Brevet FR2666682A1 — publié le 19920313

PROCEDE DE FABRICATION D'UN RESEAU D'ELEMENTS RESISTIFS A HAUTE INTEGRATION ET RESEAU OBTENU. DESCRIPTION L'invention se rapporte à un procédé de fabrication, à bas coût, d'un réseau résistif à haute intégration et comportant par exemple 100 éléments résistifs par centimètre environ. Elle permet la réalisation de circuits hybrides à très haute densité d'intégration, utilisés en particulier en télécopie et en hyperfréquence. Actuellement, lorsque l'implantation de circuits hybrides implique la réalisation de réseaux résistifs à niveau d'intégration élevé, c'est-à-dire supérieur à cinq éléments résistifs par centimétre, les fabricants font appel à des équipements de dépôt sous vide. Le dépôt sous vide est une technique tout à fait valable et performante. Malheureusement, cette technique présente l'inconvénient majeur d'un coût très élevé. En effet, elle nécessite des équipements de mise en oeuvre spéciaux et coûteux, du personnel très qualifié ainsi qu'un environnement rigoureux. Le coût de cette technique est d'ailleurs tellement prohibitif qu'il écarte les petites et moyennes entreprises de ta fabrication de ces réseaux résistifs. L'autre technique connue de dépôt d'éléments résistifs est La sérigraphie qui a l'avantage d'être beaucoup moins coûteuse que la technique de dépôt sous vide. Malheureusement, cette technique ne peut pas être utilisée du fait des faibles dimensions de ces réseaux résistifs. En particulier, les propriétés électriques de ces réseaux fabriqués par sérigraphie, ne sont plus reproductibles en raison d'importants phénomènes de migration qui se produisent aux interfaces éléments résistifs-pistes conductrices, ces dernières constituant les Lignes d'interconnexions des éléments résistifs entre eux. L'invention a justement pour objet un procédé de fabrication d'un réseau d'éléments résistifs à haute intégration permettant de remédier à ces différents inconvénients. Ce procédé permet La réalisation de réseaux résistifs comportant 100 éléments résistifs par centimètre environ avec un faible coût de mise en oeuvre et des propriétés électriques reproductibles. De façon plus précise, l'invention a pour objet un procédé de fabrication d'un réseau d'éléments résistifs sur un support isolant, comprenant les étapes suivantes : A) - préparation d'un mélange de résine photosensible, de liant et de grains d'un matériau résistif frittable, B) - dépôt d'une couche de ce mélange sur le support, C) - irradiation de la couche selon un motif représentatif du réseau d'éléments résistifs à réaliser, D) - développement de la résine de façon à l'éliminer dans les zones de La couche, situées en dehors des emplacements des éléments résistifs à réaliser, et libérer ainsi le liant et les grains de matériau résistif dans ces zones, E) - élimination du Liant et des grains de matériau résistif libérés au cours de l'étape D, F) - traitement de La structure obtenue en E pour éLiminer la résine restante, fritter le matériau résistif restant et le sceller dans le liant restant, formant ainsi les éléments résistifs, et G) - réalisation de lignes conductrices d'interconnexions des éléments résistifs. L'étape D du procédé consiste à garder la résine photosensible dans Les zones de la couche déposée, situées à l'emplacement des éléments résistifs à réaliser. L'irradiation de la couche de résine photosensible, de liant et de grains de matériau résistif, selon un motif représentatif du réseau résistif à réaLiser, peut être réalisée directement à L'aide d'un faisceau Laser balayant cette couche de produit photosensible selon le motif voulu. Toutefois, on préfère faire appel à une technique de masquage par une résine photosensible. Dans ce cas, le procédé de l'invention consiste à : a) - préparer un mélange d'une première résine photosensible, d'un liant et de grains d'un matériau résistif, b ) - déposer une couche de ce mélange sur un support, c) - déposer une seconde résine photosensible de même nature que la première résine sur la couche de mélange, d) - irradier la seconde résine selon un motif représentatif du réseau d'éléments résistifs à réaliser, e) - développer la seconde résine irradiée de façon à éliminer simultanément la seconde et la première résines dans Les zones situées en dehors des emplacements des éléments résistifs à réaliser et libérer ainsi le liant et les grains de matériau résistif desdites zones, f) - éliminer Le liant et les grains de matériau résistif ainsi libérés, g) - traiter thermiquement la structure obtenue en f pour calciner la première et la seconde résines restantes, fritter le matériau résistif restant et le sceller par le liant restant, formant ainsi lesdits éléments résistifs, et h) - réaliser les lignes conductrices d'interconnexions des éléments résistifs. Par résine de même nature, il faut comprendre des résines réagissant de la même façon sous irradiation et pouvant être éliminées au cours d'une même étape de développement. Les résines utilisables dans l'invention peuvent être des résines négatives ou positives et sont celles classiquement utilisées en micro-électronique. Les résines classiquement utilisées en microélectronique ont L'avantage d'être détruites et transformées à 100X en matières volatiles pour des températures au moins égales à 6000C. Afin d'éviter les migrations électroniques entre les éléments résistifs et les lignes d'interconnexions, ces dernières sont réalisées en un métal conducteur servant en outre de barrière de diffusion. En particulier, les lignes d'interconnexions sont obtenues en déposant une couche d'un composé organométallique d'un premier métal conducteur jouant Le rôle de barrière de diffusion, sur l'ensemble du circuit, en effectuant un traitement thermique de l'ensemble pour transformer le composé organométallique en des vapeurs organiques et précipiter le métal sur le circuit et en gravant la couche métallique obtenue selon le motif voulu, représentatif des lignes d'interconnexions. Comme métal pouvant être déposé sous forme d'un composé organométallique et servant aussi de barrière de diffusion, utilisable dans L'invention, on peut citer le platine et le palladium. Le traitement thermique destiné à la précipitation du métal peut être effectué à partir de 3000C. Toutefois, afin d'obtenir une adhérence élevée de la couche métallique, on réalise ce traitement à une température supérieure à 6000C et par exemple égale à 8500C. Le substrat sur lequel est fabriqué le réseau résistif peut être quelconque à condition toutefois d'être un isolant électrique et de supporter les températures mises en jeu au cours des différents traitements thermiques. En particulier, ce substrat est de la silice, de l'alumine ou du nitrure d'aluminium, c'est-à-dire un substrat classiquement utilisé pour la fabrication des circuits hybrides. Le matériau résistif, le liant et la résine photosensible constituant le produit photosensible doivent bien entendu être compatibles chimiquement. En particulier, le matériau résistif peut être réalisé en n'importe quel oxyde conducteur tel que l'oxyde d'étain, l'oxyde d'indium et d'étain (ITO) ou l'oxyde de ruthénium ou encore en nitrure de tantale ou en alliage de cuivre et de nickel. On utilise de préférence L'oxyde de ruthénium, ce dernier étant classiquement utilisé en sérigraphie. Le liant peut être une résine polymérisable à chaud ou sous irradiation ultraviolette ; en particulier, cette dernière peut être une résine époxy. Par ailleurs, la résine photosensible et le liant peuvent être un seul et même matériau. De préférence, on utilise comme liant un produit minéral frittable tel qu'un verre. Dans ce cas, le traitement thermique final doit être réalisé à la température de fusion du verre, par exemple, 8500C pour un verre borosilicaté à base de plomb. En jouant sur les proportions relatives de liant et de grains de matériau résistif, on peut adapter les valeurs des éléments résistifs. Le liant peut représenter de 5% à 90X environ en poids du mélange liant-grains résistifs. De façon avantageuse, la couche de résine photosensible, de liant et de grains de matériau résistif est déposée par centrifugation. Dans cette technique, la quantité de résine est à adapter pour permettre un bon étalement du produit photosensible. Plus le mélange total contient de résine photosensible, plus la viscosité de ce dernier diminue. Les composés organométalliques de métal utilisables dans l'invention sont en particulier des thiolates de formule générale R-S-M dans laquelle R représente une chaîne hydrocarbonée, saturée ou non et éventuellement substituée pouvant avoir de 1 à 20 atomes de carbone et M représente un métal et par exemple le platine ou le palladium. En particulier, R représente un radical aromatique, alkyle ou aryle de 1 à 20 atomes de carbone tel que le radical méthyle, éthyle, propyle, triméthyle, etc. Les composés thiolates utilisables dans l'invention sont notamment ceux commercialement disponibles auprès des sociétés telles que Degussa, Electrosciences, Engelvart, Johnson Matthey, etc. Si pour des raisons de puissance électrique à écouler, les lignes conductrices en premier métal doivent avoir une très faible résistance, ces dernières peuvent être surépaissies par dépôt d'un second métal conducteur que l'on grave selon le motif voulu. Ce second métal peut être de l'or, du nickel, du cuivre, de l'aluminium. Il est en outre possible d'électrolyser un troisième métal conducteur directement sur le premier métal ou bien sur le second métal conducteur. Comme métal électrolysable utilisable dans l'invention, on peut citer le cuivre et le nickel. L'invention a aussi pour objet un réseau d'éléments résistifs obtenu par le procédé décrit précédemment. En particulier, ce réseau d'éléments résistifs comporte environ 100 éléments résistifs par centimètre ; ces éléments résistifs peuvent présenter chacun une dimension de 10x50 micromètres carrés, ce qui est extrêmement petit. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront mieux de la description qui va suivre, donnée à titre illustratif et non limitatif, en référence aux figures 1A à 1G représentant, en coupe longitudinale, les différentes étapes de fabrication d'un réseau résistif conformément à l'invention. Afin de simplifier les schémas, on n'a représenté qu'un seul élément résistif et ses deux pistes d'amenée de courant. La première étape du procédé consiste à fabriquer le produit photosensible. Ce dernier est constitué de 209 de produit photosensible composé de 209 d'un mélange de poudre d'oxyde de ruthénium et de fritte de verre (produit référence E6-9-1 de la société Degussa), et de 27,59 de résine photosensible positive (produit référencé AZ 1431 de la société Shipley). La granulométrie de l'oxyde et du verre est inférieure à 5 ym. Après homogénéisation dans une jarre soumise à une agitation rotative à 60 tours/minute, pendant 24 heures, et dans laquelle ont été préalablement introduites des billes d'alumine de 15 mm de diamètre, le produit est prêt à l'emploi. Ces billes d'alumine servent à homogénéiser le mélange résine-fritte de verre-oxyde de ruthénium. Le produit peut être préparé en quantité plus importante, mais entre chaque utilisation, il est préférable de le stocker dans une jarre tournant à 10 tours/minute pour éviter toute sédimentation. Par centrifugation, un support 2 d'alumine polie de 250 pm d'épaisseur et de 99,6X de pureté (figure 1A) est enduit à l'ai de du produit synthétisé ci-dessus (7000 tours/minute pendant 20 secondes) . La vitesse et le temps de centrifugation influent directement sur l'épaisseur finale de la couche photosensible 4 obtenue. Les paramètres donnés ici permettent d'obtenir des éléments résistifs ayant une épaisseur d'environ 3 à 5 jim une fois le circuit terminé. Une fois enduit, le support 2 est placé en étuve (60 minutes à 800C) afin de sécher le dépôt 4. Afin d'optimiser L'opération suivante de photolithographie, une couche de résine 6 de même nature (AZ 1431 de chez Shipley notamment) que celle qui entre dans la composition du produit déjà appliqué sur le support est déposée sur la couche 4 de ce dernier par centrifugation (2000 tours/minute pendant 20 secondes). La résine 6 a une épaisseur de 2000 nm. Le support 2 ainsi enduit est ensuite soumis à un rayonnement ultraviolet 8 (de 300 à 450 nm) au travers d'un masque photographique 10, puis immergé 60 secondes dans le révélateur de la résine photosensible qui dissout les portions de cette dernière qui ont été exposées aux ultraviolets. Le masque 10 sert à masquer les emplacements destinés aux éLéments résistifs. La structure obtenue après développement de la résine de masquage est représentée sur la figure 1B. Les grains d'oxyde de ruthénium et de la fritte de verre sont ainsi sélectivement mis à nu et libérés du joint constitué par la résine. Ils sont alors "chassés" a l'aide d'un jet d'eau distillée et d'une agitation ultrasonique en milieu aqueux. Seules restent alors sur le support 2 les zones qui n'ont pas "vu" les ultraviolets et qui vont constituer les éléments résistifs, après le traitement suivant. Le support subit alors un traitement thermique, avec un palier de 10 minutes à 850oC, au cours duquel la résine 6 et celle de la couche 4 sont calcinées et disparaissent du support, la poudre d'oxyde de ruthénium fritte et la fritte de verre fond et scelle ainsi l'oxyde de ruthénium sur le support. La structure obtenue est celle de la figure 1C. Les éléments résistifs ainsi formés portent la référence 4a. La réalisation des éléments résistifs décrite précédemment évite le recours au seul agent de gravure utilisable du fait de la fritte de verre, l'acide fluorhydrique, qui est trop corrosif et inefficace pour la gravure d'éléments résistifs de si petites dimensions. Les étapes suivantes concernent la réalisation des lignes d'interconnexions des éléments résistifs 4a entre eux. Ces lignes sont en particulier en palladium du fait que ce matériau limite très fortement les migrations à l'interface ligne-élément résistif correspondant à leur prise de contact sur les éléments résistifs. Sous forme d'un composé organométallique et en particulier de phtalate de palladium (par exemple le produit vendu par la société DEGUSSA, qui porte la référence GP 556), le palladium est déposé par centrifugation sur la totalité de la surface du support (2000 tours/minute pendant 20 secondes). La couche d'organométallique déposée a une épaisseur de > à 4 000 nm. Le palladium est ensuite précipité à l'état métallique à L'aide d'un traitement thermique comprenant un palier de 10 minutes à 8500C. La couche métallique obtenue porte la référence 12 sur la figure 1D. Le réseau de lignes conductrices est ensuite obtenu par un procédé classique de photogravure. A cet effet, on forme un masque 14 de résine photosensible sur la couche de palladium 12 représentant l'image des lignes d'interconnexions à réaliser. En particulier, le masque 14 comporte une ouverture en regard des éléments résistifs 4a dont la Longueur est inférieure à celle des éléments résistifs. On effectue ensuite une gravure conduisant à l'élimination du métal non masqué par la résine 14. L'agent de gravure chimique utilisé est une solution composée de 1 volume d'acide chlorhydrique, 10 volumes d'acide nitrique et 10 volumes d'acide acétique. Après élimination du masque de résine 14, on obtient la structure représentée sur la figure 1E. Les lignes d'interconnexions en palladium obtenues portent la référence 12a. Si besoin est, par exemple Lorsque les densités de courant à écouler sont importantes, les lignes d'interconnexions 12a en palladium peuvent être épaissies par dépôt d'une couche d'or 16 de 1 000nm d'épaisseur, par centrifugation. Après formation d'un masque de photogravure 18 en résine représentant l'image des surcharges en or à réaLiser, et en particulier comportant une ouverture en regard d'éléments résistifs 4a de longueur supérieure à celle des éléments résistifs, on effectue une gravure de la couche d'or 16 dans une solution d'iode et de iodure de potassium contenant 59 en poids d'iode et 259 d'iodure pour 100cc d'eau, ou dans une solution d'eau régale. Après élimination du masque de résine 18, la structure obtenue est celle de la figure 1G. Les zones d'or restantes portent la référence 16a. IL est alors possible de déposer par électrolyse une couche 20 de cuivre de 5 000nm d'épaisseur sur les lignes 16a en or. Avec le procédé décrit ci-dessus en référence aux figures 1A à 1G, les inventeurs ont obtenu un réseau d'éléments résistifs présentant les caractéristiques suivantes - une épaisseur des éléments résistifs de 3 à 5 um, - une résistance par carré de 1100 ohms, - une résolution de 10 lignes résistives par mm, - une variation linéaire de la valeur de la résistance en fonction de la longueur, ce qui démontre une quasi-absence de migration à l'interface élément résistif-ligne conductrice en palladium. Les résistances testées avaient une longueur de 50 à 250piu. La valeur de la résistance par carré des éléments résistifs peut être modifiée soit en jouant sur l'épaisseur des résistances, par exemple en changeant la vitesse de centrifugation, a valeur de la résistance par carré augmente quand l'épaisseur de la couche diminue, soit en utilisant une poudre d'oxyde et de fritte de verre de formulation différente ou en changeant le rapport poudre de verre et ruthénium. Pour les lignes d'interconnexions en palladium, il a été obtenu une épaisseur de 15 nm et une résolution de 50 lignes conductrices par mm. L'épaisseur des lignes d'interconnexions peut être modifiée en jouant sur la vitesse de centrifugation du composé organométallique. REVENDICATIONS 1. Procédé de fabrication d'un réseau d'éléments résistifs sur un support isolant, comprenant les étapes suivantes : A) - préparation d'un mélange de résine photosensible, de liant et de grains d'un matériau résistif frittable, B) - dépôt d'une couche (4) de ce mélange sur le support (2), C) - irradiation (8) de la couche selon un motif (10) représentatif du réseau d'éléments résistifs à réaliser, D) - développement de la résine de façon à l'éliminer dans les zones de la couche, situées en dehors des emplacements des éléments résistifs à réaLiser, et libérer ainsi le liant et les grains de matériau résistif dans ces zones, E) - élimination du liant et des grains de matériau résistif libérés au cours de l'étape o, F) - traitement de la structure obtenue en E pour éliminer la résine restante, fritter le matériau résistif restant et le sceller dans le liant restant, formant ainsi les éléments résistifs (4a), et G) - réalisation de lignes conductrices (12a, 16a, 20) d'interconnexions des éléments résistifs. 2. Procédé selon La revendication 1, caractérisé en ce qu'il consiste à : a) - préparer un mélange d'une première résine photosensible, d'un liant et de grains d'un matériau résistif, b ) - déposer une couche (4) de ce mélange sur un support, c) - déposer une seconde résine photosensible (6) de même nature que la première résine sur la couche de mélange, d) - irradier (8) la seconde résine selon un motif (10) représentatif du réseau d'éléments résistifs à réaliser, e) - développer la seconde résine irradiée de façon à éliminer simultanément la seconde et la première résines dans Les zones situées en dehors des emplacements des éléments résistifs à réaliser et libérer ainsi le liant et les grains de matériau résistif desdites zones, f) - éLiminer le liant et les grains de matériau résistif ainsi libérés, g) - traiter thermiquement la structure obtenue en f pour calciner la première et la seconde résines restantes, fritter le matériau résistif restant et le sceller par le liant restant, formant ainsi lesdits éléments résistifs (4a), et h) - réaliser les lignes conductrices (12a, 16a, 20) d'interconnexions des éléments résistifs. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'on introduit dans le mélange des billes d'un oxyde frittable. 4. Procédé selon L'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'on réalise les lignes d'interconnexions (12a, 16a, 20) en déposant une couche d'un composé organométallique d'un premier métal conducteur servant en outre de barrière de diffusion sur le support (2) équipé de ses éLéments résistifs (4a), en effectuant un traitement thermique de la structure ainsi obtenue pour transformer Le composé organométallique en des vapeurs organiques et en un dépôt (12) de premier métal sur le support (2) et lesdits éléments résistifs (4a), et en gravant la couche de premier métal obtenue selon un motif représentatif de ces lignes d'interconnexions. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le matériau résistif frittable est de l'oxyde de ruthénium. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le liant est du verre que L'on introduit sous forme de grains frittés dans le mélange, le traitement thermique assurant leur fusion. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 4 à 6, caractérisé en ce que le premier métal est choisi parmi le palladium et le platine. 8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la couche (4) de mélange est déposée par centrifugation. 9. Procédé selon L'une quelconque des revendications 4 à 8, caractérisé en ce que le composé organique est déposé par centrifugation. 10. Procédé selon l'une quelconque des revendications 4 à 9, caractérisé en ce que l'on épaissit les lignes d'interconnexions en déposant un second métal conducteur (16) sur la couche (12a) de premier métal gravée, que L'on grave selon le motif voulu 11. Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce que lton électrolyse un troisième métal conducteur (20) sur le second métal conducteur gravé (16a). 12. Réseau d'éléments résistifs sur un support isolant obtenu selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que les éléments résistifs (4a) sont constitués de grains du matériau résistif solidarisés par le liant et sont reliés électriquement entre eux par des lignes d'interconnexions (12a) réalisées en un métal conducteur servant de barrière de diffusion. 13. Réseau d'éléments résistifs selon la revendication 12, caractérisé en ce que les éléments résistifs (4a) sont au nombre de 100 par centimètre. 14. Réseau d'éléments résistifs selon la revendication 12 ou 13, caractérisé en ce que les éléments résistifs (4a) sont constitués de grains d'oxyde de ruthénium solidarisés par du verre fritté et les Lignes d'interconnexions (12a) sont réalisées en platine ou palladium.