Способ нанесения через жесткую маску металлического рисунка на область с другим ранее нанесенным металлическим рисунком при производстве крышек корпусов неохлаждаемых термочувствительных элементов
METHOD FOR APPLYING A METAL PATTERN THROUGH A RIGID MASK TO AN AREA WITH ANOTHER PREVIOUSLY APPLIED METAL PATTERN IN THE PRODUCTION OF HOUSING COVERS FOR UNCOOLED TEMPERATURE-SENSITIVE ELEMENTS

Настоящее изобретение относится к области микроэлектронной техники и касается способа фиксации жесткой маски на слой фоторезиста при нанесении через жесткую маску металлического слоя на область другого ранее нанесенного металлического слоя при производстве крышек корпусов неохлаждаемых термочувствительных элементов, работающих в условиях вакуума.
МЭМС-устройства обычно изготавливают на кремниевой подложке с помощью технологии микрообработки, аналогичной технологии изготовления однокристальных интегральных микросхем. Типичные размеры микромеханических элементов лежат в диапазоне от 1-100 мкм, тогда как размеры кристалла МЭМС имеют размеры от 1 до 20 мм.
Основные методы получения всех МЭМС-устройств на основе кремния: осаждение слоев материала, структурирование этих слоев с помощью фотолитографии и травления для создания требуемой формы.
Неохлаждаемые термочувствительные элементы работают в условиях вакуума. Типовая конструкция такого элемента представлена на фиг. 1. Термочувствительный элемент 1 находится в корпусе 2. Сверху корпус закрыт крышкой. При этом необходимо обеспечить прохождение лучей ИК-излучение через крышку в направлении термочувствительного элемента, поэтому крышку корпуса изготавливают из германиевых пластин 3 (германий более прозрачен в ИК-диапазоне и всегда применяется в качестве конструкционного элемента для корпусов термочувствительных элементов) и с просветляющим покрытием 4 (ZnS-содержащее просветляющее покрытие) на внешней стороне пластины 3, уменьшающим переотражения от границ сред. А на внутренней стороне пластины 3 сформированы металлические элементы или металлические слои 5 и 6, обеспечивающие монтаж крышки к корпусу и необходимый уровень вакуума, соответственно. Металлические слои 5 и 6 представлены двух видов. Первый - это геттер (газопоглотитель, вещество, поглощающее и прочно удерживающее газы (кроме инертных), связывая их за счёт хемосорбции), обеспечивающий сохранение требуемого высокого уровня вакуума в приборе продолжительное время, а второй - это электрические и механические контакты. Для этих слоев может использоваться, например, сплав титан-ванадия определённого состава и золото соответственно.
Формирование топологии в металлических слоях с помощью травления в кислотах/щелочах через фоторезистивную маску (ФР) нежелательно, поскольку высока вероятность повреждения просветляющего покрытия 4 на обратной стороне германиевой пластины 3.
Известен способ напылением металлического слоя на заранее проявленный рисунок фоторезиста на пластине, с последующим удалением лишних участков металлического слоя 6 путём удаления фоторезиста под ним (метод взрывной литографии). Пример применения такого способа описан в JPS 62224083, H01L29/80, H01L29/48, опубл. 02.10.1987 г. В этом патенте описан способ напыления металлического слоя поверх резистивной маски и удаление резистивного слоя вместе с лишним металлом с помощью ультразвуковых колебаний. Однако, данный способ требует специальной техники создания рисунка фоторезиста (фотолитографии), при которой итоговый угол наклона стенок у проявленных канавок в фоторезисте будет отрицательным (то есть, наклон в сторону канавок, как это показано в упомянутом патенте).
Альтернативным методом, хорошо известным и уже много лет используемым в производстве микроэлектроники, является напыление металлов через жесткую маску (US4980240, US4980240).
Основными шагами процесса являются изготовление жесткой маски 7, совмещение маски и подложки-пластины при наложении маски на эту пластину, проведение процесса напыления металла (например, методом напыления конденсацией из паровой (газовой) фазы (PVD)), и последующее снятие жесткой маски (см. фиг. 2). Перед напылением маску и подложку-пластину закрепляют в специальных держателях и помещают в откачиваемый объем. Пластину затем плотно прижимают к маске, через которую производят напыление.
Метод напыления металлического рисунка конденсацией из паровой фазы через жесткую маску описан в US3286690 (C23C14/04; C30B23/04; H01L21/00, опубл. 22.11.1966). Данное решение принято в качестве прототипа.
При использовании типового способа с жёсткой маской необходимо решить несколько проблем:
- выравнивание жесткой маски и пластины для обеспечения совмещения топологий в металлическом слое 5 и металлическом слое 6;
- фиксация жесткой маски на германиевой пластине, чтобы избежать их рассовмещения в процессе PVD напыления металлического слоя 6 при наличии ранее напыленного металлического слоя 5;
- ограничение подпыла 8 металлического слоя 6 под жесткую маску 7 (см. выноску на фиг. 2). При напылении металлического слоя 6 между маской и пластиной существует зазор, который обусловлен неплотным прижатием маски к пластине и наличием ранее напыленного металлического слоя 5;
- обеспечить защиту ранее напыленного металлического слоя 5 от повреждения жесткой маской 7 при ее наложении на этот слой.
Перечисленные проблемы снижают эффективность процесса получения металлических покрытий. При этом данный способ не технологичен, так как требуется прикладывать достаточно сильные воздействия, что не удается избежать повреждения чувствительных слоев и уже присутствующего напыления.
Проявление на напыляемой поверхности подпылов 8 металлического слоя 6 под жесткую маску 7 порой приводит к перекрытию зазоров между смежно располагаемыми проводниками или образует мостики паразитной электрической проводимости. Подпылы снижают четкость границ напыленных проводников и не позволяют формировать уплотненные по монтажу схемы, в том числе и одноуровневые.
Для решения такой задачи необходимо исключить неплотности в прилегании жесткой маски к опорной поверхности без повреждения ранее нанесенного металлического рисунка.
Настоящее изобретение направлено на достижение технического результата, заключающегося в снижении расплывчатости границ рисунка топологии наносимого через жесткую маску металлического слоя на область другого ранее нанесенного металлического слоя для формирования четко выдержанных зазоров между линиями рисунков обоих слоев при исключении поврежденности рисунка ранее нанесенного металлического слоя.
Указанный технический результат в части способа достигается тем, что способ нанесения через жесткую маску металлического слоя на область другого ранее нанесенного металлического слоя при производстве крышек корпусов неохлаждаемых термочувствительных элементов, заключается в том, что жесткую маску с окнами, соответствующими топографическому рисунку наносимого металлического слоя выполняют из кремниевой пластины диаметром, совпадающим с диаметром пластины-заготовки крышки, выполняемой из германия и имеющей на одной стороне просветляющее покрытие, а на другой металлический слой в виде ранее напыленного  топологического рисунка, на жесткой маске и на пластине-крышке формируют метки выравнивания для обеспечения ориентированного размещения указанной маски на крышке на ее стороне, обратной стороне, несущей просветляющее покрытие, а затем на поверхность крышки на стороне расположения металлического слоя напыления наносят слой фоторезиста и формируют в этом слое фоторезиста методами экспонирования и проявления окна для получения фоторезистивной маски, размер окон которой превышает размер окон в жесткой маске и которые соответствуют топографическому рисунку подлежащего напылению через жесткую маску металлического слоя, затем в соответствии с местами расположения меток приклеивают жесткую маску на фоторезистивную маску и осуществляют напыление металлического слоя через окна в жесткой маске и фоторезистивной маске на поверхность крышки с последующим удалением жесткой маски и фоторезиста  органическим растворителем.
Указанные признаки являются существенными и взаимосвязаны с образованием устойчивой совокупности существенных признаков, достаточной для получения требуемого технического результата.
Настоящее изобретение поясняется конкретным примером исполнения, который, однако, не являются единственным, но наглядно демонстрирует возможность достижения требуемого технического результата.
На фиг. 1 - типовой схемный пример исполнения корпусированного термочувствительного  элемента;
фиг. 2 - типовой схемный пример напыления металлического слоя через жесткую маску на германиевую пластину с просветляющим покрытием;
фиг. 3 -  пример расположения жесткой маски на фоторезистивной маске, согласно настоящему изобретению.
Согласно настоящего изобретения рассматривается новый способ нанесения через жесткую маску металлического слоя на область другого ранее нанесенного металлического слоя при производстве крышек корпусов неохлаждаемых термочувствительных элементов, позволяющий плотно фиксировать жесткую маску и контролируемо уменьшить размеры подпылов наносимого второго металлического слоя и обеспечить точность межпроводниковых зазоров.
Заявленный способ позволяет снизить расплывчатость границ рисунка топологии наносимого через жесткую маску металлического слоя на область другого ранее нанесенного металлического слоя для формирования четко выдержанных зазоров между линиями рисунков обоих слоев при исключении поврежденности рисунка ранее нанесенного металлического слоя. При этом способ позволяет контролировать величину подпылов и точность положения жесткой маски на крышке для обеспечения правильного положения рисунка наносимого металлического слоя по отношению к рисунку ранее нанесенного другого металлического слоя.
В общем случае, способ нанесения через жесткую маску металлического слоя на область другого ранее нанесенного металлического слоя при производстве крышек корпусов неохлаждаемых термочувствительных элементов характеризуется следующей последовательностью проводимых действий:
- Жесткую маску 7 с окнами (сквозные отверстия), которые по своему расположению и размерам соответствуют топографическому рисунку наносимого металлического слоя 6, выполняют из кремниевой пластины. Эта пластина имеет диаметр, совпадающий с диаметром пластины-заготовки крышки, выполняемой из германия и имеющей на одной стороне просветляющее покрытие, а на другой ранее нанесенный напылением металлический слой 5 в виде своего топологического рисунка (например, отличного от рисунка, который подлежит формированию). Применение жесткой маски с размерами крышки позволяет обеспечить ее положение точно в размерах крышки, что облегчает ее позиционирование на крышке.
- На жесткой маске и на крышке (или на германиевой пластине, образующей крышку) формируют метки выравнивания для обеспечения ориентированного размещения указанной маски на крышке на ее стороне, обратной стороне, несущей просветляющее покрытие. Обе пластины должны иметь метки выравнивания, по которым они совмещаются на промышленной установке, предназначенной для этой задачи. Данные метки и окна в маске формируются стандартными для полупроводниковой промышленности методами оксидирования кремния, фотолитографии, травления оксида и кремния.
- Затем на поверхность крышки (на германиевую пластину) на стороне расположения ранее напыленного металлического слоя напыления наносят слой фоторезиста 9 (фиг. 3) и формируют в этом слое фоторезиста методами экспонирования и проявления окна для получения фоторезистивной маски, размер окон которой превышает размер окон в жесткой маске и которые соответствуют топографическому рисунку подлежащего напылению через жесткую маску металлического слоя.
Окна в слое фоторезиста формируются стандартными операциями экспонирования и проявления.  Размер окон в фоторезисте превышает размер окон в жесткой маске на величину погрешности совмещения при операции склеивания. Это позволяет уменьшить до минимума размеры подпылов, так как границы окон фоторезиста, по сути, являются ограничителями для металла. Так как фоторезистивный слой покрывает рисунок ранее нанесенного металлического слоя с учетом размеров зазоров между проводниками. то при напылении слой фоторезиста не позволяет подпылам переходить границы зазоров.
- Затем в соответствии с местами расположения меток приклеивают жесткую маску на фоторезистивную маску и осуществляют напыление металлического слоя через окна в жесткой маске и фоторезистивной маске на поверхность крышки с последующим удалением жесткой маски и фоторезиста органическим растворителем.
Ниже приводится алгоритм использования заявленного способа (фиг. 3):
1) На германиевую пластину 3 с топологией в металлическом слое 5 наносится слой фоторезиста 9.
2) Стандартными операциями экспонирования и проявления в слое фоторезиста 9 формируются окна, размер которых превышает размер окон в жесткой маске на величину погрешности совмещения при операции склеивания. С окнами слой фоторезиста приобретает функцию фоторезистивной маски.
3) Затем осуществляется совмещение и склеивание германиевой пластины 3 и жесткой маски 7 на установках контактной литографии и в бондере (установка для сращивания пластин). Происходит приклеивание жесткой маски через резистивную маску к пластине-крышке.
4) После этого осуществляют напыление второго металла для получения второго металлического слоя 6.
5) Снятие жесткой маски проводят в органической жидкости, неповреждающей просветляющее покрытие.
Данный способ позволяет решить все заявленные проблемы:
1) Жесткая маска надежна зафиксирована на германиевой пластине или крышке с помощью ФР.
2) Величина подпыла 8 металлического слоя 6 под жесткую маску является контролируемой, поскольку определяется шириной окон в топологии фоторезистивной маски.
3) Поверхность металлического слоя 5 защищена слоем фоторезиста.
Кроме того, данное решение не сопровождается перегревом слоя фоторезистиа.
Величина подпыла металла в первую очередь определяется формой окон в жесткой маске, ее толщиной и расстоянием между жесткой маской и германиевой пластиной (толщиной фоторезиста) и размером окон в фоторезистивной маске.
Снятие жесткой маски может производиться в растворителе N-метил-2-пирролидон (NMP). Тип установки для закрепления: промышленная установка сращивания пластин (wafer bonder).  В качестве фоторезиста может использоваться, например, фоторезист SPR700, образующий адгезионный слой. Использование в качестве растворителя N-метил-2-пирролидона для снятия маски известно из RU 2551841, US 2013075739. После этого обрабатываемая пластина дополнительно отмывается в NMP.
Настоящее изобретение промышленно применимо и позволяет повысить функциональную надежность МЭМС за счет:
А) уменьшения величины подпыла у создаваемого рисунка металлизации (большая чёткость геометрии) и разброса величины подпыла в пределах напыленного металлического слоя;
Б) Снижение риска сдвига жесткой маски относительно существовавшего рисунка в процессе операций закрепления жёсткой маски и напыления нового металлического слоя, а также при транспортировке пластин между этими операциями;
В) увеличения точности позиционирования создаваемого рисунка относительно имеющегося на пластине-крышке. В сочетании с пунктом выше, это снижает риск контакта (в т.ч. паразитного электрического) создаваемого и имевшегося рисунков металлизации;
Г) исключения механического повреждения уже имеющихся слоёв на поверхности пластины-крышки (так как есть прослойка в виде фоторезиста между имевшимся слоем и жёсткой маской).