свч гибридная интегральная схема и способ ее изготовления

Формула изобретения

1. СВЧ гибридная интегральная схема, содержащая диэлектрическую подложку с нанесенным пленочным покрытием, состоящим по крайней мере из двух слоев, нанесенных в следующем порядке: адгезионного подслоя толщиной не менее 0,02 мкм и слоя металлизации из металла или сплава с удельным сопротивлением не более 3·10^-8 Ом·м с необходимой топологией, отличающаяся тем, что адгезионный подслой выполнен из материала с удельным электрическим сопротивлением не менее 500 Ом·м, толщиной не более 0,5 мкм.

2. Гибридная интегральная схема по п.1, отличающаяся тем, что адгезионный подслой является сплошным и занимает всю лицевую сторону подложки.

3. Гибридная интегральная схема по п.1, отличающаяся тем, что материал адгезионного подслоя представляет собой диэлектрические окислы или нитриды металлов или полупроводников или их сплавов.

4. Гибридная интегральная схема по п.1, отличающаяся тем, что материал адгезионного подслоя представляет собой окислы кремния, алюминия, титана, тантала, ванадия и нитриды кремния или алюминия или их сплавы.

5. Гибридная интегральная схема по п.1, отличающаяся тем, что материал адгезионного подслоя представляет собой нитрид кремния.

6. Гибридная интегральная схема по любому из пп.1-5, отличающаяся тем, что на обратную сторону подложки нанесен слой металлизации, который состоит по меньшей мере из двух слоев, нанесенных в следующем порядке: адгезионного подслоя, выполненного из материала с удельным электрическим сопротивлением не менее 500 Ом·м толщиной 0,02-0,5 мкм и проводящего слоя с необходимой топологией.

7. Способ получения СВЧ гибридной интегральной схемы, заключающийся в последовательном нанесении в вакуумной камере на лицевую сторону предварительно очищенной диэлектрической подложки адгезионного подслоя и слоя металлизации, последующей фотолитографии и травлении нанесенных слоев, формирующих заданную топологию покрытия, отличающийся тем, что адгезионный подслой наносят реактивным магнетронным распылением из соответствующей мишени в смеси буферного и реактивного газов, причем давление смеси лежит в пределах от 0,06 до 0,4 Паскаль, процентное содержание реактивного газа лежит в пределах от 20 до 50%.

8. Способ получения гибридной интегральной схемы по п.7, отличающийся тем, что адгезионный подслой наносят реактивным магнетронным распылением из кремниевой мишени в смеси с использованием аргона в качестве буферного газа и азота в качестве реактивного газа, причем давление смеси лежит в пределах от 0,16 до 0,3 Паскаль, процентное содержание реактивного газа лежит в пределах от 25 до 40%.

9. Способ получения гибридной интегральной схемы по п.7, отличающийся тем, что формирование необходимой топологии покрытия заканчивают после травления слоя металлизации.

10. Способ получения гибридной интегральной схемы по п.7, отличающийся тем, что промежуток времени между нанесением адгезионного подслоя и слоя металлизации не превышает 10 с при давлении остаточных газов в вакуумной камере не более 7·10^-4 Па, причем давление смеси, включающее давление буферного и реактивного газов, в вакуумной камере в течение этого промежутка не превышает максимального давления, определяемого технологическими процессами нанесения адгезионного подслоя и слоя металлизации, составляющего 0,4 Паскаля.

11. Способ получения изделий интегральной электроники по любому из пп.7-10, отличающийся тем, что на обратную сторону подложки последовательно наносят адгезионный подслой из материала с удельным сопротивлением не менее 500 Ом·м толщиной 0,02-0,5 мкм и проводящий слой из металла или сплава с удельным сопротивлением не более 3·10^-8 Ом·м, с последующей фотолитографией и травлением проводящего слоя, причем последовательности изготовления пленочного покрытия с лицевой стороны и обратной стороны совпадают.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области изделий интегральной электроники, работающих на частотах свыше 100 МГц, в частности к области изготовления СВЧ гибридных интегральных схем (ГИС), содержащих хотя бы один из элементов: полосковые линии, двухпроводные линии, тонкопленочные электроды либо резонаторы, фильтры, выполненные на основе двухпроводных или полосковых линий. Эти ГИС содержат диэлектрическую подложку с нанесенным на нее пленочным покрытием, которое состоит по меньшей мере из двух слоев, нанесенных в следующем порядке: адгезионного подслоя и слоя металлизации. Слой металлизации обычно состоит из металлов - серебра, золота, меди или алюминия [1]-[3] с удельным сопротивлением менее 3·10^-8 Ом·м. Изготовление ГИС включает нанесение на диэлектрическую подложку пленочного покрытия с заданной топологией, состоящего по меньшей мере из двух слоев, нанесенных в следующем порядке: адгезионного подслоя и проводящего слоя из металла или сплава с удельным сопротивлением менее 3·10^-8 Ом·м, и последующую фотолитографию и травление нанесенных слоев для формирования заданной топологии. С обратной стороны подложка обычно содержит слой металлизации [1]-[2]. Топология металлизации с обратной стороны диэлектрика может быть различной. Она может быть сплошной (заземляющий слой металлизации) [1], [2], она может повторять топологию лицевой стороны, тогда проводники лицевой и обратной стороны образуют двухпроводную линию передачи [6]. Заявляемый способ может быть использован также для реализации одной из стадий изготовления многослойных печатных плат, связанной с формированием проводников. В этом случае металлизация обратной стороны может иметь свою собственную топологию и структуру, не совпадающую с топологией лицевой стороны, или отсутствовать.

В качестве диэлектрических подложек ГИС используют в зависимости от частотного диапазона пластины ситалла, поликора или сапфира, реже пластины высокоомных полупроводников. На подложки методами вакуумного напыления наносят последовательно несколько слоев различных металлов. Как правило, используются, как минимум, два слоя: адгезионный подслой и слой металла с высокой проводимостью, однако иногда наносятся дополнительные слои, например, для снятия механических напряжений. В качестве материала адгезионного подслоя используются обычно активные тугоплавкие металлы, такие как хром, титан, ванадий, тантал, в качестве металла для нанесения слоя металлизации - алюминий, медь, платину или золото [1, 2, 3, 4] с удельным сопротивлением менее 3·10 ^-8 Ом·м. Необходимость применения металлов с указанным удельным сопротивлением может быть оценена сравнением затухания волн в полосковой линии с металлизацией из золота и хрома. Удельное сопротивление золота - 2·10^-8 Ом·м, хрома - 14,1·10^-8 Ом·м [5]. Глубина скин-слоя в проводнике может быть подсчитана по формуле , где - удельное сопротивление материала проводника, ₀ - магнитная проницаемость вакуума, f - частота СВЧ тока, и для частоты 1 ГГц для золота составляет - 2,2 микрона, хрома - 6 микрон. Коэффициент затухания волны в полосковой линии, как известно, не может быть описан простыми формулами ([6], стр.312), однако в качестве оценки могут быть использованы соответствующие выражения для коаксиальной линии [6] с.311-312, где R_S= / , Z_C - волновое сопротивление линии, R₁ - характерный размер проводника, R₂ - расстояние до слоя сплошной металлизации. Расчет по предложенной формуле при толщине проводника 1 микрон, R₁, равном 0,1 мм, и R₂, равном 0,5 мм, и Z_C 60 Ом дает коэффициент затухания волны 1 м^-1 - для золота и 7 м^-1 - для хрома. Таким образом, сигнал в полосковой линии из золота будет ослабляться в е раз на расстоянии 1 м, в линии из хрома всего 15 см, что неприемлемо. Отметим, что указанные расстояния могут быть существенно меньше, если в качестве материала подложки используется диэлектрик с высокой диэлектрической проницаемостью (6-7 и более).

Известны гибридные интегральные схемы, в состав которых входят (как один из элементов) полосковые линии, содержащие диэлектрическую подложку, с нанесенным пленочным покрытием с заданной топологией, состоящим по меньшей мере из двух слоев, нанесенных в следующем порядке: адгезионный подслой из нихрома толщиной 0,08 мкм и слой золота толщиной 1,0 мкм [3] с необходимой топологией. Причем все слои на лицевую сторону нанесены в вакууме методом магнетронного распыления. Недостатком такой конструкции являются высокие потери СВЧ сигнала, распространяющегося по таким линиям передачи, в частности по полосковым линиям передачи. Обусловлено это тем, что из-за скин-эффекта наибольшая плотность тока располагается в нижних слоях металлического пленочного покрытия, где расположен подслой из металла, обладающего хорошей адгезией к подложке, но имеющего довольно высокое удельное сопротивление. Это приводит к существенному снижению добротности полосковых линий и всей ГИС.

Известны гибридные интегральные схемы, включающие, в частности, полосковые линии, содержащие диэлектрическую подложку с нанесенным на нее пленочным покрытием с заданной топологией, которое состоит по меньшей мере из двух слоев, нанесенных в следующем порядке: адгезионного подслоя и слоя металлизации из металла или сплава с удельным сопротивлением менее 3·10^-8 Ом·м [1]. Для компенсации потерь в адгезионном слое на металлизацию нанесен дополнительный слой диэлектрика, толщина которого подсчитывается по предложенной авторами формуле исходя из свойств адгезионного подслоя.

Недостатком такой конструкции является сложность изготовления, так как требуется нанесение дополнительного диэлектрического слоя строго определенной толщины, в котором затем необходимо открытие контактных отверстий для присоединения внешних электродов к слою металла с высокой проводимостью.

Наиболее близким аналогом к предложенному изобретению является гибридная интегральная схема, содержащая диэлектрическую подложку с нанесенным пленочным покрытием с заданной топологией, которое состоит по меньшей мере из двух слоев, нанесенных в следующем порядке: адгезионного подслоя и слоя металлизации из металла или сплава с удельным сопротивлением менее 3·10^-8 Ом·м, в котором толщина подслоя сделана максимально малой с точки зрения улучшения адгезионных свойств, но не менее 0,02 мкм, а в качестве материала подслоя использован более проводящий металл - титан или хром [2]. Однако и в этой конструкции имеет место описанный выше недостаток. Кроме того, обеспечение высокой равномерности толщины адгезионного слоя по всей подложке, необходимое при минимизации его толщины, является сложной задачей, удорожающей и усложняющей оборудование, используемое для изготовления ГИС.

Известен способ изготовления указанной конструкции [3], [4]. Он заключается в последовательном нанесении на подложку адгезионного подслоя, затем нанесения, экспонирования фоторезиста и травления адгезионного слоя с последующим снятием фоторезиста и нанесением слоя металлизации на адгезионный подслой. Недостатком данного способа является необходимость нанесения, экспонирования и снятия фоторезиста, что влияет на свойства адгезионного подслоя и существенно сужает класс материалов, которые могут быть использованы для его формирования.

Наиболее близкий способ формирования указанной конструкции описан в [2]. Он заключается в последовательном нанесении на диэлектрическую подложку адгезионного подслоя и слоя металлизации из металла или сплава с удельным сопротивлением менее 3·10^-8 Ом·м, последующей фотолитографии и травлении нанесенных слоев, формирующих заданную топологию.

Недостатком данного способа является необходимость последовательного травления двух слоев из разных металлов. Из-за их гальванического взаимодействия при травлении подслоя происходит подтравливание структуры, уменьшение ее адгезии и уход размеров. А во время эксплуатации такой схемы имеет место взаимная диффузия металлов каждого из слоев и электрохимическая их коррозия, что снижает надежность и долговечность ГИС.

Первой технической задачей изобретения является снижение потерь СВЧ сигнала, распространяющегося по содержащимся в ГИС линиям передачи (например, полосковым или двухпроводным линиям), и тем самым повышение добротности линий передачи и всей ГИС, а также увеличение рабочей полосы частот за счет уменьшения удельного сопротивления поверхности проводящего слоя, обращенного к подложке. Аналогичная задача возникает при изготовлении резонаторов, фильтров, тонкопленочных электродов. В качестве другой решаемой задачи может быть названа также задача формирования высококачественных проводников в многослойных печатных платах, актуальная в связи с увеличением частоты функционирования электронной начинки платы. В частности, в настоящее время частота работы памяти в персональных компьютерах достигла 800 МГц, а частота шины памяти достигла 400 МГц. Ожидается дальнейший рост частоты, что ставит задачу повышения качества передачи сигнала по линиям связи процессора и памяти. Третьей решаемой задачей является увеличение надежности и долговечности ГИС за счет исключения взаимной диффузии адгезионного слоя и слоя металлизации, так как наносимый адгезионный слой обладает буферными свойствами, и исключения электрохимической коррозии слоев, так как сопротивление адгезионного слоя очень велико. Четвертой технической задачей является улучшение качества ГИС. В частности, отсутствует травление адгезионного подслоя, поэтому нет и ухода размеров элементов в данном технологическом процессе. Пятой технической задачей является увеличение стойкости к нагреву и агрессивному воздействию внешней среды за счет отсутствия взаимодействия слоев металла со слоем диэлектрика. Тогда как такое взаимодействие возможно между адгезионным и проводящим металлом.

Поставленные задачи решаются при выполнении следующих условий.

В гибридных интегральных схемах (в частности, СВЧ ГИС), содержащих диэлектрическую подложку с нанесенным пленочным покрытием, состоящим по меньшей мере из двух слоев, нанесенных в следующем порядке: адгезионного подслоя толщиной не менее 0,02 мкм и слоя металлизации из металла или сплава с удельным сопротивлением не более 3·10^-8 Ом·м с необходимой топологией, адгезионный подслой выполнен из материала с удельным электрическим сопротивлением не менее 500 Ом·м, толщиной не более 0,5 мкм. Под необходимой топологией понимается топология, обеспечивающая функционирование ГИС в заданном режиме. При этом топология пленочного покрытия с основной стороны и с обратной стороны подложки может не совпадать.

Задача уменьшения ухода размеров элементов гибридной интегральной схемы при их формировании и снижения ВЧ потерь в получаемой интегральной схеме решена тем, что в ГИС по п.1 адгезионный подслой является сплошным и занимает всю лицевую поверхность подложки.

Дополнительное снижение потерь СВЧ излучения, распространяющегося по полосковым линиям, и тем самым повышение добротности полосковых линий и всей ГИС при увеличении надежности и долговечности достигается при выполнении следующих условий.

В ГИС по п.1 в качестве материала, из которого состоит диэлектрический адгезионный подслой использованы окислы или нитриды металлов или полупроводников или их сплавов.

В ГИС по п.1 в качестве материала, из которого состоит диэлектрический адгезионный подслой, использованы окислы по крайней мере одного из элементов кремния, алюминия, титана, тантала, ванадия и др., или нитриды кремния или алюминия, или соединение окислов или нитридов перечисленных элементов.

В ГИС по п.1 диэлектрический адгезионный подслой состоит из нитрида кремния.

Распределение тока по слою металлизации, расположенному с обратной стороны подложки, обычно не совпадает с распределением тока по лицевой стороне, а плотность тока существенно ниже. Кроме того, более низкими могут быть и требования к точности нанесения топологического рисунка с обратной стороны. Поэтому улучшение характеристик ГИС наблюдается и в том случае, когда при нанесении слоя с лицевой стороны используются способы, указанные в настоящем изобретении, а слой металлизации с обратной стороны подложки нанесен по любой из стандартных технологий. В частности, иногда этот слой может наноситься без использования фотолитографии с помощью накладных масок. Однако можно обеспечить дополнительное снижение потерь и увеличение долговечности ГИС, если слой металлизации с обратной стороны подложки будет содержать те же адгезионный диэлектрический подслой и слой металлизации, что и основной слой.

Эта техническая задача решается тем, что в ГИС по любому из пунктов 1-5 на обратную сторону подложки нанесен слой металлизации, который состоит по меньшей мере из двух слоев, нанесенных в следующем порядке: адгезионного подслоя, выполненного из материала с удельным электрическим сопротивлением не менее 500 Ом·м, толщиной 0,02-0,5 мкм, и проводящего слоя с необходимой топологией.

Технической задачей изобретения является также изготовление гибридных интегральных схем, в частности СВЧ ГИС, содержащих хотя бы один из элементов: полосковые линии, резонаторы, фильтры, тонкопленочные электроды, а также многослойных печатных плат с улучшенной степенью адгезии слоев, при исключении взаимной диффузии слоев и их электрохимической коррозии за счет буферных и химических свойств наносимого адгезионного слоя, что обусловливает увеличение долговечности изделий. Задачей изобретения является уменьшение ухода размеров элементов ГИС при их формировании и снижение ВЧ потерь в получаемом изделии. Технической задачей является дополнительное повышение адгезии слоя хорошо проводящего металла.

Эти технические задачи решаются тем, что при последовательном нанесении в вакуумной камере на предварительно очищенную диэлектрическую подложку адгезионного подслоя и слоя металлизации, последующей фотолитографии и травлении нанесенных слоев, формирующих заданную топологию покрытия, адгезионный подслой наносят реактивным магнетронным распылением из соответствующей мишени в смеси буферного и реактивного газов. В качестве реактивного газа могут быть использованы, например, азот или кислород, а в качестве буферного - аргон или ксенон. Давление смеси лежит в пределах от 0,06 до 0,4 Па, процентное содержание реактивного газа в вакуумной камере перед включением магнетронного разряда лежит в пределах от 20 до 50%.

Реактивным газом называется газ, который в процессе нанесения пленки входит в состав самой пленки, в отличие от буферного газа, который оказывает физическое воздействие (передачу импульса, энергии возбуждения, тепла), но в состав самой пленки не входит. В качестве буферного газа обычно используется один из благородных газов, например аргон, ксенон или их смесь. Фотолитография включает в себя нанесение фоторезиста, его экспонирование и травление.

При реализации способа проявляются следующие технические результаты.

Задача дополнительного улучшения степени адгезии слоев и исключения их взаимной диффузии решена тем, что в способе по п.7 адгезионный подслой наносят реактивным магнетронным распылением из кремниевой мишени в смеси аргона и азота, причем давление смеси лежит в пределах от 0,06 до 0,4 Па, процентное содержание реактивного газа лежит в пределах от 20 до 50%.

Задача уменьшения ухода размеров элементов ГИС при их формировании и снижения ВЧ потерь в получаемой ГИС решена тем, что в способе по п.7 формирование необходимой топологии ГИС заканчивают после травления слоя металлизации.

Задача дальнейшего повышения степени адгезии слоя металла решается тем, что в способе по п.7 промежуток времени между нанесением адгезионного подслоя и слоя металла с высокой проводимостью не превышает 10 секунд при давлении остаточных газов в вакуумной камере не более 7·10^-4 Па, причем давление смеси, включающее давление буферного и реактивного газов, в вакуумной камере в течение этого промежутка не превышает максимального давления, определяемого технологическими процессами нанесения адгезионного подслоя и слоя металлизации, составляющего 0,4 Па.

Задача дополнительного улучшения степени адгезии слоев и исключения их взаимной диффузии, уменьшения ухода размеров элементов ГИС при формировании слоя металлизации с обратной стороны подложки и снижения ВЧ потерь в получаемой ГИС решена тем, что в способе по любому из пунктов 7-10 на обратную сторону подложки последовательно наносят адгезионный подслой из материала с удельным сопротивлением не менее 500 Ом·м, толщиной 0,02-0,5 мкм и проводящий слой из металла или сплава с удельным сопротивлением не более 3·10 ^-8 Ом·м с последующей фотолитографией и травлением проводящего слоя, причем последовательности изготовления пленочного покрытия с лицевой стороны и с обратной стороны совпадают.

Изобретение иллюстрируется чертежами. Фиг.1 показывает последовательные стадии изготовления микросхемы: I - исходная подложка 1, II - подложка 1 с нанесенным адгезионным диэлектрическим подслоем 2, III - подложка 1 с подслоем 2 и нанесенной металлизацией 3, IV - подложка 1 с подслоем 2, металлизацией 3 и нанесенным фоторезистом 5, V - та же подложка после травления слоя металлизации, VI - та же подложка 1 после травления слоя металлизации, содержащая адгезионный диэлектрический подслой 2 и слой металла 3. Окно в металлизации обозначено цифрой 4. Римскими цифрами VII на фиг.1 обозначена конструкция итоговой ГИС, получаемая после удаления фоторезиста, с подложкой, покрытой с обратной стороны экранирующим слоем сплошной металлизации 6. На диэлектрической подложке 1 из ситалла, поликора или сапфира расположен диэлектрический подслой 2, поверх которого нанесен слой хорошо проводящего металла 3. Цифрой 4 обозначено окно в металлическом покрытии. На фиг.2 показаны готовые ГИС, в которых топология обратной стороны повторяет топологию лицевой. Цифрами 7 и 8 на фиг.2 обозначены адгезионный слой и слой металлизации, существующие, если экранирующий слой металлизации на обратной стороне подложки выполнен так же, как и пленочный слой на лицевой стороне. На фиг.3 изображено расположение токов и зарядов, используемое при анализе емкостной и индуктивной связи элементов ГИС. Цифрой 9 обозначено положение проводника, сформированного из слоя металлизации 3. Цифрой 6 обозначен слой металлизации на обратной стороне подложки, существующий в полосковых линиях. Числом 10 - положение заряда и тока, эквивалентных току, протекающему по слою металлизации 6. Этот заряд представляет собой зеркальное отражение заряда проводника 10 в слое 6.

Предлагаемая конструкция свободна от недостатков, присущих аналогам, так как она не содержит слоя с низкой проводимостью. В результате СВЧ ток распространяется только по слою металла с высокой проводимостью, например золоту, что приводит к значительному уменьшению коэффициента затухания волны. Поскольку адгезионный подслой представляет собой диэлектрик с высокой энергией связи, во время эксплуатации ГИС вследствие разной химической природы слоев и высокой химической стойкости адгезионного слоя исключены взаимная диффузия слоев и их электрохимическая коррозия. Необходимая толщина адгезионного слоя лежит в диапазоне 0,02-0,5 мкм. При меньшей толщине не достигается полная перестройка структуры поверхности от подложки к структуре диэлектрической пленки, обеспечивающая необходимую адгезию, при большей возникающие в пленке диэлектрического адгезионного подслоя внутренние напряжения приводят к разрушению пленки с течением времени, т.е. ведут к уменьшению срока службы микросхемы. Кроме возможности обеспечить хорошую адгезию, материал адгезионного подслоя должен обладать необходимыми электрическими свойствами. Во-первых, отличие действительной части диэлектрической проницаемости материала адгезионного подслоя от диэлектрической проницаемости подложки не должно приводить к заметному изменению дисперсионных характеристик (зависимости групповой и фазовой скорости волн от частоты) волн, распространяющихся в полосковой линии. Относительное изменение дисперсионной кривой может быть оценено по формуле [6] , где - постоянная распространения волны в линии передачи, - изменение постоянной распространения вследствие наличия адгезионного слоя, V - объем пространства, в котором сосредоточено электрическое поле полосковой линии передачи, V - объем, занимаемый адгезионным подслоем, _А, _Р - диэлектрические проницаемости адгезионного подслоя и подложки. Поскольку отношение V/V близко по величине к отношению толщины адгезионного слоя к толщине подложки и составляет менее 0,1%, для реальных материалов подложки и адгезионного подслоя изменение постоянной распространения волны за счет отличия действительной части диэлектрической проницаемости адгезионного подслоя и подложки несущественно.

Во-вторых, поглощение электрического поля в адгезионном слое должно быть малым. Пусть волновое сопротивление полосковой линии равно Z₀ (Ом), а размеры проводника ₀ - толщина (м), а - поперечный размер (м), L - толщина подложки (м), - относительная диэлектрическая проницаемость подложки. Пусть ток, который течет по проводнику, равен I (А). Тогда напряжение в линии U=Z₀I (В). Передаваемая вдоль линии мощность может быть рассчитана по формуле Р=UI (Вт). Сопротивление единицы длины проводника можно рассчитать по формуле R= /а (Ом), где - меньшая из двух величин: толщины диэлектрика ₀ и толщины скин-слоя в метрах. Потери в проводнике могут быть рассчитаны по формуле P =RI²= I²/а . Коэффициент затухания волны в полосковой линии может быть рассчитан как отношение поглощаемой в проводнике мощности к передаваемой мощности:

Оценим дополнительные потери, связанные с конечной проводимостью адгезионного слоя. Пусть _A - удельное сопротивление материала адгезионного слоя, _А - его толщина. Последовательно рассчитаем продольное электрическое поле Е_||=IR= I/a , ток в адгезионном слое и рассеиваемую в нем мощность При записи последних формул мы учли, что поперечный размер адгезионного слоя не ограничен, поэтому в качестве поперечного размера необходимо использовать размер локализации электрического поля, который близок к размеру подложки. Отношение мощности, рассеиваемой в адгезионном слое, к рассеиваемой в слое металлизации

Для того чтобы потери в адгезионном слое не превышали величины =0,1 (10%), удельное сопротивление материала адгезионного слоя должно удовлетворять неравенству

Для типичных размеров L=1 мм, а=1 мкм, _А=0,5 мкм, =1 мкм, получим _A 1,5·10^-4 Ом/м.

Третье ограничение на параметры адгезионного слоя возникает при его большом сопротивлении, когда можно его рассмотреть в качестве одной из составляющих диэлектрического слоя между проводниками линии передачи. Поперечное электрическое поле в диэлектрике может быть рассчитано по формуле Е =IZ₀/L. Падение напряжения на адгезионном слое есть поперечное электрическое поле внутри адгезионного слоя . Здесь ₀ - диэлектрическая проницаемость вакуума, _A - относительная диэлектрическая проницаемость адгезионного слоя, - частота поля, i - мнимая единица. Поглощаемая внутри адгезионного слоя мощность в данном случае равна . Отношение этой мощности к поглощенной в слое металлизации есть . Для того чтобы потери в адгезионном слое не превышали величины =0,1 (10%), удельное сопротивление материала адгезионного слоя должно удовлетворять неравенству

Оценки показывают, что при указанных ранее значениях параметров это условие выполнено независимо от удельного сопротивления адгезионного слоя.

Четвертое и наиболее сильное ограничение связано с тем, чтобы можно было пренебречь связью различных проводящих элементов ГИС через адгезионное покрытие. При обычной технологии изготовления линии этой связью можно пренебречь, так как технологический процесс включает удаление адгезионного слоя в промежутке между проводниками. Пусть расстояние между соседними проводниками равно D. Рассмотрим сначала ГИС, обратная сторона которой покрыта слоем сплошной металлизации (по крайней мере в окрестности расположения этих проводящих элементов). Взаимную емкость проводников на единицу длины можно рассчитать, учитывая, что электрическое поле проводника 3 взаимодействует с металлическим слоем с обратной стороны подложки. Это взаимодействие приводит к появлению поверхностного заряда на подложке, влияние которого можно оценить как появление заряда с обратным знаком (рис.5) в точке зеркального отражения [6]-[8]. Оценим ток между двумя проводниками вследствие их емкостной связи. Пусть заряд на единицу длины одного из проводников равен Q. Тогда потенциал, наводимый на втором проводнике равен

При учете условия D>L из последней формулы следует

Пусть заряд осциллирует с частотой . Тогда протекающий между проводниками ток можно оценить по формуле

а импеданс цепи - по формуле

Взаимную погонную индуктивность проводников 6 можно рассчитать, рассматривая их как две бесконечно вытянутые петли. Используя формулы [7], получим

откуда при D>L следует

Погонное омическое сопротивление между проводниками на единицу длины рассчитывается по известной формуле

где Х - длина близко расположенных проводников. Это омическое сопротивление должно оказывать малое влияние на процессы протекания тока в линии. Это так, если будет выполнено хотя бы одно из условий

1. Сопротивление R превышает волновое сопротивление полосковой линии по крайней мере в 10⁵ раз. Обоснованием данного условия могут быть следующие соображения. Добротность линии Q₀ передачи обычно не превышает 10⁴. Таким образом, сопротивление элемента микросхемы, сформированного из линии передачи, не может превышать Q₀ ·Z₀ - 10⁴ Z₀. Если сопротивление связи соседних элементов превышает это значение в 10 раз, то влияние этой связи несущественно.

2. Сопротивление R много больше (по крайней мере в десять раз) емкостного импеданса связи проводников.

3. Сопротивление R много больше (по крайней мере в десять раз) индуктивного импеданса связи проводников.

Тогда из условий , где , - максимальная и минимальная рабочие частоты (практически знак » означает больше чем на порядок), получим

где Min(a,b,c) означает минимальное значение из величин а, b, с.

Для ГИС, в которых топология обратной стороны совпадает с топологией лицевой, соответствующее условие может быть получено из предыдущего заменой L на L/2.

Наконец, для ГИС, у которых металлизация с обратной стороны не совпадает по топологии с лицевой и не является сплошной (хотя бы в месте расположения данных проводников), повторяя предыдущие вычисления, получим следующие результаты. Потенциал, наводимый на втором проводнике, может быть оценен с помощью Закона Кулона как , протекающий между проводниками ток - по формуле

а импеданс цепи - по формуле

Здесь Q - заряд на единицу длины проводника, а - поперечный размер проводника, D - расстояние между проводниками. Взаимную погонную индуктивность проводников 6 можно оценить по формуле [7]

|L₁₂|= ₀ lnD/a

Таким образом, итоговое выражение имеет вид

Во всех случаях наиболее жестким из всех рассмотренных является условие

Используя указанные ранее размеры L=1 мм, а=1 мкм, _А=0,5 мкм, =1 мкм, а также Х=0,1 м, D=1 мм, Z₀=100 Ом, получим _А>500 Ом·м. Поскольку указанные размеры были выбраны таким образом, чтобы получить наиболее жесткую оценку для проводимости материала адгезионного слоя, значение _А>500 Ом·м обеспечивает необходимые характеристики ГИС во всех практически интересных случаях. Справедливость полученной оценки подтверждается также экспериментальным исследованием характеристик ГИС (см. примеры ниже).

В настоящее время для нанесения тонких пленок используются методы термического ([11], стр.271-273) и электронно-лучевого ([11], стр.262-270) испарения, катодное распыление ([11], стр.282-284), вакуумно-дуговое распыление ([11], стр.288-291) и магнетронное распыление ([11], стр.291-295 [12]). Катодное распыление в отсутствие магнитного поля не обеспечивает достаточной скорости осаждения пленки. При термическом и электронно-лучевом осаждении пленок осаждаемые из газовой фазы частицы имеют тепловые энергии менее одного электрон-вольта (максимально несколько тысяч градусов Кельвина) и получаемые с помощью этих методов пленки имеют недостаточную адгезию. Энергия осаждаемых частиц при использовании вакуумных дуговых испарителей составляет несколько десятков электрон-вольт, кроме того, пары осаждаемого вещества оказываются ионизованными, что улучшает адгезию получаемого покрытия, однако она оказывается меньше, чем при магнетронном распылении, кроме того, в состав испаряемого вещества при вакуумно-дуговом испарении входят капли вещества катода субмикронных и микронных размеров, что делает невозможным использование дуговых испарителей при нанесении адгезионного слоя.

Поэтому в данном случае для нанесения пленок использовался метод магнетронного распыления из соответствующей мишени. Состав и качество наносимой этим методом пленки зависит от состава мишени, состава и давления буферного и реактивного газа и конструкции и режима работы магнетрона. Однако при типичных для магнетронного разряда напряжениях 300-1000 В и давлении смеси газов 0.06-0.4 Па энергия распыляемых частиц существенно выше, чем при вакуумно-дуговом или термическом распылении, и близка к напряжению на разряде. Поскольку по крайней мере часть этих частиц достигает подложки без столкновений, они вследствие достаточно высокой энергии эффективно внедряются в подложку и обеспечивают необходимую адгезию при осаждении пленки. При меньших давлениях плотность нейтральных частиц оказывается слишком малой, что приводит к необходимости уменьшения тока магнетрона, т.е. уменьшению скорости напыления пленки, что приводит к уменьшению эффективности процесса. Кроме того, при этом излишне увеличивается энергия распыляемых частиц, что может привести к деградации подложки, а увеличение доли вещества мишени - к появлению в пленке включений металлической фазы, что нарушает работоспособность ГИС. Увеличение давления приводит к падению скорости распыления мишени и уменьшению энергии частиц вблизи подложки, поэтому ухудшается адгезия и скорость осаждения пленок. Структура напыляемой пленки зависит также от процентного содержания буферного и реактивного газа. Меняя процентное содержание буферный газ - реактивный газ, можно изменять соотношение долей пара мишени и реактивного газа в общем потоке частиц на мишень, меняя структуру напыляемой пленки. Эксперименты показывают, что в практически реализуемых случаях процентное содержание реактивного газа должно лежать в пределах от 20 до 50%. При меньшем процентном содержании возможно возникновение в пленке включений металлической фазы из вещества мишени вследствие недостатка вещества реактивного газа, при большем - падение скорости напыления из-за недостатка вещества мишени и ухудшение адгезии.

Таким образом, проблема адгезии металла с высокой проводимостью к подложке решается применением подслоя из диэлектрика, полученного с помощью метода магнетронного нанесения из мишени, содержащей хотя бы один из химических элементов, входящих в состав адгезионного подслоя, в едином вакуумном цикле с нанесением металла с высокой проводимостью.

Среди представленных выше диэлектрических материалов более высокую адгезию металла с высокой проводимостью к подложке обеспечивает нитрид кремния. Кроме того, он может быть получен методом магнетронного распыления кремниевой мишени в атмосфере аргона и азота.

Используемый способ нанесения пленок позволяет также увеличить точность изготовления элементов ГИС. Дело в том, что в предложенной конструкции в отличие от прототипа нет необходимости формировать топологию элементов и в адгезионном подслое, поскольку он выполнен из диэлектрического материала и поэтому, оставаясь сплошным, не создаст каких-либо электрических связей между элементами ГИС.

Эксперименты показали, что для процессов, используемых при реализации данного способа (нанесение покрытий нитрида (в атмосфере аргона и азота) или оксида (в атмосфере аргона и кислорода), металлизации из меди или золота), можно дополнительно улучшить адгезионные свойства покрытия, если промежуток времени между окончанием нанесения адгезионного подслоя и началом нанесения слоя хорошо проводящего металла не будет превышать 10 секунд при давлении остаточных газов в вакуумной камере не более 7·10^-4 Па, т.к. в противном случае может наблюдаться загрязнение поверхности подслоя атомами остаточных газов в вакуумной камере, что ухудшает адгезионные свойства. Кроме остаточных газов, камера могла быть заполнена буферным и реактивным газами, использующимися при нанесении адгезионного слоя и слоя металлизации при давлении, не превышающем давление этих газов в режиме нанесения соответствующего покрытия. Причиной ухудшения адгезионных свойств может быть как загрязнение поверхности газами, находящимися в вакуумной камере в отсутствие ионной бомбардировки, так и проходящие за это время химические реакции в самой пленке.

С другой стороны, в связи с особенностями реализации способа (необходимость переключения источников питания магнетронов, смены рабочего газа) этот промежуток не удается сделать менее нескольких секунд.

Проведенный анализ характеристик проводящих покрытий был проведен для отдельных проводников, микрополосковых и двухпроводных линий. Эти элементы являются основой для построения целого ряда элементов ГИС. В частности, на их основе могут быть построены мосты и кольцевые делители мощности ([9], стр.137-144), сосредоточенные элементы (индуктивности, конденсаторы ([9], стр.145-147)), направленные ответвители, делители ([10], стр.226-229), согласующие цепи ([10], стр.238), микрополосковые фильтры и резонаторы различных типов ([10], стр.244-250), преобразователи поверхностных акустических волн (ПАВ) ([10], стр.219-220), линии задержки, фильтры и резонаторы на ПАВ ([10], стр.218-224) и т.п. Уменьшение потерь в исходных элементах (проводниках, полосковых линиях) приводит к улучшению характеристик и построенных на их основе более сложных элементов, перечисленных выше.

Примеры реализации ГИС указанным способом.

Пример 1. Использование подслоя нитрида кремния и медной металлизации. Предложенную конструкцию СВЧ ГИС осуществляли на поликоровой подложке размером 48×60×1 мм. Ее загружали после отмывки в вакуумную напылительную установку ТИРС, оснащенную тремя магнетронными источниками. На одном магнетронном источнике была установлена мишень из монокристаллического кремния марки КЭФ-10, а на другом - медная. Размер мишеней магнетронных источников составлял 100×400 мм². После откачки до давления 1·10^-3 Па подложку нагревали до температуры 200-250°С для обезгаживания и очистки поверхности. Затем напускали в камеру аргон до давления 2·10^-1 Па и проводили очистку поверхности мишени кремния бомбардировкой ионами аргона. Для этого включали разряд в магнетронном источнике с током 2 А и продолжали очистку до тех пор, пока напряжение разряда не вырастало до 550 В.

Далее снижали напряжение до 380 В, при этом ток магнетрона составлял 0,6 А, и напускали в камеру азот до того момента, пока ток разряда в смеси газов не достигал величины 6 А при данной площади мишени. Открывали заслонку и проводили нанесение нитрида кремния в течение 10 минут. В момент окончания процесса нанесения выключали поток азота в камеру и переключали источник питания на магнетрон с медной мишенью. Тут же включали его и проводили нанесение медного слоя в течение 15 минут. Промежуток времени между окончанием нанесения адгезионного подслоя и началом нанесения слоя меди не превышал 8 секунд. Давали остыть подложкам и разгружали установку.

На слой меди наносили фоторезист толщиной 0,5 мкм. После его сушки и задубливания проводили фотолитографию с помощью фотошаблона, содержащего рисунок элементов ГИС, и затем химическое травление слоя меди. Процесс изготовления заканчивался снятием слоя фоторезиста.

Полученные таким способом СВЧ ГИС подвергались испытаниям. Они благополучно выдержали последующие процессы пайки и монтажа навесных элементов. Проверка адгезии металлизации с помощью отрыва припаянной золотой проволочки к квадратному элементу металлизации показала, что рвется проволочка, а квадратный элемент металлизации остается на подложке. То есть адгезия была не хуже, чем у конструкции, изготовленной по обычной технологии. В то же время СВЧ потери в схеме снизились с 3,5 до 0,2 дБ, что близко к пределу чувствительности используемого измерительного прибора.

Пример 2. Использование подслоя нитрида кремния и проводящего слоя из серебра. Предложенную конструкцию ГИС осуществляли тем же способом, что и в первом примере, заменив медную мишень на серебряную. Режим нанесения слоев был тот же. Были получены такие же результаты, как и в первом примере.

Пример 3. Использование подслоя нитрида кремния и проводящего слоя из сплава меди (45%), никеля (45%) и кобальта.

Предложенную конструкцию ГИС осуществляли тем же способом, что и в первом примере, заменив медную мишень на мишень из сплава меди (45%), никеля (45%) и кобальта. Распыление сплава вели в том же режиме. Были получены такие же результаты, как и в первом примере.

Пример 4. Использование подслоя полупроводящего слоя кремния с азотом и медной металлизации.

Предложенную конструкцию ГИС осуществляли тем же способом, что и в первом примере, заменив подслой из диэлектрического нитрида кремния подслоем из полупроводникового слоя кремния с азотом. Для этого после очистки поверхности мишени кремния бомбардировкой ионами аргона не снижали напряжение разряда и напускали в камеру азот до тех пор, пока ток разряда в смеси газов не достигал величины 4 А. Открывали заслонку и проводили нанесение кремния с примесью азота в течение 6 минут. Поток азота в этом случае был в десять раз меньше, чем в первом примере. Из-за этого состав получаемого слоя был близок к кремнию с примесью азота и в меньшей степени кислорода. Сопротивление такого слоя было 500 Ом*м. В момент окончания процесса нанесения выключали поток азота в камеру и переключали источник питания на магнетрон с медной мишенью. Тут же включали его и проводили нанесение медного слоя в течение 15 минут.

Были получены такие же результаты, как и в первом примере.

Пример 5. Использование подслоя окисла кремния и медной металлизации.

Предложенную конструкцию СВЧ ГИС осуществляли на поликоровой подложке размером 48×60×1 мм. Ее загружали после отмывки в вакуумную напылительную установку ТИРС, оснащенную тремя магнетронными источниками. На одном магнетронном источнике была установлена мишень из монокристаллического кремния марки КЭФ-10, а на другом - медная. Размер мишеней магнетронных источников, как и в предыдущем примере, составлял 100×400 мм². После откачки до давления 1·10^-3 Па подложку нагревали до температуры 200-250°С с целью очистки поверхности. Затем напускали в камеру аргон до давления 2·10^-1 Па и проводили очистку поверхности мишени кремния бомбардировкой ионами аргона. Для этого включали разряд в магнетронном источнике с током 2 А и продолжали очистку до тех пор, пока напряжение разряда не вырастало до 550 В.

Далее снижали напряжение до 350 В и напускали в камеру кислород до того, как ток разряда в смеси газов не достигал величины 5 А. Открывали заслонку и проводили нанесение окисла кремния в течение 15 минут. В момент окончания процесса нанесения выключали поток кислорода в камеру и переключали источник питания на магнетрон с медной мишенью. Тут же включали его и проводили нанесение медного слоя в течение 15 минут. Промежуток времени между окончанием нанесения адгезионного подслоя и началом нанесения слоя меди не превышал 8 секунд. Давали остыть подложкам и разгружали установку.

На слой меди наносили фоторезист толщиной 0,5 мкм. После его сушки и задубливания проводили фотолитографию с помощью фотошаблона, содержащего рисунок элементов ГИС, и затем химическое травление слоя меди. Процесс изготовления заканчивался снятием слоя фоторезиста. Были получены такие же результаты, как и в первом примере.

Пример 6. Использование подслоя нитрида алюминия и медной металлизации.

Предложенную конструкцию СВЧ ГИС осуществляли так же, как в примерах 4 и 5. Отличие заключалось в том, что на одном магнетронном источнике была установлена мишень из алюминиевого сплава АК-1 вместо кремниевой. Размер мишеней магнетронных источников, как и в предыдущем примере, составлял 100×400 мм² . После откачки до давления 1·10^-3 Па подложку нагревали до температуры 200-250°С с целью очистки поверхности. Затем напускали в камеру аргон до давления 2·10^-1 Па и проводили очистку поверхности мишени из сплава алюминия бомбардировкой ионами аргона. Для этого включали разряд в магнетронном источнике с током 2 А и продолжали очистку до тех пор, пока напряжение разряда не вырастало до 460 В.

Далее снижали напряжение до 310 В и напускали в камеру азот до того, как ток разряда в смеси газов не достигал величины 6 А. Открывали заслонку и проводили нанесение нитрида алюминия в течение 25 минут. В момент окончания процесса нанесения выключали поток кислорода в камеру и переключали источник питания на магнетрон с медной мишенью. Тут же включали его и проводили нанесение медного слоя в течение 15 минут. Промежуток времени между окончанием нанесения адгезионного подслоя и началом нанесения слоя меди не превышал 8 секунд. Давали остыть подложкам и разгружали установку.

На слой меди наносили фоторезист толщиной 0,5 мкм. После его сушки и задубливания проводили фотолитографию с помощью фотошаблона, содержащего рисунок элементов ГИС, и затем химическое травление слоя меди. Процесс изготовления заканчивался снятием слоя фоторезиста.

Полученные приведенными в примере 5 и примере 6 способами СВЧ ГИС подвергались испытаниям. Они благополучно выдержали последующие процессы пайки и монтажа навесных элементов. Проверка адгезии металлизации с помощью отрыва припаянной золотой проволочки к квадратному элементу металлизации показала, что рвется проволочка, а квадратный элемент металлизации остается на подложке. То есть адгезия была не хуже, чем у конструкции, изготовленной по обычной технологии. Одним из элементов ГИС являлась полосковая линия. Потери в линии на частоте 1 ГГц СВЧ потери снизились с 3,5 до 0,4 дБ, что достаточно существенно.

Пример 7. Использование подслоя окисла алюминия.

Предложенную конструкцию СВЧ ГИС осуществляли так же, как в примере 6. Отличие заключалось в том, что вместо азота в камеру подавали кислород. Для этого после очистки поверхности мишени из сплава алюминия бомбардировкой ионами аргона снижали напряжение до 300 В и напускали в камеру кислород до того, как ток разряда в смеси газов не достигал величины 6 А. Открывали заслонку и проводили нанесение окисла алюминия в течение 35 минут. Были получены такие же результаты, как и в третьем примере.

Пример 8. Использование подслоя окисла титана.

Предложенную конструкцию СВЧ ГИС осуществляли так же, как в примере 7. Отличие заключалось в том, что на одном магнетронном источнике была установлена титановая мишень вместо мишени из сплава алюминия. После очистки поверхности мишени бомбардировкой ионами аргона снижали ток до 0,8 А и напускали в камеру кислород до того, как напряжение разряда в смеси газов не достигало величины 650 В. Открывали заслонку и проводили нанесение окисла титана в течение 30 минут. Были получены такие же результаты, как и в примере 6.

Пример 9. Использование многослойного адгезионного подслоя.

Предложенную конструкцию ГИС осуществляли так же, как в примерах 1 и 5. Отличие заключалось в том, что адгезионный подслой делали многослойным. Сначала проводили осаждение нитрида кремния, как в примере 1, но в течение 4 минут, затем меняли в камере азот на кислород и осаждали оксид кремния, как в примере 5, но в течение 4 минут, далее опять меняли газ в камере с кислорода на азот и осаждали нитрид кремния в течение 4 минут. Далее действовали, как в примере 1. Были получены такие же результаты, как и в примере 1.

Пример 10. Осуществление предложенной конструкции ГИС на гибкой подложке.

Предложенную конструкцию ГИС осуществляли так же, как в примере 9. Отличие заключалось в том, что в качестве подложки использовали полиамидную пленку толщиной 200 мкм. На такой подложке были получены более высокие результаты, чем при использовании способов, описанных в примерах 1-8, так как такой многослойный адгезионный подслой меньше коробил подложку. Объясняется это тем, что механические напряжения в слоях нитрида и окисла кремния имеют противоположные знаки, поэтому они компенсируют друг друга и не деформируют подложку. В результате, после нанесения на слой меди фоторезиста, его сушки и задубливания, проведения фотолитографии и химического травления слоя металла точность получения заданного рисунка была существенно выше.

Пример 11. Использование адгезионного подслоя из алмазоподобного углерода.

Предложенную конструкцию ГИС осуществляли на поликоровой подложке размером 48×60×1 мм. Ее загружали после отмывки в вакуумную установку «Каролина 15», оснащенную реактором на основе "трансформаторно-связанной плазмы" (TCP) [13, 14]. После откачки до давления 1·10 ^-3 Па подложку нагревали до температуры 150°С для обезгаживания и очистки поверхности. Затем напускали в камеру аргон до давления 2·10^-1 Па и проводили очистку поверхности подложки бомбардировкой ионами аргона. Для этого включали разряд в ТСР-реакторе при мощности 900 Вт. Далее снижали мощность разряда до 300 Вт, напускали в камеру смесь ацетилена и водорода в соотношении 1:10 и проводили нанесение слоя углерода в течение 25 минут. Далее действовали, как в примерах 1-9. Были получены такие же результаты, как и в примерах 1-9.

Источники информации

1. Ishikawa Y., Hidaka S., Matsui N., Ise T. Multi-layer thin-film electrode, for a high-frequency transmission line, resonator and filter. Патент США 5,920,243 от 6 июля 1999. Заявлен 3 июня 1997. МКИ Н 01 Р 1/203, U.S. Cl. 333/204.

2. Goto Y., Kobayashi M., Yoshino Y., Katayama Y. Thin-film multilayered electrode and method of fabricating same. Патент США 5,770,988 от 23 июня 1998, заявлен 22 августа 1996. МКИ Н 01 Р 3/18, U.S. Cl. 333/236.

3. Lobl H-P, Van Oppen P., Klee M., Fleuster M. Method of manufacturing electronic stripline components. Патент США 6,420,096 от 16 июля 2002. Заявлен 3 апреля 2000. МКИ G 03 F 7/26, U.S. Cl. 430/313.

4. Hsiao R., Robertson N.L., Santini H.A.E., Snyder C.D. Tantalum adhesion layer and reactive-ion-etch process for providing a thin film metallization area. Патент США 5,885,750 от 23 марта 1999. Заявлен 2 октября 1997. МКИ G 03 F 7/26, U.S. Cl. 430/314.

5. Физические величины. Справочник. M.: Энергоатомиздат. 1991 г., с.438.

6. Вольман В.И., Пименов Ю.В. Техническая электродинамика. M.: Связь. 1971 г.

7. Тамм И.Е. Основы теории электричества. M.: Наука, ГРФМЛ, 1976 г.

8. Вайнштейн Л.А. Электромагнитные волны. M.: Радио и Связь, 1988 г.

9. Проектирование радиоприемных устройств. Под редакцией А.П.Сиверса. M.: Советское радио, 1976.

10. Радиоприемные устройства. M.: Радио и связь. 1984.

11. Готра З.Ю. Технология микроэлектронных устройств. Справочник. M.: Радио и Связь, 1991.

12. Евдокимов В.П., Кодылев А.М., Покрывайло А.Б., Чернов Ю.И., Сунву Джин Хо. Способ формирования защитного слоя оксида магния. Патент РФ 2134732 от 10.09.1999, заявлен 10.11.1997.

13. Берлин Е.В. и др. Электроника: Наука. Технология. Бизнес.2005, №8, с.78-80.

14. Берлин Е.В. Патент РФ №2171555 «Источник ионов высокой плотности», приоритет от 06.03.00.