Rafał Łazarek
137747
„Metalizacja, nanoszenie ścieżek, ścieżki wielowarstwowe”
Po zakończeniu wszystkich operacji technologicznych, związanych z wytworzeniem struktury pólprzewodnikowej w monokrysztale, konieczne jest pokrycie wybranych fragmentów powierzchni półprzewodnika warstwą metaliczną, która pełnić będzie rolę kontaktów lub ścieżek przewodzących.
Obecnie rozpowszechnione są trzy metody metalizacji powierzchni struktur półprzewodnikowych:
parowanie próżniowe,
rozpylanie magnetronowe (sputtering),
chemiczne osadzanie z fazy lotnej (Chemical Vapor Deposition - CVD).
Parowanie próżniowe:
Metoda ta polega na wytworzeniu, przez odparowanie, strumienia cząstek materiału, który napotykając na swej drodze dowolną powierzchnię tworzy w procesie kondensacji cienką warstwę metaliczną. Metoda ta pozwala na odparowywanie materiałów (metali) o temperaturze topnienia poniżej 1600°C. Proces ten przeprowadzany jest w komorach próżniowych przy próżni na poziomie 10-3÷10-6 Pa.
Rozpylanie magnetronowe:
Metoda ta wykorzystuje zjawiska zachodzące przy bombardowaniu powierzchni ciała stałego jonami (jony uderzają w powierzchnię materiały, które ma być osadzane).
Zjawiska te to:
wybijanie atomów materiału z powierzchni (tzw. rozpylanie materiału targetu),
emisja elektronów,
rozpraszanie wsteczne jonów (czyli odbijanie od powierzchni),
wytwarzanie defektów w przypowierzchniowej warstwie materiału,
implantację (czyli wnikanie jonów w strukturę ciała stałego).
Dla tego procesu najistotniejsze zjawisko to rozpylanie, które polega na wybijaniu z ciała stałego atomów pod wpływem bombardowania jego powierzchni wysokoenergetycznymi jonami.
Nanoszenie ścieżek:
Jest wiele metod na nanoszenie ścieżek. Pokrótce opisze dwie z nich: "Metoda z mazakiem", oraz "Metoda fotochemiczna". Na samym początku płytkę musimy zaprojektować. Zaczynamy oczywiście od schematu układu dla którego płytkę chcemy wykonać. Schemat ten definiuje nam jednoznacznie połączenia pomiędzy elementami. Trzeba te połączenia zrealizować czyli zaprojektować ścieżki - ich szerokość oraz przebieg.
Metoda z mazakiem:
Jest to najprostsza metoda. Polega na tym, że flamastrem rysujemy ścieżki na płytce, a po narysowaniu wytrawiamy. Flamaster wcale nie musi być jakiś specjalny. Większość trwałych markerów jest odporna na wytrawiacz. Są także mazaki ze specjalnym dozownikiem przeznaczone do tego właśnie celu. Wydruk ( wykonany najlepiej w programie komputerowym) przyklejamy do naszej płytki. W wyznaczonych w ten sposób miejscach wiercimy otwory. W ten sposób mamy wyznaczone punkty odniesienia wobec których rysujemy ścieżki mazakiem. (doceni to każdy który próbował bez otworów nanieść ścieżki na płytkach z układami scalonymi). Jakość płytki wykonanej tą metodą zależy przede wszystkim od naszych zdolności manualnych w nanoszeniu mazakiem ścieżek na płytce. Jest to metoda najmniej profesjonalna ze wszystkich trzech. Ścieżki jakie możemy uzyskać nie są zbyt wąskie. Często potrzebujemy węższe. W razie błędu (niepożądane połączenie dwóch ścieżek) często musimy zmywać całą płytkę i zaczynać od nowa. Metoda polecana do wykonania prostych płytek "na szybko".
Metoda fotochemiczna:
To najbardziej profesjonalna metoda. Jej idea polega na tym, że płytkę pokrytą emulsją światłoczułą naświetlamy przez wydruk ze ścieżkami. Następnie wkładamy do wywoływacza. Tam gdzie emulsja była pokryta wydrukiem ze ścieżkami to zostaje, tam gdzie podała się działaniu ultrafioletu odchodzi. Później pozostaje już tylko płytkę wytrawić.
Kolejność w tej metodzie jest następująca:
Na początek należy przygotować laminat to lakierowania - trzeba go dobrze oczyścić ze wszelkich tlenków, tłuszczu i zabrudzeń. Najlepiej użyć do tego jakiegoś środka aktywnego powierzchniowo i ostrej gąbki, lub zrobić to na sucho bardzo drobnym papierem ściernym.
Płytkę pokrywamy emulsją światłoczułą (światłoczuła na ultrafiolet). Trzeba tą emulsje na płytce rozłożyć jak najbardziej równomiernie.
Na folii drukujemy układ ścieżek. Nie musi być on wydrukowany "laserówką" może być równie dobrze drukarką atramentową. Na tym etapie musimy zwrócić uwagę, aby wydruk nie przepuszczał światła w miejscu gdzie są ścieżki. Jednocześnie należy zadbać, aby wydruk jak najlepiej przylegał do płytki, dlatego lepiej przyłożyć folie wydrukiem do płytki. Teraz płytkę z maską wkładamy do naświetlarki UV i naświetlamy w zależności od grubości warstwy emulsji, mocy źródła światła UV oraz złożoności obwodu od 2 do 10 minut.
Naświetlamy płytkę przez wydruk. Do tego celu potrzebujemy albo specjalną lampę i wtedy naświetlanie trwa kilka minut, albo tzw. sztuczne słońce (kwarcówkę) wykorzystywaną do opalania, wtedy naświetlanie trwa trochę dłużej lub skorzystać z promieni słonecznych i wtedy naświetlanie trwa około godziny. Długość naświetlania to element krytyczny. A trzeba go dobrać eksperymentalnie - w zależności jaką lampę posiadamy. Wkładamy lampę do pudła na dnie którego jest lampa, a nad nią szyba na która kładziemy odpowiednią stroną płytkę, zamykamy i naświetlamy.
Płytki wielowarstwowe:
By jeszcze bardziej zwiększyć powierzchnię przeznaczoną na ścieżki, płytki tego typu mają co najmniej jedną warstwę ścieżek umieszczoną we wnętrzu płytki. Dokonuje się tego przez sklejanie (laminowanie) razem kilku płytek dwustronnych z warstwami izolacyjnymi pomiędzy nimi. Liczba warstw jest wyrażona liczbą oddzielnych układów ścieżek. Jest ona zwykle parzysta i zawiera dwie warstwy zewnętrzne. Większość płyt głównych ma od 4 do 8 warstw, lecz możliwe jest wyprodukowanie płytek z niemal 100 warstwami. Wielkie superkomputery często zawierają płytki z ogromną liczbą warstw, lecz ponieważ coraz bardziej opłacalne staje się zastępowanie takich komputerów klastrami zwykłych pecetów, płytki o wielkiej liczbie warstw są coraz rzadziej używane. Ponieważ warstwy płytki są zlaminowane razem, często trudno stwierdzić, ile ich właściwie jest, ale jeśli przyjrzymy się dokładnie krawędzi, może się udać policzyć warstwy.
Przelotki zawsze przenikają płytkę na wylot. Kiedy warstw ścieżek jest wiele, a chcemy połączyć tylko niektóre z nich, takie przelotki marnują miejsce, którego można by użyć na poprowadzenie innych ścieżek. „Zagrzebane” i „ślepe” przelotki nie sprawiają takiego problemu, ponieważ przenikają tylko tyle warstw, ile potrzeba. Ślepe przelotki łączą jedną lub więcej wewnętrznych warstw z jedną z warstw powierzchniowych, nie przenikając całej płytki. Zagrzebane przelotki łączą tylko warstwy wewnętrzne. Dlatego nie da się zobaczyć takich przelotek patrząc na powierzchnię płytki.
W płytkach wielowarstwowych całe warstwy przeznaczone są na uziemienie i zasilanie. Dlatego też dzielimy warstwy na sygnałowe, zasilające i uziemiające. Czasami zdarza się więcej niż jedna warstwa zasilająca i uziemiająca, zwłaszcza jeśli różne elementy na płytce wymagają różnych napięć.