4. Елементи на тънкослоен интеграл
Филмови IC субстрати
4.1.1. Субстратни материали
Субстратите играят много важна роля в технологията на производство на филмови и хибридни интегрални схеми. Подложките са основата за групово формиране на ИС върху тях, основният елемент от дизайна на ИС, който действа като механична опора, осигурява разсейване на топлината и електрическа изолация на елементите.
Подложката е предназначена за нанасяне на елементи от хибридни и филмови ИС, интерконекти и интерконекти, както и контактни площадки.
Материалът, геометричните размери и състоянието на повърхността на подложките до голяма степен определят качеството на формованите елементи и надеждността на функциониране на ИС и микровъзлите. Различни методи за формиране на филмови елементи, монтаж и сглобяване, както и разнообразието от функции, изпълнявани от хибридни интегрални схеми, диктуват различни и дори противоречиви изисквания към субстратите. Понастоящем няма субстратен материал, който еднакво да отговаря на тези различни изисквания. За производството на субстрати се използват главно стъкло, керамика, стъклокерамика.
Стъкло. За субстрати се използват боросиликатни и алумосиликатни стъкла. Чрез разточването на тези стъкла на листове се получава достатъчно гладка повърхност, без да се прибягва до полиране.
Използването на алкални стъкла, съдържащи Na2O, CaO оксиди, е ограничено от нестабилността на техните свойства, тъй като се наблюдава интензивно излугване при нагряване в електрическо поле. Недостатъците на стъклените субстрати включват ниска топлопроводимост, което не им позволява да се използват при повишено нагряване. При интензивно нагряване кварцът и кварцовото стъкло са за предпочитане. Стъклените субстрати имат аморфна структура.
Керамика. Изходните материали са прахообразниоксиди. Сместа от оксиди се отгрява при 1000°С и се смила до еднакъв размер на зърното. Добавя се около 2% свързващо вещество и след това се пресова или прави лента, минаваща под режещия инструмент. Лентата се изсушава на въздух, за да се отстрани разтворителят. След това от лентата се изрязват субстрати с желаната форма. Можете да направите дупки или водещи ръбове. Изрязаните субстрати се синтероват при 1500–1700°C.
След синтероване керамиката има грапава повърхност. Тази повърхност се подобрява чрез шлайфане и полиране, но това е скъпо. За подобряване на повърхността керамиката се покрива със стъклена глазура и се загрява отново. Керамичните субстрати иматполикристалнаструктура.
Синтетичният сапфире монокристален двуалуминиев оксид. Калцинираният прах от амониева стипца се разтопява в кислородно-водороден пламък и се отглежда монокристален бул, който се нарязва на плочи и се полира.
Цитали- стъклокерамичен материал. Ситалът се различава от стъклото по наличието на микрокристална фаза, която заема от 50 до 95% от общия обем. Това рязко повишава механичната якост на стъклокерамиката и подобрява нейните електрически свойства. Изкуствената кристализация на стъкло за производството на стъклокерамика се извършва чрез въвеждане в заряда на катализатори, способни да образуват кристализационни ядра. Ако това се случи по време на фотохимичен процес, тогава полученият материал се нарича фотоситал. Например, ако Ag йони се въвеждат в сместа и се облъчват със светлина, тогава среброто се редуцира до метал и се получават голям брой кристализационни ядра, равномерно разпределени в целия обем. За производството на субстрати най-често се използва марката ST50-1.
Геометричните размери на подложките са стандартизирани. Стъклените подложки са с размери 50x50, 48x60, 60x96, 100x100 и96х120 мм, керамика и стъклокерамика 48х60, 60х96 и 96х120, сапфир - 24х30 мм. Дебелината е 0,6-1 мм. Разделянето на IC субстрати на части, които са кратни на две и три, дава нормализиран диапазон от размери на платката.
Напоследък гъвкави субстрати, изработени от полимерни материали, се използват за производство на хибридни LSI и микровъзли. Най-широко използваните полиимидни филми са с дебелина 40-50 µm, което позволява двустранна обработка и вакуумно отлагане на тънки филми за създаване на двуслойно окабеляване, както и ецване на отвори за създаване на метализирани преходи между слоевете. Основните предимства на гъвкавите субстрати са способността да се огъват и търкалят в три равнини, да приемат формата на тяло със сложен дизайн, както и малки дебелини и тегло и устойчивост на удар.
Най-обещаващите за хибридни LSI и микровъзли са метални подложки (плочи), чиято повърхност е покрита със сравнително тънък (40–60 μm) диелектричен слой. За тези цели се използват алуминиеви плочи с анодизирана повърхност, стоманени плочи, покрити със стъкло или полиимиден лак и др.. Металните субстрати значително подобряват отвеждането на топлината от компонентите, осигуряват необходимата твърдост на хибридната ИС и микровъзлите.
4.1.2. Свойства на субстратните материали
Грапавост на повърхността. Състоянието на повърхността на субстрата оказва значително влияние върху структурата на отложените филми и параметрите на филмовите елементи. Високата грапавост на повърхността на субстрата и наличието на микронеравности върху него намаляват дебелината на филмите, причиняват локална промяна в електрофизичните свойства на филмите и по този начин намаляват възпроизводимостта на параметрите на филмовите елементи и тяхната надеждност. Следователно субстратите за тънкослойни интегрални схеми трябва да иматминимална грапавост, да няма пори и пукнатини. По този начин, при нанасяне на тънки слоеве с дебелина до 100 nm, допустимата височина на микрограпавостта не трябва да надвишава 25 nm, което съответства на 14-ия клас чистота на повърхността на субстрата.
Дебелите филми се нанасят с дебелина до 50 µm, така че субстратите за дебелослойни ИС могат да имат микрограпавини до 2 µm, което съответства на осмия клас на чистота (не по-лош).
Грапавостта на повърхността на субстратите зависи от материала на субстратите и методите на тяхната обработка (Таблица 4.1).