--PAGE_BREAK--Общие сведения о микросхемах и технологии их изготовления.
Тактико-технические, конструктивно-технологические, эксплуатационные и экономические характеристики ЭВМ и систем определяют примененные в них микросхемы, выполняющие функции преобразования, хранения, обработки, передачи и приема информации.
Микросхемой (интегральной микросхемой — ИМС, интегральной схемой — ИС)называют функционально законченный электронный узел (модуль), элементы и соединения в котором конструктивно неразделимы и изготовлены одновременно в едином технологическом процессе в общем кристалле-основании.
Теория, методы расчета и изготовления микросхем составляют основу микроэлектроники — современной наукоемкой отрасли техники.
По конструктивно-технологическому исполнению микросхемы делятся на полупроводниковые и гибридно-пленочные. Полупроводниковые микросхемы имеют в своей основе монокристалл полупроводникового материала (обычно кремния), в поверхностном слое которого методами литографии и избирательного легирования создаются транзисторы, диоды, резисторы и (иногда) конденсаторы, а соединения между ними формируются по поверхности кристалла с помощью тонкоплёночной технологии. Полупроводниковые микросхемы могут быть однокристальными (монолитными) и многокристальными (микросборками). Однокристальная микросхема может иметь индивидуальный герметизированный корпус с внешними выводами для монтажа на коммутационной (печатной) плате, или быть бескорпусной и входить в состав микросборки.
Многокристальная микросхема (микросборка) представляет собой совокупность бескорпусных микросхем, смонтированных на общей коммутационной плате. В качестве компонентов в микросборке могут присутствовать бескорпусные согласующие резисторы и развязывающие конденсаторы. Вследствие высокой насыщенности связей коммутационная плата выполняется многоуровневой и, таким образом, является миниатюрным аналогом многослойной печатной платы. При изготовлении коммутационной платы может быть использована как тонкоплёночная, так и толстоплёночная технологии.
Гибридно-плёночные микросхемы включают в себя плёночные пассивные элементы (резисторы и конденсаторы), коммутационные проводники, нанесённые непосредственно на подложку из изоляционного материала, и бескорпусные полупроводниковые кристаллы (транзисторы, диоды, диодные матрицы, несложные микросхемы), монтируемые на той же подложке. Пассивные элементы и проводники могут быть выполнены по тонкоплёночной или толстоплёночной технологии.
В качестве активных элементов в полупроводниковых микросхемах используются униполярные (полевые) транзисторы со структурой “металл – диэлектрик (оксид) – полупроводник” (МДП- или МОП-транзисторы) и биполярные транзисторы. В соответствии с этим все полупроводниковые микросхемы делятся на три основные вида: биполярные, униполярные (МДП или МОП) и биполярно-полевые.
Число элементов в интегральной микросхеме характеризует ее степень интеграции. По этому параметру все микросхемы условно делят на малые (МИС – до 102 элементов на кристалл), средние (СИС – до 103), большие (БИС – до 104), сверхбольшие (СБИС – до 106), ультрабольшие (УБИС – до 109) и гигабольшие (ГБИС – более 109 элементов на кристалл).
Наиболее высокой степенью интеграции обладают цифровые интегральные схемы с регулярной структурой: схемы динамической и статической памяти, постоянные и перепрограммируемые ЗУ. Это связано с тем, что в таких схемах доля участков поверхности ИС, приходящаяся на межсоединения, существенно меньше, чем в схемах с нерегулярной структурой.
Укрупненные схемы технологических процессов изготовления полупроводниковых (монолитных) и гибридно-пленочных ИС приведены соответственно на рис. 1 и 2. В последующих разделах приведено описание характерных особенностей выполнения отдельных технологических операций, в основном определяющих основные параметры интегральных микросхем.
Рис. 1. Укрупненная схема технологического процесса изготовления полупроводниковых (монолитных) ИС.
Рис. 2. Укрупненная схема технологического процесса изготовления гибридно-пленочных ИС.
Изготовление монокристалла полупроводникового материала.
Монокристалл– отдельный однородный кристалл, имеющий во всем объеме единую кристаллическую решетку и зависимость физических свойств от направления (анизотропия). Электрические, магнитные, оптические, акустические, механические и др. свойства монокристалла связаны между собой и обусловлены кристаллической структурой, силами связи между атомами и энергетическим спектром электронов.
Монокристаллы для полупроводниковой промышленности (кремний, германий, рубин, гранаты, фосфид и арсенид галлия, ниобат лития и др.) изготавливаются, как правило, методом Чохральского путем вытягивания из расплава с помощью затравки. На рис. 3 приведена схема установки для выращивания монокристаллов по методу Чохральского. Тигель с расплавом 1 размещается в печи 2. Затравка 3, охлаждаемая холодильником 4, медленно поднимается под действием механизма вытягивания 5, увлекая за собой монокристалл полупроводникового материала. Монокристалл растет на затравке со скоростью до 80 мм/ч. Расплав смачивает затравку и удерживается на ней силами поверхностного натяжения. Температуру расплава и скорость кристаллизации можно изменять независимо. Отсутствие прямого контакта растущего монокристалла с тиглем и возможность изменения его геометрической формы позволяет получать бездислокационные монокристаллы. Получаемые методом Чохральского монокристаллы имеют форму цилиндра длиной до 1 метра и более и диаметром 20…300 мм.
Монокристалл после охлаждения калибруют по диаметру до заданного размера с точностью ± 1 мм. Затем производится травление его поверхности на глубину 0,3…0,5 мм и ориентация по заданному кристаллографическому направлению (для Si, например, чаще всего по оси ), чтобы получить после разрезки пластины, ориентированные строго в заданной плоскости. Правильная ориентация пластин обеспечивает высокую воспроизводимость электрофизических параметров создаваемых на пластине приборов методом диффузии, эпитаксии и др.
продолжение
--PAGE_BREAK--Разрезка монокристалла и получение пластин.
Разрезку монокристаллов на пластины осуществляют чаще всего абразивными дисками с режущей кромкой, покрытой алмазной крошкой размером 40…60 мкм. Толщина режущей алмазной кромки диска 0,18…0,20 мм, при этом ширина реза получается 0,25…0,35 мм.
Так как на поверхности пластин остаются царапины, сколы, трещины и другие дефекты, нарушающие однородность структуры поверхностного слоя, их шлифуют, травят и полируют. При шлифовании достигается неплоскопараллельность пластин не более 3 мкм и прогиб по поверхности не более 10 мкм.
При травлении удаляется нарушенный слой толщиной 5…30 мкм и снимаются внутренние напряжения, возникшие в процессе шлифования.
Окончательная тонкая доводка поверхности пластин производится полированием абразивными порошками или пастами, а затем химико-механическим способом с применением суспензий, золей и гелей. В результате получают полупроводниковую пластину диаметром 20…250 мм толщиной от десятков до нескольких сотен микрометров с шероховатостью обработанной поверхности
Изготовление фотошаблонов.
Фотошаблоны широко применяются в технологии интегральных микросхем как на стадии формирования активных элементов в полупроводниковом материале, так и при создании пассивных элементов и межсоединений.
Фотошаблон– стеклянная пластина (подложка) с нанесенным на ее поверхности маскирующим слоем – покрытием, образующим трафарет с прозрачными и непрозрачными для оптического излучения участками. В процессе фотолитографии слой фоторезиста экспонируется в соответствии с рисунком покрытия, имеющегося на фотошаблоне.
Подложку фотошаблона выполняют либо из обычного стекла (при экспонировании светом с длиной волны lболее 300 нм), либо из кварцевого стекла (при lменее 300 нм). В качестве материала маскирующего слоя фотошаблона обычно используется хром, оксиды хрома, железа и др., образующие твердые износостойкие покрытия.
К фотошаблонам для производства полупроводниковых структур предъявляется комплекс требований, к которым в первую очередь следует отнести следующие: оптическая плотность маскирующего материала должна быть не менее 2,0; толщина маскирующего материала – не более 100 нм; его отражательная способность не выше 15%; неплоскостность от нескольких мкм до десятков мкм (для разных классов фотошаблонов); микродефектность порядка 0,1 см-2; краевая четкость рисунка не ниже 0,1 мкм для элементов изображения с размером менее 1 мкм.
Понятие о структуре и топологии.
Конструкция полупроводниковой микросхемы полностью определяется её физической структурой (совокупностью слоёв в кристалле, отличающихся материалом и электрофизическими свойствами) и топологией (формой, размерами, относительным расположением отдельных областей и характером межсоединений по поверхности кристалла). Можно также сказать, что структура – это чертёж поперечного сечения кристалла интегральной микросхемы, а топология – вид в плане.
На рис 4, а приведен фрагмент структуры микросхемы, представляющей n-p-n-транзистор и включённый в коллекторную цепь резистор, а на рис. 4, б – топология этого же участка. На рис. 4, а цифрами обозначены: 1 – исходная монокристаллическая пластина – подложка; 2 – открытый слой; 3-эпитаксиальный слой (он же коллекторный); 4 – разделительный слой; 5 – базовый слой; 6 – эмиттерный слой; 7 – изолирующий слой с контактными окнами; 8 – слой металлизации; 9 – защитный слой (обычно SiO2).
Фрагмент интегральной микросхемы: а – структура; б – топология.
Каждый из слоёв 2…6 представляет собой совокупность отдельных островков (областей), имеющих одинаковые толщины, тип проводимости (электронная n или дырочная p) и характер распределения примеси по толщине. Это достигается одновременным введением примеси через окна защитной маски из SiO2, формируемой предварительно на поверхности пластины-кристалла. В отличие от слоёв 2…6 слои 7, 8 и 9 получают путём формирования сплошной плёнки и последующего избирательного травления с использованием фотошаблона. В результате изолирующий слой 7 (SiO2) содержит контактные окна, слой металлизации 8 (обычно Al) – систему соединительных проводников и периферийные монтажные площадки, а слой 9 – окна над монтажными площадками.
Приведённая структура получила название эпитаксиально-планарной и предполагает взаимную изоляцию смежных элементов за счёт обратносмещенных p-n-переходов на границах изолирующего слоя. Высоколегированный скрытый слой (n+) служит для уменьшения сопротивления коллекторов транзисторов и за счёт этого повышения их быстродействия. Области n+ под коллекторными контактами исключают образование потенциального барьера (барьера Шоттки), обеспечивают, таким образом, омический контакт со слаболегированным коллектором и принадлежат эмиттерному слою.
Проектирование полупроводниковых резисторов в ИМС.
Структура и топология резистора, сформированного в полупроводниковом материале, приведены на рис. 15. Сопротивление резистора складывается из сопротивления линейной части, которое подчиняется выражению R=Rсл×l
/a, и сопротивления приконтактных областей, которое определяется через эмпирический коэффициент k, выраженный в долях Rсл.
Коэффициент k зависит от формы и размеров приконтактной области и ширины а линейной части резистора. Он определяется по номограммам, приведенным в табл. 3. Размер а должен быть минимально возможным, но следует учитывать, однако, возможности технологии и требования точности сопротивления (с уменьшением ширины точность уменьшается).
Для расчета минимальных размеров приконтактных областей используются правила, изложенные в разделе 12. Подробные сведения о расчете резисторов читатель может найти в [ ]. После определения а и k по выражению (35) определяют длину lлинейной части резистора. Для формирования резисторов могут быть использованы любые слои физической структуры ИМС. В практике проектирования и производства находят применения резисторы на основе эмиттерного слоя (сопротивления в несколько десятков Ом), базового слоя (от сотен до нескольких тысяч Ом), слоя активной базы (десятки тысяч Ом, так называемые «ПИНЧ-резисторы»).
продолжение
--PAGE_BREAK--Расчет топологических размеров областей транзистора.
При проектировании элементов и областей микросхемы конструктор обязан обеспечить минимально возможные размеры. Если нет ограничений по мощности, то минимальные размеры областей биполярного транзистора ограничены возможностями технологии: аmin — минимально надёжно воспроизводимый размер (так называемая конструкторская или топологическая норма); ±D
п— абсолютные предельные отклонения размеров топологических элементов на пластине; ±D
с— абсолютные предельные значения погрешности совмещения двух смежных слоёв на пластине.
Далее рассмотрим расчёт размеров эмиттерной области, с которой начинается топологическое проектирование транзистора (рис. 20). Вначале определяется минимально возможный номинальный размер металлического вывода над контактным окном l
эп1(рис. 20, а).
К топологическому расчету эмиттерной области.
При этом должно быть обеспечено гарантированное заполнение металлом контактного окна и с учетом этого требования рассматривается наиболее неблагоприятное сочетание погрешностей (расчёт на наихудший случай). Размер контактного окна можно принять равным топологической норме (l
эк1
³
аmin). Наихудший (критический) случай возникает, если размер l
эк1оказался выполненным по максимуму (+D
п), а размер l
эп1— по минимуму (-D
п). С учётом возможного максимального смещения площадки в ту или другую сторону на D
cрасчётная схема приводит к следующему выражению:
Далее определяется размер l
э1собственно эмиттерной области (рис. 20, б) из условия, что металлическая площадка не должна выступать за пределы области. Наихудший случай заключается в том, что размер l
э1выполнен по минимуму, а размер l
эп1— по максимуму. Поскольку при изготовлении рисунок контактных окон совмещался с рисунком эмиттерного слоя, а рисунок металлизации — с рисунком контактных окон, максимальная погрешность положения металлической площадки относительно эмиттерной области составит 2D
cв ту или другую сторону. Согласно расчётной схеме
Для маломощных транзисторов эмиттерная область проектируется квадратной (l
э2
=
l
э1). С повышением мощности периметр эмиттера увеличивают за счёт увеличения размера l
э2(с учётом эффекта оттеснения тока в эмиттере к краям области). Аналогичные правила заложены в расчёт размеров базовых и коллекторных областей, причём погрешность совмещения этих областей с металлическими контактами продолжает накапливаться, и её предельное значение достигает 6D
cдля базовых областей и 8D
c— для коллекторных.
Термическое вакуумное напыление.
Основными элементами установки вакуумного напыления, упрощенная схема которой представлена на рис. 21, являются: 1 — вакуумный колпак из нержавеющей стали; 2 — заслонка; 3 — трубопровод для водяного нагрева или охлаждения колпака; 4 — игольчатый натекатель для подачи атмосферного воздуха в камеру; 5 — нагреватель подложки; 6 — подложкодержатель с подложкой, на которой может быть размещен трафарет; 7 — герметизирующая прокладка из вакуумной резины; 8 — испаритель с размещённым в нём веществом и нагревателем (резистивным или электронно-лучевым).
Процесс проведения операции вакуумного напыления включает в себя выполнение следующих действий. В верхнем положении колпака с подложкодержателя снимают обработанные подложки и устанавливают новые. Колпак опускают и включают систему вакуумных насосов (вначале для предварительного разрежения, затем высоковакуумный). Для ускорения десорбции воздуха с внутренних поверхностей и сокращения времени откачки в трубопровод подают горячую проточную воду. По достижении давления внутри камеры порядка 10-4 Па (контроль по манометру) включают нагреватели испарителя и подложек. По достижении рабочих температур (контроль с помощью термопар) заслонку отводят в сторону и пары вещества достигают подложки, где происходит их конденсация и рост плёнки. Система автоматического контроля за ростом плёнки фиксирует либо толщину плёнки (для диэлектрика плёночных конденсаторов), либо поверхностное сопротивление (для резисторов), либо время напыления (проводники и контакты, защитные покрытия). Вырабатываемый при этом сигнал об окончании напыления после усиления воздействует на соленоид заслонки, перекрывая ею поток пара. Далее отключают нагреватели испарителя и подложек, выключают систему откачки, а в трубопровод подают холодную проточную воду. После остывания подколпачных устройств через натекатель плавно впускают атмосферный воздух. Выравнивание давлений внутри и вне колпака даёт возможность поднять его и начать следующий цикл обработки.
Процесс термического вакуумного напыления характеризуется температурой на испарителе t°ис, давлением воздуха в рабочей камере P0, температурой нагрева подложек t°п. Температура нагрева вещества в испарителе (t°ис) должна обеспечивать достаточно высокую интенсивность испарения, чтобы время напыления пленки не превышало 1-2 минут. В то же время чрезмерно высокая интенсивность приводит к образованию мелкозернистой неустойчивой структуры в плёнке, о чём будет сказано ниже.
Интенсивность испарения удобно характеризовать упругостью пара (давлением пара в состоянии насыщения) PS. Упругость пара для данного вещества зависит только от температуры:
где А и В — коэффициенты, характеризующие род материала (табл. 6); Т — абсолютная температура вещества, К.
Таблица 6. Температуры плавления и испарения некоторых элементов.
* Значения в скобках для твердого состояния.
** Рекомендуется испарение электронно-лучевым нагревом или распыление ионной бомбардировкой.
Оптимальной интенсивностью испарения принято считать интенсивность, при которой упругость пара составляет ~1,3 Па. Соответствующая этой упругости температура испарения называется условной и может быть вычислена из (42). Так, для алюминия она равна 1150°С, для хрома — 1205°С, для меди — 1273°С, для золота — 1465°С и т.д.
Низкое давление воздуха Р0 в рабочей камере необходимо для:
1. обеспечения свободной диффузии атомов вещества испарителя в объём рабочей камеры;
2. прямолинейного движения атомов вещества без столкновения с молекулами остаточного воздуха и бесполезного рассеивания материала в объёме камеры;
3. исключения химического взаимодействия напыляемого вещества с молекулами воздуха.
Перечисленные условия обеспечиваются при остаточном давлении Р0£10-4 Па. Такой вакуум сравнительно легко достигается с помощью форвакуумного механического и высоковакуумного диффузионного насосов, включённых последовательно.
Температура подложки в процессе осаждения оказывает существенное влияние на структуру плёнки, а, следовательно, и на стабильность её электрофизических свойств в процессе эксплуатации.
Атомы вещества поступают на подложку с энергией кТ (к=8,63×10-5 эВ/К- постоянная Больцмана; Т — абсолютная температура) и скоростями порядка 1000 м/с. Часть энергии при этом передаётся поверхностным атомам подложки, а остаточная энергия позволяет им некоторое время мигрировать в поверхностном потенциальном поле. Доля остаточной энергии тем выше, чем выше температура подложки. В процессе миграции атом может либо покинуть подложку (на потенциальном бугре поля), либо частично погасить энергию, вступив во взаимодействие с другим мигрирующим атомом. Полностью потерять способность мигрировать и закрепиться на нагретой подложке (конденсироваться) может лишь многоатомная группа, которая становится одним из центров кристаллизации. При невысокой плотности потока атомов, т.е. умеренной температуре на испарителе, число центров кристаллизации на единицу площади невелико и к моменту образования сплошной плёнки вокруг них успевают вырасти крупные кристаллы.
Снижение температуры подложки и повышение плотности потока приводит к более раннему образованию центров кристаллизации, увеличению их числа на единицу площади и формированию мелкокристаллической структуры. В процессе эксплуатации электронной аппаратуры, когда она подвергается периодическим циклам нагрева и медленного охлаждения мелкокристаллическая структура постепенно рекристаллизуется в крупнокристаллическую. Электрофизические свойства при этом необратимо изменяются, происходит «старение» плёнки. В резистивных плёнках, например, наблюдается со временем уменьшение удельного сопротивления.
Итак, для формирования тонких плёнок, стабильных в процессе эксплуатации, необходимо подложку нагревать и не форсировать процесс напыления за счёт повышения температуры на испарителе.
В производстве тонкоплёночных структур, как и в случае полупроводниковых, используются групповые подложки. Групповые подложки имеют прямоугольную форму с размерами 60х48 мм или 120х96 мм, изготовлены из изолирующего материала (ситалл, поликор, стекло) и рассчитаны на одновременное изготовление до нескольких десятков идентичных модулей. Таким образом, свойства напыленной плёнки должны быть одинаковы на всей площади групповой подложки.
В первом приближении поток атомов от испарителя к подложке представляет собой расходящийся пучок и поэтому плотность потока в плоскости подложки не равномерна: в центре подложки она максимальна и убывает от центра к периферии. Это означает, что при напылении плёнки на неподвижную подложку в центральной области подложки образуется более толстая плёнка, нежели на краях подложки. Например, резисторы, сформированные в центральных модулях, будут иметь заниженные сопротивления по сравнению с аналогичными резисторами периферийных модулей.
С учётом изложенного производственные установки термовакуумного напыления снабжены вращающимися устройствами (дисками, барабана-ми), несущими несколько подложек (6, 8 или 12). Подложки последовательно и многократно проходят над неподвижным испарителем (рис. 22), постепенно набирая необходимую толщину плёнки. В результате центральный «холм», который мог бы образоваться, на неподвижной подложке, размывается в «хребет», вытянутый в направлении движения подложки. Для выравнивания толщины плёнки в поперечном направлении применяют корректирующую диафрагму, устанавливаемую между испарителем и подложкой в непосредственной близости от нее. Профиль диафрагмы рассчитывается на основании исследования рельефов плёнки, получаемых при напылении на неподвижную и движущуюся подложки. В результате различия времени облучения центральной и периферийной зон подложки равномерность толщины плёнки на всей площади групповой подложки повышается и находится в пределах ±2% (для подложек 60х48 мм).
Технические характеристики установки типа УВН-71П-3 следующие:
продолжение
--PAGE_BREAK-- Распыление ионной бомбардировкой.
Термическое вакуумное напыление имеет ряд недостатков и ограничений, главные из которых следующие:
1. Напыление плёнок из тугоплавких материалов (W, Mo, SiO2, Al2O3 и др.) требует высоких температур на испарителе, при которых неизбежно «загрязнение» потока материалом испарителя.
2. При напылении сплавов различие в скорости испарения отдельных компонентов приводит к изменению состава плёнки по сравнению с исходным составом материала, помещённого в испаритель.
3. Инерционность процесса, требующая введения в рабочую камеру заслонки с электромагнитным приводом.
4. Неравномерность толщины плёнки, вынуждающая применять устройства перемещения подложек и корректирующие диафрагмы.
Первые три недостатка обусловлены необходимостью высокотемпературного нагрева вещества, а последний — высоким вакуумом в рабочей камере.
Процесс распыления ионной бомбардировкой является «холодным» процессом, т.к. атомарный поток вещества на подложку создаётся путём бомбардировки поверхности твёрдого образца (мишени) ионами инертного газа и возбуждения поверхности атомов до энергии, превышающей энергию связи с соседними атомами. Необходимый для этого поток ионов создаётся в электрическом газовом разряде, для чего давление газа в рабочей камере должно быть в пределах 0,1×10 Па, т.е. на несколько порядков более высокое, чем в камере установки термовакуумного напыления.
Последнее обстоятельство приводит к рассеиванию потока атомов с мишени и повышению равномерности толщины осаждаемых плёнки до ±1%, причём без применения дополнительных устройств.
Катодное распыление.
Катодное распыление— одна из разновидностей распыления ионной бомбардировкой постепенно вытесняется более совершенными процессами высокочастотного и магнетронного распыления. Однако, будучи относительно простым и в то же время содержащим все основные черты этой группы процессов, оно представляет собой наиболее удобную форму для изучения процессов этого вида распыления вообще. На рис. 23 представлена схема рабочей камеры установки катодного распыления. Основными элементами камеры являются: 1 — анод с размещенными на нём подложка- ми; 2 — игольчатый натекатель, обеспечивающий непрерывную подачу аргона; 3 — катод — мишень из материала, подлежащего распылению и осаждению; 4 — вакуумный колпак из нержавеющей стали; 5 — экран, охватывающий катод с небольшим зазором и предотвращающий паразитные разряды на стенки камеры; 6 — постоянный электромагнит, удерживающий электроны в пределах разрядного столба; 7 — герметизирующая прокладка. Из рис. 6.23 также видно, что питание осуществляется постоянным напряжением, и что нижний электрод с подложками заземлён и находится под более высоким потенциалом, чем катодмишень. Переменная нагрузка служит для регулирования тока разряда.
На рис. 24 представлена упрощённая структура разряда и распределение потенциала вдоль разряда, а также типы частиц, участвующих в процессе.
Разряд разделён на две зоны: тёмное катодное пространство и светящаяся область. На тёмное катодное пространство приходится основное падения напряжения. Здесь заряженные частицы разгоняются до энергии, достаточной, чтобы ионы, бомбардируя катод-мишень, освобождали поверхностные атомы и электроны (если мишень из проводящего материала), а электроны — на границе тёмного катодного пространства ионизировали молекулы аргона. При ионизации образуется ион аргона, который, ускоряясь, стремится к мишени, и электрон, который, как и «отработанный» ионизирующий электрон, дрейфует к аноду в слабом поле светящейся области. Освобожденный с поверхности мишени атом вещества, преодолевая столкновения с молекулами и ионами аргона, достигает поверхности подложки. При этом непрерывный поток ионов бомбардирует мишень, и непрерывный поток атомов вещества движется к подложке.
Режимы катодного распыления.
На рис. 25а приведена вольт-амперная характеристика разряда. При подаче постоянного напряжения в несколько киловольт происходит пробой межэлектродного промежутка, быстрое нарастание тока и падение напряжения в разряде (область зажигания разряда I). При увеличении тока разряда за счёт уменьшения сопротивления Rн площадь катода-мишени, покрытая разрядом, возрастает, плотность разрядного тока и напряжение на разряде остаются постоянными и невысокими, а скорость распыления мала (область нормально тлеющего разряда II). В области III вся площадь мишени покрыта разрядом, и увеличение разрядного тока приводит к повышению плотности разрядного тока, напряжения на разряде и скорости распыления. Область Ш, называемая областью аномально тлеющего разряда, используется в качестве рабочей области в процессах катодного распыления. Для предотвращения перехода в область дугового разряда (область IV) предусмотрены интенсивное водяное охлаждение мишени и ограничение источника питания по мощности.
На рис. 25, б выделена рабочая область III ВАХ. Крутизна характеристики в этой области зависит от давления рабочего газа, в нашем случае аргона. Рабочая точка, характеризующая режимы обработки — давление газа Р, ток Jp и напряжение Up разряда, лежит на нагрузочной характеристике источника питания:
где Uп — напряжение питания.
С другой стороны, скорость распыления мишени W[г/см2×с]
где С — коэффициент, характеризующий род распыляемого материала и род рабочего газа; Uнк — нормальное катодное падение напряжения (область II ВАХ); jp — плотность разрядного тока; dTП — ширина тёмного катодного пространства.
Из (44) следует, что максимальная скорость распыления достигается при максимальной мощности, выделяемой в разряде. Согласно нагрузочной характеристике (43):
Максимум этой функции определяет оптимальные значения тока Jp0 и напряжения и . При этом однозначно определяется оптимальное значение давления рабочего газа. Выбор значений Un и Rн должен, как было сказано, предотвращать переход в область дугового разряда, при котором наблюдается выброс с мишени крупных частиц и осаждение тонкой, однородной по толщине плёнки становится невозможным.
Другие виды распыления.
К ограничениям и недостаткам процесса катодного распыления относятся
1. Возможность распыления только проводящих материалов, способных эмиттировать в разряд электроны, ионизирующие молекулы аргона и поддерживающие горение разряда.
2. Малая скорость роста плёнки (единицы нм/с) из-за значительного рассеивания распыляемых атомов материала в объёме рабочей камеры.
Первый недостаток, имеющий характер ограничения, преодолевается в процессах высокочастотного распыления. При замене постоянного напряжения на переменное диэлектрическая мишень становится конденсатором и подвергается бомбардировке ионами в отрицательный полупериод питающего напряжения. Иначе говоря, распыление мишени происходит не непрерывно, как при катодном распылении, а дискретно с частотой питающего напряжения (обычно 13,56 Мгц).
При высокой частоте и согласованным с ним расстоянием от мишени до подложек электроны, находящиеся в срединной части высокочастотного разряда, не успевают достигать электродов за время полупериода, они остаются в разряде, совершая колебательные движения и интенсивно ионизируя рабочий газ. Это обстоятельство позволяет снизить давление рабочего газа без снижения разрядного тока, т.к. степень ионизации заметно повышается (второй недостаток катодного распыления). Характерные режимы высокочастотного распыления: Р=0,5…5 Па; Jp=1…2 А; Up=1…2 кВ.
В установках магнетронного распыления (в частности ВЧ-магнетронного) приняты меры для дальнейшего, существенного снижения давления рабочего газа и повышения за счёт этого скорости осаждения плёнки. С этой целью на разрядный столб накладывается постоянное магнитное поле, вектор которого перпендикулярен вектору электрического поля. В результате движение электронов происходит по сложным (близким к циклоидам) траекториям, степень ионизации рабочего газа существенно повышается и это даёт возможность снизить давление газа, не снижая (и даже повышая) разрядный ток. Главный итог этих мер — повышение скорости роста плёнки до нескольких нм/с, что сравнимо со скоростями в процессах термического вакуумного напыления. Характерные режимы ВЧ-магнетронного распыления: Р=0,1…0,5 Па; Jp=2…4 А; Up=0,7…1 кВ.
Толстые плёнки толщиной в несколько десятков мкм применяют для изготовления пассивных элементов (резисторов, конденсаторов, проводников и контактов) в гибридных толстоплёночных микросхемах, а также проводников и изолирующих слоёв в некоторых типах многоуровневых коммутационных микроплат.
В основе толстоплёночной технологии лежит использование дешёвых и высокопроизводительных процессов, требующих небольших единовременных затрат на подготовку производства, благодаря чему она оказывается экономически целесообразной и в условиях мелкосерийного производства. Высокая надёжность толстоплёночных элементов обусловлена прочным (свыше 50 кгс/см2) сцеплением с керамической подложкой, которое достигается процессом вжигания пасты в поверхностный слой керамики.
В целом толстоплёночная технология состоит из ряда последовательных идентичных циклов, структурная схема которых приведена на рис. 30. При формировании каждого слоя (резистивного, проводящего, диэлектрического и т.п.) используют соответствующие пасты, которые через сетчатый трафарет наносят на подложку, подвергают сушке и вжиганию. По завершении формирования всех слоёв все резисторы и конденсаторы проходят подгонку (обычно лазерную) до заданной точности.
продолжение
--PAGE_BREAK-- Толстоплёночные пасты.
В готовом (вожжённом) состоянии толстоплёночный элемент состоит из мелких функциональных частиц, находящихся в массовом контакте друг с другом (рис. 31) и «склеенных» стеклом с невысокой (400¸500°С) температурой плавления.
Для проводящих элементов используются порошки серебра, палладия и других металлов с высокой электропроводностью. Для резистивных — смесь порошков проводящих частиц и частиц окислов металлов в различных пропорциях, что позволяет варьировать удельное поверхностное сопротивление в широких пределах. Диэлектрические слои конденсаторов содержат порошки сегнетоэлектриков, которые, обладая большим значением относительной диэлектрической проницаемости e, обеспечивают большие значения удельной ёмкости С0 [Ф/см2]. Изолирующие слои, наоборот, создаются на основе порошков стёкол с малыми eи С0. Функциональные частицы должны в процессе вжигания сохранять твёрдое состояние и массовый контакт, т.е. иметь температуру плавления более 900°С.
Для приготовления паст в смесь порошков функциональных частиц и низкотемпературного стекла добавляют технологическую связку, обычно органические масла. В процессе вжигания нанесённых элементов она должна разлагаться и полностью удаляться из слоя.
Особую группу паст представляют собой лудящие пасты. Они состоят из частиц припоя, смоченных раствором флюса (например, канифоль в спирте). После нанесения через сетчатый трафарет на толстоплёночные монтажные площадки и сушки, покрытие подвергается оплавлению (~230°С).
Марки и свойства различных сплавов и паст приведены в таблицах 8…11.
Таблица 8. Характеристики проводящих паст.
Таблица 9. Характеристики диэлектрических паст.
Таблица 10. Характеристики лудящих паст.
Таблица 11. Характеристики резистивных паст.
Трафаретная печать.
Трафаретпредставляет собой проволочную сетку из нержавеющей стали или капроновой нити с нанесенным на нее фотоспособом защитным рисунком. Сетка вмонтирована в металлическую рамку. Керамическая подложка устанавливается под трафаретом с зазором, обеспечивающим деформацию сетки в пределах ее упругости (рис. 32). Для этого размеры сетки должны быть существенно больше размеров рисунка. После нанесения дозированного количества пасты движением ракеля паста продавливается через открытые участки трафарета и переносится на подложку. Таким образом, контакт трафарета с подложкой происходит по линии, движущейся вместе с ракелем.
Сушка полученного отпечатка преследует цель удалить летучие компоненты технической связки.
Вжигание.
На рис. 33 приведен типичный температурный цикл вжигания пасты. На первой стадии скорость подъема температуры относительно невысока, происходит разложение органической связки и ее удаление с помощью интенсивной вытяжной вентиляции. На второй стадии скорость роста температуры повышают, происходит плавление низкотемпературного стекла и образование суспензии твердых функциональных частиц в расплавленном стекле. Собственно вжигание происходит на третьей стадии при постоянной температуре. При этом имеет место как химическое (взаимодействие окислов стекла и керамики), так и физическое (заполнение стеклом открытых поверхностных пор керамики) сцепление покрытия с подложкой. После выдержки (~10 мин.) изделия медленно охлаждают (четвертая стадия) во избежание внутренних напряжений. Общая продолжительность цикла порядка одного часа.
В зависимости от масштабов производства вжигание осуществляют в камерных печах периодического действия (мелкосерийное производство), либо в туннельных печах непрерывного действия (крупносерийное и массовое производство).
3. КМ 551 УД 1Б представляет собой ОУ, средней точности, 2-й степени интеграции, содержащий 45 интегральных элементов, корпус типа 210.14-8, масса не более 2.7 г, внешний вид, схема и условные графические обозначения даны ниже.
Внешний вид микросхемы КМ 551 УД 1Б. Геометрические размеры соответствуют корпусу типа 210.14-8. D= 19.5 мм, E= 7.4 мм, A2 = 5 мм, L+ A= 10 мм. е = 2.5 мм.
Цоколевка: 1, 8 – балансировка, 2 – вход инвертирующий, 3 – вход неинвертирующий, 4 – напряжение питания ( — Un), 5 – частотная коррекция, 6 – выход, 7 – напряжение питания ( + Un), 9, 10, 11, 12, 13, 14 – свободные выводы,
Электрические параметры
Номинальное напряжение питания:
Un1………………………………………………………..15В±10%
Un2………………………………………………............-15В±10%
Максимальное выходное напряжение……………………|±10|В
Выходное напряжение переменное…………………...≤|±20|мВ
Напряжение смещения нуля(при Rг=10 Ом, Rн≥10кОм)…≤2.5мВ
Ток потребления…………………………………………….≤5.5мА
Разность входных токов……………………………………≤35нА
Средний входной ток……………………………………….≤125нА
Коэффициент усиления напряжения……………………≥250000
Коэффициент влияния источников питания
на напряжение смещения нуля…………………................10мкВ/В
Предельно допустимые режимы эксплуатации
Напряжение питания:
Un1………………………………………….........(13.5−16.5)В
Un2……………………………………….............(-16.5− -13.5)В
Синфазные входные напряжения……………...(-13−13)В
Входные дифференциальные напряжения……(-5−5)В
Максимальный выходной ток…………………5мА
Статический потенциал………………………..200В
Температура окружающей среды……………..-25− +85°C
4. Монтаж микросхем.
Присоединение пайкой Выбор метода присоединения пайкой определяется конструкцией корпуса микросхемы и формой его выводов. Корпуса со штырьковыми выводами запаивают в металлизированные отверстия печатных плат в специальных установках многопозиционной пайки: волной припоя, общим и селективным погружением.
При пайке волной припояпечатную плату с односторонним расположением микросхем перемещают горизонтально, соприкасая с верхней кромкой волны припоя, подаваемой с помощью насоса из нижних слоев ванны через продольную щель.
При пайке с общим погружениемплату с микросхемами опускают до соприкосновения с поверхностью расплавленного припоя и выдерживают в течение определенного времени. Для исключения образования перемычек между токоведущими дорожками платы используют специальный трафарет, т.е. селектор (пайка с селективным погружением), который устанавливают на плату со стороны пайки. Планарные выводы корпусов микросхем, располагающихся с одной или с обеих сторон печатных плат, вне зависимости от метода присоединения подпаивают только по одному за операцию. Пайку осуществляют паяльником с постоянным или импульсным нагревом, с расплавлением дозированного припоя в месте соединения, с помощью струи горячего воздуха или газа, за счет теплоты, выделяемой при прохождении электрического тока через паяемые детали. Так как выводы располагают с постоянным шагом, а распределение микросхем по плоскости платы регулярное, то все эти методы могут быть автоматизированы.
Пайку паяльником с постоянным нагревом производят как с предварительной дозировкой припоя, так и с захватом припоя жалом паяльника.
Пайку паяльником с импульсным подогревом осуществляют только с предварительной дозировкой припоя. Когда жало паяльника поджимает вывод с таблеткой припоя к контактной площадке, через него пропускается импульс тока, который разогревает паяльник и место пайки до необходимой температуры.
При пайке струёй горячего газа вывод микросхемы вместе с дозой припоя поджимают к контактной площадке, на место пайки направляют струю нагретого воздуха или газа, а корпус микросхемы обдувают струёй холодного воздуха для исключения перегрева.
Выводы микрокорпуса обрезают на длину 0,5--0,7 мм, подгибают и после установки корпуса на нагретую керамическую плату спаивают дозой припоя путем обдува струёй горячего воздуха.
При пайке используют различные припои и флюсы. Критерий их выбора — максимально допустимая температура пайки.
Монтаж методами сварки.При монтаже корпусов микросхем с планарными выводами может быть применена сварка двусторонняя контактная точечная, односторонняя точечная сдвоенным электродом, ультразвуковая, импульсная дуговая, лазерным лучом, металлизацией, например путем напыления при электрическом взрыве проволоки или фольги. Основное требование при монтаже сваркой-правильный выбор размеров контактной площадки. Сварное соединение будет надежным и прочным, если ширина контактной площадки составляет не менее 3-5 диаметров или ширины привариваемого вывода, а длина ее-5-8 диаметров.
Двусторонняя контактная точечная сварка нашла применение при использовании специальных штырей конусной формы, изготовляемых из углеродистой стали и покрываемых медью и индием. Такие штыри монтируют в металлизированные отверстия печатных плат и приваривают к ним выводы микросхем. При запрессовке штырей в отверстия индий диффундирует в металлическое покрытие отверстия, благодаря чему образуется надежное электрическое и механическое соединение. Достоинство данного метода-возможность многократной замены микросхем.
При приварке планарных выводов к печатным контактам лазерным или электронным лучом применяют соединения торцовое, точечное или заклепочное При торцовом соединении часть луча попадает на вывод, а другая часть- на контактную площадку платы. В соединении точечного типа луч полностью направляют на вывод. При заклепочном соединении луч направляют на вывод, в котором имеется просверленное отверстие диаметром, меньшим диаметра луча.
продолжение
--PAGE_BREAK--