Гинберг А.M. и др. Технология важнейших отраслей промышленности
Подождите немного. Документ загружается.
331
Пасты для изоляционных слоев представляют собой смесь стекла и
органических жидкостей.
Сетчатые трафареты имеют очень малый размер ячеек (порядка 50 мкм). В
соответствии с необходимой топологией схемы на некоторых участках
трафарета ячейки заполняются эмульсией, пигментной бумагой или
фоторезистом, предохраняющими подложку от попадания пасты на эти участки.
Нанесение пасты производится перемещающимся ракилем. Вначале наносится
проводящая паста для создания соединительных порошков, обкладок
конденсаторов, контактных площадок. Паста высушивается, а затем вжигается
при температуре 750 — 950 °С. Затем через другой трафарет наносится
резистивная паста, которая вжигается при меньшей температуре. Аналогично
наносится и вжигается диэлектрическая паста для образования
диэлектрического слоя в толсто- пленочных конденсаторах и в местах
пересечения провод
ников.
После формирования топологии последовательность других
технологических операций аналогична процессам изготовления
тонкопленочных схем.
Полупроводниковые (твердотельные) интегральные схемы получают путем
целенаправленного локального изменения свойств материала
полупроводниковой подложки, легированной примесью.
Добавлением примесей в строго определенных местах и количествах можно
изменять проводящие характеристики в материале подложки из
полупроводников кремния и германия в очень широком диапазоне —
практически от проводника до изолятора. Это свойство используется для
получения в кристаллах как активных, так и пассивных элементов. Изменение
свойств происходит лишь в небольшом слое кристалла, равном нескольким
микрометрам и называемом р—n-переходом, где смыкаются две зоны с
различной проводимостью — дырочной и электронной. Остановимся на этом
подробно.
Химические элементы кремний и германий имеют на внешней электронной
оболочке четыре электрона, т. е. их валентность равна четырем. Известно, что
атом имеет более устойчивое состояние, когда на его внешней оболочке
находится восемь электронов. При низких температурах в кристаллах
полупроводника все электроны связаны с атомами (подвижных электронов нет),
и кристалл представляет собой изолятор.
При повышении температуры полупроводника отдельные электроны
отрываются от атомов, становятся подвижными и
могут создавать
электрический ток в кристалле, когда к нему прикладывается напряжение. При
удалении электрона из атома в оболочке атома образуется свободное место —
дырка. Свободные электроны и дырки беспорядочно перемещаются по
кристаллу.
При включении такого кристалла в электрическую цепь наблюдается
упорядоченное движение электронов от отрицательного полюса к
332
положительному. При встрече свободного электрона с дыркой они
рекомбинируют и их движение прекращается. Такая проводимость называется
собственной проводимостью полупроводника.
Если в кристалл кремния или германия ввести небольшое количество,
например, алюминия, то проводимость легированного им кристалла будет, в
основном, дырочной. Такой кристалл называется полупроводником р-типа.
При введении в кремний и германий, например, мышьяка, получим
полупроводник с электронной проводимостью, называемый полупроводником
n-типа.
В кристалле полупроводника можно создать с помощью локального
легирования одновременно две зоны: p-типа и n-типа. Границу между ними
называют р-n- переходом, который может выполнять функции диода.
Создавая разнообразные комбинации р-n-переходов получают элементы —
диоды, транзисторы, резисторы и т. п. Сочетания любого числа элементов
образуют желаемую схему, а так как все они являются составными частями
одного кристалла полупроводникового материала, то получается полностью
монолитная твердотельная структура.
Базовой технологией создания полупроводниковых ИС является
эпитаксиально-планарная технология, по которой поверхность
полупроводниковой монокристаллической пластины вначале окисляют. Затем
осуществляют локальное травление оксида слоя и через вскрытые в нем окна
производят легирование полупроводника. Легирующие примеси
диффундируют в подложку из газовой фазы при высокой температуре.
Последующим окислением окна снова закрываются. Повторяя технологические
операции окисления, селективного травления и диффузии различных примесей,
можно реализовать различные схемные элементы: диоды, транзисторы,
сопротивления и емкости. Однако емкостные элементы в связи с их большой
площадью и высокой стоимостью технологических операций в ИС практически
не применяют. На одной пластине монокристалла полупроводника диаметром
около 100 мм формируется одновременно до нескольких тысяч ИС.
Последующими операциями технологического процесса являются:
получение вакуумным напылением или фотолитографией металлических
проводников, которые соединяют элементы схемы, и контактных площадок,
отбраковка пластин по параметрам отдельных ИС, разрезка пластины на
отдельные ИС, монтаж ИС в корпусе, соединение контактных площадок с
выводами корпуса, герметизация.
Выбор конструкции и технологии изготовления интегральных схем
обусловливается технико-экономическими соображениями. Толсто- и
тонкопленочная технологии отличаются широкими возможностями реализации
схем по точности элементов. Кроме того, они характеризуются сравнительно
низкой стоимостью подготовки производства. На их базе можно изготовлять
широкую номенклатуру схем малых серий (специальных ГИС).
333
Преимущественное использование тонкопленочной технологии в
производстве прецизионных схем объясняется возможностью достижения более
высокой разрешающей способности, точности и стабильности элементов схем.
Толстопленочная технология отличается несколько меньшим циклом
подготовки производства и менее сложным технологическим оборудованием.
Она используется для получения сравнительно несложных схем в устройствах
числового программного управления, ЭВМ и др. Для получения ГИС
толстопленочная технология в ряде случаев обладает преимуществами по
сравнению с тонкопленочной.
Технологию полупроводниковых ИС применяют для изготовления изделий
массового производства — цифровых схем ЭВМ, микропроцессоров,
электронных часов, счетных машин и т. п.
Ряд технологических операций трех основных видов технологии
изготовления интегральных микросхем по своей физической природе
аналогичен, несмотря на различия используемых материалов и оборудования
Фотолитография в микроэлектронике
Получение элементов с малыми геометрическими размерами и высокой
точностью связано с применением процессов фотолитографии, без которой
немыслима микроэлектроника.
Фотолитография
— совокупность фотохимических процессов, основанных
на использовании светочувствительных полимеров (фоторезистов),
изменяющих свои первоначальные свойства под действием излучения
(ультрафиолетового, электронного, рентгеновского). Ее цель — создать в слое
фоторезиста «окна» заданных размеров и формы для доступа травителя к
расположенной под этим слоем полупроводниковой или диэлектрической
подложке.
В зависимости от характера изменения свойств при облучении фоторезисты
делятся на позитивные и негативные.
Позитивные фоторезисты —
полимеры, которые в обычном состоянии стойки к действию растворителей и
травителей, а под действием излучения разрушаются и легко смываются
растворителями.
Негативные фоторезисты в обычном состоянии легко
растворяются, но под действием излучения становятся нерастворимыми и
стойкими к действию различных травителей. Фоторезисты должны обладать
высокой разрешающей способностью, т. е. обеспечивать воспроизводство
изображения миниатюрного элемента.
На рис. 19.2 приведена последовательность основных операций при
фотолитографии рисунка микросхем. Фотолитография может быть
последовательной, селективной и обратной.
В процессах фотолитографии используют
фотошаблон— трафарет, через
который производят облучение фоторезиста. От точности его изготовления в
первую очередь зависит точность изготовления элементов микросхем.
334
Фотошаблон представляет собой фотоснимок рисунка элементов микросхемы
(фотооригинала).
Фотошаблоны, выполненные на фотопластинках, называют жесткими, а на
фотопленке — гибкими.
Для крупносерийного производства, при котором изготовляется большое
количество отпечатков, с эталонного фотошаблона снимаются износостойкие
рабочие копии.
Фотошаблоны должны иметь геометрический рисунок с допусками на
размеры элементов в пределах от + 1 до + 5 мкм для гибридных интегральных
схем и долей микрометра для полупроводниковых ИС. Учитывая, что
полупроводниковая подложка представляет собой пластину диаметром 50 или
100 мм, а отдельная микросхема является элементом квадратной формы со
стороной 2 — 3 мм, рисунок схемы на фотошаблоне мультиплицируется.
При изготовлении интегральных микросхем обычно требуется комплект из
нескольких фотошаблонов с различными взаимно дополняющими друг друга
рисунками. Для получения фотошаблона специальными редукционными
камерами с помощью высокоразрешающей оптики и специальных фотопластин,
фотопленки, имеющих высокую чувствительность и разрешающую
способность, фотографируют оригинал, представляющий собой увеличенный во
много раз чертеж топологии микросхемы.
Оригиналы изготовляют на
координатографах с погрешностью
расположения линий + 50 мкм. В последнее время на смену координатографам
в производстве полупроводниковых интегральных схем пришли программно-
управляемые микрофотонаборные установки, в которых непосредственно на
фотопластине набирается топологический
рисунок путем засветки через
диафрагмы с от
дельными элементами прямоугольной формы.
Для нанесения фоторезиста на пластину существуют следующие способы:
центрифугирование, пульверизация, вытягивание из раствора, напыление в
электростатическом поле, накатка валиком, полив.
В основном используется метод центрифугирования, при котором
фоторезист тонкой струей льется в центр вращающейся подложки. Частота
вращения центрифуги зависит от вязкости фоторезиста и подбирается
экспериментально. Для нанесения тонких пленок фоторезиста (менее 1 мкм)
время процесса составляет 20 — 30 с. При центрифугировании толщина слоя
выдерживается с допуском ±10%.
При методе пульверизации можно проводить контроль толщины пленки
фоторезиста в широких интервалах (от 0,35 до 20 мкм). Кроме того,
пульверизация обеспечивает однородность толщины слоя и сравнительно
малый
расход фоторезиста.
Метод полива применяют для создания толстых слоев фоторезиста (10—20
мкм).
335
Сушка фоторезиста должна обеспечить определенную ориентацию молекул
фоторезиста и удаление растворителя. Ее проводят при температуре 80—
100°C.
Совмещение фотошаблонов осуществляют базовым и визуальным
методами. Визуальный метод основан на совмещении реперных знаков (обычно
крестов), расположенных на фотошаблонах в одном и том же месте. Базовый
метод заключается в ориентации фотошаблона по двум базовым плоскостям
или двум цилиндрическим поверхностям.
Экспонирование фоторезиста осуществляют контактным и проекционным
способами.
Проявление фоторезиста заключается в удалении с поверхности подложки
(после экспонирования) ненужных его участков. Для повышения стойкости
защитного рельефа фоторезиста производится его задубливание — вторичная
сушка при более высокой температуре (с целью удаления остатков проявителя)
и дальнейшая тепловая полимеризация фоторезиста.
Весьма ответственной является операция травления основного слоя. При
химическом травлении важен подбор состава травителя, его концентрация и
температура. Эти факторы влияют на размер бокового подтрава, и
неправильный выбор параметров проявителя может вызвать боковой подтрав,
равный толщине стравливаемого слоя, т. е. порядка 1 мкм.
Метод ионного травления основан на использовании пучка положительных
ионов с высокой кинетической энергией для разрушения материала в местах,
подвергающихся травлению. Поскольку ионы бомбардируют подложку
перпендикулярно ее поверхности, эффекта подтравливания не возникает и
точность получения заданной конфигурации элементов микросхем повышается.
Ионное травление позволяет полностью сохранить точность рисунка,
полученного на фоторезисте.
Нанесение тонких пленок в вакууме
Тонкие пленки металлов, полупроводников и диэлектриков широко
используют в технике, например в качестве антикоррозионных и декоративных
покрытий, в микроэлектронике, в оптике и др.
Такие пленки можно получать химическим и гальваническим способами,
разбрызгиванием расплавленного металла, газотранспортным, вакуумным
способами и т. д. В микроэлектронике тонкие пленки формируют на
поверхности диэлектрических подложек (различных стекол, керамике) или
полупроводниковых пластин. При этом преимущественно используется
напыление в вакууме и термическое осаждение из газовой среды.
Напыление в вакууме основано на нагреве в вакууме исходного материала
или композиции материалов до температуры, при которой средняя кинетическая
энергия атомов и молекул вещества становится достаточной для их отрыва от
поверхности и распространения в окружающем пространстве. Температурой
испарения считается температура, при которой давление собственных паров
становится равным 1,33 Па (10
-2
мм рт. ст.). При этой температуре давление
336
паров испаряемого материала становится равным или на несколько порядков
большим давления остаточных газов в вакуумной камере. Благодаря низкому
давлению остаточных газов «горячие» молекулы и атомы испаряемого
материала (особенно металла) не могут легко вступать в химическое
взаимодействие с кислородом или азотом.
Испаренные частицы материала в вакууме распространяются прямолинейно
и при соударении с поверхностью подложки образуют тонкую пленку.
На рис. 19.3 представлены схемы различных установок для получения
тонких пленок.
Методы испарения различных материалов в вакууме различаются по
способам нагрева испаряемого материала.
Наиболее простым является термическое испарение (рис. 19.3, а), когда
испаряемый материал помещается на ленту из вольфрама, молибдена или
другого тугоплавкого материала и через нее пропускают электрический ток
силой в десятки и сотни ампер. В результате лента разогревается, материал
испаряется. Такой метод применяют для материалов, имеющих температуру
испарения не выше 2000 — 2200°С. При нагреве испаряемый материал не
должен разлагаться или вступать во взаимодействие с материалом испарителя.
Компоненты сплавов или композиций должны иметь близкое друг к другу
давление паров при температуре испарения. В противном случае па подложке
вместо пленки сплава получится ряд слоев из отдельных материалов (по
степени их летучести).
Нагрев пучком электронов, получаемым в электронной пушке,
используется для испарения тугоплавких материалов — вольфрама, ниобия,
рения и др. Он не применяется для испарения диэлектриков, так как на них
быстро возникает отрицательный заряд, отражающий пучок электронов.
Нагрев выполняют в водоохлаждаемом медном тигле. При этом электронный
пучок фокусируется электростатическим или магнитным полем на середину
испаряемого материала, который разогревается до точки испарения. Тигель
благодаря охлаждению остается почти холодным и химически не реагирует с
испаряемым веществом. Используют также тигли из тугоплавкой керамики.
Катодное распыление материалов в отличие от методов термического
испарения осуществляется за счет энергии положительных ионов,
образующихся в тлеющем разряде и бомбардирующих катод, изготовленный
из распыляемого материала. С помощью катодного распыления получаются
пленки тугоплавких материалов, различных сплавов, диэлектриков.
Катодное распыление осуществляется следующим образом. Вакуумную
камеру откачивают до давления 1,3*10
-3
Па, затем в нее впускают инертный
газ — обычно аргон — до давления 1,3 Па. Между анодом и катодом
прикладывается высокое напряжение и возбуждается тлеющий разряд.
Положительные ионы аргона, ускоряясь, выбивают из катода частицы
испаряемого материала.
337
Ионно-плазменное распыление — метод получения резистивных,
проводящих и диэлектрических пленок, при котором распыление
осуществляется бомбардировкой материала мишени ионами из газового
разряда, формируемого между катодом и независимым анодом. Отличительной
чертой его является высокий вакуум, что обеспечивает получение более чистых
пленок. Электрические цепи разряда и распыления развязаны. Наиболее часто
используется схема ион- но-плазменного распыления, при которой плазма
генерируется в ионизационной вспомогательной камере, откуда
сформированный сильным магнитным полем узкий пучок ионов направляется в
главную камеру с расположенной в ней мишенью, имеющей потенциал,
достаточный для ускорения ионов до энергий, необходимых для распыления
материала мишени.
Реактивное распыление предусматривает введение в среду тлеющего
разряда реактивного газа (кислорода, монооксида углерода и др.), что позволяет
получать пленки с заданными свойствами, а также пленки химических
соединений основного материала с газом. Окисление или азотирование
распыляемого материала происходит на поверхности мишени или в процессе
формирования пленки.
Осаждение из газовой фазы
Эта операция происходит в результате химических реакций, происходящих
в газовой фазе вблизи поверхностного слоя подложки.
Обычно поверхность является более нагретым телом, чем окружающее
пространство, что обеспечивает возможность протекания на ней гетерогенных
реакций. Иногда используются и другие способы активизации химических
процессов, в том числе тлеющий разряд или ультрафиолетовое излучение.
Различают следующие основные методы осаждения из газовой фазы:
диспропорционирование (эпитаксиальное наращивание), применяемое
обычно для выращивания пленки кремния на монокристалле кремния или
сапфира. При эпитаксиальном наращивании пленок кремния используют
пары иодида кремния. Процесс осуществляется в замкнутой системе или в
системах с открытой трубой;
полимеризация пленки из паров мономера под действием
ультрафиолетового излучения, электронного луча, тлеющего разряда;
использование галогенидов или оксидов осаждаемых металлов. Сущность
метода заключается в пропускании над нагретой подложкой водорода,
водяного пара (иногда в смеси с аргоном) или галогенида металла
(полупроводника). Этим методом осаждают металлы, полупроводники и
оксиды;
разложение — пиролитическая реакция, применяемая для получения
кремния из силана SiH
4
, никеля, хрома и диоксида кремния. Метод
состоит в том, что в откачанную до давления 1,3 Па вакуумную камеру
впускают из другой камеры пары металлоорганического соединения,
которое разлагается при соприкосновении с нагретой подложкой. Этот
338
метод требует особого внимания к соблюдению правил техники
безопасности.
§ 19.2. технология изготовления печатных плат
Миниатюризация и микроминиатюризация электронной аппаратуры,
повышение ее надежности, необходимость механизации и автоматизации
производства привели к разработке и широкомасштабному производству
печатных плат (ПП).
Электрические проводники печатной платы представляют собой
металлические полоски, прочно прикрепленные к поверхности гибкого или
жесткого изоляционного основания, которые служат для электрического
соединения деталей и сборочных единиц, размещенных на изоляционной плате.
Печатный монтаж в сравнении с обычным объемным монтажом имеет
следующие преимущества:
объединение электро- и радиоэлементов и электромонтажа в единую
конструктивную единицу;
возможность автоматизировать процессы монтажа элементов и
контроля правильности соединений на ПП, что обеспечивается
расположением элементов в одной плоскости и наличием единого
шага координационной сетки на плате;
осуществление интегрального технологического процесса, благодаря
чему заменой оснастки или управляющих программ можно
изготовлять различные схемы без переналадки технологического
оборудования;
сокращение времени изготовления и экономия материалов;
повышение надежности и механической стабильности сборочных
единиц.
Печатным платам, особенно многослойным, присущ по сравнению с
объемным монтажом ряд недостатков: трудность внесения изменений; большое
время разработки; трудоемкость изготовления при макетировании приборов и
их блоков; ограниченная ремонтопригодность.
Обычно прибор, в котором используются сборочные единицы на ПП,
состоит из стойки, в которой расположены отдельные блоки, соединенные с
помощью кабелей, жгутов шлейфов из проводов и т. п. Стойка состоит из
профильных шин, соединенных с помощью сварки, резьбовых соединений или
другими способами. В качестве кожуха (корпуса) используют панели из металла
либо пластмасс. Элементы индукции и регулировки выводятся на переднюю
или заднюю панель. Блоки закрепляются на неподвижных или вращающихся
рамах, а также на выдвижных шасси.
Экономика производства изделий электронной техники требует разделения
блоков на небольшие, отдельно изготовляемые и проверяемые сборочные
единицы. Наиболее распространенной конструкцией сборочных единиц
339
является сменная ячейка с разъемом — типовой элемент замены (ТЭЗ). Она
состоит из ПП, на одной стороне которой установлены электро- и
радиоэлементы.
В настоящее время для изготовления ПП применяют различные схемы
технологических процессов в зависимости от используемого оборудования и
т.д. Несмотря на многообразие технологических процессов их можно разделить
на две группы: субстрактивные и аддитивные.
К субстрактивным относятся все технологические процессы, с помощью
которых структура электромонтажа ГШ изготовляется на предварительно
металлизированных диэлектрических основаниях путем стравливания
ненужных участков металлического покрытия.
Аддитивные и полуаддитивные процессы базируются на наращивании на
определенных участках диэлектрического основания металлического покрытия.
Из- за возможности достижения высокой плотности монтажа в настоящее время
они получают все большее распространение.
Материалы для печатных плат
Для ПП, изготовляемых субстрактивными методами, используют различные
диэлектрики с наклеенной медной фольгой. Фольгированные диэлектрики
должны удовлетворять всем требованиям эксплуатации электронной
аппаратуры. Сила сцепления металлической фольги с изоляционным
основанием должна обеспечивать длительную эксплуатацию ПП. Клеевой слой
не должен нарушиться при трехкратном кратковременном воздействии
расплавленного припоя. Диэлектрик должен обладать химической
устойчивостью по отношению к средам, воздействующим на него в процессе
производства ПП, иметь высокую механическую прочность при относительно
малых толщинах, обладать малой величиной диэлектрических потерь,
минимальной диэлектрической проницаемостью и
хорошим сопротивлением
изоляции
В настоящее время в производстве ПП используются материалы, которые
можно в зависимости от типа применяемого наполнителя подразделить на три
основные группы: фольгированные гетинаксы; фольгированные
стеклопластики; фольгированные диэлектрики на основе тканей из
синтетических волокон и тканей.
Фольгированный гетинакс был первым в нашей стране материалом для ПП,
и до настоящего времени он используется при изготовлении бытовой
аппаратуры. Выпускаются гетинаксы марок ГФ-1-П и ГФ-2-П (цифра
обозначает односторонний или двусторонний фольгированный материал).
Гетинакс применяют для изготовления ПП, работающих в диапазоне
температур от —60 до +100°С. Он не предназначен для эксплуатации приборов
в условиях повышенной влажности, так как обладает значительным
влагопоглощением.
Фольгированные стеклопластики (стеклотекстолит) имеют по сравнению с
гетинаксом более высокие эксплуатационные характеристики. Они
340
выпускаются следующих марок: СФ-1, СФ-2 и др. При производстве ПП
полуаддитивным методом используются стеклотекстолиты марки СЛОФАДТ и
СТЭК-1,5.
Тонкие фольгированные диэлектрики марок ФДТ, ФДМ, ФДМЗ, ФДМТ
были разработаны для гибких шлейфов и многослойных печатных плат (МПП).
Основным материалом для МПП в настоящее время является диэлектрик
ФДМТ. Связующее этого диэлектрика поддается травлению в плавиковой
кислоте, что позволяет очищать торец медной фольги от наволакивания после
сверления отверстия.
В последнее время при производстве гибридных интегральных микросхем и
микросборок, а также плат небольших размеров (диаметром до 30 мм) стали
использовать полиамидную пленку, металлизацию которой аддитивным
методом можно осуществлять напылением в вакууме.
Технологические процессы изготовления ПП
В отечественной практике печатные платы изготовлялись многими
методами. Однако с ростом объемов выпуска ПП количество технологических
способов постоянно сокращалось. Наиболее прогрессивными являются:
комбинированный негативный метод (рис. 19.5
) для относительно простых
плат, комбинированный позитивный метод (рис. 19.6) с предварительным
сверлением отверстий и полуаддитивный метод.
Несмотря на общее различие методов изготовления ПП, в них содержится
ряд общих операций, в частности изготовление фотошаблонов,
механообработка (обрезка по контуру, сверление отверстий).
Изготовление фотошаблонов печатных плат, предназначенных для
нанесения локальных технологических защитных слоев на поверхность ПП,
аналогично изготовлению фотошаблонов для ИС.
Перспективным способом изготовления фотошаблона является
непосредственное засвечивание фотопленки или фотопластинки скандирующим
световым лучом с помощью автоматического фотокоординатографа. Этот метод
позволяет получать линии минимальной ширины 0,05 мм, реализовать
элементы рисунка с диаметром до 8 мм, а также автоматически выбирать
символы, создавая рисунок проводников, и управлять освещением.
Числовое программное управление координатографов повышает
производительность труда, уменьшает число ошибок оператора. Его
применение позволяет предварительно выполнять чертеж ПП в виде эскиза.
При отсутствии автоматизированного проектирования необходим
дополнительно кодировщик, с помощью которого создается программа для
управления фотокоординатографом.
Фотошаблоны изготовляют также с помощью оригиналов печатных плат
разными методами, но они трудоемки и используются лишь для редко
применяемых простых ПП.