Изготовления и контроля качества микрополосковых СВЧ плат

Технологический процесс изготовления плат с металлизированными отверстиями на подложках из ВЧ – ламинатов типа «Roger».

Фотолитография – это сложный технологический процесс, основанный на использовании необратимых фотохимических явлений, происходящих в нанесенном на подложки слое фоторезиста при его обработке ультрафиолетовым излучением через маску(фотошаблон).

Технологический процесс фотолитографии можно разделить на три стадии:

- формирование фоторезистивного слоя (обработка подложек с целью их очистки и повышения адгезионной способности, нанесение фоторезиста и его сушка);

- формирование защитного рельефа в слое фоторезиста (совмещение, экспонирование, проявление и сушка слоя фоторезиста, вторая сушка(задубливание);

- создание рельефного изображения на подложке (травление технологического слоя (пленок SiO₂, Si₃N₄, металла), удаление слоя фоторезиста, контроль качества).

Позитивные и негативные фоторезисты.

Фоторезисты – это светочувствительные материалы с изменяющейся под действием света растворимостью, устойчивые к воздействию травителей и применяемые для переноса изображения на подложку.

Фоторезисты являются многокомпонентными мономерно-полимерными материалами, в состав которых входят: светочувствительные поливинилциннаматы в негативные фоторезисты и нафтохинондиазиды – в позитивные), пленкообразующие (чаще всего это различные фенолформальдегидные смолы, резольные и новолачные смолы) вещества, а также растворители (кетоны, ароматические углеводороды, спирты, диоксан, циклогексан, диметилформамид и др.).

В процессе фотолитографии фоторезисты выполняют две функции: с одной стороны, являясь светочувствительными материалами, они позволяют создавать рельеф рисунка элементов, а с другой, обладая резистивными свойствами, защищают технологический слой при травлении.

В основе создания рельефа в пленке фоторезистов лежит использование фотохимической реакции – фотополимеризации, а в пленке позитивных фоторезистов – реакции фоторазложения – фотолиза.

Для негативных фоторезистов освещенные при экспонировании участки не растворяются в проявителе и остаются на поверхности подложки. При этом рельеф представляет собой негативное изображение фотошаблоны. Для позитивных фоторезистов - соответственно наоборот.

Нанесение слоя фоторезиста.

Перед нанесением слоя фоторезиста производят очистку поверхности пластины. Нанесенный на предварительно подготовленную поверхность подложек слой фоторезиста должен быть однородным по толщине и по всему их полю, без проколов, царапин (т.е. быть сплошным) и иметь хорошую адгезию.

Наносят слой фоторезиста на подложки в обеспыленной среде, соблюдая технологические режимы. Используемый фоторезист должен соответствовать паспортным данным. Перед использованием его необходимо профильтровать через специальные фильтры, а в особо ответственных случаях (при производстве БИС) обработать на центрифуге при частоте вращения от 1 до 20 тыс. об/мин в течение нескольких часов. Это делают для того, чтобы удалить из фоторезиста инородные микрочастицы размером менее 1 мкм, которые могут привести к браку фоторезистивного слоя. Кроме того, необходимо проверить вязкость фоторезиста и довести ее до нормы.

Для нанесения слоя фоторезиста на подложки используют методы:

- центрифугирования;

- пульверизации;

- электростатический;

- окунание;

- полива;

- накатки пленки сухого фоторезиста.

Методом центрифугирования наносят слои фоторезиста, толщина которых колеблется в пределах ±10%. При вращении центрифуги с большой частотой происходит испарение растворителя, и вязкость фоторезиста быстро возрастает.

Сушка фоторезиста.

Для окончательного удаления растворителя из слоя фоторезиста его просушивают. При этом уплотняется молекулярная структура слоя, уменьшаются внутренние напряжения, и повышается адгезия к подложке. Неполное удаление растворителя из слоя фоторезиста снижает его кислотостойкость. Для удаления растворителя подложки нагревают до температуры, примерно равной 100⁰С. Время сушки выбирают оптимальным для конкретных типов фоторезистов.

Существуют три метода сушки фоторезиста:

- конвекционный;

- инфракрасный;

- посредством СВЧ-поля.

При конвекционной сушке подложки выдерживают в термокамере при 90-100⁰С в течение 15-30 мин. Недостаток этого метода – низкое качество получаемого фоторезистивного слоя.

При инфракрасной сушке источником теплоты является сама полупроводниковая подложка, поглощающая ИК-излучение от специальной лампы или спирали накаливания. Окружающая среда (очищенный и осушенный инертный газ или воздух) при этом сохраняет комнатную температуру. При данном механизме сушки время сокращается до 5-10 мин.

При СВЧ-сушке подложки нагреваются, поглащая электромагнитную Энергию СВЧ-поля. Такая сушка производится в печах мощностью от 200 до 400 Вт при рабочей частоте 2,45 ГГц. Время сушки – несколько секунд. Достоинством этого метода является высокая производительность, а недостатком – сложность оборудования и необходимость тщательного экранирования рабочего объема во избежание облучения оператора, а также неравномерность сушки слоя фоторезиста на различных по электрическим характеристикам участках подложек. Поэтому сушке в СВЧ-поле подвергают только однородные подложки.

Высушенный слой необходимо экспонировать не позднее чем через 10 ч.

Совмещение и экспонирование.

Совмещение и экспонирование являются наиболее ответственными операциями процесса фотолитографии. Точность полученного в процессе фотолитографии топологического рисунка в первую очередь определяется прецизионностью процесса.

Передача изображения с фотошаблона на подложку должна выполняться с точностью до десятых долей минимального размера элемента, поэтому процессы совмещения и экспонирования проводят на одном рабочем месте одновременно на одной установке, не допуская даже малой вибрации фотошаблона и подложки.

Перед экспонированием слоя фоторезиста фотошаблон следует правильно ориентировать относительно подложки и рисунка предыдущего слоя. Для полного формирования структуры полупроводникового прибора или ИМС необходим комплект фотошаблонов со строго согласованными топологическими рисунками элементов.

При первой фотолитографии, когда поверхность подложек еще однородна фотошаблон ориентируют относительно базового среза подложки. При последующих фотолитографиях, когда на подложках сформированы топологические слои, рисунок фотошаблонов ориентируют относительно рисунка предыдущего слоя.

Совмещают рисунки фотошаблона и подложки в два этапа. На первом этапе с помощью реперных модулей – «пустых кристаллов» выполняют грубое совмещение в пределах всего поля подложки. На втором этапе с помощью микроскопа в пределах единичного модуля по специальным знакам – фигурам совмещения, предусмотренным в рисунке каждого топологического слоя, выполняют точное совмещение. Форму фигур совмещения (кресты, круги, квадраты) выбирают в зависимости от типа используемого при фотолитографии фоторезиста.

Проявление слоя фоторезиста.

Проявление заключается в удалении в зависимости от использованного типа фоторезиста экспонированных или неэкспонированных участков, в результате чего на поверхности подложек остается защитный рельеф – фоторезистивная маска требуемой конфигурации.

Проявителями для негативных фоторезистов служат органические растворители: толуол, бензол, Уайт-спирит, трихлорэтилен, хлорбензол и др.

Для проявления позитивных фоторезистов используют слабые водные и водно-глицериновые растворы щелочей: 0,3-0,6 % раствор КОН, 1-2 % раствор тринатрийфосфата.

При проявлении негативных фоторезистов основными факторами являются полнота реакции полимеризации фоторезиста при экспонировании и тип проявителя, а позитивных – концентрация и время проявления.

Кроме того, важным фактором при проявлении фоторезистов является значение рН и температура проявителя. При изменении рН всего на десятую долю процента размер элемента рельефного рисунка может измениться на 10%. С ростом температуры скорость проявления участков увеличивается.

Сушка проявленного рельефа (задубливание).

Сушка проявленных участков фоторезиста – обеспечивает изменение в слое фоторезиста его структуры в результате полимеризации. Вследствие этого повышается стойкость слоя фоторезиста к действию травителей и улучшается его адгезия к подложке.

Задубливание слоя фоторезиста является второй сушкой и отличается от первой, выполняемой после его нанесения, более высокой температурой. При повышенных температурах происходит пластическая деформация слоя фоторезиста в зависимости от термопластичности, входящей в его состав полимерной основы, затягиваются мелкие отверстия, поры и дефекты.

Так, температура сушки негативных фоторезистов на сонове поливинилциннамата составляет 200-220⁰С при времени выдержки до 1 ч. При более высоких температурах даже кратковременная сушка вызывает термическое разрушение слоя фоторезиста: он приобретает коричневую окраску, поверхность покрывается мелкими трещинами и рельеф полностью теряет защитные свойства.

С ростом температуры сушки позитивных фоторезистов на основе нафтохинондиазида и каучуков улучшается их адгезия к подложке и увеличивается пластическая деформация. Например, сушка при 200-240⁰С в течение 30 мин. значительно улучшает стойкость фоторезистивной маски к травлению, особенно при фотолитографии на фосфорно-силикатном стекле, к которому фоторезисты обычно имеют плохую адгезию.

Удаление слоя фоторезиста.

Для удаления слоя фоторезистивной маски подложки обрабатывают в горячих органических растворителях (диметилформамиде, метилэтиленкетоне, моноэтаноламине и др.), при этом слой фоторезиста разбухает и вымывается. Скорость и чистота удаления фоторезиста зависят от степени его задубливания при второй термообработке.

При высоких температурах задубливания (более 140-150⁰С) в слое фоторезиста происходят термореактивные превращения, в результате которых он теряет способность растворяться в органических растворителях. В этом случае подложки два-три раза кипятят по 5-10 мин в концентрированной серной кислоте или смеси Каро (серная кислота и перекись водорода). Слой фоторезиста при этом разлагается и растворяется в кислоте, а затем его окончательно удаляют в органическом растворителе. Кислотное удаление фоторезиста нельзя применять при фотолитографии по металлу.

Некоторые фоторезисты хорошо удаляются в водных растворах поверхностно-активных веществ, например кипячением 5-10 мин в 30% растворе синтанола.

Технологический процесс изготовления плат на подложках из поликора без резисторов с покрытием химическим оловом.

Оптическая литография объединяет в себе такие области науки, как оптика, механика и фотохимия. При любом типе печати ухудшается резкость края. Проецирование двумерного рисунка схемы ведет к уменьшению крутизны края, поэтому нужен специальный резист, в котором под воздействием синусоидально модулированной интенсивности пучка будет формироваться прямоугольная маска для последующего переноса изображения травлением. Если две щели размещены на некотором расстоянии друг от друга, то неэкспонируемый участок частично экспонируется по следующим причинам:

- дифракция;

- глубина фокуса объектива;

- низкоконтрастный резист;

- стоячие волны (отражение от подложки);

- преломление света в резисте.

Таким образом, задача фотолитографии заключается в том, чтобы обеспечить совмещение и воспроизвести в резисте двумерный рисунок фотошаблона с точностью в пределах ±15% от номинального размера его элементов и с 5%-ным допуском на требуемый наклон краев. Послойное совмещение приборных структур должно осуществляться с точностью не хуже ±25% от размера минимального элемента. Используемые в фотолитографии источники экспонирующего излучения бывают как точечными (лазеры), так и протяженными (ртутные лампы). Спектр излучения этих источников лежит в трех основных спектральных диапазонах: Дальний УФ от 100 до 200-300 нм. Средний УФ от 300 до 360 нм. Ближний УФ от 360 до 450 нм.

Контактная фотолитография.

Суть процесса фотолитографии заключается в создании на поверхности полупроводниковой (или изолирующей) пластины защитного рельефа требуемой конфигурации, включающего в себя большое число рисунков элементов ИС. Фотолитография – это комплекс технологических операций, допускающих использование групповых методов обработки и обеспечивающих тем самым высокую производительность процесса в целом.

Основными составляющими процесса фотолитографии, определяющими её уровень, являются фоторезист, фотошаблон и конкретная схема реализации технологического процесса, связанная с техническими характеристиками используемого оборудования.

Процесс контактной фотолитографии состоит из следующих операций:

- подготовка поверхности исходной подложки;

- нанесение на подложку слоя фоторезиста;

- первая сушка фоторезиста — пленкообразование;

- совмещение рисунка фотошаблона с рисунком на исходной подложке (если процесс фотолитографии повторяется с изменением фотошаблона);

- экспонирование фоторезиста контактным способом;

- проявление фоторезиста;

- вторая сушка фоторезиста — полимеризация;

- контроль рельефа рисунка в пленке фоторезиста;

- травление подложки;

- снятие пленки фоторезиста с поверхности подложки;

- контроль рельефа рисунка в подложке.

Технологический процесс.

Проходя преддипломную практику мы ознакомились со следующими участками и технологическими процессами.

Участок проектирования топологии микроплат.

Работа с САПР на ПЭВМ.

Чертеж микрополосковой СВЧ платы, создание которого ведется в САПР КОМПАС, подразумевает наличие исходного готового проекта платы, выполненного в САПР радиоэлектронных устройств (РЭУ). В модуле схем проектируется схема электрическая принципиальная с применением РЭ изединых библиотек, затем посредством трансляции данных (списка соединений) в модуле плат автоматически размещаются РЭ согласно схеме электрической принципиальной. Далее происходит ручная, полуавтоматическая или автоматическая трассировка проводников с применением программы-автотрассировщика. Модуль символов и модуль корпусов, а также модуль библиотек служат соответственно для создания символов, посадочных мест и наполнения компонентов в единые библиотеки РЭ. В описанный процесс входит моделирование — применение систем инженерных расчетов (Computer-aidedengineering, CAE). Результатами процесса проектирования РЭУ являются готовая схема РЭУ и данные проектирования микрополосковой СВЧ платы. Однако, помимо этого, необходимо наличие комплекта конструкторской документации (КД), в который входят: схема электрическая принципиальная — Э3, перечень элементов — ПЭ3, чертеж микрополосковой СВЧ платы, сборочный чертеж РЭУ и спецификация на него.

Участок изготовления фотошаблонов.

Изготовление прецизионных фотошаблонов для изделий МЭ. Получение элементов фотошаблонов оптическим и лазерным методами.

Оборудование:

- фотоплотер;

- фотонаборные установки;

- установка проявления и травления фотошаблонов.

Фотошаблон- стеклянная пластина (подложка) с нанесенным на ее поверхности маскирующим слоем- покрытием образующим трафарет с прозрачными и непрозрачными для оптического излучения участками. В процессе фотолитографии слой фоторезиста экспонируется в соответствии с рисунком покрытия, имеющегося на фотошаблоне.

Подложку фотошаблона выполняют из обычного стекла. В качестве материала маскирующего слоя фотошаблона обычно используется хром, оксиды хрома, железа и др., образующие твердые износостойкие покрытия.

После экспозиции фотопленка должна быть проявлена. Это происходит в 4 этапа. Первый этап называется проявлением. Здесь скрытое изображение действует, как катализатор в реакции восстановления, так что обеспечивается разница между экспонированными и не экспонированными кристаллами.

Чтобы сделать изображение устойчивым, фотопленка должна подвергнуться процессу фиксирования, при котором из фотоэмульсии удаляются кристаллы галлоидного серебра. В результате операции фиксирования металлическое серебро остается в местах, где оно было экспонировано. После проявления и фиксации, фотошаблон должен быть хорошо промыт для удаления побочных химических продуктов. Если они все же останутся, при сушке они проявят себя в виде многочисленных кристаллов, которые могут разрушить желатиновый слой, сделать его недостаточно прозрачным.Завершающий процесс – сушка, в процессе которой испаряется вода.

Участок напыления тонких пленок.

Оборудование:

- вакуумные установки термического;

- электронного и ионно-плазменного напыления.

Вакуумное нанесения тонких пленок различных материалов на керамические подложки. Методы напыления: магнетронное напыление при постоянном токе; электронно-термическое испарение; ионно-катодная бомбардировка.

Возможности участка:

- толщина напыляемых пленок от 10 нм до 10 мкм;

- распыляемые материалы: хром, медь, титан, резистивные сплавы, золото, никель.

Участок фотолитографии и резки.

Оборудование:

- установки нанесения фоторезиста;

- проявления фоторезиста;

- термообработки фоторезиста;

- экспонирования фоторезиста;

- травления тонких плёнок;

- гальванические установки.

Материалы применяемые при изготовлении: поликор, ситалл, Duroid, стеклотекстолит «Rogers»

Фотолитография- это метод получения рисунка тонкой плёнке материала. Для получения рисунка используется свет определенной длины волны.

Процесс фотолитографии:

На толстую подложку (в микроэлектронике часто используют кремний) наносят тонкий слой материала, из которого нужно сформировать рисунок. На этот слой наносится фоторезист.

Производится экспонирование через фотошаблон (контактным или проекционным методом).

Облучённые участки фоторезиста изменяют свою растворимость и их можно удалить химическим способом (процесс травления). Освобождённые от фоторезиста участки тоже удаляются.

Заключительная стадия — удаление остатков фоторезиста.

Если после экспонирования становятся растворимыми засвеченные области фоторезиста, то процесс фотолитографии называется позитивным, иначе – негативным.

Участок сборки и монтажа микросборок.

Оборудование:

- термоультразвуковые сварочные установки;

- паяльные станции;

- установки монтажа BGA микросхем.

Компонентами поверхностного монтажа являются миниатюрные радиоэлементы и микросхемы, конструктивно выполненные в безвыводном исполнении, либо имеющие короткие выводы и упакованные в носители, позволяющие использовать их в высокопроизводительном оборудовании.

Монтажная (электромонтажная) пайка представляет собой процесс механического и электрического соединения металлических деталей с нагревом ниже температуры их расплавления путем смачивания и заполнения зазора между ними расплавленным припоем и сцепления за счет отверждения паяного шва.

Участок прецизионной обработки материалов

Оборудование:

- установка дисковой резки алмазным кругом;

- лазерные установки обработки металлов и керамики;

- установка сверления и фрезерования микроплат;

- установка лазерной фрезеровки микроплат.

Размерная обработка керамических подложек и плат из фольгированных диэлектриков для изделий МЭ.

Лазерная обработка керамических материалов типа поликор, сапфир, ситалл и др. лазерная резка изделий из нержавеющей стали, сплавов алюминия, титана и др. Фрезеровка и сверловка отверстий лазером - минимальный диаметр лазерного пятна 50 мкм, минимальный диаметр отверстий 200 мкм.