Пленочные интегральные микросхемы

Пленочная интегральная микросхема представляет собой схе­му, элементы которой образованы совокупностью пленок различ­ных материалов, нанесенных на общее основание (подложку).

На практике широко применяются пленочные микросхемы, состоящие из резисторов, конденсаторов и соединительных про­водников. Составные части пленочных микросхем (пленочные эле­менты) получают путем последовательного нанесения на подложку пленок из токопроводящих, магнитных, диэлектрических и дру­гих материалов.

Пленочные элементы имеют ряд преимуществ по сравнению ^с навесными объемными микроэлементами. Так, например, резис­торы обладают малым уровнем шумов, большим удельным со­противлением, конденсаторы — повышенной стабильностью, хо­рошим температурным коэффициентом. Метод напыления тон­ких пленок позволяет создавать не только функциональные мик­росхемы, но и полосковые СВЧ-элементы, электронно-управля­емые переключатели мощности и различного рода ЛС-цепи с рас­пределенными параметрами.

Свойства пленок во многом зависят от физических и химичес­ких свойств подложек. В качестве подложек используются специ­альные сорта стекла (С-41-1, С-48-3), высокоглиноземистая ке­рамика (22ХС), ситалл (СТ-1, СТ-50-1) и бериллиевая керамика. Применяемые для изготовления микросхем подложки должны обеспечивать хорошие теплопроводность и механическую проч­ность при небольшой толщине, высокое удельное электрическое сопротивление (не менее 10¹⁴ Ом-см) и малую диэлектрическую проницаемость (не более 10... 15), физическую и химическую стой­кость при высоких температурах и хорошую чистоту обрабатывае­мой поверхности (12... 14-й класс). Подложки могут быть квадрат­ной или прямоугольной стандартной формы. Толщина подложек в зависимости от их размера составляет 0,6; 1 и 1,6 мм.

Комплекс работ, связанных с определением оптимальных гео­метрических размеров пленочных элементов микросхемы, их фор­мы, методов соединения, а также последовательности нанесения слоев пленки на подложку, называется топологией.

В зависимости от топологии для изготовления микросхемы ис­пользуются различного рода трафареты, выполняемые с помощью фотолитографии или электроискровым методом из медной фоль­ги, никеля, стали и других материалов толщиной 0,07...0,15 мм. Трафареты накладывают на подложку, закрывая ту ее часть, ко­торая не предназначена для напыления. Наиболее сложным про­цессом при нанесении пленочных элементов является совмеще­ние трафаретов, так как для изготовления отдельных микросхем иногда требуется наложение до 15 трафаретов.

Пленки по толщине разделяют на толстые (несколько десятков микрон) и тонкие (единицы микрон).

Толстые пленки наносят на подложку методом шелкографии, вжигания и электрохимического осаждения. Достоинством толсто­пленочных микросхем является возможность применения для их изготовления простейшей технологии без использования дорого­стоящего оборудования.

Тонкие пленки в отличие от толстых позволяют создавать пре„ цизионные пассивные элементы с параметрами более широко­го диапазона, однако их производство требует больших затр_ат на специальное вакуумное оборудование. Нанесение тонких пленок осуществляется путем термического испарения в вакууме, распыления бомбардировкой ионами и химического осаждения (табл. 3.2).

Таблица 3.2

Способы получения тонких пленок и области их применения

Способ	Область применения	Примечание
Термическое испарение в вакууме: резистивное; электровакуумной дугой; лазерным лучом; электронной бомбар­дировкой	Изготовление резис­торов, конденсато­ров, катушек индук­тивности и электро­проводников	Метод позволяет полу­чить пленки большой чистоты и однородно­го состава, а также легко контролировать и регулировать как мощность нагревания, так и скорость напыления
Распыление бомбар­дировкой ионами: катодное испарение; реактиное испарение; ионно-плазменное испарение	Изготовление резисторов, конденсаторов и проводников	Метод позволяет получить пленки, обладающие высокой адгезией
Химическое осаждение	Получение пленок из серебра, плати­ны, золота, радия и палладия

Термическое испарение в вакууме основано на том принципе, что все вещества при температуре выше абсолютного нуля спо­собны испаряться. Концентрация паров будет тем больше, чем выше температура материала. Для получения паров вещества нуж­ной концентрации применяются специальные устройства — испарители. Наибольшее распространение получили испарите­ли прямого и косвенного подогрева. В этих испарителях металл при нагревании сначала плавится, а затем испаряется. Пары ме­талла используют для напыления пленочных элементов микро­схемы.

Испарители прямого подогрева состоят из проволоки или ленты испаряемого металла, через которые пропускают элек­трический ток большой величины (до 10⁶ А/см²). Испарители та­кого типа применяют при резистивном испарении и испарении электровакуумной дугой для напыления тугоплавких металлов при изготовлении резисторов и других элементов. Достоинствами ис­парителей прямого подогрева являются простота их конструкции и чистота испаряемого металла.

Испарители косвенного подогрева являются более уни­версальными. При их использовании необходимый для распыле­ния металл подогревают в специальных подогревателях (тиглях), а затем испаряют при помощи электронной бомбардировки или лазерного луча.

Наиболее совершенным способом нагрева испаряемого метал­ла является электронная бомбардировка. При этом способе испа­ряемый металл, являясь анодом электронной пушки, бомбарди­руется электронами и нагревается до температуры парообразова­ния. Подложки для напыления вместе с трафаретами (рисунками микросхемы) располагают вокруг анода. Поскольку подложка имеет более низкую температуру, чем анод, пары металла анода кон­денсируются на подложке в виде пленки, образуя рисунок мик­росхемы.

Хорошие результаты по напылению однородных пленок обес­печивает испарение металла с помощью лазерного луча. Мощнос­ти лазерного луча достаточно, чтобы легко расплавить и превра­тить в газообразное состояние любые тугоплавкие металлы, при­чем сам лазерный источник может находиться вне стеклянного колпака вакуумной камеры.

Распыление бомбардировкой ионами. Широкое практическое при­менение получил способ катодного испарения. Он очень удобен для получения тонких пленок на подложках из материалов, чувстви­тельных к нагреву (например, диэлектриков, изоляционных смол), так как напыление может осуществляться на холодную подложку. Этот способ основан на явлении тлеющего разряда в атмосфере аргона или водорода при понижении давления до 10"¹ мм рт. ст. Между катодом, которым является распыляемый материал, и ано­дом помещают подложку. Если на анод приложить высокое по от­ношению к катоду напряжение (порядка нескольких киловольт), возникает тлеющий разряд и катод начинает испарять металл, ко­торый осаждается на подложке, находящейся у анода.

Метод химического осаждения, используемый для получения металлических пленок на подложке микросхемы, почти не отли­чается от методов получения гибких печатных плат.

Рассмотрим технологию изготовления тонкопленочных инте­гральных микросхем с помощью термического испарения метал­ла в вакуумной камере (рис. 3.9), имеющего наиболее широкое практическое применение.

Вакуумная камера состоит из колпака /, под которым с помо­щью вакуумного 4 и диффузионного 5 насосов создается необхо­димое разрежение. Под колпак помещают распыляемое вещество 2 с нагревателем. Процесс получения пленки заключается в следу­ющем.

На предварительно очищенные подложки в соответствии с то­пологией микросхем накладывают трафареты 7 и помещают их в

вакуумную камеру. Далее с по­мощью вакуумных насосов со­здается нужное для напыления разреженное давление, после чего начинается разогрев распы­ляемого материала. Продолжи­тельность напыления пленки составляет от нескольких секунд до нескольких минут.

Наиболее легкими по выпол­нению компонентами тонкопле­ночных интегральных микросхем являются резисторы. Для полу­чения резистивных пленок могут использоваться тантал, хром, вольфрам, титан, платина, них­ром и другие металлы. Сопро­тивление резистора зависит от удельного сопротивления ме­талла, формы и толщины плен­ки. Обычно пленки имеют тол­щину 200... 800А. Диапазон тон­копленочных резисторов состав­ляет от единиц ом до единиц мегаом, мощность рассеяния резисторов — 1 Вт/см² площади резистивной пленки. Чаще всего резисторы изготовляют путем ваку­умного напыления пленки из сплава хрома и никеля на подложку при температуре 300 "С. Выводы резисторов обычно напыляют с использованием алюминия, меди или золота.

Тонкопленочные конденсаторы изготовляются путем нанесе­ния двух слоев металла, разделенных слоем диэлектрика. Конден­саторы с большим числом обкладок практического применения не нашли из-за трудоемкости их изготовления. В качестве диэлек­трика конденсатора используют в основном пленки из окиси ти­тана или тантала. Пленка диэлектрика наносится методом катод­ного испарения в среде кислорода. В качестве диэлектрика могут использоваться также полимерные пленки. Для обкладок конден­сатора чаще всего используется пленка из алюминия.

Электрические параметры наносимых элементов контролиру­ются автоматически в процессе напыления. Контроль толщины пленки проводится с учетом изменения интенсивности отражен­ного света. Пленка 8 (см. рис. 3.9) в процессе напыления освеща­ется источником света 3. Интенсивность отраженного света изме­няется с ростом толщины пленки. Фотоэлемент 6 включен в цепь индикатора, по которому и определяется достаточность напыле­ния, т. е. толщина пленки. Этот метод позволяет контролировать также толщину металлических, диэлектрических и других пленок, способных отражать источник света. Индикатор проградуирован в соответствующих единицах измерения (например, для измерения сопротивления резистивной пленки — ом или килоом).

Изготовление активных элементов (диодов, транзисторов) из пленок не получило практического применения из-за сложности выполнения и низких параметров. Поэтому для этой цели широко используются гибридные интегральные микросхемы.