СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМ СВЧ Российский патент 2003 года по МПК H01L21/84 

Изобретение относится к электронной технике, а именно к способам изготовления интегральных схем СВЧ.

Известен способ изготовления интегральных схем СВЧ, включающий следующие операции [1]:
- нанесение на подложку из фторопласта металлического слоя из проводящей пасты толщиной 0,2 мм;
- скол рисунка топологии интегральной схемы;
- снятие механическим путем нерабочих участков металлического слоя из проводящей пасты;
- очистка поверхности подложки нерабочих участков схемы;
- отжиг интегральной схемы в печи.

Достоинством этого способа изготовления интегральных схем является доступность технологических операций.

Существенными недостатками этого способа являются сложность создания по всей поверхности слоя из пасты одинаковой толщины, трудоемкость выполнения операции снятия механическим путем слоя из пасты, а также невозможность использования способа для создания мощных интегральных схем, вследствие невысокой теплопроводности применяемых подложек.

Кроме того, рисунок топологии получается недостаточно четкий, что приводит к росту потерь на высоких частотах.

Известен способ изготовления интегральных схем - прототип, включающий следующие основные операции [1]:
- полировка поверхности подложки из керамического диэлектрика (поликора) до 13 класса чистоты;
- нанесение на подложку подслоя из хрома толщиной 0,3 мкм методом вакуумного осаждения для улучшения адгезии;
- наращивание слоя меди толщиной 5 мкм методом гидролиза для уменьшения потерь в металлическом проводнике;
- наращивание слоя из золота толщиной 0,5 мкм для защиты меди от окисления;
- нанесение слоя фоторезиста;
- экспонирование и проявление фоторезиста через фотошаблон с заданной топологией интегральной схемы;
- травление металлических слоев на участках, не защищенных проявленным фоторезистом;
- очистка поверхности интегральной схемы.

Поскольку относительная диэлектрическая проницаемость поликора составляет 9,8, то интегральные схемы, выполненные этим способом, имеют существенно меньшие размеры, чем у аналога. Данный метод позволяет выполнить элементы интегральной схемы с большей, чем у аналога, точностью.

Существенными недостатками этого способа является большое число сложных и трудоемких технологических операций, в том числе полировка поверхности до высокого класса частоты и невысокая теплопроводность поликора (24...30 Вт/м К), которая не позволяет использовать данный способ для изготовления мощных интегральных схем (усилителей мощности и генераторов СВЧ-колебаний).

Техническим результатом настоящего изобретения является упрощение технологического процесса изготовления интегральных схем, снижение трудоемкости и возможность использования способа для изготовления мощных интегральных схем при сохранении разрешающей способности при изготовлении топологического рисунка.

Технический результат достигается тем, что в известном способе изготовления интегральных схем СВЧ, включающем полировку поверхности керамической подложки, изготовление проводящих полосок заданной топологии на керамической подложке и нанесение защитного слоя металла на проводящие полоски, проводящие полоски заданной топологии изготовляют путем сканирования по поверхности керамической подложки лучом лазера с мощностью Р, со скоростью V, а нанесение защитного слоя на проводящие полоски осуществляют после изготовления проводящих полосок заданной топологии, причем максимальная величина мощности луча лазера Р_мак и минимальная величина скорости сканирования луча лазера V_мин связаны соотношением Р_мак/V_мин=c•р•Т_кип•S, где с - удельная теплоемкость, р - плотность, Т_кип - температура кипения металла, входящего в состав керамической подложки, S - площадь луча лазера.

В качестве керамической подложки берут нитрид алюминия.

Защитный слой на проводящие полоски наносят из низкоомного и слабоокисляющегося на воздухе металла гальваническим или химическим осаждением.

Сканирование по поверхности керамической подложки лучом лазера с заявленными параметрами приводит к нагреву мест соприкосновения лазера с керамической подложкой до температуры кипения металла и образованию в приповерхностном слое керамической подложки проводящих полосок заданной топологии из чистого металла, входящего в состав керамической подложки.

Пусть с - удельная теплоемкость металла, входящего в состав керамической подложки, определяемая из формулы
с=ΔQ/(mΔT), (1)
где m - масса металла, ΔQ - изменение количества теплоты, ΔТ - изменение температуры. Если за время Δt выделится ΔQ теплоты, то мощность равна
P=ΔQ/Δt. (2)
Если эта мощность создается лучом лазера с площадью луча S, то за время Δt луч нагреет металл массой
m=р•SΔp (3)
где р - удельная плотность металла.

Подставляя выражения (2) и (3) в формулу (1), получаем соотношение
Р=с•р•S•V•ΔT, (4)
где V=Δp/Δt - скорость перемещения лазерного луча.

Мощность луча лазера должна быть настолько большая Р, а скорость перемещения луча настолько малой V, чтобы металл в керамике нагрелся от комнатной температуры Т_о до температуры плавления или даже кипения Т_кип. В этом случае атомы металла поднимутся в приповерхостный слой керамической подложки и создадут там проводящий слой. Поскольку Т_о<Т_кип ,то ΔТ=Т_кип, то формула (4) примет вид
Р_мак/V_мин=с•р•T_кип•S. (5)
Нитрид алюминия имеет высокую диэлектрическую проницаемость (9,5) и высокую теплопроводность (160 Вт/м град), что позволяет использовать такие подложки для изготовления интегральных схем с мощными полупроводниковыми приборами.

Нанесение защитного слоя из низкоомного и слабоокисляющегося на воздухе металла (никель, серебро, золото), например, гальваническим или химическим осаждением на проводящие полоски обеспечивает пайку и предохранение проводящих полосок от окисления.

Пример.

- Берут керамическую подложку, например, из нитрида алюминия и очищают ее от загрязнений;
- помещают подложку из нитрида алюминия на рабочий стол установки "Лазерграф";
- с помощью программы Autocad на компьютере типа PC/AT создают файл заданной топологии интегральной схемы;
- подключают компьютер к установке лазерной обработки материалов "Лазерграф";
- включают установку "Лазерграф" и по созданному в компьютере файлу изготавливают проводящие полоски заданной топологии путем сканирования по поверхности нитрида алюминия лучом лазера с мощностью 1 Вт со скоростью 5 м/с;
- выключают установку;
- на поверхность получившихся в результате воздействия лазером на подложку из нитрида алюминия полосок из чистого алюминия химическим путем осаждают защитный слой никеля из раствора соли - хлористого никеля; для химического осаждения никеля могут использоваться растворы солей: сернистый никель и т.п.;
- смывают остатки соли.

Предлагаемый способ изготовления интегральных схем по сравнению с прототипом позволит существенно упростить технологический процесс, существенно снизить трудоемкость и использовать способ для изготовления мощных интегральных схем.

Предлагаемый способ позволит получать рисунок топологии с разрешением 0,2 мкм, с шириной металлических полосок менее 0,1 мкм на керамических подложках с качеством обработки поверхности ниже 7-го класса точности.

Источнике информации
1. Малорецкий Л. Г. Микроминиатюризация элементов и устройства СВЧ. // М: Сов. Радио. - 1976 г. - с. 82-99.

Использование: в электронной технике при изготовлении интегральных схем СВЧ. Техническим результатом изобретения является упрощение технологического процесса изготовления интегральных схем, снижение трудоемкости и осуществление возможности изготовления мощных интегральных схем при сохранении высокой разрешающей способности при изготовлении топологического рисунка. Сущность изобретения: проводящие полоски заданной топологии формируют путем сканирования по поверхности керамической подложки лучом лазера с мощностью Р, со скоростью V и нанесением защитного слоя на проводящие полоски после изготовления проводящих полосок заданной топологии. Максимальная величина мощности луча лазера Р_мак и минимальная величина скорости сканирования луча лазера V_мин связаны соотношением Р_мак/V_мин = с•р•Т_кип•S, где с - удельная теплоемкость, р - плотность, Т_кип - температура кипения металла, входящего в состав керамической подложки, S - площадь луча лазера. 2 з.п. ф-лы.

1. Способ изготовления интегральных схем СВЧ, включающий полировку поверхности керамической подложки, изготовление проводящих полосок заданной топологии на керамической подложке и нанесение защитного слоя металла на проводящие полоски, отличающийся тем, что проводящие полоски заданной топологии изготавливают путем сканирования по поверхности керамической подложки лучом лазера с мощностью Р, со скоростью V, а нанесение защитного слоя металла на проводящие полоски осуществляют после изготовления проводящих полосок заданной топологии, причем максимальная величина мощности луча лазера Р_мак и минимальная величина скорости сканирования луча лазера V_мин связаны соотношением Р_мак/V_мин=с•р•Т_кип•S, где c - удельная теплоемкость, р - плотность, Т_кип - температура кипения металла, входящего в состав керамической подложки, S - площадь луча лазера. 2. Способ изготовления интегральных схем СВЧ по п.1, отличающийся тем, что в качестве керамической подложки берут нитрид алюминия. 3. Способ изготовления интегральных схем СВЧ по п.1, отличающийся тем, что защитный слой на проводящие полоски наносят из низкоомного и слабоокисляющегося на воздухе металла гальваническим или химическим осаждением.