Способ изготовления тонкопленочной структуры гибридной интегральной микросхемы сверхвысокочастотного диапазона

Способ изготовления тонкопленочной структуры гибридной интегральной микросхемы сверхвысокочастотного диапазона

Реферат

Изобретение относится к области микроэлектроники, в частности к тонкопленочной технологии, и может быть использовано при изготовлении гибридных интегральных микросхем (ГИМС).

ГИМС сверхвысокочастотного (СВЧ) диапазона имеют конструктивные и технологические особенности, обусловленные необходимостью получения тонкопленочной структуры - специальной среды с подбираемыми проводящими и диэлектрическими свойствами для концентрации и передачи электромагнитной энергии. Так толщина проводящего слоя должна быть в 3-5 раз больше скин-слоя для данного материала на данной частоте, что приводит, например, в миллиметровом диапазоне к толщине микрополосковой линии (МПЛ) около 2-3 мкм и точности воспроизведения рисунка около 1 мкм [1, с.17]. При этом в СВЧ диапазоне в целом тонкопленочные структуры характеризуются широким интервалом требуемой величины рельефа рисунка: от низкого рельефа (˜0,5 мкм) до высокого рельефа (˜18 мкм), что в свою очередь вызывает повышение требований к эффективности тонкопленочной технологии, основной проблемой которой при изготовлении широкого ассортимента ГИМС с различными сочетаниями величин рельефа рисунка и плотности монтажа являются отказы ГИМС, возникающие вследствие преждевременной деградации физико-химических свойств пассивных и коммутационных (разводных и контактных) пленочных элементов, выражающейся в параметрических (постепенных) или катастрофических (внезапных) многофакторных нарушениях режима работы ГИМС.

На уменьшение отказов ГИМС направлены такие меры, как защита поверхности рисунка специальными материалами и оптимизация изготовления тонкопленочных структур [2, с.196].

Известно совместимое с тонкопленочной технологией нанесение на поверхность рисунка таких защитных покрытий, как алюмосиликатные стекла, направленное на повышение стойкости металлических пленок, образующих рисунок пассивных и коммутационных элементов, и таким образом, на повышение их надежности в работе [2, с.201], а также покрытие участков поверхности рисунка под навесными монтажными проводниками слоем диэлектрического материала для предотвращения коротких замыканий между ними [1, с.110].

Производственная потребность в полифункциональных защитных материалах явилась причиной введения в технологию изготовления прецизионных печатных плат и гибких интегральных схем сухих пленочных негативных фоторезистов, созданных на основе полиимидов, обладающих высокой термостойкостью в сочетании с хорошими диэлектрическими показателями [3].

Недостатками технологии изготовления ГИМС с нанесением этого защитного покрытия являются снижение технологичности изготовления из-за необходимости напрессовки пленки фоторезиста в вакууме и высокая температура его задубливания (300°С), нежелательная для пассивных элементов, в частности пленочных резисторов, и более пригодна в толстопленочной технологии и при изготовлении печатных плат.

В тонкопленочной технологии известно использование полиимидного лака в качестве материала межслойной электроизоляции между уровнями коммутации [4], а также полиимидного лака или негативного фоторезиста в качестве материала межслойной электроизоляции между пересекающимися проводниковыми элементами [5].

Эти материалы, нанесенные в соответствии с известной операцией центрифугирования [4, 6, 7], не обеспечивают эффективную изоляцию и защиту из-за режима нанесения, позволяющего получить удовлетворительное качество покрытия лишь при условии планарности обрабатываемой поверхности рисунка, а также вследствие слабой прочности и низкой химической стойкости тонкой пленки негативного фоторезиста.

В качестве прототипа заявляемого способа выбран способ изготовления тонкопленочных интегральных микросхем по гибридной технологии, распространяющийся на ГИМС СВЧ-диапазона и включающий получение на поверхности подложки рисунка пассивных и коммутационных элементов и последующее формирование перед монтажом навесных компонентов на поверхности этих элементов защитного покрытия [8], в частности защитного фоторезистивного слоя [5].

Прототип, предусматривающий нанесение на поверхность тонкопленочных резисторов, сформированных на микрополосковой плате интегральных модулей СВЧ, известным методом центрифугирования негативного фоторезиста [5, 6, 7], сохраняет в полной мере недостатки рассмотренных аналогов, приводя к необходимости восстановления указанного защитного покрытия в процессе сборки узлов и установки радиокомпонентов на микрополосковые платы.

Технический результат предлагаемого изобретения - повышение эффективности изготовления тонкопленочной структуры ГИМС за счет повышения технологичности и выхода годных, а также расширения конструкторских возможностей варьирования сочетаний величин рельефа рисунка и межэлементных зазоров (до высокого рельефа, расширяющего ассортимент тонкопленочных ГИМС и частотный диапазон настройки ГИМС СВЧ-диапазона, при малых зазорах, позволяющих повысить плотность монтажа) и комбинирования конструктивных средств защиты и герметизации ГИМС.

Указанный технический результат достигается тем, что в известном способе изготовления тонкопленочной структуры ГИМС СВЧ-диапазона, включающем получение на поверхности подложки рисунка пассивных и коммутационных элементов и последующее формирование перед монтажом навесных компонентов на поверхности этих элементов защитного покрытия, содержащего слой фоторезиста, после получения рисунка пассивных и коммутационных пленочных элементов наносят защитный диэлектрический слой полиимидного лака на поверхность микросхемы посредством центрифугирования, прерывающегося с соблюдением запаса времени перед снижением текучести полиимидного лака в связи с началом его высыхания, в течение этого запаса времени выдерживают микросхему в условиях растекания полиимидного лака по всей поверхности топологического рельефа рисунка указанных элементов, включая их боковую поверхность, и заполнения межэлементных пространств и проводят сушку полиимидного лака, затем, во время подготовки поверхности микросхемы к монтажу навесных компонентов и навесных монтажных проводников, методом фотолитографии нанесенного полиимидного лака с использованием позитивного фоторезиста формируют на поверхности элементов рисунка в местах их пересечения навесными монтажными проводниками и, в случае эксплуатационной необходимости, на поверхности других элементов рисунка двухслойное защитное диэлектрическое покрытие в виде специально сохраненного и сочетающего функции дополнительного защитного диэлектрического слоя, предотвращающего преждевременную деградацию физико-химических свойств элементов рисунка и усиливающего их электроизоляцию, и контрастного слоя, улучшающего визуально-оптический контроль качества защиты и электроизоляции, технологического слоя позитивного фоторезиста на нанесенном на поверхности элементов рисунка защитном диэлектрическом слое полиимидного лака, и оба слоя сформированного защитного диэлектрического покрытия подвергают совместному термическому упрочнению, причем указанные слои наносят при формировании двойного слоя защитного диэлектрического покрытия без превышения общей толщины, соответствующей основным электрофизическим параметрам микросхемы, обеспечивающим допустимый СВЧ-режим ее работы.

В частном примере осуществления заявляемого способа нанесение полиимидного лака центрифугированием производят в течение не более 4-6 секунд при скорости вращения центрифуги 3500 об/мин, после чего микросхему выдерживают в горизонтальном положении до 10 минут в условиях интенсификации растекания полиимидного лака, например, под воздействием вибрации на воздухе при комнатной температуре, облегчающей растекание лака, затем полиимидный лак подвергают высушиванию с постепенным подъемом температуры до 120°С и выдержке при этой температуре в течение 30 минут, причем защитное диэлектрическое покрытие подвергают совместному термическому упрочнению в течение 120 минут при 200°С и формируют с общей толщиной его двойного слоя не более 4-5 мкм.

Предлагаемый порядок операций нанесения нижнего слоя полиимидного лака и расширение функционального назначения верхнего слоя позитивного фоторезиста, а также сохранение сопутствующего и удаляемого фоторезиста в традиционной подготовке поверхности ГИМС к монтажу навесных компонентов методом фотолитографии при нанесении защитного слоя позволяют повысить качество защиты для высокорельефных рисунков ГИМС, а также повысить технологичность изготовления и увеличить конструкторские возможности изготовлении ГИМС. При этом нанесение полиимидного лака в соответствии с предлагаемым режимом создает планарность, повышающую качество фотолитографии в сочетании с более высокой степенью адгезии защитного слоя.

На чертеже схематически изображена схема тонкопленочной структуры ГИМС, поясняющая осуществление заявляемого способа на примере МПЛ с пересекающими ее поверхность навесными монтажными проводниками на этапе изготовления ГИМС после монтажа.

Предлагаемый способ изготовления тонкопленочной структуры ГИМС СВЧ-диапазона осуществляют следующим образом.

Поверхность микроплаты ГИМС очищают (с использованием ацетона) после получения рисунка пассивных и коммутационных пленочных элементов, в частности путем вакуумного напыления на подложку 1 из керамики слоя вакуумной меди 2, образующего рисунок пассивных элементов, на примере МПЛ 3, и коммутационных элементов, на примере разводки 4, электрохимического осаждения на слое 2 слоя гальванической меди 5 и химического осаждения на слое 5 антикоррозионного золотого покрытия 6.

После очистки на поверхность покрытия 6 микроплаты ГИМС наносят дозу полиимидного лака (АД-9103-ИС) и распределяют по ней центрифугированием в течение 5 секунд при скорости вращения центрифуги 3500 об/мин с образованием горизонтального защитного диэлектрического слоя 7 (на чертеже слой 7 на поверхности разводки 4 на показан, так как фигура соответствует этапу изготовления ГИМС - после монтажа, слой 7 на этих участках удален на предшествующем этапе - подготовке к монтажу).

Для растекания слоя 7 полиимидного лака по всей поверхности топологического рельефа рисунка, включая его боковую поверхность, с заполнением межэлементных пространств и образованием вертикальных защитных диэлектрических слоев 8, микроплату ГИМС выдерживают с нанесенным слоем 7 полиимидного лака на воздухе при комнатной температуре в течение 5-10 мин в условиях воздействия, для повышения эффективного растекания, легкой вибрации, побочной от работающего моторного оборудования или вырабатываемой несложным вибраторным приспособлением.

Затем полиимидный лак подвергают высушиванию в термошкафу с равномерным подъемом температуры в течение 30 мин до 120°С и выдерживанием при ней в течение 30 мин и охлаждают на воздухе при комнатной температуре.

Во время подготовки микроплаты ГИМС с нанесенными защитными диэлектрическими слоями 7 и 8 полиимидного лака к монтажу на поверхность лака наносят технологический слой 9 позитивного фоторезиста (ФП-27-18 БСмА) традиционным методом центрифугирования в течении 30 сек при скорости вращения центрифуги 3000 об/мин (на чертеже слой 9 на поверхности разводки 4 на показан, так как чертеж соответствует этапу изготовления ГИМС - после монтажа, слой 9 на этих участках уже удален после завершения этапа - подготовки к монтажу), высушивают фоторезист в термошкафу при температуре 90°С в течение 20 мин, экспонируют поверхность фоторезиста через фотошаблон с рисунком защитного диэлектрического слоя 9 в течение 60 сек ультрафиолетовым излучением от ртутной лампы (ДРШ-250), проявляют рисунок слоя 9 в 1,2% - водном растворе гидроокиси калия в статическом режиме 8-10 сек с последующим промыванием в дистиллированной воде и удаляют слой полиимидного лака 7 с мест под монтаж (на чертеже - слой 7 удаляют с поверхности разводки 4) и на других предусмотренных участках в 0,6% - водном растворе гидроокиси калия с последующим промыванием поверхности микроплаты в дистиллированной воде и осушением струей очищенного сжатого воздуха, оставляя технологический слой 9 позитивного фоторезиста в качестве сочетающего функции дополнительного защитного диэлектрического слоя, предотвращающего преждевременную деградацию физико-химических свойств проводящих элементов и усиливающего их электроизоляцию, и контрастного слоя, улучшающего визуально-оптический контроль качества защиты и электроизоляции, в настоящем примере на поверхности МПЛ 3 в месте ее пересечения навесными монтажными проводниками 10 и в случае эксплуатационной необходимости, определяемой конструктивным исполнением герметичности ГИМС, на поверхности других проводящих элементов рисунка, с формированием на указанных участках защитного диэлектрического покрытия с общей толщиной его двойного слоя (верхнего 9 - позитивного фоторезиста 1-2 мкм и нижнего 7 - полиимидного лака 3-4 мкм), не более 4-5 мкм.

Полученную двухслойную структуру защитного диэлектрического покрытия подвергают совместной термообработке с целью упрочнения при равномерном подъеме температуры в течении 60 мин до 200°С и выдержке при ней 120 мин, с дальнейшим охлаждением микроплаты с двойным слоем защитного диэлектрического покрытия в термошкафу с равномерным снижением температуры в течение 30-40 мин до 30-40°С.

Перед монтажом проводят визуально-оптический контроль качества защиты и изоляции при помощи микроскопа (МБС-10) при 16-кратном увеличении.

Сформированное таким способом защитное диэлектрическое покрытие имеет следующие электрические характеристики: при толщине его двойного слоя 4-5 мкм пробивное напряжение 900-1000 В, сопротивление изоляции R_из=20 МОм. Достигаемый при этом интервал величины топологического рельефа рисунка проводящих элементов может составлять 6-20 мкм при межэлементном зазоре до 30 мкм. Полная индифферентность к растворителям, применяемым при операциях сборки и монтажа, механическая прочность и контрастность цвета защитного диэлектрического покрытия позволили повысить надежность и процент выхода годных на этой операции до 98%.

Использование предлагаемого способа гарантирует обеспечение высокой надежности работы в гибридных интегральных микросхемах в жестких условиях, что подтверждено климатическими испытаниями.

Источники информации

1. Радиопередающие устройства. Под ред. О.А.Челнокова. М., "Радио и связь", 1982.

2. Черняев В.Н. Физико-химические процессы в технологии РЭА. М., "Высшая школа", 1987.

3. Цейтлин Г.М. и др. Новые термостойкие фотополимеризующиеся композиции для сухих пленочных фоторезистов. - Химическая промышленность. 2001, №3, с.25-26.

4. Патент RU, №2040131, Н 05 К 3/46, 1995.

5. Токарева Л.Р. и др. Восстановление защитного фоторезистивного слоя на тонкопленочных резисторах. - Обмен производственно-техническим опытом. М., НИИЭИР, 1989, вып.1, с.23-24.

6. Бушминский И.П., Морозов Г.В. Технология гибридных интегральных схем СВЧ. М., "Высшая школа", 1980, с.102.

7. Березин А.С., Мочалкина О.Р. Технология и конструирование интегральных микросхем. М., "Радио и связь", 1992, с.102.

8. Коледов Л.А., Ильина Э.М. Гибридные интегральные микросхемы. - Микроэлектроника. Под. ред. Л.А.Коледова. М., "Высшая школа", 1987, кн.4, с.33-35.

1. Способ изготовления тонкопленочной структуры гибридной интегральной микросхемы сверхвысокочастотного (СВЧ) диапазона, включающий получение на поверхности подложки рисунка пассивных и коммутационных элементов и последующее формирование перед монтажом навесных компонентов на поверхности этих элементов защитного покрытия, содержащего слой фоторезиста, отличающийся тем, что после получения рисунка пассивных и коммутационных пленочных элементов наносят защитный диэлектрический слой полиимидного лака на поверхность микросхемы посредством центрифугирования, прерывающегося с соблюдением запаса времени перед снижением текучести полиимидного лака в связи с началом его высыхания, в течение этого запаса времени выдерживают микросхему в условиях растекания полиимидного лака по всей поверхности топологического рельефа рисунка указанных элементов, включая их боковую поверхность, и заполнения межэлементных пространств и проводят сушку полиимидного лака, затем во время подготовки поверхности микросхемы к монтажу навесных компонентов и навесных монтажных проводников методом фотолитографии нанесенного полиимидного лака с использованием позитивного фоторезиста формируют на поверхности элементов рисунка в местах их пересечения навесными монтажными проводниками и в случае эксплуатационной необходимости на поверхности других элементов рисунка двухслойное защитное диэлектрическое покрытие в виде специально сохраненного и сочетающего функции дополнительного защитного диэлектрического слоя, предотвращающего преждевременную деградацию физико-химических свойств элементов рисунка и усиливающего их электроизоляцию, и контрастного слоя, улучшающего визуально-оптический контроль качества защиты и электроизоляции, технологического слоя позитивного фоторезиста на нанесенном на поверхности элементов рисунка защитном диэлектрическом слое полиимидного лака, и оба слоя сформированного защитного диэлектрического покрытия подвергают совместному термическому упрочнению, причем указанные слои наносят при формировании двойного слоя защитного диэлектрического покрытия без превышения общей толщины, соответствующей основным электро-физическим параметрам микросхемы, обеспечивающим допустимый СВЧ режим ее работы.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что нанесение полиимидного лака центрифугированием производят в течение не более 4-6 с при скорости вращения центрифуги 3500 об/мин, после чего микросхему выдерживают в горизонтальном положении до 10 мин в условиях интенсификации растекания полиимидного лака, например, под воздействием на воздухе при комнатной температуре вибрации, облегчающей растекание лака, затем полиимидный лак подвергают высушиванию с постепенным подъемом температуры до 120°С и выдержке при этой температуре в течение 30 мин, причем защитное диэлектрическое покрытие подвергают совместному термическому упрочнению в течение 120 мин при 200°С и формируют с общей толщиной его двойного слоя не более 4-5 мкм.