Разработка конструкции и технологии изготовления логического элемента в интегральном исполнении

Операция  напыления следует за операцией  подготовки вакуумной установки.

Напыление  слоя РС-3710 производится на установке  вакуумного напыления типа УВН-75Р-3, в которой подложки располагаются на позициях карусели, а на базовой плите размещаются неподвижно испарители. Для напыления других слоев используется установка вакуумного напыления типа УВН-71Р-2 - система с четырьмя испарителями, так как технология изготовления разрабатываемой ГИС предусматривает формирование четырех слоев, при этом испаритель следует выбирать так,  чтобы температура его плавления была намного выше температуры испарения испаряемого материала. Согласно выбранному перечню материалов, которые будут составлять резистивный и адгезионный слои, подбираем соответствующие испарители.

Конструкции испарителей должны удовлетворять  требованиям, совокупность которых  направлена на обеспечение эффективного проведения процесса осаждения: стабильности потока вещества во времени и достаточно равномерной плотности потока в поперечном сечении. Материал должен нагреваться с наименьшими затратами и потерями (кондуктивными и излучательными) энергии, т. е. быть экономичным даже при низкой теплопроводности испаряемого материала и плохом тепловом контакте его с испарителем. В конструкции испарителя должна учитываться исходная форма испаряемого материала (проволока, гранулы, порошок), его емкость должна быть достаточной для выполнения цикла многопозиционной обработки или непрерывного процесса напыления. Устройство управления нагревом испарителя должно допускать регулировку режима его работы и скорости испарения.

Материалы, из которых изготовляют нагреватели  и держатели испаряемого вещества, должны иметь возможно более низкую упругость пара при температуре испарения, не взаимодействовать с испаряемым материалом с образованием летучих химических соединений, загрязняющих напыляемую пленку, или сплавов, разрушающих испаритель из-за снижения температуры плавления, хорошо смачиваться расплавом испаряемого вещества, что необходимо для обеспечения хорошего теплового контакта.

Для РС-сплава, который будет браться в виде порошка, выбираем тигельный испаритель (рис.8.1).

Испарители  в виде тиглей применяют, если необходимо загружать большие количества материала (несколько граммов и более). Материал тигля подбирают в зависимости от испаряемого материала на основе анализа диаграммы состояния при условии малой взаимной растворимости и существования достаточно тугоплавких эвтектик. В производственных условиях применяют тигли из тугоплавких металлов (Та, Мо, Nb), окислов металлов (А1₂О₃, BeO, ZrO_2> ТЮ₂), диэлектриков  (SiO₂, BN, TiB₂) и графита.

 

а – металлический тигель;

б – тигель из ВеО;

в – керамический тигель;

Э – тепловой экран

 

Рис.8.1 –  Тигельные испарители с косвенным нагревом

 

Наиболее  технологичными в изготовлении являются металлические тигли. Для обеспечения равномерности нагрева тигель охватывается проволочным нагревателем (обычно вольфрамовым), а для уменьшения тепловых потерь на излучение — тепловым экраном Э (рис. 8.1 а).

Тигли из окислов металлов (керамические) должны обладать достаточно высокой теплопроводностью  и стойкостью к термоударам, а также возможно меньшей пористостью (пористость тиглей затрудняет их использование в условиях вакуума). Так как керамика имеет более низкую, чем металлы, теплопроводность, то целесообразно армировать тигли нагревательной спиралью (рис. 8.1 б). При изготовлении подобных тиглей многократно (послойно) наносят водную суспензию порошка окисла на спираль с сушкой и высокотемпературным спеканием каждого слоя. Тигли из ВеО, имеющие наибольшую теплопроводность, могут иметь наружный нагреватель и тепловой экран. Толщина керамических тиглей ограничивается стойкостью к термоудару и не должна превышать 3 мм.

При испарении  диэлектрических материалов в гранулированном или порошкообразном состоянии для улучшения теплового контакта нагреватель может быть размещен внутри тигля.

Кварцевое стекло (SiO₂) может быть использовано в качестве материала тигля при температурах ниже температуры его размягчения и для ограниченного круга металлов, так как кварц способен отдавать кислород.

Иногда  для изготовления тиглей применяют  графит, однако он при повышенной температуре образует карбиды со многими металлами, а также активно поглощает газы.

Нитрид  бора BN, а также смесь его с диборидом титана TiB₂ в соотношении 1:1 легко поддаются механической обработке (как и графит) и хорошо выдерживают термоудары.

Для хрома, который будет браться в виде проволоки, выбираем ленточный испаритель.

Испарители  из ленточного (листового) материала обычно изготовляют из тантала или молибдена толщиной ~0,25 мм, которые допускают неглубокую холодную формовку в несколько миллиметров. Они используются для навесок до нескольких граммов, а также в случае плохой смачиваемости. Ленточные испарители применяют также при испарении порошкообразных материалов методом микродозирования. Испарение материала происходит небольшими дозами в результате последовательного сбрасывания их на испаритель с определенной частотой. Микродозирование осуществляется вибропитателем, один из вариантов которого показан на рис. 8.2. Вибропитатель состоит из вибробункера 4, в котором находится порошкообразный материал, подлежащий испарению, катушки электромагнита 3 с сердечником 2 и корпуса 1. Амплитуду переменного (пульсирующего) напряжения с частотой 50 Гц можно плавно регулировать от 0 до 60 В, подбирая необходимый режим работы вибропитателя. Возвратную пружину 5 проектируют с учетом массы бункера и частоты колебаний. Амплитуда колебаний бункера зависит от зазора между сердечником и бункером, который можно изменять с помощью эксцентрикового устройства. Для стабильности режимов работы вибропитателя необходимо, чтобы масса бункера существенно превышала массу загружаемого порошка.

 

                               1 – корпус;

                               2 – сердечник;

                               3 – электромагнит;

                               4 – вибробункер;

                               5 – возвратная пружина

 

Рис. 8.2 –  Вибропитатель для подачи порошкообразного материала

на испаритель

 

Описание  операции напыления резистивного слоя приведена в соответствующей операционной карте.

После нанесения  четырех слоев необходимо сформировать проводники и резисторы с помощью  фотолитографии.

Метод получения  рисунка схемы – фотолитография с применением позитивного фоторезиста  ФП-383. Для получения масок из фоторезиста, которые необходимы как защита при травлении пленочных структур применяется линия фотолитографии «Титан», которая имеет:

- установка визуального контроля;

- полуавтомат нанесения фоторезиста методом центрифугирования;

- установка экспонирования фоторезиста;

- установка сушки и полимеризации фоторезиста методом инфракрасной сушки.

Получение фоторезистивных масок состоит  из операций: нанесение фоторезиста, сушка фоторезиста, экспонирование фоторезиста, проявление и задубливание фоторезиста.

В процессе изготовления ИМС получение масок  из фоторезиста ФП-383 производится три раза.

Полученные  резисторы при необходимости  корректируются до необходимого номинала, затем наносится защитный слой из фоторезиста ФН-11с методом фотолитографии и маркировочный слой из фоторезиста ФП-58-6.

Далее подложка разрезается на отдельные платы (15 штук) с применением установки  лазерной резки «Темп-500».

После контроля на соответствие конструкторской документации на плату устанавливаются навесные компоненты. Для облегчения операций ремонта компоненты ставятся на клей ВК-9, который не создает в закрытом объеме корпуса ГИС агрессивной  среды и допускает снятие неисправного компонента без повреждения платы. После сушки клея производится разварка гибких выводов компонентов на установке контактной сварки «Контакт-3А».

Установка на клей и микроконтактирование навесных компонентов приведены в соответствующих операционных картах.

После этого  плата приклеивается в основание  корпуса на плату с помощью  клея ВК-9, применение которого обосновано тем, что он не содержит активных компонентов, способных при непрерывной эксплуатации выделиться из клеевой подложки и  заполнить объем корпуса. Перед  склеиванием с поверхности удаляют  загрязнения.

После сушки  клея производится микроконтактирование внешних контактных площадок платы и выводов корпуса на установках контактной сварки «Контакт-3А» с предварительной установкой диэлектрической прокладки. 

После этого идет предварительная  проверка электрических параметров платы. При удовлетворительных результатах  ГИС направляется на операцию герметизации с применением пайки в конвейерной  печи «Алунд-1» (СК 11/16.10-6). При отрицательных  результатах анализируется, какой  компонент неисправен, и его подвергают замене.

Качество герметизации ГИС проверяется  на установке контроля герметичности  вакуумно-жидкостным методом типа КГЖ, проверка данного метода контроля осуществляется масс-спектрометрическим методом с  помощью гелиевого течеискателя  УКГМ-2.

Выдержавшие испытания на герметичность ГИС  подвергают еще раз функциональному  контролю и при положительных  результатах маркируют, покрывают  лаком, упаковывают в индивидуальную и групповую тару.

Операция  герметизации ИМС приведена в  соответствующей операционной карте.

Наибольший  вклад по снижению трудоемкости оказывает  тот факт, что ввиду малых размеров платы ГИС есть возможность на одной подложке размещать 15 плат, при  этом время напыления, фотолитографии соответственно сокращается в 15 раз  по сравнению с тем, если бы каждая плата изготавливалась отдельно.

Основной  состав оборудования, материалы для  изготовления растворов для химической обработки подложек и сам состав растворов взяты из директивных  технологических процессов. Выбор  конкретных типов травителей определяется их селективностью при травлении пленочных структур алюминия, никеля, хрома.

Маршрутные  технологические процессы изготовления и сборки ИМС, разработанные в  данной работе, а также выбранное  для разработанных техпроцессов оборудование составлялись и выбирались из соображения максимальной технологичности  изготовленных ИМС, то есть простоты их изготовления, минимальных затрат времени, материалов, рабочей силы, минимальной стоимости и максимальной производительности используемого  оборудования в условиях заданного  крупносерийного производства.

 

8.2  Технические характеристики  используемого оборудования

 

Итак, как  было отмечено выше, в процессе производства ИМС используется следующее оборудование:

для напыления  резистивных пленок из РС-3710 – установка вакуумного напыления УВН-75Р-3;

для напыления  адгезионного слоя – хрома, проводникового – алюминия, и защитного –  никеля – установка вакуумного напыления  УВН-71Р-2;

для изготовления фотошаблонов – фотоповторитель ЭМ-5062;

нанесение фоторезиста осуществляется на полуавтомате для нанесения фоторезиста ПНФ-1;

для сушки  и задубливания применяется установка  УСДФ-1;

для совмещения и экспонирования – установка  ЭМ576Ф;

для удаления фоторезиста – полуавтомат ПУФ80;

для визуального  контроля – установка УВК-1;

микроконтактирование производится на аппаратуре для сварки косвенным импульсным нагревом  “Контакт – 3А”;

для контроля прочности микросоединений на отрыв и срез – установка для контроля прочности микросоединений на отрыв и срез;

для герметизации микросхем пайкой – конвейерная  электротермическая печь «Алунд-1» (СК 11/16.10-6);

для контроля герметичности – установка контроля герметичности вакуумно-жидкостным методом типа КГЖ, полуавтомат УКГМ-2 (масс-спектрометрический метод контроля герметичности);

для контроля температуры – термоэлектрический термометр;

для измерения  давления – ионизационно-термопарный вакуумметр ВИТ-2.

 

Установка вакуумного напыления типа УВН-75Р-3

Предназначена для нанесения в вакууме тонких пленок металлов, полупроводников и диэлектриков способами ионно-плазменного испарения и электронно-лучевого испарения на ситалловой подложке при производстве гибридных микросхем.

Техническая характеристика

Предельный  вакуум в рабочей камере, мм.рт.ст.                                     7*10^-7

Число последовательно  распыляемых материалов        4

Количество  барабанов                   5

Количество  подложек, загружаемых на один барабан      23

Максимальная  температура нагрева барабанов  с подложками, ^оС  350

Рабочие газы               аргон, азот

Максимальная  потребляемая мощность, кВт      16

 

Установка вакуумного напыления типа УВН-71Р-2

Предназначена для изготовления пленочных элементов пленочных элементов и схем способом термического испарения в вакууме. Управление вакуумной системой и процесс напыления осуществляются в ручном режиме.

Техническая характеристика

Предельный  вакуум в рабочей камере, мм.рт.ст.                                    5*10^-7

Время достижения предельного вакуума при разогретом насосе, мин     120

Размеры рабочей камеры, мм: