Расчет и проектирование тонкопленочных ГИС

Размещено на http://www.allbest.ru/

Пензенский государственный университет

Кафедра нано и микроэлектроники

Реферат

по дисциплине: Тонкопленочная электроника

на тему: Расчет и проектирование тонкопленочных ГИС

Исполнитель:

Мустафин Р.Р.

Руководитель:

Головяшкин А.Н.

1. Расчетная часть

Исходные данные: ?Т = 40К.

Принципиальная схема.

1.1 Конструктивный расчёт тонкоплёночных резисторов

Конструктивный расчет тонкопленочных резисторов заключается в определении формы, геометрических размеров и минимальной площади, занимаемой резисторами на подложке. При этом необходимо, чтобы резисторы обеспечивали рассеивание заданной мощности при удовлетворении требуемой точности в условиях существующих технологических возможностей.

Порядок расчета.

1) Определяем оптимальное с точки зрения минимума площади под резисторами ГИС сопротивление квадрата резистивной пленки:

2) Выбираем материал резистивной пленки с удельным сопротивлением, ближайшим по значению к вычисленному: Кермет К-50С (ЕТО.021.013 ТУ), его параметры:

3) Произведем проверку правильности выбранного материала с точки зрения точности изготовления резисторов:

4) Определяем конструкцию резисторов по значению коэффициента формы:

1.2 Обоснование выбора материала подложки

Подложки ГИС являются диэлектрическим и механическим основаниями для расположения плёночных и навесных элементов и служат для теплового отвода. Для обеспечения заданных электрических параметров микросхем материал подложки должен обладать следующими электрофизическими параметрами:

- стойкостью к воздействию высокой температуры в процессе формирования элементов;

- стойкостью к воздействию химических реактивов в процессе подготовки поверхности подложки перед нанесением плёнок;

- способностью к хорошей механической обработке;

- высоким коэффициентом теплопроводности для эффективной передачи тепла от теплоотводящих элементов к корпусу микросхемы;

- высокой химической инертностью к осаждаемым материалам для снижения временной нестабильности параметров плёночных элементов, обусловленной физико-химическими процессами на границе раздела плёнка-подложка и проникновением ионов из подложки в плёнку;

- высокой механической прочностью, обеспечивающей целостность подложки с нанесёнными элементами, как в процессе изготовления микросхем, так и при её эксплуатации.

Материалы подложки и нанесённых на неё плёнок должны иметь незначительно различающийся температурный коэффициент линейного расширения для обеспечения достаточно малых напряжений в плёнках, вызывающих их отслаивание и растрескивание при охлаждении подложки после нанесения плёночных элементов. Для маломощных ГИС в качестве материала подложки можно применять бесщелочные боросиликатные стёкла С41-1 и С48-3, а также ситаллы.

Ситалл - продукт кристаллизации стекла с мелкими кристаллитами, имеющие размеры от 0,01 до 1 мкм. Ситаллы занимают промежуточное положение между стеклами и керамикой. Ситаллы различных марок содержат оксиды кремния (30-90%), а также оксиды титана, магния, бора и другие.

Ситаллы имеет ряд преимуществ перед стёклами:

1) благодаря наличию мелкокристаллической фазы имеют более высокую механическую прочность (примерно в два раза), что очень важно, так как при малой толщине подложки (0,5-1,0 мм.) стёкла подвергаются значительным механическим (при обработке, монтаже) и термическим (при напылении) напряжениям;

2) хорошо обрабатываются, полируются;

3) обладают малой газопроницаемостью;

4) выдерживают большие перепады температур;

5) имеют большую теплопроводность, что позволяет использовать их при повышенных уровнях мощности.

Кроме этого, доступность сырья и простая технология обеспечивает невысокую стоимость изделия.

1.3 Проектирование микроплаты

Используя различные методы создания плёночных элементов при конструировании ГИС, необходимо выполнять следующие правила и ограничения:

1) каждая плата микросхемы должна иметь ключ, которым является нижняя левая контактная площадка с вырезом по большей стороне платы или специальный знак в форме треугольника, прямоугольника;

2) в одной микросхеме следует применять навесные компоненты с одинаковым диаметром и материалом гибких выводов. Однотипные по расположению выводов компоненты ориентировать одинаково;

3) навесные компоненты рекомендуется по возможности располагать рядами, параллельными сторонам платы. Допускается установка навесных активных компонентов с гибкими выводами вплотную, если контакт между ними не влияет на работоспособность схемы;

4) при рядном расположении навесных компонентов рекомендуется рядное расположение контактных площадок под одноимённые выводы;

5) не допускается установка навесных компонентов на плёночные конденсаторы, плёночные индуктивности и пересечения плёночных проводников. Допускается установка навесных компонентов на плёночные проводники и резисторы, защищённые диэлектриком;

6) не допускаются резкие изгибы и натяжение проволочных проводников. Не рекомендуется делать перегиб проволочного вывода через навесной компонент. Проволочные проводники и гибкие выводы не должны проходит над плёночным конденсатором;

7) не допускается оставлять незакреплёнными участки гибких выводов длиной более 3 мм. Необходимо предусмотреть закрепление их точками клея холодного отвердения.

1.4 Разработка технологического цикла ГИС

Совокупность технологических операций, составляющих маршрут производства тонкоплёночных гибридных микросхем, направлена на подготовку поверхности подложки, нанесение плёнок на подложку и формирование конфигураций тонкоплёночных элементов, монтаж и сборку навесных компонентов, защиту и герметизацию изделия от внешних воздействий. Важную роль при изготовлении гибридных микросхем играют контрольно-проверочные мероприятия, осуществляемые в цехе и в отделе технического контроля. Очень большое значение имеют операции производства: изготовление комплекта масок и фотошаблонов, приобретение или изготовление, проверка и подготовка компонентов и др.

Нанесение плёнок на подложку осуществляется термическим испарением в вакууме и конденсацией их паров на поверхности подложки ионным распылением мишеней из наносимых материалов, химическим осаждением плёнок из газовой фазы.

Для формирования конфигураций проводящего, резистивного, диэлектрических слоёв используют различные методы: масочный, фотолитографический, электронно-лучевой, лазерный. Наибольшее распространение получили два первых способа, а также их комбинации.

1.5 Блок-схема технологического процесса

2. Индивидуальное задание

2.1 Фотолитография резистивного слоя

Фотолитография - это совокупность фотохимических процессов, в которых можно выделить три основных этапа:

- формирование на поверхности материала слоя фоторезиста;

- передача изображения с шаблона на этот слой;

- формирование конфигурации элементов устройств с помощью маски из фоторезиста.

Фотошаблон - плоскопараллельная пластина из прозрачного материала, на которой имеется рисунок, состоящий из сочетания непрозрачных и прозрачных для света определенной длины волны участков на основе пленочного покрытия, образующих топологию одного из слоев структуры прибора или группы приборов, многократно повторенных в пределах активного поля пластины. Фотошаблон является одним из основных инструментов при создании заданного рельефного защитного покрытия при проведении фотолитографии в планарной технологии. В зависимости от материала пленочного покрытия различают фотошаблоны на основе фотографической эмульсии (эмульсионные), металлической пленки (металлические) и других материалов, например окиси железа (цветные).

Фоторезисты - сложные полимерные композиции. Фоторезисты, у которых растворимость экспонированного участка уменьшается, называются негативными, а фоторезисты, растворимость которых после облучения возрастает - позитивными. После обработки экспонированного фоторезиста в составе, удаляющем растворимые участки, образуется рельефное изображение, которое должно быть устойчивым к воздействию технологических факторов.

Основу образования рельефного изображения составляют:

- фотополимеризация и образование нерастворимых участков;

- наиболее типичными для системы, в которой используется этот процесс, являются негативные фоторезисты - эфиры коричной кислоты и поливинилового спирта;

- сшивание линейных полимеров радикалами, образующимися при фотолизе светочувствительных соединений. Использование каучуков с добавками светочувствительных веществ дает возможность получить кислостойкие негативные фоторезисты;

- фотолиз светочувствительных соединений с образованием растворимых веществ - большинство позитивных фоторезистов, в которых фотолиз соединений приводит к тому, что облученные участки становятся растворимыми в щелочных составах.

Нанесение слоя фоторезиста на подложку чаще всего осуществляется центрифугованием. При включении центрифуги жидкий фоторезист растекается под действием центробежных сил.

Метод центрифугования позволяет формировать резистивный слой на подложке диаметром до 35 мм. с отклонением в центральной ее части 5 нм от общей толщины 860 нм. Формирование слоя происходит в течение 20-30 секунд. При подаче фоторезиста из дозатора (капельницы) на неподвижную подложку время между нанесением жидкого фоторезиста и включением центрифуги должно быть минимальным (0,5-1 с), чтобы вязкость фоторезиста не менялась в результате испарения растворителей.

Толщина слоя и его качество определяется типом фоторезиста и его вязкостью, максимальной частотой вращения, ускорением и замедлением центрифуги, температурой и влажностью окружающей среды, свойствами поверхности подложки.

Нанесение фоторезиста распылением позволяет получать широкий интервал толщины слоев, причем подложка может иметь неплоскую поверхность. Фоторезист наносится из пневматического распылителя. Параметры слоя зависят от давления и температуры воздуха, расстояния от сопла до подложки, вязкости фоторезиста и концентрации сухого продукта, типа растворителя. Расход фоторезиста при распылении можно уменьшить примерно в 10 раз, а дефектность слоя (вследствие отсутствия напряжений) в 3-4 раза по сравнению с пленками, получаемыми центрифугованием. Отсутствие краевого утолщения делает метод распыления особенно эффективным при нанесении фотослоя на прямоугольные подложки.

При электростатическом нанесении фоторезист диспергируется с помощью форсунки либо само электрическое поле дробит жидкость на мелкие капли диаметром примерно 10 мкм. Заряженные капли ускоряются полем и осаждаются на подложку.

Для нанесения фоторезиста используется полив или окунание, а также валиковый способ. Установка конвейерного типа обеспечивает равномерность толщины слоя ±5%. Нанесение фоторезиста окунанием - наиболее простой способ нанесения покрытия, когда обрабатываемую подложку погружают в фоторезист и выводят из него с регулируемой скоростью. Окончательному формированию слоя фоторезиста, при котором происходит удаление растворителя, способствует сушка. При этом в пленке фоторезиста происходят сложные релаксационные процессы, уплотняющие молекулярную структуру слоя, уменьшающие внутренние напряжения и повышающие адгезию слоя к подложке. Существует три метода сушки: конвективная, инфракрасная и СВЧ-сушка.

При любом методе сушки ее режимы (температура и время выдержки) должны исключать преждевременные структурные превращения (например, полимеризацию). Обычно допустимая температура сушки не превышает 393К. Высушенный фотослой необходимо экспонировать и проявить не позднее чем через 10 часов.

Термообработка (вторая сушка) проявленного слоя осуществляется для восстановления набухшего рисунка и придания устойчивости фоторезистивной маске к последующим воздействиям. Чтобы края фоторезиста не оплывали, термообработку, особенно для толстых слоев, лучше проводить при плавном или ступенчатом нагреве.

Для удаления фоторезиста используют:

- деструкцию полимера (например, сульфированием в серной кислоте);

- обработку в органических растворителях;

- плазмохимическую, термическую или фототермическую обработку, сводящуюся в основном к окислительной деструкции в кислородосодержащих газах.

Фотолитография может быть контактной (шаблон при переносе изображения приводится в плотный контакт с резистором) и бесконтактной (проекционная фотолитография).

2.2 Методы разделения подложек

Условия поставки микросхем и микропроцессоров заказчику предусматривают поставку в виде неразделенных на кристаллы пластин со сформированными и отбракованными микросхемами. Конструктору-технологу радиоэлектронных средств в таких случаях необходимо организовать разделение пластин на кристаллы и подготовить их к проведению дальнейших сборочных операций. Процесс подготовки к сборке, кроме разделения пластин на отдельные кристаллы, включает их очистку, контроль, ориентированную подачу на позицию сборки. Аналогичные операции проводят при производстве гибридных микросхем, разделяя подложки на платы.

Разделение пластин скрайбированием осуществляют в две стадии: вначале на поверхность пластины между готовыми микросхемами наносят в двух взаимно перпендикулярных направлениях неглубокие риски (англ. scribe), а затем по этим рискам разламывают ее на прямоугольные или квадратные кристаллы. При сквозном разделении пластину прорезают режущим инструментом насквозь. Для разрезания наиболее часто применяют алмазные диски и проволоку или полотна с абразивной суспензией, а также ультразвуковой инструмент.

Алмазное скрайбирование.

Эта операция состоит в создании на полупроводниковой пластине между готовыми структурами рисок или разделительных канавок механическим воздействием на неё алмазного резца, что приводит к образованию неглубоких направленных трещин. При приложении дополнительных усилий в процессе разламывания трещины распространяются на всю толщину пластины, в результате чего происходит разделение ее на отдельные кристаллы.

Основным достоинством скрайбирования наряду с высокими производительностью и культурой производства является малая ширина прорези, а следовательно, отсутствие потерь полупроводникового материала. Обычно ширина риски не превышает 10-20 мкм, а глубина 5-10 мкм, скорость движения резца 50-75 мм/с, нагрузка на резце 1,2-1,4 Н.

Качество скрайбирования и последующей ломки в значительной степени зависят от состояния рабочей части алмазного резца. Работа резцом с изношенным режущим ребром или вершиной приводит к сколам при скрайбировании и некачественной ломке. Обычно скрайбирование выполняют резцами, изготовленными из натурального алмаза, которые по сравнению с более дешевыми резцами из синтетических алмазов имеют большую стойкость. Получили распространение резцы, имеющие режущую часть в форме трехгранной или усеченной четырехгранной пирамиды, режущими элементами которых являются ее ребра. Средняя стойкость резца (одного режущего ребра) до переточки при скрайбировании кремния составляет 80 м пути. Износ резца возрастает при скрайбировании пластин с пленкой двуокиси кремния или другого диэлектрика. На таких пластинах необходимо предусматривать свободную от пленок SiO2, Si3N4, БСС, ФСС дорожку шириной 50-75 мкм.

Лазерное скрайбирование.

При лазерном скрайбирование разделительные риски между готовыми структурами создают испарением узкой полосы полупроводникового материала с поверхности пластины во время ее перемещения относительно сфокусированного лазерного луча. Это приводит к образованию в пластине сравнительно глубоких (до 50-100 мкм) и узких (до 25-40 мкм) канавок. Канавка, узкая и глубокая по форме, выполняет роль концентратора механических напряжений. При разламывании пластины возникающие напряжения приводят к образованию на дне канавки трещин, распространяющихся сквозь всю толщину пластины, в результате чего происходит ее разделение на отдельные кристаллы.

Наряду с созданием глубокой разделительной канавки достоинством лазерного скрайбирования является его высокая производительность (100-200 мм/с), отсутствие на полупроводниковой пластине микротрещин и сколов. В качестве режущего инструмента используют импульсный оптический квантовый генератор с частотой следования импульсов 5-50 кГц и длительностью импульса 0,5 мс.

Разламывание пластин на кристаллы после скрайбирования.

Осуществляют механически, приложив к ней изгибающий момент. Отсутствие дефектов кристаллов зависит от приложенного усилия, которое зависит от соотношения габаритных размеров и толщины кристаллов.

Наиболее простым способом является разламывание пластин на кристаллы валиком. Для этого пластину помещают рабочей поверхностью (рисками) вниз на мягкую гибкую (из резины) опору и с небольшим давлением прокатывают ее последовательно в двух взаимно перпендикулярных направлениях стальным или резиновым валиком диаметром 10-30 мм. Гибкая опора деформируется, пластина изгибается в месте нанесения рисок и ломается по ним. Таким образом, разламывание происходит в две стадии - вначале на полоски, а затем на отдельные прямоугольные или квадратные кристаллы.

Валик должен двигаться параллельно направлению скрайбирования, иначе ломка будет происходить не по рискам. Брак может появиться также в том случае, если полоски или отдельные кристаллы смещаются относительно друг друга в процессе ломки. Поэтому перед ломкой пластины покрывают сверху тонкой эластичной полиэтиленовой пленкой, что позволяет сохранить ориентацию кристаллов в процессе ломки и избежать их произвольного разламывания и царапания друг о друга. Смещения кристаллов можно также избежать, поместив пластину перед разламыванием в герметичный полиэтиленовый пакет и откачав из него воздух.

Применяют различные установки, в которых валики движутся строго параллельно направлению рисок и имеют регулировку нагрузки. Более совершенен способ прокатывания пластины между двумя валиками, при котором обеспечивается нагрузка, пропорциональная длине скрайберной риски. Пластину, расположенную рисками вверх, прокатывают между двумя цилиндрическими валиками: верхним упругим (резиновым) и нижним стальным. Для сохранения первоначальной ориентации кристаллов пластину закрепляют на термопластичной или адгезионной пленке-носителе и защищают ее рабочую поверхность полиэтиленовой или лавсановой пленкой. Расстояние между валиками, определяемое толщиной пластин, устанавливают, перемещая один из них (обычно нижний). При прокатке более упругий валик в зависимости от толщины пластины деформируется и к ней прикладывается нагрузка, пропорциональная площади ее поперечного сечения или длине скрайберной риски. Пластина изгибается и разламывается по рискам, вначале на полоски, а после поворота на 90° - на кристаллы. При разламывании на сферической опоре пластину, расположенную между двумя тонкими пластичными пленками, помещают рисками вниз на резиновую диафрагму, подводят сверху сферическую опору и с помощью диафрагмы пневматическим и гидравлическим способами прижимают к ней пластину, которая разламывается на отдельные кристаллы. Достоинствами этого способа являются простота, высокая производительность и стадийность, а также достаточно высокое качество, так как кристаллы не смещаются относительно друг друга.

Заключение

резистор микросхема скрайбирование

1. По заданной принципиальной схеме произведен расчет тонкопленочных элементов.

2. Обоснован выбор подложки, приведены ряд преимуществ и отличий от других подложек.

3. Построена схема технологического процесса производства микроплаты.

Список используемой литературы

1. Коледов Л.А. “Конструирование и технология микросхем” Москва “Высшая школа” 1984 г.

2. Готра З.Ю. “Технология микроэлектронных устройств” Москва “Радио и связь” 1991 г.

Размещено на Allbest.ru