Конструктивно-технологични особености в слойната и хибридната технология

Таблица 13.3

При тънкослойната технология технологичната•схема, показана на фиг. 13.2, съдържа операции, които са характерни за монолитната технология. Това се отнася особено за операциите, свързани с нанасянето на тънките слоеве. Използват cе главно вакуумно изпарение и катодно разпрашване. Възможно е също електрохимично отлагане на тънки метални слоеве за гарантиране на определени параметри. Вакуумното изпарение може да става от стопилка или да бъде взривно изпарение. Съпротивителните, провеждащите и диелектричннте слоеве се нанасят по цялата подложка, след което с помощта на фотолитография става тяхната селективна обработка и структуриране. Ето защо проблемите на конструирането на тези схеми са близки до тези на монолитната техника. От показаните на табл. 13.2 и 13.3 материали най-широко приложение за съпротивителни слоеве са намерили никел – хромът и танталът.Изпарението на никел – хрома е свързано с някои проблеми, произлизащи от различното налягане на парите на никела – 4.10^-3 Pa (3.10^-5 Torr) и на хрома – 1,17 Pa (9.10^-3 Torr). При една и съща температура на изпарителя в изпарения слой има завишено количество на хрома, което определя и избора на началната сплав. Специфичното съпротивление зависи силно от съотношението в молярните съставки на никела и хрома. Експериментите показват, че специфичното съпротивление расте с увеличаване нa количеството хром. По отношение на температурния коефициент също се забелязват големи промени и при определено съотношение може да бъде реализиран и темпериран коефициент около нулата (при молярни отношения на никела и хрома от порядъка на 1:1). За всички тънки метални слоеве (по-тънки от 20 nm) е характерна силната промяна на параметрите, като техните свойства се различават съществено от тези на обемния материал. Тези различия във физикo – химичните. свойства трябва да се отчитат (вж. гл. 6). Материалът, използван за съпротивителни слоеве, трябва да осигури възможност за получаване на разнообразни по стойност и стабилни във времето съпротивления, да има малък температурен коефициент и добра корозионна устойчивост. При използване на никел – хром се достига листово съпротивление до 300  при малък температурен коефициент. Температурата на изпарение на тази сплав е значителна (1600 ⁰С), като за постигане на висококачествени слоеве е необходимо подложката да се подгрява обикновено до 270 ⁰C.

За електрическо съединение на различните елементи, било то пасивни или хибридни (активни), се използват провеждащи слоеве, у нас главно мед с тънък слой сребро. Обикновено широко се използва слой от никел – хром, подобряващ адхезията на медта към подложката. Това позволява , едновременно отлагане на всички метални слоеве чрез едно изпомпване на вакуумната апаратура, което от своя страна поевтинява продукцията. За провеждащи материали се използват и паладий сребро със съпротивление 50 m/, платина – сребро – 8 m/, паладий – злато – 70 m/ или чисто злато – 8 m/. За по-добра адхезия на златото винаги се използва тънък слой от хром или никел – хром, който има добра адхезия към ситала (след температурна обработка до 300 ⁰C за около 30 min). Проблемите на тънките метални слоеве са разгледани в гл. 6. Очевидно техниката nа изпарение оказва съществено влияние върху получените слоеве.

Металните слоеве се структурират с помощта на фотолитография и подходяща химична обработка. След това провеждащите шини се калайдисват, ако не е използвано злато. За целта подложките най-напред се потопяват във флюс, а след това в припой, като потопяването и изваждането става перпендикулярно на повърхността на разтвора. Ситаловите плочки с нанесените върху тях схемни елементи се разрязват с помощта на скрейбер. Към тях се монтират външните изводи под формата на външен гребен, който се запоява към предварително калайдисаните контактни площадки с обикновен поялник.

Дебелослойната и тънкослойната технология позволяват да се изграждат произволни по конфигурация и материал контактни площадки. Това помага при монтажа на хибридните корпуси. B този случай липсващата съставка – активните компоненти – се допълва. C помощта на слойната техника могат да бъдат реализирани съпротивления, кондензатори и индуктивности. Te се оразмеряват подобно на съответните компоненти в монолитната техника, т.е. за база се избира листовото съпротивление (съответно капацитетът на квадрат), като по-нататък се изчислява необходимата стойност. Чрез подходящ избор на специфичното съпротивление в дебелослойната технология може да се гарантира необходимата стойност на листовото съпротивление, така че след хомогенизиране и синтероване на пастата да бъде реализирана необходимата стойност. Широчината на съпротивителните меандри при дебелослойната технология се избира между 250 m и 2,5 mm. При тънкослойната технология конфигурацията е подобна, но съпротивителните меандри могат да достигнат границите на използваната фотолитография – 5 – 10 m. Една от особеностите на тънкослойните съпротивления е възможността за получаване на отрицателни температурни коефициенти, характерни само за тънките слоеве или при определени съотношения на съставките на сплавите. При кондензаторите хоризонталната геометрия се изчислява въз основа на специфичния капацитет, като се изхожда от параметрите на съответните слоеве. При сравняване с монолитната техника се констатира, че за изготвяне на слойни кондензатори се използват повече технологични стъпки, тъй като са необходими три слоя. Комбинацията метал – изолатор – метал предопределя до голяма степен електрофизичните параметри на създаваните кондензатори.

Характерно за изготвяните активни компоненти е голямата нестабилност на характеристиките, поради което основното направление остава хибридната техника или нейният вариант – мултичипната техника. Ha фиг. 13.4 и 13.5 са показани принципните положения при конструирането на съпротивления и кондензатори. Самото оразмеряване става съгласно следните математически зависимости (вж. и гл. 9). (Всички размери се получават в cm):






13.4. Хибридна технология
Ha фиг. 13.6 са показани различните варианти на хибридната техника, включително и нейната разновидност – мултичипната техника. Хибридната техника може да бъде реализирана както на подложка от ситал или някаква друга керамика, така и върху полупроводникова подложка, като в случая в нея се реализират активните елементи, а върху изолиращо покритие, обикновено от силициев двуокис, се разполагат съпротивления и други компоненти на схемата. Вариантът, в който се използва подложка от ситал или друга керамика, пластмаса и т.н., е по-широко разпространен и е в основата на съвременната хибридна техника. Причините за това са в по-добрите изолационни качества на тези подложки, както и в свободата при конструирането. При мултичипната технология може да се използват както обикновен корпус на интегрални схеми с повече изводи, така и специален хибриден корпус. За реализиране на сложни конфигурации се използват специални корпуси, като може определено да се твърди, че мултичипната техника има голямо бъдеще.

На фиг. 13.7 и 13.8 е показано какво голямо предимство дават хибридните схеми по отношение на реализирането на специфични функции по желание на клиента, Ha една подложка в непосредствено съседство се намират чипове с произволна сложност – дискретни кондензатори с гарантирани параметри, съпротивителни и провеждащи шини, достатъчно добре изолирани един от друг с помощта на изолиращи покрития, както и различни възможности за херметизация и монтаж на активните и пасивните компоненти. Всичко това, съчетано със свободата при проектиране и с възможностите, които предлагат подложките, включително и за СВЧ обхвата, прави хибридната техника изключително перспективна.

Другата възможност, предлагаща мултичипната техника, е увеличаването на надеждността чрез използване на технологичната схема на слойната хибридна техника. Както се вижда на показаните фигури, едновременното бондиране на пет и повече чипове има определени предимства по отношение на общите разходи в едно електронно устройство. B случая се имат пред вид икономически изследвания на разходите, необходими за изграждане примерно на едно централно процесорно устройство на голяма изчислителна машина, където съществуват много еднакви по предназначение елементи. От направените изследвания за оптимален вариант се счита едновременното затваряне в хибриден корпус на 2 – 5 чипа. Тук трябва да се има предвид и броят на изходите, който се получава. В такъв аспект един дуал – ин – лайн корпус с 16 цифри – 25 извода е оптимално решение.
13.5. Технологични варианти и особености в тънкослойната технология
Използването на тантал като основен материал в тънкослойната технология е довело до създаването на интересни технологични схеми, намерили широко приложение в производството. Технологична схема А [342]:

— почистване на подложката;

— разпрашване на Та;

— фотолитография I (защита на долни електроди и контактни места);

— фотолитография II без химична обработка (отваряне на прозорци и долните електроди за анодизация);

— анодизация на С (до 90% от стойността им);

— отстраняване на фотолака;

— разпрашване на тантал – оксинитрид;

— изпарение на Ti – Pd (слой за контакти);

— фотолитография III (за защита на контактни места);

— фотолитография IV (за защита на резистивните меандри) (Та₂О₅ в областите на С действа като стопер);

— стареене на R(T=300 ⁰С за 2h);

— повтаряне на фотолитография II (за окончателно анодизиране на С);

— отстраняване на фотолака;

— изпарение на NiCr – Au;

• 
  фотолитография V (за защита на шини, горни електроди (С) и контактни места). Тази технологична схема може да бъде приложена и върху стъклена подложка, ако върху нея предварително е отложен Та₂О₅ за ецстопер.
  

— почистване на подложката;

— разпрашване на Та₂О₅ за ецстопер;

— разпрашване на тантал – оксинитрид (за резистивни меандри);

— разпрашване на алуминиев слой (разделителен слой);

— разпрашване на Ta₂N или Та (за кондензатори) ;

— фотолитография I – за защита на долни електроди (С), меандри, шини и контакти, ецване до ецстопера;

— фотолитография II – за резистивни меандри, отваряне на прозорци, ецване до резистивния меандър чрез разтваряне на алуминий (свличане на горния танталов слой);

— фотолитография III — за прозорци в долните електроди;

— анодизация на кондензаторите (резисторите не трябва да имат галванична връзка с долния електрод);

— изпарение на никел – хром – злато;

— фотолитография IV – за защита на горни електроди, шини и контакти;

— стареене (24 h при Т⁰=250 ⁰С).

Схемата се характеризира само с едно изпарение. Съпротивителният материал трябва да е устойчив при ецването на алуминий.Възможно е приложението и на някои други материали.

— почистване на подложката;

— разпрашване на Та₂0₅ за ецстопер;

— разпрашване на тантал – оксинитрид (200 nm);

— фотолитография I – защита за долни електроди, меандри, шини и контактни места;

— фотолитография II – прозорци за долни електроди и меандри;

— анодизация на R, и С, примерно до R – 50 / и С=50 nF/cm²;

— сваляне на фотолака;

— изпарение на никел – хром – злато;

— фотолитография III – защита за горни електроди, шини и контактни места;

— стареене.

Характерно за тази технологична схема е използването на един и същи слой за създаване на съпротивления и кондензатори.

В допълнение на гл. 6, където се разглеждат параметрите на тънки слоеве и по-специално на тантал – нитрид и тантал – оксинитрид, интерес представляват и тантал – алуминиевите слоеве. Свойствата на танталовия слой могат да бъдат изменяни и чрез вграждане на метални атоми вместо атоми на различни газове. В това отношение алуминият е подходящ, тъй като неговият окис може да бъде използван и като диелектричен слой. Изследвани са слоеве с различен състав тантал – алуминий – 88:12, 55:50, 35:65. За химичната обработка при фотолитография се използва натриева основа.

Основен процес при използването на тантал в хибридна технология е анодизацията за получаване на диелектричен слой (вж. гл. 4). Особеното е това, че долната част на слоя (неанодизираната) се използва за електрод (Та₂О₅ има _r=27). Електролитът е лимонена киселина 0,01 % или фосфорна киселина 0,1 %. Танталът може да бъде легиран с N₂O₂ или Al. Параметрите на получените кондензатори са в пряка връзка с вида на тантала и условията на получаването му.

При реализирането на хибридни СВЧ интегрални схеми намират приложение както тънкослойната, така и дебелослойната техника, но тук за разлика от нискочестотните схеми понятията тънкослойна и дебелослойна са условни, тъй като независимо от използваната технология дебелината на провеждащия слой трябва да бъде 3 – 5 пъти дебелината на скинслоя. В този аспект горните понятия се употребяват във връзка с начина на нанасяне на провеждащия слой. Сега хибридните СВЧ интегрални схеми се изработват изключително по тънкослойната технология. Тя осигурява по-малки загуби и по-контрастно изображение на схемата. Тъй като загубите в микролинията, породени от грапавостта на подложката, растат пропорционално, проблемите на адхезията, особено силно изразени при дебелослойната техника, са в противоречие с осигуряване на допустимите загуби при свръхвисоките честоти. От направени изследвания е констатирано, че за да се задържат тези загуби в границите на 5% в Х – диапазона, грапавостта на подложката не трябва да превишава 0,12 m. Тази стойност на гладкостта може да бъде гарантирана при добра адхезия само от тънкослойната техника.

В хибридната СВЧ техника се използват главно алуминоокисни керамики (Аl₂О₃) с различна степен на чистота. В сравнение с берилиевата керамика и магнезиевия титанат тази керамика е по-евтина и има по-малки загуби, по-стабилни електрически параметри и същевременно осигурява лесна механична обработка. Към изискванията на подложките трябва да се прибави гарантирането на параметрите в честотния и температурния обхват на използване за цялата схема. Особено завишени са изискванията спрямо относителната диелектрична проницаемост, която трябва да бъде постоянна и да има определена голяма стойност. При металните покрития от абсолютна важност е гарантирането на добра проводимост в честотния обхват.

За гарантиране едновременно на добра адхезия и добра електропроводимост обикновено се комбинират няколко различни материала, като най-долният слой осигурява добра адхезия при по-голямо съпротивление, докато горният слой поема функциите на микролинията. Освен това изборът на металното покритие сe определя и от неговата съвместимост с останалите елементи на схемата, от гарантирането на условията на бондиране и т.н. За намаляване на загубите дебелината на провеждащите покрития трябва да бъде около 35 пъти скинслоя, т.е. необходими са дебелини на провеждащия слой от около 10 m. На практика това се осъществява чрез вакуумно отлагане на тънък слой с последващо галванично надебеляване. Проблемите на фотолитографията и структурирането на микролиниите са разгледани в гл. 5.

На фиг. 13.10 е показан общият вид на една СВЧ хибридна интегрална схема, от който се вижда разположението на микролиниите и на активните компоненти, реализирани в хибридно изпълнение [343, 344]. В гл. 7 са показани основните изпълнения на различни корпуси за хибридно изпълнение в СВЧ техниката. При по-мощните СВЧ схеми, например варакторни умножители, усилватели на мощност и др., съществен проблем е топлоотвеждането. В този случай полупроводниковите прибори се монтират непосредствено върху метален радиатор или върху подложка от берилиев окис.



Като пример за проектиране на СВЧ хибридна схема ще разгледаме проектирането на балансен смесител. За подложка избираме двуалуминев триокис – 99,5 % чистота тип МН 506 по каталог на Томсон CSF. Тя има размери 25X25 mm и дебелина 635 m. Покрита е с двуслойна метална система хром – злато. Дебелината на покритието е хром (0,1 m) и злато (5 м). Грапавостта е под 0,8 m, _r, при 10 GHz е 9,5.

А. Проектиране на 50 – омова микролиния. Проектирането на 50  несиметрична микролиния става в следния ред:

На фиг. 13.13 а е показана принципната схема на СВЧ смесител. Това е твърде популярна схема на балансен смесител за Х – обхвата. Входният сигнал и сигналът на хетеродина се подават от един хибриден 3 dB – 90⁰ – отклонител. Той е елемент от СВЧ схемотехниката и има основна задача да изолира двата високочестотни входа на смесителя. Сигналът на двата изхода има еднаква амплитуда, но е дефазиран на 90⁰ при затихване от 3 dB спрямо входния сигнал. Балансната схема позволява да се сведат до минимум амплитудно модулираните шумове от генератора и осигурява допълнително подтискане на “битите" честоти. В изхода на смесителя има нискочестотен филтър, който пропуска само междинната честота. Като активни елементи са използвани диоди на Шотки, проектирани за работа в Х – обхвата.

Б. Проектиране на 3 dB – 90⁰ – хибриден отклонител. На фиг. 13.13 б е показана геометрията на.хибридния насочен отклонител и е дадена скица поясняваща характеристичните импеданси на отделните рамена и техните размери. Конфигурацията на хибрида, наричан още квадратурен хибрид, е дадена правоъгълна за по-голяма нагледност, но може да се направи и кръгова стига само да се спазят стойностите и размерите на скицата.

Първата отворена четвъртвълнова линия имитира първия капацитет на филтъра, а втората – втория, като тя същевременно дава накъсо края на четвъртвълновата линия от последователния клон. С това се имитира индуктивността на филтъра. .Филтърът е ефективен само за дадена честотна лента.

Импедансът Z₁ се прави възможно най-малък, а импедансът Z₂ – най-голям, тъй като те участват във формулите за Z_вх.

От условието, което се налага от

cm,(max w на микролинията) за честота 20 GHz (има се пред вид втората хармонична на генератора) следва:

w< 2,18 mm.

Избираме w=2 mm. Тогава за Z₁ от фиг. 13.11 ще получим Z₁=25 , а от фиг. 13.12 определяме ₁=1,2 mm и _1/4=2,8 mm.

По отношение на Z₂ избираме минималната широчина на микролинията от съображения за технологичност – 0,1 mm. Тогава от фиг. 13.11 и 13.12 за Z₂ и _2/4 получаваме съответно Z₂=100  и _2/4=3,1 mm.

L₁, L₂ и C₁ осигуряват веригата за нулево преднапрежение на двата диода. Нейното проектиране е идентично на това на филтъра, като могат да се използват директно резултатите от проектирането му. На фиг. 13.13 в е показана конфигурацията на схемата и са дадени кратки обяснения по отделните елементи.

Размерите на хибрида от фиг. 13.13 б за Z₀=50  се определят от размерите на 50 – омова линия. За линия с импеданс от методиката за w се получава:

w=1175 m,

₀=0,063,

=1,150 cm.

Тъй като сигналът на изход 4 изпреварва този в изход 3 с 90⁰, за посочената на фиг. 13.13 a схема на свързване на диодите се налага допълнително дефазиране между двата изхода, така че фазовата разлика между тях да стане 180⁰. Това се постига лесно като линията между изход 3 и съответния диод се направи с /4 по-дълга от тази между изход 4 и другия диод.

По този начин размерите и параметрите на хибрида са напълно определени.

В. Проектиране на нискочестотния филтър. Преди всичко тук трябва да се поясни, че понятието “нискочестотен филтър" е фиктивно – първо, защото междинната честота, която излиза след филтъра, е 100 МНz и второ, защото няма пълна аналогия между свръхвисокочестотната и ниско – честотната схемотехника. Така че схемата на филтъра от фиг. 13.13 а в известен смисъл е условна. Изискванията, които се поставят към филтъра, е той да филтрира w, w_S, и w₀ да пусне само w_мч. Това може да се осъществи чрез подходящо свързване на различни отрязъци от микролиния. От вълноводната техника се знае, че за една отворена линия

Z_вх=Z₀ctg l,

а за една дадена накъсо линия:

Z_вх=Z₀tg l,

където l е дължината на линията в електрически градуси (l=l₀360⁰/, като l₀ е дължината на линията в cm).

Общият вид на конструирания смесител е показан на фиг. 13.13 г.

Като пример е разгледано конструирането на пиезоелектрически филтър. От принципа на действие е известно, че филтърът трябва да съдържа два преобразувателя, разположени на определено разстояние един от друг. На фиг. 13.14 е показано едно примерно разположение, като между двата преобразувателя е поставен свързващ еле­мент, а в края на чипа – подходящи абсорбери за поглъщане на рефлектиралите вълни. Материалът на подложката е обикновено LiNbO₃,CdS, ZnO или оловно – цирконатнотитанатна керамика и се избира по неговите пиезоелектрически параметри. Транзитното време на акустичната вълна е обикновено 1,6 ms и зависи от хоризонталната геометрия на филтъра. Ако за преобразувателите е използвана традиционната гребеновидна структура с еднаква геометрия на електродите и постоянно разстояние между тях L, честотната характеристика на филтъра, както е известно, е от вида sin х/x (фиг. 13.15), като за централната честота f₀ и честотната лента f е изпълнено условието

където N е броят на електродните двойки;

v_s – скоростта на разпространение.


R_пр=R+jX,







Повърхностната вълна прониква в подложката на дълбочина до една дължина на вълната. Електродите се изработват обикновено от Аl с дебелина 0,2 m. Следователно честотната лента се определя конструктивно от броя на двойките електроди, а централната честота – от разстоянието между тях. Капацитетът на преобразувателя С и излъчвателният импеданс R_пр зависят главно от дължината на “гребените" W:
където k е електромеханичният коефициент и зависи от материала.

Чрез подходящо оформление на хоризонталната геометрия на входния преобразувател може да се постигне желаната предавателна характеристика на филтъра, включително и за високи честоти. Това води до сериозни проблеми във фотолитографията подобно на тези при световълноводите (вж. гл. 11). Основен конструктивен проблем представлява правилното проектиране и разположение на абсорберите. Използват се различни конструктивни решения, като разполагане от обратната страна (служещи едновременно за монтаж), снемане на фаска по ръбовете с подходящ ъгъл, така че отразената вълна да се отклони настрани от преобразувателя или използване на двойни електроди за редуциране на отражението.

При осигуряване на всички тези необходими параметри в конструкцията може да бъде получена характеристика като показаната на фиг. 13.16. Тя съдържа основните съставки на сигнала:

а) обемно преминаващите под свързващия елемент;

б) основния работен сигнал на 1,6 ms по-късно;

в) малки пикове от отражението в абсорберите с времетраене 3,2 ms;

г) тройно обработения сигнал, получен от отражение в изходния преобразувател, повторно отразен във входния и достигнал отново до изходния.

Конструкцията на филтъра трябва да осигури достатъчно подтискане на всички съставки, с изключение на основния сигнал. Това е свързано с нивото на общите загуби във филтъра, които зависят силно от импеданса на входа и изхода. Обикновено се избира по-високо ниво на загубите, примерно до 16 dB, което позволява да се подтиснат паразитните сигнали, no-големи от 40 dB за товарен импеданс 1500  II 5pF и възможно минимален входен импеданс. От условието за еднаквост на звуковата и електрическата честотна лента се получава оптималната конструктивна честотна лента за най-малки загуби. Тя е свързана с оптимален брой електроди в преобразувателите