混合微电路技术：第四章 薄膜工艺

1、第3章 薄膜工艺掌握薄膜的制造方法；掌握薄膜电阻器的原料及制造原理；熟悉光刻原理及工艺步骤；熟悉常用腐蚀材料；内容1. 沉积工艺2. 薄膜电阻器工艺3. 光刻材料和工艺4. 腐蚀材料和工艺5. 薄膜微桥跨接电路1. 沉积工艺基片材料选择沉积金属或金属化底层：电阻材料中间：阻挡层金属材料顶层：导体材料每层厚度20020,0001.1 蒸发沉积金属丝蒸发真空防止金属氧化，可使蒸发温度降低仅适用于铜、金、铬和银瞬间蒸发法:合金电子束蒸发热离子化钨丝阳极加速电阻加热舟基片沉积层高温舟合金颗粒1.2 直流(DC)溅射溅射(sputtering)是一种电物理过程，阴极靶被高能正离子轰击出粒子,限于导电性的

2、靶材最常用Ar，氙和氡的溅射率高但太贵，氦最便宜但溅射率低适用于金属靶材1.3 射频(RF)溅射使靶材交替受到正离子和电子的轰击,中和累积的正电荷功能性优于DC溅射，能溅射金属和介质金属、合金陶瓷、玻璃氧化硅、氮化硅、氧化铝等塑料四氟乙烯，聚丙烯等1.4磁控溅射原理：电子围绕着磁力线螺旋运动，相互碰撞的几率增加，从而电离的几率也增大覆盖磁场靶材位置：浓缩，加大了离子的浓度，使沉积速率增加基板位置：电子被牵引离开基片，降低对基片的加热1.5 反应溅射原理：反应气体被引入形成等离子，活波的反应气体与被溅射出来的原子进行化学结合，形成新的化合物灵活性强：改变反应气体的量，形成不同性质的膜常用气体：氧

3、和氮优点膜附着力强更致密，更均匀工艺通用性高靶材可为导体或非导体此工艺也可逆向模式使用沉积速率、膜厚和均匀性可控1.6阳极化在合适的电解液中，电解质以电解氧化物的形式在某类金属表面形成氧化物薄膜铝、钽、铌，锆、钛、铋及硅支配工艺过程的基本方法阳极阴极2.薄膜电阻器工艺 2.1 薄膜电阻器种类分类：纯金属、金属合金、金属化合物或金属陶瓷类型例子金属钽镍铬合金镍-铬钴-铬钽-钨金属陶瓷一氧化硅-铬金属化合物氮化钽薄膜电阻常用材料1、镍铬、氮化钽和铬硅氧化物金属陶瓷镍做阻挡层(防铬扩散)电阻器不稳定；金焊盘被铬污染，使线焊键合难镍铬做附着层、捆绑层(金附着力差)2、电性能：镍铬、氮化钽 25300/

4、金属陶瓷 1000/几k/方阻：方块电阻镍铬镍金2.2 镍铬工艺第一步基片上相继沉积电阻材料、阻挡层金属和顶层导体金属层第二步通过精密光刻技术，形成导线和间隔图案和薄膜电阻器镍和铬的合金配比不同，面电阻不同镍和铬比1：1和4：1蒸发压力不同，膜组分与原料组分不同。改用瞬间蒸发或溅射为了良好的附着力，基片需被预热2.3镍铬电阻器的特性电阻特性主要取决于基片的表面特性，退火、稳定性烘烤和调阻条件影响电阻长期稳定性(125150下老化 1000h的阻值漂移)决定于退火时间高温、长时间退火，提供稳定电阻器，低电阻率温度系数(TCR)，更紧密的电阻跟踪易受化学和电解腐蚀的影响实用上限面电阻低，100/

5、设计高值电阻需用大的面积、小的宽度和蜿蜒曲折的走线来节省空间高阻值镍铬电阻器，约100k，占用面积较大2.4 氮化钽工艺钽在部分氮气气氛中反应溅射沉积在氮化钽和金之间，用钛和钯分别作为捆绑层和阻挡层钛和氮化钽用氢氟酸-硝酸溶液刻蚀，对细线分辨率，可用溅射反刻可做成氮化钽片电阻与镍铬电阻电性能类似，包括面电阻范围，电阻温度系数，电阻跟踪和高温老化后的长期阻值漂移氮化钽电阻器更稳定，抗化学腐蚀和抗热性更好氮化钽钛、钯金2.5氮化钽电阻器的性能2.6陶瓷金属薄膜电阻器陶瓷金属(Cermet),由陶瓷和金属两个字合并而来，可以使厚膜浆料或蒸发的薄膜面电阻值高，制造小尺寸高阻值电阻器SiO-Cr使用最广

6、，通过两种组分配比，能获得宽范围电阻值（实用范围10003000/ ）负的TCR制造采用瞬间蒸发溅射沉积钯金SiO-Cr铬-一氧化硅组分与电阻率的关系3. 光刻材料和工艺光刻胶分负型和正型使用的紫外光波长2000-4000软烘烤去掉溶剂掩膜(原图或光刻版)显影液(化学溶液)对于负性胶，溶解未曝光部分对于正性胶，溶解曝光部分硬烘烤，增强随后的腐蚀抵抗性氧化铝上刻蚀金薄膜的步骤3.1 负光刻胶的化学反应聚乙烯醇肉桂酸脂紫外光曝光下形成的有机物R是各种有机团，能改变光刻的灵敏性和其他性能在聚乙烯醇肉桂酸脂的基础上负光刻的化学反应正胶负胶负光刻的一般机理负光刻的交连机理3.2 正性光刻胶的化学反应在正

7、光刻中的重氮反应正光刻胶的化学反应3.3 工艺加光刻胶到基片上(自旋方法)前烘烤(软烘烤)有助于线宽控制对准和曝光显影后烘烤(硬烘烤)去掉膜或剥掉膜光刻胶与基片的附着力基片需要清洗和干燥4. 刻蚀材料和工艺湿法化学溶剂(酸、碱)与薄膜反应生成盐被溶解掉干法反溅射、离子刻蚀或通过气相化学反应去掉膜干法优于湿法4.1 金膜的化学腐蚀在电阻膜存在时，有选择性的去掉导电层和阻挡层。王水(硝酸：盐酸=3：1)被弃用镍铬或氮化钽存在时，只刻蚀金是使用加了禁止剂的碘化钾和碘的水溶液禁止剂：二盐基磷酸铵或者二盐基磷酸钾/磷酸，能有效抑制对镍铬和镍的刻蚀刻蚀金的反应方程KI + I2 KI3 + KI(过量)3

8、KI3 + 2Au 2KAuI4 + KI4.2镍和镍铬膜的化学刻蚀溶解镍铬不攻击金的刻蚀液硫化铈、硝酸铵和硝酸的水溶液刻蚀机理：镍和镍铬被氧化成可溶解的盐刻蚀半经验性4.3干法刻蚀不用化学刻蚀液溶解而去掉金属、介质或半导体薄膜的方法优点能制造超细的线(微米范围)，工艺各向异性避免钻蚀避免离子沾污，阻止化学刻蚀安全广泛使用的干法刻蚀工艺溅射刻蚀(物理过程)各向异性，避免钻蚀，用于极细线条刻蚀无选择性，厚光刻胶，且速度超慢(几 /min)反应离子刻蚀(物理化学过程)化学反应气体与待去除表面反应，生成易挥发气体被抽吸走有选择性，可以各向同性也可以各向异性，速度快(几k /min)几百种气体，气体混合物和离子条件CCl4 , CCl4 /Cl2，B