ИЗГОТОВЛЕНИЕ ЭЛЕМЕНТОВ ГИБРИДНЫХ ИС И МИКРОСБОРОК

Основными способами получения тонкопленочных элементов яв­ляются термическое испарение в вакууме, катодное и ионно-плаз-менное распыление, осаждение пленок из паровой и газовой фазы. Толстопленочные элементы создаются на подложке методом шел-кографии. Выбор конкретного метода получения пленок зависит от многих факторов, особенно от состава наносимого вещества, состо­яния поверхности, температуры подложки, требуемой толщины и используемого метода ее контроля. В промышленности широкое применение получил метод напыления тонких пленок путем терми­ческого испарения в вакууме. Основные достоинства этого мето­да— простота и универсальность. На термовакуумных установках одного типа можно быстро получать однородные слои металлов, сплавов, полупроводников и диэлектриков различной толщины, а также изготавливать тонкие пленки из разнородных веществ при различной толщине подслоя.

Для испарения вещество нагревают. При этом используется джоулево" тепло, выделяющееся в проводниках при прохождении через них электрического тока. Можно применять также нагрев электронным пучком, высокочастотным полем, электрической дугой. При нагреве в вакууме вещество плавится, а затем переходит в па­рообразное состояние. В обычных промышленных вакуумных уста­новках используют давление в пределах 133-Ю-5... 133−10_6 Па. Однако часто для улучшения структуры пленок требуется более глубокий вакуум (до 133−10~8... 133−10−9)...

Процесс получения пленок путем термического испарения в ва­кууме имеет стадии испарения вещества и свободной конденсации его паров на подложке. Подложка располагается над тиглем с ве­ществом (рабочей поверхностью вниз).

Для нанесения тонких пленок методом катодного распыления используется явление разрушения катода в результате его бомардировки ионизированными молекулами разреженного газа. Катодное распыление пленок производят э диапазоне давлений 133Х X10−1... 133-Ю-3 Па в остаточной атмосфере воздуха или &ияерт^ ном газе (чаще всего в аргоне). Для зажигания тлеющего разря­да между катодом и анодом подают высокое напряжение (от. к до 20 кВ).

Преимущество катодного распыления перед термическим .испа­рением в вакууме заключается в том, что с его помощью можно-увеличить площадь поверхности и равномерность толщины полу­ченных пленок (материал напыляется на подложку не от точечно­го источника, а с плоской поверхности катода, размеры которого могут значительно превышать расстояние от катода до подложки).

Важным достоинством способа является постоянный химический состав распыляемого материала, в то время как при термическом испарении материала его составляющие испаряются с различной скоростью (сначала легкоплавкие), вследствие чего состав плен­ки может отличаться от состава исходного материала. Путем ка­тодного распыления удается получать пленки тугоплавких мате­риалов.

При ионно-плазменном распылении в камере создается началь­ное давление 133-Ю-6 Па. Затем между катодом и анодом уста­новки пропускают термоэлектрический ток высокой плотности (не­сколько ампер на квадратный сантиметр), после чего в камеру по­дают инертный газ до давления 133 — 10—3... 133 — 10−4 Па и с по­мощью высокочастотного трансформатора зажигают разряд. Воз­никающие при разряде положительные ионы с низкой энергией бомбардируют подложку и удаляют с ее поверхности загрязнения («ионное травление»). После этого на мишень подается отрица­тельный потенциал. Вытягиваемые из плазмы разряда положитель­ные ионы бомбардируют мишень с энергией, достаточной для рас­пыления атомов материала мишени. Атомы, выбитые из мишени, двигаются преимущественно в направлении, перпендикулярном по­верхности мишени.

Большое достоинство ионно-плазменного распыления заключа­ется в его универсальности. С одинаковым успехом могут распы­ляться металлы с различными свойствами, например вольфрам и золото. Такие сплавы, как нихром, пермаллой, нержавеющая сталь, распыляются без диссоциации состава распыляемого материала. При ионно-плазменном распылении сложные (сплавные) пленки из двух или нескольких металлов могут изготавливаться одновре­менным распылением нескольких независимых мишеней. Распы­ляться могут как чистые полупроводниковые материалы (крем­ний), так и полупроводниковые соединения.

Большим преимуществом ионно-плазменного метода является его безынерционность. Распыление материала происходит лишь тогда, когда на мишень подается напряжение; распыление сразу же прекращается после выключения напряжения. Плотность на­пыляемого ионного пучка можно регулировать изменением тока эмиссии вольфрамового катода и давления инертного газа. Скорость осаждения может изменяться в очень широких пределах: от десятых долей нанометра до десятых долей микрона в минуту. Равномерность толщины пленки дри ионно-плазменном распылении достигает 1... 2%» что значительно выше, чем при катодном рас­пылении, где вносятся искажения непроводящей подложкой, рас­положенной между катодом и анодом. Благодаря высокой энергии попадающих на подложку атомов прочность сцепления с подлож­кой пленки, полученной при ионно-плазменном методе, получается очень высокой.

Для напыления диэлектрических материалов плазма зажигает­ся с помощью радиочастотного излучения.

Недостатком ионно-плазменного распыления считается меньшая скорость наращивания пленки, однако в ионно-плазменные установ­ки можно одновременно загружать десятки подложек. Такие уста­новки часто имеют автоматическое управление.

Главное преимущество метода осаждения из газовой фазы со­стоит в легкости управления процессом и его отдельными стадия­ми. При этом можно сравнительно легко вводить в растущую плен­ку примеси и получать слои с заранее заданными свойствами. Ме­тод применяется при изготовлении металлических, резистивных и диэлектрических пленок. При этом в результате разложения слож­ного химического соединения или химической реакции двух или бо­лее веществ продукт реакции осаждается в виде пленки на под­ложку. Реакция может происходить под воздействием тепла (пи-ролитическое разложение), света (фотохимическое разложение), в результате гидролиза, воздействия электрического поля и других факторов.

После нанесения на подложку пленочных,пассивных элементов на ней монтируются компоненты транзисторы, диоды, конденсато­ры, трансформаторы, кристаллы полупроводниковых ИС [4]. Ком­поненты с жесткими выводами крепятся* к плате путем пайки или приварки их выводов к контактным площадкам платы. Компонен­ты с гибкими выводами крепятся к плате с Помощью эпоксидных клеев или припаиваются. В первом случае компонент электрически изолирован от платы, во втором — он может иметь электрический контакт. Способ крепления компонентов к плате должен обеспечи­вать хорошую механическую прочность крепления, отсутствие на­пряжений в месте крепления, химическую стойкость и нейтраль­ность материалов, применяемых для крепления, их высокую теп­лопроводность, низкую температуру образования и высокую рабо­чую температуру получающих соединений.

Эпоксидные клеи имеют небольшую усадку при отвердении, хо­рошую адгезию к различным материалам, не выделяют побочных продуктов, химически стабильны. Температура их полимеризации подбором отвердителей может быть выбрана в широком диапазоне значений, включая нормальную. Очень удобны в применении клее­вые пленки.

Крепление с помощью спая кристаллов бескорпусных полупро­водниковых ИС, транзисторов, диодов осуществляется образованн­ой эвтектических сплавов между поверхностью полупроводника и слоем золота на плате. Плату подогревают до температуры при­мерно 370° С, кристалл помещают на золотую контактную площад­ку и прижимают с определенным усилием. В результате происходит взаимное растворение кремния и золота с образованием эвтекти­ческого сплава на границе раздела.