Методы формирования заданной конфигурации пленочных элементов.

Пленочные резисторы, конденсаторы, соединительные проводники, контактные площадки должны иметь определенную конфигурацию для получения заданных номиналов и выполнения конкретных функций. Изготовление толстопленочных элементов описано в  . Заданную конфигурацию тонкопленочных элементов можно получить различными методами: свободной маски, контактной маски, фотолитографии и др.

Метод свободной маски

Он основан на экранировании части подложки от потока частиц напыляемого вещества с помощью специально изготовленной свободной маски (рисунок 2,а и б).

Рисунок 2

Свободная маска представляет собой тонкий экран (0,1 мм), выполненный из стали, бериллиевой бронзы или других материалов, с отверстиями, очертание и расположение которых соответствует желаемой конфигурации пленочных элементов.

Достоинством этого метода является то, что маска может использоваться многократно (до 20 раз).

К недостаткам следует отнести:

• во-первых, в процессе напыления происходит напыление на маску, что меняет её толщину и ширину отверстий;

• во-вторых, наличие подпыления (проникновение материала пленки под маску). Это снижает точность размеров элементов и их номиналов. Поэтому периодически требуется очистка масок;

• в-третьих, металлические маски мало пригодны при катодном и ионно-плазменном напылении, так как металл искажает электрическое поле, а это тоже приводит к снижению точности элементов.

Метод контактной маски

Контактная маска изготовляется непосредственно на подложке и держится на ней благодаря адгезии. Материал маски (медь, алюминий, никель, фоторезист) должен выдерживать условия нанесения материала тонкой пленки, не испаряясь и не взаимодействуя химически с этим материалом и легко удаляться с подложки способами, не влияющими на свойства материала тонкой пленки. На подложку с контактной маской (рисунок 2,в) наносят слой материала, из которого будут формироваться тонкопленочные элементы. Если теперь на полученную заготовку воздействовать травителем или растворителем для материала маски, то маска, удаляясь с подложки, увлекает с собою и лежащие на ней участки слоя напыленного материала. И он остается только на тех местах, где был нанесен непосредственно на поверхность подложки (рисунок 2,г).

Достоинства метода:

• обеспечивает большую точность и четкость края;

• применим как для вакуумного, так и для катодного распыления.

Методы литографии

Всякая маска содержит совокупность заранее спроектированных от­верстий – окон. Изготовление таких окон есть задача литографии (гравировки). Ведущее место в технологии изготовления масок сох­раняют фотолитография и электронолитография.

Фотолитография. В основе фотолитографии лежит ис­пользование материалов, которые называют фоторезистами. Это разновидность фотоэмульсий, известных в обычной фотографии. Фоторезисты чувствительны к ультрафиолетовому свету, поэтому их можно обрабатывать в не очень затемненном помещении.

Фоторезисты бывают негативные и позитивные. Негативные фоторезисты под действием света полимеризуются и становятся устойчивыми к травителям (кислотным или щелочным). Значит, после локальной засветки будут вытравливаться не засвеченные участки (как в обычном фото- негативе). В позитивных фоторезистах свет, наоборот, разрушает полимерные цепочки и, значит, будут вытравливаться засве­ченные участки. Фоторезист служит для создания масок при формировании пленок определенной конфигурации.

Рисунок будущей маски изготав­ливается в виде так называемого фотошаблона. Фотошаблон представляет собой толстую стеклян­ную пластину, на одной из сторон которой нанесена тонкая непрозрач­ная пленка с необходимым рисунком в виде прозрачных отверстий. Разме­ры этих отверстий (элементов рисунка) в масштабе 1 : 1 соответствуют раз­мерам будущих элементов ИС, т. е. могут составлять 20—50 мкм и менее (до 2—3 мкм). Поскольку ИС изготавливаются групповым мето­дом, на фотошаблоне по «строкам» и «столбцам» размещается множество однотипных рисунков. Размер каждого рисунка соответствует размеру будуще­го кристалла ИС. Процесс фотолитографии при формировании контактной площадки, например, состоит из следующих операций:

1. нанесение фоторезиста;

2. экспонирование (засветка);

3. проявление;

4. травление;

5. удаление фоторезиста.

Для формирования некоторых элементов, например, пленочных резисторов, используется метод двойной фотолитографии:

1. на подложку наносят первый слой – резистивный, затем слой металла, и, наконец, слой фоторезиста;

2. поводят первую фотолитографию, т.е. формируют их металлической пленки соединительные проводники; ненужные участки металла после первой фотолитографии удаляются;

3. проводят вторую фотолитографию, в результате которой формируют элемент из резистивного материала; ненужные участки резистивной пленки удаляют.

Дальнейшие операции, как и при одинарной фотолитографии.

Электронолитография. Описанные методы долгое время составляли одну из основ микроэлектронной технологии. Они и до сих пор не потеряли своего значения. Однако по мере по­вышения степени интеграции и уменьшения размеров элементов ИС возник ряд проблем, которые частично уже решены, а частично находятся в стадии изучения.

Одно из принципиальных ограничений касается разрешающей способности, т. е. минимальных размеров в создаваемом рисунке маски. Дело в том, что длины волн ультрафиолетового света со­ставляют 0,3-0,4 мкм. Следовательно, каким бы малым не было отверстие в рисунке фотошаблона, размеры изображения этого отверстия в фоторезисте не могут достигать указанных значений (из-за дифракции). Поэтому, минимальная ширина элементов составляет около 2 мкм, а при глубоком ультрафиолете (длина волны 0,2-0,3 мкм) – около 1 мкм. Между тем размеры порядка 1—2 мкм уже оказываются недостаточно малыми при соз­дании больших и сверхбольших ИМС.

Наиболее очевидный путь для повышения разрешающей спо­собности литографии - использование при экспозиции более ко­ротковолновых излучений.

За последние годы разработаны методы электронной литогра­фии. Их сущность состоит в том, что сфокусированный пучок элек­тронов сканируют (т. е. перемещают «построчно») по поверхности пластины, покрытой электронорезистом, и управляют интенсивностью пучка в соответствии с заданной программой. В тех точках, которые должны быть «засвечены», ток пучка максимален, а в тех, которые должны быть «затемнены», — равен нулю. Диаметр пучка электронов находится в прямой зависимости от тока в пучке: чем меньше диаметр, тем меньше ток. Однако с уменьшением тока растет время экспозиции. Поэтому повышение разрешающей способности (уменьшение диаметра пучка) сопровождается увеличением дли­тельности процесса. Например, при диаметре пучка 0,2—0,5 мкм время сканирования пластины, в зависимости от типа электронорезиста и раз­меров пластины, может лежать в пределах от десятков минут до не­скольких часов.

Одна из разновидностей электронной литографии основана на отказе от электронорезистивных масок и предусматривает воздействие электрон­ного пучка непосредственно на окисный слой SiO₂. Оказывается, что в местах «засветки» этот слой в дальнейшем травится в несколь­ко раз быстрее, чем в «затемненных» участках.

Минимальные размеры при электронолитографии составляют 0,2 мкм, хотя предельно достижимы – 0,1 мкм.

В стадии исследования находятся другие методы литографии, например, мягкое рентге­новское излучение (с длинами волн 1—2 нм) позволяет получить минимальные размеры 0,1 мкм, а ионно-лучевая литография 0,03 мкм.

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ИНТЕГРАЛЬНЫЕ МИКРОСХЕМЫ

В полупроводниковых интегральных микросхемах (ППИМС) элементы выполнены в объеме или часть из них на поверхности полупроводникового ма­териала, чаще всего монокристаллического кремния. В ППИМС все элементы (активные и пассивные) реализуются на основе би­полярных и МДП-транзисторных структур. В связи с этим разли­чают интегральные микросхемы на биполярных транзисторах и МДП - интегральные микросхемы.

Обычно каждому элементу схемы соответствует ло­кальная область полупроводникового материала, свойства и ха­рактеристики которой обеспечивают выполнение функций дискрет­ных элементов (транзисторов, резисторов, конденсаторов и др.). Каждая локальная область, выполняющая функции конкретного элемента, требует изоляции от других. Соединения между элемен­тами согласно электрической схеме обычно выполняют с помощью металлических пленочных проводников, напыленных на поверхность полупроводникового кристалла, покрытого слоем окисла. Такой кристалл заключается в гермети­зированный корпус и имеет систему выводов для практического использования микросхемы. Таким образом, полупроводниковая микросхема представляет собой законченную конструкцию.

Как уже указывалось, большинство полупроводниковых микро­схем изготовляют на основе монокристаллического кремния. Это объясняется тем, что кремний имеет перед германием ряд физических и технологи­ческих преимуществ:

- большая ширина запрещенной зоны кремния и меньшие при этом обратные токи переходов, что уменьшает паразитные связи между элементами микросхем, позволяет создавать микросхемы, работоспособные при повышенных температурах (до +120°С), и микромощные схемы, работающие при малых уровнях рабочих токов (менее 1 мкА);

- более высокий порог отпирания, а, следовательно, и боль­шая статическая помехоустойчивость;

- меньшая диэлектрическая проницаемость, что обусловли­вает меньшие барьерные емкости переходов при той же их пло­щади, что позволяет увеличить быстродействие микросхем.