1.3 Основные типы конструктивных реализаций ЧФ диапазона СВЧ, применяемых в настоящий момент, и основные технологии их изготовления

Реализация приведенных выше схем ЧФ СВЧ на дискретных элементах практически невозможна. Это объясняется рядом причин. Во-первых, для того чтобы схема обладала свойствами системы с сосредоточенными параметрами геометрические размеры элементов должны быть много меньше длинны волны, а диапазон СВЧ включает в себя сигналы с длиной волны от 1 до 10 см. Следовательно, дискретные элементы будут представлять собой сверхмалые конденсаторы и отрезки проволоки. Во-вторых, возможно изготовление элементов с электрическими параметрами, соответствующими стандартным рядам, которые регламентированы ГОСТом 28884-90 «Ряды предпочтительных значений для резисторов и конденсаторов». В-третьих, изготовление дискретных элементов такого размера неизбежно влечет за собой большой разброс в электрических параметрах, что отрицательно сказывается на характеристике устройства. В-четвертых, изготовление систем на дискретных элементах предполагает ручную сборку, что так же оказывает отрицательное влияние в частности на параметры элементов и на характеристики устройства в целом. Поэтому ЧФ в диапазоне СВЧ реализуют в полосковом виде.

В настоящий момент в большинстве случаев реализация фильтров диапазона СВЧ осуществляется в виде гибридных интегральных схем (ГИС). В абсолютном большинстве случаев ГИС могут иметь либо полосковые, либо коаксиальные выводы, реже - выводы в виде прямоугольных волноводов. ГИС с полосковыми выводами (ПВ) выглядит следующим образом (Рисунок 1.8).

Рисунок 1.8 - ГИС

Цифре 1 соответствует интегральный элемент, цифре 2 - дискретный микротранзистор, цифре 3 - места сварки дискретных микроэлементов, цифре 4 - одиночный микротранзистор, цифре 5 - микроконденсатор, цифре 6 - ПВ, цифре 7 - коаксиальный вывод.

Несущей конструкцией ГИС с ПВ является плата из диэлектрика (возможно использование органических или неорганических диэлектриков), чаще всего используются неорганические диэлектрики, в частности, керамика на основе оксида алюминия - поликор (диэлектрическая проницаемость - 9.8; тангенс угла диэлектрических потерь - 0,0001). Керамика отличается высокой механической прочностью, твердостью, стабильностью размеров во времени и при воздействии технологических процессов изготовления полосковых устройств (воздействие кислот, щелочей, растворителей), допускается воздействие высокой температуры 1300°С при технологических процессах, диапазон рабочих температур - 60…+700°С. На одной или на обеих поверхностях платы методами электровакуумного напыления, фотолитографии и гальваники сформированы топологии проводящих и резистивных слоёв.[1]

Вакуумная технология обеспечивает получение пленок с заданными электрофизическими свойствами и хорошей адгезией. Сущность метода термического испарения в вакууме состоит в том, что при температуре, когда давление собственных паров испаряемого вещества значительно превышает давление остаточных газов, а тепловая энергия превышает силу сцепления между атомами, происходит термическое испарение материала. При этом в сторону подложки направляется прямолинейный молекулярный поток испаряемого вещества.

На рисунке 1.9 из испарителя 1 испаряемое вещество 2 осаждается на подложку 3 или на заслонку 4, контролирующую начало и окончание осаждения материала. Подложка подогревается с помощью нагревателя 5. Длина свободного пробега атомов испаряемого вещества в вакууме должна превышать расстояние между испарителем и подложкой.

Рисунок 1.9 - Подколпачное устройство установки термического испарения в вакууме

Во время испарения контролируются температура подложки, температура испарителя, скорость конденсации испаряемого вещества, толщина пленок, давление остаточных газов и т.д. Использование «карусели» подложек обеспечивает одновременную обработку нескольких подложек (от 6 до 150). Для увеличения равномерности и одновременного нанесения материала на обе стороны подложки разработаны системы вращения подложек по 2-3-м осям. Подложки подвергаются в вакуумных установках термической обработке (нагрев до 500°С) и очистке в тлеющем разряде (при давлении 13…1Па), что позволяет получать пленки с улучшенной адгезией. Методом вакуумного испарения получают токопроводящие, диэлектрические и резистивные слои.

Следующим этапом в формировании топологии является фотолитография. Литография - процесс, направленный на создание на поверхности подложки защитного (резистивного) рельефного изображения требуемой конфигурации. Литографический процесс включает в себя три основных операции: нанесение на подложку чувствительного к излучению вещества - резиста и сушка; экспонирование резиста путем воздействия на него актиничным излучением (ультрафиолетовое излучение); проявление скрытого изображения путем обработки в проявителях и получение резистивного рельефа. При изготовлении ГИС наиболее широко применяется контактная фотолитография. С помощью фотолитографических процессов формируют защитное рельефное изображение схемы с последующим переносом изображения на подложку.

Прежде чем приступить к фотолитографическим операциям, необходимо изготовить фотооригинал и фотошаблон. С помощью специального оборудования в зависимости от типа используемого фоторезиста изготавливают позитивный или негативный фотошаблон.

Действие актиничного ультрафиолетового излучения вызывает в фоторезисте фотохимические процессы, которые могут привести к повышению растворимости экспонированного участка (позитивные фоторезисты) или к уменьшению растворимости экспонированного участка (негативные фоторезисты).

Рисунок 1.10 - Схематическое изображение процесса экспонирования фоторезиста

На подложку 1 нанесен слой фоторезиста 2, через фотошаблон 4 фоторезист подвергнут действию излучения. В облученных областях 3 негативного фоторезиста (Рисунок 1.10 а) происходит реакция фотополимеризации. В результате проявления на подложке остается рельефное изображение 5, обладающее резистивными свойствами. На рисунке 1.10 б изображен процесс экспонирования позитивного фоторезиста, в облученных областях 3 которого происходит реакция фотолиза с образованием растворимых в проявителе веществ. После проявления на подложке остается рельефное изображение 5 облученного фоторезиста, обладающее защитными свойствами.

В состав фоторезистов входят фоточувствительные составляющие, пленкообразующие продукты и растворители. Взаимодействие компонентов системы определяются свойства фоторезистов.

Фоторезисты характеризуются следующими параметрами:

разрешающая способность - число полос фоторезиста, разделенных промежутками такой же ширины на 1 мм (число линий на миллиметр). Разрешающая способность является относительным критерием, так как зависит от толщины пленки фоторезиста и используемого фотолитографического оборудования.

светочувствительность - величина, обратная времени экспонирования, необходимого для перевода фоторезиста в растворимое (позитивные фоторезисты) или нерастворимое (негативные фоторезисты) состояние. Светочувствительность зависит от фотолитографического процесса и оборудования.

стойкость к воздействию агрессивных факторов оценивается по числу проколов (дефектов) в пленках фоторезиста на единицу площади при воздействии травителей на подложке (кислотостойкость, щелочестойкость ) или по числу проколов в пленке фоторезиста при электрическом осаждении металлов в окнах фоторезиста (гальваностойкость).

адгезия фоторезиста к подложке определяет уход размеров элементов в процессе проявления и подтравления при последующем травлении рельефа, характеризует возможность использования данного фоторезиста на определенном типе подложки. Адгезию можно оценить скоростью отслаивания полосков фоторезистивной пленки в ультразвуковой ванне или агрессивном травителе. Важной характеристикой является так же устойчивость к воздействию проявителя (в минутах), исключающая нарушение сформированного слоя при перепроявлении.

стабильность определяет воспроизводимость элементов минимальных размеров при использовании различных партий фоторезиста и при различном времени и условиях их хранения.

Существует несколько способов нанесения фоторезистов на подложку:

центрифугирование - растекание фоторезиста под действием центробежных сил;

вытягивание - нанесение фоторезиста окунанием (или погружением);

валковое нанесение или вальцевание используется при изготовлении печатных плат и сетчатых трафаретов в толстопленочной технологии. Этим способом наносят фоторезисты высокой вязкости;

ламинирование - накатка фоторезистивной пленки;

жидкие фоторезисты можно наносить методом пульверизации - распыления и электростатического нанесения.

После нанесения на подложку жидкие фоторезисты подвергаются сушке для удаления растворителя и окончательного формирования слоя фоторезиста, а так же для обеспечения большей адгезии между подложкой и фотослоем. От этой операции зависят время экспонирования и точность передачи размеров. Сушка позволяет фоторезисту выдержать действие сил деформации во время проявления. Наиболее распространена термическая сушка, температура и время которой подбирается в зависимости от марки фоторезиста и толщины нанесенного резистивного слоя.

Следующим этапом является процесс экспонирования - это формирование заданного рельефа в пленке фоторезиста с помощью фотошаблона под действием актиничного излучения. Операцию проводят на установках экспонирования и совмещения. Для позитивных фоторезистов теоретически можно получить элементы размером 0,5 мкм. Для негативных эта величина равна 4-5 мкм.

При использовании любого фоторезиста необходимо для каждой получаемой партии подбирать режим экспонирования и проявления. Время экспонирования для данного оборудования определяется точностью передачи размеров элементов с фотошаблона на фоторезист. С этой целью снимают характеристическую кривую точности передачи размеров в зависимости от времени проявления при фиксированном времени экспонирования и в зависимости от времени экспонирования при фиксированном времени проявления. При правильном подборе времени экспонирования край изображения должен быть четким, а Рисунок фоторезиста должен геометрически соответствовать рисунку фотошаблона.

Рисунок 1.11 - Схематическое изображение рельефа для негативного (а) и позитивного (б) фоторезистов

Цифре 1 соответствует правильно подобранное время экспонирования, цифре 2 - недостаточное время экспонирования, цифре 3 - завышенное время экспонирования. При контроле в случае 2 наблюдается размытость края фоторезиста, в случае 3 - двойной край (клин фоторезиста).

Химико-фотографическая обработка проводится при погружении в раствор проявителя, выдержке в парах или с помощью струйных установок, снабженных форсунками для распыления проявителя. Для тонких слоев фоторезиста достаточна обработка в неподвижной ванне при движении проявителя относительно слоя фоторезиста. Время проявления слоя зависит от его толщины. После проявления платы промываются в проточной воде под давлением порядка 0,14 МПа, так как гидрофобный растворитель удаляется с платы при механическом воздействии воды.

Вторая сушка (задубливание) в виде термообработки фотослоя позволяет удалить проявляющий растворитель и улучшить адгезию к подложке. Сушка проводится в интервале температур 110…180°С. От температуры, характере ее изменения и времени сушки зависит точность передачи размеров изображения. При термозадубливании могут исказиться размеры элементов защитной полимерной маски по сравнению с фотошаблоном, что особенно сказывается при толщине фоторезиста более 0,8 мкм. Для точной передачи малых размеров (1…2 мкм) во избежание оплывания краев фотослоя рекомендуется применять плавное или ступенчатое повышение температур. Примерный режим обработки позитивных фоторезистов : 10…15 мин выдержка после проявления, сушка 110..130°С 30 мин, затем сушка 150…180°С не менее 30 мин. Позитивные фоторезисты можно длительно термообрабатывать при высоких температурах. Ограничивающим фактором является окисление пленочных слоев схемы и сложность удаления задубленного фоторезиста. Для негативных жидких фоторезистов рекомендован следующий режим сушки: 100…120°С в течение 15…20 мин и 160…180°С в течении 10…15 мин. Для жидких и пленочных фотополимеризующихся композиций операция второй сушки (термозадубление) исключается. Вторая сушка фотослоя может производиться обработкой инфракрасными лучами и в СВЧ сушильных печах. После теромзадубливания фоторезиста производится травление рельефа платы или электролитическое наращивание в окнах сформированной защитной полимерной маски.

После этого необходимо удалить фотослой. Различают два способа: мокрый (жидкий) и сухой (плазмохимический). При мокром способе фотослой удаляется в жидкостях: кислотах, щелочных растворах, органических растворителях. Применение различных составов для снятия фоторезистов определяется степенью его термозадубливания. Мокрые способы удаления фоторезиста с использованием окисляющих сред и различных растворителей имеют недостатки: большая трудоемкость, загрязнение подложек продуктами реакции, зависимость процессов от режимов термозадубливания фоторезистов.

Сухой способ удаления фоторезиста основан на его плазмохимическом травлении в кислородосодержащей атмосфере с добавками азота 1…10% и общем давлении ?1 Па или в кислородной плазме ВЧ разряда. Метод может быть с успехом применен для удаления негативных и позитивных фоторезистов с образованием легколетучих продуктов.

Электролитическое (гальваническое) осаждение металлов основано на электролизе растворов под действием электрического тока и осаждения металла на аноде. В интегральных схемах методом электролитического осаждения изготавливают токопроводящие элементы схемы (Cu, Ag) и защитные антикоррозионные покрытия (Ni, Au, Sn-Bi, Sn-Co и др.).

В зависимости от технологии осаждение слоя металла проводится по всей поверхности подложки (субтрактивная технология) по сформированному рисунку схемы, соединенному в единую электрическую цепь с помощью технологических перемычек (усиление сформированного медного рельефа, осаждение защитных покрытий); в окнах резистивной защитной маски предварительно нанесенный токопроводящий подслой используется в качестве электрического контакта (полуаддитивная технология). Равномерность нанесения электролитических покрытий зависит от геометрических и электрохимических условий их осаждения. Для улучшения электрохимических условий применяют электролиты с высокой рассеивающей способностью. При заниженных плотностях тока возможно утоньшение покрытия в середине платы, при завышенных плотностях тока - образование утолщений и шероховатостей на углах и торцах платы. В качестве анодов могут применяться растворимые аноды, состоящие из осаждаемого металла (проводящий слой платы обычно служит катодом). Для предотвращения зашламления ванны аноды неблагородных металлов помещают в защитные чехлы. При электрической проработке свежеприготовленного электролита аноды загружают на всю глубину ванны, электролит перемешивают. При рабочем режиме ванны глубина погружения плат должна быть несколько ниже глубины погружения анодов для обеспечения равномерности осаждения. Равномерность осаждения металлического слоя по поверхности платы повышается при тщательном подборе соотношения площади анода-катода, расстояния анода-катода и при оптимальном взаиморасположении металлизируемых подложек (катода) и анода (вертикальном, горизонтальном).

После формирования топологического рисунка на плате, на одной или на обеих поверхностях платы могут быть смонтированы различные электрорадиоэлементы: чип-резисторы, чип-конденсаторы, корпусированные и бескорпусные транзисторы, диоды, индуктивности и т.д. Монтаж осуществляется методами пайки, контактной сварки, термозвуковой компрессии, приклейкой проводящими и изолирующими клеями. ГИС с ПВ (до 10-ти и более) могут быть объединены в одном герметизируемом корпусе с коаксиальными выводами. Такие конструкции принято называть ГИС с коаксиальными выводами (ГИС с КВ).

Такая конструктивная реализация фильтров имеет недостатки: достигнуты минимально возможные габаритные размеры, паразитная полоса пропускания на удвоении средней частоты.

Решить проблемы возможно переходом на изготовление фильтров с применением многослойной технологии.