МИКРОСХЕМЫ Микроэлектроника – область электроники, охватывающая проблемы исследования, конструирования, изготовления и применения микроэлектронных изделий. Микроэлектронное изделие – электронное устройство с высокой степенью интеграции. Степень интеграции интегральной микросхемы – показатель степени сложности микросхемы, характеризуемой числом содержащихся в ней элементов и компонентов. Степень интеграции микросхемы определяется по формуле K= lgN, где К – коэффициент, определяющий степень интеграции, округляемый до ближайшего большого целого числа; N – число входящих в микросхему элементов и компонентов. Интегральная микросхема – микроэлектронное изделие, выполняющее определенную функцию преобразования и обработки сигнала и имеющее высокую плотность упаковки электрически соединенных элементов, компонентов и кристаллов, которые с точки зре - ния требований к испытаниям, приемке и эксплуатации рассматриваются как единое целое. Элемент интегральной микросхемы – часть микросхемы, реализующая функцию какого-либо ЭРЭ, которая выполнена нераздельно от кристалла или подложки и не может быть выделена как самостоятельное изделие с точки зрения требований к испытаниям, приемке, поставке и эксплуатации (к ЭРЭ относятся: транзисторы, диоды, резисторы, конденсаторы и др.).
Компонент интегральной микросхемы – часть микросхемы, реализующая функцию какого-либо ЭРЭ, которая может быть выделена как самостоятельное изделие с точки зрения требований к испытаниям, приемке, поставке и эксплуатации. Кристалл интегральной микросхемы – часть полупроводниковой пластины, в объеме и на поверхности которой сформированы элементы полупроводниковой микросхемы, межэлементные соединения и контактные площадки. Полупроводниковая интегральная микросхема – микросхема, все элементы и межэле - ментные соединения которой выполнены в объеме и на поверхности полупроводника. Пленочная интегральная микросхема – микросхема, все элементы и межэлементные соединения которой выполнены в виде пленок. Гибридная интегральная микросхема – микросхема, содержащая кроме элементов, компонентов и кристаллы. Аналоговая интегральная микросхема – микросхема, предназначенная для преобразования и обработки сигналов, изменяющихся по закону непрерывной функции. Цифровая интегральная микросхема – микросхема, предназначенная для преобразования и обработки сигналов, изменяющихся по закону дискретной функции. Корпус интегральной микросхемы – часть конструкции микросхемы, предназначенная для защиты микросхемы от внешних воздействий и для соединения с внешними электрическими цепями посредством выводов.
Подложка интегральной микросхемы – заготовка из диэлектрического материала, предназначенная для нанесения на нее элементов гибридных и пленочных интеграль - ных микросхем и межкомпонентных соединений, а также контактных площадок. Плата – часть подложки (или вся подложка) гибридной интегральной микросхемы, на поверхности которой нанесены пленочные элементы микросхемы, межэлементные или межкомпонентные соединения и контактные площадки. Полупроводниковая пластина – заготовка из полупроводникового материала, предназначенная для изготовления полупроводниковых интегральных микросхем. При производстве микросхем так называют не только первоначальную заготовку, но и пластину со сформированными элементами полупроводниковых микросхем. Этот термин используется в течение всего технологического процесса – от его начала до разделения группового изделия на отдельные кристаллы. Контактная площадка – металлизированный участок на плате или кристалле, на корпусе интегральной микросхемы, служащий для присоединения выводов компонен - тов и кристаллов и перемычек. Безкорпусная интегральная микросхема – кристалл микросхемы, предназначенный для монтажа в гибридную интегральную микросхему или микросборку. Для соединения с внешними электрическими цепями имеет собственные выводы. Защита обеспечива - ется корпусом прибора, в который эта микросхема установлена.
Технология и конструкция Современные микросхемы в зависимости от технологии подразделяются на полу-проводниковые, пленочные или гибридные. Основой технологического процесса изготовления полупроводниковых микросхем является планарный процесс, обеспечивающий одновременное изготовление большого количества микросхем (элементов и межэлементных соединений), выполненный в объеме и на поверхности полупроводниковой пластины. В кристалле полупроводника могут быть созданы активные структуры, эквивалентные как биполярным, так и полевым транзисторам. Разработана технология изготовления в пределах одного кристалла и биполярных и полевых структур, что позволяет использовать положительные свойства и тех, и других элементов. Пленочные микросхемы изготавливаются с применением 2-х базовых технологических процессов: 1. Получение толстых пленок методом шепкографии. Эти микросхемы получили название толстопленочных интегральных микросхем. 2. Получение тонких пленок методами: - термического вакуумного осаждения - вакуумного напыления ионно-плазменного реактивного распыления.
Эти микросхемы получили название тонкопленочных интегральных микросхем. В виде пленок на подложке из диэлектрика создаются резисторы, конденсаторы, токоведущие дорожки, контактные площадки. В гибридной микросхеме содержаться как элементы (диоды, транзисторы, резисторы и конденсаторы), так и простые и сложные компоненты (например: кристаллы полу-проводниковых микросхем). Активные элементы ( безкорпусные микросхемы, транзисторы, диоды) приклеиваются к подложке, а их выводы привариваются к соответствующим контактным площадкам. Корпуса микросхем стандартизированы, делятся на 4 типа, отличаются формой и расположением выводов. Тип корпуса Форма основания корпуса Расположение выводов относительно основания 1 Прямоугольная В пределах основания, перпендикулярно ему 2 Прямоугольная и ДИП За пределами основания, перпендикулярно ему 3 Круглая В пределах основания, перпендикулярно ему 4 Прямоугольная планарная Параллельно плоскости основания за его пределами
У микросхемы в прямоугольном корпусе первый вывод всегда имеет отличительный признак: либо он короче других, либо он имеет ступеньку, либо против него на корпусе микросхемы ставят точку. У микросхем в круглом корпусе первый вывод находят с помощью ключа. От ключа – первый (1) вывод по часовой стрелке, если смотреть на корпус снизу. В зависимости от технологии изготовления интегральные микросхемы (ИС) подразделяются на три разновидности: полупроводниковые, пленочные и гибридные. Кроме того, ИС подразделяются на цифровые и аналоговые. В основу классификации цифровых микросхем положены три признака: 1. Вид компонентов логической схемы, на которых выполняются логические операции над входными переменными; 2. Способ соединения полупроводниковых приборов в логическую схему; 3. Вид связи между логическими схемами. Микросхемы выпускаются в виде серий, к которым относится ряд типов микросхем с различным функциональным назначением, имеющие единые конструктивно-технологическое исполнение и предназначенных для совместного использования.
Система условных обозначений ( маркировка ) микросхем для устройств широкого применения состоит из шести элементов, например: К 1 55 ЛА 1, К Р 1 118 ПА 1Б… Первый элемент (буква К) – показывает, что микросхема предназначена для устройств широкого применения. Второй элемент (вторая буква) – это характеристика материала и типа корпуса. Третий элемент (одна цифра) – указывает группу микросхемы по конструктивно-технологическому признаку: 1, 5, 6, 7 – полупроводниковая; 2, 4, 8 – гибридные; 3 – прочие (пленочные, керамические, вакуумные). Четвертый элемент (две или три цифры) – определяет порядковый номер разработки серии. В совокупности третий и четвертый элементы обозначают номер конкретной серии. Пятый элемент (две буквы) – обозначает функциональное назначение микросхемы. Шестой элемент – порядковый номер разработки в конкретной серии (среди микросхем одного вида).
По конструктивно-технологическому признаку различают полупроводниковые, пленочные и гибридные ИМС
7 6 5 6 9 8 Конструкция (а) и принципиальная схема (б) фрагмента тонкопленочной ГИС: 1 - 4 - внешние контактные площадки для приварки выводов; 5 - подложка; 6 - резистор; 7 - навесной компонент (транзистор); 8 – пленочный конденсатор; 9 - клей. а)
Рис. Часть пленочной интегральной RС-микросхемы: а — принципиальная электрическая схема, б— топология, 1 — резистор (хром), 2 —проводящие дорожки и контактные площадки (медь с подслоем хрома), 3, 5 — нижняя и верхняя обкладки конденсатора (алюминий), 4 — диэлектрик конденсатора ( монооксид кремния), 5 — защитный слой ( монооксид кремния)
Подложки микросхем Подложки для пленочных микросхем должны удовлетворять следующим требованиям: 1.Высокая механическая прочность при малых толщинах. 2.Высокое объемное и поверхностное удельное электрическое сопротивление и малый тангенс угла диэлектрических потерь. 3.Температурные коэффициенты линейного расширения подложки и пленки должны быть предельно согласованными. 4.Химическая инертность к осаждаемым веществам и травителям. 5.Физическая и химическая стойкости при нагреве до температур порядка 800ºС. 6.Незначительное газовыделение в вакууме. 7.Хорошая адгезия с осаждаемой пленкой. 8.Высокий коэффициент теплопроводности. 9.Хорошая полируемость. 10.Низкая стоимость. В полной мере перечисленным требованиям не удовлетворяет ни одна из применяемых подложек. Некоторые требования находятся в противоречии друг к другу, например, низкая стоимость и чистота обработки поверхности подложки. Поэтому выбор подложки основан на компромиссном решении.
При изготовлении различных ИМС наиболее широко в качестве материалов для подложек и полупроводниковых пластин используют: 1) в тонкопленочных ГИМС ситалл, поликор, сапфир, керамику; 2) в СВЧ ИМС поликор ; 3) в толстопленочных ГИМС керамику; 4) в полупроводниковых ИМС кремний, кремний на сапфире и ситалле.
Ситалл продукт кристаллизации стекла с мелкими (0,01 1 мм) кристаллитами. Получаемые при термообработке в результате катализированной кристаллизации стекла ситаллы занимают промежуточное положение между стеклами и керамикой. Поликор изготовляют из корундовой керамики, содержащей около 99,8% окиси алюминия. В поликоре удачно сочетается относительно высокая диэлектрическая проницаемость с малыми диэлектрическими потерями на СВЧ. Кроме того, поликор обладает хорошей полируемостью, что также снижает потери на СВЧ. Керамические подложки сравнительно дешевы, имеют низкие потери, относительно высокую диэлектрическую проницаемость и малые температурные изменения диэлектрических параметров. К недостаткам керамических подложек следует отнести трудности, связанные с их полировкой, а также относительно низкую механическую прочность. Сапфир представляет собой монокристаллическую окись алюминия. Он обладает весьма малыми диэлектрическими потерями на СВЧ, высокой теплопроводностью, механической прочностью, устойчивостью к действию высокой температуры, влаги, излучений. На сапфире возможно гетероэпитаксиальное осаждение кремния, арсенида галлия и др. веществ, используемых для создания активных элементов и формирования на подложке микросхем типа «кремний на сапфире». Широкое применение сапфировых подложек ограничивается трудностями его изготовления и высокой стоимостью.
Габаритные размеры подложек стандартизованы. Деление стандартной подложки на части, кратные двум и трем, обеспечивает 19 типоразмеров плат (первый типоразмер соответствует длине платы 120 мм и ширине 96 мм). Толщина подложек составляет 0,35—0,6 мм. Их размеры имеют только отрицательные допуски в пределах 0,1 — 0,3 мм. Для получения стабильных результатов поверхность подложки должна быть обработана до высокой степени чистоты. Перед нанесением тонких пленок подложки тщательно очищают от загрязнений. Механическую очистку осуществляют, протирая их шелковым или ватным тампоном, смоченным растворителем. Для удаления ионов металла подложку последовательно промывают в растворах нескольких кислот и деионизированной воде. Органические загрязнения удаляют путем промывки в нагретом трихлорэтилене с последующей обработкой в растворе щелочи с перекисью водорода.
Тонкопленочная технология — последовательное нанесение на общее основание тонких (менее 1-2 мкм) пленочных проводников, контактов, резисторов, изоляторов с армированием микрогеометрии элементов и их соединений (топологический рисунок) в процессе осаждения с помощью трафаретов (масок), а также с помощью явного локального травления сплошных слоев материалов. Методы формирования конфигураций тонкопленочных элементов Совокупность операций технологического маршрута производства ГИС включает в себя: подготовка поверхности подложки нанесение пленок на подложку формирование конфигураций тонкопленочных элементов монтаж и сборка навесных компонентов защита и герметизация ГИС от внешней среды
Рис. 4.1. Тонкопленочный резистор 1- резистивная пленка; 2 - контактная пленка проводящего материала; 3 - подложка. В качестве резистивных материалов на основе чистых металлов чаще всего используются хром и тантал с сопротивлением (100-200) Ом/и ТКС порядка (5-10)10 -4 1/град. или металлические сплавы (нихром и т.п.) и сплавы кремния с металлами с большими значениями удельного сопротивления.
Тонкопленочные конденсаторы Параметры тонкопленочных конденсаторов Тонкопленочный конденсатор (ТПК) конструктивно представляет собой многослойную структуру, в простейшем случае состоящую из двух металлических обкладок, разделенных слоем диэлектрика (рис.4.4) Рис. 4.4. Тонкопленочный конденсатор. 1 - нижняя обкладка; 2 - диэлектрик; 3 - верхняя обкладка; l и b - длина и ширина площади перекрытия верхней и нижней обкладок конденсатора.
Основные электрические параметры ТПК : емкость С, рабочее напряжение U раб, тангенс угла диэлектрических потерь ( tg δ ) и эксплуатационные параметры определяются многочисленными факторами, в том числе материалами, способами напыления, толщиной пленок и др. Конструкция и технология изготовления конденсаторов имеют ряд особенностей. Чем больше Co, тем меньшую площадь занимает конденсатор на подложке. Надо выбирать материалы с большим ε, или делать слишком тонкой диэлектрическую пленку. Однако применение слишком тонких пленок исключается, так как пленки менее 100-200 нм содержат большое количество дефектов. В качестве диэлектрика часто используют Моноокись кремния ( SiO ), получаемуя термическим испарением, которая образует образует малодефектную и гладкую пленку. Также используются Пленки окиси тантала (Ta 2 O 5 ), которые получают ионно-плазменным распылением или анодным окислением. Эти пленки характеризуются диэлектрической проницаемостью, изменяющейся в диапазоне 16-25 и малой дефектностью для анодноокисляемых пленок. Для материала обкладок наилучший выход получается при использовании алюминия, который имеет низкую температуру испарения и малую подвижность атомов на поверхности.
Тонкопленочные индуктивности Тонкопленочные катушки индуктивности обычно изготавливают в виде круглой или прямоугольной проводящей спирали, выполненной на поверхности диэлектрической подложки (рис.4.5). Такая катушка индуктивности может быть охарактеризована набором параметров, среди которых в качестве основных можно выделить индуктивность L, добротность Q, собственную емкость Co и температурный коэффициент индуктивности (ТКИ). Рис. 4.5. Тонкопленочная индуктивность. а) круглой формы; б) квадратной формы: b - ширина проводника, m - шаг проводников индуктивности h - суммарная ширина проводников; d и D - внутренний и внешний размеры индуктивности.
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. Увеличение добротности катушек обычно достигается за счет выбора материалов с малым удельным сопротивлением (обычно это медь с подслоем титана или ванадия), использования достаточно толстых (до 30-40 мкм) слоев, использования изоляционных слоев с малыми потерями на рабочих частотах (стекло, ситаллы ) и применения профилированных подложек с тем, чтобы витки катушки формировались на выступающих участках основания и тем самым уменьшалась межвитковая емкость. С точки зрения минимального электросопротивления наиболее подходящими для создания проводников и контактных площадок являются золото, серебро, медь, никель и алюминий. Контактные площадки и проводники делаются двух- и трехслойными: адгезионный подслой - основной проводящий слой - защитный слой.
Проводники и контактные площадки Необходимыми элементами любой тонкопленочной микросхемы являются пленочные проводящие слои и контактные площадки. Они должны с минимальными потерями подводить напряжение питания к функциональным компонентам микросхемы, с минимальными искажениями передавать сигналы, обеспечивать надежный, чаще всего невыпрямляющий и малошумящий контакт с элементами микросхемы. Требования, предъявляемые к пленочным проводникам и контактным площадкам, в ряде случаев противоречат друг другу. Увеличение ширины пленочного проводника уменьшает его индуктивность, но одновременно возрастает емкость этого проводника относительно земли и расположенных в непосредственной близости элементов микросхемы. Материалы с малым значением удельного сопротивления, применяемые для проводников и контактных площадок, как правило, имеют плохую адгезию к подложке. Другие факторы ограничивают диапазон толщин проводящих пленок от 0,1 до 1,0 мкм. Поскольку контактные площадки предназначены для присоединения навесных элементов и внешних выводов микросхемы, важным фактором, определяющим выбор материала, является его способность к пайке и сварке без нарушения ее целостности. С точки зрения минимального электросопротивления наиболее подходящими для создания проводников и контактных площадок являются золото, серебро, медь, никель и алюминий. Контактные площадки и проводники делаются двух- и трехслойными: адгезионный подслой - основной проводящий слой - защитный слой.
Основные этапы технологического процесса изготовления тонкопленочных интегральных микросхем Основными этапами технологического процесса изготов-ия тонкопленочных микросхем являются составление топологии схемы, изготовление оригинала интегральной микросхемы, фотошаблона и масок, напыление элементов схемы. Составление топологии схемы. Этап заключается в определении конфигурации, геометрических размеров и рационального размещения на подложке пленочных и навесных элементов, а также порядка их соединения. Рис. 15.13. Последовательность разработки топологии тонкопленочной интегральной микросхемы
При разработке топологии необходимо иметь принципиальную электрическую схему с перечнем элементов и их параметров. Топология для самостоятельных функциональных схем разрабатывается в такой последовательности: 1. разрабатывается коммутационная схема взаимного размещения элементов; 2. выбирается форма и рассчитываются размеры пленочных элементов; 3. размещаются пленочные элементы на подложке; 4.соединяются пленочные и навесные элементы. 5. определяются размеры подложки. Заданная электрическая схема (рис. 15.13, а ) должна быть упорядочена в соответствии с особенностями пленочной технологии. Количество пересечений проводников сводится к минимуму (рис. 15.13, б ). Топология микросхемы показана на рис. 15.13, в. Контактные площадки 1 - 7 входов и выходов должны быть максимально удалены друг от друга и расположены по периметру платы. Отношение максимального и минимального значений номиналов резисторов в схеме не должно превышать 50.
В общем случае топологическая задача допускает большое количество решений. Но при этом можно выделить общие положения, которые необходимо учитывать при проектировании: пленочные элементы располагают на расстоянии не менее 0,6... 1,0 мм от края подложки; расстояние до края подложки берут не менее 0,3...0,5 мм; минимальное расстояние между двумя соседними элементами одного слоя составляет 0,3 мм; расстояние от навесного элемента до контактной площадки должно быть не более 3 мм и не менее 0,5 мм; минимальные размеры тонкопленочных резисторов принимают по ширине 0,2 мм, по длине 0,4 мм. для надежного контакта минимальное перекрытие токопроводящих полосок должно составлять 0,3 мм. ширину соединительных проводников выбирают по возможности максимальными (не менее 30 мкм). элементы соединяют по кратчайшему пути, что определяет конфигурацию проводников. распределение пленочных элементов в плоскости должно быть равномерным. элементы контуров располагают на одних линиях (вертикальных или горизонтальных), а зазоры между элементами делают одинаковыми.
При нанесении тонких пленок в вакууме используют два метода генерации потока частиц в вакууме: термическое испарение и ионное распыление. При первом методе используют испарители с резистивным или электронно –лучевым нагревом, а при втором – системы диодного или магнетронного распыления.
Для формирования рисунков пленок используют методы: масочный, когда соответствующие материалы напыляют на подложку через маску - съемная маска – лента берилловой бронзы 0,1-0,2 мм, сверху никель – 10 микрон, - контактная (слой меди 0,3-05 микрон). фотолитографический – пленка наносится на поверхность подложки, а затем вытравливается с участков незащищенных фоторезистом, электронно-лучевой – определенные участки пленки удаляют с подложки по заданной программе под воздействие заданного луча, лазерный – аналогично электронно-лучевому, только с использованием лазера
http://www.myshared.ru/slide/1272155/
