Уч пос Электроника

5 ГИБРИДНЫЕ ИНТЕГРАЛЬНЫЕ МИКРОСХЕМЫ

Гибридными интегральными микросхемами (ГИМС) называют микросхемы, в которых пассивные элементы (резисторы, конденсаторы, индуктивности) выполнены в виде пленок на диэлектрической подложке, а полупроводниковые электронные приборы (диоды, транзисторы, диодные и транзисторные матрицы, ППИМС) – навесные.

Фрагмент ГИМС приведен на рисунке 5.1.

Рисунок 5.1

Микросхемы с толщиной пленок менее 1 мкм называют

тонкопленочными, а с толщиной более 1 мкм - толстопленочными ГИМС.

Напыление тонких пленок осуществляется методами, описанными в разделе 3.6, а получение толстых пленок в 5 .

Конфигурации тонко- и толстопленочных элементов одинаковы, но их конкретные геометрические размеры (при заданных электрических параметрах) могут существенно различаться в связи с использованием совершенно разных материалов. Пленочные элементы нет необходимости изолировать друг от друга, так как все они выполняются на диэлектрической подложке. Поскольку расстояния между элементами сравнительно большие, паразитные емкости практически отсутствуют и их учет на эквивалентных схемах обычно не имеет смысла.

5.1 Подложки ГИМС.

Подложки в ГИМС играют очень важную роль. Во-первых, подложка является конструктивной основой микросхемы: на неѐ наносят в виде пленок пассивные элементы схемы и размещают контакты для подключения микросхемы к аппаратуре. Вовторых, от материала подложки и его обработки существенно зависят параметры осаждаемых пленочных слоев и надежность всей микросхемы.

Материал подложки должен обладать:

-высоким удельным электрическим сопротивлением,

-быть механически прочным при небольших толщинах,

-химически инертным к осаждаемым веществам,

-иметь высокую физическую и химическую стойкость при нагревании до нескольких сот градусов,

-не выделять газов в вакууме,

81

-обладать хорошей полируемостью поверхности,

-иметь хорошую адгезию (механическое сцепление, прилипаемость) к напыляемым пленкам,

-иметь хорошую теплопроводность,

-иметь температурный коэффициент линейного расширения (ТКЛ) по возможности близким к ТКЛ напыляемых слоев,

-быть недефицитным и иметь невысокую стоимость.

Большинству из этих требований удовлетворяют стекло и керамика. К недостаткам подложек из стекла следует отнести малую теплопроводность, а подложек из керамики – шероховатость поверхности.

В настоящее время для подложек ГИМС в основном применяют ситалл и фотоситалл. Они представляют собой стеклокерамический материал, получаемый путем термообработки (кристаллизации) стекла. По своим свойствам они превосходят свойства исходного стекла и отвечают всем выше перечисленным требованиям.

Подложки, применяемые для ГИМС, имеют, как правило, квадратную или прямоугольную форму (таблица 5.1).

Таблица 5.1

5.2 Резисторы.

Структура и конфигурации пленочного резистора показаны на рисунке 5.2. Как видим, в общем случае конфигурация пленочного резистора такая же, как диффузионного (рисунок 4.17). Она может быть полосковой (рисунок 5.2б) или зигзагообразной (рисунок 5.2в).

Рисунок 5.2

82

Расчет сопротивления можно проводить по формуле R=RS KФ, где RS - удельное сопротивление слоя зависит от его толщины и материала и KФ =l/b- коэффициент формы. Коэффициент формы лежит в пределах 0,1 – 50.

Из выше сказанного можно сделать следующие выводы:

-диапазон сопротивлений пленочных резисторов несравненно шире, чем полупроводниковых (диффузионных и ионно-легированных);

-тонкопленочная технология обеспечивает более высокую точность и стабильность резисторов;

-подгонка обеспечивает существенное уменьшение разброса (допусков) сопротивлений; следовательно, возможность такой подгонки является важным преимуществом пленочных резисторов;

Подгонку резисторов можно осуществлять разными способами. Простейший, исторически первый способ состоит в частичном механическом соскабливании резистивного слоя до того, как поверхность ИС защищается тем или иным покрытием. Более совершенными являются методы частичного удаления слоя с помощью электрической искры, электронного или лазерного луча. Разумеется, все эти способы позволяют только увеличивать сопротивление резистора. Наиболее совершенный и гибкий метод состоит в пропускании через резистор достаточно большого тока. При токовой подгонке одновременно идут два процесса: окисление поверхности резистивного слоя и упорядочение его мелкозернистой структуры. Первый процесс способствует увеличению, а второй - уменьшению сопротивления. Подбирая силу тока и атмосферу, в которой ведется подгонка, можно обеспечить изменение сопротивления и в ту, и в другую сторону на ±30% с погрешностью (по отношению к желательному номиналу) до долей процента.

83

5.3 Конденсаторы

Структура и конфигурация типичного пленочного конденсатора показаны на рисунке 5.3. Емкость конденсатора определяется по формуле

С= С0 S, где С0 – удельная емкость конденсатора зависит от материала диэлектрика и толщины пленки, S- площадь конденсатора. Толщина диэлектрической пленки d существенно зависит от технологии: для тонких пленок d = 0,1 - 0,2 мкм, для толстых d = 10 - 20 мкм. Поэтому при прочих равных условиях удельная емкость С0 толстопленочных конденсаторов меньше, чем тонкопленочных. Однако различие в толщине диэлектрика может компенсироваться благодаря различию диэлектрических проницаемостей материалов.

При выборе диэлектрика для высокочастотных конденсаторов (как тонко-, так и толстопленочных) приходится дополнительно учитывать потери энергии в диэлектрике. Что касается омических потерь в обкладках пленочных конденсаторов, то они гораздо меньше, чем у полупроводниковых конденсаторов, потому что в качестве обкладок используются металлические слои с высокой проводимостью поэтому добротность таких конденсаторов высокая и может достигать Q=100.

Рисунок 5.3

В таблице 5.3 приведены типичные параметры пленочных конденсаторов. Из таблицы можно сделать следующие общие выводы:

Таблица 5.3

Примечание: паста используется в толстопленочных ГИМС.

- удельные емкости пленочных конденсаторов (при надлежащем выборе диэлектрика) в несколько раз превышают удельную емкость МОПконденсаторов и тем более диффузионных конденсаторов;

84

- максимальные емкости пленочных конденсаторов могут быть на несколько порядков больше, чем емкости полупроводниковых конденсаторов, главным образом благодаря большей площади (поскольку площадь подложек ГИМС значительно превышает площадь кристаллов полупроводниковых ИС).

Для высокочастотных тонкопленочных конденсаторов оптимальным диэлектриком является моноокись кремния, а также моноокись германия.

Следует заметить, что в последнее время, в связи с наличием миниатюрных дискретных конденсаторов (в том числе с весьма большой емкостью - до нескольких микрофарад), наблюдается тенденция к отказу от пленочных конденсаторов и замене их навесными конденсаторами.

5.4 Катушки индуктивности

Как уже отмечалось, возможность осуществлять катушки индуктивности методами микроэлектроники является одним из достоинств пленочной технологии. Такие катушки представляют собой плоские спирали, обычно прямоугольной конфигурации (рисунок 5.4). Для уменьшения сопротивления в качестве материала используется золото. Ширина металлической полоски

(СВЧ), при частотах 3-5 ГГц. При этом число витков составляет 3-5.

В связи с разработкой микроминиатюрных проволочных катушек применение пленочных катушек, особенно на частотах менее 50 - 100МГц ограничивается и предпочтение, как и в случае конденсаторов, отдается навесным компонентам.

5.5 Пленочные проводники и контактные площадки

Для электрического соединения различных элементов микросхем на одной подложке применяют пленочные проводники. Для этой цели требуются

85

материалы с высокой проводимостью и хорошей адгезией к подложке. Контактные площадки служат для подсоединения навесных компонентов схемы и внешних выводов с помощью пайки или сварки.

Для напыления проводников в основном применяют золото, медь или алюминий толщиной 0,6-0,8 мкм. Для улучшения адгезии проводящих пленок напыляют тонкий подслой хрома или нихрома толщиной 0,01-0,03 мкм. Для защиты поверхности проводящих пленок от окисления применяют покрытие из никеля или золота толщиной 0,05-0,1 мкм.

5.6 Навесные компоненты

В качестве навесных компонентов используются бескорпусные диоды и транзисторы, диодные и транзисторные матрицы, полупроводниковые ИМС, а также резисторы, конденсаторы и катушки индуктивности номиналы которых невозможно выполнить в пленочном исполнении.

5.7Методы формирования заданной конфигурации пленочных элементов.

Пленочные резисторы, конденсаторы, соединительные проводники, контактные площадки должны иметь определенную конфигурацию для получения заданных номиналов и выполнения конкретных функций. Изготовление толстопленочных элементов описано в . Заданную конфигурацию тонкопленочных элементов можно получить различными методами: свободной маски, контактной маски, фотолитографии и др.

5.7.1 Метод свободной маски.

Он основан на экранировании части подложки от потока частиц напыляемого вещества с помощью специально изготовленной свободной маски (рисунок 5.5а и б). Свободная маска представляет собой

Рисунок 5.5

86

тонкий экран (0,1 мм), выполненный из стали, бериллиевой бронзы или других материалов, с отверстиями, очертание и расположение которых соответствует желаемой конфигурации пленочных элементов. Достоинством этого метода является то, что маска может использоваться многократно (до 20 раз). К недостаткам следует отнести: во-первых, в процессе напыления происходит напыление на маску, что меняет еѐ толщину и ширину отверстий, а также подпыление (проникновение материала пленки под маску). Это снижает точность размеров элементов и их номиналов. Поэтому периодически требуется очистка масок. Во-вторых, металлические маски мало пригодны при катодном и ионо-плазменном напылении, так как металл искажает электрическое поле, а это тоже приводит к снижению точности элементов.

5.7.2 Метод контактной маски.

Контактная маска изготовляется непосредственно на подложке и держится на ней благодаря адгезии. Материал маски (медь, алюминий, никель, фоторезист) должен выдерживать условия нанесения материала тонкой пленки, не испаряясь и не взаимодействуя химически с этим материалом и легко удаляться с подложки способами, не влияющими на свойства материала тонкой пленки. На подложку с контактной маской (рисуноу 5.5в) наносят слой материала, из которого будут формироваться тонкопленочные элементы. Если теперь на полученную заготовку воздействовать травителем или растворителем для материала маски, то маска, удаляясь с подложки, увлекает с собою и лежащие на ней участки слоя напыленного материала. И он остается только на тех местах, где был нанесен непосредственно на поверхность подложки (рисунок 5.5г).

Метод контактной маски обеспечивает большую точность и четкость края, и применим как для вакуумного, так и для катодного распыления.

5.7.3 Метод фотолитографии

Метод фотолитографии аналогичен методу фотолитографии, применяемом в ППИМС при изготовлении металлических проводящих пленок (раздел 3.4). Размеры элементов могут быть такими же малыми, как и в ППИМС, но в этом нет необходимости.

87