расстояние D; б — профиль поверхности подложек; в — профиль
поверхности кристалла; 1 — кристалл; 2 — подложка; 3 — столбик
284
Рис. 153. Шарики припоя на кристалле:
1 — припой; 2 — химический никель; 3 — напыленный никель; 4 — напыленный хром;
5 — двуокись кремния; 6 — алюминиевая металлизация; 7 — окисел иа кристалле;
8 —кристалл
Рис. 154. Шарик из облуженной меди иа кристалле*.
/ — припой ПОС-61; 2 — олово; 3 — гальваническая медь; 4 — фоторезист (удаляемый);
5 — ванадий; 6 — медь; 7 — окисел на кристалле; 8 — кристалл
Рис. 155. Столбик, полученный электролитическим осаждением золота:
/ — электролитически осажденное золото; 2 — фоторезист (удаляемый); 3 — напыленный
электрод нз золота (удаляемый); 4 — двуокись кремния; 5 — слой золота; 6 — окисел
на кристалле; 7 — кристалл
В пластине полупроводника с полностью изготовленными тран-
зисторами или интегральными схемами методом фотолитографии
всктрываются «окна» для алюминиевых контактных площадок.
Затем вакуумным испарением наносят последовательно слои хрома
и никеля толщиной по 600 А. Никель и хром удаляют между
контактными площадками и наращивают никель химическим спо-
собом до толщин в несколько микрометров. Затем никелевые кон-
тактные площадки облуживают в тигле с оловянисто-свинцовым
припоем.
В отечественной промышленности в качестве твердой основы
при формировании жестких выводов используется высаженная
электрохимическим способом медь в виде столбиков высотой
27—30 мкм. На столбики меди гальванически наносится слой
олова толщиной 3—4 мкм для улучшения смачивания меди в про-
цессе горячего лужения выводов припоем ПОС-61 (рис. 154).
В некоторых случаях на медный столбик перед лужением наносят
слой гальванического серебра. Использование меди в качестве
материала жестких выводов обусловлено небольшими внутрен-
ними напряжениями, хорошей электропроводностью, а также спо-
собностью меди обеспечивать хорошее сцепление со многими ме-
таллами. Выращивание медных столбиков производится в борфто-
ристоводородном электролите в течение 20—25мин. Средняя высота
выращиваемых за это время выводов составляет 30 мкм. Разброс
между высотой выводов на отдельном кристалле 1—2 мкм, на
пластине 2—3 мкм, между партиями пластин 3—4 мкм.
После гальванического лужения (в течение 20 мин) произ-
водят лужение в ванне припоя ПОС-61 при температуре 205—
285
Рис, 156. Алюминиевый столбик, полученный методом напыления:
1 — напыленный алюминий; 2 — двуокись кремния; 3 — алюминиевая
металлизация; 4 — окисел на кристалле
Рис. 157. Медный шарик в качестве вывода полупроводниковых приборов
и ИС:
1 — медный шарик; 2 — никель; 3 — золото; 4 — припой свинец-
олово; 5 — золото; 6 — медь; 7 — хром; 8 — эвтектика алюминий-
кремний; 9 — окисел кремния; 10 — кристалл
210° С (в течение 5 с). В качестве флюса применяют 3%-ный рас-
твор H2SO4 в глицерине.
В некоторых конструкциях ИС используют золотые столбики.
Для электролитического осаждения золота на золотую металли-
зацию напыляют слой золота, соединяющий все контактные пло-
щадки и являющийся временным электродом (рис. 155).
Временный электрод из золота стравливается без применения
фоторезиста, так как его толщина всего 1 мкм, а высота наращен-
ных столбиков значительно больше.
Наиболее проста технология создания алюминиевых выводов
(рис. 156). Алюминий напыляют на алюминиевую металлизацию
кристалла. Для обеспечения хорошего низкоомного контакта
между слоями алюминия необходимо разрушить окисную пленку.
Это делается до или во время процесса напыления.
Некоторые фирмы за рубежом применяют для жестких выводов
кристалла медные шарики размером 0,125 ± 0,0025 мкм, на ко-
торые гальваническим методом наносят никель и золото (рис. 157).
Технология этого варианта следующая.
На эвтектику А1—Si, образованную в окнах слоя окисла кри-
сталла, катодным напылением через трафарет последовательно
наносят Сг, Си и А1 (Сг— 1500 А; Си — 6000 А; А1 — 1000 А),
а затем методом окунания — толстый слой оловянисто-свинцо-
вого припоя. Вплавление медных шариков в припой происходит
в печи с контролируемой атмосферой водорода.
Разработана также технология жестких выводов с использо-
ванием шариков из серебра (рис. 158). При этом методе шарики
из серебра устанавливают на контактные площадки слоя металли-
зации с помощью серебряно-оловянистого припоя, имеющего тем-
пературу плавления 217° С.
286
Контактные столбики могут быть йзгоТойлёны и на йодложкё.
В этом случае методом перевернутого кристалла могут быть смон-
тированы практически все планарные приборы и ИС. При этом
стоимость их изготовления не повышается, как это происходит
в случае использования жестких выводов.
Чаще всего для столбиков на подложке используют электро-
химическое осаждение золота (рис. 159) или меди.
В слое тонкопленочной колшутации нитрид тантала — молиб-
ден — золото, защищенном фоторезистом, вскрываются окна над
контактными участками. Далее термическим испарением или ка-
тодным распылением наносится электрод из золота. С помощью
второго слоя фоторезиста вскрываются участки, на которых будет
происходить электролитическое осаждение золота.
Технология электролитического выращивания столбиков из
меди достаточно проста. На подложку напыляют медь с подслоем
хрома. Затем наносят фоторезист, в котором обнажают места,
где должны быть выступы. После этого подложку помещают в ванну
для гальванического наращивания выводов из меди. Затем на
них осаждают золото или сплав никель—золото толщиной
25—50 мкм.
Одно из преимуществ монтажа методом перевернутого кри-
сталла заключается в том, что отпадает необходимость проведения
операций присоединения кристалла к подложке =— они здесь осу-
ществляются непосредственно в процессе контактирования.
Для присоединения выводов кристалла к плате при монтаже
методом перевернутого кристалла чаще всего используют ультра-
звуковую сварку, термокомпрессию и пайку.
При ультразвуковой сварке оптимальные параметры процесса
(сила прижатия, длительность и амплитуда импульса) опреде-
ляются, с одной стороны, характеристиками самого кристалла,
с другой стороны, характе-
ристиками шарика или стол-
jy бика. Присоединение боль-
Рнс. 158. Серебряный шарик в качестве вывода полу проводниковых приборов и ИС:
] — серебряио-оловянистый припой; 2— серебряный шарик; 3 — напыленное стекло;
4 — хром—золото; 5 — алюминий; 6 — окисел на кристалле
Рис. 159. Столбики, полученные электролитическим осаждением золота иа стеклянных
подложках с золотой металлизацией:
1 — столбик из золота; 2 — промежуточный электрод из золота; 3 — первоначально
осажденное золото; 4 — молибден; 5 — нитрид тантала; 6—диэлектрическая подложка
287
Ших кристаллов с несколькими столбиками требует Приме-
нения более высоких значений ультразвуковой мощности и
сжимающих усилий для обеспечения достаточных деформа-
ций шариков и столбиков. Однако следует учитывать, что избы-
точная сила сжатия может привести к разрушению кристалла.
Ультразвуковая сварка используется для соединения алюминие-
вых столбиков и контактных площадок. Соединения, полученные
ультразвуковой сваркой, настолько прочны, что при удалении
кристалла вместе с ним отрывается контактная площадка (проч-
ность на разрыв составляет 20—40 гс на одну контактную пло-
щадку) 127, 134].
Для систем золото—золото целесообразно использование
термокомпрессии. В связи с высокой температурой при термоком-
прессии (около 400° С) требуется хорошее совпадение коэффициен-
тов теплового расширения кристаллов и подложки, которые
должны быть нагреты примерно до одной и той же температуры
во избежание отрыва кристалла из-за возникающих термических
напряжений. Для уравнивания теплового расширения исполь-
зуется ступенчатый нагрев кристалла и подложки.
Преимущества ультразвуковой сварки и термокомпрессии наи-
более полно проявляются при их совместном использовании. На-
гревание уменьшает энергию, требуемую для ультразвуковой
сварки, а применение слабых ультразвуковых колебаний снижает
температуру термокомпрессии и обеспечивает разрушение окис-
ных слоев в месте контакта.
Пайка целесообразна для групповых методов сборки, при ис-
пользовании общего нагрева. Особенно эффективна пайка в слу-
чае, когда контактные выступы на кристалле изготовлены с при-
менением припоя. Луженые контактные площадки подложки окру-
жают материалом, не поддающимся лужению, в результате чего
поверхностное натяжение расплавленного припоя поднимает кри-
сталл над подложкой и обеспечивает надежные пластичные спаи.
Пайку чаще всего проводят в среде инертного газа, что позволяет
обеспечить бесфлюсовое соединение. При пайке требуются го-
раздо меньшие температуры нагрева, чем при термокомпрессии,
что упрощает проблемы теплового расширения.
Недостатки паяных соединений общеизвестны. Однако в дан-
ном случае они компенсируются легкостью удаления и замены
кристалла, например, при использовании технологии двухступен-
чатой пайки (приплавление и вплавление с образованием высоко-
температурной фазы после контроля схемы).
При монтаже кристаллов методом эспандера первой операцией
сборки является присоединение кристалла к диэлектрической
подложке.
Для присоединения кристалла широко применяются следую-
щие методы: эвтектическая пайка, пайка мягкими припоями, при-
клеивание эпоксидным компаундом, токопроводящим или тепло-
проводным клеем. Используемый метод должен обеспечить: высо-
288
Кую Надежность и высокую механическую прочность соединения,
хороший тепловой контакт кристалла с подложкой.
В некоторых случаях требуется надежная электрическая изо-
ляция между кристаллом и подложкой, в других, наоборот, низко-
омный контакт и хороший теплоотвод.
При использовании метода эвтектической пайки подложку
с кристаллом нагревают в атмосфере инертного газа или на воздухе
до температуры образования эвтектики. Эвтектическое соединение
образуется за счет контактного плавления соединяемых поверх-
ностей под действием температуры, давления и вибрации. В про-
цессе соединения контролируются давление, частота и амплитуда
ультразвуковых колебаний, температура и время пайки.
При недостаточной толщине пленки золота на подложке для
увеличения механической прочности между кристаллом и подлож-
кой помещают таблетку из эвтектических сплавов или прокладку
из золота, способствующую смачиванию соединяющихся поверх-
ностей.
Присоединение кристалла с помощью таблетки мягкого при-
поя с высоким содержанием стекла производится при температуре
около 300° С. Основное достоинство этого метода — универсаль-
ность по отношению к материалам. Обратная сторона кристалла
может иметь металлизированный слой из тонких пленок хрома и
серебра, хрома и никеля, алюминия и никеля и др. Металлизиро-
ванный слой на подложке может быть из никеля, золота, меди.
Присоединение кристалла при помощи стекла ограничено приме-
нением керамических подложек, так как температура процесса
находится в пределах 500—600° С.
На рис. 160 показан инструмент для установки кристалла на
подложку, который обеспечивает точный захват кристалла, пре-
цизионную установку и передачу ультразвуковых колебаний
в зону сварки. Инструмент имеет центральное отверстие вакуум-
много присоса и углубление в виде обратной пирамиды.
Кристалл захватывается вакуумным присосом и центрируется
при монтаже наклонными рабочими площадками. Конструкция
сварочного инструмента рассчитывается таким образом, чтобы
половина толщины кристалла выступала из-под торца инстру-
мента. Все рабочие элементы наконечника определяются раз-
мерами присоединяемого кристалла [150]. Такой инструмент ис-
пользуется и для монтажа кристаллов с шариковыми выводами.
Для монтажа кристаллов с помощью эспандера и балочных
выводов принципиально возможно использование тех же устано-
вок для термокомпрессии, ультразвуковой сварки и сварки кос-
венным импульсным нагревом, что и для проволочного монтажа
(рис. 161). Различие будет лишь в виде сварочного инструмента.
Для монтажа кристаллов с балочными выводами широко при-
меняется инструмент с плоской рабочей площадкой, имеющий
прямоугольное углубление для кристалла. Однако качество сварки
при одновременном присоединении всех выводов таким инстру-
19 В. Д. Гимпельсои 289
Мёнтдм сйлЬнб зависит от НараллёльйбсТй инструмента и под-
ложки, от разнотолщинности в виде качающегося сектора
(рис. 162). Сварка этим инструментом производится обкаткой вы-
водов, расположенных с двух сторон кристалла.
Разработан также метод монтажа кристаллов с балочными вы-
водами сваркой через легко деформируемую прокладку (рис. 163).
При этом методе сварка обеспечивается путем подачи стабиль-
ных тепловых и механических импульсов энергии, контроль сте-
пени деформации балочных выводов производится автомати-
чески, сварочный инструмент имеет плоскую рабочую площадку.
При сварке через деформируемую прокладку отпадает необходи-
мость в точном контроле таких параметров, как усилие присоеди-
нения и время сварки. Температура в зоне сварки при этом ме-
тоде находится в пределах 225—275° С.
Основные требования к автоматизированному оборудованию
для монтажа кристаллов на плате следующие:
процесс подачи кристалла и установки его на плату должен
быть автоматизирован;
должно быть предусмотрено точное совмещение контактов кри-
сталла и подложки;
установка должна обеспечить прижим кристалла к подложке
и передачу кристаллу усилия, требуемого при термокомпрессии
или ультразвуковой сварке;
установка должна обеспечивать высокую производительность
операций.
Одна из сложнейших операций при монтаже по методу пере-
вернутого кристалла — совмещение контактов кристалла и под-
ложки. В оптических системах, разработанных для этой операции,
используют, как правило, полупрозрачное зеркало и стереомикро-
скоп, чтобы при совмещении иметь налагающиеся друг на друга
изображения кристалла и подложки.
В системе фирмы Хуге (США) кристаллы помещаются на осно-
вание держателя — стекло с зеркальной поверхностью.
С помощью микроманипулятора изображение кристалла уста-
навливают в определенное место сетки микроскопа. Затем при по-
мощи вакуумной присоски захватывают кристалл и фиксируют его
в определенном положении. В тот же участок сетки микроскопа
подводят изображение контактируемой части подложки, на кото-
рую опускают монтируемый кристалл. Точность совмещения по
этому методу — 25 мкм. В некоторых системах кристалл устана-
вливают непосредственно над подложкой (рис. 164).
На нижней поверхности стеклянного держателя подложки на-
несено полупрозрачное зеркальное покрытие, с помощью которого
в микроскоп одновременно наблюдается подложка и лицевая
сторона кристалла. После предварительного совмещения кри-
сталл удерживается с помощью вакуумного присоса, держатель
убирается и кристалл опускается на подложку для окончатель-
ного совмещения.
290
Рис. 160. Инструмент для присоединения кристаллов:
d — диаметр отверстия для вакуума; Л, В, С — размеры кристалла
Рис. 161. Монтаж кристаллов с балочными выводами:
/ — балочный вывод; 2 — нагретый сварочный инструмент; 3 — металлизированная
контактная площадка; 4 — подложка; 5 — кристалл
Рис. 162. Секторный инструмент для монтажа кристаллов с балочными выводами:
/ — инструмент; 2 — кристалл; 3 — балочный вывод; 4 — подложка; 5 — контактная
площадка
Рнс. 163. Монтаж кристаллов с балочными выводами через деформированную прокладку:
1 — инструмент; 2 — кристалл; 3 — плата; 4 — балочный вывод; 5 — контактная пло-
щадка иа плате; 6 — пластичная прокладка
Обе последние схемы имеют существенные недостатки. Во-пер-
вых, механизмы перемещения присоски и держателя вносят до-
полнительные погрешности и могут привести к несовмещению при
окончательных перемещениях. Во-вторых, при нагреве полупро-
зрачного зеркала от нагревателя подложки искажается изображе-
ние. В ряде систем предпринята попытка исключить эти недо-
статки путем отвода зеркала в сторону, когда кристалл и под-
ложка просматриваются под углом (рис. 165). Однако и здесь
возникают ошибки, связанные с восприятием изображения в перс-
пективе, что также усложняет совмещение.
19* 291
Рис. 164. Схема установки для монтажа методом перевернутого кристалла (фирма «Аксьон»,
США):
1 — микроскоп; 2 — инструмент с вакуумной присоской; 3 — кристалл; 4 — полупро-
зрачное зеркало; 5 — контактная площадка; 6 — подложка
Рис. 165. Схема установки для монтажа методом перевернутого кристалла (фирма <Хугле>);
1 — сварочный инструмент с вакуумной присоской; 2 — кристалл; 3 — стекло; 4 —
полупрозрачное зеркало; 5 — держатель подложки; 6 — подложка; 7 — микроскоп
Рис. 166. Схема установки для монтажа методом перевернутого кристалла:
1 — оптический шаблон; 2 — микроскоп; 3 — ход лучен прн совмещении лицевой стороны
кристалла и шаблона; 4 — ход лучей при совмещении шкалы микроскопа с шаблоном;
5 — рабочий инструмент; 6 — кристалл; 7 — зеркальная площадка; 8 — верхнее стекло;
9 — микросхема; 10 — нижнее стекло; // — кольцо; 12 — кронштейн; 13 — рабочий
столик установки
Рис. 167. Схема работы автоматической установки для монтажа методом перевернутого
кристалла:
I — рабочий инструмент с вакуумной присоской; 2 — кристалл; 3 — кассета с кристал-
лами; 4 — держатель подложки; 5 — подложка
На рис. 166 показана установка, в которой использована пер-
вая и вторая схемы совмещения. Особенность установки состоит
в том, что места контактирования кристалла и подложки совме-
щают в поле некоторого оптического шаблона микроскопа.
В некоторых системах призмы, установленные между подлож-
кой и кристаллом, обеспечивают одновременный обзор контактов
на кристалле и на подложке. Оператор через бинокулярный объ-
ектив видит оба изображения наложенными одно на другое.
Одна из двух призм покрыта полупрозрачным слоем серебра, бла-
годаря чему она воспринимает изображение с двух сторон. Свет
подается на кристалл и подложку с помощью волоконных светово-
дов. При такой оптической схеме не имеет значения—прозрачная
подложка или нет.
Помимо оптических систем рассматривается также возмож-
ность использования инфракрасной техники. Поскольку большин-
ство полупроводниковых материалов прозрачно для инфракрас-
ных лучей, а металлы (контакты на кристалле и на подложке)
инфракрасные лучи не пропускают, последние, будучи преобра-
зованы в видимую часть спектра, позволяют наблюдать в инфра-
красный микроскоп картину, обеспечивающую надежное совме-
щение.
В инфракрасном микроскопе при длине волны инфракрасного
источника света в 1 мкм все металлические участки будут чер-
ными на зеленом поле подложки (длина волны зеленого цвета
0,5 мкм получается за счет преобразователя, встроенного в ми-
кроскоп). Сохранение ориентации кристалла и подложки после
их совмещения обеспечивается специальной системой, работающей
в автоматическом режиме.
Схема такой установки
показана на рис. 167.
Захваченный вакуумной
присоской кристалл опус-
кается на подложку и к нему
прикладывается усилие для
первоначальной деформации
контактных выступов. Затем
усилие на инструменте умень-
шается до требуемого и с по-
Рис. 168. Совмещение выводов крис-
талла и контактных площадок подложки
при монтаже методом перевернутого
кристалла:
а — относительное расположение круг-
лых выводов ИС и квадратных площа-
док на подложке; б — ориентация
кристаллов по центрирующему отвер-
стию; в — поле допусков на размеры
кристалла и отверстия; г — ориентация
кристаллов по граням в упор
293
мощью ультразвуковой сварки происходит соединение. После
этого сварочная головка поднимается, поворачивается, захваты-
вает следующий кристалл и цикл повторяется.
Точность совмещения кристалла на подложке при монтаже
методом перевернутого кристалла (рис. 168, а) зависит от типа
ориентирующей системы [22].
При ориентации кристалла по центрирующему отверстию
(рис. 168, б) максимальное смещение оси кристалла относительно
оси фильеры (рис. 168, в)
(r + U
где Д — поле допуска на размер стороны кристалла а\
Аг— поле допуска на размер отверстия Ь.
При ориентации кристалла по граням в угловой упор
(рис. 168, г) максимальное смещение оси кристалла
л _д
Совмещение можно считать удовлетворительным, если сумма
погрешностей всех элементов меньше величины допустимого
смещения, т. е.
£ 6Z<6.
За основное условие совмещаемое™ можно принять макси-
мальное смещение вывода кристалла за пределы контактной пло-
щадки подложки, которое не должно превышать 0,2 диаметра
вывода кристалла. Тогда допуск на точность совмещения при
условии d S будет
6= ± (^- + 0,2d),
где d — диаметр вывода кристалла;
S — размер стороны контактной площадки на подложке.
На точность совмещения влияют следующие погрешности и
допуски:
— погрешность центрирующего устройства;
6 2 — допуск на смещение осей выводов относительно сторон
кристалла;
63 — точность установки центрирующей системы относительно
реперного знака системы наблюдения;
64 — точность совмещения контактных площадок подложки
с реперным знаком;
65 — ошибка шага выводов с на кристалле;
66 — ошибка шага контактных площадок на подложке;
67 — допуск на размер выводов;
68 — допуск на размер контактных площадок.
294
Суммарная погрешность определяется как сумма случайных
(61, 62, 64, б7, 68) и систематических (63, 65, 66) ошибок:
+ Xl ^сист*
Одной из важнейших проблем, которую приходится решать
при проектировании и изготовлении больших гибридных инте-
гральных схем, является отвод тепла. В схемах с балочными вы-
водами, эспандерами или жесткими выводами тепло рассеивается
в основном через выводы. Для улучшения рассеивания тепла
возможно применение теплоотводов.
Исследования показали, что тепловое сопротивление столби-
ков и шариков незначительно. Тепловое сопротивление балоч-
ного вывода выше. Для снижения теплового сопротивления при
установке кристаллов на ситалловые подложки диаметр шариков
и столбиков или сечение балочных выводов следует делать по воз-
можности большими.
В табл. 48 дано сравнение технических характеристик различ-
ных методов монтажа в БГИС.
Выше отмечалось, что, несмотря на преимущества балочных
выводов, эспандеров и жестких выводов, проволочный монтаж
все еще имеет большое распространение в БГИС. Это связано,
во-первых, с тем, что далеко не вся номенклатура бескорпусных
приборов и ИС выпускается с балочными и жесткими выводами.
Во-вторых, приближение выводов к кристаллу в ряде схем резко
усложняет топологию коммутационной подложки и приводит
к необходимости многослойной коммутации там, где можно было
бы обойтись двухслойной.
Тем не менее, использование методов беспроволочного мон-
тажа, рассмотренных выше, — это реальный путь к полной авто-
матизации изготовления ИС вообще и БГИС, в частности.
Проблема корпусов и методов их герметизации является
одной из важнейших при создании надежных БИС.
Для однокристальных БИС в зарубежной и отечественной
промышленности наибольшее распространение получили керами-
ческие и металлокерамические корпуса. Опыт разработки и при-
менения этих корпусов свидетельствует, в первую очередь, о вы-
сокой стоимости корпусов по сравнению со стоимостью кристалла.
Отсюда возникает тенденция к разработке более дешевых пласт-
массовых корпусов, которые к сожалению не всегда обеспечивают
требуемую герметичность.
Керамические, металлокерамические и пластмассовые корпуса
для однокристальных БИС в связи с увеличением площади под
кристалл и увеличением количества выводов оказались весьма
трудоемкими. Кроме того, размещение одного кристалла, напри-
мер, размером 5x5 мм в корпусе длиной 50 мм весьма нерацио-
нально. Разработчики считают перспективным создание корпусов,
рассчитанных на размещение многокристальных БИС. В этом
направлении ведутся интенсивные работы.
295
48. Сравнительные характеристики методов монтажа БГИС
Показатель Характеристики методов монтажа
с проволочными межсоединениями с балочными выводами с помощью эспандеров Монтаж перевернутого кристалла с выступами (столбиками или шариками)
на кристалле | на подложке
Технологичность изготовле- ния бескорпусного при- бора и ИС Высокая Низкая Высокая Низкая Высокая
Необходимость выполнения промежуточных соедине- ний Да Нет Да Нет Нет
Технологичность монтажа Высокая Низкая Низкая Высокая Высокая
Способ монтажа Сварка УЗ; им- пульсный на- грев Сварка УЗ; тер- мокомпрессион- ный импульс- ный нагрев Сварка УЗ, тер- мокомпрессия, импульсный нагрев Импульсная пай- ка, сварка УЗ, термокомпрес- сия Импульсная пай- ка, сварка УЗ, термокомпрес- сия
Степень автоматизации Частичная Возможна пол- ная Полная Полная Возможна полная
Возможность контроля ка- чества соединений Возможен Возможен Возможен Затруднен Затруднен
Стоимость сборки Высокая Низкая Средняя Низкая Низкая
Ремонтопригодность Плохая Плохая Плохая Хорошая Плохая
Термосопротивление Очень высокое Низкое Низкое Среднее Среднее
1002
Продолжение табл. 48
о
Показатель Характеристики методов монтажа
с проволочными межсоединениями с балочными выводами с помощью эспандеров Монтаж перевернутого кристалла с выступами (столбиками или шариками)
на кристалле | на подложке
Плотность расположения Высокая Высокая Высокая Средняя Средняя
Шаг выводов, мм 0,125 0,2 0,125 0,25 0,2
Применяемость:
с толстыми пленками Да Нет Нет Нет Нет
с тонкими пленками Да Да Да Да Да
Термическое соответствие подложке Плохое Упругое соедине- ние Упругое соедине- ние Полуупругое со- единение Плохое
Применяемые материалы: контактных площадок или выводов пол у- проводниковых при- боров Алюминий, золо- то Золото, алюми- ний Медь с никелем; молибден золо- ченый; ковар золоченый Медь облужен- ная, припой, золото, алюми- ний, серебро Алюминий, золото
контактных площадок или выступов на под- ложке Золото, алюми- ний, серебро с палладием, медь никели- рованная Золото Золото, алюми- ний, медь Золото, медь, се- ребро, никель Алюминий, золо- то, медь золоче- ная
Например, керамический корпус типа «Рэй-Пэк» [171] рас-
считан на подложку площадью до 6,25 см2 и состоит из следу-
ющих керамических деталей: основание, уплотнение, поясок»
еще одно уплотнение и колпачок. На основание нанесены метал-
лизированные проводники выводов, которые при спекании соеди-
няются с выводной рамкой корпуса. При спекании примерно при
1500° С получается однородный керамический корпус с герметич-
ным уплотнением вокруг выводов. Герметизация этого корпуса
осуществляется пайкой или электронно-лучевой сваркой.
Применение таких керамических корпусов ограничено из-за
сравнительно небольшой площади их керамической подложки,
из-за сравнительно небольшой площади их керамической под-
ложки, из-за трудностей обработки керамики и получения кера-
мических поверхностей с высокой плоскостностью.
В п. 2 настоящей главы уже говорилось об использовании
многослойной керамики для подложки БГИС. Конструкция из
двух многослойных коммутационных плат, герметично соеди-
ненных между собой при помощи промежуточной металлизирован-
ной рамки, может выступать в качестве корпуса БГИС. Достоин-
ство этой конструкции — относительно высокая теплопровод-
ность; недостаток — сложность процесса сборки из-за уста-
новки перемычек для соединения двух плат и формовки
выводов.
Наибольшее распространение в отечественных БГИС нашли
металлостеклянные корпуса, аналогичные корпусам для гибрид-
ных интегральных схем. Они~имеют’увеличенную~полезнукГпло-
щадь под подложку (вплоть до стандартного р аз мер а' подложки
60x48 мм) и большее число выводов.
Монтаж нескольких кристаллов в одном корпусе, высокая
стоимость бескорпусных интегральных схем повышенной степени
интеграции и корпусов связаны с необходимостью предусмотреть
возможность ремонта герметизированного прибора. Почти все
методы монтажа позволяют производить ремонт. Более трудной
задачей представляется повторная герметизация корпуса после
ремонта.
Применение сварных корпусов практически исключает воз-
можность ремонта. Существенно облегчает ремонт применение
для герметизации клеев и эпоксидной смолы.
В промышленных приборах и БГИС для ЭВМ и'ЭКВМ^един-
ственным методом герметизации, который хорошо совместим
с требованиями ремонта и повторной герметизации, является
пайка.
Пайку крупногабаритных корпусов целесообразно осуще-
ствлять методом параллельного зазора. Процесс заключается
в разогреве крышки в местах контактирования с электродами
сварочной установки (процесс в отличие от сварки проводится
при более низких температурах и малых токах) до температуры
расплавления таблетки припоя толщиной 0,25—0,35 мм.
298
Пайка методом параллельного зазора может использоваться
для присоединения металлической крышки к металлизированному
керамическому или металлическому основанию.
Для получения необходимой прочности шва можно подобрать
режим процесса таким образом, что припой расплавится по всей
ширине ободка основания и крышки. При наличии внутри кор-
пуса инертного газа подложка и кристаллы нагреваются на
10—30° С, не более [11].
В зарубежной и отечественной приборостроительной промыш-
ленности считается перспективным и в настоящее время тщательно
изучается новое конструктивно-технологическое направление соз-
дания электронной аппаратуры — проектирование и изготовление
так называемой МЭА (микроэлектронной аппаратуры). В основу
этого метода положено использование бескорпусных БГИС, мон-
тируемых в металлических или прессованных рамках без при-
менения печатных плат и соединенных с помощью гибких шлей-
фов. В МЭА предусмотрена общая герметизация всех БГИС
в едином корпусе самого изделия.
Основные достоинства этого направления: ремонтопригодность,
повышение надежности за счет сокращения числа контактных
соединений, резкое снижение стоимости изделия за счет отсут-
ствия корпусов и упрощения ряда монтажных операций и гер-
метизации.
Реализации этого направления будет способствовать внедрение
автоматизированных систем проектирования, а также автомати-
зация операций сборки, монтажа и контроля.
4. Автоматизация проектирования,
изготовления и испытания БИС
Ускоренные темпы развития приборостроения и вычислитель-
ной техники, рост номенклатуры изделий, повышение их функ-
циональной нагруженности, расширение и ужесточение требова-
ний к выходным параметрам изготавливаемых схем выдвинули
в качестве одной из первоочередных проблему автоматизации
всех этапов создания интегральных схем и, в особенности, схем
повышенного уровня интеграции (БИС и БГИС). Если при раз-
работке электронных вычислительных машин третьего поколения
номенклатура используемых интегральных схем в среднем исчис-
лялась 10—20 наименованиями, то при использовании в машинах
четвертого поколения БИС и БГИС (выполняющих функции
ячейки или блока машины второго поколения) следует ожидать
резкого возрастания числа их типов, которое, в зависимости от
класса машины и уровня интеграции, может составлять несколько
сот или тысяч наименований. Повышение быстродействия, уровня
интеграции (с вытекающей отсюда необходимостью учета все
большего числа паразитных связей, резкого возрастания удельной
299
Рис. 169. Этапы автоматизации проек
тирования. изготовления и контроля БИС
рассеиваемой мощности и т. д.) делает невозможной решение
задачи проектирования элементов и узлов вычислительных машин
без самого широкого внедрения автоматизации проектирования
и контроля.
Современные БИС представляют собой весьма сложные функ-
циональные системы, проверка которых по всем возможным ком-
бинациям входных сигналов является весьма трудоемкой опера-
цией. И только разработка специальных программ, обеспечива-
ющих полную автоматизацию процесса испытаний, и применение
ЭВМ позволяют решить эту проблему.
Следует отметить, что автоматизация создания БГИС воз-
никла не на голом месте, а имеет ряд общих черт с автоматиза-
цией при проектировании и изготовлении микроминиатюрных
изделий на дискретных компонентах, многослойных печатных
плат и ИС с низким уровнем интеграции.
Актуальность всех трех задач автоматизации (проектирова-
ния, изготовления и контроля) не оставляет сомнений, однако
их осуществление на каждом этапе развития технологии микро-
электроники тесно связано с технологическим уровнем производ-
ства интегральных схем, степенью развития специального тех-
нологического оборудования и оснащенностью электронной вы-
числительной техникой.
Условно можно выделить пять уровней автоматизации проек-
тирования, изготовления и контроля интегральных схем как для
однокристальных БИС (и бескорпусных активных приборов и
ИС), так и для БГИС, создание которых отличается в основном
степенью автоматизации технологического оборудования и средств
контроля, а также внедрением тех или иных средств реализации
программ машинного проектирования (рис. 169).
На первом уровне разделение функций проектирования и из-
готовления ИС и БГИС проходит на операции вычерчивания на
прецизионном автоматическом координатографе комплекта круп-
номасштабных фотооригиналов. Управление координатографом
осуществляется от перфоленты или непосредственно от ЭВМ
с помощью программ, являющихся результатом машинного рас-
чета структуры, параметров и топологии ИС и БГИС.
В СССР и за рубежом интенсивно идет внедрение новых
средств реализации программ машинного проектирования, таких
как фотонаборные машины (генераторы изображений) и лучевые
координатографы, рисующие топологические чертежи на фото-
чувствительном материале в окончательном масштабе интеграль-
ной схемы.
На втором уровне автоматизации задачи производства сво-
дятся к изготовлению рабочих копий фотошаблонов, полупровод-
никовых и пленочных структур на максимально автоматизирован-
ных установках, скомпонованных в комплексные линии обору-
дования. Внедрение таких линий на ведущих зарубежных фирмах
и на отечественных предприятиях происходит одновременно
302
с внедрением автоматизированных линий сборки, монтажа и
средств контроля с использованием ЭВМ.
Третий и четвертый уровни автоматизации являются, по мне-
нию специалистов, делом недалекого будущего. Предполагают,
что третий уровень будет ознаменован внедрением лучевых методов
обработки шаблонов, а четвертый — лучевых методов обработки
полупроводниковых и пленочных структур.
Внедрение обработки материалов с помощью электронных
и ионных пучков лазерного излучения позволит создать комплекс-
ные автоматические линии изготовления ИС и БГИС, включая
операции сборки, монтажа и контроля.
Наконец, автоматизированные процессы проектирования, из-
готовления и контроля будут объединены в единый автоматизи-
рованный производственный комплекс, управляемый от ЭВМ,
обязательно включающий в себя автоматизированную систему
управления технологическим процессом и автоматизированную
систему статистического контроля.
Обе эти системы будут иметь обратную связь с системой проек-
тирования, что позволит по результатам измерений параметров
технологического процесса и выходных параметров схемы кор-
ректировать как сам технологический процесс, так и электриче-
ские и конструктивные характеристики ИС и БГИС.
Остановимся несколько подробнее на задачах систем автома-
тизации проектирования, изготовления и контроля ИС и БГИС.
Автоматизация проектирования бескорпусных полупровод-
никовых ИС или однокристальных БИС включает этапы расчета
активных компонентов, принципиальных электрических схем
и топологии. В настоящее время еще нет единой системы, исход-
ными данными для которой явились бы требования технического
задания, а выходными — комплект фотооригиналов или фото-
шаблонов. Причина этого и в ограниченных возможностях совре-
менных ЭВМ и в различии математических методов решения этих
задач. Поэтому система автоматизированного проектирования
полупроводниковых ИС и БИС пока состоит из комплекса про-
грамм, решающих каждую из трех упомянутых выше задач в от-
дельности. На этапе расчета активных компонентов производится
выбор физической структуры ИС и определяются геометрические
и электрические параметры компонентов. Геометрические пара-
метры являются исходными данными для этапа расчета топологии,
электрические для этапа расчета электрических схем.
Этап расчета активных компонентов содержит сбор и стати-
стическую обработку исходных данных, выбор достаточно точной
математической модели, учитывающей характер процесса пере-
носа заряда через р-п-переход, оптимизацию параметров активных
компонентов.
Исходными данными для этого этапа являются:
требования к параметрам будущей ИС, которые определяются
техническим заданием на проектирование;
зоз
построение принципиальной электрической схемы ИС и под-
программа ее анализа;
данные о полях допусков на выходные параметры ИС;
электрофизические характеристики планарно-эпитаксиальной
структуры и необходимые константы;
данные о типовых конфигурациях компонентов;
данные о распределении легирующих примесей (эксперимен-
тальные или расчетные).
Возможны два варианта расчета активных компонентов: опти-
мальное проектирование компонентов по установившейся техно-
логии изготовления ИС, когда производится только выбор кон-
фигураций и оптимальный расчет геометрических размеров обла-
стей компонентов, и оптимальное проектирование планарно-
эпитаксиальной структуры ИС и топологии компонентов в соответ-
ствии с требованиями на их параметры.
Основные трудности этого этапа состоят в создании алгорит-
мов, учитывающих специфические особенности в математической
модели активного компонента [6, 95, 169].
Модель транзистора принципиально можно выбрать из уже
разработанных моделей дискретных транзисторов и затем моди-
фицировать ее с учетом особенностей интегральной планарной
структуры. В эквивалентной схеме эти добавления влекут за
собой в основном увеличение последовательного сопротивления
коллектора, что связано с наличием контакта для области кол-
лектора на поверхности структуры и с появлением емкости пере-
хода коллектор—подложка, что вызвано наличием обратно сме-
щенного р-и-перехода, изолирующего транзистор от других эле-
ментов схемы.
Наиболее перспективным является описание интегральных
транзисторов с помощью эквивалентных схем, состоящих из
частотно-независимых элементов, значения которых определяются
топологией транзистора [46, 47, 129]. Так, например, распреде-
ленное сопротивление базы R6 равно поверхностному сопротив-
лению базы рб, умноженному на отношение длины к ширине
участка между базовыми и эмиттерными контактами.
Емкость коллектор—база Скб определяется с помощью харак-
теристик базовой области и удельной емкости на единицу площади
перехода. Последовательное сопротивление коллектора 7?к опре-
деляется удельным сопротивлением материала коллектора и гео-
метрическими размерами объема между коллекторным контактом
и переходом база—эмиттер. Коэффициент усиления по току (для
низкочастотных схем) определяется эффективной шириной базы
между эмиттерным и коллекторным переходами и площадью
эмиттера.
Модели диодов, конденсаторов и резисторов могут быть полу-
чены по аналогии с транзистором.
На этапе расчета электрической схемы определяются выход-
ные параметры и допуски с учетом погрешностей технологического
304
процесса изготовления структур и будущих условий эксплуа-
тации.
Исходная математическая модель схемы представляет собой
для простых линейных схем функциональное уравнение зависи-
мости выходных параметров от параметров компонентов. Для ло-
гических схем математической моделью является система нели-
нейных дифференциальных уравнений.
Однако сложность технологического процесса не позволяет
выявить точные функциональные зависимости между параметрами
схемы и параметрами интегральных компонентов. Поэтому расчет
выходных параметров ИС и допусков на них возможен лишь
с использованием вероятностных аналитических методов при
стационарном технологическом процессе и статистических методов,
применение которых позволяет, оперируя с законами распре-
деления параметров компонентов, определить законы распре-
делений выходных параметров [15, 1321. Статистические методы
являются более универсальными, поскольку параметры пассив-
ных и активных компонентов ИС характеризуются большими
дисперсиями, между ними существует сильная корреляционная
зависимость, законы распределения большинства параметров
отличны от нормальных.
Статистический анализ ИС, как правило, выполняется мето-
дом Монте-Карло [1181. Основные трудности при этом — трудо-
емкость получения статистических данных о параметрах компо-
нентов и сравнительно большие затраты машинного времени.
Расчет интегральной схемы заканчивается статистической
оптимизацией по критерию процента выхода годных схем.' Под
статистической оптимизацией понимается такая оптимизация, при
которой функционалом является вероятность удовлетворения
условий работоспособности схемы [94]. То есть, необходимо
найти вектор средних значений параметров компонентов х* =
= (*Т»*2> • • ., Хп), обеспечивающий максимум вероятности удовле-
творения системы условий работоспособности. В этом случае
предполагается, что система условий работоспособности [93]
принципиально удовлетворима, известны номинальные значения
и законы распределения параметров компонентов [106, 185].
Если при оптимизации по критерию процента выхода годных
учитывать также изменение параметров в процессе эксплуатации,
то достигается оптимальное решение с точки зрения критериев
надежности.
Существуют методы, например, графоаналитический, позво-
ляющие произвести совместную оптимизацию электрических и
конструктивных параметров интегральной схемы. В качестве
критерия оптимизации при этом выбираются минимальные габа-
ритные размеры при заданной надежности схемы. В основу метода
положено совместное решение уравнений, описывающих электри-
ческие и технологические характеристики схемы. Параметры тех-
20 В. Д. Гимпельсон 305
пологического процесса используются в качестве входных. В их
пространстве рассчитывается граница области годных интеграль-
ных хсм, далее служащая условием оптимизации, и задается
в виде функции критерий оптимизации (процент выхода годных,
габариты).
Конечный результат расчета интегральных схем получается
в виде оптимального по принятому критерию сочетания пара-
метров технологического процесса. Как следствие определяются
оптимальные значения электрических параметров и допусков
на них.
Этап разработки топологии является заключительным
при проектировании интегральных схем и наиболее трудо-
емким.
На этом этапе решаются следующие задачи:
размещение компонентов на полупроводниковой пластине;
проведение внутрисхемных соединений;
разложение общей топологии на отдельные слои;
выполнение комплекта фотооригиналов эмульсионных или ра-
бочих фотошаблонов в зависимости от имеющихся исполнитель-
ных устройств.
Следует отметить, что в отличие от схем на дискретных ком-
понентах электрические параметры полупроводниковых ИС сильно
зависят от топологии, поэтому после расчета топологии расчет
электрической схемы повторяется. При этом на этапе расчета
топологии определяются корреляционные зависимости между
параметрами активных и пассивных компонентов интегральных
схем.
В работе [2] приведен алгоритм решения задачи взаимного
расположения компонентов с минимальным числом пересечений,
позволяющий решать ее на ЭЦВМ. Этот алгоритм предъявляет
определенные требования к конструкции компонентов, описы-
вает размещение соединений в схеме и указывает последователь-
ность их построения.
Задача разложения общего вида топологии на отдельные
слои и реализация их с помощью исполнительных устройств яв-
ляется сравнительно простой. Техническое решение этой задачи
требует лишь стыковки цифрового вывода информации ЭВМ
с исполнительным устройством.
Все этапы проектирования полупроводниковых ИС, исполь-
зующие в настоящее время отдельные программы, могут быть
в принципе объединены в одну общую более универсальную
программу, что значительно уменьшит время на подготовку
исходной информации для будущих систем автоматизации проек-
тирования, неразрывно связанных с автоматическими линиями
изготовления и контроля.
Построение БГИС может быть приравнено к построению боль-
ших систем, где возникает новая для автоматизации проектиро-
вания задача: каким образом разбить систему на отдельные
306
интегральные блоки, в данном случае полупроводниковые кри-
сталлы с активными приборами или интегральными схемами.
В общем случае решения этой проблемы пригоден метод, заклю-
чающийся в переборе различных вариантов разбиений и выборе
наилучшего из них по критерию максимальной величины коэффи-
циента интеграции, определяемого как отношение общего числа
внутрисхемных соединений и выводов к общему числу внешних
выводов при данном разбиении.
Для регулярных структур, таких как ЗУ и некоторые логи-
ческие ячейки, предложен более простой способ разбиения си-
стемы на отдельные кристаллы с целью минимизации их числа.
Критерий оптимизации здесь — максимальное количество ком-
понентов, приходящееся на один вывод.
Однако и в том, и в другом случае при проектировании реаль-
ных БГИС следует иметь в виду следующие обстоятельства.
При разбиении системы приходится учитывать ограничения по
степени интеграции и максимальному числу выводов полупро-
водниковых ИС, ограничения по количеству кристаллов в кор-
пусе с точки зрения теплоотвода, размера подложки, имеющегося
в распоряжении разработчика корпуса и т. д.
При разработке серии, например, логических БГИС или ЗУ
в виде БГИС для ЭВМ, очевидно, целесообразно производить
разбиение схемы и оптимальное проектирование бескорпусных
ИС, которые будут выполнять роль ячеек системы (обратная связь
от расчета схемы БГИС на расчет схемы полупроводниковой ИС
рис. 169). При разработке широкой номенклатуры специальных
БГИС целесообразно использовать серийные бескорпусные. при-
боры и ИС.
Проектирование БГИС фактически состоит из тех же этапов,
что и проектирование полупроводниковых структур. Отличие
лишь в том, что входными параметрами при расчете и оптимиза-
ции схемы являются выходные параметры полупроводни-
ковых активных приборов и ИС, а выходными —• параметры
БГИС.
Топологический этап проектирования содержит две задачи:
размещение кристаллов и пассивных элементов пленочной части
БГИС на диэлектрической плате и трассировку межсоединений.
Эти задачи можно решать одновременно, но для этого требуется
большое машинное время и сложные программы. Поэтому они
решаются пока отдельно.
Размещение кристалла на плате определяется электрической
схемой и необходимостью соединения строго определенных кон-
тактов элементов и полупроводниковых ИС между собой. Огром-
ное число вариантов трассировки межсоединений осложняет
эту задачу.
Полупроводниковые приборы и ИС могут устанавливаться на
плату с поворотом вокруг своей оси и с зеркальным расположе-
нием контактных площадок. Поэтому порядок расположения
20* 307
контактных точек для приборов с двумя и тремя выводами (рези-
сторов, транзисторов) может не приниматься во внимание.
У многовыводных полупроводниковых ИС выводы не являются
эквивалентными в электрическом и функциональном отношении.
Их расположение по-разному сказывается на топологии. Поэтому
кристаллы сначала размещают без учета расположения выводов,
а затем выбирают определенный поворот и взаимное располо-
жение.
В общем случае цель размещения состоит в обеспечении опти-
мальной трассировки межсоединений при использовании мини-
мальной площади платы. Основными характеристиками размеще-
ния являются: время, затраченное на трассировку; полученные
размеры эффективной площади подложки с учетом технологиче-
ских ограничений; общая длина межсоединений и общее расстоя-
ние между монтируемыми кристаллами.
Большинство программ машинной трассировки основано на
применении алгоритма Ли, который позволяет:
определить кратчайший путь между двумя точками;
определить оптимальный путь между двумя точками по одному
из критериев, например, по числу пересечений или по минималь-
ному расстоянию между соседними кристаллами. В большинстве
случаев этот алгоритм используется для решения первой задачи.
Существенный недостаток алгоритма состоит в том, что он не
учитывает ранее проведенные соединения, контакты и отверстия
на плате.
В работе [31 предложены алгоритмы, учитывающие степень
близости между кристаллами и способствующие улучшению мон-
тажа.
Важной особенностью машинной трассировки межсоединений
является зависимость выбранных программ от технологии изго-
товления многослойной коммутации и методов монтажа. Так,
например, программы трассировки, отработанные для печатных
плат, пригодны и для коммутационных плат в виде многослойной
керамики, где переход со слоя на слой осуществляется с помощью
контактных столбиков, и совершенно не пригодны для коммута-
ционных плат, где изоляция наносится в местах пересечений.
При наличии у полупроводникового кристалла проволочных
выводов возможно использование пересечений навесных провод-
ников с нижним слоем коммутации через изоляционный слой, что
также существенно видоизменяет программы трассировки меж-
соединений.
Управление исполнительными устройствами (координатогра-
фами, фотонаборными установками, установками для лучевой
обработки) также накладывает определенные условия на про-
граммы систем автоматизирования.
Наиболее простыми являются системы с координатографами.
По данным окончательного расположения элементов и схем меж-
соединений, хранящимся в памяти ЭВМ после реализации всех
308
описанных выше программ, транслятор переводит эти данные
на язык машинных команд, управлящих координатографом.
В ряде систем конструктор может вмешиваться в систему авто-
матического проектирования и вносить поправки. Для этого
выходные данные могут быть просмотрены на экране с помощью
индикаторного устройства. Если требуется более тщательный
анализ, вычислительная машина может вычерчивать каждый
шаблон с помощью графопостроителя.
Некоторые системы обеспечивают хранение в памяти ЭВМ
целых ИС с целью их использования при проектировании БГИС.
Такие элементы можно запрашивать из запоминающего устройства,
располагать в нужном порядке на экране индикатора, увеличи-
вать или уменьшать, а затем соединять между собой, используя
пульт для ввода исходных данных.
В системе автоматизации проектирования с использованием
фотонаборной установки имеются три замкнутых блока: генера-
ции изображения, разбиения сложных фигур и формирования
управляющих команд фотонаборной установки [79]. Блок гене-
рации изображения фотошаблона служит для создания рисунка
фотошаблона в памяти ЭВМ с языка, описывающего топологию
чертежа. Блок разбиения производит разложение сложных фигур
топологического чертежа на отдельные прямоугольники, которые
могут быть сформированы с помощью масок фотонаборной уста-
новки. Наконец, блок формирования управляющих команд осу-
ществляет дальнейшее разбиение отдельных прямоугольных фигур
на более мелкие участки, допустимые с набором масок данной
фотонаборной установки, и последовательный обход рисунка
фотошаблона. Этот блок легко перестраивается и может работать
с любой фотонаборной установкой.
Лучевыми установками можно управлять с помощью перфо-
лент, на которых закодированы: рисунок первого слоя металли-
зации; расположение отверстий во втором изоляционном слое,
которые обеспечивают соединения между первым и вторым слоями
металлизации; рисунок второго слоя металлизации.
При помощи вычислительной машины выполняется в увели-
ченном масштабе чертеж для проверки, а затем на перфоленте
пробивается программа для управления лазерной или электронно-
лучевой установкой.
Управление электронно-лучевой установкой может осуще-
ствляться и непосредственно от специализированной вычисли-
тельной машины или телевизионной системы управления.
В последние годы произошли серьезные сдвиги в области
автоматизации технологических процессов получения полупро-
водниковых и гибридных тонкопленочных схем.
Начат выпуск автоматизированного оборудования, снабжен-
ного ЭВМ, и, что особенно важно, сложных измерительных при-
боров и систем контроля с обратной связью, также снабженных
ЭВМ, для поддержания технологических параметров установок
309
на заданном уровне. Такие устройства открывают путь к ком-
плексной автоматизации технологических процессов.
Примером таких установок в области производства полупро-
водниковых ИС может служить, например, система управления
процессом эпитаксиального наращивания, созданная фирмой
Аплид Материале Текноложи (США) [230].
Одна ЭВМ этой системы обслуживает восемь эпитаксиальных
установок. Для каждой партии пластин на перфоленте записаны
входные данные и параметры процесса, а также выходные данные—
толщина эпитаксиальной пленки и ее удельное поверхностное
сопротивление. Аналогичные устройства разработаны и в оте-
чественной полупроводниковой промышленности.
Имеются успехи и в автоматизации процессов ионного леги-
рования. Так, установка Р-554 фирмы Нортек (США) обеспечи-
вает программируемое легирование с однородностью по пластине
в пределах 2% и воспроизводимостью от пластины к пластине
в пределах 1%.
В области вакуумного напылительного оборудования, как
уже отмечалось в гл. 2, четко наметилась тенденция к проекти-
рованию и изготовлению вакуумных напылительных установок
непрерывного действия [153]. В непрерывных системах произ-
водства, где нет необходимости вскрывать вакуумную камеру
при загрузке изделий, обеспечивается постоянство условий обра-
ботки, что, в свою очередь, обеспечивает высокую повторяемость
параметров изделий. Это обстоятельство, несомненно, играет
огромную роль в решении вопроса комплексной автоматизации
процессов формирования тонкопленочных структур.
Определенные успехи достигнуты и в области автоматизации
процессов фотолитографии.
Одной из ключевых проблем в фотолитографии является сов-
мещение фотошаблонов в процессе формирования полупроводни-
ковой или пленочной структуры. Присутствие оператора в этом
процессе до недавнего времени считалось обязательным. Однако
применение автоматических систем совмещения оказалось весьма
эффективным. Повысилась воспроизводимость, точность, выход
годных изделий и пропускная способность.
Например, установка 2686 фирмы Компьютер Визион (США)
обеспечивает точность совмещения +1 мкм при времени совме-
щения в пределах нескольких секунд [1, 153, 230]. Установка
содержит фотоэлектрическую систему распознавания знаков сов-
мещения подложки и фотошаблонов и устройство для перемещения
фотошаблонов по осям X и Y и их поворота до тех пор, пока не
будет получено совпадение изображений. Установка может ра-
ботать в автоматическом, полуавтоматическом и ручном режимах.
В СССР спроектирована и находится в эксплуатации про-
мышленная установка ЭМ-521, в которой^совмещение также про-
изводится с помощью фотоэлектрического контрольного устрой-
ства [174].
310
Еще больших успехов в автоматизации процессов совмещения
можно добиться при переходе на проекционную фотолитографию.
С внедрением методов нанесения фоторезисторов распылением
и удаления фоторезистов с помощью плазмы [19] созданы пред-
посылки комплексной автоматизации процессов фотолитографии.
Однако, как уже отмечалось, наиболее полная автоматизация
процессов формирования тонкопленочных и полупроводниковых
структур может быть достигнута при внедрении лучевых методов
обработки материалов структуры и исключении фотошаблонов
как способа получения рисунка. Использование электронных и
ионных пучков дает потенциальную возможность наряду с авто-
матизацией качественно улучшить все процессы микроэлектро-
ники и выходные параметры интегральных схем.
За последние десять лет были разработаны принципиально
новые способы производства интегральных схем, позволяющие
автоматизировать технологические операции, на которых ранее
применялся исключительно ручной труд. В первую очередь это
сборочно-монтажные операции. Первоначально автоматизирован-
ное оборудование как в СССР, так и за рубежом появилось для
таких операций, как присоединение кристалла, проволочный
монтаж, герметизация. Затем появились комплексы оборудова-
ния, автоматизирующие почти все сборочные операции. Несмотря
на то, что эти системы предназначены, как правило, для сборки,
монтажа и герметизации однокристальных полупроводниковых
ИС и БИС, принципы, положенные в основу их работы, уже
используются для сборки и монтажа БГИС.
Практически все автоматизированные системы сборки и мон-
тажа имеют оборудование для разделения пластин с ориентацией
кристалла. В системе ТАС-1000, предложенной фирмой Теледин
(США) [220], после контроля, результаты которого записываются
на фотопластину, полупроводниковая пластина приклеивается
на адгезивную пленку и разламывается. Затем на общей рамке
разломанная пластина и фотопластина попадают на сортировщик,
где кристаллы снимаются с пленки и в ориентированном поло-
жении приклеиваются в корпуса согласно данным, записанным
на фотопластине.
Еще более совершенная система подготовки кристаллов к сборке
создана фирмой Дженерал Электрик (США). В этой системе
пластина с кристаллами проверяется и маркируется краской,
затем приклеивается на подложку с помощью восковой смеси
и подается на установку для разрезки. Разрезка осуществляется
проволокой с абразивной суспензией, причем прорезается не
только пластина с кристаллами, но и верхний слой подложки.
Подложка с пластиной после разрезки и промывки совмещается
с лентой, на которой сформированы выводы. К этим выводам
сварочный инструмент присоединяет одновременно все контактные
площадки годных кристаллов. Выделяемое при сварке тепло
нагревает и расплавляет вещество, которым кристалл приклеен
311
к подложке. Кристалл отклеивается и за счет упругих сил выводов
поднимается вверх. Далее операция присоединения повторяется.
В одной из отечественных автоматизированных систем пла-
стину, в которой сформированы кристаллы с шариковыми вы-
водами, разрезают до операции контроля. Кристаллы ссыпаются
в вибробункер, в котором они ориентируются, проверяются и
разбраковываются по группам. Интегральные схемы каждой
группы автоматически укладываются в специальные кассеты,
которые подаются в сборочный агрегат. В сборочном агрегате
кристаллы с шариковыми выводами совмещаются с контактными
площадками на многослойной коммутационной плате. Одновре-
менно совмещается несколько кристаллов: каждый подается
из своей кассеты и устанавливается с помощью своего инстру-
мента. После установки и совмещения всех кристаллов проис-
ходит общий нагрев системы и пайка одновременно всех
выводов.
В зарубежной электронной промышленности для автоматиза-
ции сборочных процессов широко применяют адгезивные и транс-
ферные ленты (ленты с липким слоем). Так, например, в установке
фирмы Дженерал Микроэлектроник (США), монтаж кристалла
осуществляется на золоченую коваровую ленту с выводами в виде
рамки, на которую в процессе сборки накладывается стеклянная
лента, служащая в дальнейшем для герметизации ИС.
Более перспективен для БГИС метод автоматизированной
сварки фирмы Моторола (США) с помощью так называемых
«паучковых» выводов, которые штампуются из тонкой (25—
75 мкм) алюминиевой ленты. Ультразвуковая сварочная машина
автоматически одновременно приваривает все выводы «паучка»
к контактным площадкам ИС. Далее «паучок» с присоединенным
кристаллом покрывается эпоксидной смолой и приваривается
к внешним выводам ИС. При сборке БГИС «паучки» могут вы-
полнять роль эспандеров, о которых говорилось в п. 3 настоящей
главы.
Одной из основных проблем, стоящих перед изготовителями
и потребителями БИС, является их контроль. Теоретически для
логической БИС с числом входов п и числом возможных выхо-
дов т количество наборов комбинаций входных сигналов, необ-
ходимых для полной проверки схемы, составит Такое
число испытаний не сможет реализовать самая быстродейству-
ющая и высокопроизводительная ЭВМ. Поэтому большинство
программ полуавтоматического и автоматического контроля БИС
основано на моделировании логик и работы схемы математиче-
скими методами.
Работоспособность схемы определяется при подаче на входы
модели определенного набора сигналов. Выходные сигналы сравни-
ваются с требуемыми величинами. Если схема выполняет требуе-
мые логические функции, то далее выполняются операции по
отбраковке негодных схем. Это делается для того, чтобы уже на
312
этапе проверки работоспособности выявить часть дефектных схем,
и тем самым сократить число испытаний.
На этапе определения количества и характера тестов для пол-
ной проверки БИС следует уточнить методику моделирования
отказов. Например, не имеет смысла моделировать случайные
ошибки изготовления, так как они, как правило, могут быть
обнаружены при визуальном контроле.
Большинство программ контроля логических схем основано
на переключении каждого узла БИС из состояния «О» в состоя-
ние «1» и обратно при подаче входного сигнала. О годности схемы
судят по изменению выходных сигналов. Проведение таких
контрольных операций возможно только с применением автома-
тизированных тестеров и систем. В противном случае стоимость
контроля намного превысила бы стоимость самого изделия.
Автоматизированные тестеры и системы должны обеспечивать
одновременность проведения различных испытаний, так как
последовательные испытания заняли бы слишком много вре-
мени [61].
Наиболее сложными являются динамические испытания БИС.
Некоторые специалисты считают, что динамическим испытаниям
должны подвергаться все БИС. При этом возможен контроль на
максимальной скорости, соответствующей техническим условиям
на ИС или на скорости, наиболее легко реализуемой в системе
контроля. По мнению других специалистов динамическим испы-
таниям должны подвергаться лишь опытные образцы. При этом
считается, что БИС, прошедшая эксплуатационные испытания
при любой скорости, наверняка будет работать и при максималь-
ной скорости. Тем не менее, некоторые цепи БИС требуют допол-
нительной проверки на быстродействие, поэтому ряд автоматиче-
ских испытательных систем рассчитан на проведение испытаний
на частотах 1—2 мГц.
Приведем примеры некоторых автоматизированных систем
контроля БИС.
Система контроля БИС фирмы Дженерал Инстраментс (США)
имеет вычислительную машину PDP-9 и собственно тестер, пред-
ставляющий по существу другую вычислительную машину,
управляющую испытаниями и определяющую годность испыты-
ваемой схемы, зондовое устройство для проверки схем на пласти-
нах и испытательное устройство для схем в корпусе. Работа
системы осуществляется по специальной программе, передавае-
мой с вычислительной машины на 320-разрядный сдвиговый
регистр. Сравнение наблюдаемых и установленных техническими
условиями выходных параметров позволяет вести разбраковку
БИС по принципу «годен — не годен». В системе каждый вентиль
логической БИС проверяется минимум один раз (проверки всех
комбинаций вентилей нет).
Одной из основных особенностей тестора ЕС-31, разрабо-
танного фирмой Моторола (США), является применение в нем
313
для ускорения испытаний программируемых импульсных гене-
раторов. Все подготовительные операции, логическое моделиро-
вание, формирование пределов, задаваемых техническими усло-
виями, и обработка результатов проводятся не в ходе испытаний,
а с разделением по времени, в целях разгрузки центрального
вычислительного устройства.
Важной особенностью системы Сейтри 400 фирмы Файрчилд,
характерной для всех современных автоматизированных систем
контроля, является способность автоматически контролировать
свою работу. Основным управляющим устройством системы
является ЭВМ, куда от ЗУ на магнитных дисках или магнитной
ленте поступают команды программ испытаний. Измерительная
головка, источник питания и синхронизирующие устройства
управляются командами из ЗУ на магнитных сердечниках, кото-
рым управляет ЭВМ. ЭВМ производит также разбраковку схем
по группам [92].
Общая тенденция в проектировании автоматизированных си-
стем контроля — использование как универсальных систем для
проверки логических БИС, так и узко специализированных, но
менее дорогих систем, например систем для контроля ДУ. Тен-
денция узкой специализации систем автоматизированного кон-
троля целесообразна для большинства линейных БИС, решающих
по существу строго определенные функциональные задачи.
Внедрение автоматизированных систем управления техно-
логическим процессом в производстве ИС и БГИС затруднено
большим числом выпадающих из-под контроля факторов, опре-
деляющих выходные параметры схемы. Построение в этом случае
алгоритмов управления, основанных на моделях технологических
операций, возможно лишь с использованием статистических мето-
дов, которые отвечают природе технологических процессов в мик-
роэлектронике, и методов планирования эксперимента [143, 222].
При помощи этих методов определяется стратегия управления
технологическим процессом: задается определенный риск при-
нятия ошибочного решения; с помощью математически обосно-
ванных критериев проверяются гипотезы о протекании процесса
при возможных флюктуациях воздействующих факторов. Эти
методы при минимальных затратах времени и средств позволяют
получить максимальную информацию о процессе и осуществить
поиск лучших режимов [82].
Для учета ряда качественных эффектов, например, разброса
параметров от партии к партии или от подложки (пластины)
к подложке (пластине), и исключения их влияния при постановке
эксперимента используются методы дисперсионного анализа [143].
По факторам, влияние которых не может быть учтено, про-
водят усреднение результатов эксперимента.
Так как технологический процесс производства интегральных
схем складывается из большого количества факторов, оказы-
вается эффективным применение отсеивающих экспериментов
314
[201 ]. Кроме того, поскольку вмешательство в технологический
процесс производства интегральных схем нежелательно, часто
прибегают к использованию данных пассивных экспериментов.
И те, и другие эксперименты необходимо обрабатывать на ЭВМ,
для чего создается целый комплекс программ.
С точки зрения автоматизации проектирования и внедрения
АСУТП статистические методы исследования имеют ряд преиму-
ществ, среди которых — сохранение точности при меньшем числе
опытов и сокращение затрат на эксперименты.
Еще одна система, тесно связанная с АСУТП и являющаяся
необходимой для комплексной автоматизации, — система авто-
матизированного статистического контроля выходных параме-
тров.
Задача этой системы — сбор статистических данных о выход-
ных параметрах изделий в непрерывном технологическом про-
цессе, обработка их и определение статистических показателей
процесса, средних арифметических выходных параметров и их
дисперсий.
По этим показателям можно укрупненно судить о стационар-
ности технологического процесса. Они могут служить исходными
данными при расчете и оптимизации новых схем, производство
которых будет происходить по тому же технологическому про-
цессу, а также при управлении процессом производства с по-
мощью АСУТП.
Каждая из рассмотренных проблем автоматизации является
предметом самостоятельного рассмотрения. Авторы считали нуж-
ным показать, что в настоящее время микроэлектроника нахо-
дится на этапе перехода от исследования и совершенствования
отдельных технологических операций и оборудования к ком-
плексному решению вопросов проектирования и производства, что
позволит в конечном итоге создать такую автоматизированную
систему проектирования, производства и контроля ИС и БГИС,
которая позволит достигнуть оптимального сочетания труда
человека в ЭВМ.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Автоматическое совмещение при изготовлении больших МОП — ин-
тегральных схем. «Экспресс-информация», серия «Электроника», 1971, № 26,
с. 23—26.
2. Алгоритм взаимного размещения компонентов полупроводниковых ин-
тегральных схем с минимальным числом внутрисхемных соединений. — В кн.:
«Микроэлектроника», под ред. Ф. В. Лукина, вып. 3, М., «Советское радио»,
1969, с. 282—302. Авт.: Б. В. Баталов, Г. Г. Казеинов, Ф. А. Курмаев, В. М. Ще-
милинин.
3. Алгоритмы трассировки для машинного проектирования межсоединений
микроэлектронной аппаратуры. — В кн.: «Микроэлектроника», под ред. Ф. В. Лу-
кина, вып. 4, М., «Советское радио», 1971, с. 282—293. Авт.: А. Г. Алексенко,
П. Я- Белостоцкий, Г. И. Борзунов, А. Ц. Ренников.
4. Алексеев Г. А., Аракелян С. Г., Трошина Т. С. Шлюзовые системы в ва-
куумных напылительных установках и вопросы повышения производитель-
ности. — «Обзоры по электронной технике», серия «Микроэлектроника», вып.
№ 78 (147), 1969, с. 43—45.
5. Альтман. Фотооптические аспекты технологии изготовления фотошабло-
нов. — «Зарубежная электронная техника», 1970, № 4, с. 16—32.
6. Анализ н расчет интегральных схем. Пер. с англ, под ред. Б. И. Ермо-
лаева. М., «Мнр», 1969, 370 с.
7. Андреев С. Е., Лаврищев В. П. Применение лазерной голографии в тех-
нологии изготовления интегральных схем. — «Электронная промышленность»,
1973, № 1, с. 14—16.
8. Ануфриенко В. В., Неустроев С. А., Новикова Е. М. Влияние режимов
центрифугирования на толщину и стабильность толщины пленок фоторезиста. —
«Электронная техника», серия 10. «Технология и организация производства»,
вып. 1 (33), 1970, с. 42—45.
9. Бай дали нов И. В. Достижения и перспективы развития прогрессивных
методов сборки полупроводниковых приборов и интегральных схем. — «Обзоры
по электронной технике», серия «Микроэлектроника», вып. 1 (174), 81 с.
10. Батыгина Э. И., Шмелев А. Е. Спаи кварцевого стекла с металлами. —
«Обзоры по электронной технике», серия «Технология и организация производ-
ства», вып. 3 (155,) 1970, 63 с.
11. Бауэр. Герметизация корпусов ИС.—«Зарубежная электронная тех-
ника», 1971, № 4, с. 58—66.
12. Белевич Г. М., Распецова Б. Е. Автоматическое управление процессом
экспонирования в фотолитографии с микронными размерами. — «Электронная
техника», серия 7 «Технология, организация производства и оборудование»,
вып. 2 (50), 1972, с. 22—23.
13. Белевский В. П., Данилин Б. С. Вопросы разработки вакуумных систем
установок для ионного распыления материалов. — «Электронная техника»,
серия 6 «Микроэлектроника», вып. 3, 1970, с. 5—12.
14. Белевский В. П., Кононенко Ю. Г. О выборе оптимальных режимов раз-
ряда при получении пленок катодным распылением. — «Электронная техника»,
серия VI «Микроэлектроника», вып. 1 (27), 1971, с. 85—87.
15. Белик В. Н., Гордеев Б. К. Метод расчета БИС на МДП-транзисторах
с дополняющими типами проводимости (МДПДГ). — В кн.: «Микроэлектроника»,
под ред. Ф. В. Лукина, вып. 5, М., «Советское радио», 1971, с. 79—98.
316
16. Белоус М. В., Корольков А. М. Использование сплавов на основе меди
для вакуумного напыления пленочных элементов микросхем с высокой прово-
димостью.— «Электронная техника», серия 6 «Микроэлектроника», вып. 1,
1972, с. 14—18.
17. Беляев Е. И. Совместная оптимизация электрических и конструктивных
параметров интегральной схемы. «Микроэлектроника», под ред. Лукина Ф. В.,
вып. 3, «Советское радио», 1969, с. 267—281.
18. Бережной А. И. Ситаллы и фотоситаллы. М., «Машиностроение», 1965,
348 с.
19. Березин Г. Н., Гуржеев В. Н. О природе «двойного края» при контактной
фотолитографии. — «Электронная техника», серия 3 «Микроэлектроника», вып. 7
(47), 1973, с. 53—56.
20. Берзин. Автоматические плазменные установки для удаления фоторе-
зиста. — «Зарубежная электронная техника», 1970, № 12, с. 61—71.
21. Берри Р., Холл П., Гаррис М. Тонкопленочная технология. М., «Энергия»,
1972, 336 с.
22. Блинов И. Г., Назаров Г. В. Основы теории автоматической сборки, про-
цессы и оборудование для сборки и монтажа интегральных схем. Часть I. Изд.
МИЭТ, 1973, 136 с.
23. Блинов И. Г., Пупко В. А., Черепашук В. С. Вакуумные загрузочные
шлюзы в оборудовании электронной промышленности. — «Обзоры по электрон-
ной технике», серия «Микроэлектроника», вып. 7 (140), 1973, 24 с.
24. Блох Е. и Хепль Р. Достижения в области технологии изготовления схем
и их влияние на вычислительные устройства. Перевод № 54/ЭТ—3843, ЦНИИ
«Электроника», М., 1968, 52 с.
25. Большие интегральные схемы. — В кн.: «Микроэлектроника», под ред.
ф. В. Лукина, вып. 3, М., «Советское радио», 1969, с. 42—52. Авт.: К- А. Ва-
лиев, Ю. Н. Дъяков, Б. В. Орлов, Д. О. Чугуев.
26. Борисенко А. И., Новиков В. В. Тонкие неорганические пленки в микро-
электронике. Л., «Наука», 1972, 114 с.
27. Босвел. Механические свойства «Флип-чипов» и устройств с балочными
выводами. — «Зарубежная электронная техника», 1971, №4, с. 23—29.
28. Братов А. М. Ситалл — новый метариал для подложек пленочных микро-
схем. — «Электронная техника», серия 10 «Технология н организация производ-
ства», вып. 9, 1966, с. 181—183.
29. Брицис А. Б., Озолс К. К. Некоторые особенности получения тонкопле-
ночных нихромовых резисторов. — «Электронная техника», серия VI «Микро-
электроника», вып. 2, 1970, с. 35—39.
30. Брицис А. Б., Готлиб Д. С. Исследование свойств тонкопленочных кон-
тактных площадок для гибридных интегральных схем. — «Электронная техника»,
серия IV «Микроэлектроника», вып. 2, 1970, с. 20—27.
31. Бродский, Триака. Новое в области фотошаблонов. — «Зарубежная
электронная техника», 1970, № 2, с. 23—25.
32. Буркина Л. В., Клименская Д. Н., Колосова Н. Н. Проводящие клеи и
их применение в радиоэлектронной технике. — «Обзоры по электронной тех-
нике», серия «Микроэлектроника», вып. № 3 (89), 1970, 21 с.
33. Бухман С. Ч., Киселев А. Д. Оборудование для монтажа гибких перемы-
чек гибридных интегральных схем. «Электронная техника», серия 7 «Технология,
организация производства и оборудование», вып. 5 (57), 1973, с. 69—72.
34. Вальдман В. И., Радионов Ю. А. Некоторые особенности проектирова-
ния резисторов интегрально-пленочных микросхем. Изд. ИТМ и ВТ, М., 1971,
62 с.
35. Васильев Г. Ф., Мешков В. А., Сапронова Л. С. Влияние дефектов пленки
тантала на качество тонкопленочного танталового конденсатора. — «Электрон-
ная техника», серия VI «Микроэлектроника», вып. 5 (31), 1971,
с. 142—144.
36. Введение в микроэлектронику. Под ред. И. П. Степаненко. М., «Совет-
ское радио», 1968, 320 с.
37. Викс Интеграция па высоком уровне с применением биполярной тех-
нологии. — «Зарубежная электронная техника», 1970, № 2, с. 3—12.
317
38. Владимиров С. Н., Герасимов 3. П. Применение вакуумной металлиза-
ции стеклянных подложек хромом при изготовлении фотошаблонов. — «Электрон-
ная техника», серия 10 «Технология и организация производства», № 3 (35),
1970, с. 3—4.
39. Выбор материала диэлектрика в интегральных схемах. — «Электрон-
ная техника», серия III, «Микроэлектроника», вып. 2, 1973, с. 43—49. Авт.:
М. И. Аникин, К- Н. Вожении, В. И. Карасев, А. И. Коробов.
40. Высокопроизводительная система для изготовления гибридных ИС. —
«Электроника», 1971, № 5, с. 12.
41. Гаврилкин А. А. Фотоэлектрический микроскоп для совмещения тополо-
гических рисунков фотошаблонов и полупроводниковой пластины. — «Изве-
стия высших учебных заведений», серия «Приборостроение», 1971, № 3, с. 84—88.
42. Гелль П. П. Воспроизводимость при изготовлении пленочных микросхем.
Изд. ЛЭИС, 1967, 68 с.
43. Гимпельсои В. Д., Локтаев В. С. Технология гибридно-пленочных микро-
схем. Изд. МАТИ, 1971, 105 с.
44. Глазштейи Л. Я., Пресс Ф. П. Проекционная оптическая фотолитогра-
фия в производстве полупроводниковых приборов и интегральных схем. — «Об-
зоры по электронной технике», серия «Полупроводниковые приборы», вып. 2
(167), 1970, 104 с.
45. Голстяи В. Г., Носиков С. В. Применение растрового электронного микро-
скопа в полупроводниковой электронике. — «Зарубежная электронная техника»,
1971, № 9, с. 55—81.
46. Голубев А. П., Малышев И. В. Эквивалентные схемы интегрального
транзистора для практических расчетов часто!ных характеристик полупровод-
никовых интегральных схем. — В кн.: «Микроэлектроника», под ред. Ф. В. Лу-
кина, вып. 5, М., «Советское радио», 1971, с. 201—211.
47. Голубев А. П., Кремлев В. Я., Малышев И. В. Высокочастотная экви-
валентная схема интегрального транзистора, учитывающая двумерный характер
растекания токов в базовой и коллекторной областях. — «Радиотехника и элек-
троника», т. XV, 1970, № 7, с. 1486—1493.
48. Голышев В. И., Иванов В. И. Плазмохимическое удаление фоторезиста. —
«Электронная техника», серия III «Микроэлектроника», вып. 2, 1973, с. 88—92.
49. Гордеев Б. К. Об оптимальном разбиении структур интегральных запо-
минающих устройств. — В кн.: «Микроэлектроника», под ред. Ф. В. Лукина,
вып. 3, М., «Советское радио», 1969, с. 234—251.
50. Гото Т. , Мориока К. Получение алюминиевых электродов ИС с исполь-
зованием метода электролитического травления. — «Зарубежная электронная
техника», 1974, № 4, с. 29—37.
51. Готра 3. Ю. Тонкопленочные конденсаторы с двухслойным диэлектри-
ком системы SiO—GeO. — «Обмен опытом в радиопромышленности», 1972, № 7,
с. 87.
52. Готра 3. Юм Матвейки в М. Д., Сепышии Я. М. Влияние некоторых гео-
метрических размеров тонкопленочных конденсаторов на напряжение пробоя
и технологический брак по короткому замыканию. «Обмен опытом в радиопромыш-
ленности», 1972, № 7, с. 86—87.
53. Грамм С. А., Васильева 3. И., Шатрова Л. Е. Изготовление коммута-
ционной платы для больших гибридных интегральных схем. — «Электронная
техника», серия III «Микроэлектроника», вып. 1, 1973, с. 45—48.
54. Гревцев Н. В., К расул и и Ю. Е. Технологические критерии импульсной
микросварки. — «Обзоры по электронной технике», серия «Микроэлектроника»,
вып. 5 (129), 1973, с. 3—64. t ..Л -
55. Грегор. Процессы получения тонких пленок в микроэлектронике. —
В кн.: «Технология толстых и тонких пленок», М., «Мир», 1972, 176 с.
56. Григорьева Н. Н., Дядюи Ю. А. Пленочные конденсаторы на основе тан-
тала, осажденного методом электронно-лучевого испарения. — «Электронная
техника», серия III «Микроэлектроника», вып. 2, 1973, с. 61—66. *
57. Гроссман ИС в корпусах без выводов. — «Электроника», 1973, № 3,
с. 24—33.
318
58. Гроссмаи Корпуса для БИС, изготовленные без использования золота. —
«Электроника», 1973, № 10, с. 80—81.
59. Грюнингер Полугибкие многослойные платы. — «Электроника», 1970,
№ 4, с. 19—24.
60. Гупта и Латроп. Анализ уровня выхода годных кристаллов больших
интегральных схем. — «Зарубежная электронная техника», 1973, № 12, с.
33—46.
61. Гуревич Д. 3., Елизаров В. Н., Рувииский Б. И. Большие интегральные
схемы и вычислительные машины четвертого поколения. — «Обзоры по электрон-
ной технике», серия «Микроэлектроника», вып. № 8 (230), 1970, с. 51.
62. Данилин Б. С. Вакуумная техника в производстве интегральных схем.
М., «Энергия», 1972, 256 с.
63. Данилин Б. С. Вакуумное нанесение тонких пленок. М., «Энергия»,
1967, 312 с.
64. Данилин С., Долинский В. А. Получение тонких пленок равномерной
толщины при массовом изготовлении элементов интегральных схем. — «Зарубеж-
ная электронная техника», 1971, № 12, с. 60—93.
65. Даиилии Б. С., Долинский В. А., Шинкаренко Ю. А. Получение тонко-
пленочных слоев равномерной толщины на подложках сложного профиля. —
«Зарубежная электронная техника», 1973, № 3, с. 20.
66. Даиилии Б. С., Киреев В. Ю. Методы получения конфигурации элементов
ИС — «Зарубежная электронная техника», 1973, № 18, с. 3—54.
67. Данилин Б. С., Киреев В. Ю. Получение пленок равномерной толщины
ПР36 И gHH0M РаспыленИИ- — «Зарубежная электронная техника», 1972, № 23,
68. Данилин Б. С., Логунов В. И. Высокочастотное ионное распыление. —
«Зарубежная электронная техника», 1971, № 3, с. 3—24.
69. Даиилии Б. С., Логунов В. И. О стабилизации процесса высокочастотного
распыления материалов. — «Электронная техника», серия 3 «Микроэлектроника»,
вып. 3 (43), 1973, с. 84—86.
70. Даиилии Б. С., Мииайчев В. Е. Вопросы вакуумной техники при изго-
товлении тонкопленочных компонентов интегральных схем. — В кн.: «Микро-
электроника», под ред. Ф. В. Лукина вып. 3, 1969, с. 354—365.
71. Даиилии Б. С., Пупко В. А. Технико-экономические аспекты проектиро-
вания, изготовления и эксплуатации вакуумного напылительного оборудова-
ния.— «Электронная техника», серия 6 «Микроэлектроника», вып. 3, 1968,
с. 104—118, вып. 4, 1968, с. 113—126.
72. Даиилии Б. С., Сатаров Г. X. Разработка и исследование основных уз-
лов распылительных установок с автономными ионными источниками. — «Элек-
тронная техника», серия 3 «Микроэлектроника», вып. 5, 1972, с. 91—95.
73. Денисов Б. В., Одииоков В. В. Система стабилизации режимов разряда
при нанесении пленок Ионным распылением. — «Электронная техника», серия
«Микроэлектроника», вып. 7 (47), 1973, с. 93—98.
74. Дешмаи С. Научные основы вакуумной техники. М., «Мир», 1964, 715 с.
75. Джоисои, Лилли. Перспективы использования холодной сварки. —
«Зарубежная электронная техника», 1970, № 8, с. 81—87.
76. Ермолаев А. А- К методике расчета топологии пленочных индуктивно-
стей. — «Электронная техника», серия VI «Микроэлектроника», вып. 1, 1971,
с. 158—159.
77. Ермолаев А. А., Ядов В. И. Расчет топологии пленочных катушек ин-
дуктивности. — «Электронная техника», серия IV «Микроэлектроника», вып. 5,
1969, с. 32—38.
78. Ефимов И. Е. Современная микроэлектроника. М., «Советское радио»,
1973, 113 с.
79. Забродская В. П., Котов Б. А., Серио в И. С. Машинное проектирование
фотошаблонов для телевизионных ФЭП. — «Электронная промышленность»,
1974, с. 56—59.
80. Закс Д. И. К вопросу об оптимальной конструкции корпусов интеграль-
ных схем. — «Электронная техника», серия VI «Микроэлектроника», вып. 4,
1970, с. 98—100.
319
81. Закс Д. И. Расчет теплового сопротивления плоских корпусов интеграль-
ных схем.—«Электронная техника», серия VI «Микроэлектроника», вып. 1,
1971, с. 78—84.
82. Зарудный Д. И., Сыпчук П. П., Талалай А. М. Статистические задачи
при анализе производства интегральных схем. —В кн.: «Микроэлектро-
ника», под ред. А. А. Васенкова, вып. 6, М., «Советское радио», 1973,
с. 33—42.
83. Захаров В. IL, Костанян Р. А., Лосев В. В. Подгонка пленочных рези-
сторов. — «Электронная техника», серия III «Микроэлектроника», вып. 6, 1972,
с. 49—55.
84. Зорин В. Ф., Фоменко П. А. Подгонка резисторов путем механической
обработки слоя. — «Электронная техника», серия 3 «Микроэлектроника», вып. 2,
1973, с. 54—57.
85. Зуев И. В. Применение электронно-лучевой сварки для герметизации
корпусов микросхем. — «Обмен опытом в электронной промышленности», 1967,
№ 3, с. 42—51.
86. Иванов Р. Д. Катодный метод создания пленочных элементов микросхем.
М., «Энергия», 1972, 111 с.
87. Иванов-Есипович Н. К- Инженерные основы пленочной микроэлектро-
ники. Л., «Энергия», 1968, 172 с.
88. Иванов-Есипович Н. К- Технология микросхем. М., «Высшая школа»,
1972, 236 с.
89. Изготовление эмульсионных фотошаблонов для полупроводниковых
приборов. — «Экспресс-информация», серия «Электроника», 1973, № 3, с.
21—29.
90. Интегральные схемы. Принципы конструирования н производства.
Под ред- А. А. Колосова, М., «Советское радио», 1968, 264 с.
91. Использование электронных н ионных пучков в технологии микроэлек-
тронных приборов. — «Экспресс-информация», серия «Электроника», 1971, № 31,
с. 1—23.
92. Испытательное устройство для БИС. — «Электроника», 1970, № 5,
с. 12—13.
93. Иыуду К» А. Оптимизация устройств автоматики по критерию надеж-
ности. М., «Энергия», 1966, 194 с.
94. Казеинов Г. Г., Баталов Б. В., Беляков Ю. Н. Статистическая оптими-
зация электрических параметров цифровых интегральных схем. — В кн.:
«Микроэлектроника», под ред. Ф. В. Лукина, вып. 6, М., «Советское радио»,
1969, с. 26—33.
95. Казеинов Г. Г., Баталов Б. В., Руденко А. А. Математическое обеспече-
ние системы автоматического проектирования компонентов логических полупро-
водниковых интегральных схем-—В кн.: «Микроэлектроника», под ред.
А. А. Васенкова, вып. 6, М., «Советское радио», 1973, с. 5—11.
96. Кандыба П. Е., Фоменко П. А. Импульсная юстировка величины сопро-
тивления тонкопленочных резисторов. «Электронная техника», серия III «Микро-
электроника», вып. 2, 1973, с. 56—61.
97. Каррен. Электронно-лучевая литография. — «Электроника», 1971, № 13,
с. 63—65.
98. Картавов С. А., Коваленко В. С. Применение оптических квантовых гене-
раторов для технологических целей. Киев, «Техн1ка», 1967, 80 с.
99. Кларк. Автоматическое совмещение прн изготовлении МОП-приборов
н больших интегральных схем. — «Зарубежная электронная техника», 1971,
№ 9, с. 21—33.
100. Кларк, Тернер. Оценка способности фоторезистов создавать микронзо-
браження. — «Зарубежная электронная техника», 1970, № 2, с. 28—46.
101. Кокс Дж., Д. де Курсэ, Дж. де Курсэ. Современный уровень развития
толстопленочной технологии. — «Зарубежная электронная техника», 1970,
№8, с. 53—59.
102. Колмакова Г. Я* Фотогравировка танталовых пленок, нанесенных на
ситалл нли стекло. — «Электронная техника», серия 10 «Технология и организа-
ция производства», вып. 4 (21), 1968, с. 3—12.
320
103. Кондратов Н. М., Мясникова Л. А., Федоров В. С. Тонкопленочные
высокоомные резисторы для гибридных интегральных схем. — «Электронная
техника», серия 3 «Микроэлектроника», вып. 6, 1972, с. 46—48.
104. Конструирование апериодических пленочных усилителей. Под ред. Коро-
бейникова П. В., М., «Советское радио», 1972, с. 143.
105. Королев Б. И. Основы вакуумной техники. М., «Госэнергоиздат»,
I960. 408 с.
106. Котко А. П., Курмаев Ф. А., Баталов Б. В. Применение статистического
планирования экспериментов для проектирования интегральных схем. — «Элек-
тронная техника», серия 6 «Микроэлектроника», вып. 4, 1970, с. 28.
107. Коул. Система отмывки пластин для интегральных схем. — «Зарубеж-
ная электронная техника», 1971, № 3, с. 72—74.
108. Коутный Й., Кудлак Я-, Микушек Я- Технология серийного производ-
ства транзисторов и*полупроводниковых диодов. М., «Энергия», 1968, 280 с.
109. Кочегаров В. И., Орешкин П. Т., Холом и на Т. А. Исследование зависи-
мости свойств защитных пленок SiO2 и Si3N4 от технологических параметров. —
«Электронная техника», серия III «Микроэлектроника», вып. 2, 1973, с. 50—53.
110. Коэн, Унгер, Милкоски. Обработка тонких пленок и интегральных схем
лазерным лучом. — «Зарубежная радиоэлектроника», 1969, № 1, с. 101—115.
111. Кресин О. М., Старое Ф. Г., Яковлев А. С. Определение температурных
полей интегральных схем, в которых используются кристаллы, расположенные
лицевой стороной к подложке. — «Электронная техника», серия 6 «Микроэлек-
троника», вып. 6 (31), 1971, с. 101—109.
112. Кристенсен. Характеристики метода распыления со смещением и его
применение. — «Зарубежная электронная техника», 1971, № 10, с. 12—17.
113. Кхамбата А. Большие интегральные схемы. М., «Мир», 1971, 256 с.
114. Лабунов В. А., Лещенко И. Н., Северденко В. П. Улучшение адгезии
тонких пленок к подложке с помощью ультразвуковых колебаний. — «Электрон-
ная техника», серия III «Микроэлектроника», вып. 1, 1973, с. 49—53.
115. Лаврищев В. П. Получение конфигурации элементов тонкопленочных
микросхем. — «Электронная техника», серия XI «Микроэлектроника», вып. 6,
1967, с. 83—94.
116. Левин С. Основы полупроводниковой микроэлектроники. М., «Совет-
ское радио», 1966, 243 с.
117. Лин, Ли, Им. Некоторые вопросы проектирования приборов, монти-
руемых «флип-чип» методом. —«Зарубежная электронная техника», 1971, № 4,
с. 30—42.
118. Локтаев В. С., Гимпельсон В. Д. Технология производства микромоду-
лей. М., «Энергия», 1973, 142 с.
119. Луфт Б. Д., Шустина А. Л. Очистка деталей электронных приборов.
М., «Энергия», 1968, 320 с.
120. Малин Б. В. Техника изготовления фотошаблонов-трафаретов для
производства кремниевых интегральных схем. — «Обзоры по электронной тех-
нике», серия «Микроэлектроника», вып. № 4 (302), 1972, 160 с.
121. Малин Б. В., Эрез Т. И. Основы фотолитографии в производстве ин-
тегральных схем. — «Обзоры по электронной технике», серия «Микроэлектро-
ника», вып. № 2 (86), 1973, 35 с.
122. Малышева И. А. Рентгеновская литография — новый высокоразрешаю-
щнй процесс воспроизведения изображения. — «Экспресс-информация», серия
«Электроника», 1973, № 1, с. 12—16.
123. Марковский В. Н., Тайпов Р. А. Лазеры в технологии изготовления тон-
копленочных микросхем. Изд. ЛДНТП, 1968, с. 90—94.
' 124. Мартюшов К* И., Зайцев Ю. В. Линейные и нелинейные резисторы.
Изд. МЭИ, 1967, 107 с.
125. Мартюшов К- И., Зайцев Ю. В., Тихонов А. И. Методы расчета резисто-
ров. М., «Энергия», 1971, 207 с.
126. Маррей, Класс. Материалы для катодного распыления, применяемые
в электронике. — «Зарубежная электронная техника», 1970, Я? 9, с. 39—53.
127. Маскирование при помощи голограмм. — «Электроника», 1970, № 6,
с. 60—61.
21 В Д Гимпельсои 321
128. Математическое моделирование интегральных схем на МДП-транзи-
сторах с применением ЭЦВМ. — В кн.: «Микроэлектроника», под ред. Ф. В. Лу-
кина, вып. 3, М., «Советское радио», 1969, с. 252—267.
129. Машинный расчет интегральных схем. Пер. с англ., под ред. К- А. Ва-
лиева, Г. Г. Казеннова, А. П. Голубева. М., «Мир», 1971, 407 с.
130. Мейз. Машинное проектирование топологии интегральных схем. —
«Зарубежная электронная техника», 1971, № 9, с. 13—20.
131. Мельниченко А. Т. н др. Контактирование выводов в микросхемах.
Изд. ЛЭИС, 1967, 42 с.
132. Методы статистического расчета интегральных схем. — В кп.: «Микро-
электроника», под ред. А. А. Васенкова, вып. 6, М., «Советское радио», 1973,
с. 11—26.
133. Микроэлектроника. Сб. статей под ред. Н. П. Богородицкого. М., «Со-
ветское радио», 1966, 452 с.
134. Миллер Л. Обзор методов присоединения кристалла. — «Зарубежная
электронная техника», 1970, № 6, с. 3—20.
135. Минаков В. И-, Коган М. 3. Производство тонкопленочных микросхем.
М., «Энергия», 1973, 175 с.
136. Миронов Ю. Н., Скорик Н. С., Турунцев В. В. Микросварка золотых
выводов диаметром 40—50 мкм с печатными платами с золотым покрытием и с тон-
копленочными схемами. — «Электронная техника», серия 3 «Микроэлектро-
ника», вып. 6 (46), 1973, с. 83—85.
137. Мияушн, Танака, Рас. Экспонирование рисунка интегральной схемы
с помощью растрового сканирующего электронного микроскопа. — «Зарубежная
электронная техника», 1970, № 2, с. 25—28.
138. Моряков О. С. Производство корпусов полупроводниковых приборов.
М., «Высшая школа», 1968, 167 с.
139. Моряков О. С. Устройство и наладка оборудования полупроводникового
производства. М., «Высшая школа», 1971, 240 с.
140. Москаленко В. Ф., Савичева Э. А. Применение газовых оптических
квантовых генераторов в микроэлектронике. — «Обзоры по электронной тех-
нике», серия «Микроэлектроника», вып. 1 (11), 1972, с. 31.
141. Назаров Г. В., Гревцев Н. В. Сварка и пайка в микроэлектронике. М.,
«Советское радио», 1969, 192 с.
142. Назаров Г. В , Соколов А. В. Технология и оборудование для монтажа
интегральных схем в корпусе с помощью гибких проводников. — «Электронная
техника», серия 7 «Технология, организация производства и оборудование»,
вып. 5 (57), 1973, с. 63—68.
143. Налимов В. В., Чернова Н. А. Статистические методы планирования
экстремальных экспериментов. М., «Наука», 1965, 340 с.
144. Нестерова М. А. Пайка тонких металлических пленок. — «Вопросы
радиоэлектроники», серия IV «Технология, организация производства и оборудо-
вание», вып. 2, 1966, с. 117—193.
145. Неустроев С. А., Соколов Е. Б. Электронно-лучевое экспонирование фото-
резистов.— «Зарубежная электронная техника», 1971, № 11, с. 55—71.
146. Николаев В. Т. О применении кварцевого резонатора в технологическом
контрольно-измерительном оборудовании. — «Электронная техника», серия 7
«Технология, организация производства и оборудование», вып. 6 (58), 1973,
с. 71—75.
147. Николаев В. Т., Антоловскнй М. С., Игнатенко С. Н. Измеритель ско-
рости роста пленок в приборах КИТ-1, КИТ-2. — «Электронная техника», се-
рия «Технология, организация производства и оборудование», вып. 1 (53), 1973,
с. 24—28.
148. Николаев В. Т., Седунов Б. И. Чувствительность кварцевого датчика
толщины тонких пленок. «Электронная техника», серия III «Микроэлектроника»,
вып. 1, 1972, с. 82—87.
149. Онегин Е. Е., Кузьмичев Г. П. Оборудование для монтажа бескорпус-
ных полупроводниковых приборов с жесткими выводами. — «Электронная про-
мышленность», 1972, № 1, с. 80—82.
322
150- Онегин Е. Е., Мистейко Я. Н„ Киселев А. Д. Инструмент для монтажа
интегральных схем. — «Обзоры по электронной технике», серия «Технология,
организация производства и оборудование», вып. 2 (78), 1973, с. 49.
151. Онегин Е. Е., Рыдзевскнй А. П. Влияние величины сварочного напряже-
ния, тока и усилия сжатия на качество соединений при сварке расщепленным элек-
тродом. — «Электронная техника», серия VI «Микроэлектроника», вып. 5 (31),
1971, с. 123—129.
152. Ориентация кристаллов при монтаже ИС. — «Электронная промышлен-
ность», 1973, № 9, с. 92. Авт.: А. М. Шапов, Г. В. Назаров, А. С. Соколов,
А. Н. Царьков.
153. Останокович. Электронное юстировочное устройство для установки
в нужное положение фотопластин с сеткой. — «Зарубежная электронная тех-
ника», 1970, № 2, с. 47—50.
154. Павлушкин Н. М., Журавлев А. К- Легкоплавкие стекла. М., «Энергия»,
1970, 145 с.
155. Палатник Л. С., Фукс М. Я., Косевнч В. М. Механизм образования и
субструктура конденсированных пленок. М., «Наука», 1972, 320 с.
156. Панферов В. П. К вопросу об автоматизации проектирования топологи-
ческих чертежей. — В кн.: «Микроэлектроника», под ред. Ф. В. Лукина, вып. 2.
М., «Советское радио», 1968, с. 303—304.
157. Перспективные направления комплексной микроминиатюризации радио-
электронных устройств. — В кн.: «Микроэлектроника», под ред. Ф. В. Лукина,
вып. 4, «Советское радио», 1971, с. 5—18. Авт.: И. Н. Букреев, И. Н. Варфоло-
меев, Б. Ф. Высоцкий, А. А. Ермолаев, Ю. Б. Степанов.
158. Петров А. А., Цой Е. И. Запись голограмм на фоторезист. — «Электрон-
ная техника», серия 2 «Полупроводниковые приборы», вып. 7 (71), 1972, с. 101 —
107.
159. Пленочная микроэлектроника. Под ред. Л. Холлэнда, М., «Мир»,
1968, 366 с.
160. Плешивцев Н. В. Катодное распыление. М., Автоматиздат, 1968, 343 с.
161. Повышение надежности двухслойных соединений благодаря примене-
нию анодированного алюминия. — «Электроника», 1971, № 7, с. 13—14.
162. Пойманов А. М. Применение пластмассовых корпусов для герметиза-
ции гибридных микросхем. — «Электронная техника», серия 7 «Технология,
организация производства и оборудование», вып. 1 (49), 1972, с. 45.
163. Попов В. И. Фракционирующие сплавы на основе меди и технология
изготовления гибридно-пленочных микросхем. — «Электронная техника», серия
III «Микроэлектроника», вып. 1, 1973, с. 72—78.
164. Пратт. Тонкопленочные диэлектрики на основе окислов, полученных
высокочастотным распылением. «Зарубежная электронная техника», 1970, № 9,
с. 68—83.
165. Пресс Ф. П. Органический проявитель фоторезистов на основе нафта-
хинондиазидов. — «Электронная техника», серия 2 «Полупроводниковые при-
боры», вып. 1, 1970 с. 175—181.
166. Пресс Ф. П. Фотолитография в производстве полупроводниковых при-
боров. М., «Энергия», 1968, 200 с.
167. Пресс Ф. П., Василевская Л. М. О возможности использования фото-
литографии с зазором между фотошаблоном и подложкой. — «Электронная тех-
ника», серия 2 «Полупроводниковые приборы», вып. 7 (71), 1972 с. 64—66.
168. Применение лазеров в микроэлектронике. — «Обзоры по электронной
технике», серия «Микроэлектроника», вып. 65, 1965, 38 с.
169. Применение нелинейного программирования для оптимального рас-
чета геометрических размеров областей транзисторов интегральных полупровод-
никовых схем. — В кн.: «Микроэлектроника», под ред. Ф. В. Лукина, вып. 5,
М., «Советское радио», 1971, с. 118—128. Авт.: Г. Г. Казеинов, Б. В. Баталов,
А. А. Руденко, А. В. Лебедева.
170. Прохоцкий Ю. М., Александрова Ю. А., Давидович Г. А. Фотоматериалы
для фотошаблонов. — «Электронная техника», серия 14, «Материалы», вып. 3,
1969, с. 130—138.
21* 323
171. Разработка корпусов изготовителями БИС. — «Электроника», 1970,
№ 7, с. 47—52.
172. Райхман Я- А. Изготовление фотошаблонов. — «Электронная промыш-
ленность», 1973, Nb 1, с. 42—50.
173. Райхман Я- А. Методы генерирования изображений в производстве
фотошаблонов. — «Электронная техника», серия VI «Микроэлектроника», вып. 5,
1971, с. 7—12.
174. Райхман Я. А., Глазков И. М. Основные тенденции в конструировании
и производстве оборудования для фотолитографии. — «Электронная промышлен-
ность», 1971, № 1, с. 60—62.
175. Решунский Ю. Ф., Николаев Ю. И. Защита изделий электронной тех-
ники массового производства с помощью полимерных материалов. — «Обзоры по
электронной технике», серия «Технология и организация производства», вып. 13
(186), 1970, с. 32.
176. Роиская Л. Ф., Бродя некий Е. А., Скубриев В. Д. Очистка поверхности
полупроводниковых пластин в производстве интегральных схем.—«Обзор по
электронной технике», вып. 3 (293), 1971, с. 125.
177. Россошинский А. А., Табелев В. Д. Микросварка давлением. Киев,
«Техн1ка», 1971, 143 с.
178. Роусон Г. Неорганические стеклсобразующие системы. М., «Мир»,
1970, 312 с.
179. Рубцов И. Н. Основные проблемы современной фотолитографии. —
«Обзоры по электронной технике», серия «Полупроводниковые приборы», вып. 3
(98), 1973, 58 с.
180. Рубцов И. Н., Саркисов Ю. А., Панюшкин А. В. Системы мультиплика-
ции для изготовления фотошаблонов. Части 1 и 2. — «Обзоры по электронной
технике», серия «Полупроводниковые приборы», вып. 16 (134), с. 44—17 (135),
38 с.
181. Рудко В. А., Бутков Ю. Г., Бабер А. И. Проектирование избирательных
соединений в больших интегральных схемах с применением специализированной
ЭВМ. — «Электронная техника», серия VI «Микроэлектроника», вып. 5 (31),
1971, с. 45—63.
182. Рудко В. А., Козлов В. А., Матюков Г. Ф. Способы изготовления пре-
цизионных фотошаблонов. — «Электронная промышленность», 1972, № 5,
с. 43—45.
183. Радзевский А. П., Глазков И. М., Онегин Е. Е. Способы мнкросваркн
давлением, типы и параметры сварочных установок. — «Электронная техника»,
серия III «Микроэлектроника», вып. 1, 1972, с. 98—105.
184. Рысевец В. А., Шадурский Г. П., Канбанов С. Г. Оценка параметров
фотоповторителей. «Электронная промышленность», 1973, № 3, с. 91—92.
185. Савельев П. В., Алдонясов В. И. Способ ускоренных статистических
испытаний сложных электронных схем на основе методов планирования экспе-
риментов и машинных программ анализа. — В кн.: «Методы разработки радио-
электронной аппаратуры», т. I, М., «Советское радио», 1970, с. 86—92.
186. Садчиков П. И., Новокрещенова О. Е., Макаров В. А. Прочность кон-
тактных соединений гибридных тонкопленочных схем. — «Электронная промыш-
ленность», 1972, № 1, с. 64—66.
187. Санторо, Толливер. Многослойная металлизация для БИС. — В кн.:
«Технология толстых и тонких пленок», М., «Мир», 1972, 176 с.
188. Сатаров Г. X. Основные требования к оборудованию для получения
тонкопленочных элементов методом ионного распыления. — «Электронная тех-
ника», серия 6 «Микроэлектроника», вып. 3, 1970, с. 13—18.
189. Сахаров Ю. Г., Чернобровкин Д. И. Сравнительные характеристики тон-
копленочных конденсаторов на основе моноокиси кремния и монокиси гермаиия.
«Электронная техника», серия 14 «Материалы», вып. 6. 1969, с. 82—87.
190. Сергеев В. С., Вожении И. Н. Гибридные интегральные схемы. М.,
«Советское радио», 1973, 63 с.
191. Сиринг С. Очистка поверхности металлов, М., «Мир», 1966, 112 с.
192. Скворцов А. М., Зарецкий И. Л., Норкин Л. Н. О некоторых экономи-
ческих вопросах проектирования и изготовления больших интегральных схем
324
на МОП-транзисторах для запоминающих устройств. — «Электронная техника»,
серия VI «Микроэлектроника», вып. 5 (26), 1970, с. 183—185.
193. Скрупски. Конструирование больших интегральных схем.—«Электро-
ника», 1971, № 9, с. 42—46.
194. Скрупски. Конструирование интегральных схем. — «Электроника»
1971, № 8, с. 27—38.
195. Славинский 3. М., Стаховский С. С. Сварка и пайка в микроэлектро-
нике. «Электронная техника», серия 7 «Технология, организация производства и
оборудование», вып. 2 (60), 1974, с. 18—24.
196. Слеммонс, Ховелл. Усовершенствованные методы соединения выводов
компонентов с тонкопленочными проводниками при сборке гибридных схем. —
«Электроника», т. 38, 1965, № 6, с. 24—34.
197. Слуцкая В. В. Тонкие пленки в технике СВЧ. М., «Энергия», 1967, 456 с.
198. Создание тонкопленочных пассивных микросхем с элементами R н С.
В кн.: «Микроэлектроника», под ред. Ф. В. Лукина, вып. 1, 1967, с. 269—285.
Авт.: О. Е. Бондаренко, И. Н. Букреев, И. Н. Вожении, П. Е. Кандыба, А. И. Ко-
робов, Р. А. Костанян.
199. Старое Ф. Г., Фирдман П. Ф., Шнейдерович Ю. И. Вопросы комплекс-
ной автоматизации разработки БИС. — «Электронная промышленность», 1972,
№ 6, с. 79—86.
200. Стаховскнй С. С., Сорокин А. Я., О надежности герметизации плоских
металлостеклянных корпусов ИС. — «Электронная техника», серия 7 «Техноло-
гия, организация производства и оборудование», вып. 5 (57), 1973, с. 87—90.
201. Талалай А. М., Прошунин В. В., Бабичева Г. П. Применение метода
случайного баланса при исследовании процесса изготовления резисторов гибрид-
ных интегральных схем. — «Электронная техника», серия VI «Микроэлектроника»,
1971, № 3, с. 101 — 109.
202. Танталовые тонкопленочные конденсаторы. — «Новости зарубежной
электронной техники», 1970, № 12, с. 16—19.
203. Точицкий Я- И. Алгоритмы процесса совмещения при фотолитографи-
ческих операциях изготовления микросхем и полупроводниковых приборов. —
«Электронная техника», серия 2 «Полупроводниковые приборы», вып. 2, 1970,
с. 230—242.
204. Трусов Л. И., Холмя некий В. А. Островковые металлические пленки.
М., «Металлургия», 1973, с. 321.
205. Тун. Пленочная технология гибридных схем. — «Электроника», 1970,
№ 2, с. 36—43.
206. Уилкокс. Керамика для монтажа интегральных схем. — «Зарубежная
электронная техника», 1971, № 11, с. 3—19.
207. Уоткинс. Проверка фотошаблонов для изготовления интегральных схем
с помощью пространственных фильтров. — «Зарубежная электронная техника»,
1970, № 6, с. 49—55.
208. Урьяш Ф. В., Гусев В. К. Некоторые особенности испарения тантала
из капли. — «Электронная техника», серия X «Технология и организация про-
изводства», вып. 1 (26), 1969, с. 29—34.
209. Установка для нанесения фоторезиста методом пульверизации. — «Но-
вости зарубежной электронной техники», 1968, № 16, с. 31—32.
210. Федоров Б. Ф. Оптические квантовые генераторы. М., «Энергия», 1966,
88 с.
211. Фер. Корпусная герметизация и монтаж микросхем. «Зарубежная
электронная техника», 1971, № 4, с. 43—57.
212. Фесенко В. В., Болгар А. С. Испарение тугоплавких соединений. М.,
«Металлургия», 1966, 80 с.
213. Физика тонких пленок. Под ред. Хасса Г. и Туна Р. Э., т. I—IV, М.,
«Мир», 1967, 343 с. 396 с. 331 с., 440 с.
214. Фишер, Холл. Материалы контактов для тонкопленочных резисторов. —
В кн.: «Технология толстых и тонких пленок», под ред. А. Рейсмана, К- Роузе.
М., «Мир», 1972, 176 с.
215. Фотолитография и оптика. Под ред. Я. А. Федотова и Г. Поля. Mt,
«Советское радио», 1974, 391 с.
325
216. Фотополимер — перспективный материал для голографии. — «Элек-
троника», 1971, № 13, с. 19—20.
217. Фотошаблоны для интегральных схем и полупроводниковых приборов.—
«Электронная промышленность», 1972, № 7, с. 90—92.
218. Фуников Н. П. Маски и технология их изготовления. Изд. ЛДНТП,
1967, 28 с.
219- Хагл, Бамберг, Педротти. Монтаж ИС методом «филип-чип» — «Зару-
бежная электронная техника», 1970, № 4, с. 3—15.
220. Хазов В. И., Бобкова В. Н. Автоматизированные групповые способы
сборки полупроводниковых приборов и интегральных схем. — «Обзоры по элек-
тронной технике», серия «Микроэлектроника», вып. 4 (55), 1972, с. 27.
221. Харгис. Многослойная керамика со скрытой проводкой.—«Зарубеж-
ная электронная техника», 1971, № 12, с. 35—42.
222. Хикс Ч. Основные принципы планирования эксперимента. М., «Мир»,
1967, 406 с.
223. Холленд Л. Нанесение топких пленок в вакууме. М., «Госэнергоиздат»,
1963, 475 с.
224. Цветные фотошаблоны. — «Новости зарубежной электронной техники»,
1970, № 13, с. 15.
225. Центер Л. С. Избирательный фотомонтаж соединений в производстве
больших интегральных схем. — «Зарубежная электронная техника», 1972,
№ 24, с. 57—64.
226 Черепнин Н. В. Основы очистки, обезгаживания и откачки в вакуумной
технике. М., «Советское радио», 1967, 408 с.
227. Чернобровкин Д. И. Анализ режимов напыления тонкопленочных кон-
денсаторов для микросхем. — «Электронная промышленность», 1973, № 9 (23),
с. 79—80.
228. Чернобровкин Д. И., Сахаров Ю. Т. Влияние некоторых конструктивно-
технологических факторов на выход годных тонкопленочных конденсаторов. —
«Электронная техника», серия 8 «Радиодетали», вып. 1 (18), 1970, с. 25—30.
229. Шампе Р. Физика и техника электровакуумных приборов. Т. I, пер.
с фр., под ред. Р. А. Нелендера, М., Госэнергоиздат, 1963, 256 с.
230. Шантурииа Л. И. Автоматизация проектирования и изготовления интег-
ральных схем. — «Новости зарубежной электронной техники», 1971, № 19,
с. 21—32.
231. Шоршоров М. X., Каракозов Э. С. Расчеты режимов сварки давлением.
Изд. ЛДНТП, 1969, 31 с.
232. Штерн Кэрол. Полупроводниковые кристаллы для гибридных схем. —
«Зарубежная электронная техника», 1971, № 9, с. 50—54.
233. Штерн Л. Основы проектирования интегральных схем. М., «Энергия»,
1973, 328 с.
234. Щеглова В. В., Мякиненков В. И. О новых диэлектрических материалах
в производстве полупроводниковых приборов и интегральных схем. — «Обзоры
по электронной технике», серия «Полупроводниковые приборы», вып. 10 (309),
1971, с. 87.
235. Экспонирование фоторезиста электронным лучом. — «Новости зарубеж-
ной электронной техники», 1967, № 23, с. 30—31.
236. FiId R. The New World of Leaded Chips «1ЕЕ», v. 27, № 8, 1968, p. 100.
237. Hoffman R., Linsmeister G. Transparante Masken ein bedeutender Fort-
schritt in der Photolithografie «Feinwerktechnik», N 1, 1971, p. 16.
238. .Improved Beam—Lead .Interconnection Structure for Uncasade .Integra-
ted Circuit Chips «Solid State Technology», v. 14, № 3, 1971, p. 10.
239. Maissel L. Thin Film Resistor Materials and Characteristics «Solid State
Technology», v. 11, № 5, 1968, pp. 27—32.
240. Rosenau M., Jones R. and Contente L. Optical Projection System Design
for Photoresist Exposure «Applied Optics», v. 8, № 1, 1969, pp. 75—77.
241. Srupillo R. Chromium Masks «Solid State Technology», v. 12, № 7, 1969,
pp. 27—33, 42.
242. White P. Dielectric problems in Microelectronics «Electro—Technology»,
v. 69, 1962, p. 106.
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие 3
Введение 6
Глава 1
ЭЛЕМЕНТЫ ТОНКОПЛЕНОЧНЫХ МИКРОСХЕМ 14
1. Тонкопленочные резисторы 15
2. Тонкопленочные конденсаторы 30
3. Тонкопленочные индуктивности 35
4. Проводники и контактные площадки 39
5. Подложки для тонкопленочных микросхем 46
Г л а в а 2
МЕТОДЫ И ТЕХНОЛОГИЯ ФОРМИРОВАНИЯ
ТОНКОПЛЕНОЧНЫХ СТРУКТУР 50
1. Технология очистки подложек для тонкопленочных микросхем 51
2. Термовакуумное напыление 58
3. Катодное распыление 81
4. Контроль технологических режимов и параметров пленок
в процессе формирования тонкопленочных структур 96
Глава 3
МЕТОДЫ И ТЕХНОЛОГИЯ ФОРМИРОВАНИЯ РИСУНКА
ТОНКОПЛЕНОЧНЫХ СТРУКТУР 105
1. Классификация методов формирования рисунка тонкопленочных струк-
тур 105
2. Технология изготовления фотошаблонов и трафаретов 121
3. Фотолитография в тонкопленочной технологии 142
Глава 4
РАСЧЕТ И ПРОЕКТИРОВАНИЕ ПАССИВНОЙ ЧАСТИ
ГИБРИДНЫХ ТОНКОПЛЕНОЧНЫХ МИКРОСХЕМ 159
1. Погрешности резисторов интегральных схем 159
2. Линейная погрешность 163
3. Контактная погрешность 168
4. Градиентная погрешность 169
5. Аппаратурная погрешность 175
6. Расчет выходных параметров технологического процесса 189
327
Глава 5
ТЕХНОЛОГИЯ СБОРКИ И МОНТАЖА
ГИБРИДНОПЛЕНОЧНЫХ МИКРОСХЕМ 194
1. Подгонка элементов тонкопленочных микросхем 194
2. Технология микроконтактирования в гибридных тонкопленочных ми-
кросхемах 213
3. Герметизация микросхем 232
Глава 6
БОЛЬШИЕ ГИБРИДНЫЕ ИНТЕГРАЛЬНЫЕ СХЕМЫ 245
L Основные конструктивно-технологические направления в разработке
больших интегральных схем 245
2. Многослойная коммутация на диэлектрической подложке для БГИС 254
3. Сборка и монтаж БГИС 280
4. Автоматизация проектирования, изготовления и испытания БИС 299
Список литерату р^ы 316
Владимир Давидович Гимпельсон,
Юрий Александрович Радионов
ТОНКОПЛЕНОЧНЫЕ МИКРОСХЕМЫ ДЛЯ ПРИБОРОСТРОЕНИЯ
И ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ
Редактор издательства Е. В. Григории-Рябова
Техн, редактор Л. П. Гордеева
Корректор В. А. Воробьева
Переплет художника Е. С. Пермякова
Сдано в набор 22/IV 1976 г. Подписано к печати 13/1 X 1976 г. Т-14889
Формат 60x9071# Бумага типографская № 1 Усл. печ. л. 20,5 Уч.-изд. л. 24,0
Тираж 9800 экз. Заказ 1002 Цена 1 р. 51 к.
Издательство «Машиностроение*, 107885, Москва, Б-78, 1-й Басманный пер., дом 3
Ленинградская типография № 6 Союзполиграфпрома прн Государственном комитете
Совета Министров СССР по делам издательств, полиграфии и книжной торговли
193144, Ленинград, С-144, ул. Моисеенко. 10.