Повышение качества технологического процесса тонкопленочной платы

Спирин В. Г. ПОВЫШЕНИЕ КАЧЕСТВА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ТОНКОПЛЕНОЧНОЙ ПЛАТЫ

Рассмотрены повышенные требования к основным операциям технологического процесса: напылению,

фотолитографии и подгонке сопротивлений резисторов. Даны рекомендации по выбору проводящей структуры пленок, форме и размерам подгоночной части тонкопленочного резистора.

Уменьшение норм проектирования топологических элементов ставит задачу разработки требований и рекомендаций к технологическому процессу изготовления тонкопленочных плат. В основном технологический процесс и комплекс оборудования для изготовления тонкопленочных плат с топологическими размерами 10-50 мкм останется неизменным. Тем не менее, следует рассмотреть некоторые особенности технологического процесса, которые будут способствовать повышению выхода годных плат и уменьшению размеров тонкопленочных элементов.

Главным отличием технологического процесса изготовления плат с топологическими размерами менее 50 мкм является повышение требований к чистоте воздушной среды и климатическим параметрам. Особенно эти требования возрастают к проведению операций фотолитографии и травления пленочных слоев. Данные операции рекомендуется проводить в чистых комнатах, в которых нормы по чистоте и климатическим параметрам соответствуют нормам изготовления полупроводниковых интегральных схем (ИС) средней степени интеграции.

а) б)

Рис. 1. а) - неравномерность толщины пленки по оси У подложки: 1 - подложка, 2 - резистивный

слой; б) - градиентная погрешность сопротивления ТПР.

Как известно, основным источником погрешности удельного поверхностного сопротивления является градиентная погрешность, типичный вид распределения которой приведен на рис. 1. Так как при уменьшении топологических размеров возрастает удельный вес погрешности сопротивления тонкопленочного резистора (ТПР) за счет процессов фотолитографии, то необходимо установить более жесткие требования к процессу напыления, особенно к неравномерности толщины пленки по поверхности подложки. В этом случае общая погрешность удельного поверхностного сопротивления не должна превышать ± 5%.

Существенное уменьшение размеров ТПР позволяет использовать в качестве резистивного материала хром с  = 250 Ом/П при изготовление плат на ситалле и с  = 500 Ом/П при изготовлении плат на кремнии. Такое решение позволяет снизить себестоимость напыления пленок в 2 раза, так как при этом исключается напыление резистивного слоя.

На воспроизводимость сопротивления ТПР и выход годных плат оказывают влияние не только формы ТПР, но и применяемая структура проводящей пленки. В качестве проводящей пленки в основном используют золото, медь и алюминий. Золото является драгоценным металлом и его применение нежелательно. Как показывает практика, проводящие пленки на основе меди имеют следующие недостатки. Во-первых, при термическом напылении на подложках иногда образуются каплевидные утолщения пленки -«брызги», которые не поддаются последующему травлению при формировании рисунка, что уменьшает выход годных плат. Во-вторых, систематические производственные погрешности формирования длины ТПР в 1,5-2 раза больше, чем в пленках на основе алюминия. В-третьих, в отличии от алюминия, для уменьшения сопротивлений резисторов с проводящим слоем из меди нельзя использовать групповую подгонку путем температурного отжига при температурах 200-400оС [1]. Поэтому применение проводящих пленок типа Сг-А1 обеспечит наивысшую интеграцию и высокий выход годных плат по условию попадания сопротивлений резисторов в заданный допуск.

Основным инструментом, обеспечивающим точность воспроизведения топологических размеров плат, при выполнении операции фотолитографии является фотошаблон (ФШ) . Хотя эмульсионные ФШ в принципе обеспечивают требуемую точность, однако их применение не рекомендуется, из-за низкой износостойкости. В случае повреждения элементов ФШ их ретуширование не допускается, так как ретушь значительно увеличивает зазор между ФШ и подложкой при экспонировании, в результате чего воспроизводимость тонкопленочных элементов резко снижается. Для повышения точности изготовления проводников и резисторов с размерами менее 50 мкм, а также для уменьшения дефектности плат из-за ФШ желательно применение металлизированных ФШ, например, на основе хрома или цветных ФШ на основе окиси железа.

При проведении процесса фотолитографии необходимо обратить внимание на следующие моменты: обязательную предварительную фильтрацию фоторезиста и контроль его вязкости; более жесткий контроль толщины фоторезиста и, соответственно, более жесткий контроль за скоростью вращения центрифуги при нанесении фоторезиста.

Методы фотолитографии и влажного изотропного травления при изготовлении полупроводниковых ИС обеспечивают получение рисунка с минимальными размерами 3 мкм [2]. Это ограничение происходит

вследствие дифракции света под ФШ и изотропности травления пленок. Однако для плат МСБ, изготавливаемых данным методом, минимальные размеры тонкопленочных элементов должны быть, по крайней мере, в 3 раза больше, так как платы изготавливаются с большими габаритными размерами, чем полупроводниковые ИС. Кроме того, явление дифракции не позволяет компенсировать систематическую погрешность, обусловленную фотолитографией, при размере элементов менее 5-10 мкм. Следовательно, минимальные топологические размеры проводников и резисторов плат высокой плотности упаковки в этом случае ограничиваются 1мин = Ьмин = 10 мкм.

Дальнейшее уменьшение размеров топологических элементов возможно при применении сухого травления. Важнейшим достоинством сухого травления является его анизотропия: травление идет преимуще-

ственно в вертикальном направлении, в котором движутся активные частицы (ионы, атомы, молекулы). Сухое травление обеспечивает снижение ухода размера топологического элемента на порядок по сравнению с традиционными процессами жидкостного травления (табл. 1).

Таблица 1. - Изменение размера топологического элемента при травлении [3]

Толщина материала, мкм Жидкостное травление, мкм Сухое травление, мкм

0,5 0,4 0,1

1,0 1,0 0,3

1,7 5,0 0,4

Основным фактором, который сдерживает внедрение сухого травления в промышленное производство, является высокая стоимость оборудования. В современных МСБ большинство ТПР проектируется с Кф >

1. В этом случае определяющим размером является ширина ТПР, которая формируется при второй фотолитографии и последующим травлением. При этом стравливается тонкая (менее 0,1 мкм) пленка резистивного слоя. Поэтому передовые предприятия, например, Пензенский НИИ Электронно-механических приборов, обычно формируют длину ТПР с использованием жидкостного травления, а его ширину с использованием сухого травления. При этом применяют установки плазмохимического травления отечественного производства, которые относительно недороги. К сожалению, эти установки не позволяют стравливать толстую пленку проводящего слоя. Применение фотолитографии и сухого травления позволяет получить с высокой точностью ширину ТПР порядка 3 мкм.

Как известно, сопротивления ТПР с допуском (10-15)% и более обеспечиваются технологическим процессом. Если требуется получение более высокой точности сопротивления, то прибегают к индивидуальной или групповой подгонке. Чтобы обеспечить хорошую воспроизводимость сопротивления ТПР, необходимо иметь возможность как увеличивать, так и уменьшать сопротивление резистора в процессе подгонки. При подгонке резисторов, как правило, требуют выполнение одного из двух условий:

1). Попадание сопротивления резистора в заданный допуск. При этом величина допуска находится в пределах (0,1-5)%.

2). Попадание в заданный допуск отношения сопротивлений двух или нескольких ТПР. При этом допуск на отношение сопротивлений двух резисторов устанавливается в пределах (0,1-3)% (здесь мы не рассматриваем высокопрецизионные схемы).

Из приведенных в [4] методов подгонки рассмотрим три метода: конструктивный, токовой подгонки и лазерной подгонки. Конструктивный метод подгонки обеспечивает как увеличение сопротивления резистора, путем перерезания проводящих или резистивных перемычек, так и уменьшение сопротивления, путем замыкания части резистора проволочной перемычкой. В связи с тем, что данный метод требует большой площади для подгоночных элементов, то его применение носит ограниченный характер: в ос-

новном в прецизионных схемах, где требуется высокая стабильность резисторов.

На практике широкое распространение получила лазерная подгонка резисторов, производимая путем испарения части резистивного материала. Лазерная подгонка применяется для увеличения сопротивления резисторов. Токовая подгонка применяются для уменьшения сопротивления ТПР. Однако последний тип подгонки применяются сравнительно редко, что приводит к введению в топологию платы подгоночных частей ТПР, которые сокращают полезную площадь платы. При этом увеличивается также трудоемкость подгонки, так как конструктор вынужден занижать номинальное сопротивление подгоночного резистора. Кроме того, при применении только лазерной подгонки, снижается процент выхода годных плат в случае попадания сопротивления резистора за пределы верхнего поля допуска.

Для выполнения наиболее распространенного первого условия подгонки сочетание токового и лазерного методов является приемлемым. Сочетание этих методов для выполнения второго условия подгонки является недопустимым, так как при токовой подгонке сильно изменяется температурный коэффициент сопротивления подгоняемого резистора, что приводит к температурной нестабильности отношений сопротивлений ТПР. Для выполнения второго условия подгонки следует применять лазерную подгонку и групповую подгонку путем температурного отжига.

На воспроизводимость отношения сопротивлений резисторов, если они находятся в непосредственной близости друг от друга, влияют только точечные дефекты, погрешность от которых очень мала. Поэтому, с целью снижения трудоемкости подгонки и экономии площади платы, резисторы, входящие в отношения, должны рассчитываться как обычные неподгоночные резисторы и не иметь подгоночных частей.

Если систематические погрешности сопротивления ТПР скомпенсированы, то максимальное отклонение сопротивления резистора от номинального значения не превышает 20%, что позволяет выполнить его подгонку лазерным или групповым методом без использования специальных подгоночных частей. Поэтому площадь подложки может быть использована более рационально. Таким образом, все резисторы необходимо конструировать с номинальным коэффициентом формы, а в качестве подгоночных можно использовать все рекомендуемые в [5] формы резисторов.

Рассмотрим особенности лазерной подгонки резисторов, выполняемой путем испарения резистивной пленки, на установке АМЦ-77. Если ТПР с шириной 100 мкм и более не требуют специальных подгоночных частей, то при ширине резистора в 50 мкм и менее возникают ограничения, налагаемые технологическим оборудованием и возможностями оператора. Во-первых, диаметр лазерного луча составляет 304 0 мкм, во-вторых, на установку подгонки действуют вибрации, которые вызывают отклонения лазерного луча относительно подложки, в-третьих, оператор не может идеально точно выдержать линию реза. Таким образом, реальная линия реза получается колебательной. Следовательно, для подгонки резисторов плат высокой плотности упаковки необходимо применение лазерных установок с диаметром луча 3-5 мкм.

Для осуществления подгонки ТПР с шириной в 50 мкм и менее на установке АМЦ-077 необходимо в топологии платы предусматривать подгоночную часть резистора. С целью хорошей воспроизводимости сопротивлений ТПР и экономии площади платы подгоночную часть резистора рекомендуется выбирать в виде прямоугольной резистивной полоски. Подгоночная часть с основным телом резистора должна соединяться с помощью пленочного проводника. Подгоночную часть рекомендуется вводить в топологию

платы при Кф > 20. При 1 < Кф < 20 подгоночный резистор рекомендуется выполнять в виде прямоуголь-

ника. При Кф < 1 подгонку можно выполнять при любой форме резистора.

Литература

1. Старов, В.И. Получение высокостабильных резистивных слоев на основе сплава РС-3710. / В.И.

Старов, В.Г. Скоморох. //Приборы и системы управления.- 1986.- № 11.- С. 35-36.

2. Готра, З.Ю. Технология микроэлектронных устройств. / З.Ю. Готра. - М.: Радио и связь, 1991.528 с.

3. Моро, У. Микролитография. / У. Моро - М.: Мир, 1990. - Т.1, 2.- 1240 с.

4. Готра, З.Ю. Подгонка пленочных резисторов микросхем / З.Ю. Готра, И.Я. Хромяк, А.Н. Вой-техов // Зарубежная электронная техника. - 1985.- Вып.1(284).- С. 30-74.

5. Спирин, В.Г. Выбор конструкций тонкопленочных резисторов для микросборок высокой интеграции

/ В.Г. Спирин // Электронная промышленность.- 2005.- № 1. - С. 55-59.