Рис. 1. Укрупненная схема технологического процесса изготовления полупроводниковых (монолитных) ИС.

Опишем технологический процесс производства интегральной микросхемы генератора напряжения.

На первоначальном этапе происходит формирование слитков кремния  и резка этих слитков алмазными дисками с внутренней режущей кромкой на пластины – базовые кристаллы, на которых будут сформированы в последствии элементы микросхем. Поверхность кристалла тщательно шлифуют для устранения поверхностных повреждений, полученных в результате резки. Производят полировку, причем разными материалами – алмазной суспензии, порошкообразными материалами. Затем производят очистку с целью удаления поверхностного слоя, в которых находятся поверхностные механические напряжения. Для этого над поверхностью пластины пропускают HCl при высокой температуре и обмывают кристалл деионизованной водой, растворами моющих порошков, проточной воде и, затем, сушат пластину до полного высыхания.

На следующем этапе производят окисление поверхности кристалла с целью образования двуокиси кремния с определенной толщиной.

Это делается для того, чтобы при проведении легирования, легированным оказался не весь кристалл, а только определенный участок.

Соответственным образом поверх слоя двуокиси кремния наносят слой фоторезиста, контактным (или другим способом) производят процесс фотолитографии. При этом используется фотошаблон (см. приложение). Открытые участки проявляют, задубливают и ликвидируют, и таким образом получают участок двуокиси кремния для последующего травления.

Образовавшиеся окна травят, в результате область подложки становится открытой для последующего легирования и образования скрытого n+ слоя. Слой фоторезиста ликвидируют. Поверхность оксида кремния тщательным образом очищают, омывают в проточной деионизованной воде и сушат центрифугированием. Таким образом, подложка становится полностью готовой для проведения операции легирования.

Для получения высоколегированного слоя n+ типа, производится высокотермическая диффузия  сурьмой до предела ее растворимости. Таким образом, формируется  скрытый n+ слой. Производится разгонка сурьмы в n+ кармане.

Слой двуокиси кремния стравливают в плавиковой кислоте, образуется открытая поверхность подложки с тремя участками высоколегированного слоя. Поверхность подложки тщательно очищают химическими методами и омывают в проточной деионизованной воде. После проведения этих операций, подложка становится готовой к проведению эпитаксиального наращивания  кремния n-типа проводимости. Таким образом получают т.н. коллекторный слой, который присутствует в структурах активных элементов, и в этом же слое формируются резисторы среднего номинала (5кОм, 10 кОм), также этот слой присутствует в структуре МДП-конденсатора.

Далее производят разделительную диффузию с целью отделения одних элементов от других. Для этого повторяют ранее описанные процессы: нанесение слоя двуокиси кремния, нанесение фоторезиста, совмещение с фотошаблоном (см. приложение), экспонирование, проявление, удаление засвеченных участков фоторезиста, травления слоя двуокиси кремния в окне фоторезиста. После этого производят разделительную диффузию путем легирования бора в эпитаксиальный слой на поверхности подложки.

Для каждого элемента таким образом образовался свой эпитаксиальный слой. Далее производят диффузию фосфора в эпитаксиальный слой с целью создания базовой области. Для этого повторяют ранее описанные процессы: нанесение слоя двуокиси кремния, нанесение фоторезиста, совмещение с фотошаблоном, экспонирование, проявление, удаление засвеченных участков фоторезиста, травления слоя двуокиси кремния в окне фоторезиста. Затем производится легирование фосфором (см. приложение). Базовая область используется как база у активных элементов и в качестве резистивного слоя у резисторов.

Далее  создаются области, которые у активных элементов используются как эмиттерная область, у резисторов она может отсутствовать. Перед этим производится совокупность ранее описанных процессов: нанесение слоя двуокиси кремния, нанесение фоторезиста, совмещение с фотошаблоном, экспонирование, проявление, удаление засвеченных участков фоторезиста, травления слоя двуокиси кремния в окне фоторезиста. Затем производится легирование сурьмы (см. приложение) и ликвидация фоторезиста и слоя двуокиси кремния с последующей тщательной очисткой поверхности. 

После этого кристалл готов к нанесению на его поверхность внешней изоляции и нанесения алюминиевых выводов на базовую, коллекторную имиттерную области кристалла. Для этого производят тщательную очистку поверхности кристалла и осаждают нитрид кремния. Затем производят  нанесение фоторезиста, совмещение с фотошаблоном, экспонирование, проявление, удаление засвеченных участков фоторезиста, травления слоя нитрида кремния в окне фоторезиста и удаление фоторезиста со вcей поверхности нитрида кремния.

Затем на всю поверхность кристалла наносят сплав алюминия и кремния методом катодного распыления. Далее производят операцию фотолитографии и травление алюминия. Таким образом производится электрическое соединение элементов схемы в соответствии со схемой электрической принципиальной.

Вся поверхность кристалла подлежит тщательной очистке и сушке центрифугированием. Затем на поверхность кристалла наносится слой двуокиси кремния методом окисления моносилана. Производится изготовление окон в изоляционном слое для соединения токоведущих дорожек микросхемы с внешними выводами.

4.     Разработка топологии кристалла

Основой для разработки топологии полупроводниковой ИМС является электрическая схема, требования к электрическим параметрам и к параметрам активных и пассивных элементов, конструктивно – технологические требования и ограничения.

Разработка чертежа топологии включает в себя такие этапы: выбор конструкции и расчет активных и пассивных элементов ИМС(см.пункт 3); размещение элементов на поверхности и в объеме подложки и создание рисунка (коммутации) между элементами; разработку предварительного варианта топологии; оценку качества топологии и ее оптимизацию; разработку окончательного варианта топологии (Приложение В). Целью создания топологии является минимизация площади кристалла ИМС, минимизация суммарной длины разводки и числа пересечений в ней. Работы по созданию топологии  ИМС сводятся  к нахождению такого оптимального варианта взаимного расположения элементов   и качества ИМС: Низкий уровень бракованных изделий, низкая стоимость, материалоемкость, высокая надежность, соответствие получаемых электрических параметров заданным. [11, стр. 47-48]

При проведении технологических операций приоритетом пользуются в первую очередь активные элементы, все расчеты пассивных элементов основаны на размерах областей активных элементов. Необходимо отметить, что все активные элементы (транзисторы, диоды) разработаны по одной и той же технологии, следовательно, их топологический вид совершенно идентичен, различны только размеры областей, образующих транзисторы и диод. Типичная конструкция маломощного биполярнрго транзистора показана на рис.

При размещении элементов данной биполярной полупроводниковой ИМС на кристалле необходимо учитывать следующие требования и ограничения:

1.            Каждый элемент ИМС должен размещаться в отдельной изолированной области; в изолированных областях располагаются также внешние контактные площадки и пересечения токоведущих дорожек.

2.            Каждая изолированная область должна занимать как можно меньшую площадь.

3.            Резисторы, изготовленные на основе базовой диффузии, могут быть расположены в одной изолированной области n-типа, которая должна быть подсоединена к наибольшему положительному потенциалу схемы.

4.            Если в группе резисторов необходимо соблюсти стабильное отношение номиналов, их следует располагать рядом друг с другом.

5.            Если в качестве диодов используются переходы эмиттер-база транзисторов, то все они могут быть помещены в общую изолированную область, при этом аноды диодов (базы транзисторов) с помощью внешней металлизации должны быть закорочены на изолированную (коллекторную) область.

6.            Подложку p-типа следует соединить с источником отрицательной полярности.

7.            Если в результате разработки топологии остались свободные участки площади, они могут быть использованы для увеличения наиболее критичных размеров элементов.

Исходя из вышеприведённых положений, разрабатывается топология кристалла, т.е. наиболее оптимальное размещение на кристалле элементов схемы и соединений между ними. Чертёж кристалла приведён в приложении Б. Элементы и соединения расположены с учётом конструктивно-технологических ограничений на минимально-допустимые размеры.

Пассивные элементы изготавливаются в едином технологическом цикле, что и активные элементы. Основными их недостатками является наличие паразитного транзисторного эффекта вследствие полевого эффекта и сильная температурная зависимость. Необходимо отметить, что большинство резисторов разрабатывались по одному и тому же внешнему виду - резисторы, резисторы R1,R2,R4 были реализованы в эпитаксиальном слое.

Необходимо также отметить, что в схеме генераторв напряжения  имеется конденсатор. Форма обкладок  конденсатора была выбрана квадратной, поэтому основной топологической характеристикой является длина стороны обкладки. Размер стороны одной обкладки конденсатора равен 158 мкм. Диэлектрик, который при этом использовался – двуокись кремния; материалом для обкладок служит алюминий.

6. Сборка ИМС

Под сборкой  обычно подразумевают завершающий процесс соединения деталей и сборочных единиц (узлов), в результате, которого получается готовое изделие. Монтаж кристаллов на металлическое основание корпусов осуществляется  пайкой с образованием золотой эвтектики. В стеклянных или пластмассовых корпусах, в которых отсутствуют металлические пластины в основаниях корпусов кристаллы приклепляют к несущей рамке легкоплавким стеклом в атмосфере энертного газа при температуре не более 250 ◦С. Затем производится монтаж выходных контактных площадок на внутренние выводы корпуса.

Для защиты элементов ИС от воздействия внешней окружающей среды ее кристалл должен быть герметизирован. Наиболее просто герметизация может быть создана путем покрытия ристала тонким слоем защитного лака или компаунда (конформное покрытие). Для защиты ИС применяются заливочные и покровные органические материалы, обладающие высокими электороизоляционными и влагозащитными свойствами, устойчивостью к воздействию низких и высоких температур, не влияющих на параметры схем, эластичные и ремонтоспособные. 

Могут быть рекомендованы самовулканизирующиеся эластичные компаунды типа КЛ на основе низкомолекулярных кремний – органических каучуков СКТН и СКТН – 1, работающие в диапазоне температур  – 60…+300◦С и в условиях повышенной влажности, а также компаунды - герметики типа ПЭК на основе эпоксидной смолы, модифицированной карбосилатным  каучуком  и полиэфиром. Эти компаунды отличаются прочностью, эластичностью, морозостойкостью и воздействию повышенной влажности. В качестве материалов для защиты от влаги используются лаки СБ-1с, УР-231, УР-930 и Э-4100, эпоксидно – крезольный лак ЭП – 096, кремний органические лаки К – 47 и К – 57. Для защиты поверхности  кристаллов применяют компаунды типа МБК, виксинт,  К – 18. Все перечисленные материалы обладают хорошими электроизоляционными свойствами.

Для надежной защиты от воздействия внешней среды при эксплуатации кристаллы или платы упаковываются в герметичные корпуса.

Корпус служит для защиты элементов ИС от влияния внешней среды, обеспечивает нормальную работу ИС в течении всего срока службы, надежное механическое и электрическое соединение платы или кристалла с другими элементами электронного блока. Корпус должен обеспечивать необходимую электрическую связь между элементами схемы и выводами. Должна гарантироваться электрическая изоляция между его выводами. Конструкция корпуса должна обеспечивать отвод тепла от кристалла. Корпус должен иметь удобную для печатного монтажа конструкцию по габаритам и расположению выводов.

Наибольшее распространение имеют четыре вида конструктивно – технологического исполнения корпусов. Металлостеклянный корпус имеет металлическую крышку и стеклянное (или металлическое)  основание с изоляцией или пайкой. Металлокерамический корпус имеет металлическую крышку и керамическое основание, крышка соединяется с основанием заливкой влагостойким компаундом. Керамический корпус имеет керамическую крышку и основание, крышка соединяется с основанием пайкой. Пластмассовый корпус (наиболее дешевый) имеет пластмассовое тело, полученное путем опрессовки кристалла и рамки выводов [1, стр. 37-38].

В разрабатываемой конструкции будет применяться пластмассовый  корпус с 5 выводами. Указания по монтажу кристалла и корпуса приведены на сборочном чертеже[11, стр. 159-160]. Для присоединения выводов к контактным площадкам кремниевых ИМС и внешним выводам корпуса прибора используется метод УЗ-сварки. Метод состоит в присоединении выводов в виде тонких металлических проволочек (диаметр 10…30мкм) к контактным площадкам при одновременном воздействии инструмента, совершающего высокочастотные колебания. Для изготовления проволоки применяются пластические металлы, обычно алюминий и золото. В качестве материала проволоки  выбираем более дешевый алюминий. Достоинства такой сварки – соединение без применения флюса и припоев металлов в твёрдом состоянии при сравнительно низких температурах и малой их деформации 10…30% как на воздухе, так и в атмосфере защитного газа.

Так в микросхеме генератора напряжений используется пяти выводная микросхема в которой задействовано все пять выводов, два из которых используются как выводы для питания микросхемы (+ Еп; общяя шина питания), один – в качестве сигнального выхода (вывод 4), а также предусмотрены две контактные площадки для подключения выносного резистора R3 (выводы 2 и 3).

Элемент R3 невозможно реализовать в интегральном исполнении в связи со значительными габаритными размерами резистора. Данный вывод следует из соответствующих расчетов интегрального резистора.

Заключение

В результате выполнения курсового проекта было разработана конструкция и технология изготовления полупроводниковой микросхемы выполненной  в интегральном исполнении. Был произведен расчет элементов схемы, предусматриваемой  заданием курсового проекта, их анализ. Разработана топология кристалла приведенная в приложении. Кроме того, был сделан обоснованный выбор технологии изготовления микросхемы, на основании которого разработан технологический процесс. Комплект чертежей ИМС и сборочный чертёж микросхемы в корпусе также приведены в приложении.

Список использованных литературных источников

1. С.В. Якубовский, Н.А. Барканов, Л.И. Ниссельсон и др., “ Аналоговые и цифровые интегральные микросхемы.  Справочное пособие”;Под ред. С.В. Якубовского. – 2 – е изд., перераб. и доп. – М.: Радио и связь, 1985. – 432 с., ил.(Проектирование РЭА на интегральных микросхемах).

2. У. Титце, К. Шенк “ Полупроводниковая схемотехника”. Пер. с нем. – М.: Мир, 1983. – с., ил

3. Б.И. Горошков “Радио - электронные устройства: Справочник. – М.: Радио и связь, 1984. – 400с., ил. – (Массовая радиобиблиотека;             Вып. 1076).

4. А.А. Бокунян, Н.М. Борисов, Р.Г. Варламов и др., “Справочная книга  радиолюбителя - конструктора ”.; Под ред. Н.И. Чистякова. – М.: Радио и связь, 1990. – 624 с.: ил. – (Массовая радиобиблиотека; Вып. 1147)

5. В.В. Пасынков, В.С. Сорокин “Материалы электронной техники”. – 2 – е изд., перераб. и доп. – М.: Высш. Шк., 1986. – 367 с., ил.

6. Капельян С.Н., Малашонок В.А. Физика. Пособие для подготовки к централизованному тестированию.

7. Бондарь Б.Г. “Основы микроэлектроники”. К.: Вища шк. Головное    изд-во, 1987. – 309с.

8. Р.А. Бейлина, С.А. Тарасов, Т.В. Молодечкина Методические указания по  курсовому проектированию по дисциплине  “Конструирование и технология микросхем и микропроцессоров” для студентов специальности Т.08.01.00

9. Малышева И.А. Технология изготовления интегральных микросхем. Учебник для вузов.Москва “Радио и связь”1991.-344 с

10. Березин А.С. Мочалкина О.Р. Технология и конструирование интегральных микросхем. Учебное пособие для высших учебных заведений. Москва.1992.

11. Коледов Л.А., Волков В.А., Докучаев Н.И., Ильина Э.М., Патрик Н.И. “Конструирование и технология микросхем”.

12. Типовые компоненты и датчики контрольно – диагностических   свойств: Учебно – методический комплекс для студентов специальности Т – 39.02.01. (Сост. Д.А. Довгяло – Новополоцк ПГУ, 2004 -384 с.).

13. Проектирование конструкций радиоэлектронной аппаратуры: Учеб. пособие для вузов/ Е.М.Парфенов, Э.Н. Камышняя, В.П. Усачев. – Радио и связь, 1989. – 272 с.: ил.

Приложение А

(Схема электрическая принципиальная)

Приложение Б

(Кристалл, топологические чертежи)

Приложение В

(Сборочный чертеж)

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9