Методы формирования тонкопленочных структур

Выбор метода формирования конфигураций тонкоплёночных структур зависит от способа нанесения плёнок, плотности размещения элементов и требований по точности, экономичности, производительности и стойкости.

Масочный метод

Метод свободной маски

Метод свободной маски применяется при термическом напылении. Маска - тонкий экран из металлической фольги с соответствующими очертаниями, закреплённый в маскодержателе. Маску обычно изготавливают из стали, молибдена, никеля, тантала, бронзы и т.д. электрохимическим, фотохимическим, механическим методом или методом элек­тронно-лучевой обработки. Существуют монометаллические и биметаллические маски (слой бериллиевой бронзы толщиной 100 микрон, покрытый слоем никеля 20 микрон).

К недостаткам метода можно отнести изменение толщины маски и искажение ри­сунка маски в процессе её эксплуатации из-за осаждения распыляемого материала. Кроме того маска искажает электрическое поле, так как является проводящим материалом, что не даёт возможности использовать данный метод для катодного и ионно-плазменного напыления. Следует отметить, что между такой маской и подложкой всегда существует зазор, приводящий к размытости рисунка.

Метод контактной маски

Метод контактной маски заключается в формировании маски на подложке, поверх которой напыляется тонкая плёнка. Необходимая конфигурация элементов достигается при удалении маски.

В зависимости от материала маски существует два способа:

1. Для прямого метода в качестве материала маски используется фото­резист. Конфигурация маски в этом случае формируется фотолитографией.

2. При косвенном методе используется металлическая пленка. Материал маски должен химически не взаимодействовать с материалом тонкой плёнки, об­ладать малым коэффициентом диффузии и легко удаляться с подложки без повреждения тонкоплё­ночного рисунка.

На рисунке показан технологический процесс формирования рисунка методом контактной маски.

Сначала на подложку наносится материал маски (1). Затем наносится слой фоторезиста (2). После этого производится фотолитография: выполняется засвечивание фоторезиста (3); освещённые участки задубливаются, незадубленный фоторезист смывается (4); вытравливается незащищённая часть материала маски (5). Удаляется фоторезист и напыляется плёнка (6). Удаляется маска (7).

Метод фотолитографии

Фотолитография – совокупность фотохимических процессов, позволяющая получить на поверхности пластины микроизображения, повторяющие отдельные элементы интегральной схемы.

Основной рабочий инструмент – фотошаблон, а для формирования фоторезистивного слоя применяются фоторезисты.

Контактная фотолитография

Метод применяется при изготовлении топологически сложных тонкоплёночных структур или схем с большим количеством элементов. Фотолитографией формируются резисторы, индуктивности, внутрисхемные соединения и контактные площадки.

Сначала изготавливается фотооригинал: чёрно-белое или другое контрастное изо­бражение в увеличенном масштабе. Обычно фотооригинал вычерчивается тушью в мас­штабе 1000:1 в позитивном изображении. После этого изготавливают фотошаблон - ри­сунок в масштабе 1:1 на плёнке или пластине путём перефотографирования фотоориги­нала. Затем на поверхность пластины наносят фоторезист - светоточувствительное многокомпонентное вещество, устойчивое после проявления к воздействию агрессивных сред. В негативном методе фоторезист под действием УФ облучения полимеризуется и становится устойчи­вым к травителям, в позитивном методе будут вытравливаться засвеченные участки.

Технология контактного фотолитографического процесса:

1. Очистка поверхности платы;

2. Нанесение фоторезиста;

3. Сушка;

4. Совмещение фотошаблона с подложкой;

5. Экспонирование УФ облучением;

6. Проявление;

7. Задубливание;

8. Травление скрытых участков подложки (травитель не должен воздействовать на материал основания);

9. Удаление фоторезиста.

Различают одинарную и двойную фотолитографию. Одинарная фотолитография выполняется в сочетании с методом съёмной маски. При двойной фотолитографии сна­чала напыляют резистивный и проводящий слои, после этого первой фотолитографией формируют конфигурацию проводников и контактных площадок, а затем второй фотоли­тографией формируют резисторы.

Факторы, ограничивающие возможности применения контактной фотолитографии:

§ Неизбежность механических повреждений рабочих поверхностей фотошабло­нов и пластин при их совмещении;

§ Налипание фоторезиста на фотошаблон;

§ Неидеальность плоскостности контактируемых поверхностей;

§ Неизбежность смещения фотошаблона относительно пластины при переходе от совмещения к экспонированию.

Бесконтактная фотолитография

Фотолитография на микрозазоре: метод основан на использовании эффекта множе­ственного источника излучения. УФ лучи падают на фотошаблон и подложку под углом. За счёт наклона лучей дифракционные явления устраняются, что приводит к повышен­ной точности рисунка.

Проекционная фотолитография: метод отличается техникой выполнения операций совмещения и экспонирования. Изображение фотошаблона проецируется на пластину, покрытую фоторезистом через специальный объектив с высокой разрешающей способ­ностью. При этом отсутствует контакт фотошаблона с фоторезистом. Процесс упрощается, исключается проблема тонкой установки зазора пластина – фотошаблон. Сложность заключается в разработке высокоразрешающих объективов на большие поля изображения.

Комбинированный процесс

Данный метод основан на комбинации масочного метода и метода фотолитографии. Масочным методом формируют плёночные элементы простой конфигурации, а также элементы, изготовить которые фотолитографией невозможно (конденсаторы). Методом фотолитографии изготавливают сложные тонкоплёночные структуры.

Технологический процесс:

1. Нанесение резистивного слоя;

2. Нанесение слоя для внутрисхемных соединений;

3. Первая фотолитография;

4. Вторая фотолитография;

5. Напыление через маску нижних обкладок конденсатора;

6. Напыление диэлектрика;

7. Напыление верхних обкладок конденсатора;

8. Нанесение защитного слоя.