薄膜混合集成电路工艺讲座100页PPT

热氧化薄膜的导电性
虽然热氧化薄膜的导电性一般较差，但是对于某些特定用途，如场 效应晶体管等，需要对其导电性进行评估。
热氧化薄膜技术的优化方法
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调整工艺参数
通过调整热氧化工艺的温 度、压力、时间等参数， 可以优化热氧化薄膜的性 能。
采用不同的原材料
采用不同的原材料进行热 氧化处理，可以得到性能 各异的热氧化薄膜。
表面激活
通过物理或化学方法激活表面， 使表面原子处于较高的活性状态 ，有利于薄膜的成核和生长。
热氧化薄膜技术的生长过程
化学反应
在高温下，衬底表面的原子与氧分子 发生化学反应，生成氧化物，形成薄 膜。控制反应温度和氧分压是关键参 数。
成核与生长
薄膜的成核和生长过程是热氧化薄膜 技术的核心。通过控制成核密度和生 长速率，可以调节薄膜的厚度和性质 。
02
热氧化薄膜应具有良好的热稳定性，以抵抗温度变化对其性能
的影响。
热氧化薄膜的抗氧化性
03
抗氧化性决定了热氧化薄膜在高温环境下的稳定性，是评估其
化学性能的重要指标。
热氧化薄膜的电学性能
热氧化薄膜的绝缘电阻
绝缘电阻决定了热氧化薄膜的电绝缘性能，是评估其电学性能的重 要指标。
热氧化薄膜的击穿电压
击穿电压决定了热氧化薄膜能够承受的最大电压，是评估其电学性 能的重要指标。
多层结构的设计
通过设计多层结构的热氧 化薄膜，可以实现其各项 性能的优化。
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热氧化薄膜技术的发展趋 势与展望
热氧化薄膜技术的研究热点与难点
研究热点
随着技术的不断进步，热氧化薄膜技 术的研究热点主要集中在提高薄膜的 稳定性、降低制造成本、优化薄膜性 能等方面。

二氧化硅、氧化铝等是集成电路制造中常用的介质材料，用于隔离不同器件和层间绝缘。
氧化物
氮化硅、氮化硼等是具有高硬度、高熔点和高化学稳定性的介质材料，常用于保护和钝化表面。
氮化物
介质材料
金属材料
铜
铜是目前集成电路中主要的互连材料，具有低电阻、高可靠性等优点。
铝
铝是早期集成电路中常用的互连材料，具有成本低、延展性好等优点。
详细描述
集成电路的发展历程
集成电路的应用领域
总结词：集成电路的应用领域非常广泛，包括通信、计算机、消费电子、工业控制、医疗器械等。随着技术的不断发展，集成电路的应用领域还将不断扩大。
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集成电路制造工艺流程
前道工艺流程
通过物理或化学气相沉积等方法在衬底上形成薄膜，作为集成电路的基本材料。
利用光刻胶和掩膜板，将设计好的电路图案转移到衬底上。
合金材料
金、银、铂等贵金属和铜、镍等贱金属的合金材料在集成电路制造中也有应用，用于提高器件性能和可靠性。
光刻胶是集成电路制造中最关键的材料之一，用于图形转移和掩膜。
光刻胶
研磨料用于表面处理和研磨，以实现平滑和洁净的表面。
研磨料
其他材料
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集成电路制造设备与技术
光刻设备
用于将电路图案转移到晶圆片上，包括曝光机和光刻机等。
制造设备
随着集成电路的集成度不断提高，制程技术不断向纳米级别发展，目前已经达到纳米级别。
纳米制程技术
新型材料如碳纳米管、二维材料等在集成电路制造中的应用逐渐增多，为集成电路的发展提供了新的可能性。
新型材料应用
通过将多个芯片堆叠在一起，实现更高速的信号传输和更低的功耗，成为集成电路制造技术的重要发展方向。

39、没有不老的誓言，没有不变的承 诺，踏 上旅途 ，义无 反顾。 40、对时间的价值没有没有深切认识 的人， 决不会 坚韧勤 勉。
41、学问是异常珍贵的东西，从任何源泉吸 收都不可耻。——阿卜·日·法拉兹
薄膜混合集成电路工艺讲座
36、“不可能”这个字(法语是一个字 )，只 在愚人 的字典 中找得 到。--拿 破仑。 37、不要生气要争气，不要看破要突 破，不 要嫉妒 要欣赏 ，不要 托延要 积极， 不要心 动要行 动。 38、勤奋，机会，乐观是成功的三要 素。(注 意：传 统观念 认为勤 奋和机 会是成 功的要 素，但 是经过 统计学 和成功 人士的 分析得 出，乐 观是成 功的第 三要素 。
42、只有在人群中间，才能认识自 己。——德国
4丽·佩蒂博恩·普尔
44、卓越的人一大优点是：在不利与艰 难的遭遇里百折不饶。——贝多芬
45、自己的饭量自己知道。——苏联

常用薄膜导体材料性能 金属 块金属电阻率 （μΩ·cm） 1.62 1.73 2.44 2.68 趋肤深度 f=1GHz (μm) 2.03 2.09 2.49 2.61 膜厚1000Å 方块电阻 （μΩ/□） 0.18 0.20 0.27 0.33
Ag Cu Au Al
（3)常用的多层金属化系统 3)常用的多层金属化系统 1°NiCr/Au 系统 <500Å Au6-8um 目前2.5um 工艺简单、不适于高温,比如烧结温度下可能互 扩散，降低与基片的附着力，是目前我们用的 薄膜。 2°TiW/Au TiW/Au系统 <500Å/Au 1um TiW/Au 没电阻，工艺简单，无高温互扩散。 3°TaN/TiW/Au TaN/TiW/Au系统，不可锡焊。 TaN/TiW/Au 4°Cr/Cu/Ni/Au Cr/Cu/Ni/Au系统 Cr/Cu/Ni/Au 500Å/4μm/1μm/500Å Cu为导电层 Ni为阻挡层
NiCr膜 NiCr膜
NiCr膜也是常用的电阻膜材料，其主要成份是 NiCr(80:20)。掺入微量的Al、Si、Fe、Au 等，可使电阻温度系数接近于0。膜的厚度 也是影响电阻温度系数的主要因素之一。
该合金块状电阻率约为100μΩ·cm。膜厚 1000Å时电阻率为15Ω/□ 。
（2）导体膜
对薄膜导体的要求： 1.)微波损耗小。 损耗的原因：1°电阻 2°超肤深度δ 一般要求： 集总参数电容的电极厚度应为 1～2δ, 微带线厚度 3～5δ, 平面螺旋电感 10δ, 2）有较高的分辨率 3）基片附着力好 4）焊接能力好 5）耐候性好
5º TaN/TiW/Au/Ni/Au TaN/TiW/Au/Ni/Au系统， 25～100Ω/□∕300～500Å/0.5～ 7.6μm/0.9～1.8μm/0.5～2.5μm 可锡焊PbSn，Au/Su焊，Epoxy Wirebonding 电阻层/粘附层/导电层/阻挡层/防氧化 可键合层,有良好高温性能，可在400～ 450℃范围稳定地工作不扩散。

集成电路工艺设备
薄膜制备设备
化学气相沉积设备
用于在硅片上沉积各种薄膜，如氧化硅、氮化硅 等。
物理气相沉积设备
用于沉积金属、合金等材料，如蒸发镀膜机。
化学束沉积设备
通过离子束或分子束技术，在硅片上形成高纯度 、高质量的薄膜。
光刻设备
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投影式光刻机
将掩膜板上的图形投影到 硅片上，实现图形的复制 。
降低成本
集成电路工艺能够实现大规模生产，降低了单个电子 元件的成本。
促进技术进步
集成电路工艺的发展推动了半导体制造技术的进步， 促进了微电子产业的发展。
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CATALOGUE
集成电路制造流程
薄膜制备
物理气相沉积（PVD）和化学气相沉积（CVD ）是最常用的两种沉积技术。
薄膜的厚度、均匀性和晶体结构等特性对集成电路的 性能和可靠性具有重要影响。
分类
按照制造工艺技术，集成电路可分为 薄膜集成电路和厚膜集成电路；按照 电路功能，集成电路可分为模拟集成 电路和数字集成电路。
集成电路工艺的发展历程
小规模阶段
20世纪60年代，晶体管被集成 在硅片上，形成了小规模集成 电路。
大规模阶段
20世纪80年代，微处理器和内 存被集成在硅片上，形成了大 规模集成电路。
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它通过化学腐蚀和机械研磨的协同作用，将硅片表面研磨得更
加平滑，减小表面粗糙度。
抛光液的成分、抛光压力和抛光时间等参数对抛光效果具有重
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要影响。
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CATALOGUE
集成电路工艺材料
硅片
硅片是集成电路制造中最主要的材料之一，其质量直 接影响集成电路的性能和可靠性。

掺杂工艺（Doping）
掺杂：将需要的杂质掺入特定的半导体区域 中，以达到改变半导体电学性质，形成PN结 、电阻、欧姆接触。
掺入的杂质主要是： 磷(P)、砷(As) —— N型硅 硼(B) —— P型硅 掺杂工艺主要包括：扩散（diffusion)、离
子注入(ion implantation)。
亮场版和暗场版
曝光的几种方法
接触式光刻：分辨率较高， 但是容易造成掩膜版和光刻 胶膜的损伤。
接近式曝光：在硅片和掩膜 版之间有一个很小的间隙 (10～25mm)，可以大大减 小掩膜版的损伤，分辨率较 低。
投影式曝光：利用透镜或反 射镜将掩膜版上的图形投影 到衬底上的曝光方法，目前 用的最多的曝光方式。（特 征尺寸：0.25m)
❖等离子刻蚀(Plasma Etching)：利用放电产生的游离 基与材料发生化学反应，形成挥发物，实现刻蚀。选择 性好、对衬底损伤较小，但各向异性较差。
❖反应离子刻蚀(Reactive Ion Etching，简称为RIE)： 过活性离子对衬底的物理轰击和化学反应双重作用刻蚀 。具有溅射刻蚀和等离子刻蚀两者的优点，同时兼有各 向异性和选择性好的优点。目前，RIE已成为VLSI工艺 中应用最广泛的主流刻蚀技术。
–激活杂质：使不在晶格位置上的离子运动到晶格 位置，以便具有电活性，产生自由载流子，起到 杂质的作用。
–消除损伤
❖ 退火方式：
–炉退火
–快速退火：脉冲激光法、扫描电子束、连续波激 光、非相干宽带频光源(如卤光灯、电弧灯、石墨 加热器、红外设备等)。
氧化（Oxidation）
❖ 氧化：制备SiO2层 ❖ SiO2 是 一 种 十 分 理 想 的 电 绝 缘 材 料 ， 它 的 化 学 性

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元件数 门数
SSI <102 <10
MSI 102 ~ 10 3 10 ~ 102
LSI 103 ~ 10 5 102 ~ 104
VLSI 105 ~ 10 7 104 ~ 106
ULSI 107 ~ 10 9 106 ~ 108
GSI >109 >108
厚膜技术的发展
厚膜技术起源于古代—唐三彩
获得2000年Nobel物理奖
1958年第一块集成电路：TI公司的Kilby，12个器件，Ge晶片
• 1964年人们提出了大规模集成电路的设想和 概念，并很快于1966年研制成功大规模集成 电路。 大规模集成电路在提高集成度、可靠性、工 作频率和电路工作速度等技术性能方面的一 系列重大成就，使电子设备和电子系统出现 了崭新的面貌，从而使电子技术的发展进入 了第四代。
2．难以把各种不同类型的、性能差异很大的 元器件集成在同一衬底上； 难以外贴组装上各种具有特殊性能的元器件；
因此很难制成各种多功能的复杂的模拟电路。
3．半导体衬底的绝缘性能不如陶瓷、玻璃、 蓝宝石等绝缘基板，因此其元器件之间的 隔离不够完善； ● 造成寄生效应大，这样就会使电路在高频 下难以稳定地工作； ● 难以制造大功率、大电流、高电压等各种 有特殊要求的电路；
• 1968年Dennard——单晶体管DRAM
• 1971年Intel公司微处理器——计算机的心脏
– 目前全世界微机总量约6亿台，在美国每年由计算机完成 的工作量超过4000亿人年工作量。美国欧特泰克公司认 为：微处理器、宽频道连接和智能软件将是21世纪改变 人类社会和经济的三大技术创新
微电子发展的规律 不断提高产品的性能价格比 是微电子技术发展的动力 集成电路芯片的集成度每三 年提高4倍，而加工特征尺 寸缩小 2 倍，这就是摩尔

※ 4.1.7 低温共烧陶瓷（LTCC）
表4-3 低温共烧LTCC超过其他厚膜工艺的优点
超过HTCC的优点
较低的烧成温度（850-950℃对12001500℃）
标准的良好的烧成环境（空气对氢/氮气） 使用低电阻率的导体的能力（金、银和 铜对钨或钼） 不需要电镀
能共烧和集成无源元件（电阻、电容、 电感器）
※ 4.1.1 丝网印刷
丝网印刷所产生 的图形取决于使 用正的或负的原 图和已在丝网上 正的或负的光敏 乳胶
※4.1.1 丝网印刷
影响厚膜电路质量的因素
丝
流厚
网
性膜
本
和浆
身
流料
的
动的
质
性液
量
※4.1.1 丝网印刷
➢丝网是由贴到网框上的拉紧的网布，再加上光敏乳胶。 ➢丝网的目数：每英寸长的丝网布中的开口孔数，它决定了导体和电阻的 尺寸及它们的公差，导线之间的间隔和孔的尺寸。
气保护炉内烧成。 允许使用金、银等高导电率的导体浆料，适用于高速电路，如RF
电路； 无源器件能与陶瓷共烧，埋入单片结构中。 2）通过用LTCC将互连基片、封装和引线一体化的设计方法，能产生非常 扁薄的封装 3） 可产生复杂形状或三维电子线路和封装。
用LTCC工艺生产部件有如下缺点： 由于有高的玻璃含量（50%或更大），所以热传导率非常低（2-3 W/m∙K） 较低的结构强度，原因仍是由于高的玻璃含量； 当烧成时瓷带收缩。
低的介电常数
CTE与硅器件更匹配
更好的尺寸和翘曲度控制
超过顺序烧成厚膜工艺的优点 成批层压和共烧
做多层基片时层数可以做的更多 工艺步骤少，成本低
高密度互联基片能与密封封装集成 能形成空腔和特定形状的基片 能与埋入的无源器件共烧 导体有更大的附着力

氮气中烧结的有机载体必须发生分解和热解聚。
传统金属陶瓷厚膜浆料成分—溶剂或稀释剂
自然形态的有机粘结剂太粘稠不能进行丝网印刷， 需要使用溶剂或稀释剂，稀释剂比粘结剂较容易挥发， 在大约100℃以上就会迅速蒸发，典型材料是萜品醇、 丁醇和某些络合的乙醇；
溶剂或稀释剂用于烧结前的有机粘结剂的稀释， 烘干和烧结时挥发掉。
5、世上最美好的事是：我已经长大，父母还未老;我有能力报答，父母仍然健康。
•
6、没什么可怕的，大家都一样，在试探中不断前行。
•
7、时间就像一张网，你撒在哪里，你的收获就在哪里。纽扣第一颗就扣错了，可你扣到最后一颗才发现。有些事一开始就是错的，可只有到最后才不得不承认。
•
8、世上的事，只要肯用心去学，没有一件是太晚的。要始终保持敬畏之心，对阳光，对美，对痛楚。
厚膜印刷所用材料是一种特殊材料——浆料，而薄膜 技术则是采用镀膜、光刻和刻蚀等方法成膜。
厚膜电路特点及应用
较之普通PCB，厚膜电路在散热性和稳定性方面优 势明显；而且，比普通PCB能更适应环境。
由于汽车电子产品所处环境通常都比较苛刻（不 包括车内影音娱乐系统），比如动力控制系统和发动 系统，所处环境高温、高湿、大功率、高振动等。普 通PCB无法满足这些环境条件需求时，厚膜电路就会体 现出它的价值。基于厚膜电路在高温、高压、大功率 的应用中有极大的优势。一般主要应用在汽车电子、 通讯系统领域、航空航天及一些军工领域。
•
9、别再去抱怨身边人善变，多懂一些道理，明白一些事理，毕竟每个人都是越活越现实。
•
10、山有封顶，还有彼岸，慢慢长途，终有回转，余味苦涩，终有回甘。
•
11、人生就像是一个马尔可夫链，你的未来取决于你当下正在做的事，而无关于过去做完的事。

薄膜混合集成电路
薄膜混合集成电路（以下简称FMC）是一种在薄膜基底上制造的集成电路。

FMC具有体积小、重量轻、功耗低、成本较低等优势，适用于各种应用场景。

FMC的制作过程包括以下几个步骤：
1. 基底准备：选择合适的薄膜基底，如聚酰亚胺（PI）薄膜，进行清洗和预处理，确保基底表面光洁平整。

2. 薄膜沉积：通过物理蒸镀或化学气相沉积（CVD）等技术，在基底表面沉积薄膜层。

薄膜可以是金属、半导体或绝缘体材料，根据电路设计的需要选择适当的薄膜材料。

3. 光刻图案定义：使用光刻技术，在薄膜上覆盖光刻胶，并将设计好的电路图案投射到光刻胶上。

然后进行显影和备用薄膜剥离，将图案转移到薄膜层上。

4. 电路制备：根据图案，采用化学腐蚀、物理蚀刻或激光加工等技术，蚀刻或切割薄膜层，形成电路和器件结构。

5. 金属化：在电路表面进行金属化处理，以提供电路的导电性。

常用的金属化方法包括蒸镀、电镀和化学气相沉积。

6. 完工处理：将电路进行清洗、除胶、退火和防氧化等处理，以提高电路的性能和稳定性。

7. 封装封装：将FMC放在合适的封装材料中，进行封装和封密，以保护电路，并提供良好的机械强度和防潮性能。

薄膜混合集成电路的制作过程包括基底准备、薄膜沉积、光刻图案定义、电路制备、金属化、完工处理和封装封装等步骤。

通过这些步骤，可以制造出小型、低功耗、成本较低的FMC，满足各种应用的需求。

c. 生基板叠层法：
在生基板上冲好通孔； 在生基板上印刷Mo、W等导体； 重叠所需层数，在490-1470N/cm2压力和80 – 150℃下叠压； 在1500-1700℃的还原气氛中烧成。
在烧结过程中，薄片里的SiO2、CaO、MgO扩散 到导体层中形成中间层，从而可得牢固的结合强度
优点：（后两种二种方法）
5×1015-16 4.6-5.0
300/30S 2.9× 0.05 10-3
3×1015-16 4.6-5.0 300/2 -
0.04
4×1015 3.1
130/240 -
0.2
• 小结
掌握厚膜基板种类、作用、基本要求、 各类基板的主要性能。
作业 • 1、基板在厚膜电路中起什么作用？基板
的性能对电路有什么影响？
＊ 利用生基板有柔软性、容易吸收有机溶剂的特 性，可印出高分辨率的微细线，容易实现多 层化和高密度布线。
＊ 由于导体和绝缘层烧结成整体，所以密封性 好，可靠性高。
缺点： 设计灵活性不如厚膜多层法，烧结温度也偏高。
2.金属基板
陶瓷基板缺点：脆、易碎。 不易制成大面积的基板，为此开发了金
属基板。
金属基板：在金属板（主要是钢板和铝板） 上涂复绝缘膜而成。
主要成分Al2O3 ，Al2O3含量越高，基板性能 （电性能、机械强度、表面光洁度等）越好。但烧 结温度高、价格贵。
厚膜电路一般采用94～Al2O3瓷（晶粒尺寸 3～5μ m）。
85瓷和75瓷性能较前者稍差，但成本较低，所 以目前国内外也有采用。
氧化铝基板的性能
热导率和氧化铝含量的关系
• 优点：
的新型基板。
优点： 热导率是金属铝的1.2倍，比BeO瓷还要高，

§3.2 薄膜电阻器工艺
※ 薄膜电阻器 ▲ 在选择薄膜电阻器时，几个重要的问题需要考虑： ► 在实际的厚度范围，具有可控制的及能重复得到的面 电阻率 ► 低的TCR ► 紧密的阻值跟踪 ► 长期的稳定性（在加电或热老化时有低的漂移）
薄膜电阻器可分类成纯金属、金属合金、金属化合物或 金属陶瓷（陶瓷和金属的组合）
※ 3.4.3 干法刻蚀
不用化学刻蚀液溶解（湿 法）而去掉金属、介质或 半导体薄膜的方法，叫做 干法刻蚀。
干法刻蚀比化学刻蚀有 许多优点，主要有： 1.能够产生小于0.1mil，可 至微米范围细线几何图形； 2.避免离子沾污，阻止化学 刻蚀； 3.安全性高—不可能发生化 学溶液溢出，且能更好地 控制毒性材料。
700
225
120
1700
350
630
225
120
1400
280
400
300
120
1310
260
300
350
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
120
460
70
110
350
235*
71
41
—
350
315**
96
-96
+80
最后TRC -20 -16 -12 -10 +34 +3 -3
※ 3.2.4 氮化钽工艺
在陶瓷上制造氮化钽电阻/金属、导体电路图形的工艺， 大体类似于制造镍铬电阻器的工艺。两种情况都使用 对多层金属结构进行选择性刻蚀的光刻技术。工艺上 的不同处包括：
※3.3.3 工艺
※3.3.3 工艺
• 典型的光刻工艺流程
HMDS
光刻胶
紫外光 掩膜版