薄膜混合集成電路制作工藝

1、薄膜混合集成電路的制作工藝摘要 本文主要介紹了薄膜混合集成電路工藝以及薄膜形成的技術由于薄膜技術在電電子領域的推廣，是電子元件在小型化，高功能，高可靠，批量生產(chǎn)，低成本方面占有很大優(yōu)勢。似的薄膜技術在電子元件制造領域占有相當重要的地位。而薄膜在薄膜電阻，薄膜電容，薄膜聲表面波器件應用尤為廣泛。關鍵詞 薄膜混合集成電路的工藝 基片薄膜的制備 薄膜元器件引言 在同一個基片上用蒸發(fā)、濺射、電鍍等薄膜工藝制成無源網(wǎng)路,并組裝上分立微型元件、器件,外加封裝而成的混合集成電路。所裝的分立微型元件、器件，可以是微元件、半導體芯片或單片集成電路。 按無源網(wǎng)路中元件參數(shù)的集中和分布情況，薄膜集成電路分為集中參數(shù)

2、和分布參數(shù)兩種。前者適用范圍從低頻到微波波段，后者只適用于微波波段。1 薄膜混合集成電路1.1薄膜集成電路在拋光的陶瓷基片（99.5%氧化鋁）、微晶玻璃基片或者Si基片上濺射電阻薄膜和導電薄膜，經(jīng)電鍍，光刻，形成具有部分無源元件和導體電路的基片。然后貼裝芯片和各種片狀元件，鍵合互連形成特定功能的電路模塊。1.2薄膜混合集成電路的工藝1.3基片1.3.1基片的選擇原則基片是微波電磁場傳輸媒質(zhì)，又是電路的支撐體。其主要性能指標：（1）高頻損耗tg，隨溫度T和工作頻率fo升高而增加，在微波頻段工作的材料，其高頻吸收能量P=2fV2rtg。（2） 介電常數(shù)0.22rA/t，r大時電路尺寸可以小，有利集

3、成; 但頻率太高時，有時為了減小加工難度，選r較小的材料。（3） 表面光潔度形響到電路損耗，薄膜的附著力，和線條的分辨率，劃痕等缺陷。（4）基片平整度（基片上最高點與最低點的距離叫平整度）基片翹度：最高點與最低點的距離除的基片的長度，經(jīng)研磨和拋光，翹度可小于0.0001in/in。（5）化學穩(wěn)定性?；瑢λ釅A的耐性，對金屬膜是否相互作用。如微晶玻璃就應避免Ti/Pt/Au系統(tǒng)。（6） CTE 基片的熱膨脹系數(shù)應與管殼材料，元器件材料相匹配，以避免產(chǎn)生應力，影響可靠性。（7） 熱導率，決定了基片的導熱性，熱導率高有利于電路的散熱。（8）容易加工1.3.2基片的種類微波電路基片常用的主要有陶瓷基片

4、，有機材料基片和復合介質(zhì)基片。微波薄膜混合集成電路主要采用的陶瓷基片是：    Al2O3陶瓷基片    微晶玻璃基片    BeO陶瓷基片    AlN陶瓷基片還有碳化硅，人造金剛石等用的較少。1.3.3 基片的加工陶瓷打孔用超聲波打孔和激光打孔。（1）    激光打孔，位置準確、可偏程、效率高，可打很小的孔，比如0.2mm，還可打異形孔。只是設備貴。（2）超聲波打孔     打孔質(zhì)量較好，壁直、圓滑  

5、   不僅可打陶瓷，也可打微晶玻璃     可以打0.5mm,0.8mm,1.0mm,1.2mm,1.5mm.2.0mm,2.5mm的孔，     缺點是定位精度差、效率低。主要靠金剛沙研磨，需要把基片粘到玻璃上，打完孔后取下基片，清洗蠟層。（3）劃片。陶瓷片用砂輪化片機，或激光劃片。 微晶玻璃片用金剛刀劃片機劃片。 1.3.4基片的清洗程序(1)去油去蠟. 1°可以用甲苯煮或超聲（5mim）. 2°用丙酮超聲25min. 3°用乙醇超聲25min 微晶玻璃基片可用濃流酸煮至發(fā)煙；(2

6、)去除金屬離子. 10HCl煮沸、水沖、水煮 . 10NaOH煮沸3min，水沸微晶玻璃可用王水煮(3)大量沖水(3)乙醇脫水(4)烘干除了濺射前的基片，無明顯油和蠟的片子，可以只用甲苯、丙酮、乙醇超聲，水超聲、烘干即可。超聲時間不要太長，一般不要超過5min。超聲過長，可能影響金屬附著性能。根據(jù)基片清潔情況，可以減少前面步驟。1.3.5基片制作流程示意圖1.4薄膜制備技術 1.4.1薄膜材料的概念 采用一定方法，使處于某種狀態(tài)的一種或幾種物質(zhì)（原材料)的基團以物理或化學方式附著于襯底材料表面，在襯底材料表面形成一層新的物質(zhì)，這層新物質(zhì)就是薄膜。簡而言之，薄膜是由離子、原子或分子的沉積過程形成

7、的二維材料。1.4.2薄膜的制備方法 代表性的制備方法按物理、化學角度來分，有： (1)物理成膜 PVD利用蒸發(fā)、濺射沉積或復合的技術，不涉及到化學反應,成膜過程基本是一個物理過程而完成薄膜生長過程的技術,以PVD為代表。 成膜方法與工藝l 真空蒸發(fā)鍍膜（包括脈沖激光沉積、分子束外延）工藝原理:真空室內(nèi)加熱的固體材料被蒸發(fā)汽化或升華后，凝結沉積到一定溫度的襯底材料表面。形成薄膜經(jīng)歷三個過程： 蒸發(fā)或升華。通過一定加熱方式使被蒸發(fā)材料受熱蒸發(fā)或升華，由固態(tài)或液態(tài)變成氣態(tài)。. 輸運到襯底。氣態(tài)原子或分子在真空狀態(tài)及一定蒸氣壓條件下由蒸發(fā)源輸運到襯底。. 吸附、成核與生長。通過粒子對襯底表面的碰撞，

8、襯底表面對粒子的吸附以及在表面的遷移完成成核與生長過程。是一個以能量轉換為主的過程。 工藝方法:. 對于單質(zhì)材料，按常見加熱方式有電阻加熱、電子束加熱、高頻感應加熱、電弧加熱和激光加熱。. 對于化合物和合成材料，常用各種蒸發(fā)法和熱壁法。 l 濺射鍍膜 是指在真空室中，利用荷能粒子轟擊鍍料表面，使被轟擊出的粒子在基片上沉積的技術。工藝原理:濺射鍍膜有兩類:§a)離子束濺射在真空室中，利用離子束轟擊靶表面，使濺射出的粒子在基片表面成膜。b)氣體放電濺射利用低壓氣體放電現(xiàn)象，產(chǎn)生等離子體，產(chǎn)生的正離子，被電場加速為高能粒子，撞擊固體（靶）表面進行能量和動量交換后，將被轟擊固體表面的原子或分

9、子濺射出來，沉積在襯底材料上成膜的過程。+-工藝特點. 整個過程僅進行動量轉換，無相變. 沉積粒子能量大，沉積過程帶有清洗作用，薄膜附著性好. 薄膜密度高，雜質(zhì)少. 膜厚可控性、重現(xiàn)性好. 可制備大面積薄膜. 設備復雜，沉積速率低。l 離子成膜離子鍍及其原理真空蒸發(fā)與濺射結合的鍍膜技術，在鍍膜的同時，采用帶能離子轟擊基片表面和膜層，使鍍膜與離子轟擊改性同時進行的鍍膜技術。即利用氣體放電產(chǎn)生等離子體，同時，將膜層材料蒸發(fā)，一部分物質(zhì)被離化，在電場作用下轟擊襯底表面（清洗襯底），一部分變?yōu)榧ぐl(fā)態(tài)的中性粒子，沉積于襯底表面成膜。(1)化學成膜 CVD 有化學反應的使用與參與，利用物質(zhì)間的化學反應實現(xiàn)

10、薄膜生長的方法。 l 化學氣相沉積(CVD Chemical Vapor Deposition )原 理 氣相沉積的基本過程包括三個步驟：即提供氣相鍍料；鍍料向鍍制的工件或基片輸送；鍍料沉積在基片上構成膜層 氣相沉積過程中沉積粒子來源于化合物的氣相分解反應，因此，稱為化學氣相沉積（CVD），否則，稱為物理氣相沉積（PVD）。 CVD與PVD的不同處：沉積粒子來源于化合物的氣相分解反應l 液相反應沉積(液相外延) 利用液相中進行的反應而沉積薄膜的方法。主要方法：. 液相外延技術. 化學鍍. 電化學沉積. 溶膠-凝膠法. LB膜技術1.5薄膜元器件分別介紹薄膜在以下幾種電子元器件中的應用 ，薄膜電

11、阻器，薄膜電容器以及薄膜聲表面波器件。1.5.1薄膜電阻器薄膜在無源器件方面中的應用最開始于電阻器，薄膜電阻器是用蒸發(fā)的方法將一定電阻率材料蒸鍍于絕緣材料表面制成。一般來講金屬被制成薄膜后會像本征電阻率變高，電阻溫度系數(shù)變小這一有利方向發(fā)展。（1）Ni Cr薄膜電阻。這一電阻是最早被深入研究的金屬薄膜電阻，他具有溫度系數(shù)小，噪聲低，壽命長等特點。常用的Ni Cr薄膜電阻有圓筒形和方形板型。制造過程為：首先在絕緣襯底上由蒸發(fā)和濺射方法淀積Ni Cr合成膜。然后通過修編技術來調(diào)整阻值圓形電阻用機械方法切割螺旋線來修正阻值，達到調(diào)阻目的，平行板可采用機械或激光方法來調(diào)阻。最后焊上引線并封裝即可。（2

12、）鉭薄膜電阻鉭是熔點高金屬，但單質(zhì)鉭的溫度系數(shù)及穩(wěn)定性都不太好，所以后來研究了鉭的氮化物（TaN）TaN膜一般是在高純氮氣中利用濺射方法制成，其電阻與Ni Cr薄膜電阻膜相近，其穩(wěn)定性好但是鉭是稀有金屬所以成本會比較高，對大量生產(chǎn)不利，故分立元件推廣不多，但是在會和電路中可獲得非常優(yōu)越的性質(zhì)，被優(yōu)先考慮。（3）技術陶瓷薄膜電阻雖然Ni Cr薄膜電阻和鉭薄膜電阻的特性都具有非常高的指標，但是有一個明顯的缺點是阻值不易做高。為了彌補這一點，可采用技術和無機物混合即金屬陶瓷，根據(jù)各組成相所占百分比不同，金屬陶瓷分為以陶瓷為基質(zhì)和以金屬為基質(zhì)兩類。陶瓷基金屬陶瓷主要有：氧化物基金屬陶瓷。以氧化鋁、氧化

13、鋯、氧化鎂、氧化鈹?shù)葹榛w，與金屬鎢、鉻或鈷復合而成，具有耐高溫、抗化學腐蝕、導熱性好、機械強度高等特點，可用作導彈噴管襯套、熔煉金屬的坩堝和金屬切削刀具。碳化物基金屬陶瓷。以碳化鈦、碳化硅、碳化鎢等為基體，與金屬鈷、鎳、鉻、鎢、鉬等金屬復合而成，具有高硬度、高耐磨性、耐高溫等特點，用于制造切削刀具 、高溫軸承、密封環(huán)、撿絲模套及透平葉片。氮化物基金屬陶瓷。以氮化鈦、氮化硼、氮化硅和氮化鉭為基體，具有超硬性、抗熱振性和良好的高溫蠕變性，應用較少。但是從重復性和穩(wěn)定性來看目前可實用的僅限于Cr-SiO。Cr-SiO金屬陶瓷實用快速爭渡方法制成，其方阻特性隨Cr和SiO的比例變化很大，一般來講，C

14、r含量越高TCR越小。而方阻隨Si增多而增大。而在實際比例中為1：1，此時方阻約為1K歐姆/，因此用同一圖形做出阻值約為Cr-SiO五倍。但壽命不是十分理想，所以此類材料只用在M歐級電阻上。1.5.2薄膜電容電容器依著介質(zhì)的不同，它的種類很多，例如：電解質(zhì)電容、紙質(zhì)電容、薄膜電容、陶瓷電容、云母電容、空氣電容等。但是在音響器材中使用最頻繁的，當屬電解電容器和薄膜(Film)電容器。電解電容大多被使用在需要電容量很大的地方，例如主電源部份的濾波電容，除了濾波之外，并兼做儲存電能之用。而薄膜電容則廣泛被使用在模擬信號的交連，電源噪聲的旁路(反交連)等地方。薄膜電容器是以金屬箔當電極，將其和聚乙酯，

15、聚丙烯，聚笨乙烯或聚碳酸酯等塑料薄膜，從兩端重疊后，卷繞成圓筒狀的構造之電容器。而依塑料薄膜的種類又被分別稱為聚乙酯電容(又稱Mylar電容)，聚丙烯電容(又稱PP電容)，聚苯乙烯電容(又稱PS電容)和聚碳酸電容。 薄膜電容器由于具有很多優(yōu)良的特性，因此是一種性能優(yōu)秀的電容器。它的主要等性如下：無極性，絕緣阻抗很高，頻率特性優(yōu)異(頻率響應寬廣)，而且介質(zhì)損失很小?；谝陨系膬?yōu)點，所以薄膜電容器被大量使用在模擬電路上。尤其是在信號交連的部份，必須使用頻率特性良好，介質(zhì)損失極低的電容器，方能確保信號在傳送時，不致有太大的失真情形發(fā)生。在所有的塑料薄膜電容當中，又以聚丙烯(PP)電容和聚苯乙烯(PS

16、)電容的特性最為顯著，當然這兩種電容器的價格也比較高。然而近年來音響器材為了提升聲音的品質(zhì)，所采用的零件材料已愈來愈高級，價格并非最重要的考量因素，所以近年來PP電容和PS電容被使用在音響器材的頻率與數(shù)量也愈來愈高。讀者們可以經(jīng)常見到某某牌的器材，號稱用了多少某某名牌的PP質(zhì)電容或PS質(zhì)電容，以做為在聲音品質(zhì)上的背書，其道理就在此。 通常的薄膜電容器其制法是將鋁等金屬箔當成電極和塑料薄膜重疊后卷繞在一起制成。但是另外薄膜電容器又有一種制造法，叫做金屬化薄膜(Metallized Film)，其制法是在塑料薄膜上以真空蒸鍍上一層很薄的金屬以做為電極。如此可以省去電極箔的厚度，縮小電容器單位容量的

17、體積，所以薄膜電容器較容易做成小型，容量大的電容 器。例如常見的MKP電容，就是金屬化聚丙烯膜電容器(Metailized Polypropylene Film Capacitor)的代稱，而MKT則是金屬化聚乙酯電容(Metailized Polyester)的代稱。 金屬化薄膜電容器所使用的薄膜有聚乙酯、聚丙烯、聚碳酸酯等，除了卷繞型之外，也有疊層型。金屬化薄膜這種型態(tài)的電容器具有一種所謂的我我復原作用(Self Healing Action)，即假設電極的微小部份因為電界質(zhì)脆弱而引起短路時，引起短路部份周圍的電極金屬，會因當時電容器所帶的靜電能量或短路電流，而引發(fā)更大面積的溶 融和蒸發(fā)而

18、恢復絕緣，使電容器再度回復電容器的作用。 聚脂薄膜在普通應用中表現(xiàn)出良好的特性，具有高介電常數(shù)(使其在金屬化薄膜電容器中獲得最高的單位體積電容量)、高絕緣強度、自我復原特點和良好的溫度穩(wěn)定性。在所有各類薄膜電容器中，聚脂電容器以適度的成本實現(xiàn)了最佳的體積效率，而且是解耦、阻斷、旁路和噪聲抑制等直流應用中最流行的選擇。而利用金屬化聚丙烯薄膜制造的電容器則具有低介電損耗、高絕緣阻抗、低介電吸收和高絕緣強度特性，是一種持久的和節(jié)省空間的解決方案，它的長期穩(wěn)定性也很好。這些特點使金屬化聚丙烯薄膜電容器成為交流輸入濾波器、電子鎮(zhèn)流器和緩沖電路等應用的重要選擇。聚丙烯薄膜電容器可以提供400VAC或更高的額定電壓，滿足工業(yè)三相應用和專業(yè)設備的要求。它們還可以用于開關電源、鑒頻和濾波器電路，以及能量存儲和取樣與保持應用等。薄膜電容器是電子產(chǎn)業(yè)中的重要元件，盡管相應的生產(chǎn)與結構技術在不斷發(fā)展以提供更大的電容量和更好的電氣性能，但這些器件很少與新產(chǎn)品的新特性有關。在這種情況下，由于人們往往需要迅速完成設計和元件選擇，當出現(xiàn)特殊需求時，電容器制造商提供一對一式的服務能夠幫助解決設計問題和保證干擾濾波器、基本信號調(diào)