Реферат: ПРОЕКТИРОВАНИЕ И КОНСТРУИРОВАНИЕ СВЧ ИНТЕГРАЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ
1 ¾ подложка толщиной h, 2 ¾ проводник полосковой линии шириной w , 3 ¾ проводящий слой на обратной стороне подложки.
СВЧ микросхемы с распределенными параметрами изготавливают тремя основными способами:
— нанесение и вжигание паст по толстопленочной технологии;
— гальваническое наращивание толстых пленок в сочетании с фотолитографией и напылением;
— термическое испарение в вакууме в сочетании с фотолитографией.
Толстопленочная технология характеризуется простотой и не требует высокой квалификации обслуживающего персонала. Эта технология широко используется в зарубежной практике, однако диапазон ее применения ограничен из-за принципиальных недостатков. К наиболее существенным из этих недостатков следует отнести: большое значение удельного сопротивления проводящих элементов, обусловливающее увеличение потерь в 1,5—2 раза по сравнению с потерями в проводниках из чистой вакуумно-плавленой меди; необходимость применять подложки с шероховатой развитой поверхностью для обеспечения адгезии проводника к подложке, что также приводит к увеличению потерь (образование вихревых токов на неровностях проводника). Кроме того, метод трафаретной печати, используемый при такой технологии, имеет малые разрешающую способность и точность воспроизведения геометрических размеров элементов как по ширине, так и по толщине. Так, невоспроизводимость по толщине слоя может достигать ±10 мкм, а по ширине ±30 мкм, причем невоспроизводимость геометрических размеров в значительной степени зависит от ширины элементов.
Если на одной подложке необходимо выполнить элементы с различными геометрическими размерами, их разброс возрастает. Наряду с указанными недостатками следует отметить значительную неоднородность и зернистость структуры толстых пленок, что служит дополнительным источником потерь в СВЧ диапазоне. Однако микросхемы, к электрическим параметрам которых не предъявляется высоких требований, из экономических соображений целесообразно изготавливать по толстопленочной технологии.
Для создания микросхем со сложной конфигурацией элементов (типа меандра, спирали) и воспроизводимостью геометрических размеров не хуже ±15 мкм применяют тонкопленочную технологию, основанную на получении проводящих пленок гальваническим осаждением или термическим испарением в вакууме и формировании определенной конфигурации элементов методом фотолитографии. Различают две разновидности маршрутов изготовления микрополосковых схем с применением гальванического осаждения толстых пленок меди: а) наращивание меди по сформированному рисунку микросхемы с защитой технологических коммутационных проводников и б) осаждение меди в окна фоторезиста, который является контактной маской, сформированной на сплошном подслое меди (рис. 2.2).
По первому маршруту термическим испарением в вакуумы на керамическую подложку наносят пленку меди с адгезионным подслоем общей толщиной порядка 1 мкм. Затем выполняют фотолитографию и травление по напыленным слоям, причем рисунок защитного рельефа включает не только рабочие элементы микросхемы, но и коммутационные технологические проводники. Последние обеспечивают электрическую связь всех элементов, необходимую для подачи потенциала на все проводники при их гальваническом усилении, в то время как контакт с внешней цепью имеет один из элементов. После этого снова осуществляют фотолитографию для защиты коммутационных проводников. После усиления рабочих элементов и нанесения на них антикоррозийного покрытия гальваническим осаждением удаляют фоторезист и травят технологические проводники. Недостатком данного маршрута изготовления является наличие технологических коммутационных проводников, что приводит к увеличению числа рабочих фотошаблонов, фотолитографических операций и, следовательно, к усложнению технологического процесса изготовления микросхем.
 |
?????? ??????? ???????????? ??????????????? ???? ? ??????????? ??????????????? ???????? ??????? ?? ?????? ???????? ?????? ?????????? ?? ??? ??????? ???????? ??????????. ? ???? ??????, ??? ?? ??? ?? ??????? ????????, ??????? ??????????? ?????????? ? ??????? ?? ???????????? ???????? ??????? ???????? ???? ???? ? ??????????? ???????? ????? ???????? ?? ????? 1 ??? (?????????? 0,4?0,7 ???). ????? ????????? ???????? ?????? ? ??????? ??????????????? ?????????? ?????. ????? ????????? ??????? ??????????? ???????????, ????????????? ???????????? ???? ??????????? ???????????? ???????, ??????? ? ??????? ??????????? ???? ??? ?????????????? ???????????. ????? ???????, ??????????????? ? ???? ?????? ???????????? ?? ????????? ??????????? ???? ????, ? ?????????????? ???? ???????? ? ???? ?? ??????????? ?? ?????????? ????????. ????? ??????????????? ???????? ??????? ???????? ? ????????? ?? ??? ???????????????? ???????? ??????? ??????????????? ?????????? ?????, ????????? ??, ? ??????????? ?????? ???? ???? ? ??????????? ????????. ?????? ??????????? ????????????? ??????? ???????????????? ????????. ??? ???????????? ?????????? ????? ???????? ????? 2 ??? ?????????? ???????????? ??????????? ?????. ? ???? ?????? ???????? ?????????? ????? ???????? ?????????????? ? ??????????? ????????????? ??????????? (???????????????).
Таким образом, второй технологический маршрут свободен от недостатков первого, однако имеет свои трудности. Среди трудностей данного маршрута следует отметить: сложность нанесения и удаления толстой фоторезистивной пленки, загрязнение электролита при гальваническом наращивании проводящего слоя в окна фоторезистивной маски, наличие значительного разрастания элементов в случае тонкого слоя фоторезиста, искажение профиля проводников при травлении слоя меди с адгезионным подслоем.
Общими недостатками указанных маршрутов изготовления микрополосковых схем являются: зависимость удельного сопротивления проводников от технологических режимов осаждения, состава и чистоты электролитов; наличие неравномерного роста толщины пленок на подложках больших размеров и в схемах, имеющих элементы с различной шириной проводящих полосок. Неравномерность по толщине может достигать ±7 мкм при средней толщине проводящего слоя ~20 мкм, невоспроизводимость геометрических размеров элементов по ширине при этом составляет 15... ... 20 мкм.
Чтобы исключить искажения профиля проводящих элементов и зависимость неравномерности геометрических размеров элементов по толщине и ширине от их геометрической формы, применяют метод прямого травления толстых пленок (рис. 2.3). Толстые пленки могут быть получены различными способами, в том числе гальваническим усилением тонких напыленных слоев, а также термическим испарением в вакууме. Изготовлять микросхемы на основе данного метода можно также по двум различным маршрутам, отличающимся последовательностью технологических операций нанесения защитного антикоррозийного покрытия. Антикоррозийное покрытие может быть нанесено термическим испарением в вакууме и может служить затем маской при селективном травлении рабочих проводников или гальваническим и химическим осаждением как после формирования рисунка элементов микросхемы, так и до выполнения фотолитографии. Маршруты изготовления просты и не требуют дополнительного описания технологических операций. Остановимся на рассмотрении характерных достоинств и недостатков последнего маршрута, что важно знать при выборе конструкции и оптимального технологического варианта ее реализации.
При травлении толстых пленок, полученных гальваническим осаждением, требуется усиление фоторезистивной маски, чтобы исключить проколы из-за развитой поверхности осадков. Кроме того, травление пленок может быть неравномерным из-за пористой и крупнозернистой структуры осадков Поэтому схемы,к выходным параметрам которых предъявляются повышенные требования, целесообразно изготавливать по данному маршруту, используятолстые пленки, полученные термическим испарением в вакууме. В этом случае пленки отличаются высокой плотностью и однородностью, их сдельное сопротивление с точностью до погрешности измерения равно сдельному сопротивлению массивного образца меди. Поэтому потери в СВЧ диапазоне будут минимальными, а травление слоев равномерным. К общим недостаткам последних маршрутов изготовления СВЧ микросхем с распределенными параметрами можно отнести следующее:
— необходимость повышать скорость удаления продуктов реакции, уменьшать клин подтравливания и увеличивать вязкость травителя для исключения проникновения последнею в поры фоторезиста и на границе раздела фоторезистивная пленка — приводящая пленка,
— ограничение, накладываемое на минимальный размер зазора между проводниками, связанное с наличием клина подтравливания и необходимостью изготовления фотошаблонов с его учетом;
— при нанесении защитного антикоррозийного покрытия до проведения процессов фотолитографии торцы проводящих элементов оказываются незащищенными, что может привести к изменению параметров микросхемы при длительной работе без герметизации, когда основной рабочий слой подвержен интенсивной коррозии; нанесение же защитного покрытия после формирования рисунка элементов микросхемы химическими методами требует дополнительной активации поверхности, а гальваническим осаждением специального контактирования между элементами.
Таким образом, рассмотренные технологические методы формирования микрополосковых схем позволяют создавать проводящие элементы, обеспечивающие различные выходные параметры микросхем. Для получения микросхем с малым зазором между проводниками целесообразно использовать первые два маршрута с учетом их особенностей. При формировании схем с высокой добротностью и воспроизводимостью геометрических размеров при зазоре между элементами не менее 40 мкм рекомендуется метод полного травления толстых пленок, полученных термическим испарением в вакууме, который не имеет аналогов и в этом случае является наиболее оптимальным. Плотные осадки можно также получить и гальваническим осаждением, если создать особенно чистые условия получения пленок, применяя реверсирование, импульсные или переменные токи в процессе осаждения, а также резко увеличивая скорость осаждения слоев.
Микрополосковые схемы, содержащие сосредоточенные элементы.
Микросхемы СВЧ диапазона, содержащие сосредоточенные элементы, по своей структуре и конструкции напоминают низкочастотные микросхемы общего назначения. Они отличаются от последних повышенной толщиной рабочих слоев и малыми номинальными значениями элементов. Расчет пассивных сосредоточенных элементов аналогичен расчету пленочныхR- и С - элементов с учетом повышенной мощности и добротности. Микросхемы с такими элементами предназначены для работы в более низкочастотной области СВЧ диапазона
Изготавливают указанные микросхемы по танталовой технологии, усиливая проводники гальваническим наращиванием или термическим испарением в вакууме в сочетании с фотолитографией и химическим никелированием, и золочением (рис. 2 4). В первом случае всю поверхность подложки покрывают тонким слоем пятиокиси тантала. При этом образуется очень твердая и гладкая пленка, устойчивая к воздействию реактивных сред используемых в технологическом процессе при последующем формировании рабочих элементов (резисторов, полосковых линий, конденсаторов и др. ). Затем на всю поверхность подложки наносят слой нитрида тантала, служащий основой для создания резистивных элементов, а также для формирования диэлектрика конденсаторной структуры.
Конфигурация резистивных и емкостных элементов задается методом фотолитографии. Величину сопротивления резисторов можно доводить до заданного номинала с высокой точностью, изменяя толщину слоя нитрида тантала в результате формирования на его поверхности пятиокиси тантала способом электрохимического анодирования.
Пленочные проводники получают термическим испарением в вакууме тонкого слоя золота с адгезионным подслоем хрома при последующем наращивании гальванической меди, защищаемой золотым покрытием. Общая толщина проводника такой многослойной структуры составляет не менее 10 мкм.
Для создания надежной конденсаторной структуры с малым значением удельной емкости применяют двухслойный диэлектрик. Первый слой пятиокиси тантала формируют анодированием пленки тантала или нитрида тантала. Толщина полученной пленки Та2 О5 относительно мала, а удельная емкость ее слишком велика для создания конденсаторов с малыми номинальными значениями. Нанося на основной слой пятиокиси тантала с большим значением диэлектрической постоянной ( e ~ 22) пленку окиси кремния с малым значением диэлектрической постоянной (e£ 6), легко получить малые удельные емкости в двухслойной структуре. Наличие двух слоев различных диэлектриков в конденсаторной структуре повышает надежность пленочных емкостных элементов. Верхний электрод — золото с подслоем хрома 4 — получен термическим испарением в вакууме. Нижним электродом является слой нитрида тантала 3, сопротивление которого достаточно велико.
Рассмотренный вариант комплексной технологии изготовления пассивной части ГИС СВЧ диапазона очень сложен и трудоемок, а совместимость различных технологических методик приводит к серьезным ограничениям рабочих характеристик микросхемы в целом. Все это сдерживает внедрение ГИС СВЧ диапазона, содержащих сосредоточенныеR - и С - элементы в массовое производство.
В настоящее время наиболее широкое распространение в производстве ГИС общего применения получил вакуумный метод нанесения тонких пленок с использованием избирательного химического травления как наиболее простой, менее трудоемкий и пригодный для массового производства. Достигнутые успехи в области создания пассивныхR -,C - и L -элементов, а также в получении бездефектных пленок меди толщиной более 5 мкм термическим испарением в вакууме способствовали созданию комплексной технологии изготовления ГИС СВЧ диапазона (см. рис. 2.4). Применение вакумно-термических методов для получения СВЧ микросхем позволяет по производственным признакам поставить их в общий ряд гибридных интегральных микросхем. В качестве резистивных элементов в этом случае используют пленки хрома, нихрома и металлосилицидных сплавов, диэлектриком конденсаторной структуры служит боросиликатное стекло. Проводники создают также термическим испарением в вакууме толстых пленок меди с адгезионным подслоем при последующей защите их химическим или гальваническим способом.
Конструктивные основы пленочных СВЧ микросхем.
Микрополосковые схемы СВЧ диапазона, построенные на элементах с распределенными параметрами, представляют наиболее обширный класс микросхем, предназначенных для работы в коротковолновой части СВЧ диапазона (3 ... 30 ГГц). Пассивные СВЧ элементы с распределенными параметрами выполняют в виде разветвленных отрезков микрополосковой линии заданной конфигурации, которая образуется между нижней металлизированной поверхностью и проводником, нанесенным на верхнюю поверхность платы. Поэтому конструкция прибора и его рабочие характеристики в значительной степени зависятот основных параметров исходного материала подложки и технологического маршрута изготовления микросхемы. При этом важно, чтобы потери в микрополосковой линии передачи на фиксированной частоте были минимальны, а конструкция обеспечивала надежность микросборки после монтажа навесных элементов и сборки узла или ячейки в целом.
Потери в микрополосковой линии передачи зависят от удельного сопротивления металлической пленки — проводника, его конструкции и характеристического сопротивления микрополосковой линии, величина которого является функцией толщины и диэлектрической постоянной подложки. Для уменьшения потерь в микрополосковой линии удельное сопротивление металлического покрытия должно быть минимально возможным. Уменьшают удельное сопротивление проводящего покрытия, выбирая исходный материал с высокой проводимостью и обеспечивая высокую идентичность свойств пленочного и массивного образцов.
С другой стороны, уменьшить потери можно и конструктивным решением функционального узла. Известно, что потери уменьшаются при увеличении ширины микрополосковой линии. Это можно учесть при конструировании микрополосковых схем и снизить потери, увеличивая толщину подложки, чтобы обеспечить постоянство характеристического сопротивления. Кроме того, конструкцию элементов можно изменить, если выбрать материал подложки со свойствами, оптимальными для данной группы микросхем. С этой точки зрения при конструировании СВЧ микросхем к подложкам предъявляются дополнительные требования, связанные со спецификой работы СВЧ устройств. Наряду с общими требованиями к классу чистоты обработки поверхности и механическим свойствам подложек, обеспечивающим возможность их химической и механической обработки, а также работу устройства в заданном интервале температур, должны выполняться следующие требования: