Методы формирования конфигураций тонкопленочных элементов

Для формирования рисунков проводящего, резистивного и диэ­лектрического слоев используют следующие методы:

масочный -соответствующие материалы напыляют на подложку через маску;

фотолитографический -пленку наносят на всю поверхность под­ложки, а затем вытравливают с участков, не защищенных фоторезис­том;

электронно - лучевой -определенные участки пленки удаляются с подложки по заданной программе под воздействием электронного лу­ча;

лазерный -аналогичен электронно -лучевому, только вместо электронного луча используют луч лазера.

Наибольшее распространение получили два первых способа, а также их комбинация.

При масочном методе пленочный рисунок получают напылением материала пленки на подложку, закрытую съемной затеняющей ме­таллической маской. Пленка из напыляемого материала осаждается на подложке в местах, соответствующих рисунку окон в маске (рис. 1 ). В качестве материала съемной металлической маски используют ленту бериллиевой бронзы толщиной 0,1 - 0,2мм, покрытую слоем никеля толщиной около 10мкм.

Нанесение пленок через съемные маски осуществляют термиче­ским испарением в вакууме либо ионно-плазменным распылением. Метод катодного распыления через съемные металлические маски не применяют, поскольку маска является экраном, искажающим

1

2

3

4

5

Рис.1. Технологический маршрут изготовления ГИС, содержащей ре­зистор, конденсатор, проводники и навесной компонент, методом ваку­умного напыления пленок через съемные маски: 1-маски для напыления резистора и контактных площадок; 2-поочередное напыление резистора, проводников и нижней обкладки конденсатора; 3,4-напыление диэлек­трика и верхней обкладки конденсатора; 5-монтаж навесного компонента и присоединение проволочных выводов к пленочным проводникам.

электрическое поле между катодом и анодом, что может привести к прекращению процесса распыления. Использование для этих целей масок из диэлектрических материалов нецелесообразно из-за низкой точности и трудности их изготовления.

Поскольку для обеспечения необходимой жесткости маски имеют сравнительно большую толщину, их края затеняют приле­гающие к ним участки подложки.

В результате коробления маски в процессе напыления пленки между маской и подложкой образуется зазора приводящий к подпылу. Кроме того, размеры окон в маске при многократном напылении уменьшаются. Все это обуславливает меньшую точность данного ме­тода по сравнению с фотолитографическим. С помощью съемных ма­сок нельзя получать замкнутый рисунок (например, кольцо). Чем сложнее конфигурация пленочных элементов, тем ниже точность их изготовления.

Несмотря на указанные недостатки, масочный метод является самым простым, технологичным и высокопроизводительным.

Метод фотолитографии.Этот метод позволяет получить кон­фигурацию элементов любой сложности и имеет большую точность по сравнению с масочным, однако он более сложен, так как включает ряд прецизионных операций.

Последовательность выполнения основных операций при фото-лиграфии показана на рис. 2.

Подготовка Нанесение и суш- Совмещение и

подложек ^ка фоторезиста ^экспонирование ^

Проявление Отмывка Задубливание Травление

—^ —^ —^ —^ —^

Отмывка Снятие маски Отмывка

^ ^фоторезиста ^

Поверхность подложек предварительно очищают, чтобы обеспе­чить их высокую смачиваемость и адгезию фоторезиста, а также уда­лить посторонние включения. Затем на подложку наносят тонкий слой фоторезиста (светочувствительную полимерную композицию )и су­шат его для удаления растворителя. Фоторезист бывает двух типов -позитивныйинегативный.

Совмещение фотошаблона с подложкой и экспонирование вы­полняют на одной установке. Цель операции совмещения -совпадение рисунка фотошаблона с нанесенным на предыдущей операции на под­ложку рисунком. Далее слой фоторезиста экспонируют -подвергают воздействию ультрафиолетового излучения через фотошаблон. В ре­зультате этого рисунок с фотошаблона переносится на слой фоторе­зиста.

При проявлении слоя фоторезиста отдельные его участки вымы­ваются и на подложке при использовании позитивного фоторезиста остаютсянеэкспонированные (незасвеченные )участки, а если при­менялсянегативный фоторезист,тоэкспонированные.Затем слой фо­торезиста термообрабатывают при повышенной температуре, т. е. за-дубливают, вследствие чего происходит его частичная полимеризация и повышается стойкость к травителю.

Заканчивается процесс фотолитографии травлением незащищен­ных фоторезистом участков подложки, созданием рельефного рисунка и удалением остатков фоторезиста.

Существует несколько разновидностей метода фотолитографии.

Метод прямой фотолитографиипредусматривает такую последо­вательность формирования пленочных элементов: нанесение сплош­ной пленки материала тонкопленочного элемента, формирование на ее поверхности фоторезистивной контактной маски, вытравливание че­рез окна в фоторезисте лишних участков пленки. Контактная маска из

фоторезиста или другого материала, более стойкого к последующим технологическим воздействиям, воспроизводит рисунок фотошаблона на пленке.

Метод обратной,или, как его иногда называют, взрывной, фото­литографии (рис. 3 )отличается от предыдущего тем, что сначала на подложке формируется контактная маска, затем наносится материал пленочного элемента, после чего производится удаление контактной маски. При этом возможны два варианта нанесения пленки на кон­тактную маску.Первый вариант -сначала пленка осаждается как на контактную маску, так и на свободные от нее участки подложки. Затем при быстром (взрывном )стравливании контактной маски вместе с ней удаляются и участки пленки, расположенные поверх маски (селек­тивное травление ).Метод реализуется при термовакуумном напыле­нии, ионном распылении, осаждении из парогазовой смеси.Второй вариант -пленка осаждается только на свободные от маски участки подложки (селективное осаждение ).Метод может использоваться при электролитическом осаждении электропроводящих материалов. Этот метод нельзя применять для создания многослойных конструк­ций ГИС, так как для получения рисунка очередного слоя требуется обработка травителем и тщательная очистка подложки от химических реактивов, без чего невозможно добиться удовлетворительной адгезии при осаждении последующих слоев. Поэтому технологический процесс стараются построить так, чтобы нанести все слои микросхемы, а затем последовательным избирательным травлением получить их рисунок.

При фотолитографическом методедля изготовленияГИС,содер­жащихрезисторы и проводники,используют также два других техно­логических маршрута.

1

2

4

3

6

5

7

9

8

Рис. 3. Способ получения пленочного элемента с использованием метода обратной фотолитографии ( контактной маски ): 1-подложка, 2-напыле-ние материала контактной маски; 3-нанесение фоторезиста; 4-экспо-нирование; 5-фотообработка фоторезистивного слоя; 6-травление мате­риала через фоторезистивную маску; 7-снятие фоторезиста; 8-напыление материала пленочного элемента; 9-травление материала контактной маски.

Первый вариант -напыление материалов резистивной и прово­дящей пленок; фотолитография проводящего слоя; фотолитография резистивного слоя; нанесение защитного слоя (рис. 4 ).

Второй вариант -после проведения первых двух операций, тех же, что и в предыдущем варианте, сначала осуществляют фотолито­графию и травление одновременно проводящего и резистивного слоев, затем вторую литографию для стравливания проводящего слоя в мес­тах формирования резистивных элементов (рис. 5 ),после чего следует нанесение защитного слоя и фотолитография для вскрытия окон в нем над контактными площадками.

При производстве пленочныхмикросхем, содержащих провод­ники ирезисторы из двух различных (высокоомного и низкоомного ) резистивныхматериалов,рекомендуется такая последовательность действий: поочередное напыление пленоксначала высокоомного,за­тем низкоомного резистивных материалов; напыление материала про­водящей пленки; фотолитография низкоомного резистивного слоя, за­тем высокоомного слоя; нанесение защитного слоя.

Комбинированный метод.При совмещении масочного и фотоли­тографического методовдля микросхем, содержащих резисторы, про­водники и конденсаторы,используют два варианта:

1)напыление резисторов через маску, напыление проводящей пленки на резистивную; фотолитография проводящего слоя; пооче­редное напыление через маску нижних обкладок, диэлектрика и верх­них обкладок конденсаторов; нанесение защитного слоя (рис. 6,а-ж ). На рис. 6.з показан монтаж навесных компонентов с жесткими выво­дами;

2

3

4

7

8

9

10

11

12

5

6

Рис. 4. Получение резистивного элемента методом двойной фотолитогра­фии ( первый вариант ): 1-подложка, 2-напыление сплошных резистивно­го и проводящего слоев, 3-нанесение фоторезиста, 4-экспонирование, 5-фотообработка, 6-травление проводящего слоя, 7-снятие фоторезиста, 8-нанесение фоторезиста, 9-экспонирование, 10-фотообработка, 11-травление резистивного слоя, 12-снятие фоторезиста.

10

11

8

9

1

2

3

4

5

6

7

12

13

Рис. 5. Получение резистивного элемента методом двойной фотолитогра­фии ( второй вариант ): 1-подложка, 2-напыление сплошных резистивно­го и проводящего слоев, 3-нанесение фоторезиста, 4-экспонирование, 5-фотообработка, 6-травление проводящего слоя, 9-нанесение фоторе­зиста, 10-экспонирование, 11-фотообработка, 12-травление проводящего слоя, 13-снятие фоторезиста.

а

д

б

е

ж

в

3

г

Рис. 6. Технологический маршрут производства тонкопленочной ГИС комбинированным методом ( масочным и фотолитографическим ): а-на-пыление резисторов через маску; б-напыление проводящего слоя; в-фотолитография проводящего слоя. Напыление через маску: г-нижних обкладок конденсаторов, ж-нанесение защитного слоя, з-монтаж навес­ных компонентов с жесткими выводами.

2)напыление резистивной пленки и проводящей пленки на резис-тивную; фотолитография проводящего и резистивного слоев; фотоли­тография проводящего слоя; напыление через маску нижних обкладок, диэлектрика и верхних обкладок конденсаторов; нанесение защитного слоя (рис. 7а-ж ).Монтаж навесных компонентов представлен на рис. 7з.

Для схем, не содержащих конденсаторов,применяют один из трех вариантов:

1)напыление через маску резисторов и проводящей пленки; фо­толитография проводящего слоя; нанесение защитного слоя;

2)напыление резистивной пленки; фотолитография резистивного слоя; напыление через маску проводников и контактных площадок;

нанесение защитного слоя;

3)напыление резистивной пленки, а также контактных площадок и проводников через маску; фотолитография резистивного слоя; нане­сение защитного слоя;

Кроме указанных вариантов тонкопленочной, существует еще один вариант -танталовая технология,основанная на свойстве танта­ла служить исходным материалом для проводников, резисторов и конденсаторов. Особенностью тантала и его соединений является вы­сокая воспроизводимость и стабильность параметров.

Пленки тантала используют для проводников. Их получают обычно катодным распылением.

Для резисторов используют пленки нитрида тантала, их получа­ют реактивным распылением танталового катода в плазме аргона с добавлением азота. В зависимости от парциального давления азота можно получить нитрид тантала ( TaNи Ta2N )с различной структу­рой и разными электрофизическими свойствами. В практических целях

а

д

б

е

в

ж

з

г

Рис. 6. Технологический маршрут производства тонкопленочной ГИС комбинированным методом ( масочным и фотолитографическим ): а-на-пыление резисторов через маску; б-напыление проводящего слоя; в-фотолитография проводящего слоя. Напыление через маску: г-нижних обкладок конденсаторов, ж-нанесение защитного слоя, з-монтаж навес­ных компонентов с жесткими выводами.

2)напыление резистивной пленки и проводящей пленки на резис-тивную; фотолитография проводящего и резистивного слоев; фотоли­тография проводящего слоя; напыление через маску нижних обкладок, диэлектрика и верхних обкладок конденсаторов; нанесение защитного слоя (рис. 7а-ж ).Монтаж навесных компонентов представлен на рис. 7з.

Для схем, не содержащих конденсаторов,применяют один из трех вариантов:

1)напыление через маску резисторов и проводящей пленки; фо­толитография проводящего слоя; нанесение защитного слоя;

2)напыление резистивной пленки; фотолитография резистивного слоя; напыление через маску проводников и контактных площадок;

нанесение защитного слоя;

3)напыление резистивной пленки, а также контактных площадок и проводников через маску; фотолитография резистивного слоя; нане­сение защитного слоя;

Кроме указанных вариантов тонкопленочной, существует еще один вариант -танталовая технология,основанная на свойстве танта­ла служить исходным материалом для проводников, резисторов и конденсаторов. Особенностью тантала и его соединений является вы­сокая воспроизводимость и стабильность параметров.

Пленки тантала используют для проводников. Их получают обычно катодным распылением.

Для резисторов используют пленки нитрида тантала, их получа­ют реактивным распылением танталового катода в плазме аргона с добавлением азота. В зависимости от парциального давления азота можно получить нитрид тантала ( TaNи Ta?N )с различной структу­рой и разными электрофизическими свойствами. В практических целях

д

а

е

б

ж

в

з

г

Рис. 7. Технологический маршрут производства тонкопленочной ГИС комбинированным методом ( масочным и двойной фотолитографии ):

а-напыление сплошных резистивного и проводящего слоев; б-травление проводящего и резистивного слоев; в-селективное травление проводящего слоя. Напыление через маску: г-нижних обкладок конденсаторов, д-диэлектрика, е-верхних обкладок конденсаторов, ж-нанесение защит­ного слоя, з-монтаж навесных компонентов.

условия распыления выбираются так, чтобы получить Ta2N,так как резисторы из таких пленок отличаются более высокой стабильностью.

Оксидные пленки Та?05 используют в качестве диэлектрика кон­денсаторов, изоляции пересечений проводников, защитного слоя.

Существует несколько вариантов танталовой технологии. На­пример, возможен такой вариант: напыление тантала для грунтовки подложек; термическое окисление тантала; напыление тантала; фото­литография тантала -создание низкоомных резисторов, проводников и нижних обкладок конденсаторов; создание контактной маски меди для селективного анодирования тантала (диэлектрик конденсаторов и мест пересечений );удаление контактной маски; напыление ванадия и алюминия; фотолитография алюминия и ванадия для получения верхних обкладок конденсаторов и проводников второго слоя в мес­тах пересечений; напыление защитного слоя, фотолитография по за­щитному слою.

Существуют также различные варианты совмещения танталовой технологии с другими технологическими методами для создания тон-копленочных элементов.

Рекомендации по применению методов изготовления тонкопле-ночных ГИС.Масочный метод применяют при мелкосерийном и се­рийном производстве. Точность изготовления R-и С- элементов ±10%. Фотолитографический метод используют в массовом производстве. Достижимая точность изготовления резисторов ±1%.Комбинирован­ный масочный и литографический метод применяют при серийном и массовом производстве. Разрешающая способность при изготовлении пленочных элементов 50мкм, точность изготовления R-и С- элемен­тов ±1%и ±10%соответственно. Максимальная точность изготовле­ния резисторов (при подгонке ) ±0,1% ,конденсаторов ±5%.

Любой из указанных технологических маршрутов производства ГИС содержит сборочные операции: монтаж навесных компонентов на плату (см. рис. 6и 7 ),разварка их выводов, последующая их защи­та и герметизация.