薄膜混合集成电路的制作工艺.docx
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薄膜混合集成电路的制作工艺
薄膜混合集成电路的制作工艺
摘要本文主要介绍了薄膜混合集成电路工艺以及薄膜形成的技术由于薄膜技术在电电子领域的推广，是电子元件在小型化，高功能，高可靠，批量生产，低成本方面占有很大优势。
似的薄膜技术在电子元件制造领域占有相当重要的地位。
而薄膜在薄膜电阻，薄膜电容，薄膜声表面波器件应用尤为广泛。
关键词薄膜混合集成电路的工艺基片薄膜的制备薄膜元器件
引言在同一个基片上用蒸发、溅射、电镀等薄膜工艺制成无源网路,并组装上分立微型元件、器件,外加封装而成的混合集成电路。
所装的分立微型元件、器件，可以是微元件、半导体芯片或单片集成电路。
按无源网路中元件参数的集中和分布情况，薄膜集成电路分为集中参数和分布参数两种。
前者适用范围从低频到微波波段，后者只适用于微波波段。
1．薄膜混合集成电路
1.1薄膜集成电路
在抛光的陶瓷基片（99.5%氧化铝）、微晶玻璃基片或者Si基片上溅射电阻薄膜和导电薄膜，经电镀，光刻，形成具有部分无源元件和导体电路的基片。
然后贴装芯片和各种片状元件，键合互连形成特定功能的电路模块。
1.2薄膜混合集成电路的工艺
1.3基片
1.3.1基片的选择原则
基片是微波电磁场传输媒质，又是电路的支撑体。
其主要性能指标：
（1）高频损耗tgδ，随温度T和工作频率fo升高而增加，在微波频段工作的材料，其高频吸收能量P=2πfV2εrtgδ。
（2）介电常数
ε＝0.22εrA/t，εr大时电路尺寸可以小，有利集成;但频率太高时，有时为了减小加工难度，选εr较小的材料。
（3）表面光洁度
形响到电路损耗，薄膜的附着力，和线条的分辨率，划痕等缺陷。
（4）基片平整度（基片上最高点与最低点的距离叫平整度）
基片翘度：
最高点与最低点的距离除的基片的长度，经研磨和抛光，翘度可小于0.0001in/in。
（5）化学稳定性。
基片对酸碱的耐性，对金属膜是否相互作用。
如微晶玻璃就应避免Ti/Pt/Au系统。
（6）CTE
基片的热膨胀系数应与管壳材料，元器件材料相匹配，以避免产生应力，影响可靠性。
（7）热导率，决定了基片的导热性，热导率高有利于电路的散热。
（8）容易加工
1.3.2基片的种类
微波电路基片常用的主要有陶瓷基片，有机材料基片和复合介质基片。
微波薄膜混合集成电路主要采用的陶瓷基片是：
① Al2O3 陶瓷基片
② 微晶玻璃基片
③ BeO陶瓷基片
④ AlN陶瓷基片
还有碳化硅，人造金刚石等用的较少。
1.3.3基片的加工
陶瓷打孔用超声波打孔和激光打孔。
（1） 激光打孔，位置准确、可偏程、效率高，可打很小的孔，比如0.2mm，还可打异形孔。
只是设备贵。
（2）超声波打孔
① 打孔质量较好，壁直、圆滑
② 不仅可打陶瓷，也可打微晶玻璃
③ 可以打ф0.5mm,0.8mm,1.0mm,1.2mm,1.5mm.2.0mm,2.5mm的孔，
④ 缺点是定位精度差、效率低。
主要靠金刚沙研磨，需要把基片粘到玻璃上，打完孔后取下基片，清洗蜡层。
（3）划片。
陶瓷片用砂轮化片机，或激光划片。
微晶玻璃片用金刚刀划片机划片。
1.3.4基片的清洗程序
（1）去油去蜡
1.1°可以用甲苯煮或超声（5mim）
2.2°用丙酮超声 2～5min
3.3°用乙醇超声 2～5min
微晶玻璃基片可用浓流酸煮至发烟；
（2）去除金属离子
1.10％HCl煮沸、水冲、水煮
2.10％NaOH煮沸3min，水沸
微晶玻璃可用王水煮
（3）大量冲水
（3）乙醇脱水
（4）烘干
除了溅射前的基片，无明显油和蜡的片子，可以只用甲苯、丙酮、乙醇超声，水超声、烘干即可。
超声时间不要太长，一般不要超过5min。
超声过长，可能影响金属附着性能。
根据基片清洁情况，可以减少前面步骤。
1.3.5基片制作流程示意图
1.4薄膜制备技术
1.4.1薄膜材料的概念
采用一定方法，使处于某种状态的一种或几种物质（原材料）的基团以物理或化学方式附着于衬底材料表面，在衬底材料表面形成一层新的物质，这层新物质就是薄膜。
简而言之，薄膜是由离子、原子或分子的沉积过程形成的二维材料。
1.4.2薄膜的制备方法
代表性的制备方法按物理、化学角度来分，有：
（1）物理成膜PVD
利用蒸发、溅射沉积或复合的技术，不涉及到化学反应,成膜过程基本是一个物理过程而完成薄膜生长过程的技术,以PVD为代表。
成膜方法与工艺
●真空蒸发镀膜（包括脉冲激光沉积、分子束外延）
工艺原理:
真空室内加热的固体材料被蒸发汽化或升华后，凝结沉积到一定温度的衬底材料表面。
形成薄膜经历三个过程：
蒸发或升华。
通过一定加热方式使被蒸发材料受热蒸发或升华，由固态或液态变成气态。
1.输运到衬底。
气态原子或分子在真空状态及一定蒸气压条件下由蒸发源输运到衬底。
2.吸附、成核与生长。
通过粒子对衬底表面的碰撞，衬底表面对粒子的吸附以及在表面的迁移完成成核与生长过程。
是一个以能量转换为主的过程。
工艺方法:
1.对于单质材料，按常见加热方式有电阻加热、电子束加热、高频感应加热、电弧加热和激光加热。
2.对于化合物和合成材料，常用各种蒸发法和热壁法。
●溅射镀膜
是指在真空室中，利用荷能粒子轰击镀料表面，使被轰击出的粒子在基片上沉积的技术。
工艺原理:
溅射镀膜有两类:
▪
a）离子束溅射
在真空室中，利用离子束轰击靶表面，使溅射出的粒子在基片表面成膜。
b）气体放电溅射
利用低压气体放电现象，产生等离子体，产生的正离子，被电场加速为高能粒子，撞击固体（靶）表面进行能量和动量交换后，将被轰击固体表面的原子或分子溅射出来，沉积在衬底材料上成膜的过程。
工艺特点
1.整个过程仅进行动量转换，无相变
2.沉积粒子能量大，沉积过程带有清洗作用，薄膜附着性好
3.薄膜密度高，杂质少
4.膜厚可控性、重现性好
5.可制备大面积薄膜
6.设备复杂，沉积速率低。
●离子成膜
离子镀及其原理
真空蒸发与溅射结合的镀膜技术，在镀膜的同时，采用带能离子轰击基片表面和膜层，使镀膜与离子轰击改性同时进行的镀膜技术。
即利用气体放电产生等离子体，同时，将膜层材料蒸发，一部分物质被离化，在电场作用下轰击衬底表面（清洗衬底），一部分变为激发态的中性粒子，沉积于衬底表面成膜。
（1）化学成膜CVD
有化学反应的使用与参与，利用物质间的化学反应实现薄膜生长的方法。
●化学气相沉积（CVD–ChemicalVaporDeposition）
原理
•气相沉积的基本过程包括三个步骤：
即提供气相镀料；镀料向镀制的工件或基片输送；镀料沉积在基片上构成膜层
•气相沉积过程中沉积粒子来源于化合物的气相分解反应，因此，称为化学气相沉积（CVD），否则，称为物理气相沉积（PVD）。
•CVD与PVD的不同处：
沉积粒子来源于化合物的气相分解反应
●液相反应沉积（液相外延）
•利用液相中进行的反应而沉积薄膜的方法。
主要方法：
1.液相外延技术
2.化学镀
3.电化学沉积
4.溶胶-凝胶法
5.LB膜技术
1.5薄膜元器件
分别介绍薄膜在以下几种电子元器件中的应用，薄膜电阻器，薄膜电容器以及薄膜声表面波器件。
1.5.1薄膜电阻器
薄膜在无源器件方面中的应用最开始于电阻器，薄膜电阻器是用蒸发的方法将一定电阻率材料蒸镀于绝缘材料表面制成。
一般来讲金属被制成薄膜后会像本征电阻率变高，电阻温度系数变小这一有利方向发展。
（1）NiCr薄膜电阻。
这一电阻是最早被深入研究的金属薄膜电阻，他具有温度系数小，噪声低，寿命长等特点。
常用的NiCr薄膜电阻有圆筒形和方形板型。
制造过程为：
首先在绝缘衬底上由蒸发和溅射方法淀积NiCr合成膜。
然后通过修编技术来调整阻值圆形电阻用机械方法切割螺旋线来修正阻值，达到调阻目的，平行板可采用机械或激光方法来调阻。
最后焊上引线并封装即可。
（2）钽薄膜电阻
钽是熔点高金属，但单质钽的温度系数及稳定性都不太好，所以后来研究了钽的氮化物（TaN）TaN膜一般是在高纯氮气中利用溅射方法制成，其电阻与NiCr薄膜电阻膜相近，其稳定性好但是钽是稀有金属所以成本会比较高，对大量生产不利，，故分立元件推广不多，但是在会和电路中可获得非常优越的性质，被优先考虑。
（3）技术陶瓷薄膜电阻
虽然NiCr薄膜电阻和钽薄膜电阻的特性都具有非常高的指标，但是有一个明显的缺点是阻值不易做高。
为了弥补这一点，可采用技术和无机物混合即金属陶瓷，
根据各组成相所占百分比不同，金属陶瓷分为以陶瓷为基质和以金属为基质两类。
陶瓷基金属陶瓷主要有：
①氧化物基金属陶瓷。
以氧化铝、氧化锆、氧化镁、氧化铍等为基体，与金属钨、铬或钴复合而成，具有耐高温、抗化学腐蚀、导热性好、机械强度高等特点，可用作导弹喷管衬套、熔炼金属的坩埚和金属切削刀具。
②碳化物基金属陶瓷。
以碳化钛、碳化硅、碳化钨等为基体，与金属钴、镍、铬、钨、钼等金属复合而成，具有高硬度、高耐磨性、耐高温等特点，用于制造切削刀具、高温轴承、密封环、捡丝模套及透平叶片。
③氮化物基金属陶瓷。
以氮化钛、氮化硼、氮化硅和氮化钽为基体，具有超硬性、抗热振性和良好的高温蠕变性，应用较少。
但是从重复性和稳定性来看目前可实用的仅限于Cr-SiO。
Cr-SiO金属陶瓷实用快速争渡方法制成，其方阻特性随Cr和SiO的比例变化很大，一般来讲，Cr含量越高TCR越小。
而方阻随Si增多而增大。
而在实际比例中为1：
1，此时方阻约为1K欧姆/□，因此用同一图形做出阻值约为Cr-SiO五倍。
但寿命不是十分理想，所以此类材料只用在M欧级电阻上。
1.5.2薄膜电容
电容器依着介质的不同，它的种类很多，例如：
电解质电容、纸质电容、薄膜电容、陶瓷电容、云母电容、空气电容等。
但是在音响器材中使用最频繁的，当属电解电容器和薄膜（Film）电容器。
电解电容大多被使用在需要电容量很大的地方，例如主电源部份的滤波电容，除了滤波之外，并兼做储存电能之用。
而薄膜电容则广泛被使用在模拟信号的交连，电源噪声的旁路（反交连）等地方。
薄膜电容器是以金属箔当电极，将其和聚乙酯，聚丙烯，聚笨乙烯或聚碳酸酯等塑料薄膜，从两端重叠后，卷绕成圆筒状的构造之电容器。
而依塑料薄膜的种类又被分别称为聚乙酯电容（又称Mylar电容），聚丙烯电容（又称PP电容），聚苯乙烯电容（又称PS电容）和聚碳酸电容。
薄膜电容器由于具有很多优良的特性，因此是一种性能优秀的电容器。
它的主要等性如下：
无极性，绝缘阻抗很高，频率特性优异（频率响应宽广），而且介质损失很小。
基于以上的优点，所以薄膜电容器被大量使用在模拟电路上。
尤其是在信号交连的部份，必须使用频率特性良好，介质损失极低的电容器，方能确保信号在传送时，不致有太大的失真情形发生。
在所有的塑料薄膜电容当中，又以聚丙烯（PP）电容和聚苯乙烯（PS）电容的特性最为显著，当然这两种电容器的价格也比较高。
然而近年来音响器材为了提升声音的品质，所采用的零件材料已愈来愈高级，价格并非最重要的考量因素，所以近年来PP电容和PS电容被使用在音响器材的频率与数量也愈来愈高。
读者们可以经常见到某某牌的器材，号称用了多少某某名牌的PP质电容或PS质电容，以做为在声音品质上的背书，其道理就在此。
通常的薄膜电容器其制法是将铝等金属箔当成电极和塑料薄膜重叠后卷绕在一起制成。
但是另外薄膜电容器又有一种制造法，叫做金属化薄膜（MetallizedFilm），其制法是在塑料薄膜上以真空蒸镀上一层很薄的金属以做为电极。
如此可以省去电极箔的厚度，缩小电容器单位容量的体积，所以薄膜电容器较容易做成小型，容量大的电容器。
例如常见的MKP电容，就是金属化聚丙烯膜电容器（MetailizedPolypropyleneFilmCapacitor）的代称，而MKT则是金属化聚乙酯电容（MetailizedPolyester）的代称。
金属化薄膜电容器所使用的薄膜有聚乙酯、聚丙烯、聚碳酸酯等，除了卷绕型之外，也有叠层型。
金属化薄膜这种型态的电容器具有一种所谓的我我复原作用（SelfHealingAction），即假设电极的微小部份因为电界质脆弱而引起短路时，引起短路部份周围的电极金属，会因当时电容器所带的静电能量或短路电流，而引发更大面积的溶融和蒸发而恢复绝缘，使电容器再度回复电容器的作用。
聚脂薄膜在普通应用中表现出良好的特性，具有高介电常数（使其在金属化薄膜电容器中获得最高的单位体积电容量）、高绝缘强度、自我复原特点和良好的温度稳定性。
在所有各类薄膜电容器中，聚脂电容器以适度的成本实现了最佳的体积效率，而且是解耦、阻断、旁路和噪声抑制等直流应用中最流行的选择。
而利用金属化聚丙烯薄膜制造的电容器则具有低介电损耗、高绝缘阻抗、低介电吸收和高绝缘强度特性，是一种持久的和节省空间的解决方案，它的长期稳定性也很好。
这些特点使金属化聚丙烯薄膜电容器成为交流输入滤波器、电子镇流器和缓冲电路等应用的重要选择。
聚丙烯薄膜电容器可以提供400VAC或更高的额定电压，满足工业三相应用和专业设备的要求。
它们还可以用于开关电源、鉴频和滤波器电路，以及能量存储和取样与保持应用等。
薄膜电容器是电子产业中的重要元件，尽管相应的生产与结构技术在不断发展以提供更大的电容量和更好的电气性能，但这些器件很少与新产品的新特性有关。
在这种情况下，由于人们往往需要迅速完成设计和元件选择，当出现特殊需求时，电容器制造商提供一对一式的服务能够帮助解决设计问题和保证干扰滤波器、基本信号调节电路和电子镇流器等基本功能模块的顺利完成。
1.5.3薄膜声表面波器件
在声表面拨器件中，声表面波的能量集中在压电基片的表层内。
该表面层的厚度为一个表面波的波长。
因此可以不用压电单晶或压电陶瓷作基片，而采用象玻璃那种无压电性的衬底，在上面覆盖厚度约一个波长的压电薄膜就可制作声表面波器件。
在薄膜声表面波器件中，压电薄膜和非压电衬底形成了多层结构，而声表面波传播特性则由压电薄膜和衬底的特性共同决定。
即使用同一种压电薄膜材料，当改变薄膜厚度和衬底材料时，声表面波的声速、器件的中心频率及延迟时间、温度特性也随之改变。
此外，声表面波的有效机电耦合系数也随换能器电极结构和压电薄膜的厚度而变化。
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