Основи електроніки (стр. 26 )

Рис. 7

 

Рис. 8

Виготовлення металевих масок способом фотолітографії показано на рис. 7. На підкладку маски тонким шаром наноситься фоторезист. Після просушки на нього накладається фотошаблон і ультрафіолетовими променями, під дією яких фоторезист полімеризується, проводиться експонування. Після цього підкладку протравлюють кислотою.

IV етап - нанесення плівкових пасивних елементів мікросхеми. Існує кілька способів отримання тонкоплівкових елементів. Найбільшого поширення отримали вакуумне напилення і катодне розпилення.

На рис. 8 показана конструкція установки для напилення у вакуумі. Установка складається з плоскої плити 3 з герметизуючою прокладкою. На плату встановлюють скляний або металевий ковпак 6 з оглядовим вікном 5. На деякій відстані від випарника 10 поміщається підкладка 8, на яку повинна бути нанесена плівка. Для отримання необхідного рисунка схеми застосовують маски 9. Випаровування здійснюється після відкачування до вакууму порядку 10 ~ 3 Па. В цьому випадку атоми випаруваної речовини рухаються прямолінійно, і осідаючи на підкладці, створюють шар плівки необхідної товщини.

V етап - установка дискретних елементів. Для з'єднання навісних активних елементів з плівковим монтажем застосовується пайка низькотемпературними припоями, що виключає пошкодження приладів і порушення адгезії металізованих ділянок підкладки через перегрів. Пайка проводиться мініатюрними механізованнимі паяльниками з автоматичним дозуванням припою і авторегулюванням температури нагріву зони з'єднання.

Для з'єднання виводів безкорпусних напівпровідникових приладів з контактними майданчиками мікросхем розроблена велика кількість способів зварювання та пайки (термокомпресеія, зварювання тиском з непрямим імпульсні нагріванням, ультразвукове зварювання, пайка хвилею припою, оптичний спосіб пайки, спосіб електронно-променевого зварювання та зварювання променем лазера і т. д.). Для кріплення до підкладки приладів з гнучкими і жорсткими виводами використовуються спеціальні термостійкі клеї.

VI етап - конструктивне оформлення мікросхеми. Застосовуються два способи захисту плівкових гібридних мікросхем від впливу зовнішніх факторів і від механічних пошкоджень: безкорпусні захисти та корпусні захисти (герметизація за допомогою міцних корпусів різного типу). Корпусний захист рекомендується застосовувати при тривалій (більше десяти діб) експлуатації мікросхем в умовах підвищеної вологості.

Корпус повинен володіти достатньою механічною міцністю, малою масою і габаритами, хорошою електричною ізоляцією. Крім того, всередині нього слід підтримувати досить стабільні температурні умови.

Для гібридних інтегральних мікросхем застосовують в основному три види корпусів: металоскляний круглий, металокерамічний плоский і металоскляний плоский.

7.5 Напівпровідникові нтегральні мікросхеми

На відміну від гібридних інтегральних мікросхем, що складаються з двох різних типів елементів (плівкових і навісних), напівпровідникові інтегральні мікросхеми складаються з єдиного кристала напівпровідника, окремі (локальні) області якого виконують функції активних і пасивних елементів, між якими існують необхідні електричні з'єднання і ізолюючого прошарку.

Напівпровідникові ІМС мають найбільш високий ступінь інтеграції елементів (понад 104 елементів/см3) і дозволяють отримати максимальну надійність, так як кількість сполук в них зведено до мінімуму.

7.6 Принципи виготовлення напівпровідникових ІМС

Основний принцип отримання напівпровідникових ІМС заключається в тому, що вони створюються в єдиному технологічному циклі, тобто всі активні і пасивні елементи цих схем формуються одночасно на одній і тій же несучій конструкції - підкладці. Сам термін «інтегральна схема», як відомо, відображає факт об'єднання (інтеграції) окремих деталей-компонентів в конструктивно єдиний прилад, а також факт ускладнення виконуваних цим приладом функцій в порівнянні з функціями окремих компонентів.

В основу створення напівпровідникової ІМС покладений груповий метод і планарна технологія. Сутність групового методу, освоєного ще в дискретній напівпровідниковій техніці, полягає в тому, що на пластині напівпровідника одночасно виготовляється безліч однотипних напівпровідникових приладів. Потім пластина розрізається на сотні окремих кристалів, що містять по одному приладу даного типу. Отримані прилади поміщаються в корпуси з зовнішніми виводами і в такому вигляді надходять до розробника апаратури. У дискретній напівпровідниковій техніці розробник, складаючи той чи інший функціональний вузол (підсилювач, генератор і т. п.), змушений поєднувати отримані прилади один з іншим і з іншими елементами за допомогою пайки, що, природно, знижує надійність всього пристрою. В інтегральну техніку на вихідній напівпровідниковій пластині одночасно виготовляються не окремі прилади, а цілі функціонально закінчені вузли, що складаються з транзисторів, діодів, резисторів, конденсаторів і т. д. Ці елементи з'єднуються один з іншим не провідниками і паянням, а короткими тонкими металевими смужками, напилюванням на поверхню пластини. Для цього комутаційні електроди всіх елементів виводяться на поверхню пластини і розміщуються в одній площині в одному плані. Таку можливість забезпечує спеціальна планарна технологія виготовлення напівпровідникових ІМС.

Напівпровідникові інтегральні схеми в основному виробляються з кремнію. Вибір цей обумовлений тим, що в порівнянні з германієм він має велику заборонену зону, менші зворотні струми і більш високу робочу температуру (до +125 ° С). Крім того, шляхом окислення поверхні кремнію легко отримати плівку двоокису кремнію, що має гарні захисні властивості.

Основними процесами створення компонентів напівпровідникових інтегральних схем є технологічні процеси створення р-п переходів, за допомогою яких формуються як активні, так і пасивні компоненти інтегральних схем-транзистори, діоди, резистори, конденсатори і т. д. Такими процесами є дифузія домішок в кремній і епітаксиальні нарощування монокристалічних шарів кремнію на кремнієву підкладку, що має протилежний тип провідності. Відповідно до цього за технологією виготовлення сучасні інтегральні схеми можна розділити на виготовленні із застосуванням тільки процесів дифузії, і схеми, при створенні яких використовуються як процеси дифузії, так і процеси епітаксійного нарощу вання.

Технологія виготовлення інтегральних схем першого типу отримала назву планарної, а другого типу - епітаксиальної-планарної.

Особливий тип напівпровідникових інтегральних мікросхем складають мікросхеми, виконані за так званою суміщеною технологією. В цьому випадку активні елементи виготовляють по планарній або епітаксиально-планарній технології в обсязі напівпровідникового кристала, а пасивні елементи - методами тонкоплівкової технології на його поверхні.

Рис.9	Рис.10

 

У твердому тілі напівпровідника пасивні та активні елементи необхідно ізолювати один від одного, щоб уникнути коротких замикань. За способом ізоляції компонентів напівпровідникові інтегральні схеми можна розділити на дві групи.

Рис. 10

Рис. 9

Рис. 10

Рис. 9

У схемах першої групи, що виготовляються за планарною технологією, ізоляція здійснюється утворенням між елементами (групою елементів) додаткових р-п переходів. При їх формуванні створюються ізолюючі перегородки шириною 20 - 30 мкм, які поділяють пластинку кремнію на окремі мікроучастки-«острівці». Цей процес ілюструється рис. 9. В якості вихідної структури береться одноріднолегована порівняно високоомна пластина кремнію р-типу, на яку методом фотолітографії наноситься захисний шар (рис. 9.а). Через незахищені ділянки проводиться дифузія з парової фази домішки п-типу. В результаті дифузії утворюються ізольовані п-шари (рис. 9., б), причому р-п перехід закінчується на плоскій поверхні під захисною плівкою, що дозволяє різко знизити струми витоку по поверхні. До отриманих р-п переходів підключають напругу таким чином, щоб перехід був замкнений. Внаслідок цього виходять електрично ізольовані один від одного «острівці», в яких потім формують необхідні схемні елементи.

Цей метод має три недоліки: відносно невеликий опір ізоляції, помітна ємність між ізольованими елементами і збільшення площі схеми. Однак він забезпечує високий відсоток виходу придатних схем і відносно низьку їх вартість.

У схемах другої групи, що виготовляються за методом планарно-епітаксіальної технології, «острівці» ізолюються плівками двоокису кремнію На рис.10 у спрощеному вигляді показана технологія отримання «острівців». Пластина монокристалічного кремнію п-типу окислюється і на ній утворюється плівка (рис. 10, а). Потім відповідно до схеми в плівці витравляються канавки 1 (рис. 10, б). Поверхня повторно окислюється (рис. 10, в), утворюючи фігурний шар. На цей шар нарощується за допомогою епітаксії шар полікристалічного кремнію власної провідності 3 (рис.10, г). Після шліфовки монокристалічного кремнію утворюються «острівці» 4 (рис. 10 д), в яких методом дифузії або епітаксіальним нарощуванням формують необхідні елементи схем.

Цей спосіб ізоляції «острівців» істотно зменшує ємкості між острівцями, струми витоку і збільшує пробивну напругу. Проте технологія виготовлення складніша і вартість виготовлення схем відповідно більш висока.