eng
Выпуск #5/2013
В.Кочемасов, С.Хорев
Продукция компании Ion Beam Milling. Краткий обзор
Продукция компании Ion Beam Milling. Краткий обзор
Просмотры: 2606
Рассказывается о технологии фрезерования ионным пучком (сухом ионном травлении) фирмы Ion Beam Milling (США), продукция которой, изготовленная по этой технологии, удовлетворяет требованиям военных и космических стандартов США.
Компания Ion Beam Milling (IBM, www.ionbeammilling.com) была основана в 1982 году супругами Куаган (Quagan). Свое имя получила по названию широко используемой ею технологии ионного травления – с самого начала деятельности компании основным направлением стала технология тонких пленок. Первоначальным капиталом послужили средства Научного содружества Александрии (Вирджиния, США). Через три года супруги Куаган выкупили контрольный пакет акций и получили полный контроль над компанией. В настоящее время IBM – ведущая компания в области применения технологии фрезерования ионным пучком при производстве электронных компонентов со штаб-квартирой в Манчестере (Нью-Гэмпшир, США).
Изготовление продукции компании IBM
Существуют разные технологии изготовления ВЧ- и СВЧ-устройств, но только две из них обеспечивают точную реализацию расчетных размеров и параметров – химическое травление (фотолитография) и сухое ионное травление.
При химическом травлении участки подложки, которые требуется сохранить, покрываются защитным слоем – фоторезистом. Затем подложка помещается в ванну со специальным составом, растворяющим незащищенные участки. Этот метод – изотропический; его недостаток заключается в том, что раствор для травления действует и на защищенные участки, затекая под фоторезистивный слой (так называемый подтрав (undercut), рис.1). При этом изменяются волновое сопротивление полосковых линий и характеристики всего изделия. Подтрав не очень заметен при относительно широких токопроводящих линиях, но становится критичным при формировании узких проводников – от степени подтрава прямо зависит разрешающая способность процесса. Кроме этого, фотолитография не обеспечивает высокой повторяемости процесса, а некоторые материалы, например, платина, несовместимы с составами для травления.
Альтернативой фотолитографии является метод сухого ионного травления, называемый также методом фрезерования ионным пучком (ion beam milling). При ионном травлении, как и в случае фотолитографии, сохраняемые участки металлизации подложки покрываются фоторезистом. Однако это покрытие обеспечивает защиту поверхности в течение всего времени травления, которое может составлять 4 ч и более (в зависимости от материала и размеров обрабатываемой поверхности).
Травление происходит в камере для ионного фрезерования (рис.2). Сфокусированный электромагнитным полем пучок ионов аргона проходит через оптическую выравнивающую решетку и бомбардирует подложку, установленную на вращающемся охлаждаемом основании. Нейтрализующая решетка предотвращает накопление положительного заряда на рабочем основании. В результате обеспечивается однородное удаление лишнего материала и ровные срезы без подтрава с нулевым подрезанием кромок (см. рис.1). Ионное фрезерование отличается точностью, полной идентичностью и повторяемостью процесса. Этот метод также универсален с точки зрения применяемых материалов.
Компания IBM проводит также все необходимые подготовительные процессы, в том числе нарезание пластин из полупроводниковых заготовок и иных материалов. Применяемый в компании программируемый полуавтомат для резки алмазными дисками Disco DAD321 оснащен микроскопом и видеокамерой, благодаря чему обеспечивается высокая точность резки. Устройство позволяет работать с заготовками диаметром до 150 мм и резать большинство материалов, используемых компанией в производстве, – стекло, оксиды бериллия, кварц, нитрид алюминия, корунд, арсенид галлия, высокочастотную керамику и т.д. Стандартная толщина пластины – 300 мкм, для некоторых материалов она может быть уменьшена до 50 мкм.
Продукция компании IBM
Вся продукция удовлетворяет требованиям военных стандартов, т.е. относится к классу H. Индуктивности и аттенюаторы могут выпускаться и в космическом исполнении (класс K). Эти изделия сертифицируются в соответствии со стандартами MIL-STD-883 и MIL-PRF-38534 и проходят в процессе изготовления многочисленные испытания (см. таблицу). Количество тестируемых образцов и порядок их отбора при каждом испытании определяются стандартами.
Аттенюаторы и согласующие элементы класса K (Space Attenuators, рис.3). Компания IBM выпускает микрополосковые СВЧ-аттенюаторы в космическом исполнении с габаритами 2,5×2×0,25 мм, погрешностью 0,05 мм по длине и ширине и 0,01 мм – по толщине. Производятся аттенюаторы с ослаблением сигнала в диапазоне 1–20 дБ с шагом в 1 дБ с рабочими частотами 0–26,5 ГГц. Неравномерность ослабления в диапазоне до 18 ГГц не превышает 0,3 дБ. КСВН в диапазоне до 12,4 ГГц равен 1,20:1, для частот 12,5–18,0 ГГц – 1,30:1, для частот 18,1–26,5 ГГц – 1,40:1. Металлизация выполняется никелем, соединениями титана или тантала с покрытием из золота толщиной 120 мкм.
Спиральные индуктивности в интегральном исполнении класса K (Space Inductors, рис.4) для условий космоса изготовлены на основе кварца или корунда, что позволяет применять их для точной настройки и подстройки сверхвысокочастотных усилителей, переключателей и умножителей. Стандартные размеры индуктивностей – 0,635×0,635×0,381 мм. Они могут применяться на частотах до 18 ГГц. Толщина полосков и зазоров не превышает 10 мкм. Металлизация выполняется титаном, платиной или золотом с обеих сторон. В зависимости от номинала индуктивности они могут иметь от 1 до 20 витков.
Микрополосковые передающие линии на подложке из корунда (рис.5) для применения в ВЧ- и СВЧ-устройствах с волновым сопротивлением 50 Ом. В зависимости от частоты ширина полоска составляет 0,118–0,635 мм, а толщина – 0,127–0,635 мм с погрешностью ±0,0254 мм. Полосковые линии выпускаются на рабочие частоты до 30 ГГц с потерями на прохождение 0,006–0,662 дБ в зависимости от частоты и толщины подложки.
Микрополосковые СВЧ-фильтры (рис.6) самого разного назначения – фильтры высокой и низкой частоты, полосовые пропускающие и заградительные фильтры, в том числе с исключительно узкими полосами пропускания или подавления. Технология ионного фрезерования позволяет получить ширину проводников и зазоров между ними менее 10 мкм, что обеспечивает исключительно высокую повторяемость характеристик этих фильтров.
Ответвители Ланге относятся к микроволновым устройствам общего назначения и могут применяться в самых разных СВЧ-устройствах – в усилителях, смесителях, модуляторах сигналов и т.д. В общем виде ответвители Ланге компании IBM представляют собой устройства с четырьмя портами (рис.7). В зависимости от конфигурации ответвитель может иметь от четырех до восьми внутренних конфигурирующих полосков. Ширина полосков и зазоров – не больше 10±1 мкм.
При производстве однослойных конденсаторов в качестве подложки применяются корунд чистотой 99,6%, оксид бериллия или нитрид алюминия толщиной 0,381, 0,25 или 0,127 мм с погрешностью ±0,0127 мм. Двухсторонняя металлизация выполняется титаном, платиной или золотом. Резонансная частота последовательного контура для конденсаторов номиналом менее 1 пФ – более 30 ГГц, номиналом 1–2 пФ – более 22 ГГц. Напряжение пробоя – более 100 В. Все конденсаторы имеют на верхней поверхности зазор шириной 5 мкм для предотвращения спаивания при монтаже пайкой или затекания эпоксидной смолы при герметизации (рис.8).
Микрополосковые чип-резисторы в интегральном исполнении (рис.9) производятся как на малые, так и на большие мощности и имеют низкий ТКС. В качестве резистивного материала применяется нитрид тантала, который пассивируется пентаксидом тантала, если предполагается работа резистора на открытом воздухе. Подложка изготавливается из нитрида алюминия или оксида бериллия, в особых случаях – из химического алмаза. Стандартный размер отдельного чип-резистора или резистивной сборки – 0,5×0,5 мм.
Подложки для равномерного распределения тепла. Эта категория устройств компании IBM предназначена для эффективного отвода тепла от мощных полупроводниковых диодов, в том числе и лазерных. Вафельная конструкция подложек и применяемые материалы обеспечивают длительную работоспособность устройств на основе арсенида галлия или кремния, а также предотвращают преждевременный выход из строя полосковых линий из-за отслоения проводящего слоя и разрушения диэлектрика при перегреве (рис.10).
Для разработчиков СВЧ-изделий компания IBM выпускает инженерные наборы (Engineering Kits) аттенюаторов, спиральных индуктивностей и микрополосковых линий передачи. Набор аттенюаторов содержит 45 образцов с ослаблением от 1 до 20 дБ на кварцевой подложке толщиной 0,025 мм. Набор спиральных индуктивностей включает 50 образцов размером 0,064×0,064×0,038 мм и пятью значениями индуктивности с 2,5, 3,5 и 4,5 витками. Наборы микрополосковых линий передачи выпускаются в семи вариантах с различными образцами. ●
Изготовление продукции компании IBM
Существуют разные технологии изготовления ВЧ- и СВЧ-устройств, но только две из них обеспечивают точную реализацию расчетных размеров и параметров – химическое травление (фотолитография) и сухое ионное травление.
При химическом травлении участки подложки, которые требуется сохранить, покрываются защитным слоем – фоторезистом. Затем подложка помещается в ванну со специальным составом, растворяющим незащищенные участки. Этот метод – изотропический; его недостаток заключается в том, что раствор для травления действует и на защищенные участки, затекая под фоторезистивный слой (так называемый подтрав (undercut), рис.1). При этом изменяются волновое сопротивление полосковых линий и характеристики всего изделия. Подтрав не очень заметен при относительно широких токопроводящих линиях, но становится критичным при формировании узких проводников – от степени подтрава прямо зависит разрешающая способность процесса. Кроме этого, фотолитография не обеспечивает высокой повторяемости процесса, а некоторые материалы, например, платина, несовместимы с составами для травления.
Альтернативой фотолитографии является метод сухого ионного травления, называемый также методом фрезерования ионным пучком (ion beam milling). При ионном травлении, как и в случае фотолитографии, сохраняемые участки металлизации подложки покрываются фоторезистом. Однако это покрытие обеспечивает защиту поверхности в течение всего времени травления, которое может составлять 4 ч и более (в зависимости от материала и размеров обрабатываемой поверхности).
Травление происходит в камере для ионного фрезерования (рис.2). Сфокусированный электромагнитным полем пучок ионов аргона проходит через оптическую выравнивающую решетку и бомбардирует подложку, установленную на вращающемся охлаждаемом основании. Нейтрализующая решетка предотвращает накопление положительного заряда на рабочем основании. В результате обеспечивается однородное удаление лишнего материала и ровные срезы без подтрава с нулевым подрезанием кромок (см. рис.1). Ионное фрезерование отличается точностью, полной идентичностью и повторяемостью процесса. Этот метод также универсален с точки зрения применяемых материалов.
Компания IBM проводит также все необходимые подготовительные процессы, в том числе нарезание пластин из полупроводниковых заготовок и иных материалов. Применяемый в компании программируемый полуавтомат для резки алмазными дисками Disco DAD321 оснащен микроскопом и видеокамерой, благодаря чему обеспечивается высокая точность резки. Устройство позволяет работать с заготовками диаметром до 150 мм и резать большинство материалов, используемых компанией в производстве, – стекло, оксиды бериллия, кварц, нитрид алюминия, корунд, арсенид галлия, высокочастотную керамику и т.д. Стандартная толщина пластины – 300 мкм, для некоторых материалов она может быть уменьшена до 50 мкм.
Продукция компании IBM
Вся продукция удовлетворяет требованиям военных стандартов, т.е. относится к классу H. Индуктивности и аттенюаторы могут выпускаться и в космическом исполнении (класс K). Эти изделия сертифицируются в соответствии со стандартами MIL-STD-883 и MIL-PRF-38534 и проходят в процессе изготовления многочисленные испытания (см. таблицу). Количество тестируемых образцов и порядок их отбора при каждом испытании определяются стандартами.
Аттенюаторы и согласующие элементы класса K (Space Attenuators, рис.3). Компания IBM выпускает микрополосковые СВЧ-аттенюаторы в космическом исполнении с габаритами 2,5×2×0,25 мм, погрешностью 0,05 мм по длине и ширине и 0,01 мм – по толщине. Производятся аттенюаторы с ослаблением сигнала в диапазоне 1–20 дБ с шагом в 1 дБ с рабочими частотами 0–26,5 ГГц. Неравномерность ослабления в диапазоне до 18 ГГц не превышает 0,3 дБ. КСВН в диапазоне до 12,4 ГГц равен 1,20:1, для частот 12,5–18,0 ГГц – 1,30:1, для частот 18,1–26,5 ГГц – 1,40:1. Металлизация выполняется никелем, соединениями титана или тантала с покрытием из золота толщиной 120 мкм.
Спиральные индуктивности в интегральном исполнении класса K (Space Inductors, рис.4) для условий космоса изготовлены на основе кварца или корунда, что позволяет применять их для точной настройки и подстройки сверхвысокочастотных усилителей, переключателей и умножителей. Стандартные размеры индуктивностей – 0,635×0,635×0,381 мм. Они могут применяться на частотах до 18 ГГц. Толщина полосков и зазоров не превышает 10 мкм. Металлизация выполняется титаном, платиной или золотом с обеих сторон. В зависимости от номинала индуктивности они могут иметь от 1 до 20 витков.
Микрополосковые передающие линии на подложке из корунда (рис.5) для применения в ВЧ- и СВЧ-устройствах с волновым сопротивлением 50 Ом. В зависимости от частоты ширина полоска составляет 0,118–0,635 мм, а толщина – 0,127–0,635 мм с погрешностью ±0,0254 мм. Полосковые линии выпускаются на рабочие частоты до 30 ГГц с потерями на прохождение 0,006–0,662 дБ в зависимости от частоты и толщины подложки.
Микрополосковые СВЧ-фильтры (рис.6) самого разного назначения – фильтры высокой и низкой частоты, полосовые пропускающие и заградительные фильтры, в том числе с исключительно узкими полосами пропускания или подавления. Технология ионного фрезерования позволяет получить ширину проводников и зазоров между ними менее 10 мкм, что обеспечивает исключительно высокую повторяемость характеристик этих фильтров.
Ответвители Ланге относятся к микроволновым устройствам общего назначения и могут применяться в самых разных СВЧ-устройствах – в усилителях, смесителях, модуляторах сигналов и т.д. В общем виде ответвители Ланге компании IBM представляют собой устройства с четырьмя портами (рис.7). В зависимости от конфигурации ответвитель может иметь от четырех до восьми внутренних конфигурирующих полосков. Ширина полосков и зазоров – не больше 10±1 мкм.
При производстве однослойных конденсаторов в качестве подложки применяются корунд чистотой 99,6%, оксид бериллия или нитрид алюминия толщиной 0,381, 0,25 или 0,127 мм с погрешностью ±0,0127 мм. Двухсторонняя металлизация выполняется титаном, платиной или золотом. Резонансная частота последовательного контура для конденсаторов номиналом менее 1 пФ – более 30 ГГц, номиналом 1–2 пФ – более 22 ГГц. Напряжение пробоя – более 100 В. Все конденсаторы имеют на верхней поверхности зазор шириной 5 мкм для предотвращения спаивания при монтаже пайкой или затекания эпоксидной смолы при герметизации (рис.8).
Микрополосковые чип-резисторы в интегральном исполнении (рис.9) производятся как на малые, так и на большие мощности и имеют низкий ТКС. В качестве резистивного материала применяется нитрид тантала, который пассивируется пентаксидом тантала, если предполагается работа резистора на открытом воздухе. Подложка изготавливается из нитрида алюминия или оксида бериллия, в особых случаях – из химического алмаза. Стандартный размер отдельного чип-резистора или резистивной сборки – 0,5×0,5 мм.
Подложки для равномерного распределения тепла. Эта категория устройств компании IBM предназначена для эффективного отвода тепла от мощных полупроводниковых диодов, в том числе и лазерных. Вафельная конструкция подложек и применяемые материалы обеспечивают длительную работоспособность устройств на основе арсенида галлия или кремния, а также предотвращают преждевременный выход из строя полосковых линий из-за отслоения проводящего слоя и разрушения диэлектрика при перегреве (рис.10).
Для разработчиков СВЧ-изделий компания IBM выпускает инженерные наборы (Engineering Kits) аттенюаторов, спиральных индуктивностей и микрополосковых линий передачи. Набор аттенюаторов содержит 45 образцов с ослаблением от 1 до 20 дБ на кварцевой подложке толщиной 0,025 мм. Набор спиральных индуктивностей включает 50 образцов размером 0,064×0,064×0,038 мм и пятью значениями индуктивности с 2,5, 3,5 и 4,5 витками. Наборы микрополосковых линий передачи выпускаются в семи вариантах с различными образцами. ●
Отзывы читателей
