Основы толстопленочной технологии |
09.04.2008 г. | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Общие сведенияОбщие сведения. Толстые плёнки толщиной в несколько десятков мкм применяют для изготовления пассивных элементов: резисторов, конденсаторов, проводников и контактов. В основе толстоплёночной технологии лежит использование дешёвых и высокопроизводительных процессов, требующих небольших единовременных затрат на подготовку производства, благодаря чему она оказывается экономически целесообразной и в условиях мелкосерийного производства. Высокая надёжность толстоплёночных элементов обусловлена прочным (свыше 50 кгс/см2) сцеплением с керамической подложкой, которое достигается процессом вжигания пасты в поверхностный слой керамики. В целом толстоплёночная технология состоит из ряда последовательных идентичных циклов, структурная схема которых приведена ниже. При формировании каждого слоя (резистивного, проводящего, диэлектрического и т.п.) используют соответствующие пасты, которые через сетчатый трафарет наносят на подложку, подвергают сушке и вжиганию. По завершении формирования всех слоёв резисторы и конденсаторы могут проходить подгонку (обычно лазерную) до заданной точности. Материалы данного раздела подготовлены на основе собственного опыта компании и ряда электронных и печатных изданий. Основным источником информации является книга "Толстопленочная технология в СВЧ микроэлектронике" (В.Г. Красов, Г.Б. Петраускас, Ю.С. Чернозубов.; М:"Радио и связь", 1985) Толстопленочные пастыТолстоплёночные пасты. В готовом (вожжённом) состоянии толстоплёночный элемент состоит из мелких функциональных частиц, находящихся в массовом контакте друг с другом (рис. 31) и "склеенных" стеклом с невысокой (400¸500°С) температурой плавления. Для проводящих элементов используются порошки серебра, палладия и других металлов с высокой электропроводностью. Для резистивных - смесь порошков проводящих частиц и частиц окислов металлов в различных пропорциях, что позволяет варьировать удельное поверхностное сопротивление в широких пределах. Диэлектрические слои конденсаторов содержат порошки сегнетоэлектриков, которые, обладая большим значением относительной диэлектрической проницаемости e, обеспечивают большие значения удельной ёмкости С0 [Ф/см2]. Изолирующие слои, наоборот, создаются на основе порошков стёкол с малыми e и С0. Функциональные частицы должны в процессе вжигания сохранять твёрдое состояние и массовый контакт, т.е. иметь температуру плавления более 900°С. Для приготовления паст в смесь порошков функциональных частиц и низкотемпературного стекла добавляют технологическую связку, обычно органические масла. В процессе вжигания нанесённых элементов она должна разлагаться и полностью удаляться из слоя. Особую группу паст представляют собой лудящие пасты. Они состоят из частиц припоя, смоченных раствором флюса (например, канифоль в спирте). После нанесения через сетчатый трафарет на толстоплёночные монтажные площадки и сушки, покрытие подвергается оплавлению (~230°С). Механизм электропроводности толстых стекло-металлических пленок предполагает участие в электропроводности электронов металлической проводимости металлических частиц, а также туннельную проводимость в неметаллических зазорах между этими частицами и электронно-ионную проводимость интерметаллических и других соединений, образующихся при химических реакциях. Рассмотренные теоретические положения взаимодействия твердых и жидких тел, протекающего в процессе соответствующей термической обработки вжигания, являются общими для рассмотренных материалов. Для конкретных типов паст многие из этих факторов остаются неизменными, и все внимание обращается на изменение времени и температуры процесса вжигания, определяющих скорость протекания реакций. Поэтому рассмотрим наиболее важные реакции в трех основных типах паст (проводниковой, резистивной и диэлектрической), возникающие в процессе вжигания между компонентами пасты, пастой и материалом подложки, пастой и атмосферой печи и между компонентами разных паст. В проводниковых пастах взаимодействие между металлами ограничивается спеканием и образованием сплавов. При оптимальной температуре вжигания улучшается спекание и увеличивается число контактов, что приводит к повышению электропроводности. В случае завышения температуры происходят плавление, агломерация и уменьшение количества металла в поверхностном слое, а следовательно, может увеличиться сопротивление композиции и ухудшиться паяемость пленок. В результате взаимодействия металлической составляющей с постоянным связующим (стеклом) в зависимости от атмосферы печи могут образовываться оксиды и другие соединения, растворимые в стекле, что влияет на характер контактов металлических частиц, увеличивает их сопротивление и повышает общее сопротивление композиции. Следует отметить, что неполное удаление временного связующего (органической связки) при вжигании приводит к выделению углерода, образующего на поверхности металлов карбиды, и возрастанию сопротивления контактов. При реакции со стеклофазой происходят выделение газов и нарушение поверхности пленки. Кроме того, большое значение имеет взаимодействие стеклофазы подложки и стеклянного порошка при оплавлении, взаимная растворимость которых обеспечивает адгезию проводника к подложке. При этом следует учесть, что оксид алюминия обладает малой растворимостью в стеклофазе пасты. При изготовлении толстопленочных микросхем возникает необходимость многократного вжигания, чередующегося с нанесением соответствующих паст, в результате чего может происходить взаимодействие различных пленок в местах их взаимного перекрытия. В резистивных пастах значительно больше компонентов, чем в проводниках, поэтому и больше возможностей для проведения сложных реакций при вжигании. Карбидизация органических связующих при вжигании оказывает такое же влияние, как и в проводниках, а реакции стеклофазы подложки и стеклянного порошка сложнее из-за большего содержания стекла и его более сложного состава. При вжигании резистивных композиций скорость протекания реакции в большей степени зависит от температуры, чем в проводниковых пастах. Поэтому для хорошей воспроизводимости результатов необходимо точное соблюдение режимов вжигания и атмосферы печи. В диэлектрических пастах реакции близки к реакциям, проходящим в проводниковых и резистивных пастах. В диэлектрических пастах на основе титаната бария и других соединений с высокой диэлектрической проницаемостью происходит взаимодействие со стеклом при более высоких температурах (около 1100°С), однако это делает их чувствительными к режимам вжигания. Нельзя допускать реакций между функциональными материалами и стеклом, органическим связующим и атмосферой печи, сопровождающихся газовыделением. В противном случае это приведет к возникновению сквозных отверстий и других дефектов, способствующих коротким замыканиям в пересечениях. В процессе пайки и после нее могут происходить растворение функциональной фазы проводников и резисторов в припое и образование интерметаллических соединений. Это приводит к выщелачиванию металла и ухудшению адгезии с подложкой. ТрафаретыТрафареты Для получения рисунка толстопленочных микросхем с помощью устройств для трафаретной печати используются различные типы трафаретов. Трафарет не только обеспечивает конфигурацию рисунка, но и помогает дозировать пасту, поступающую на подложку. Процесс дозирования осуществляется с помощью резинового (полиуретанового, фторопластового) ракеля путем продавливания пасты через ячейки в сетке трафарета или открытые области в металлической фольге. При нанесении паст в основном применяют сетчатые и фольговые трафареты. Фольговый трафарет представляет собой металлическую фольгу из одного или двух металлов толщиной, равной заданной толщине слоя пасты и закрепленной на жесткой рамке. Сетчатый трафарет состоит из стальной (шелковой, капроновой, нейлоновой и т. д.) сетки, равномерно натянутой на раме. Причиной искажений рисунка при использовании фольгового трафарета может быть изменение конфигурации (смещение) тонких перемычек под давлением движущегося ракеля. Трафареты изготавливают методом фотолитографии. При этом на сетку или фольгу наносят центрифугированием, пульверизацией или поливом слой фоторезиста. Высушенный слой фоторезиста подвергают экспонированию через фотошаблон, представляющий собой прозрачную пластинку (пленку) с негативным или позитивным изображением рисунка. После экспонирования слой фоторезиста удаляют (в холодной плазме или промывкой) растворением незасвеченных мест. Оставшийся слой требует упрочнения (задубливания) для повышенной износостойкости (сетчатый трафарет) или увеличения химической стойкости (фольговый трафарет). Задубливание осуществляется термообработкой фоторезиста при температуре свыше 100°С. Для изготовления фольгового трафарета необходимы операции травления фольги через окна в фоторезисте и его последующее удаление. При химическом одностороннем травлении обратная сторона фольги защищается сплошным слоем кислотостойкой краски или засвеченным слоем фоторезиста. При одностороннем травлении неизбежно искажение формы края окна в результате подтравливания. Ширина зоны подтравливания примерно равна толщине фольги. Электрохимическое травление, протекающее в электролите, позволяет уменьшить подтравливание. Более четкий край окна можно получить при двухстороннем травлении. Это требует нанесения слоя фоторезиста с обеих сторон и двухстороннего экспонирования. Применение фольговых биметаллических трафаретов повышает точность размеров рисунка. Для получения биметаллических трафаретов необходимо предварительно c одной стороны покрыть фольгу (из бронзы или меди) слоем фоторезиста, проэкспонировать его и проявить. Затем на эту же сторону фольги гальванически наносят металл (никель). После удаления фоторезиста на фольге остается металлический слой. После защиты оборотной стороны фольги кислотостойким лаком производят химическое травление фольги через нанесенную маску металла. Следует также отметить, что стальная (алюминиевая) рамка обрабатывается так, чтобы обе поверхности были плоскими и параллельными. Качество рамок трафарета крайне важно для достижения равномерного натяжения сетки. Однако наиболее критичными при изготовлении сетчатого трафарета являются сами сетки и маски. Известно, что даже небольшое изменение состава эмульсии фоторезиста или незначительное изменение температуры и влажности влияет на качество трафаретов. Современные требования к увеличению срока службы трафаретов и улучшению четкости изображения рисунка привели к более строгому изучению влияния фоторезистивной эмульсии и окружающих условий на качество трафаретов. Для толстопленочной трафаретной печати необходимо, чтобы при экспонировании и проявлении не было пыли, а температура и влажность в помещении контролировались. Проведенные исследования показывают, что при 100%-ной влажности и комнатной температуре время хранения фоторезиста составляет менее 3 дней. Трафареты, экспонируемые при высокой влажности воздуха, абсорбируют избыток влаги, и в процессе проявления становится труднее удалить непроэкспонированную эмульсию. При оптимальной температуре сушки качество трафаретов значительно выше. Параметры процесса сушки зависят от числа эмульсионных слоев и их толщины. Рекомендуемая температура сушки трафаретов в горизонтальном положении 50°С. Для увеличения срока службы трафаретов на 50% процесс термообработки проводится при 80°С в течение 20 мин. Экспонирование сенсибилизированных эмульсионных трафаретов проводится с помощью ртутных или импульсных ксеноновых ламп. В основном излучение должны содержать ультрафиолетовые лучи с длиной волны 350...450 нм. Качество экспонирования зависит от общей толщины трафарета (табл. 3.1). Проявление трафаретов происходит моментальным погружением их в воду, имеющую температуру 35...45°С. Общая толщина трафарета и эмульсионного слоя измеряется с помощью зондов, при этом стандартное отклонение по толщине должно быть не больше ±0,005 мм, суммарная толщина пленки обычно колеблется от 0,015 до 0,03 мм. Толщина слоя эмульсии может влиять на процесс печати ввиду того, что эмульсия находится на нижней поверхности трафарета, непосредственно контактирует с подложкой и от нее зависит ширина открытых областей трафарета (табл. 3.3). Более толстый слой эмульсии увеличивает глубину открытой ячейки, в результате чего увеличивается количество переносимой пасты (и толщина отпечатка). Однако это справедливо до определенного предела. Имеется верхняя граница толщины эмульсии, после которой дальнейшее увеличение толщины не дает роста количества наносимой пасты. Увеличение толщины эмульсии влияет также на характер деформации трафарета и, следовательно, на условия печати. В настоящее время применяются трафареты следующих типов:
Число ячеек сетки и толщина проволоки влияют на ширину линии и толщину наносимого рисунка. Для трафаретов с прямым нанесением эмульсии в качестве материала используют поливинилциннаматы (ПВЦ), сенсибилизированные дихроматом. Фоточувствительный материал наносится только на рабочую часть трафаретов. Остальная часть заполняется каким-либо блокирующим веществом, например нитроцеллюлозой или акриловым латексом. При косвенном нанесении эмульсии аналогично обрабатываются фоточувствительные пленки на майларовых подложках. Еще влажную пленку накладывают на трафарет, а затем сушат. После сушки майларовая подложка отслаивается, оставляя желаемый рисунок. Долговечность трафаретов при прямом нанесении эмульсии в десять раз больше, чем при косвенном. Целесообразно совмещение рисунка с трафаретом, так как трафарет можно совместить с сеткой довольно точно еще до экспонирования. Основным преимуществом косвенного нанесения эмульсии является возможность нанесения более тонких линий и сложных рисунков схем. При износе эмульсионного слоя фоторезист удаляется раствором перекиси водорода, и сетку можно вновь использовать для изготовления трафаретов.
Количество пасты, проходящей через трафарет и осаждаемой (продавливаемой) на подложку, зависит от диаметра проволоки (нити), размера отверстия и толщины слоя эмульсии. Разрешающая способность трафарета в основном ограничивается допустимыми размерами ячейки сетки. Фактическая площадь открытых участков трафарета (т. е. площадь, не закрытая эмульсией) определяется числом проволок (нитей), приходящихся на единицу площади, и их диаметром. Число меш дает представление о числе ячеек и их размере. Площадь открытых участков уменьшается по мере увеличения ячеек (зависимость нелинейная). При прочих равных условиях количество пасты уменьшается по мере уменьшения площади открытых участков. Увеличение площади открытых участков выше определенного значения не дает увеличения количества пасты, проходящей через трафарет. Существует также и минимальный предел этого значения, ниже которого паста сквозь трафарет не проходит. Отпечатки, полученные при трафаретной печати через одну и ту же сетку, но с различными формой и ориентацией рисунка относительно направления движения ракеля, будут иметь разные характеристики. Это обусловлено деформацией сетки в месте нанесения отпечатка, небольшими различиями в деформации ракеля и производимом им давлении, а также реологическими свойствами пасты. Очевидно, что большие квадратные и мелкие прямоугольные отпечатки элементов схемы будут иметь разные значения. Свойства прямоугольных удлиненных отпечатков вдоль и поперек направления движения ракеля также будут различаться. Для рисунка с большой шириной линий (400...600 мкм) размеры ячейки сказываются незначительно, а при узких это становится существенным. Применение более мелких сеток дает положительные результаты. Трафаретная печатьТрафаретная печать В последние годы технология трафаретной печати стала применяться для нанесения паст не только на керамические, но и на другие типы подложек (полимерные, стальные эмалированные, стеклянные) с использованием металлических, полимерных, полимерно-металлических и других сеток. В связи с этим в процесс внесены некоторые коррективы. Следует отметить, что основные характеристики, которые должны тщательно контролироваться в процессе получения толстых пленок, являются следующие: материал, чистота поверхности, параллельность и толщина подложки; размеры ячеек, толщина и натяжение сетки; давление, скорость движения и угол наклона ракеля; зазор между трафаретом и подложкой. Процесс трафаретной печати состоит в дозировании пасты на подложку путем продавливания ее через трафарет с помощью специального ракеля. Движущийся по трафарету ракель продвигает собой пасту, которая под давлением ракеля заполняет отверстия трафарета. Давление ракеля зависит от скорости его движения, угла встречи с поверхностью, от плотности прилегания ракеля к трафарету и от зазора между трафаретом и подложкой.
Подача пасты происходит при прямом и обратном движении ракеля. Угол наклона лезвия ракеля (угол атаки а) влияет на давление ракеля и, следовательно, на толщину пленки. Чем меньше угол наклона, тем больше давление. В зависимости от применяемой вязкости паст и общей площади ячеек сетки в трафарете угол атаки выбирается 45...60°. Для нанесения паст в основном применяют сетчатые и биметаллические фольговые трафареты. Необходимо, чтобы устройство нанесения паст удовлетворяло определенным требованиям. Ракель должен продвигаться с пастой по трафарету с неизменной скоростью и оказывать постоянное давление при постоянном угле атаки. Скорость ракеля должна быть обратно пропорциональна создаваемому давлению. Обычно метод трафаретной печати позволяет получать проводящие линии и промежутки между ними 125... 150 мкм при использовании сетчатых трафаретов и до 75...100 мкм — с биметаллическими фольговыми трафаретами. ВжиганиеВжигание. На рис. 33 приведен типичный температурный цикл вжигания пасты. На первой стадии скорость подъема температуры относи-тельно невысока, происходит разложение органической связки и ее удаление с помощью интенсивной вытяжной вентиляции. На второй стадии скорость роста температуры повышают, происходит плавление низкотемпературного стекла и образование суспензии твердых функциональных частиц в расплавленном стекле. Собственно вжигание происходит на третьей стадии при постоянной температуре. При этом имеет место как химическое (взаимодействие окислов стекла и керамики), так и физическое (заполнение стеклом открытых поверхностных пор керамики) сцепление покрытия с подложкой. После выдержки (~10 мин.) изделия медленно охлаждают (четвертая стадия) во избежание внутренних напряжений. Общая продолжительность цикла порядка одного часа. Физико-химические основы процесса вжигания паст достаточно специфичны, так как паста состоит из проводникового резистивного, диэлектрического наполнителя размером 0,5...5 мкм в количестве 30...60%, частиц фритты (стекла) размером до 30 мкм и органического связующего. Смешение обоих типов порошков производится в жидком связующем, поэтому крупные частицы стеклянного порошка заставляют мелкие частицы наполнителя структурироваться в расплавленной, а затем затвердевшей системе. Физические и электрические свойства толстых пленок обеспечиваются в результате термохимических реакций, протекающих в процессе термообработки (сушки и вжигания паст на подложке). Скорость реакции зависит от многих факторов, особенно от концентрации и физической формы реагируемых материалов, температуры, времени и окружающей среды (инертной, окислительной). После нанесения пасты на подложку необходимо с целью выравнивания следов сетки выделить некоторое время (5...20 мин) на ее усадку. Полученные отпечатки сушат при температуре до 200°С с помощью радиационного или ИК нагрева в камерах или конвейерных печах. Особый интерес представляет процесс инфракрасной сушки. Длина волны ИК излучателя должна быть более 3 мкм, тогда излучение проникает в пленку и равномерно по толщине сушит ее. При применении других методов сушки первоначально на поверхности пленки образуется твердый слой, препятствующий испарению летучих органических составляющих, что может привести к вспучиванию пленки и появлению раковин после процесса вжигания. При равномерном проведении процесса сушки пленка оказывается достаточно пористой, что улучшает испарение органических составляющих и не приводит к ее разрушению. После сушки слоги можно наносить другие пасты и проводить процесс термообработки. Следующим процессом является вжигание пленок при температуре до l100°C в специальных конвейерных печах в течение 20...60 мин. При обжиге должно быть уделено внимание условиям образования прочного сцепления подсушенной и вожженной пасты как с подложкой, так и с частицами наполнителя. Наиболее сложным процессом является взаимодействие стеклянного и металлического порошков. Реакции между стеклами и керамикой можно считать частным случаем. Как известно, при термообработке на воздухе подложек с нанесенной пастой стеклянный порошок не защищает поверхность частиц металла oт кислорода вплоть до оплавления стекла. При этом металл успевает покрыться оксидной пленкой, толщина и прочность которой зависит от химических свойств металла и продолжительности процесса. В результате процесс смачивания сопровождается растворением этой оксидной пленки в расплавленном стекле. Если такое растворение протекает достаточно легко, то процесс смачивания металла облегчается. Кроме процесса растворения оксидной пленки необходимо учитывать изменение свойств поверхности в результате химических реакций на границе фаз, которое зависит от времени контакта. Кроме того, при взаимодействии жидкости с твердым телом происходят поверхностные химические реакции, возникающие при смачивании и содействующие этому процессу. При поверхностных химических реакциях, как и при физическом растворении, процесс взаимодействия не приводит к образованию новых фаз. Образуется твердый раствор в переходной зоне на границе раздела фаз. Поверхностные химические реакции протекают, когда соприкасающиеся фазы различны, а физическое растворение- когда эти фазы одинаковы. Необходимо обеспечить постепенное изменение свойств в прослойке твердого раствора от подложки к слою стекла, что дает возможность снизить механические напряжения. Один из видов дефектов стекла - следы пузырей на поверхности затвердевших пленок, которые являются следствием выделения газов в процессе оплавления. Пузыри возникают как в результате вышеуказанных реакций, так и десорбции газов с поверхности частиц. Их устраняют при быстром прохождении температурного интервала газовыделения, для чего нагрев должен проходить в ускоренном режиме. Важную роль в процессе получения пленок играют возникающие при вжигании временные и постоянные механические напряжения. При чрезмерных напряжениях сжатия происходит разрыв зоны перехода, при напряжениях растяжения образуются трещины. Снижение градиента температурного коэффициента растяжения можно достигнуть согласованием свойств соединяемых тел или образованием переходного слоя с согласованными свойствами. В процессе сушки и вжигания происходит диспергирование стеклянных и металлических порошков в жидком связующем и в расплавленной стеклообразной массе на подложке, что заставляет мелкие частицы металла или соединения структурироваться. Частицы металлов, оксидов или бескислородных соединений после достижения температуры оплавления стеклянного порошка не распределяются во всем объеме равномерно, так как существенному перемещению твердых частиц препятствует высокая вязкость. Одновременно с этим действует механизм сцепления стекла с металлом, рассмотренный выше. В результате этих процессов и получаются на подложке толстые пленки с нужными электрофизическими свойствами. Для вжигания толстых пленок широко используются муфельные печи с металлической конвейерной лентой. Для предохранения толстопленочных элементов от загрязнений материалом нагревателя или облицовочного жаропрочного кирпича подложки с подсушенными пленками помещают в муфель. Наилучшим материалом для муфелей является плавленый кварц, хорошо пропускающий тепло и не обладающий, в отличие от керамики, термической инерционностью. Для сохранения чистоты пленок муфель продувается сухим воздухом. Важную роль играет материал конвейерной ленты. Обычно используются инконикель, нержавеющая сталь и нихром. Температурный режим в печи должен поддерживаться неизменным. Контролировать температурный профиль по поперечному сечению ленты лучше всего с помощью термопар, расположенных в разных участках печи. Важным фактором является не только форма продольного температурного профиля печи, но и его изменение по поперечному сечению. Подложки с нанесенными пастами устанавливаются на входе печи на ленту, которая и продвигает их через всю печь. В начале в зоне предварительного нагрева происходят улетучивание и выгорание органической связки. Этот процесс проводится в течение 15...20 мин, так как при более быстром выгорании начинаются разрушение пленки, образование пузырей, отслаивание композиции от подложки и т. п. При медленном выгорании в композиции может удерживаться углерод до поступления подложки с пастой в горячую зону, где плавится стекло и возникают побочные реакции. Наличие углерода в пленке приводит к протеканию нежелательных реакций: появляются пузыри в стекле или восстанавливаются оксиды. Для отвода продуктов сгорания конвейерные печи оборудованы вытяжкой. В зоне максимальной температуры печи подложка с пастой в течение 5...15 мин подвергается наибольшему воздействию температуры. Протяженность ее обычно равна зоне предварительного нагрева. В зоне охлаждения толстопленочные элементы на подложке охлаждаются перед выгрузкой в течение 20...25 мин. Максимальная температура печи составляет 1100°С (температура, необходимая для вжигания конденсаторных структур).
Отечественной промышленностью выпускаются промышленные конвейерные печи для вжигания на воздухе типов СК-10/16 СК-11/16 и в инертной атмосфере типа ПГЗН-10-002. В зависимости от типа печи имеют 5-8 зон и ширину рабочего пространства 100...260 мм. Кроме того, для вжигания в лабораторных условиях используют диффузионные печи типа СДО-125 с конвейером-толкателем.
|