книги / Технологическое проектирование микросхем СВЧ

При использовании жидкостного травления способом по­ гружения трудно получить требуемую точность размеров эле­ ментов из-за явления подтравливания. Этот дефект компенси­ руется коррекцией размера на фотошаблоне. Другой дефект - неровность края проводника - ликвидировать затруднитель­ но, так как подсушенный слой пасты имеет неровную поверх­ ность.

Определенные достоинства для травления фоточувствительных толстых пленок имеет способ струйной обработ­ ки. Струйное травление осуществляется за счет распыления (пульверизации) травящего состава при его взаимодействии с нанесенной на поверхность подложки пасты.

Используя этот способ, необходимо осуществлять кон­ троль: давления подаваемой жидкости, расстояния до подлож­ ки, времени травления и скорости движения подложек. При изменении давления струи травителя от 0,1 до 0,5 МПа время травления изменяется от 4 до 2 с.

Составы наиболее широко используемых травящих рас­ творов приведены в Приложении I.

Рассмотренные выше способы получения рисунка элемен­ тов тонко- и толстопленочных схем содержат в качестве основ­ ного процесса химическое травление. “Мокрое” химическое травление без интенсивного задубливания фоторезиста приво­ дит к подтравливанию в случае плохой адгезии фоторезиста к пленке. Задубливание фоторезиста в свою очередь приводит к его термической деформации или деградации свойств, что вызывает изменение размеров “окон” в этом слое.

Кроме того, жидкостный способ травления является изо­ тропным, т.е. процесс травления происходит равномерно по всем направлениям, в том числе и в нежелательном - под фоторезистивную маску. Этот процесс требует прецизионного контроля времени травления.

Этих недостатков лишены способы “сухого” (газового) травления.

Г азовое тр авлен и е. Этот способ широко применяется для травления диэлектриков, металлов, силицидов и других

материалов, используемых в производстве ГИС и полупро­ водниковых ИС СВЧ. Травление осуществляется с помощью ионов, поэтому такой процесс называют ионным травлени­ ем. По способу формирования ионных потоков существуют две разновидности ионных процессов: ионно-лучевые и ионно­ плазменные. Эти способы можно назвать реактивными, если в процессе распыления-травления происходят химические ре­ акции, приводящие к изменению химического состояния веще­ ства.

В ионно-плазменных процессах для травления материа­ лов используют ионы газоразрядной плазмы тлеющего, дуго­ вого, ВЧ- и СВЧ-разрядов.

Достоинства этой группы процессов связаны с возмож­ ностью травления пленочных материалов на большой площа­ ди, возможностью создания высокой плотности ионного пото­ ка при относительно малых энергиях ионов.

Недостатки ионно-плазменных процессов - высокое да­ вление в области, где расположены распыляемые (подвергае­ мые травлению) поверхности (~ 10 Па), что приводит к обрат­ ной диффузии распыляемых частиц, и воздействие плазмы на распыляемую поверхность.

В ионно-лучевых процессах бомбардировку - травление поверхности материалов осуществляют сформированным ион­ ным пучком, т.е. ионы экстрагируют из плазмы, ускоряют и фокусируют на поверхности пластин (рис. 4.13).

Этот способ имеет следующие достоинства: независимое регулирование в широких пределах плотности тока ионного пучка и энергии ионов, низкое давление в области размещения мишени (10“3 ... 10“4 Па), отсутствие воздействия плазмы на мишень, возможность изменения угла бомбардировки.

Недостатки процесса связаны с малым диаметром ионно­ го пучка (~ 20 мм), нестабильностью плотности ионного тока и энергии.

Ионное плазменное травление наряду с жидкостным тра­ влением применяется для получения рисунка пленочных эле­ ментов ГИС СВЧ. Особое место этот способ нашел в про­ изводстве полупроводниковых ИС СВЧ, где размеры элемен­ тов достигают нескольких микрометров, а точность - долей микрометров.

По своей физической сущности ионно-плазменное травле­ ние подобно ионному распылению материалов с теми особен­ ностями, которые обеспечивают точность размеров элементов.

Технология ионно-плазменного травления имеет опреде­ ленные достоинства по сравнению с химическим жидкостным травлением (прежде всего, она обеспечивает высокую воспро­ изводимость формы и размеров элементов):

-в практическом отсутствии явления подтравливания, т.е. в возможности получения вертикального края (отклоне­ ние от вертикали не превышает 15°);

-в возможности достижения большого соотношения меж­ ду толщиной пленки t и шириной линии w или зазора s, т.е. t/w(s) = 3 - 4 .

Изменение профиля пленки при ионном травлении приве­ дено на рис. 4.14.

Недостатком ионных способов травления является отсут­ ствие “селективности”, как это имеет место при химическом

P

Рис. 4.14. И зменение профиля пленочного элем ента при ион­ ном травлении:

а - случай нормального оконча­

ния процесса травления; б - слу­ чай “передержки”; 1 - слой фото­ резиста; 2 - пленка материала; 3 - подложка; t - толщина слоя; tu» -

ширина верхней кромки проводни­ ка; iuB - ширина нижней кромки; Atüa и Atu» - погрешность ширины при “передержке” процесса травле­ ния; 0 - угол профиля при ионном

травлении

травлении, т.е. при использовании энергии бомбардирующих ионов разрушается вся многослойная пленочная структура.

При ионном травлении поток ионов воздействует на всю поверхность пластины-подложки с осажденной пленкой. В процессе бомбардировки происходит распыление как не за­ щищенных участков, так и самой защитной маски. М атери­ ал защитного слоя выбирают таким образом, чтобы скорость его распыления была меньше, чем скорость распыления пле­ ночной структуры. В качестве защитной маски применяют: фоторезисты или такие металлы, как титан, хром, никель, имеющие низкие скорости распыления, особенно в атмосфере остаточного газа, содержащего кислород.

При ионном травлении рисунка для тонкопленочной струк­ туре хром - медь - золото в качестве защитного слоя можно применять тонкий никелевый слой толщиной 1 ... 2 мкм.

Взаимосвязь относительных скоростей травления Ni и Au от парциального давления кислорода приведена на рис. 4.15.

VHi/VAtt 1 ,о \-

Рис. 4.15. Изменение относительной скорости травления ÜNI/ VAV никеля и золота от парциаль­ ного давления кислорода ро2

При ионном травлении пленок золота можно применять также защитную маску из титана.

При ионном травлении материалов пленочных структур можно варьировать и величинами подводимой мощности, и парциальным давлением газа. Любое изменение значений этих параметров будет менять энергию бомбардирующих ио­ нов.

При очень малой подводимой удельной мощности (1 ...

... 3 В т/см 2) скорость травления пропорциональна ей. Реактивное плазменное травление представляет собой

процесс бомбардировки материала пленки активным газом, вызывающим ее распыление с одновременным протеканием химической реакции. Этот процесс осуществляют в газовых камерах-реакторах. Характер процесса реактивного травле­ ния определяется характером протекания физических превра­ щений и химических реакций в плазме газового разряда.

Газовый разряд, используемый для травления пленоч­ ных структур, характеризуется величиной давления (от 6,6 до 660 Па), плотностью электронов от 109 до 1012см“3 и средней

энергией электронов от 1 до 10 эВ (такая энергия соответству­ ет температуре 104 ... 105К).

В Приложении II приведены основные типы газов, приме­ няемых при реактивном травлении материалов, используемых в производстве элементов МЭИ СВЧ.

4.3» Электрохимическое осаждение

Процесс электрохимического осаждения применяется в производстве ГИС СВЧ для увеличения толщины основного проводящего слоя и нанесения защитного покрытия на про­ водники. Наращивание основного слоя проводника (обычно это медь) проводят после вакуумного осаждения на сплош­ ную пленку меди или на открытые участки - в окна фоторезистивной маски или на уже сформированный рисунок про­ водников. При разработке технологии электрохимического наращивания следует провести правильный выбор материа­ ла фоторезистивной маски, обеспечить равномерное нанесение слоя. Фоторезисты позитивного типа являются более предпо­ чтительными, так как они имеют более высокую стойкость в щелочных электролитах.

Наиболее трудной задачей является получение большой (около 10 мкм) толщины фоторезистивного слоя. Для этой цели можно использовать сухой пленочный фоторезист.

Осаждение пленок меди проводят из пирофосфатных или сернокислых электролитов.

Пирофосфатный электролит позволяет получать мелко­ зернистые плотные блестящие осадки. Однако эти электроли­ ты имеют более высокую стоимость, сложны в приготовлении, требуют точного поддержания состава электролита и параме­ тров электролиза.

Сернокислый электролит имеет простой состав, позволя­ ет получать осадки с меньшими внутренними напряжениями, не требует нагрева.

При электролитическом осаждении пленок меди необхо­ димо использовать химически чистые электроды, точно так

Рис. 4.16. Влияние содержания примесей метал­ лов 7 на относительное изменение электросопро­ тивления рч/р пленок меди, осажденных гальва­

ническим способом

же, как и необходимо поддерживать чистоту электролита. На­ личие примесей и попадание их в осажденный слой увеличи­ вает его электросопротивление (рис. 4.16).

В качестве защитных слоев применяют золото, серебро, олово или сплав олово - висмут. На свойства золотых осадков влияют параметры процесса: плотность тока, температура раствора, концентрация золота и кислотность электролита. Поэтому такие параметры необходимо постоянно контроли­ ровать и регулировать.

На рис. 4.17 приведен график зависимости скорости оса­ ждения золота от плотности тока. Как видно из графика, за­ висимость скорости осаждения от плотности тока в интервале от 0,5 до 0,85 А /дм 2 имеет линейный характер. Однако сле­ дует считать оптимальным интервал 0, 6. . . 0, 7А/дм2. При этой плотности золотое покрытие имеет металлический блеск, мелкозернистую структуру; цвет покрытия - светло-желтый. При осаждении золота при плотности тока свыше 0,7 А/дм2 возможно возникновение разряда других имеющихся в раство­ ре ионов - в результате качество осадка ухудшается. При плотности тока менее 0,6 А /дм 2 уменьшается скорость оса­ ждения.

Рис. 4.17. График зависимости скорости оса­ ждения Voc золота от плотности тока t:

концентрация золота 8 г/л, температура раствора 30° С, рН= 4,6

Voc, мкм/ч

Рис. 4.18. График зависимости скорости оса­ ждения «ос золота от температуры t электро­

лита:

плотность тока 0,6 А/дм2; концентрация золота 9 - 1 0 г/л; рН= 4,6

На рис. 4.18 представлена зависимость скорости осажде­ ния золотого покрытия от температуры электролита. Ско­ рость осаждения практически не зависит от температуры рас­ твора. Однако температура раствора влияет на качество

осадка. На образцах, полученных при температуре ниже 27°С и выше 34 °С, покрытие имело темно-желтый цвет, повышен­ ную шероховатость и пористость, недостаточную адгезию. Для электролитического процесса золочения оптимальный ин­ тервал температур составил 28... 32 °С.

На рис. 4.19 показана зависимость скорости осаждения зо­ лота от концентрации дицианоаурата калия в составе элек­ тролита. От концентрации электролита, т.е. степени насы­ щенности его ионами осаждаемого металла, зависит скорость осаждения металла. Увеличение концентрации золота свыше 10 г/л приводит к получению рыхлого, крупнокристалличе­ ского осадка, а уменьшение ниже 7 г/л - к уменьшению раз­ мера осаждаемых частиц и замедлению роста осадка.

%,мкм/ч

Рис. 4.19. График зависимости скорости осаждения voc золота от концентрации С

электролита:

плотность тока 0,6 А/дм2, температура 30±2вС; рН= 4,6

От величины pH раствора зависит качество осадка и ста­ бильность работы электролита. Образцы, полученные при pH = 3,5, имеют рыхлую, пористую структуру. Наилучшие по качеству осадки получены при pH = 4,5 - 4,7.

При выборе состава ванны для селективного осаждения золота необходимо учитывать требования, предъявляемые к осаждаемой пленке.

Пленки золота с мелкозернистой структурой, высоким блеском и требуемой толщины могут быть осаждены из ней­ тральной ванны, характеризуемой большой рассеивающей способностью. Такие электролиты, однако, не позволяют на­ нести пленки с большой адгезией. Вот почему электроосажде­ ние пленок происходит в две стадии. Первоначально золото осаждают в слабокислом электролите, а затем - в нейтраль­ ном электролите при температуре 50 и 60 ° С соответственно.

Применение пленок серебра весьма привлекательно в свя­ зи с тем, что этот металл имеет наилучшую электропровод­ ность. Однако серебро имеет такие недостатки, как высо­ кая миграция, способность к образованию сернокислых со­ единении, которые ухудшают электропроводность и затруд­ няют процесс пайки навесных компонентов. К числу факто­ ров, ограничивающих применение серебра, необходимо отне­ сти его дефицитность. Поэтому его применение ограничено. Оно применялось в качестве защитного покрытия медных про­ водников.

Нанесение серебряных покрытий проводят обычно элект­ рохимическим способом.

Вконструкциях ГИС СВЧ, содержащих навесные элемен­ ты, устанавливаемые способом пайки, и не требующих боль­ шой точности в воспроизведении ширины проводников, в каче­ стве защитных покрытий применяют химически осаждаемое олово или сплав олово-висмут.

ВПриложении III приведены составы электролитов и ре­ жимы осаждения некоторых металлов, используемых в произ­ водстве ГИС СВЧ.