Brevet FR2445624A1 — publié le 19800725

Cette invention est relative à un procédé de fabrication d'une couche de verre de passivation sur un substrat de silicium ou autre. Elle vise plus particulièrement un procédé de préparation d'une couche de verre de passivation à l'aide d'un photoresist chargé à l'aide de verre. Ces dispositifs électroniques semiconducteurs à l'état solide, tels que, notamment, les transistors de puissance, les thyristors ou les diodes, exigentune couche de passivation comportant une surface inerte pour tempe cher toute interaction de la surface du dispositif avec l'atmosphère. Une telle interaction atmosphérique avec de la vapeur d'eau ou de la poussière, par exemple, peut conduire à une détérioration des propriétés et caractéristiques électriques de la surface du dispositif, qui en diminuerait l'utilité. Les dispositifs à l'état solide sont souvent réalisés en silicium, et du verre ou du nitrure de silicium sont fréquemment utilisés comme couches de passivation. La couche de passivation doit être appliquée de façon sélective, étant donné que des zones de la surface non passivées du dispositif sont souvent métallisées, si bien qu'il peut se produire un contact électrique. Un procédé pour appliquer sélectivement une couche de passivation à des dispositifs de puissance consiste à utiliser un photoresistcontenant une poudre inorganique, par exemple de verre. Dans un tel procédé, le photoresist contenant le matériau de passivation est déposé sur la surface du semiconducteur par centrifugation, pulvérisation, immersion et similaire, et il est ensuite exposé à la lumière autravers d'un masque. Lors du développement, les zones où la présence du matériau de passivation n'était pas souhaitée peuvent etre nettoyées pour en enlever le photoresist et le matériau de passivation, en utilisant un solvant approprié, ce qui laisse la configuration désirée de zones passivées. La couche matériau de passivation-photoresist demeure aux endroits où la passivation est désirée.Si le photoresist utilisé est un photoresist travaillant positivement, les zones exposées à la lumière au travers du masque sont celles dans lesquelles on ne désire aucune couche de passivation. Le photoresist exposé se dissout dans le solvant révélateur, et le matériau de passivation, dans la couche exposée, est également enlevé par le révélateur, étant donné que n'est plus disponible le matériau photoresist assurant la liaison du matériau de passivation avec la surface du semiconducteur. Par conséquent, la surface du semiconducteur n'est pas recouverte dans les zones exposées à la lumière. En variante, on peut utiliser un photoresist travaillant négativement. Dans ce cas, les zones exposées à la lumière deviennent résistantes aux solvants révélateurs, et elles sont situées aux endroits où la couche de passivation est fermée. Les régions non exposées du photoresist sont éliminées par le solvant révélateur, de même que le matériau de passivation en suspension, dans le photoresist non exposé. Il en résulte que les régions non exposées ne sont pas recouvertes jusqu'à la surface du semiconducteur. A la suite de l'exposition et du développement, la couche de matériau de passivation-photoresist est soumise à la cuisson, pour chasser le matériau organique et faire fondre le matériau de passivation, afin de former une surface passivée ayant la configuration voulue. Le procédé mettant en oeuvre un photoresist recouvert de verre, actuellement disponible dans le commerce, présente un certain nombre d'inconvénients. Il est difficile d'obtenir un réseau de ligne de moins de 10 à 15P dans une couche de passivation ayant une épaisseur de 38 p. Une telle résolution est inappropriée, étant donné que l'on veut obtenir un réseau ou des largeurs de ligne de l'ordre de 50 à 75 P. Le verre utilisé dans les mélanges verre-photoresist actuellement disponibles dans le commerce est trempé dans de l'eau pendant sa préparation. Il en résulte une interaction du verre et du photoresist, qui entraîne une durée de vie utile plus brève et une résolution inférieure pour le mélange. En outre, le verre, dans le mélange disponible dans le commerce, est broyé à l'aide d'un broyeur à bille en utilisant de l'alumine, et, par conséquent, il peut être contaminé par 750 à 1500 parties par million d'alumine. Ilen résulte que les mélanges disponibles dans le commerce peuvent ne pas être transparents ou ne pas présenter une viscosité constante, ce qui peut amener des difficultés d'alignement du photomasque.De tels mélanges peuvent être difficiles à éliminer, pendant le développement, de régions où l'on ne désire pas de passivation, et ils entraînent une diffusion ou une dispersion de la lumière qui affecte le pouvoir de résolution et la durée de l'exposition. Lorsqu'on utilise un photoresist travaillant négativement, l'étape normale du développement du procédé photoresist implique la mise en con tact du dispositif exposé avec un solvant organique approprié, afind'éliminer le matériau des zones non exposées. Il serait désirable de mettre en oeuvre un système dans lequel les solvants organiques ne sont pas exposés à l'air, afin d'éviter tout risque d'incendie et de contamination toxique Cette invention a pour objet un procédé perfectionné de dépôt de couches de verre de passivation sur un substrat, selon lequel un mélange de verre et de photoresist est déposé sur un substrat, la couche résultante est exposée au travers d'un masque trace en développant le photoresist, cette étape de développement mettant en oeuvre la technique des ultrasons. Le mélange verre-photoresist décritci-après, utilisé pour former des couches de passivation sur des dispositifs semiconducteurs, notamment sur des pastilles de silicium, comprend entre environ 40 à 60 % environ 3 de particules de verre. La densité du mélange est de l'ordre de 3,8 g/cm3, et la dimension des particules de verre est inférieure à 5 Les matériaux de départ pour la préparation du verre étaient de l'oxyde de plomb : 50 % en poids ; de ltoxyde d'aluminium 10,1 7; en poids, et du bioxyde de silicium: 39,9 % en poids. Le verre estpréparé#par traitement à haute température de ces oxydes, afin de former un bain fondu à haute température. Le verre chaud, à une température de 11ordre de l6000C, est trempé sans utilisation d'eau, afin d'éliminer la chaleur.Ce refroidissement rapide est réalisé en faisant passer le verre entre des rouleaux d'acier inoxydable refroidis, contra-rotatifs, réglés avec un écartement de 25,4 microns et tournant à une vitesse de 14,6 m par minute. Le verre trempé est ensuite broyé dans un broyeur à billes, pourvu d'un garnissage de polyuréthane et de billes de zircone. La granulométrie obtenue est inférieure à 5 ou, avec un diamètre moyen de particules de l'ordre de 321. Le broyage final est effectué dans un milieu liquide de suspension, tel que le 2-propanol, afin de réduire à un minimum le contact de l'eau avec la surface du verre pendant le broyage. Après ce broyage, on effectue la décantation du 2-propanol, et on évapore le reste. La poudre de verre est ensuite cuite à 4000C pendant 6 à 7 heures, afin d'enlever les impuretés de surface telles que, notamment, le polyuréthane provenant de l'abrasion du garnissage, et l'humidité. Cette dernière étape réduit au minimum l'interaction du liquide photoresist chimiquement réactif avec la surface des particules de verre. Les particules de verre peuvent être mélangées dans environ 40 à 60 % en poids de photoresist à travail négatif. Un resist approprié est celui vendu sous l'appellation "Waycoat SC" par la firme américaine Phillip A. Hunt Chemical Company, qui est un polyisoprène partiellement cyclique, 3 présentant une densité de l'ordre de 0,900 g/cm et contenant environ 25 % en poids de polymères solides. A la bouillie de verre et de photoresist, on a ajouté environ 9 % en poids de xylène. Le mélange préféré de bouillie comprend environ 50 % en poids de verre et 50 % enpoids environ de photoresist, auxquels on a ajouté 9 Le mélange résultant peut être dispersé en utilisant l'énergie ultrasonique, afin de briser les agglomérats de verre. On peut utiliser des sonotrodes immergées classiques. A l'issue de la dispersion, la viscosité d'un tel mélange est de l'ordre de 2 à 5 poises, enfonction du taux de cisaillement utilisé. Pour un taux de cisaillement de 1500 secondes I , la viscosité est réglée à 4,5 poises. Le mélange verre-resist est stocké dans des récipients de verre scellés, que l'on agite lentement continuellement, en les roulant. On a découvert qu'un tel mode de stockage était essentiel pour maintenir ces propriétés stables. Lorsque le mélange resist-verre n'est pas constamment agité, les éléments solides se déposent et sédimentent. Ces éléments solides sont ex trêmement difficiles à remettre en suspension, et ils tendent à réticuler partiellement le resist, ce qui rend moins claire la couche développée de verre. Il est préférable d'appliquer les mélanges verre-photoresist en centrifugeant le substrat, tel qu'une plaquette ou une pastille de silicium, à une vitesse de l'ordre de 300 à 600 tours par minute. Un mouvement rectiligne à commande par came, qui assure la régulation de l'écoulement du mélange verre-photoresist à partir d'une tuyère d'extrusion, est utilisé dans cette étape du procédé. L'écoulement du mélange commence au centre de la pastille de silicium. On peut utiliser une came parabolique pour déplacer la tuyère d'extrusion vers le bord extérieur de la pastille. Ce procédé applique une spirale de matériau qui devient plane et sèche sans contraintes d'évaporation, qui pourraient provoquer des dommages provenant de la traction, du déchirement ou du soulèvement de la couche de verre-photoresist à partir du substrat.En variante, on peut verser manuellement, lentement, les mélanges verre-photoresist, pour déposer la couche verre-photoresist sur le substrat en centrifugation. L'une ou l'autre de ces méthodes peuvent être utilisées pour déposer sur un substrat une couche de mélange verrephotoresist ayant une épaisseur de 12,5 à 76,4,u. Si l'on utilise des vitesses de centrifugation plus élevées pendant le-dépôt du revêtement du resist, il se produit une évaporation importante pendant la centrifugation du substrat, et il en résulte des défauts, dûs à cette application défectueuse. On laisse ensuite sécher la pastille dans de l'air oude l'azote calme, pendant environ 15 à 20 minutes. A la suite du séchage provoquant l'évaporation, la couche verre-resist est lentement chauffée, jusqu'àune température de l'ordre de 70 à 90 C, puis cuite pendant 10 à 30 minutes. Cette étape de séchage est importante pour obtenir le pouvoir de résolution le plus élevé possible. Lorsque la cuisson est terminée, la pastille avec sa couche de verre-photoresist est alignée avec un masque photoresist négatif. La couche de verre photoresist est ensuite exposée, au travers du masque, à une source d'ultra-violets, par exemple une lampe au mercure ou une lampe au xénon. Dans exemple de mise en oeuvre indiqué ci-dessus, une durée d'exposition d'environ 2 minutes, enutilisant une lampe au mercure de 200 Watt, est suffisante. Le révélateur utilisé, assurant le développement, peut être un révélateur organique comprenant un ou plusieurs hydrocarbures ou hydrocar bures chlorés à pression de vapeur relativement élevée, tels que le benzène, le n-heptane, le n-hexane, le chlorure de méthylène, le 1,1,1 -trichloro- éthane et le toluène. En variante, les hydrocarbures ou les hydrocarbures chlorés peuvent être mélangés à des chlorofluorocarbures, tels que CCl2F -CCl2F#, vendu sous l'appellation "Fréon TF" par la firme américaine E.I. Dupont de Nemours Co. (Wilminton, Delaware, E.U.A.). Les chlorofluorocarbures agissent en empêchant un foisonnement ou un gonflement excessif du mélange de verre-polymère réticulé exposé.Un mélange préféré contient entre environ 40 à 60 Un avantage primordial résultant de la mise en oeuvre du développement par ultrasons consiste en ce que le temps de contact entre le révélateur et la couche de verre-photoresist peut être diminué à moins d'une minute. Le procédé ultrasonique agit comme une aide mécanique à la vitesse du développement. Le temps de contact plus long des étapes de développement classiques peut entraîner un gonflement et un sous-cavage du polymère, ce qui se traduit par une faible résolution et une mauvaise définition des bords, et, finalement, par un décollement de sections de la couche de verre-photoresist des régions où l'on désire obtenir la passivation. Le révélateur est placé dans un réservoir de solvant, qui est ensuite immergé dans un réservoir ultrasonique rempli d'eau. Les réservoirs sont réalisés en un matériau dur, brillant, par exemple en métal, tel que du titane ou de l'acier inoxydable, ou du verre, tel que le Pyrex chimique 7740 Corning. Un matériau dur, brillant, est nécessaire pour obtenir une bonne efficacité decouplage,au travers des parois du réservoir, entre la source ultrasonique, l'eau et le solvant. De même,les supports servant à maintenir les dispositifs semiconducteurs dans le révélateur doivent être réalisés à l'aide d'un matériau dur et brillant, afin d'empêcher l'amortissement des ondes ultrasoniques. Des supports ou des réservoirs réalisés à l'aide de matériaux plus flexibles, tels que le polyéthylène ou le polypropylène, ne conviennent pas pour réaliser un développement ultrasonique renforcé. Les fréquences ultrasoniques appropriées se situent dans une gamme de 20 à 40 kHz. Les fréquences de l'ordre de 40 kHz se sont avérées les plus efficaces. Des durées de développement satisfaisantes ne sont pas obtenues lorsqu'on utilise une fréquence de 60 kHz avec des réservoirs en verre ou en acier inoxydable, probablement en raison d'une faible efficacité de couplage. La pastille exposée est immergée dans la solution de développement (révélateur) pendant une durée de l'ordre de 3 à 60 secondes. La pastille est ensuite enlevée, puis séchée par insufflation d'air sur sa surface, afin d'évaporer le liquide restant. En utilisant le procédé selon la présente invention, on a pu obtenir des lignes déficientes en verre ayant une largeur de 51 à 76 p, pour une couche de verre de 38 ji d'épaisseur. L'aptitude à l'obtention de lignes déficientes en- verre nettes et étroites présente l'avantage qu'un traçage à l'eau, qui est utilisé pour diviser une pastille en dispositifs discrets, peut etre effectué à l'aide d'un laser sans endommager le dispositif, Un tel endommagement résulte d'une couche de verre de passivation craquelée, provenant d'une élimination incomplète du verre de la région où s'effectue le traçage par le laser. Par ailleurs, l'aptitude à préparer des lignes étroites déficientes en verre permet un empilage plus serré des dispositifs, ce qui assure un plus grand nombre de dispositifs par pastille. L'invention sera mainte#nant illustrée par les exemples suivants, qui n'ont évidemment aucun caractère limitatif. Exemple 1 Une plaquette ou pastille de silicium ayant 6,35 cm de diamètre a été recouverte d'un revêtement de 38 ji d'un mélange 1:1 en poids de verre et d'un photoresist "Waycoat SC". Le verre a été préparé en utilisant des rouleaux d'acier inoxydable refroidis pour la trempe du verre, et il a été passé au broyeur à billes, jusqu'à obtenir une granulométrie moyenne inférieure à 3 , en utilisant de la zircone comme moyen de broyage, et du 2-propanol comme milieu de suspension. On aalors laissé sécher la pastille ainsi recouverte dans de l'air libre, calme, pendant 15 à 20 minutes. La pastille recouverte a ensuite été chauffée à 90 0C et cuite pendant 30 minutes. La pastille sèche, pourvue du revêtement, a été exposée au travers d'un masque ayant la configuration recherchée, pendant 2 à 3 minutes, en utilisant une lampe au mercure de 200 Watts. A la suite de l'exposition, la pastille a été placée dans un four à 90 cl, pendant 10 minutes La pastille cuite a été développée en utilisant un mélange de 50 Une sonotrode ultrasonique, type "LTH-12l6-18-EL",- de la firme américaine 13raison Instrument, de 25 kHz, a été utilisée avec un générateur de 1200 Watts, modèle 610 Pac. La pastille exposée a été placée dans le révélateur pendant 30 secondes. On l'a ensuite enlevée, et elle a été séchée par insuf flation d'air sur sa surface, afin d'évaporer le liquide restant. Des lignes séparées de 51 ,u ont été développées,en laissant une ligne de 51 p de large déficiente en verre. Exemple 2 Une pastille de silicium de 6,35 cm de diamètre a été revêtue, exposée et cuite comme dans l'exemple 1. La pastille cuite a été développée selon le processus de l'exemple 1, en utilisant un révélateur resist négatif "Waycoat", qui est un mélange d'hydrocarbures linéaires saturés, produit par la firme américaine Phillip A. Hunt Chemical Co. Il a fallu un séjour de 60 secondes dans l'unité ultrasonique (sonotrode) pour obtenir les mêmes résultats qu'à l'exemple 1. Il demeure bien entendu que l'invention n'est pas limitée aux modes de mise en oeuvre ni aux exemples décrits et mentionnés ici, mais qu'elle en englobe toutes les variantes. REVENDICATIONS 1 - Procédé de fabrication d'une couche de passivation ayant une configuration déterminée, qui consiste à déposer sur un substrat une couche contenant un verre et un photoresist, à exposer des parties de cette couche à une source lumineuse et à développer la couche exposée à l'aide d'un solvant révélateur, ce procédé étant caractérisé en ce que l'on procède, pen dant l'étape de développement, à une agitation du solvant révélateur à l'aide d'ultrasons . 2 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la fréquence ultrasonique utilisée est comprise entre environ 20 et 40 kHz. 3 - Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le verre utilisé est maintenu exempt d'eau et de moyens de broyage chimiquement réactifs. 4 - Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la couche déposée comprend entre environ 40 et 60 qlo en poids de verre. 5 - Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le rapport verre/photoresist, dans la couche déposée, est de 1/1 environ en poids. 6-- Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la granulométrie des particules de verre est inférieure à 7 - Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le photoresist contient du polyisoprène rendu partiellement cyclique. 8 - Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que le solvant révélateur est constitué d'un mélange d'un ou de plusieurs chlorofluorocarbures et d'un ou de plusieurs hydrocarbures ou hydrocarbures chlorés. 9 - Procédé selon la revendication 7, caractéfisé en ce que le solvant révélateur comprend un ou plusieurs hydrocarbures ou hydrocarbures chlorés.