5.2. Технологические процессы изготовления тонкопленочных гимс

Совокупность технологических операций, составляющих ТП изготовления тонкопленочных ГИМС, включает в себя:

- подготовку поверхности подложки;

- нанесение пленок на подложку и формирование конфигураций пленочных элементов;

- монтаж и сборку навесных компонентов;

- защиту и герметизацию;

- контроль, подгонку и испытания.

Важнейшей задачей технологической подготовки производства является изготовление комплекта масок и фотошаблонов.

Для формирования рисунка тонкопленочных интегральных микросхем применяют два основных метода: масочный и фотолитографический, а также электронно-лучевой, лазерный и их сочетание.

При масочном методе элементы схемы выполняются из нескольких слоев проводящих и изолирующих пленок, напыляемых в вакууме через соответствующие маски.

Рекомендуемая последовательность: напыление резисторов; напыление проводников и контактных площадок; межслойная изоляция; второй слой проводников (пересечения); нижние обкладки конденсаторов; диэлектрик конденсаторов; верхние обкладки конденсаторов; защитный слой.

Метод находит широкое применение в мелкосерийном и серийном производстве. Точность изготовления резисторов и конденсаторов ± 10%.

При фотолитографическом методе большая часть внутрисхемных соединений вытравливается на предварительно осажденной пленке, а осаждение пленок через соответствующие трафареты применяется только для выполнения перекрестных соединений и изоляции между ними.

Метод позволяет получить конфигурацию элементов любой сложности, имеют большую точность, но более сложный, так как включает ряд прецизионных операций. Особенность метода: процессы нанесения пленок и формирования пленочных элементов разделены во времени.

Существует несколько разновидностей метода.

Метод прямой фотолитографии:

- нанесение сплошной пленки материала тонкопленочного элемента (резистивный слой);

- формирование на поверхности пленки фоторезистивной контактной маски;

- экспонирование фоторезиста;

- травление материала, не защищенного фоторезистом;

- нанесение следующего слоя материала пленки (например, меди для проводников и контактных площадок);

- повторение процесса фотолитографии;

- нанесение защитного слоя.

Метод обратной фотолитографии отличается от предыдущего тем, что сначала на подложке формируется контактная маска, затем формируется пленочный элемент, после чего удаляют контактную маску.

Фотолитография широко применяется в серийном производстве, точность изготовления резисторов ± 1%.

Комбинированный метод – он совмещает масочный и фотолитографию. Например, напыляют резисторы через маску, а проводники и контактные площадки изготавливают методом фотолитографии. Метод позволяет получать высокую точность изготовления пленочных элементов, обладает большой гибкостью. Точность изготовления резисторов ± 1%, конденсаторов ± 5%.

Для изготовления масок применяют методы фототравления стекла, электроискровой обработки металлов и обычной механической обработки. При фототравлении стеклянных масок соответствующее фотоизображение вытравливается на стекле специальной камеры с высокой точностью с помощью специального оборудования.

Маски, полученные методом электроискровой обработки, наиболее пригодны для получения сложного многократно повторяющегося изображения (например, матрицы сопротивлений). При этом методе металлическая заготовка маски погружается в электролит и зрозирующая электрическая дуга, сканируя от головки шаблона к изделию, воспроизводит форму шаблона. Минимальный износ инструмента и общая точность всего устройства допускают точное и многократное воспроизведение изображения.

Применение металлических масок, изготовленных обычной механообработкой, ограничивается вследствие меньшей точности изготовления.

Трафареты должны удовлетворять следующим требованиям:

- иметь тонкие прорези (щели) шириной до 10^-4 м с точностью изготовления 5∙10^-5 м, прорези должны иметь четкие контуры без шероховатостей, видимые при 50 кратном увеличении;

- обладать достаточной жесткостью и упругостью, но быть при этом достаточно тонкими, чтобы не было при напылении теней и полутеней;

- иметь минимальные неровности в плоскости трафарета для плотного прилегания к подложке;

- выдерживать высокую температуру при высоком разряжении;

- материал трафаретов должен иметь низкое давление собственных паров и обладать минимальной газоотдачей.

Основными материалами для изготовления трафаретов являются медь, латунь, пермаллой, нержавеющая сталь, тантал, молибден, инвар, бериллиевая бронза, покрытая тонким слоем никеля.

МЕТОДЫ НАНЕСЕНИЯ ТОНКИХ ПЛЕНОК

Нанесение тонких пленок на подложку осуществляется следующими способами:

- термическое испарение материалов в вакууме с конденсацией паров этих материалов на поверхности подложки;

- ионным распылением мишеней из наносимых материалов с переносом атомов мишеней на поверхность подложки;

- химическим осаждением пленок в результате протекания химических реакций.

Термическое вакуумное напыление тонких пленок.

Схема установки приведена на рис. 5.5. Рабочая камера вакуумной установки представляет собой цилиндрический металлический или стеклянный колпак 1, который устанавливается на опорной плите 6. Между колпаком и плитой находится упругая прокладка 5, обеспечивающая вакуумно-плотное соединение. Внутри рабочей камеры расположены подложка 3, которая закрепляется на держателе, не показанном на рисунке, нагреватель подложки 2 и испаритель 4 для нагрева испаряемого вещества электрическим током. Между испарителем и подложкой устанавливается заслонка 8, позволяющая в нужный момент прекращать попадание испаряемого вещества на подложку 3. Воздух из рабочей камеры откачивается вакуумным насосом.

При нагревании вещества кинетическая энергия его атомов и молекул возрастает и становится достаточной для того, чтобы они оторвались от поверхности и распространились в окружающем пространстве. С повышением температуры, энергия увеличивается и количество молекул, оторвавшихся от поверхности, и долетевших до подложки также увеличивается. На распространение паров испаряемого вещества в первую очередь влияет глубина вакуума в рабочей камере (≈ 10^-5 мм рт. столба). Конденсацией называется процесс перехода материала из газообразного состояния в твердое. При конденсации на подложке образуется пленка испаряемого вещества.

Рис. 5.5. Схема установки для термического вакуумного напыления тонких пленок

Достоинства метода:

- высокие скорости осаждения различных материалов в глубоком вакууме;

- относительная простота метода;

- возможность автоматизации и наличие автоматизированного оборудования.

К недостаткам метода следует отнести:

- трудность испарения тугоплавких материалов;

- возможность появления брызг расплавленного металла;

- неравномерность толщины пленки по поверхности подложки (равномерность повышают за счет увеличения расстояния между испарителем и подложкой, обычно 15 – 30 см);

- трудность обеспечения высокой воспроизводимости свойств пленки.

Катодное вакуумное распыление.

Схема установки представлена на рис. 5.6. В рабочей камере 1 установлена двухэлектродная система, состоящая из катода 2, который изготовлен из материалов, подвергаемых распылению в технологической последовательности. На аноде 4 располагается подложка 3. Между катодом и анодом расположена заслонка 8. С помощью прокладки 5 обеспечивается вакуумное соединение колпака 1 и основания 6. Из рабочей камеры с помощью вакуумного насоса через отверстие 7 откачивается воздух. После этого в рабочую камеру закачивают рабочий газ (чаще всего очень чистый аргон). Затем между анодом и катодом подается высокое напряжение порядка нескольких киловольт, которое вызывает пробой газового промежутка и возникает тлеющий разряд. Почти все напряжение падает на участке вблизи катода и здесь электроны, и ионы достигают наивысших скоростей. Ионы, доходящие вследствие диффузии до этого участка (он называется темным катодным пространством), быстро ускоряются и ударяются о катод. Бомбардировка катода вызывает катодное распыление и эмиссию электронов, при этом выбитые атомы осаждаются на подложку. Электроны ускоряются в темном катодном пространстве и поддерживают ионизацию.

Рис. 5.6 . Схема установки катодного распыления

Ионно-плазменное распыление.

Ионно-плазменное распыление представляет собой разновидность катодного распыления, но в отличие от последнего распыление осуществляется ионами плазмы газового разряда низкого давления специальной мишени.

Схема установки ионно-плазменного распыления изображена на рис. 5.7 .

Рис. 5.7. Схема установки ионно-плазменного распыления

Источником электронов в системе служит накальный катод 8 (термокатод), третьим электродом является мишень 7, которая используется в качестве источника распыляемого материала. Распыляемые с поверхности мишени частицы материала конденсируются на подложке 2. Воздух из камеры откачивается через отверстие 6, а в камеру закачивается очень чистый аргон. Включается ток накала катода, между анодом 3 и катодом 8 прикладывается напряжение и при достаточно большом термоэлектронном токе возникает дуговой газовый разряд. Электроны, испускаемые раскаленным катодом, вызывают ионизацию инертного газа. Если теперь подать на мишень отрицательный потенциал, то положительные ионы будут «вытягиваться» из плазмы разряда и бомбардировать поверхность мишени. Под действием бомбардировки положительными ионами атомы материала мишени начнут распыляться и конденсироваться на подложке, расположенной напротив мишени 7. Для достижения максимальной плотности ионов в разряде по оси разряда прикладывается продольное магнитное поле, заставляющее электроны и ионы двигаться по спирали.

Преимущества ионно-плазменного распыления:

- возможность распыления практически всех материалов современной микроэлектроники;

- высокая адгезия получаемых пленок к подложке;

- сохранение структуры пленок при распылении многокомпонентного вещества, то есть структура пленки соответствует структуре вещества;

- возможность ионной очистки подложек перед распылением.

КОНТРОЛЬ ПАРАМЕТРОВ ПЛЕНОК

В процессе формирования тонкопленочных структур вакуумными методами особо важен контроль следующих параметров технологического процесса:

- глубина вакуума и парциальное давление остаточных газов;

- температуры подложек и испарителей;

- изменение сопротивления резистивной пленки, толщины и скорости напыления.

Последняя группа параметров (сопротивление, толщина и скорость) непосредственно несут информацию о технических характеристиках получаемого пленочного элемента.

Скорость осаждения вещества определяет структуру пленки, величину и ориентацию кристаллов вещества, а следовательно, электрофизические параметры тонкопленочных элементов. Различный химический состав осаждаемых материалов и различные способы, применяемые для их нагрева и испарения, а также широкий диапазон требуемой скорости осаждения и толщины тонкопленочных слоев вызывают необходимость использования методов измерения параметров пленок, основанных на различных физических принципах. Наибольшее распространение находят методы, позволяющие производить контроль параметров пленок в процессе их нанесения (то есть активный контроль).

Существующие методы и устройства измерения скорости осаждения и толщины тонких пленок можно разделить на две основные группы: первые дают информацию о скорости осаждения, вторые – о массе наносимой пленки или ее толщине. В первом случае значение толщины пленки можно найти путем интегрирования сигнала, пропорционального скорости осаждения. Во втором случае значение скорости осаждения можно найти путем интегрирования сигнала, пропорционального измерению толщины осаждаемой пленки.

На практике наибольшее распространение получили приборы, основанные на использовании ионизационного, частотного и резистивного методов.

Ионизационный метод основан на частичной ионизации потока пара испаряемого вещества электронами, эмитируемыми накаленным катодом, и последующем измерении ионного тока, пропорционального плотности пара вещества, проходящего через рабочий объем датчика, а следовательно, и скорости осаждения пленки.

Для определения толщины пленки производится интегрирование по времени величины переменной составляющей ионного тока.

Ионизационный метод является универсальным, имеет широкие пределы измерения с погрешностью не хуже 1 % и может быть использован для стабилизации процесса напыления.

Частотный метод основан на измерении изменения частоты колебаний кварцевого кристалла при осаждении на нем пленки испаряемого вещества, так как при изменении массы кварцевого кристалла частота его колебаний меняется пропорционально изменению массы.

Выбор рабочей частоты зависит от диапазона толщин измеряемых пленок. Если требуется измерить очень малую толщину пленки, и необходим прибор с большой чувствительностью, то выбирают высокую рабочую частоту. Если же требуется прибор с достаточно большим диапазоном измеряемых толщин, обладающий большой областью линейной зависимости изменения частоты от толщины напыляемой пленки, то выбирают относительно низкую рабочую частоту. Отечественная промышленность выпускает два типа кварцевых измерителей толщины с рабочими частотами датчиков 3,3 Мгц и 9,99 Мгц.

К достоинствам частотного метода относится высокая чувствительность, позволяющая контролировать тонкие пленки вплоть до мономолекулярных слоев. Метод обеспечивает непрерывный контроль и управление процессом нанесения пленок практически для всех веществ, используемых в производстве ГИМС.

Резистивный метод основан на зависимости между толщиной пленки металла или сплава и величиной ее электрического сопротивления постоянному току. Для измерения электрического сопротивления пленки в процессе осаждения в непосредственной близости от подложки обычно устанавливают «свидетель» (контрольный образец) из изоляционного материала (стекла, ситалла и др.) в виде прямоугольной пластины, на краях которой имеются широкие плоские контакты из серебра или другого проводящего материала, соединенные с измерительным мостом. При этом расстояние между контактами обычно делают равными ширине пластины.

Этот метод применим только к проводящим пленкам. Он непригоден для измерения пленок с малым сопротивлением, так как переходные сопротивления соизмеримы с сопротивлением пленки.

В качестве измерительного прибора, регистрирующего сопротивление «свидетеля», может быть использован любой омметр, подходящий по точности и диапазону измеряемых величин. Процесс осаждения прекращается в тот момент, когда сопротивление пленки достигает заданной величины.