Конструирование и технология тонкоплёночных ГИС

 

Контрольная работа

по дисциплине «Тонкоплёночная Электроника»

Тема: Конструирование и технология тонкоплёночных ГИС

Содержание

Введение

. Расчет и проектирование пленочных элементов

.1 Конструктивный расчет тонкопленочных резисторов

.2 Расчет и проектирование тонкопленочных конденсаторов

. Монтаж навесных компонентов

Заключение

Список использованных источников

Введение

Подложки ГИС являются диэлектрическим и механическим основаниями для расположения пленочных и навесных элементов и служат для теплоотвода. Для маломощных ГИС применяют бесщелочные боросиликатные стекла и ситаллы.

Ситаллы - это стеклокристаллические материалы, получаемые путем почти полной стимулированной кристаллизации стекол специально подобранного состава. Они занимают промежуточное положение между обычными стеклами и керамикой. Недостатком стекол считается процесс местной кристаллизации - расстекловывание, приводящий к появлению неоднородности и ухудшению свойств стеклянных изделий. Если в состав стекол, склонных к кристаллизации, ввести одну или несколько добавок веществ, дающих зародыши кристаллизации, то удается стимулировать процесс кристаллизации стекла по всему объему изделия и получить материал с однородной микрокристаллической структурой.

Технология получения ситалла состоит из нескольких операций. Сначала получают изделие из стекломассы теми же способами, из обычного стекла. Затем его подвергают чаще всего двухступенчатой термической обработке при температурах 500 - 700°С и 900оС - 1100°С. На первой ступени происходит образование зародышей кристаллизации, на второй - развитие кристаллических фаз. Содержание кристаллических фаз к окончанию технологического процесса достигает порядка 95%, размеры оптимально развитых кристаллов составляют 0,05-1 мкм. Изменение размеров изделий при кристаллизации не превышает 1-2%.

Таким образом, ситаллы отличаются от стекол тем, что в основном имеют кристаллическое строение, а от керамики - значительно меньшим размером кристаллических зерен.

Кристаллизация стекла может быть обусловлена фотохимическими и каталитическими процессами. В первом случае центрами кристаллизации служат мельчайшие частицы металлов (серебра, золота, меди, алюминия и др.), выделяющиеся из соответствующих окислов, входящих в состав стекла, под влиянием облучения с последующей термообработкой для проявления изображения. Для инициирования фотохимической реакции обычно используют ультрафиолетовое излучений. При термообработке происходит образование и рост кристаллитов вокруг металлических частиц. Одновременно при проявлении материла приобретает определенную окраску. Стеклокристаллические материалы, получаемые таким способом, называют фотоситаллами. Если облучать не всю поверхность изделия, а лишь определенные участки, то можно вызвать локальную кристаллизации в заданном объеме. Закристаллизованные участки значительно легче растворяются в плавиковой кислоте, нежели примыкающие к ним стеклообразные области. Это позволяет травлением получать в изделиях отверстия, выемки и т. п.

Технология изготовления ситаллов упрощается, если в качестве катализаторов кристаллизации использовать соединения, ограниченно и растворимые в стекломассе или легко кристаллизующиеся из расплава.

К числу таких соединений относятся В2О3, Сг2О3,V2O5, фториды и фосфаты щелочных и щелочно-земельных металлов. При каталитической кристаллизации необходимость в предварительном облучении отпадает.

1. Расчет и проектирование пленочных элементов

.1 Конструктивный расчет тонкопленочных 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 существующего технологического процесса.

Исходные данные:

Определяем оптимальное сопротивление квадрата резистивной пленки:

По таблице выбираем материал резистивной пленки с ближайшим к значением : сплав РС-3001 (ЕТО.021.019 ТУ). Его параметры:

Проверяем правильность выбранного материала с точки зрения точности изготовления резисторов.

Полная относительная погрешность изготовления пленочного резистора состоит из суммы погрешностей:

,

где - погрешность коэффициента формы - зависит от погрешностей геометрических размеров:

.

- погрешность воспроизведения величины пленки - в условиях серийного производства ее значение не превышает 10 %;

- температурная погрешность, определяемая по формуле:

- погрешность, обусловленная старением пленки. Обычно для ГИС она не превышает 3%.

- погрешность переходных сопротивлений контактов, обычно составляет 1-2%.

Допустимая погрешность коэффициента формы:

Определяем конструкцию резисторов по значению коэффициента формы КФ:

Коэффициенты формы для всех резисторов представлены в таблице 1:

Таблица 1 - Коэффициенты формы резисторов

РезисторСопротивление, ОмКоэффициент формы, R14700047R256005.6R32200.22R42200022R54700047R61200.12R730003

Все резисторы будут изготовлены одним методом - фотолитографическим. Определяем технологические ограничения для метода.

Точность изготовления линейных размеров и расстояний между ними:

Минимально допустимые размеры резистора:

Минимально допустимое расстояние между пленочными элементами:

Максимально допустимое соотношение размеров:

Перекрытия для совмещения пленочных элементов:

. Проводим расчет для резисторов с коэффициентом формы , это будут резисторы - R2, R4, R7 (резисторы прямоугольной формы).

Находим ширину резистора, которая выбирается из трех значений:

техн - минимальная ширина резистора, определяемая возможностями технологического процесса.точн - ширина резистора, определяемая точностью изготовления:

Р - минимальная ширина резистора, при которой обеспечивается заданная мощность.

За ширину резистора принимают ближайшее к bрасч большее значение, кратное шагу координатной сетки, принятому для чертежа топологии с учетом масштаба.

Все рассчитанные значения ширины резисторов с :

Таблица 2 - Значения ширины резисторов с

Резисторbточн, ммbР, ммbрасч, ммR20.1160.2110.2R40.1470.1850.2R70.1870.50.5

Далее находим расчетную длину резистора. За длину резистора принимают ближайшее к lрасч большее значение, кратное шагу координатной сетки, принятому для чертежа топологии с учетом масштаба

Определяем полную длину резистора с учетом перекрытия контактных площадок:

Все рассчитанные значения длины резисторов с представлены в таблице 3:

Таблица 3 - Значения длины резисторов

Резисторlрасч, ммl, ммlполн, ммR21.10.11.3R44.40.14.6R71.50.11.7

Рассчитываем площадь резистора:

Полученные результаты представлены в таблице 4.

Таблица 4 - Площадь резисторов

Резисторlполн, ммbрасч, ммS, мм2R21.30.20.26R44.60.20.92R71.70.50.85

2. Проводим расчет для резисторов с коэффициентом формы , это резисторы - R3, R6 (резисторы прямоугольной формы, у которых длина меньше ширины).

Сначала определяем длину резистора, а затем ширину.

Расчетное значение длины резистора выбирают из условия:

- минимальная длина резистора, определяемая разрешающей способностью выбранного метода формирования конфигурации.

За длину резистора принимают ближайшее к lрасч большее значение, кратное шагу координатной сетки, принятому для чертежа топологии с учетом масштаба.

Расчетную ширину резистора находим по:

Полную ширину резистора с учетом перекрытия контактных площадок и площадь резистора находим по формулам:

Все полученные значения представлены в таблице 5:

Таблица 5 - Рассчитанные значения резисторов с

Резисторlточн, ммlР, ммl, ммbрасч, ммbполн, ммS, мм2R30.1710.2350.20.910.40.36R60.1570.30.32.50.51.25

3. Проводим расчет для резисторов с коэффициентом формы , это резисторы - R1, R5 (резисторы сложной формы, типа меандр).

Находим ширину резистора R1 типа «меандр» по формулам:

С учетом округления

Длина средней линии меандра находится по формуле:

Задаемся расстоянием между соседними звеньями меандра. Для метода фотолитографии . Пусть . Шаг одного звена находится по формуле:

Находим оптимальное число звеньев меандра:

Находим длину и ширину меандра:

,

Проведем уточненный расчет резистора R1 с учетом неравномерности плотности тока в изгибах.

Топология резистора с . Выделим элементы П-образных изгибов, так как . Количество элементов изгибов (с учетом двух приконтактных областей изгибов). Сопротивление П-образны изгибов

Рассчитаем длину прямолинейных участков:

Габаритная площадь резистора:

Все полученные значения представлены в таблице 5:

Таблица 5 - Рассчитанные значения резисторов с

Резисторlср, ммt,ммb, ммL1,ммВ1,ммS, мм2R14.70.24.8480.110.840.84R56.580.284.8480.141.41.1761.646

Для проверки найдем действительную удельную мощность и погрешность резисторов. Резистор спроектирован удовлетворительно, если:

1) удельная мощность рассеивания не превышает допустимого значения:

) погрешность коэффициента формы не превышает допустимого значения :

) суммарная погрешность не превышает допуска

Таким образом, можно сказать, что резисторы спроектированы удовлетворительно.

1.2 Расчет и проектирование тонкопленочных конденсаторов

В качестве исходных данных представлены следующие:

- относительная погрешность емкости конденсатора;

- рабочая частота;

- емкости конденсаторов.

Конденсаторы С1 и С3 это навесные компоненты и их не будем рассчитывать.

В качестве материала диэлектрика выбираем моноокись германия (ГОСТ 19602-74) со следующими параметрами:

;

Определим минимальную толщину диэлектрика по формуле (1):

(1)

где - коэффициент запаса электрической прочности;

Установим минимальную толщину диэлектрика:

Определим удельную емкость конденсатора, исходя из условий электрической прочности:

(2),

Для оценки относительной температурной погрешности воспользуемся формулой (3).

(3)

Допустимую погрешность активной площади конденсатора определим по формуле (4):

(4)

где - относительная погрешность, обусловленная старением пленки,

- относительная погрешность удельной емкости,

Т.к. >0, то это означает, что изготовление конденсатора с заданной точностью и из данного материала возможно.

Определим минимальную удельную емкость по формуле (5). Для обеспечения точности изготовления в формуле будем использовать минимальный по емкости конденсатор.

(5)

где - погрешность длины верхней обкладки конденсатора; .

Т.к. на одной подложке расположено несколько конденсаторов, то расчет начинаем с конденсатора, имеющего наименьший номинал емкости. Определим значение удельной емкости, при котором конденсатор будет занимать минимальную площадь на подложке. Зададим .

Окончательный выбор производят по формуле (6):

, (6)

Минимальным значением является

Определим, какая толщина диэлектрика соответствует выбранной удельной емкости по формуле (7):

(7)

2. Монтаж навесных компонентов

резистор прочность транзистор

В качестве навесных компонентов используются бескорпусные диоды и транзисторы. Простейшим вариантом бескорпусного транзистора является кристалл, полученный после скрайбирования, к трем контактным площадкам которого присоединены тонкие проволочные выводы и который защищен от внешней среды каплей эпоксидной смолы, обволакивающей кристалл со всех сторон. Такой транзистор приклеивается к подложке вблизи тех пленочных элементов, с которыми он должен быть соединен, после чего проволочные выводы транзистора методом термокомпрессии присоединяются к соответствующим контактным площадкам на подложке.

Имеется два других варианта бескорпусных транзисторов, монтаж которых осуществляется иначе. Первый вариант называют транзистором с шариковыми выводами. Шарики диаметром 50-100 мкм связаны с контактными площадками транзистора, а через них - с тем или иным слоем кремния: эмиттерным, базовым или коллекторным. Материалом для шариков служат золото, медь или сплав Sn - Sb.

Из того же материала на диэлектрической подложке пленочной ГИС делаются контактные столбики высотой 10-15 мкм и диаметром 150-200 мкм, расположенные в точном соответствии с расположением шариков на кристалле кремния. Соединение шариков со столбиками осуществляется методом перевернутого монтажа: кристалл транзистора переворачивается «вверх ногами», т. е. шариками вниз, и накладывается шариками на столбики подложки.

Сочетая давление на кристалл с повышением температуры (т. е. в сущности используя термокомпрессию), обеспечивают прочное соединение шариков со столбиками. Как видим, метод перевернутого монтажа - групповой: за одну операцию получаются все три необходимых соединения. Количество соединений при таком монтаже вдвое меньше, чем при проволочном, а транзистор не требует специального места на подложке. Главная трудность состоит в совмещении шариков со столбиками, поскольку кристалл при наложении перевернут «вверх ногами» и закрывает от оператора места соединения.

Трудность совмещения контактных площадок кристалла и подложки облегчается при использовании второго варианта бескорпусных транзисторов - транзистора с балочными выводами. Здесь контактные площадки продлены за пределы кристалла и нависают над его краями на 100-150 мкм, откуда и название-балки. Толщина балок (10-15 мкм) значительно больше толщины металлической разводки на кристалле. Поэтому их получают не напылением, а электрохимическим осаждением золота (с подслоем из титана).

Длина балочных выводов 200-250 мкм (включая выступ), а ширина такая же, как у обычных контактных площадок (50-200 мкм).

Получение балок основано на сквозном травлении кремния через фоторезистную маску, нанесенную на нижнюю поверхность пластины. При сквозном травлении одновременно с получением балок достигается разделение пластины на отдельные кристаллы без механического скрайбирования. До начала травления пластина приклеивается верхней (лицевой) поверхностью к стеклу. Чтобы сократить время травления и избежать бокового растравливания пластины, ее (после приклеивания к стеклу) сошлифовывают от обычной толщины 200-300 мкм до 50 мкм. По окончании травления клей растворяют и разделенные кристаллы отпадают от стекла.

Монтаж навесных компонентов с балочными выводами может осуществляться так же, как и в случае шариковых выводов-методом перевернутого монтажа. При этом выступающие балки хорошо видны и их совмещение с контактными площадками на подложке не представляет затруднений. Можно монтировать кристалл и «лицом вверх», но тогда в подложке следует предусмотреть углубление для кристалла.

Несмотря на то, что изготовление шариковых и балочных выводов сложнее и дороже, чем проволочных, они обеспечивают существенное упрощение и удешевление сборочных операций (самых дорогих в технологическом цикле), а также заметное повышение процента выхода годных ИС и их надежности.

Заключение

В данном курсовом проекте, при изготовлении микросхемы использовался метод термовакуумного напыления (ТВН), который основан на создании направленного потока пара вещества и последующей конденсации его на поверхностях подложек, имеющих температуру ниже температуры источника пара. Процесс ТВН можно разбить на четыре этапа: образование пара вещества, распространение пара от источника к подложкам, конденсации пара на подложках, образование зародышей и рост пленки. Образование пара вещества выполняется путем его испарения или сублимации. Вещества переходят в пар при любой температуре выше абсолютного нуля, но чтобы увеличить интенсивность парообразования вещества нагревают. С увеличением температуры повышается средняя кинетическая энергия атомов и вероятность разрывов межатомных связей. Атомы отрываются, и распространяются в свободном пространстве, образуя пар. Распространение пара от источников к подложкам осуществляется путем диффузии и конвекции, на которые в первую очередь влияет степень вакуума. Для уменьшения потерь испаряемого материала за счет напыление на внутрикамерную оснастку и стенки камеры, а также для повышения скорости напыления и получения более равномерной по толщине пленки необходимо обеспечивать прямолинейное движение частиц пара в направлении подложки. Это возможно при условии, если длина свободного пробега частиц пара будет больше расстояния источник-подложка. Конденсация пара на поверхность подложки зависит от температуры подложки и плотности атомарного потока. Атомы пара, достигшие подложки, могут мгновенно отразиться от нее, адсорбироваться и через некоторое время отразиться от подложки, адсорбироваться и после кратковременного мигрирования по поверхности окончательно остаться на ней. Образование зародышей происходит в результате нахождения атомами мест, соответствующих минимуму свободной энергии системы атом-подложка. Рост зародышей происходит за счет присоединения новых атомов. По мере конденсации пара зародыши растут, между ними образуются крупные островки. После этого наступает стадия слияния островков с образованием единой сетки. Сетка переходит в сплошную пленку, которая начинает расти в толщину.

С этого момента влияние подложки исключается, и частицы пара от поверхности пленки практически не отражаются. На этапе образования зародышей и роста пленки воздействие остаточных газов на растущую пленку должно быть сведено к минимуму. Обеспечить это можно повышением степени вакуума или увеличением скорости парообразования. Качество пленки определяется также размером зерна и величиной адгезии к поверхности подложки.

Повышение температуры подложек уменьшает плотность центров зародышеобразования и, следовательно, способствует формированию крупнозернистых пленок, и, наоборот, повышение плотности потока пара вещества способствует получению пленок с мелкозернистой структурой.

Для улучшения адгезии и структуры пленок напыление проводят на нагретые до температуры 200...300 ° C подложки. Процесс ТВН выполняют в вакуумных камерах.

Нагрев осуществляют прямым или косвенным (теплопередачей от испарителя) способами: путем пропускания электрического тока, токами индукции, электронной бомбардировкой. Процесс начинают с загрузки вакуумной камеры: испаряемый материал помещают в тигли, подложки устанавливают в подложкодержатели, маски - в маскодержатели. В зависимости от конструкции внутрикамерных устройств техники выполнения загрузки могут различаться. Затем камеру герметизируют и производят откачку воздуха. При закрытой заслонке производят нагрев подложек до заданной температуры и испарителей до температуры испарения.

Проводят ионную очистку поверхностей подложек. Откачивают камеру до предельного вакуума. После этого открывают заслонку и ведут напыление пленки. При получении заданной толщины пленки процесс напыления прекращают, перекрывая атомарный поток заслонкой. Подложки охлаждают и после этого в камеру напускают воздух и производят выгрузку.

Список использованных источников

1.Конструирование и технология микросхем Под редакцией Коледова Л. А. М.: Высш. шк., 2008. - 231 с.

2.Готра З.Ю. Технология микроэлектронных устройств М.: Радио и связь, 2011., 528 c.

.Коледов Л.А. Технология и конструирование микросхем, микропроцессоров и микросборок М.: Радио и связь, 2009. - 400 с.

Контрольная работа по дисциплине «Тонкоплёночная Электроника» Тема: Конструирование и технология тон

Больше работ по теме: