книги / Технологическое проектирование микросхем СВЧ

эффективной диэлектрической про­ ницаемости е»ф смеси от содержании т стекла

Зависимость эффективной диэлектрической проницаемо­ сти смеси (£Эф) из функционального диэлектрического мате­ риала с еГг и стекла с еГ2 (при еГ1 > еГ2) от содержания стекла приведена на рис. 3.20. Из рисунка видно: для того чтобы по­ лучить пасту с высоким значением относительной диэлектри­ ческой проницаемости, содержание связующего стекла должно быть минимальным. Необходимо также учитывать, что на ха­ рактеристики диэлектрических пленок сильно влияют дефек­ ты структуры: поры, трещины и прочее, что снижает выход годных изделий.

В качестве диэлектрических материалов с высокой до­ бротностью обычно используют однофазные стекла (Q = = 400 —900), значение относительной диэлектрической про­ ницаемости их невысоко (ег = 8 —11). Более высокие зна­ чения диэлектрической проницаемости имеют пленки, изгото­ вленные из паст, в состав которых входят двуоксид титана {ег = 50 —80) или титанаты (еТ =до 1500). Следует отме­ тить, что значение ег и tg 6 большинства паст с высоким ет зависят от температуры вжигания (рис. 3.21).

д

Рис. 3.21. Зависимость относительной ди­ электрической проницаемости ег (а) и тан­ генса угла диэлектрических потерь tg l (б) от температуры вжигания Um для диэлек­

трической пасты состава: титанат бария - 94 % (вес), стеклянная фритта - в % (вес)

Т а б л и ц а 3.13. Характеристики диэлектрических пленок

* В интервале температур —6 0 ... -f 125 °С.

Характеристики используемых в отечественной промыш­ ленности диэлектрических толстых пленок, полученных из паст, приведены в табл. 3.13.

Г л а в а 4

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ

ФОРМИРОВАНИЯ ТОПОЛОГИИ

ПЛЕНОЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

Получение требуемых размеров и формы топологии элементов ГИС и полупроводниковых ИС СВЧ являет­ ся важным этапом в формировании их электрических характеристик. В тонкопленочной и полупроводнико­ вой технологии топология элементов создается в ре­ зультате ряда химических и физических воздействий на исходное вещество - осажденную тонкую пленку или по­ лупроводниковую пластину, приводящих к ее селектив­ ному удалению, утолщению или насыщению другими ма­ териалами.

В толстопленочной технологии рисунок элементов может быть получен также и с использованием трафа­ рета при механическом продавливании пасты через его окна, т.е. па операции трафаретной печати.

Основные способы получения топологии элементов приведены на рис. J^.l. В каждом из этих способов, за исключением трафаретной печати, применяется вспо­ могательная защитная маска из фоточувствительного вещества - фоторезиста, - роль которой сводится к селективной защите участков нанесенных слоев пленок или полупроводниковой пластины при травлении.

1

fïïimn m n nïïTïïTi

2

6

- Фоторезист

- ПроВодящий слой

И8Я- /ЙТОМ

Рис. 4.1. Основные способы получения топологии элементов

МЭИ СВЧ:

а - селективное химическое травление; б - ионно-плазменное тра­ вление; в - трафаретная печать; 1 - плата с нанесенными слоями металлических пленок и фоторезистом; 2 - облучение н обработка фоторезиста; 3 - селективное травление верхнего слоя; 4 ~ селектив­ ное травление нижнего слоя; 5 - снятие фоторезиста; 6 - ионное тра­ вление двух слоев; 7 - трафаретная печать; 8 - сушка и вжигание

пасты.

В процессе получения элементов способом трафа­ ретной печати светочувствительные вещества приме­ няются ранее, т.е. на стадии операции изготовления сетчатых трафаретов.

Селективное воздействие на слой фоточувствительного вещества осуществляется с использованием фотошаблонов или сканированием луча по его поверхно­ сти; а весь комплекс процессов, связанных с обработкой

фоторезиста, называют ф о т о л и т о г р а ф и ч е с ­

ко й о б р а б о т к о й .

Вболее широком смысле фотолитографическая об­ работка - это комплекс технологических процессов, формирующих топологический рисунок элементов ГИС и полупроводниковых ИС СВЧ, их размеры и форму, обеспечивающий их точностные характеристики.

Вдостижении этих характеристик определяющую роль играет фоторезистивный слой: его физические и светочувствительные свойства; свой вклад в формиро­ вание размеров элементов вносят операции травления (химического, плазменного) и наращивания (химическо­ го, гальванического).

Основными операциями обработки фоторезиста яв­ ляются нанесение, сушка, экспонирование и проявление.

4.1. Формирование фоторезистивной маски

Н ан есен и е ф оторези ста. Наиболее распространенным способом нанесения фоторезиста на подложки является цен­ трифугирование.

Нанесенная на поверхность подложки доза фоторезиста (2 ... 3 мл) за счет вращения подложки равномерно распреде­ ляется по ее поверхности. В образовании слоя фоторезиста участвуют центробежные и вязкостные силы, взаимодействие которых определяет толщину слоя. При нанесении слоя фото­ резиста необходимо решить и другую задачу: при минималь­ ной толщине слоя добиться получения минимального количе­ ства проколов - дефектов в слое.

Вязкость фоторезиста - величина непостоянная: она от­ личается для различных партий фоторезиста, а также при его хранении.

Толщину слоя фоторезиста (как основной параметр про­ цесса) можно изменять за счет варьирования скорости вра­ щения и вязкости. Взаимосвязь этих параметров и толщины слоя приведена на рис. 4.2 и 4.3.

t, мкм

Рис. 4.2. Зависимость толщ ины слоя t ф оторе­

зиста от частоты вращения п центрифуги:

1- вязкость 2,0-10”6 м2/с; 2 - вязкость 4,8• 10”в ма/с

Й.МКМ

Рис. 4.3. Зависимость толщ ины слоя t ф о­

торезиста от ВЯЗКОСТИ VI

частота вращения центрифуги п = 3300 мин”1

Большая частота вращения центрифуги обеспечивает бо­ лее тонкие и равномерные слои фоторезиста, разброс по тол­ щине обычно не превышает ±2 %; при частоте вращения ме­ нее 2 000 мин- 1 разброс по толщине достигает ±10 %.

Один из основных дефектов при получении рисунка эле­ ментов - поры в слое фоторезиста. Их наличие приводит к дефектам пленочных элементов, которые проявляются в про­ цессе химического травления или гальванического осаждения.

При неравнотолщинной пленке фоторезиста и одном вре­ мени экспозиции в местах с более тонким покрытием возни­ кает эффект “передержки” и из пленки фоторезиста может выделяться азот, служащий причиной появления пор.

Таким образом, количество пор - проколов в слое фото­ резиста - зависит от толщины фоторезиста, определяемой ча­ стотой вращения центрифуги, и его вязкости.

Экспериментальные данные по оценке пор в позитивном фоторезисте ФП-383 приведены в табл. 4.1.

Т а б л и ц а 4.1. Влияние частоты вращения центрифуги на качество фоторезистивного слоя

П р и м е ч а н и я : 1. Фоторезист ФП-383, вязкость (5,5 ± 0 ,2 ) X х10~* м3/с. 2. Отклонение толщины слоя фоторезиста ±0,13 мкм.

С у ш к а . Предварительная сушка фоторезиста после его нанесения на подложку необходима для того, чтобы снизить и стабилизировать в нем содержание растворителя и влаги, ко­ торой в составе фоторезиста содержится около 0,5 %. В зави­ симости от температуры сушки изменяются содержание влаги в фоторезисте и условия протекания фотохимической реакции при экспонировании.

Если температура сушки снижается до 75 °С, раствори­ тель и вода еще содержатся в фоторезисте. Когда слой фото­ резиста экспонируется, значительное количество воды и рас­ творителя удаляется в этом процессе. При температуре суш­ ки ниже 75° С ухудшается также адгезия фоторезиста, иска­ жаются размеры неэкспонированных областей. Если фоторе­ зист, высушенный при низкой температуре, экспонируетск, то

в нем происходит процесс послеэкспоэиционной сушки, а сами превращения в фотоактивном веществе происходят менее ак­ тивно.

В процессе сушки происходит изменение толщины фото­ резиста, которое зависит от температуры сушки (рис. 4.4). Как видно, при температуре сушки свыше 75 °С зависимость толщины фоторезиста от времени сушки носит практически линейный характер, при этом толщина уменьшается со ско­ ростью примерно 1,3 нм/с.

t , мкм

Рис. 4.4. Зависимость толщины t позитив­ ного фоторезиста от температуры суш ки tc

(время сушки 45 с)

Процесс предварительной сушки оказывает существенное влияние на воспроизводимость размеров элементов фоторезистивной маски. Основными параметрами, влияющими на точ­ ность воспроизведения размеров, являются температура и вре­ мя сушки и энергия экспонирования. Взаимосвязь температу­ ры сушки и энергии экспонирования приведена на рис. 4.5.

От температуры сушки фоторезиста зависит также ско­ рость растворения фоторезиста при его последующей обработ­ ке (рис. 4.6).

При увеличении температуры сушки слой фоторезиста становится более тонким, так как большее количество лету­ чих компонент испаряется. На растворимость фоторезиста

Е, к8т/мг

Рис. 4.5. Взаимосвязь температуры сушки U и энергии экспонирования Е (время сушки

2 мин)

vp,нм/с

Рис. 4.6. Зависимость средней скоро­ сти растворения v? фоторезиста от

температуры сушки 1с

влияет также операция экспонирования. Особенно это про­ является, если сушка проведена при низких температурах.

Э кспонирование. Это процесс поглощения слоем фо­ торезиста актиничного излучения, создаваемого источником - лампами ультрафиолетового света (ртутно-кварцевыми или

ксеноновыми). В процессе экспонирования в слое фоторезиста происходят основные реакции, в результате которых изменя­ ются его свойства. Характер этих изменений зависит от типа фоторезиста, который может быть позитивным или негатив­ ным, его светочувствительности и параметров экспозиции.

В процессе экспонирования необходимо обеспечить усло­ вия, чтобы поглощение слоем фоторезиста ультрафиолетовой энергии было наибольшим. Поэтому при выборе источника облучения необходимо исходить из спектральных характери­ стик фоторезиста, приближая к ним спектральные характе­ ристики источников облучения. Для процесса экспонирования основными параметрами являются энергия и время.

При прочих равных условиях доза поглощенной энергии определяет глубину и объемы происшедших в фоторезисте фо­ тохимических реакций, точность размеров и качество линий фоторезистивной маски.

На рис. 4.7 приведена зависимость отклонения ширины линий фоторезиста от дозы поглощенной энергии. Оптималь­ ная величина дозы энергии, позволяющая получить мини­ мальное отклонение ширины линии от номинального значе­ ния, зависит также и от операции сушки (тепловая обработка фоторезиста приводит к увеличению дозы энергии экспониро­ вания), и от операции проявления (рис. 4.8).

Часто в производственном процессе подложки с нанесен­ ным фоторезистом могут пролежать некоторое время, исчи­ сляемое днями до их экспонирования. За этот период времени произойдут определенные превращения в слое фоторезиста, но они будут незначительными и практически не влияющими на величину энергии экспонирования.

П роявление. Эта операция следует за экспонированием; она состоит в удалении-растворении участков фоторезиста. У негативных фоторезистов удаляются необлученные участки, у позитивного - подвергнутые облучению.

После проявления фоторезиста можно оценить, насколь­ ко правильно выбраны значения параметров операции сушки и экспонирования. Критерием качества служат достигнутые размеры элементов фоторезиста и прочность прилегания к по­ верхности осажденных пленок.