Маскирование пленками металлов

Маскирование пленками металлов часто применяют в технологии изготовления ИС, особенно для получения самосовмещенных структур в МОП (металл-оксид-полупроводник) ИС. В данном случае выбор металла определяется уже не условиями имплантации, а конструктивно-технологическим вариантом ИС. Поэтому процесс имплантации приходится приспосабливать под тот металл, который выбран по конструктивным соображениям. Наиболее широко в технологии ИС используют пленки алюминия, золота, молибдена и поликристаллического кремния толщиной 0,5-1 мкм. Поскольку полупроводниковые пластины очень чувствительны к загрязнениям металлами, то при имплантации необходимо соблюдать особую осторожность, чтобы не внести вредные примеси в полупроводниковые слои. Для предотвращения возможных загрязнений иногда между слоями металла и полупроводника создают очень тонкий слой диэлектрика типа SiO₂.

Любые маскирующие пленки должны обеспечивать надежное маскирование пластины от бомбардирующих ионов, т.е. пробег ионов в них должен быть меньше их толщины.

Важнейшей технологической характеристикой точности маскирования являются боковые рассеяния ионов ∆ . Эта величина определяется отклонением ионов от направления, перпендикулярного к поверхности подложки. Кроме того, существует еще и боковая диффузия под маску (боковое подтравливание). Как правило, ∆ _. гораздо больше по величине, чем боковая диффузия. Однако при тех малых размерах элементов ИС, которые реализуются в настоящее время в современных изделиях микроэлектроники, часто приходится принимать во внимание и эффект бокового подтравливания.

и о н н ы й п у ч о к d маски

Рассмотрим распределение концентрации ионов N _v (x) бора, нормированное к единице на глубине _. при имплантации их в кремний с энергией 70 кэВ через маску с отверстием в 1 мкм².

Рис. 6.5. Нормированное распределение концентрации N_v(x) ионов бора на глубине при имплантации в Si (энергия ионов 70 кэВ, d маски = 1 мкм²)

 

Следует отметить, что реальные маски, используемые в технологии ИС при имплантации ионов, не имеют таких крутых боковых поверхностей, которые показаны на рисунке. Данный факт следует учитывать при анализе бокового рассеяния и вносить соответствующие поправки, поскольку боковое рассеяние влияет и на распределение дефектов. Так же как и в случае прямого рассеяния, здесь наблюдается некоторое ″запаздывание″ распределения дефектов по сравнению с распределением имплантированных примесей.

 

Глава 7. ЭЛИОННЫЕ МЕТОДЫ ЛИТОГРАФИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

 

Процессы литографии при изготовлении ИС достигли в настоящее время высокой степени совершенства. До недавнего времени широко применялась фотолитография (ФЛ), которая, к сожалению, уже достигла предела линии в 0,8¸1 мкм. Поскольку основной концепцией микроэлектроники является дальнейшее уменьшение элементов и компонентов ИС, то вполне понятно, что для достижения указанной цели необходимо переходить к другим методам облучения резистов, используя частицы и кванты с меньшей дебройлевской длиной волны. Для этого используют электроны, протоны, ионы, другие частицы, рентгеновские кванты.

Все эти методы объединяются под одним общим названием – элионная литография.

Элионная литография позволяет расширить пределы методов литографии за счет более высокой разрешающей способности. Кроме того, за счет уменьшения длин волн по сравнению с ФЛ в элионной литографии пренебрежимо малы дифракционные и интерференционные эффекты.

 

7.1. Электронно-лучевая литография

Известны две принципиально различные системы электронно-лучевой литографии (ЭЛЛ): проекционная и сканирующая.

Проекционная электронно-лучевая литография

Для производства ИС разработаны и успешно применяются два типа проекционных систем:

· с сохранением размеров изображения;

· с уменьшением (или редуктированием) размеров изображения.

В системах первого типа используется фотокатод, маскируемый тонким металлическим рисунком. Фотоэлектроны, эмитируемые катодом перед попаданием на образец (анод), ускоряются приложенным между катодом и образцом напряжением (~20 кВ). Однородное магнитное поле фокусирует эти электроны на образец без изменения размеров изображения. Погрешность размещения изображения в этом случае составляет ~ 0,1 мкм. Теоретическая оценка минимальной ширины линии дает для этой системы значение примерно 0,5–1 мкм.

Основным жестким требованием при проецировании является плоскостность пластины ИС, поскольку эта пластина является частью системы формирования изображения, и в случае неплоскостности происходят сильные искажения ″снимка″. Поэтому для выполнения данного требования осуществляется дополнительный электростатический прижим пластины.

Еще один источник погрешностей возникает из-за того, что рассеянные образцом электроны ускоряются и вновь попадают на пластину, что приводит к появлению фона, снижающего эффективную контрастность изображения.

Проекционная система редукционного типа представляет собой электронно-оптическую разновидность проекционной оптической системы. Специальное электронно-оптическое устройство освещает свободно подвешенную маску и формирует ее резко уменьшенное изображение на пластине. При десятикратном уменьшении диаметр обрабатываемого поля составляет 3 мм, а минимальная ширина линии – 0,25 мкм. Основным недостатком данной системы является необходимость изготовления высокоточных масок.

Сканирующая электронно-лучевая литография

Сканирующая ЭЛЛ является методом непосредственного вычерчивания электронным лучом рисунка ИМС с высокой разрешающей способностью. Ходом луча управляет ЭВМ. Заметим, что сканирующие системы менее производительны, чем проекционные. Выбор того или иного метода ЭЛЛ зависит только от требований, предъявляемых к размерам ИС и от экономических показателей процесса.

Технология электронно-лучевой литографии

Целью электронно-лучевой литографии является изготовление шаблона или непосредственное получение рисунка на пластине из полупроводникового или другого материала. В случае, когда для создания ИС требуется всего один литографический процесс (например, для изготовления ПЗС-матриц), целесообразнее использовать прямое сканирование луча по пластине, покрытой резистом. Если же необходимо применять несколько литографий для формирования структуры ИС, то обычно используются шаблоны, изготовленные электронным методом. Обычно рисунки экспонируются через такие шаблоны, либо электронным пучком, либо пучком рентгеновского излучения, либо светом ультрафиолетового диапазона. В принципе процесс ЭЛЛ аналогичен технологическому процессу обычной фотолитографии. Разница заключается в том, что экспонирование светом заменяется экспонированием электронным лучом во всех операциях. Резисты наносятся теми же способами, что и в ФЛ: в основном центрифугированием или же пульверизацией.

Особенность электронно-лучевой литографии состоит в технике и режимах экспонирования, природе резиста, а также в методах и условиях травления резиста. Поэтому наиболее важными операциями являются экспонирование и травление.

Производительность систем со сканирующим электронным лучом зависит от скоростей вычерчивания рисунка и движения стола, на котором фиксирована пластина-заготовка. Время вычерчивания рисунка определяется выражением: , где n – число ″адресов″ для электронного луча на данной структуре; f – частота шагов.

Частота шагов зависит как от быстродействия отклоняющей системы, так и от совместного влияния плотности тока луча и чувствительности резиста. В свою очередь быстродействие отклоняющей системы определяется шириной полосы частот и шумовыми характеристиками, скоростью цифроаналогового преобразования, полным сопротивлением отклоняющей системы и др. Частота шагов, плотность тока луча и чувствительность резиста связаны соотношением: , где f – частота шагов; j _л– плотность тока; χ – чувствительность резиста.

Плотность тока луча зависит от таких параметров электронно-оптической системы, как яркость электронной пушки, аберрации линз и отклоняющей системы, эффектов взаимодействия между электронами в луче.

Недостаточное быстродействие отклоняющей системы пока является основной причиной малой скорости вычерчивания рисунка. Кроме того, не достигла предельных возможностей и чувствительность резистов. Тем не менее, производительность технологических процессов ЭЛЛ не уступает ФЛ при значительно большей разрешающей способности. Следует также отметить, что сканирующая ЭЛЛ пока дороже в производстве, чем ФЛ.

 

7.2. Рентгенолучевая литография (РЛЛ)

Как известно, рентгеновское излучение возникает в результате проникновения электронов в атомы материала-мишени.

Собственно рентгеновские кванты излучаются при заполнении вакансии на основных уровнях электронами с верхних уровней (например, из валентной зоны). Очевидно, что энергия таких квантов зависит от разности энергий двух состояний, между которыми и осуществляется переход, а также от природы вещества мишени, с которой взаимодействуют электроны.

Характерным для рентгеновской литографии моментом, который не встречался в описанных ранее методах ФЛ и ЭЛЛ, является возникновение фотоэлектронов в результате неупругих соударений с веществом.

Обладая энергией того же порядка, что и падающие электроны, фотоэлектроны не имеют определенного направления и поэтому вызывают размытие изображения при его переносе с шаблона. Величина этого размытия определяется длиной пробега фотоэлектронов. Последняя меняется пропорционально квадрату энергии фотоэлектронов и зависит от материала шаблона. Так, например, при использовании алюминиевой мишени длина пробега фотоэлектронов составляет 0,1 мкм. Вообще, большинство резистов поглощает до 5 % попадающих на них лучей.

Известно, что при бомбардировке мишени электронами с энергией от 10 до 20 кэВ происходит разогрев материала мишени вплоть до температур, при которых начинается испарение. Для предотвращения испарения материала мишени необходимо интенсивное вращение, а также фокусировка пучка электронов в малое пятно, чтобы избежать искажений и обеспечить достаточно плотный поток рентгеновских лучей для уменьшения времени экспозиции.

 

7.2.1. Особенности экспонирования в РЛЛ

Процесс экспонирования в РЛЛ происходит по той же технологической схеме, что и обычное экспонирование. Здесь вновь имеется источник излучения, шаблон и пластина, покрытая резистом, который чувствителен к излучению. Разрешающая способность РЛЛ на несколько порядков выше, чем ФЛ, поскольку значения длин волн рентгеновского излучения находятся в пределах 0,2-5 нм. Поэтому РЛЛ заменяет ФЛ при изготовлении элементов ИС субмикронных размеров.

Рентгеновские лучи должны быть достаточно мягкими (с целью поглощения их резистом при экспозиции), но в то же время и достаточно жесткими, чтобы не поглощаться входным окном источника и пластиной шаблона.

С учетом указанных факторов для окна источника и пластин шаблонов подбираются материалы, пропускающие рентгеновские лучи данного диапазона. Создать равномерное облучение всей пластины не просто, т.к. для коллимирования рентгеновских лучей пока не существует ни зеркал, ни линз. Поэтому, чтобы обеспечить параллельность лучей, необходимо выбрать достаточно большое расстояние от источника до подложки – порядка 20¸50 см. Поскольку интенсивность облучения подложки обратно пропорциональна квадрату расстояния до нее, то легко найти оптимум между расхождением лучей и интенсивностью облучения.

Источник облучения не является идеально точечным. Поэтому конечность его размеров и расхождение лучей приводят к геометрическим искажениям и появлению так называемых полутеней.

Минимальная разрешающая способность системы δ при геометрических искажениях Δ есть , а , здесь s – расстояние между поглощающими излучение шаблоном и резистом на пластине; r – радиус сечения луча; D – расстояние между шаблоном и источником (прицельное расстояние); x – расстояние между нормалью от источника к поверхности пластины и изображением.

Геометрические искажения, возникающие из-за наличия зазора s между шаблоном и пластиной, приводят к ошибкам в передаче изображения от шаблона. В результате ошибок стенки экспонированных областей резиста получаются невертикальными, а размеры рисунка, образующегося при последующем травлении, имеют погрешность. Для большинства РЛЛ- установок пределы погрешности не превышают 0,1 мкм при размере источника ~5 мм, диаметре пластин 76 мм и расстоянии между источником и пластиной 20 см, и пластиной и шаблоном 4 мкм.

При создании многослойных структур геометрические искажения создают серьезные трудности, связанные с переходом от одного слоя к другому (следующему) из-за невозможности сохранить постоянный зазор между шаблоном и пластиной. Соответственно при изменении зазора имеем изменение геометрического искажения: . Например, на пластине диаметром 76 мм при D = 20 см d Δ = 0,1 мкм, что находится на пределе современных возможностей конструкций держателей шаблонов и пластин.

Здесь необходимо заметить, что для ИС с одним слоем рисунка ошибки изображения не оказывают заметного влияния на размеры элементов ИС. Кроме того, в РЛЛ в отличие от ЭЛЛ и ФЛ практически не сталкиваются с погрешностями, возникающими в результате дифракции.

Существующие системы РЛЛ с вращающимися алюминиевыми анодами диаметром 10 см обеспечивают мощность в 15 кВт, а с кремниевыми анодами – 25 кВт. Различие в мощности связано с различием в температуре плавления у Al и Si. При этом время экспонирования резистов при входной мощности составляет несколько минут при расстоянии от источника до пластины в 20 см.

7.2.2. Технология рентгенолитографических процессов

Рассмотрим подробнее технологический цикл рентгенолитографических процессов. Он включает в себя следующие этапы: изготовление шаблонов, нанесение резистов, совмещение рисунка отдельных слоев ИС и шаблона, экспонирование, травление.

Изготовление шаблонов для РЛЛ – сложная задача, решение которой затрагивает тот же круг вопросов, что и при ФЛ. Подложка шаблона должна пропускать рентгеновские лучи, а пленка, образующая рисунок ИС, – задерживать их. Для формирования шаблонов используются как неорганические, так и органические материалы. При этом последние намного

стабильнее сохраняют свои параметры при изменении температуры, влажности и механических воздействиях, но изготовление шаблонов из органических материалов намного сложнее вследствие их хрупкости.

Рис.7.1. Зависимость поглощения от длины волны

в РЛЛ для различных материалов

 

Ослабление рентгеновского излучения в типичных материалах подложки шаблона составляет 0,1-10 дБ/мкм для рассматриваемого интервала длин волн, что соответствует толщинам подложки 0,5-5 мкм. Поэтому наиболее перспективно использовать полиамидные мембраны, т.к. они подходят для всего интервала длин волн при соответствующей толщине. Тем не менее, для создания в поглощающем слое методом РЛЛ рисунка с очень высоким разрешением необходимо применять особо тонкие мембраны из нитрида кремния, оксида алюминия и т.п., поскольку в тонких подложках из материалов на основе элементов с малой относительной атомной массой обратное рассеяние рентгеновских лучей относительно мало. При РЛЛ элементов с размерами до 1 мкм толщина слоя поглощения должна быть не менее 1 мкм. Следует понимать, что поглощение рентгеновских лучей веществом сильно зависит от длины волны, что наглядно демонстрирует рис. 7.1. При длине волны, например, 0,4 нм поглощение настолько мало, что подходящего материала для создания поглощающего слоя практически нет, а при длине волны более 5 нм поглощение настолько велико, что нет подходящего материала для основы подложки.

Рисунок шаблона создается следующим образом. На подложку из органической пленки наносится тонкая пленка хрома, обеспечивающая адгезию золота, которое осаждается на хромовую пленку. Толщина Au зависит от длины волны поглощаемого рентгеновского излучения. Сформировать рисунок поглощающего слоя золота на шаблоне можно разными способами в зависимости от толщины слоя. Для этого применяют комбинацию литографии с электролитическим осаждением золота, либо ионно-плазменное травление сплошного слоя золота через маску. Рельеф резиста создают с помощью ЭЛЛ.

Сформированный в тонкой пленке золота рисунок репродуцируют, экспонируя длинноволновым рентгеновским излучением (1,33 нм). В итоге получается шаблон на более толстой подложке, для которой непосредственное электронно-лучевое экспонирование неприемлемо из-за сильного обратного рассеяния электронов.

Важной характеристикой процесса является контрастность, обеспечиваемая материалом поглощающего слоя. Даже для поглощения рентгеновского излучения с длиной волны менее 5 нм требуется приемлемая прозрачность шаблона. Поэтому подложка шаблона должна быть очень тонкой – от 1 до 10 мкм.

Разрешающая способность шаблона ограничивается длиной волны рентгеновского излучения и контрастностью применяемого резиста. Поскольку основным требованием является стабильность размеров шаблона, то материалы и технология их изготовления выбираются с учетом анализа причин появления погрешностей.

Например, если совмещение рисунков ИС должно проводиться с точностью до 0,1 мкм, то стабильность размеров шаблонов должна быть лучше 0,05 мкм для типичных размеров элементов рисунка. Это значение соизмеримо с коэффициентом термического расширения стекол.

Технология изготовления органических шаблонов для РЛЛ отличается от технологии ФЛ. В данном случае пленка органического материала шаблона наносится на совершенно плоскую поверхность промежуточной подложки из кремния или стекла SiO₂, затем промежуточная подложка в нужных местах стравливается.

Таким образом, современный технологический процесс литографии должен включать в себя все ее разновидности: фотолитографию, электронную литографию, рентгенолитографию.

Выбор резистов для РЛЛ

Выбор резистов для РЛЛ довольно ограничен. На первых стадиях развития метода РЛЛ использовались те же резисты, что и для ЭЛЛ (например, полиметилметакрилат).

Механизм превращений в резите при экспонировании рентгеновским излучением состоит в поглощении рентгеновских лучей с возбуждением электронов, которые приобретают энергию падающих квантов. Поэтому резист, чувствительный к потоку электронов, чувствителен и к рентгеновским лучам.

Чувствительность рентгенорезиста определяется энергией, поглощенной единицей площади (Дж/см²). Однако скорость растворения резиста при проявлении будет определяться энергией, поглощенной единицей объема (Дж/см³), и зависит от поглощающих свойств резиста. С увеличением длины волны поглощение усиливается, при этом чувствительность резиста к излучению повышается.

Можно повысить чувствительность резиста за счет введения в него добавок, улучшающих поглощение. Так, например, введение хлора в негативный резист позволяет увеличить чувствительность к излучению рентгеновских лучей с длиной волны 0,44 нм до 10 мДж/см².

В последние годы специально предложен ряд резистов для РЛЛ. Для жесткого рентгеновского излучения применяют резист марки DCPA. Данный резист (поли-2,3-дихлор-1-акрилат) на порядок чувствительнее резиста марки PGMA-EA.

Время экспонирования большинства резистов для РЛЛ составляет до 1 мин, что ненамного выше, чем при ФЛ. Поэтому производительность установок РЛЛ близка к производительности фотолитографических установок.

Для травления служат обычно те же растворители, что и в ФЛ. Однако, как показывает практика, целесообразно применять сухое ионно-плазменное и плазмохимическое травление, которое обеспечивает более высокую разрешающую способность и точность.

Процессы совмещения, как и при ФЛ, используют при формировании сложных структур ИС. В случае изготовления ИС с одного шаблона проблема совмещения вообще отпадает. Для большинства же ИС требуется не менее двух совмещений. Обычно в РЛ используют четыре метода совмещений: оптический (под микроскопом), фотометрический (на отражение или прохождение), совмещение по муаровым рисункам и интерферометрический.

Первые два метода ничем не отличаются от применяемых в ФЛ. Фотометрическое совмещение по принципу отражения более предпочтительно, т.к. оно осуществляется с помощью фотоэлектрического детектора края, имеющего большую глубину резкости и позволяющего автоматизировать процесс. При этом получают достаточно высокую точность совмещения – 0,2 мкм.

Благодаря простоте и автоматизации процесса широкое распространение получил интерферометрический метод. Основной принцип этого метода заключается в том, что при дифракции пучка монохроматического света на решетке могут возникать симметричные отраженные лучи. Если решетки имеются на шаблоне и на пластине, то возникают две системы дифракционных лучей, которые интерферируют друг с другом. Интерференционная картина зависит от интенсивности симметричных отраженных лучей двух систем, которая получается различной при отсутствии совмещения пластины и шаблона и одинаковой в случае их точного совмещения.

Таким образом, о степени точности совмещения можно судить по виду интерференционной картины. Состояния системы совмещения определяются фотоэлектрическими датчиками. Метод обеспечивает точность совмещения около 1% от ширины линии. При этом максимальная точность составляет 0,02 мкм.

Глава 8. ПЛЕНКИ В ТЕХНОЛОГИИ ИС, МИКРОСБОРОК И КОММУТАЦИОННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

 

8.1. Металлические пленки для ИС

В настоящее время на практике используются два принципиально отличных варианта производства ИС и микросборок: тонко- и толстопленочный.

Рис. 8.1. Варианты методов производства ИС

 

Тонкопленочная технология обеспечивает более точные размеры элементов, однако сложнее и поэтому дороже толстопленочной.

В технологиях полупроводниковых ИС осаждение тонких пленок металлов используется, как правило, для создания коммутации и контактных площадок, а также резисторов, конденсаторов и т.п.

Очевидно, что конфигурация пленок определяется конструкцией ИС и заданными значениями их электрофизических параметров.

Параметры пленок изменяются в широком диапазоне в зависимости от её состава и условий осаждения. Наиболее важной характеристикой пленок является удельное сопротивление r.

Так, например, может наблюдаться три области изменения удельного сопротивления r как функции толщины d:

d ³ 0,1 мкм Þ r» r_Ме,

d» 10^-2 мкм Þ r > r_Ме,

d ≤ 10^-3 мкм Þ r – очень большое, где r_Ме – сопротивление массивного образца (например, металла).

Схематично данная ситуация изображена на рис. 8.2.

 

Схематично данная ситуация изображена на рис.8.1.

 

 

 

Рис. 8.2. Зависимость электросопротивления пленки

от ее толщины и концентрации металла (на примере Ni)

 

Для приближенного вычисления удельного сопротивления пленки используют соотношение: , где А = const и определяется экспериментально.

Если же пленка априори считается однородной, то ее сопротивление равно: , где l, b, S – соответственно длина, ширина и площадь сечения пленки.

При l = b (т.е. квадратное сечение) – поверхностное сопротивление Ом/.

Если необходимо получить резистивный элемент, то он должен обладать максимальным сопротивлением, т.е. , где S_k – общая площадь пластины; S_o – площадь пластины, занятая другими компонентами; коэффициент 1/2 учитывает расстояние между резисторами.

Обычно экспериментальное значение R _max несколько меньше расчетного за счет контактных площадок и зазоров.

 

8.2. Технология коммутационных элементов ИС

Применяемые для внутрисхемной коммутации ИС проводящие пленки должны отвечать ряду требований: высокая теплопроводность, адгезия к подложке, коррозионная стойкость, термоустойчивость (т.е. не рекристаллизоваться под воздействием высоких температур), совместимость с другими элементами ИС.

Обычно для токоведущих дорожек используются такие проводники, как золото, серебро, медь, алюминий и другие металлы. Хорошими токопроводящими характеристиками обладает серебро, но оно практически не используется для внутрисхемной коммутации ИС из-за высокого коэффициента поверхностной диффузии и электромиграции, которые при эксплуатации вызывают закорачивание соседних проводников.

Медь широко применяется в качестве материала для коммутации элементов ИС, особенно для изготовления микрополосковых СВЧ-линий. Однако низкая адгезия к керамическим и стеклянным подложкам, а также высокая окисляемость поверхности создают трудности при подсоединении внешних выводов. Поэтому медь используется только в составе многослойных проводников и контактных площадок. В качестве адгезионного подслоя меди используют хром, титан, ванадий. Для таких пленочных структур длительные термические воздействия в диапазоне температур 100-600°С не оказывают влияния на электрические свойства готового изделия. В качестве защитного покрытия для Cr-Cu, Ti-Cu и V-Cu структур служат Ni и Au, которые позволяют присоединять внешние выводы сваркой или пайкой.

Золото с адгезионным подслоем наиболее полно удовлетворяет требованиям однослойной коммутации, так как выдерживает высокие температуры обработки на воздухе и обеспечивает высокое качество соединения с внешними выводами практически любым способом. При использовании золота в контакте с другими металлами необходимо учитывать их взаимную диффузию с образованием твердых растворов или интерметаллических соединений. В случае взаимной диффузии происходит увеличение удельного сопротивления диффузионной зоны, что крайне отрицательно сказывается на свойствах проводящего элемента или контактной площадки ИС. Так, в пленочной системе Au-Al взаимная диффузия становится уже заметной при ~100°С со всеми вытекающими последствиями.

Алюминий тоже широко используется для металлизации ИС вследствие высокой технологичности и низкой стоимости получения пленок из этого металла. Кроме того, широкое применение Al обусловлено возможностью создания соединений с выводами навесных элементов ИС методами ультразвуковой и термокомпрессионной сварки.

Al₂О₃ – хрупкий оксид (пленка толщиной 10 нм на поверхности металлического Al) и легко разрушается при механическом воздействии, обеспечивая удовлетворительное качество сварки. Улучшить качество сварного соединения можно нанесением титана на алюминиевую пленку (толщина титана ~30-80 нм). Покрытие титаном алюминиевой пленки повышает микротвердость последней в 5-10 раз, что также положительно сказывается на качестве коммутации в ИС.

К недостаткам алюминиевой металлизации следует отнести невозможность подсоединения к ней внешних выводов методом пайки. Тем не менее, поиски наилучшей пленочной системы на основе алюминиевой металлизации продолжаются.

Для проводников СВЧ-диапазона первоначально использовалось сочетание металлов Cr-Au. Однако эта система оказалась неудачной при повышенных температурах из-за диффузии хрома в золото, приводящей к десятикратному увеличению удельного сопротивления по сравнению с объемным сопротивлением золота.

Широкое распространение в производстве ИС получила структура Ti-Cu-Ni-Au, в которой основную функциональное роль выполняет слой меди толщиной ~15 мкм. Титан способствует высокой адгезии слоя к ситаллововой или поликоровой подложке при низкой температуре осаждения. Структура Ni-Au придает системе коррозионную стойкость и делает возможным сварку или пайку при сборочных операциях.

Для обеспечения высокой проводимости и низких внутренних напряжений пленки меди должны обладать мелкодисперсной структурой и содержать малое количество примесей. Рентгеноструктурные исследования показали, что такие пленки, полученные при скорости осаждения ~150 нм/с, независимо от толщины имеют совершенную структуру, аналогичную структуре отожженного образца монолитной меди.

Другими важными параметрами тонких пленок являются внутренние напряжения, которые подразделяются на термические и собственные. Если первые определяются различием коэффициентов линейного расширения пленки и подложки, то вторые связаны с неполным структурным упорядочением материала, нанесенного на подложку (конденсата). Внутренние напряжения в пленках меди обладают растягивающими усилиями, значения которых в зависимости от толщины пленки и скорости осаждения конденсата находятся в пределах (0,5–1,5)´10⁸ Па (см. рис. 8.3). Повышение температуры до ~450 К сопровождается линейным уменьшением растягивающих напряжений до нуля и даже изменением их знака. Инверсия знака происходит при температуре, близкой к температуре подложки при осаждении пленки.

Рис. 8.3.Зависимость внутренних напряжений σ

от толщины δпленки и скорости осаждения конденсата на подложку

Рис. 8.4.Зависимость внутренних напряжений σ

от толщины δпленки и температуры

 

8.3. Технология пленочных резисторов

Для формирования пленок с высокими значениями сопротивления служат резистивные сплавы. К ним относятся широко применяемые в отечественной промышленности сплавы переменного состава (30% Cr; 0.7-1.8% Fe или Ni, остальное Si), а также силициды тугоплавких металлов. Сплавы таких металлов позволяют получать поверхностные сопротивления в диапазоне 50-2000 Ом/.

Пленки с высоким поверхностным сопротивлением имеют слишком малую толщину (~0,01 мкм) и поэтому могут разрушаться при эксплуатации или присоединении выводов. Использование керметов дает возможность значительно повысить поверхностное сопротивление пленок без уменьшения их толщины.

При создании пленочных резисторов используется два способа получения заданной геометрии рисунка резисторов: осаждение резистивной пленки через трафарет (маску) и создание рисунка фотолитографией.

Рассмотрим изготовление резисторов из чистого металла (хром, вольфрам), сплава (нихром) и кермета (монооксид кремния – хром).

 

 

8.4. Чистый металл и сплавы

Исходный материал помещают в источник, который либо нагревают до заданной температуры электрическим током или электронным лучом, либо он бомбардируется ионами заданной энергии. Температура подложки обычно поддерживается ~100-400°С. При удельном сопротивлении резистора от 100 до 1000 Ом/□ толщина пленки составляет около 0,02 мкм. Для обеспечения стабильной характеристики пленку подвергают термообработке по определенному режиму.

Резисторы из чистых металлов имеют неоспоримые преимущества – постоянство состава и однородность структуры, что в свою очередь определяет высокую стабильность их электрических параметров.

Технология нихромовых резисторов распространена в производстве тонкопленочных ИС. Нихромовые промышленные сплавы обычно имеют

составы: Ni (80%) + Cr (20%) или Ni (75%) + Cr (20%) + Al (2,5%) + Cu (2,5%).

Очевидно, что при испарении пленка будет иметь другой состав, изменяющийся в соответствии с закономерностями испарения и конденсации. Поэтому с целью сохранения постоянства состава осаждаемой пленки испарение целесообразно вести из достаточно обширного (не точечного) источника. Отжиг в течение часа при температуре 300-350°С способствует снятию напряжений в пленке и предотвращению последующей рекристаллизации в ней. Такая обработка обеспечивает стабилизацию структурных и, следовательно, электрофизических параметров пленки: например, нихромовый пленочный резистор изменяет сопротивление под нагрузкой при комнатной температуре за 1000 часов всего на 1%. Кратковременная перегрузка (~5 мин) такого резистора изменяет его сопротивление не более чем на 0,25 %.

 

8.5. Керметы (микрокомпозиционные пленки)

Впервые керметные пленки были получены Бочкаревыми в 1955 году, и с тех пор интенсивно используются в промышленности. Многие керметы обладают высокими значениями поверхностного сопротивления даже по сравнению с высокоомными сплавами.

Важным преимуществом применения керметных пленок для производства тонкопленочных резисторов является возможность варьирования их удельного сопротивления в весьма широких пределах, что наглядно демонстрирует график на рис.8.5.

 

Рис. 8.5. Зависимость удельного сопротивления ρ пленки

от концентрации металла (сплава)

 

Керметные пленки напыляются методами мгновенного (взрывного) испарения. Перед испарением материалы, составляющие кермет, тщательно перемешиваются в вибробункере, из которого с заданной скоростью кермет высыпается в испаритель. С целью обеспечения однородного состава пленки испарение всех составляющих кермета должно происходить мгновенно, для чего температура испарителя поддерживается на высоком уровне: ~ 2500 К и выше.

В последние годы все чаще для напыления керметных пленок используются методы ионно-плазменного распыления. В пленках, нанесенных этим методом, структурные изменения проявляются меньше, чем в пленках, полученных, например, испарением электронным пучком или пиролизом элементоорганических соединений. При этом из всех факторов, влияющих на структуру керметных пленок, наиболее существенным является температура подложки.

Следует отметить, что, несмотря на большие возможности, которые обещает внедрение керметов в технологию тонкопленочных резисторов, они меньше применяются в промышленной практике из-за малой изученности тонкопленочных керметов и процессов получения из них стабильных резистивных пленок.

Для обеспечения заданных номиналов тонкопленочных резисторов при минимуме производственных затрат важным является влияние технологических факторов на свойства тонкопленочных резисторов: скорость испарения, состав и толщина пленки, температура подложки и характер ее обработки, условия термообработки, давление остаточных газов в вакуумной камере, расстояние между подложкой и испарителем.

 

8.6. Изготовление тонкопленочных конденсаторов

В технологии изготовления тонкопленочных конденсаторов важнейшее значение имеет получение заданных физических свойств диэлектрических слоев в конденсаторных структурах, а также стабильность их качества. В ряде случаев на свойства конденсаторов оказывают влияние металлические электроды и изолирующая подложка. Поэтому конструкцию конденсатора и технологический фактор его изготовления необходимо рассматривать комплексно. Так, например, существуют конструкции конденсаторов с пересекающимися электродами (рис. 8.6, а) и с электродами, обеспечивающи-ми минимальное сопротивление (рис. 8.6, б).

Площадь конденсатора определяется площадью перекрытия нижнего и верхнего электродов. Следовательно, точность получения заданной площади конденсатора зависит от точности размера каждого из электродов и их взаимного расположения.

Конструкция (рис. 8.6, б) обеспечивает минимальное сопротивление конденсатора и позволяет избежать погрешностей, связанных с совмещением фотошаблона (или масок), так как при параллельном сдвиге любого электрода площадь конденсатора не изменяется.

а б

Рис. 8.6. Типичные конструктивные схемы конденсаторов

 

Наиболее важными параметрами конденсаторных устройств являются: диэлектрическая проницаемость ε, его электрическая прочность Е _пр, диэлектрические потери tgδ, температурный коэффициент емкости (ТКЕ), нелинейность емкости, сопротивление изоляции и гладкость поверхности обкладок.

Материалы, применяемые для изготовления тонкопленочных конденсаторов, естественно, обуславливают технологию их производства. Так, например, для создания малых емкостей обычно служат двухслойные структуры из оксида тантала и кремния.

Распространенный класс материалов для конденсаторов – оксиды типа МеО_х. Установлено, что для них параметры ε, Е _пр, ТКЕ и tgδ в конечном счете определяются шириной запрещенной зоны Δ Е_g и степенью окисления х. Электрическая прочность и диэлектрические потери материалов аппроксимируются следующими выражениями: ,(для 1≤ x ≤ 2,5), , где n = 12; k – постоянная Больцмана; Т = 300 К. Обычно используются материалы с Δ Е_g ≥ 2,5 и tgδ ≈ 10⁻² − 10⁻⁴.

Из всего многообразия соединений, используемых для изготовления пленочных конденсаторов, наиболее перспективны стеклообразные материалы. Их преимущества состоят в широких возможностях подбора основных механических, тепловых, электрических и оптических свойств при получении пленок и управления ими путем изменения химического состава стекла.

В первом приближении в стеклах выполняется правило аддитивности: , где П – свойства стекла; х _i – молярная доля компонента стекла; П _i – значение исследуемого параметра (например, теплопроводность, электропроводность и др.).

Из-за отсутствия у этих материалов четкой температуры плавления при электротренировках возникают механические напряжения в окрестностях локальной области пробоя диэлектрика. Иногда осажденные пленки оксидов получаются пористыми, что связано с избирательной зависимостью параметров осаждения отдельных оксидов от состояния поверхности подложки. Такая избирательная чувствительность к неоднородностям поверхности тем меньше, чем сложнее композиция диэлектрика.

Поскольку выбор материала диэлектрика определяет организацию технологического процесса производства пленочных конденсаторов, то целесообразно рассматривать эти процессы применительно к каждому диэлектрику отдельно.

 

8.7. Монооксид кремния SiO

Это наиболее часто используемый в пленочных конденсаторах диэлектрик. В качестве материала обкладок конденсатора или соединительных электродов применяются медь и алюминий.

Слой Al для нижней обкладки толщиной от 0,5 до 1 мкм наносится на подложку обычными методами термовакуумного испарения. Далее монооксид кремния испаряется в вакуумной камере, откачанной до давления 5·10^-8 Па и ниже. Скорость напыления поддерживается в диапазоне 0,007-0,009 мкм/с при температуре подложки ~300°С, толщина пленки контролируется во время осаждения с помощью фотометрических методов.

После нанесения моноокиси кремния напыляется верхняя обкладка из алюминия толщиной ~1 мкм. Для создания рисунка используется металлическая маска или фотолитография.

Конденсаторы на основе SiO имеют температурный коэффициент емкости около 10^-4 С^-1 в диапазоне температур от –60 до +150 °С, при этом тангенс угла потерь почти не чувствителен к температуре в этом диапазоне.

8.8. Пятиокись тантала Та₂О₅

Пятиокись тантала Та₂О₅ широко применяется в качестве диэлектрика в конденсаторе и определяет его высокую электрическую прочность и стабильность.

Такие пленки создаются либо катодным распылением, либо осаждением тантала электронно-лучевым испарением с последующим его окислением на подложке. Оба метода при правильной очистке и подогреве подложек позволяют получать однородные пленки высокой частоты. На рис.8.6 приведена схема метода.

Для того чтобы снизить поверхностное сопротивление нижнего электрода и тем самым уменьшить потери, на подложку перед осаждением танталовой пленки наносят слой Al. Тантал, осажденный поверх алюминия до толщины примерно 0,3 мкм, имеет хорошую адгезию к подложке, тогда как более толстые пленки могут отслаиваться во время анодирования. Заданный рисунок нижней обкладки получается с помощью фотолитографии. Травление Та ведется смесью, состоящей из одной части плавиковой и семи частей азотной кислот. Для маскирования применяют обычный фоторезист (типа ФП-330).

Толщина верхней обкладки составляет ~0,5-0,6 мкм. Для её изготовления используют сплавы на основе золота, алюминия и меди, поскольку адгезия пленок этих сплавов к пленкам Та₂О₅ достаточно велика – усилие отрыва составляет ~(11–12,8)·10⁶ Па. При использовании алюминиевых обкладок нужно иметь в виду, что Al быстро диффундирует в Та₂О₅ при нагреве.

Основной недостаток таких конденсаторов – неудовлетворительные характеристики при частотах выше 10 кГц, что объясняется резким увеличением tgδ вследствие высокого удельного сопротивления танталовых пленок. Поэтому для улучшения частотных характеристик таких конденсаторов

 

Рис. 8.7. Технологическая схема метода изготовления

танталового конденсатора

 

необходимо наносить слой алюминия под нижним электродом, а верхний электрод делать из металла с меньшим удельным сопротивлением.

 

8.9. Оксид алюминия Al₂O₃ и диоксид кремния SiО₂

Эти материалы обладают рядом достоинств для применения в пленочных конденсаторах: малая концентрация пор; значения ε, Е_пр, и tgδ хороши для получения достаточной удельной емкости; возможность получения тонких слоев этих материалов методами электронно-лучевого испарения, реактивного и ионно-плазменного распыления и т.д.

В технологии получения пленочных конденсаторов особенно важно, что для Al₂O₃ и SiО₂ может применяться метод пиролиза элементоорганических соединений. Данный метод дает наиболее качественные пленки практически по всем параметрам, однако требует сравнительно высоких температур (~500-800°С). Обычно исходными соединениями для метода элементоорганического пиролиза служат соединения типа Si(C₂H₂O)₄ и Al(C₂H₂O)₃, которые согласно реакциям:

, (8.1)

(8.2)

разлагаются при 500°C, тем самым осаждая пленки интересующих нас оксидов на подложку. Побочные продукты реакции уносятся газовыми потоками.

Иногда применяют не механические смеси Al₂O₃ и SiО₂, а химические соединения – алюмосиликаты. Самые высокостабильные пленки получаются для алюмосиликатов состава (40% Al₂O₃ + 60% SiО₂)_.

 

8.10. Диоксид титана ТiО₂

Диоксид титана ТiО₂ является перспективным материалом для создания пленочных конденсаторов благодаря высокому значению ε. Пока что значения пробивных напряжений для них составляют ~40 В, что, вообще говоря, не очень много.

Исходно титановую пленку можно получать катодным распылением, электронно-лучевым распылением или окислением слоя титана до ТiО₂ в кислороде при температурах 700-950°C.

Преимущество диоксида титана (как и Та₂О₅) состоит в том, что на основе этих соединений можно изготавливать как тонкопленочные резисторы, так и конденсаторы с высокостабильными электрическими параметрами, не привлекая другие материалы. Данное обстоятельство является важным технологическим фактором процесса производства ИС и микросборок.

Глава 9. МОНТАЖ КРИСТАЛЛОВ ИС НА НОСИТЕЛЯХ. ТИПЫ НОСИТЕЛЕЙ. ОСОБЕННОСТИ СБОРКИ ИС В КОРПУСА

 

9.1. Конструктивно-технологические варианты монтажа

Корпус ИС является важной частью ее конструкции. Качество корпуса в значительной степени определяет надежность работы ИС и ее механическую прочность при функционировании в составе радиоэлектронных устройств.

Конструктивно-технологические варианты исполнения корпусов ИС достаточно многообразны и зависят от области применения конечного устройства. Рациональный выбор конструктивно-технологического варианта корпуса крайне важен, поскольку на него возлагаются следующие функции:

· обеспечение хорошего электрического и механического контакта выводов кристалла ИС с внешними выводами корпуса;

· защита кристалла ИС от воздействия неблагоприятных внешних воздействий (например, климатические условия);

· эффективный отвод тепла, которое всегда выделяется при работе ИС.

Заметим, что удовлетворительные условия работы ИС в корпусе реализуются в том случае, когда коэффициент термического расширения элементов и компонентов ИС и корпуса хорошо согласуются, а внутрисхемные соединения элементов образуются с минимальными деформационными напряжениями.

Если не удается согласовать коэффициент термического расширения кристалла ИС и кристаллоносителя, то между ними монтируется специальная прокладка с промежуточными значениями коэффициента термического расширения (КТР) для обеспечения необходимого согласования.

Существует три основных способа монтажа кристаллов в корпусе:

1. Проволочный монтаж – выводы ИС соединяются с выводами корпуса с помощью тонких проволочек (наиболее универсальный метод).

2. Жёсткий монтаж – кристалл ИС крепится на ленточный носитель посредством жестких выводов специальной конструкции (приемлем для массового производства, поскольку позволяет автоматизировать процесс сборки ИС).

3. Балочный монтаж – кристалл ИС крепится на специальной выводной раме.

 

а

б

в

Рис. 9.1. Способы монтажа кристалла в корпусе:

а – проволочный монтаж, б – жесткий монтаж,

в – балочный монтаж

Рис. 9.2. Схематическая последовательность операций

при сборке ИС на ленточном носителе

 

9.2. Изготовление ленточных носителей

Большинство ИС выпускается в пластмассовых и керамических корпусах, поэтому и ленточные носители формируются на пластмассовых и керамических лентах. Лента изготавливается из термореактивных смол класса полиимидов и полиэфиров, а также полиэтилена. Наиболее выгодно использование полиимидов вследствие их высокой термостойкости и стабильности физико-химических свойств. Эти пленки допускают осаждение на них металлов методом термовакуумного напыления. Обычно используются полиамидные пленки толщиной от 0,1 до 0,05 мм и шириной от 10 до 70 мм.

Носителем для монолитных ИС служит непроводящая лента с краевой перфорацией (для автоматической подачи), на которую нанесено тонкое медное покрытие в виде отдельных кадров с вытравленными рисунками выводов. Применение данного метода позволило значительно снизить стоимость ИС и повысить их надежность благодаря следующим достоинствам:

· контактные площадки ИС защищены от коррозии;

· прочность соединения на разрыв увеличена вдвое по сравнению с монтажом золотой проволокой;

· выводы в виде медного покрытия рассеивают гораздо большее количество тепла, чем проволочные выводы.

Схематическое изготовление ленточного носителя на основе полиимидной пленки изображено на рис. 9.3.

Рис. 9.3. Изготовление ленточного носителя на основе полиимидной пленки

Технологический процесс изготовления ленточных носителей начинается с нанесения адгезива класса фенолов, эпоксидов или полиимидов на пленку из полиимида или полиэфира толщиной от 10 до 250 мкм (обычно 125 мкм). Нанесенный слой сушат, а пленку разрезают на ленты стандартной ширины. Далее с помощью автоматического пуансона в ней вырубают сначала краевую перфорацию (рис. 9.3, а), а затем отверстия под кристаллы (рис. 9.3, б). Затем на подготовленную таким образом ленту наклеивают полосу медной фольги толщиной 35 мкм (рис. 9.3, в). Процесс склейки происходит в автоматическом прессе при кратковременном нагреве и давлении (14,7-19,6)·10⁴Па. После охлаждения до температуры окружающей среды обратную сторону ленточного носителя покрывают лаком и сматывают на катушку. Затем лента поступает на автоматическую линию фотолитографического травления медной фольги для формирования выводов с последующим осаждением на них пленок золота и олова.

Выбор ленточных носителей в настоящее время достаточно широк. Существуют различные варианты их конструкций: одно-, двух- и трехслойные, и не менее пяти вариантов ширины. Наиболее широко применяется трехслойная лента. Её недостатком является низкая термостойкость адгезива, который выдерживает температуру лишь ~200ºC в течение 20-30 с. Этот недостаток устранен в двухслойном ленточном носителе, который изготавливается способом разливки слоя полиимида толщиной 12,7 мкм на поверхность прокатанной отожженной медной фольги. Рисунок выводов формируется методом фотолитографии, а затем протравливается как фольга. Такая лента выдерживает уже ~400ºC.

Полиэфирная лента дешевле в 10 раз полиамидной, однако, не выдерживает температур свыше 160ºC и, кроме того, сильно коробится при нагреве. Поэтому такую ленту невозможно использовать для окончательного монтажа кристалла ИС, а лишь в качестве промежуточной прослойки для монтажа гибридных ИС.

 

9.3. Получение внутренних выводов на кристаллах ИС

Стандартные полупроводниковые пластины кристаллов ИС нельзя непосредственно прикрепить к ленточному носителю без предварительной подготовки. Такая подготовка заключается в том, что на контактные площадки ИС наносятся специальные (барьерные) многослойные структуры. Поверх многослойной структуры формируются внешние выводы – контактные столбики кристалла ИС в виде бугорка площадью 50´50 мкм и высотой от 10 до 20 мкм.

Барьерные многослойные структуры препятствуют диффузии золота (или меди) в кремний, а бугорки позволяют производить автоматический монтаж кристаллов ИС на любой носитель, в том числе и ленточный.

В настоящий момент существуют два варианта формирования выводов ИС, изготовленной на пластине кремния (рис. 9.4, а, б).

 

а

б

Рис. 9.4. Варианты формирования выводов ИС на пластине кремния

Контактные столбики на кремниевом кристалле ИС обычно изготовляют из следующих материалов:

Таблица 9.1

Материалы для изготовления контактов на кремниевом кристалле ИС

Материал контактного столбика	Материал покрытия балочного вывода ленты	Метод присоединения
Sn-Pb	Sn-Pb	Сплавление
Au	Sn-Pb	Сплавление
Au	Sn	Сплавление
Au	Au	Термокомпрессионная сварка
Al	Au	Термокомпрессионная и ультразвуковая сварка

 

Собственно, процесс изготовления столбиковых выводов заключается в осаждении меди из электролитов на отдельные пробельные участки в маскирующем слое фоторезиста. Локальное покрытие осуществляется на подслой из медной пленки, полученный вакуумным напылением.

Основное требование к покрытию – сохранение формы и размеров покрываемых контактных площадок.

После выбора электролита и условий электроосаждения меди необходимо оценивать формируемые столбиковые выводы по чистоте и шероховатости поверхности, их сцеплению с основой.

 

9.4. Монтаж кристалла ИС на гибкую ленту

Основная операция технологического процесса монтажа кристалла на ленточный носитель – присоединение выводов к контактным площадкам ИС. Метод присоединения выбирается в зависимости от свойств барьерных слоев и вывода (бугорка), а также от материала выводов носителя. Наиболее распространена термокомпрессия позолоченных медных выводов к золотым бугоркам. Для такой операции при изготовлении ИС характерны следующие параметры: время прижатия рабочей головки (термода) 0,25 с; сила прижатия 12,3 Н; T ~ 500ºC.

Метод эвтектического сплавления (или импульсная пайка) применяется для облуженных медных выводов. Термод разогревается тепловым импульсом до температуры 280ºC, и за 0,5с образуется сплав «золото-олово», дающий прочное соединение выводов с бугорком.

Технология монтажа ИС на ленточные носители непрерывно совершенствуется. Одновременно расширяется и область применения этого метода. Так, например, идут работы по выполнению соединений «медный вывод – медный бугорок»; проведены эксперименты по созданию однослойного медного держателя; сделан переход от монтажа внешних выводов на гибкую печатную плату к принципиально новому способу, при котором ИС монтируется на ленту-носитель, содержащую не только выводы, но и весь рисунок металлизации (при этом отпадает необходимость в самой гибкой ленте). Предполагается, что в ближайшее время будут упрощены процессы формирования бугорков и радиальных выводов.

 

9.5. Монтаж гибридных ИС и микросборок

Монтаж активных элементов включает установку, пайку и/или приварку к пленочной пассивной части ИС. В зависимости от того, какие выводы имеют активные элементы (жесткие или гибкие), их монтаж ведется различными методами. В последнее время все шире используется метод монтажа кристаллов с твердыми выводами, обеспечивающий возможность широкой автоматизации процессов сборки.

Независимо от применяемой технологии присоединения, всегда производится совмещение контактных выступов на кристалле с контактными площадками на плате, после чего контакты соединяются пайкой или сваркой.

Для успешной сборки гибридных ИС следует выполнить, по крайней мере, следующие условия:

· предусмотреть возможность удаления неисправного кристалла и его замену после электрических испытаний;

· обеспечить устойчивость ИС к высоким температурам, возникающим в момент пайки и сварки при герметизации корпуса;

· создать надежный электрический и механический контакты в месте соединения кристалла с платой.

Наиболее распространенный метод монтажа – метод перевернутого кристалла, состоящий в беспроволочном монтаже кристаллов путем расположения их «лицом» к плате.

Для простоты монтажа целесообразно контактные выводы изготовлять несколько приподнятыми над поверхностью кристалла ИС с тем, чтобы избежать влияния неровностей платы.

Высота приподнятого вывода:

;(9.1)

здесь h _кр, h _пл– высота неровностей кристалла и платы; Δ h _в – максимальный разброс высоты выводов.

Высота выводов, применяемых в технологии ИС, составляет:

· для кремниевых кристаллов 3-5 мкм;

· для керамических плат 18-20 мкм;

· для стеклянных плат 8-10 мкм.

При этом диаметр выводов обычно не превышает 50-100 мкм.

При монтаже кристаллов на плату с помощью медных шариковых выводов последние покрывают припоем (облуживают). Диаметр шариков должен превышать шероховатость платы в несколько раз. Обычно он составляет ~0,08 мм. Шариковые выводы, выступающие над поверхностью кристалла, присоединяют к контактным площадкам на плате. После этого кристалл и плату нагревают и припой растекается по поверхности, ликвидируя неровности и образуя спай.

Сила поверхностного натяжения припоя сдвигает кристалл в нужное положение даже в том случае, если первоначально он был установлен не совсем точно.

Неисправный кристалл ИС можно удалить с помощью нагреваемой вакуумной присоски с разогретым наконечником. На место неисправного устанавливается новый кристалл. Далее процесс припайки повторяется.

Вместо шариковых выводов можно использовать балочные выводы, создаваемые методами ФЛ. Для балочных выводов было предложено применять спаи индия с медью, где индий служит временным припоем, обеспечивающим контакт для проведения электрических испытаний. После проведения успешных испытаний вся плата нагревается, и индий, диффундируя в медь, образует сплав, температура плавления которого ~700ºC. Такой спай остается достаточно прочным до температуры – 500-600ºC.

Балочные выводы должны на 200-250 мкм выступать над поверхностью кристаллов, которые монтируются к контактным площадкам платы и помещаются в печь для пайки. После охлаждения прочность соединения испытывается воздушным ударом струи воздуха давлением 2,5·10⁶ Па. Присоединение балочных выводов к контактным площадкам можно производить не только пайкой, но и сваркой. Часто используют ультразвуковую сварку с частотой сигнала 60 кГц, мощностью 2 Вт, длительностью 0,3 с при усилии 1,7 Н.

При сборке методом совмещения возникает ряд технических сложностей. Например, проблемой является точная дозировка энергии, необходимой для осуществления надежного крепления выводов ИС. Недостаточная по значению энергия может привести или к плохому контакту, или к тому, что некоторые выступы останутся вообще не присоединенными к контактным площадкам на плате. Приложение избыточной энергии может наоборот сдавить металлизацию настолько, что зазор исчезнет, вызвав замыкание или же привести к растрескиванию всего полупроводникового кристалла.

Необходимо также, чтобы температурный коэффициент расширения платы ТКР по возможности совпадал с ТКР кремния. При значительном расхождении в значениях ТКР температурные изменения могут вызвать растрескивание кристалла или сдвиг, и даже обрыв контакта, что особенно неблагоприятно для больших гибридных ИС.

Перечень указанных проблем позволяет считать сборку посредством гибких проволочных выводов конкурентоспособной с методами жесткого монтажа.

Метод монтажа совмещением обеспечивает возможность объединения отдельных ИС в сложные подсистемы, которые могут содержать тысячи элементов, заключенных в один корпус.

 

9.6. Особенности сборки сверхбыстродействующих ИС и процессоров

Создание сверхбыстродействующих ИС (СБИС) и микропроцессоров (МП) на одном кристалле привело к необходимости создания, как новых типов корпусов, так и совершенствования методов монтажа кристалла ИС на кристаллоноситель с применением новых материалов, которые обеспечивают более высокую технологичность процесса сборки.

Корпус ИС должен обладать оптимальной конструкцией, достаточно хорошо отводить тепло и иметь низкую стоимость. Указанные требования продиктованы условием высокой надежности таких ИС. Поэтому при изготовлении высоконадежных ИС используются сварные герметичные корпуса, обычно удовлетворяющие достаточно жестким требованиям на механическую стойкость и на стойкость к воздействиям окружающей среды.

Обычные корпуса типа ДИП (диэлектрик-полупроводник), которые хорошо зарекомендовали себя в производстве ИС, крайне не рациональны для монтажа СБИС и МП. Основной причиной является то, что такой важный параметр, как эффективность использования монтажной площади, равная отношению площади кристалла к площади, необходимой для монтажа его на носитель, очень быстро падает с ростом числа выводов. Так, например, если для 18-выводного ДИП-корпуса требуется площадь ~1,81 см² для монтажа кристалла площадью 0,25 см², то эффективность использования корпуса составляет 0,25/1,81 или всего 14%. Для 40-выводного корпуса этот параметр падает уже до 4%.

Кроме того, еще один существенный недостаток корпусов данного типа – серьезное ухудшение их электрических характеристик при повышении быстродействия ИС. Дело в том, что в этом случае начинают отрицательно сказываться сопротивление и индуктивность соединений между близкими к торцам выводами корпусов и выводными контактами кристалла, особенно