Тонкопленочных элементов

Пленочные (чаще всего тонкопленочные) резисторы обладают хорошими электрическими характеристиками, более стабильны и поддаются подгонке в процессе изготовления пленочных микросхем. Эти резисторы могут найти применение и в полупроводниковых микросхемах, однако применение их в качестве элементов полупроводниковых микросхем связано с необходимостью введения дополнительных технологических операций.

Тонкопленочные резисторы представляют собой тонкую пленку резистивного материала на поверхности диэлектрической подложки. Несмотря на то что механизм возникновения сопротивления электрическому току одинаков (оно вызывается рассеянием носителей зарядов), пленочные резисторы обладают рядом преимуществ по сравнению с полупроводниковыми:

Резисторы типа «меандр» имеют технологические ограничения на размеры flmjn и Втах (см. 1.1, б), аналогичные ограничениям на Кф полосковых резисторов. Обычно при масочном методе Вта^/а -^ 10; amjn ж 2/iM, где hM — толщина биметаллической маски; 2/гм — минимально допустимое технологией расстояние между двумя щелями в биметаллической маске. Для составного резистора (см. 1.1, в) допускается 5гаах/я ^ 50, так как прямоугольные резистив-ные полоски и проводящие перемычки формируются раздельно с использованием двух различных масок. Такая технологическая особенность позволяет формировать тонкопленочные резисторы сложной нерегулярной формы с применением дополнительных металлических перемычек по углам контура резистора.

(I — фоторезистивная маска на сплошной пленке резистивного материала {позитивный фоторезист); б — сформированные тонкопленочные резисторы и фотореэистивная маска для создания алюминиевых проводников и контактных площадок (позитивный фоторезист); в — фотореэистивная маска на защитном покрытии (негативный фоторезист); S — топология пленочных элементов ГИС

В толстопленочных ГИС обычно используют пленочные резисторы. В отдельных случаях, когда требуется высокая точность или температурная стабильность, применяют тонкопленочные резисторы, изготовленные на отдельной плате и монтируемые на подложку толстопленочной ГИС.

Аналогичным образом в зависимости от конструкции выводов монтируются навесные тонкопленочные резисторы. Дискретные конденсаторы обычно имеют облуженные контактные площадки и монтируются с помощью пайки (см. 1.11).

У показанных на 12,3, в, г резисторов подгонку производят путем перерезания проводящих или резистивных перемычек. На 12.3 эти зоны заштрихованы вертикальными линиями. За счет подгонки можно получать тонкопленочные резисторы с отклонением значения сопротивления от номинального до +1%.

выделены цветом более толстыми линиями. Тонкопленочные резисторы изображены так, что большим номинальным значениям сопротивлений соответствуют более узкие и длинные конфигурации. Такое преобразование облегчает предварительную оценку соотношений топологических зон на начальном этапе проектирования. Отметим, что на преобразованных схемах допускаются и другие обозначения элементов.

В полупроводниковых микросхемах наиболее распространенными пассивными элементами являются резисторы. Вследствие низкого удельного сопротивления полупроводниковых слоев они занимают большую площадь на кристалле. Поэтому микросхемы проектируют так, чтобы число резисторов было минимальным, а их сопротивления — небольшими (обычно менее 10 кОм). Аналоговые микросхемы содержат, как правило, больше резисторов, чем цифровые. Во многих цифровых микросхемах (например, на полевых транзисторах) резисторов нет — вместо них используют транзисторы. Полупроводниковые резисторы имеют сильную температурную зависимость и большой технологический разброс сопротивления. Иногда вместо полупроводниковых применяют тонкопленочные резисторы с лучшими параметрами, но тогда технологический процесс усложняется.

Тонкопленочные резисторы применяются не только в гибридных, но и в некоторых полупроводниковых микросхемах, в частности ана-

В диффузионных резисторах между ними и эпитаксиальным слоем образуются емкости, и такие резисторы ведут себя как RC-цепи с распределенными параметрами. Сравнительно большая площадь резисторов определяет и существенный ток утечки. В этом отношении тонкопленочные резисторы оказываются лучше диффузионных.

микрополосковые линии передачи; 2) так как подложка коммутационной платы определяет условия прохождения сигнала, необходимо иметь в виду, что скорость распространения электрических сигналов ниже, чем в воздухе. Соответственно уменьшается длина волны электромагнитного сигнала, и на частотах более 1 ГГц она сравнима или меньше размеров некоторых тонкопленочных элементов. Здесь проектирование схем сталкивается с необходимостью под-

Создание резистивно-коммутационных тонкопленочных элементов на анодированных алюминиевых подложках осуществляется с помощью обычных приемов тонкопленочной технологии. К особенностям, которые определяют специфику технологического процесса, можно отнести следующее:

Для измерения электрических параметров тонкопленочных элементов используют следующие измерительные приборы: одинарные равновесные мосты постоянного тока с ручным и автоматическим уравновешиванием и омметры для измерения сопротивлений тонкопленочных проводников, резисторов и изоляции; равновесные мосты переменного тока и приборы на основе резонансного метода для измерения емкости и тангенса угла диэлектрических потерь тонкопленочных конденсаторов.

затрудняющая получение воспроизводимых номиналов тонкопленочных элементов. Увеличение класса чистоты обработки поверхности путем нанесения слоя легкоплавкого бесщелочного стекла .приводит к значительному уменьшению теплопроводности. По этой причине керамику 22ХС используют только для толстопленочных ГИС. Эта керамика имеет высокую температуру размягчения, что необходимо для осуществления высокотемпературного вжигания паст толстопленочных элементов при температурах до 900° С.

Совокупность технологических операций, составляющих технологический маршрут производства тонкопленочных ГИС , включает в себя подготовку поверхности подложки, нанесение пленок на подложку и формирование конфигураций тонкопленочных элементов, монтаж и сборку навесных компонентов, защиту и герметизацию ГИС от внешних воздействий. Важное значение при создании ГИС имеют контрольные операции, а также подготовка производства: изготовление комплекта масок и фотошаблонов, приобретение (изготовление), входной контроль компонентов ГИС и исходных материалов.

Масочный метод. Самым простым методом получения заданной конфигурации пленочных элементов является масочный, при котором нанесение каждого слоя тонкопленочной структуры осуществляется через специальный трафарет (съемную маску), с определенной точностью повторяющий геометрию проводящих, резистивных или диэлектрических элементов ИМС. Принцип создания тонкопленочных элементов ГИС, содержащей конденсаторы, резисторы, проводники и пересечения пленочных проводников, показан на 2.1, а — д. При масочном методе рекомендуется такая последовательность формирования слоев такой ГИС: напыление резисторов; проводников и контактных площадок; межслойной изоляции; второго слоя для пересечений проводников; нижних обкладок конденсаторов; диэлектрика; верхних обкладок конденсаторов; защитного слоя. При отсутствии конденсаторов исключаются операции напыления нижних и верхних обкладок конденсаторов, диэлектрика, а при отсутствии пересечений — операции напыления межслойной изоляции и второго слоя проводников. При масочном методе операции нанесения пленки и формирования конфигураций элементов выполняются одновременно. Пленка из напыляемого материала осаждает-

В СВЧ-микросхемах сантиметрового диапазона применяют элемен -ты с распределенными параметрами (емкостями и индуктивностями), которые строятся на основе отрезков микрополосковых линий передач (МПЛ). Наиболее распространена несимметричная МПЛ ( 6.11). Она состоит из плоского проводника / шириной W, сформированного на поверхности диэлектрической подложки 2 толщиной ^П0дл> и ПР°" водящего слоя 3, нанесенного на нижнюю поверхность подложки, выполняющего функцию нулевой шины («земляная плоскость»). Подложка является не только механической основой, но и диэлектриком МПЛ. Поэтому критичны толщина подложки и диэлектрическая проницаемость еподл и ее стабильность в широком диапазоне частот и температур. В гибридных микросхемах чаще всего применяют подложки из алюмооксидной керамики (еподл = 9 ... 10). Лучшие параметры у сапфира (еподл = 9,3 ... 11), обладающего более гладкой поверхностью, что важно при создании тонкопленочных элементов, но сапфир имеет высокую стоимость. Для микросхем большой мощности используются подложки из окиси бериллия с высокой теплопроводностью. В полупроводниковых микросхемах применяют арсенид-галлиевые полуизолирующие подложки (еподл =11).

10-19. Схема получения тонкопленочных элементов с применением контактной маски (прямой вариант).

10-20. Схема получения тонкопленочных элементов с применением контактной маски (косвенный вариант).

12-4 приведены некоторые типы испарителей, применяемые при изготовлении тонкопленочных элементов ИМС.

Одним из основных вопросов в решении проблемы точности и стабильности качества производства тонкопленочных элементов ИМС является изучение законов распределения производственных погрешностей их параметров. Рассмотрим конкретный пример исследования их в производстве тонкопленочных резисторов.