Технологии и научно-технологический комплекс для проведения разработок и производства СВЧ-приборов на основе кремния (Si), арсенид-галлия (GaAs), фосфида индия (InP) и тринитридов (GaN, GaAlN, GaІnN, InSb)

В НИИ «Орион» сформирован и эффективно действует технологический комплекс, который обеспечивает оперативное изготовление кремниевых и арсенид-галлиевых СВЧ-диодов, а также СВЧ-модулей на их основе начиная от химобработки кремниевых и арсенид-галлиевых пластин до комплексных испытаний готовых изделий. Производственно-технологическая база предприятия позволяет создавать высококачественные активные и пассивные СВЧ-приборы, модули и компоненты, а также многофункциональные устройства на их основе, совокупность которых составляет компонентную базу для создания радиоэлектронной аппаратуры миллиметрового диапазона длин волн (8-, 5-, 3- и 2-мм).

В НИИ «Орион» начиная с 1970 г. и по настоящее время разрабатываются кремниевые и арсенид-галлиевые активные и пассивные элементы миллиметрового диапазона (кремниевые ІМРАТТ корпусированные переключательные диоды, варикапы, кремниевые распределенные pin-диоды, арсенид-галлиевые диоды Ганна) и СВЧ-устройства на их основе. За этот период ведущими специалистами НИИ «Орион» были решены фундаментальные вопросы оптимизации конструкции диодов, вопросы трансформации импеданса диодов, созданы параметрические ряды диодов и широкая номенклатура СВЧ-устройств на их основе, организовано их промышленное производство.

При разработке базовых технологий проводятся комплексные исследования и оптимизации физико-технологических основ производства кремниевых и арсенид-галлиевых СВЧ-диодов, направленные на обеспечение высоких энергетических и надёжностных характеристик, а также организацию их мобильного производства в условиях рыночной экономики.

Разработки проведены по следующим направлениям:

    • Оптимизация профиля легирования и конфигурации мезаструктур. Работы в этом направлении проводились методами математического и конструкторско-технологического моделирования. На основе разработанной в НИИ "Орион" локально-полевой модели и алгоритмов авторами проведено моделирование работы ІМРАТТ-диодов р+-р-n-n+ и р+-n-n+ типа 2, 4, 5 и 8 мм диапазонах в непрерывном режиме работы. Созданы прикладные пакеты информации с импедансными характеристиками диодов для разных режимов работы, а также определены условия достижения максимальных значений мощности и эффективности при заданных тепловых режимах активной области. Полученные данные используются для проектирования диодов и СВЧ-устройств, на их основе.
    • Создание и комплексные исследования высокостабильных контактных систем к кремниевым и арсенид-галлиевым мезаструктурам. Разработки были направлены на создание контактных систем, которые обеспечивают минимальное контактное электрическое и тепловое сопротивление, стабильных при длительной эксплуатации (при температуре 200-250°С) и совместимых с технологическими процессами изготовления мезаструктур и сборки диодов. Изучались многослойные контактные системы с барьерным слоем на основе Рt, Pd а также боридов тугоплавких металлов (TiВ2, ZrВ2). Исследование проводилось с применением современных методов электронной микроскопии, ионной и Оже-спектроскопии. Определён характер взаимодействия, и термостабильность контактных систем к кремниевым слоям в интервале температур 300-800°С. На основе комплексных исследований определены наиболее перспективные контактные системы на основе Рd, Pt, TiВ2, ZrВ2, которые применяются в настоящее время в производстве кремниевых и арсенид-галлиевых СВЧ-диодов, изготавливаемых в НИИ "Орион".
    • Комплексные физико-химические исследования формирования кремниевых и арсенид-галлиевых мезаструктур. Исследованы механические напряжения и дефекты микроструктур, возникающие в активных слоях диодов на протяжении технологического маршрута при формировании эпитаксиальных р, n слоёв, диффузионного р+-слоя, контактных систем, интегрального теплоотвода, при формировании мезаструктуры. Оптимизированы технологические режимы по технологическим маршрутам изготовления мезаструктур. Определены критерии качества мезаструктур, разработаны и внедрены в производство методы контроля.
    • Технологический цикл обеспечивает создание на интегральном теплоотводе мезаструктур с диаметрами от 15 до 300 мкм. Характерные значения удельного сопротивления на границе контактных систем с кремнием, арсенид-галлием и адгезионная прочность составляют 2-4×10-6 Ом×см2 и 350-400 кг/см2 соответственно.

    • Определение термостабильности контактов, мезаструктур и надежности диодов. Изучены термостабильности контактных систем при воздействии температур в интервале 300-800°С, характерном для кратковременных перегрузок (30-60 сек). Исследованы термостабильности со временем воздействия, характерным для выполнения технологических операций (30-60 мин) в интервале температур 300-450°С и длительностью воздействия (102-103 часов), в интервале температур 250-300°С моделирующие длительную эксплуатацию приборов, проводились на мезаструктурах с интегральным теплоотводом. Получена информация о процессах, происходящих на границе металл-полупроводник при повышенных температурах, взаимодействии между слоями контактной системы при выполнении технологических операций, термостабильности системы кремниевые и арсенид-галлиевые слои толщиной 10 мкм на интегральном теплоотводе толщиной 30-100 мкм, а также при испытаниях в ускоренных режимах. На основе этих данных определены критические точки в технологических маршрутах изготовления мезаструктур, сборке, испытаниях и эксплуатации диодов для высоконадежных контактных систем.
    • Полученные результаты используются для разработок технологических маршрутов изготовления чипов СВЧ диодов с заданными электрическими и надёжностными характеристиками.

    • Оптимизация операций сборки СВЧ диодов в корпус и СВЧ ИС.
    • Исследованы термомеханические воздействия на мезаструктуру, электрофизические и тепловые характеристики. Определена нижняя граница температур и давлений микросварочных инструментов, в которой не возникают микро и макродефекты. Для оценки качества микросварных соединений разработаны и используются микромеханические методы контроля прочности верхних контактов на обрыв (1-20 г) среза кристалла (0,3-1,0 кг), диэлектрических втулок (0,5-10 кг).

      Разработаны техпроцессы сборки диодов мезаструктур кремниевых и арсенид-галлиевых диодов с диаметрами от 15 до 300 мкм в металлодиэлектрические корпуса с использованием втулок внешним диаметром от 0,4 до 1,9 мм, а также сборки диодов с использованием миниатюрных кварцевых опор. Разработаны также технологии сборки элементов СВЧ ИС в виде чипов генераторно-усилительных модулей. Разработанные технологии микросборочных операций включающие методы контроля качества выполнения техпроцессов обеспечивают высокий уровень надёжности диодов при стендовых испытаниях и в процессе их эксплуатации в составе аппаратуры.

    • В НИИ "Орион" организовано гибкое производство кремниевых СВЧ-диодов и СВЧ-модулей на их основе. С учётом реального спроса и сроков выполнения заказов произведена модернизация технологических линий типа Лада для химобработки полупроводниковых пластин и травления металлов (рис 1), Электроника 125 укомплектована установками совмещения и экспонирования 2104-01, ЭМ576 (рис. 2), напылительных комплексов с безмасленными средствами откачки (рис. 3), прецизионной термообработки и диффузии, укомплектованная печами типа СДОМ, Цензор (рис. 4), линия микрогальваники на базе установок Лада (рис. 5) сориентированы на снижение энергоёмкости техпроцессов и дополнения технологических линий оборудованием, обеспечивающим высокую степень автономности и мобильности производства. Разработаны и изготовлены промышленные установки для сборки диодов в миниатюрные металло-рубиновые и металло-кварцевые корпуса (рис. 6), разработаны и созданы оборудование и оснастка для формирования тонких кремниевых мембран и выполнения техпроцессов с ними по технологическим маршрутам изготовления диодов. Созданы стенды контроля параметров диодов, собранных в металлодиэлектрические корпуса (рис. 7), которые гарантируют высокое качество и надежность компонентов созданных на основе кремниевых и арсенид-галлиевых СВЧ-диодов.

    Рис. 1. Фрагменты технологической линии химобработки и травления полупроводниковых пластин на базе установок Лада.

    Рис. 2. Фрагменты технологической линии фотолитографии «Электроника 125» укомплектованная установками совмещения и экспонирования 2104-01

    Рис. 3. Фрагменты технологической линии напыления многослойных контактов на базе модернизированных напылительных комплексов с безмасляными средствами откачки типа УРМ3.263.060.

    Рис. 4. Фрагменты технологической линии прецизионной термообработки (диффузионная печь СДО-125/3-12,0).

    Рис. 5. Фрагмент технологической линии микрогальваники на базе установок Лада.

    Рис. 6. Фрагмент технологической линии сборки кремниевых СВЧ-диодов в металлодиэлектрические корпуса.

    Рис. 7. Фрагмент технологической линии термо-электротренировки СВЧ диодов.

В настоящее время в НИИ «Орион» сформирован технологический комплекс, который обеспечивает оперативное изготовление кремниевых и арсенид-галлиевых СВЧ-диодов и СВЧ-модулей на их основе начиная от химобработки кремниевых и арсенид-галлиевых пластин до комплексных испытаний готовых изделий.

В технологических подразделениях НИИ «Орион» создана автоматизированная система проектирования конструкторской и технологической документации на СВЧ-диоды, фотошаблоны, элементы СВЧ интегральных схем и СВЧ-устройств. С помощью этой системы разрабатывается конструкторская и технологическая документация на все типы кремниевых и арсенид-галлиевых СВЧ-диодов, элементы СВЧ ИС и СВЧ-модулей разного назначения на их основе.