第3章 厚薄膜电路

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1、 第3章 厚 薄膜技术 概述 厚膜技术使用丝网印 干燥与烧结三种工艺方法 薄膜技术是一种减法技术 使用镀膜 光刻与刻蚀方法 均用于制作电阻 电容 基板上的布线导体等 几微米 几百微米的膜材料为厚膜材料 小于几微米的膜材料为薄膜材料 薄膜技术与厚膜技术的区别 厚膜技术是 加法技术 而薄膜技术是 减法技术 使用光刻与刻蚀等工艺使薄膜技术得到的图形特征尺寸更小 线条更清晰 更适合高密度和高频率环境 薄膜技术是指采用蒸镀 光刻与刻蚀等方法制备所需材料膜层的技术 薄膜的含义不只是膜的实际厚度 更多的是指在基板上的膜产生方式 若固体膜物质三维尺寸中 某一维尺寸 通常指厚度 远小于另外两维尺寸 该固体膜称为

2、薄膜 典型的薄膜电路 典型的薄膜电路由淀积在基板上的三层材料组成 底层材料 电阻材料 基板粘结中层材料 扩散阻挡 导体 电阻粘结顶层材料 导电层 3 1 1薄膜制备方法 因基底材料和薄膜材料种类繁多 所以薄膜制备方法很多 一般可分为两大类 气相淀积 物理气相淀积 真空蒸发 溅射等 化学气相淀积液相淀积 电镀 化学镀 IC制造中 基于对洁净环境的需要 薄膜的制备一般采用气相淀积技术 下面介绍几种常用的基板气相淀积方法 1 蒸发法 物理气相淀积的基本方法之一 真空蒸发设备主要种类 电阻加热真空蒸发电子束真空蒸发 图蒸发工艺 当材料的蒸汽压超过周围压力时 材料就会蒸发到周围环境中 蒸发的 本质 蒸发

3、淀积薄膜 薄膜蒸发淀积工艺中 通过加热或电子束轰击的方式 使被蒸镀物质在真空下受热或轰击后蒸发气化 高温蒸发后的原子在温度较低基板上凝集 形成淀积薄膜 当材料蒸气压超过周围压力时 就会出现材料蒸发到周围的环境里 这种现象即使是在液态下都可能发生 在薄膜工艺中 待蒸发的材料被置于基板的附近加热 直到材料的蒸气压大大地超过周围环境气压为止 蒸发的速率正比于材料的蒸气与周围环境气压的差值 并与材料的温度紧密相关 必须在相当高的真空 10 6torr 1torr 133 322Pa 中进行蒸发 有三个原因 蒸发需抽真空的原因 蒸发的速率正比于材料的蒸气与周围环境气压的差值 并与材料的温度紧密相关 必须

4、在相当高的真空中进行蒸发 有三个原因 1 可以降低产生可接受蒸发速率所需的蒸气压力 因此 降低了蒸发材料所需的温度 2 可以通过减少蒸发室内气体分子引起的散射 增加所蒸发的颗粒平均自由程 而且 颗粒能够更多以直线的形式运动 改善了淀积的均匀性 3 可以去除气氛中容易与被蒸发的膜发生反应的污染物和组分 如氧和氮 表用于薄膜用途可选金属的熔点和Pv 10 2torr时的温度 蒸发材料的载体 难熔 金属 高熔点金属 例如钨 钛和钼常常在蒸发过程作为盛放其他金属的载体或 舟 为了防止与待蒸发的金属发生反应 舟的表面可以涂覆氧化铝或其他陶瓷材料 蒸发源与膜厚的关系 若假定是从一个点状的源开始蒸发的 蒸发

5、出的颗粒密度可认为距法线呈余弦分布 如图所示 在考虑基板与源的距离时 应在淀积均匀性与淀积速率之间权衡 如果与基板过近 或过远 那么淀积越厚 或越薄 而在基板表面的淀积均匀性越差 或越好 图从一个点状源的蒸发 电阻丝蒸发与电子束蒸发 1 有几种进行蒸发的技术 其中最常用的是电阻加热和电子束加热 通过电阻加热的方法进行蒸发 通常是在难熔金属制成的舟或用电阻丝缠绕的陶瓷坩埚 或把蒸发剂涂覆在电热丝上进行的 加热元件通过电流 产生的热使蒸发剂受热 由于蒸发剂容易淀积到蒸发室的内侧 用光学的方法监测熔化的温度是有些困难的 必须用经验的方法进行控制 也有可以控制淀积速率和厚度的闭环系统 但是它们相当昂贵

6、 一般来说 只要控制得当 用经验的方法就可以获得适当的结果 电阻丝蒸发与电子束蒸发 2 电子束蒸发法具有很多的优点 通过电场加速的电子流在进入磁场后倾向与呈弧线运动 利用这种现象 把高能电子流直接作用在蒸发物质上 当它们轰击到蒸发剂时 电子的动能转变成热 因为舟的电阻并不是一个影响因素 而控制电子能量的参数是容易测量和控制的 所以电子束蒸发是更容易控制的 此外 热将更集中和强烈 使得在高于10 2torr温度下蒸发成为可能 也减轻了蒸发剂与舟之间的反应 图电子束蒸发装置示意图 2 溅射法 可制备各类金属 合金 化合物薄膜 直流溅射 制备各类金属膜磁控溅射 是一种淀积速度高 工作气压低的溅射技术

7、 提高了淀积速度及膜质量 反应溅射 采用纯金属作为靶材 在气体中混入适量的活性气体 获得不同的化合物薄膜 溅射淀积薄膜 如图所示 在一个大约10Pa压力的局部真空里形成一个导电的等离子体 用于建立等离子体所用的气体通常是与靶材不发生反应的某种惰性气体 例如氩气 基板和靶材置于等离子体中 基板接地 而靶材具有很高的AC或DC负电位 高电位把等离子体中的气体离子吸引到靶材上 具有足够动能的这些离子与靶材碰撞 撞击出具有足够残余动能的微粒 使其运动到达基板并黏附其上 溅射薄膜形成机理 膜与基板黏接的机理是在界面形成的一层氧化物层 所以底层必须是一种容易氧化的材料 可以通过靶材施加电位前用氩离子随机轰

8、击对基板表面进行预溅射的方法以增强黏附力 这一过程可以去除基板表面的几个原子层 产生大量的断开的氧键 促进氧化物界面的形成 溅射颗粒的动能在它们与基板碰撞时转变成在基板上所产生的余热 进一步增强了氧化物的形成 磁控溅射与反应溅射 磁控溅射 一般的三极真空管溅射是一个非常缓慢的过程 需要几小时才能得到可使用的膜 在关键的位置 通过使用磁场 可以使等离子体在靶材附近聚集 大大的加速了淀积的过程 反应溅射 在氩气中加入少量的其他气体 例如氧和氮 可以在基板上形成某些靶材的氧化物或氮化物 这种技术称之为反应溅射法 可用来形成氮化钽 这是一种常用的电阻材料 溅射与蒸发的比较 蒸发可以得到较快的淀积速率

9、但是与溅射相比存在某些缺点 1 合金的蒸发例如镍铬合金是很困难的 因为两者10 2torr温度不同 蒸发温度较低的元素往往蒸发的较快 造成蒸发膜的成分与合金的成分不同 与此相反 溅射膜的成分与靶材的成分相同 2 蒸发仅局限与熔点较低的金属 实际上难熔金属和陶瓷通过蒸发来淀积是不可能的 3 氮化物和氧化物的反应淀积是非常难以控制的 3 电镀薄膜技术 电镀是将基板和阳极悬挂在含有待镀物质的导电溶液里 在两极间施加电位 可用于金属材料电镀在导电表面上 电镀法特点 制备贵金属薄膜时 电镀法可有效增加膜厚度 且节约使用的靶材 经济性好 但可电镀的材料仅限于金属 薄膜制备完成后进行光刻和刻蚀 以获得所需要

10、的薄膜电路图形 4 光刻工艺在光刻工艺中 基板涂覆光敏材料 紫外光通过在玻璃板上的图形进行曝光 光刻胶有正负两种 其中正性光刻胶由于耐蚀性的能力很强 所以使用的最普遍 未用光刻胶保护的不想要的部分可以通过湿法 化学 蚀刻或干法 溅射 蚀刻去除 正胶与负胶 1 正胶 被曝光区域能被显影液溶解的胶叫做正胶 MASK上的图形与光刻胶上的图形相一致 正胶与负胶 2 负胶 被曝光区域不能被显影液溶解的胶叫做负胶 MASK上的图形与光刻胶上的图形相反 溅射蚀刻 化学蚀刻仍然是薄膜蚀刻的最常用方法 但是越来越多的公司开始采用溅射蚀刻 使用这种技术 基板涂覆光刻胶 图形采用与化学蚀刻完全相同的方式曝光 然后基

11、板置于等离子体中 接通电位 在溅射蚀刻工艺中 基板实际上是作为靶材使用的 不需要的物质通过气体离子撞击到未掩蔽的膜上而得到去除 溅射蚀刻优点 1 膜下的材料不存在任何钻蚀问题 气体离子以基板的法线方向撞击基板 这就意味着没有任何离子从切线方向撞击膜 因而侧面平直 与其相反 化学蚀刻的速率在切线方向与法线方向是相同的 因此 造成与薄膜厚度相等的钻蚀 2 由于不再需要用来蚀刻薄膜的烈性化学物质 所以对人员的危害较小 而且没有污水处理的问题 薄膜材料分为四类 导体材料 用于形成电路图形 提供电极及电学连接 电阻材料 用于形成电路中的电阻 阻挡层材料 形成某些导体与电阻之间的扩散阻挡层薄膜基板 3 1

12、 2薄膜材料 1 导体薄膜材料 微系统封装工程的一般为金属薄膜 功能 主要用于半导体元器件或芯片之间的电气连接 例如 电阻器的端头连接 电容的上下电极 元件之间的互连线 高频电感 微带线 地线等 对导体薄膜材料选择的基本要求 高导电率 与半导体接触部分能形成欧姆接触 对电路元件不产生有害影响 高导热率 良好的高温特性 与基片材料 介质材料和电阻材料之间良好的附着性 易于成膜和图形化 可进行Au金丝 AI铝丝引线键合及焊接化学稳定性 表面抗磨损性好 常用导体金属薄膜 常用导体金属薄膜主要以金 铝为主的多层薄膜1 金 Au 薄膜薄膜电路中广泛使用的导体材料导电性能优良 仅次于Ag和Cu 化学稳定好

13、 良好的可焊性 熔点和热导率较高 缺点 与基板及SiO2的附着能力弱 需要预先淀积过渡金属膜 与基板之间需采用黏附性好的Ni Cr Ti作为黏附层 2 薄膜导体Al 铝 铝膜 集成电路中常用的导体材料 三价元素 优良的导体材料 导电率次于Cu体电阻率低 易于蒸发 易于光刻与金丝 铝丝容易键合 价格低薄膜导体的理想材料与基片 SiO SiO2等介质膜有良好的附着性薄膜电容的电极材料与铬硅 镍铬等电阻薄膜接触性能良好作为电阻引出线材料 接触电阻小比较柔软 在工艺过程中容易出现划痕 2 电阻薄膜材料 常用的电阻薄膜材料电阻率多发布在100 2000 cm电阻薄膜材料主要有三大类 金属类 合金类 陶瓷

14、类 薄膜电阻材料的基本要求与其他薄膜元件如电容 导线的制造工艺兼容良好的工艺性稳定的电性能化学稳定性好 材料和工艺成本低 金属类 主要有Ta W Cr Ti Ge Re等 以钽和钽基合金最为常用 难熔金属 再结晶温度高 保证膜元件的稳定性与钨 钼 钛相比 钽膜的性能最好 应用最为广泛普通的真空蒸镀工艺难以对钽进行淀积 多采用溅射工艺根据溅射工艺条件 可获得不同的钽膜结构 钽膜 电阻率25 50 cm 钽膜 电阻率180 220 cm 温度系数优于 膜低密度钽膜 电阻率5000 cm 为网孔结构氮化钽薄膜 电阻率250 cm 可以得到零温度系数的膜 合金类 合金薄膜电阻Ta Au Cr Ti N

15、i Co Pd Ag等 NiCr最早的薄膜电阻材料 工艺成熟 简单性能稳定 温度系数和噪声低常用80 Ni和20 Cr 采用真空蒸发工艺通过掺杂Al Cu Be Bi Sn等改善性能CrCo WRu 较低的温度系数BeNi 较好的耐高温性能NiP 宽的方电阻范围 陶瓷类 金属陶瓷类是金属和陶瓷的混合膜Cr SiO Cr MgF2 Au SiO等 非金属陶瓷类薄膜电阻材料Ta2N Ti Al N Ta Al N Ti Si N AlN TiN等 3 阻挡层材料 当前用作导体材料时 金与电阻之间需要一种阻挡层材料 因为金直接淀积在NiCr合金上时 Cr具有一种通过金扩散到表面的倾向 既影响引线键合

16、 也影响芯片的共晶键合 为了减轻这个问题 在NiCr上淀积薄薄一层纯镍 而且 镍还可以显著改善表面的可焊性 金与TaN的粘接是非常差的 为了提供必须的粘接性 可以在金与TaN之间加入薄薄一层90 Ti 10 W 4 薄膜基板 尽管在淀积过程中 基板的温度升高 但这一温度并未达到厚膜烧结工艺的温度 这样 就使得薄膜工艺可选择的基板材料更多 可以使用像玻璃和低温陶瓷这类材料 最好的材料是高纯 99 5 氧化铝 即蓝宝石 氧化铝的一种 使用在重要的高频领域 用作薄膜基板必须具有比厚膜更平整的表面 CLA大约在3 4 m 0 76 1 02 m 3 2厚膜技术 概述 厚膜 ThickFilm 技术与薄膜 ThinFilm 技术是电子封装中重要的工艺技术 厚膜技术使用网印与烧结 Firing Sintering 方法 薄膜技术使用镀膜 光刻 Photolithography 与刻蚀等方法 它们均用以制作电阻 电容等电路中的无源器件 该技术也可在基板上制成导线电路以组合各种电路元器件 而成为所谓的混合 Hybrid 集成电路电子封装 混合电路 上图所示的厚膜混合电路是用丝网印刷方法把导体浆料 电阻