Способ формирования плат микроструктурных устройств со сквозными металлизированными отверстиями на монокристаллических кремниевых подложках Российский патент 2018 года по МПК H05K3/42 

Заявленное изобретение относится к области технологии микроэлектроники, а именно к способам, специально предназначенным для изготовления или обработки плат микроструктурных устройств или систем на монокристаллических кремниевых подложках. Изобретение может быть использовано при изготовлении многокристальных систем, а также СВЧ устройств.

Из уровня техники известен ряд способов формирования плат на монокристаллических кремниевых подожках, с формированием сквозных и глухих отверстий, например способ изготовления межслойного перехода между печатными проводниками на кристаллической или поликристаллической подложке (RU2622038C1, 09.06.2017)(1) в ходе которого берут подложку с переходными отверстиями, при помощи фоторезиста маскируют её поверхности, за исключением колец вокруг переходных поверхностей, далее располагают подложку в импланторе, экспонируют ее потоком ионов металла с одновременным вращением вокруг оси, перпендикулярной плоскости подложки, причем подложку размещают под углом к потоку ионов, обеспечивающим наилучшее их попадание в переходные отверстия.

Недостатком аналога (1) является сложность его осуществления, а в отношении заявленного изобретения недостатком также является то, что в указанном аналоге (1) решается только задача металлизации сквозных отверстий, а не комплексная задача по созданию формирования платы со сквозными и глухими отверстиями.

Наиболее близким аналогом заявленного изобретения может быть выбран способ получения сквозных отверстий на монокристаллических кремниевых подложках (JPH041418546 от 21.05.1992) (2), который включает получение сквозного отверстия посредством избирательного травления монокристаллической подложки (100) с образованием наклонной внутренней поверхности (111).

Наиболее близкий аналог (2) выбран в соответствии с назначением заявленного изобретения, имеет наибольшую общую совокупность признаков, сходных с заявленным изобретением, однако также не решает задачи последовательного получения сквозных металлизированных и глухих отверстий под кристалл. В уровне техники не обнаружено технологий для решения указанной задачи.

Техническим результатом заявленного изобретения является увеличение надежности формируемых контактных площадок плат и упрощении процесса формирования платы со сквозными металлизированными отверстиями и глухими отверстиями под кристаллы различной величины.

При создании изобретения ставилась техническая задача выполнения в плате металлизированных сквозных микроотверстий с последующим формированием полости под кристалл, которая позволяла бы разместить кристаллы, и последующее формирование контактных площадок, размещаемых в непосредственной близости от кристалла таким образом, чтобы при дальнейшем травлении исключалась вероятность замыкания указанных контактных площадок, при этом также исключается протравливание микроотверстий.

Технический результат достигается посредством создания способа формирования плат микроструктурных устройств со сквозными металлизированными отверстиями на монокристаллических кремниевых подложках, включающего формирование лазером микроотверстий в пластине, осаждение на пластину слоя диэлектрика, вакуумное напыление адгезионного и проводящего слоя на пластину с двух сторон, нанесение фоторезиста спреевым методом, формирование двухстороннего рисунка методом двухстороннего экспонирования, при котором маской полностью закрывают всю поверхность пластины с двух сторон, кроме области микроотверстий, гальваническое осаждение на открытой от фоторезиста поверхности сквозного микроотверстия проводящего слоя, стойкого к последующему травлению в растворе, в отношении которого адгезионный и первый проводящий слой не являются стойкими, снятие фоторезиста, травление адгезионного и первого проводящего слоя в травителе, нанесение фоторезиста спреевым методом на поверхность пластины и формирование маски, исключая область формирования полостей под кристаллы, снятие фоторезиста, травление глухих полостей под кристаллы, нанесение фоторезиста спреевым методом и формирование маски таким образом, чтобы открытая область имела больший размер, чем размер глухой полости, снятие фоторезиста, травление по периметру глухих полостей с формированием фаски по верхнему краю полостей, которое обеспечивается комбинированием режима травления, состава анизотропного травителя и ориентации поверхности пластины, формирование топологического рисунка платы.

В частном случае выполнения способа для кремниевых пластин ориентации (100) фаску на глухих полостях для кристаллов формируют методом жидкостного анизотропного травления в 33% растворе KOH с образованием наклонной поверхности глухого отверстия с кристаллографическим индексом (111) и фаски с кристаллографическим индексом (311) .

В частном случае выполнения способа материал первого проводящего слоя выбирают из группы: Cu.

В частном случае выполнения способ материал второго проводящего слоя выбирают из группы: Au, Pt.

Заявленное изобретение проиллюстрировано следующими фигурами:

Фиг.1-фиг.16 – технологическая последовательность процесса формирования плат микроструктурных устройств со сквозными металлизированными отверстиями на монокристаллических кремниевых подложках.

Фиг.1- исходная пластина.

Фиг.2- формирование лазером сквозных отверстий.

Фиг.3-осаждение диэлектрика.

Фиг.4-вакуумное напыление адгезивного и проводящего слоя на пластину.

Фиг.5- нанесение спреевого фоторезиста.

Фиг.6-формирование двухстороннего рисунка методом двухстороннего экспонирования.

Фиг.7-гальваническое осаждение второго проводящего слоя по фоторезистивной маске.

Фиг.8-снятие фоторезиста.

Фиг.9- жидкостное травление адгезивного и первого проводящего слоя.

Фиг.10-нанессение «спреевого» фоторезиста, формирование маски для травления глухой полости.

Фиг.11-снятие фоторезиста.

Фиг.12- анизотропное травление полости под кристалл.

Фиг.13-нанесение «спреевого» фоторезиста для травления и формирование маски для травления фаски.

Фиг.14- снятие фоторезиста.

Фиг.15-анизотропное травление фаски по периметру полости под кристалл.

Фиг.16- формирование топологического рисунка платы.

Фиг.17-фотографическое изображение фаски глухого отверстия с 450 кратным увеличением.

Фиг.18-фотографическое изображение отверстия с 130 кратным увеличением.

Фиг.19-снимок экрана с контактного профилографа глухой полости с фаской.

На фиг.1-16 позиции обозначают следующее:

1-пластина;

2-сквозное микроотверстие;

3-слой диэлектрика;

4-адгезионный и проводящий слои;

5-фоторезистивный слой для получения микроотверстий;

6-фотошаблон для получения микроотверстий;

7-второй проводящий слой сквозного микроотверстия;

8- фоторезистивный слой для получения глухого отверстия;

9- фотошаблон для получения глухого отверстия;

10-глухое отверстие под кристалл;

11-фоторезистивный слой для получения фаски;

12-фотошаблон для получения фаски;

13-топологический рисунок.

Способ формирования плат микроструктурных устройств со сквозными металлизированными отверстиями на монокристаллических кремниевых подложках осуществляется следующим образом, описанным далее, при этом надо понимать, что описание не является исчерпывающим, а лишь иллюстративным примером для пояснения сущности изобретения.

Для формирования платы микроструктурных устройства на исходной полупроводниковой пластине из монокристаллического кремния, который является предпочтительным для изготовления микроструктурных устройств, потому, что является высокотехнологичным и относительно дешевым полупроводниковым материалом с хорошими электрическими и прочностными характеристиками относительно применения в области СВЧ-электроники, при помощи лазера выполняется сквозное микроотверстие. Далее проводят осаждение на пластину слоя диэлектрика и последующее двухстороннее вакуумное напыление адгезионного и проводящего слоя на пластину. Спреевым методом наносят слой фоторезиста с двух сторон пластины и формируют при помощи фотошаблона двухсторонний рисунок методом двухстороннего экспонирования, при этом контактные области вокруг микроотверстий остаются свободными от фоторезистивной маски. Производят гальваническое осаждение второго проводящего слоя по фоторезистивной маске, при этом второй проводящий слой стоек к травителю первого проводящего слоя и адгезионного слоя. Производится снятие фоторезиста и травление первого проводящего и адгезионного слоя, при котором второй проводящий слой не травиться и одновременно защищает от подтравливания первый проводящий слой. Таким образом, сквозное микроотверстие получается металлизированным двумя слоями проводника. Причем первый из слоев обеспечивает малое электрическое сопротивление, широко используется в СВЧ технологиях, а второй помимо малого электрического сопротивления является коррозионно стойким и финишным контактным слоем, обеспечивающим соединение с другими элементами платы с минимальными потерями сигнала. Далее наносится спереевый слой для формирования глухого отверстия для кристалла. При получении такого отверстия обеспечивается возможность закрепления на плате кристаллов различного размера, поскольку закреплении кристалла большого размера на поверхности платы усложняет соединение контактов кристалла с контактами платы. С помощью фотошаблона формируется фоторезистивная маска и проводится анизотропное травление глухой полости под кристалл. При этом поверхность пластины имеет кристаллографический индекс Миллера (100), а протравленная наклонная полость глухого отверстия имеет кристаллографический индекс Миллера (111). При дальнейшем формировании контактных площадок, размещаемых в непосредственной близости от кристалла, возникала проблема замыкания, «закорачивания» указанных площадок. Для устранения этой проблемы по периметру глухого отверстия была сформирована фаска, для этого на пластину был нанесен слой фоторезиста и сформирована маска по периметру глухого отверстия, далее осуществлялось анизотропное травление фаски, формировалась вследствие анизотропии свойств кремния в зависимости от кристаллографического направления, которые позволяют при травлении в определенных кристаллографических направлениях образовывать на поверхности глухого отверстия фаски с кристаллографическим индексом Миллера (311). Скорость травления монокристаллического кремния в водном растворе KOH 33% при температуре 98°С в направлении [100] составляет 2,6 мкм/с, а травление в направлении [311] 3.86 мкм/с. При этом скорость травления плоскости (111) составляет 0.0065 мкм/с. Угол между плоскостями (111) и (311) составляет 29.4°. Таким образом, внутренняя поверхность полости образует с поверхностью пластины тупой угол 156 градусов, что решает проблему утонения слоя фоторезиста и его разрыва на угле, и следовательно, замыкания контактных площадок. При этом следует отметить, что при травлении глухой полости и фаски металлизация сквозных микроотверстий не нарушается, поскольку они защищены стойким к травителям слоям.

Изобретение также может быть раскрыто в следующих примерах:

ПРИМЕР 1

В полупроводниковой подложке с обратной стороны пробивали лазером сквозные отверстия диаметром 300 мкм. Методом термического окисления на подложку с двух сторон последовательно выращивали защитную маску SiO₂ толщиной 0,5 мкм и осаждали Si₃N₄ толщиной 0,15 мкм плазмохимическим методом. Далее проводили напыление Cr-Cu толщиной по 5 мкм с двух сторон. Спреевым методом наносили фоторезист общей толщиной 23 мкм на две стороны, с последующей сушкой при температуре 100°С на плитке каждой из сторон. При последующей фотолитографии вскрывалась область вокруг сквозного отверстия с обеих сторон, куда методом гальванического осаждения наносилось золото толщиной 3 мкм по защитной маске фоторезиста, с последующим удалением фоторезитивной маски. Удаление металлических слоев Cu и Cr по золотой маске с последующей подготовкой пластины проводилось в жидкостных травителях. Нанесение фоторезиста на лицевую сторону проводили спреевым методом в N циклов общей толщиной 6 мкм. Далее проводили фотолитографию, при которой вскрывается окно в фоторезисте под «посадочное место» для кристалла, с последующим задубливанием защитной маски. Проводили удаление Si₃N₄ плазмохимическим травлением и удаление SiO₂ в буферном травителе. Анизотропным травлением пластины на глубину 250 мкм в водном растворе KOH 33% при температуре 98 ^оС было сформировано посадочное место под кристалл. Проводили нанесение фоторезиста на лицевую сторону спреевым методом толщиной 6 мкм, при которой открывается «фаска», с последующим задубливанием защитной маски. Плазмохимическим травлением проводили удаление масок Si₃N₄ и SiO₂ в буферном травителе. Проводили удаление фоторезистивной маски, с последующим вытравливанием в водном растворе KOH 33% при температуре 98 ^оС фаски на глубину 20 мкм. Проводили удаление масок Si₃N₄ плазмохимическим травлением и SiO₂ в буферном травителе со всей поверхности пластины.

ПРИМЕР 2

В полупроводниковой подложке с обратной стороны пробивали лазером сквозные отверстия диаметром 250 мкм. Методом термического окисления на подложку с двух сторон последовательно выращивали защитную маску SiO₂ толщиной 0,65 мкм и осаждали Si₃N₄ толщиной 0,15 мкм плазмохимическим методом. Далее проводили напыление Ti-Cu толщиной по 4 мкм с двух сторон. Спреевым методом наносили фоторезист общей толщиной 18 мкм на две стороны, с последующей сушкой при температуре 105°С на плитке каждой из сторон. При последующей фотолитографии вскрывалась область вокруг сквозного отверстия с обеих сторон, куда методом гальванического осаждения наносилось золото толщиной 2 мкм по защитной маске фоторезиста, с последующим удалением фоторезитивной маски. Удаление металлических слоев Cu и Ti по золотой маске с последующей подготовкой пластины проводилось в жидкостных травителях. Нанесение фоторезиста на лицевую сторону проводили спреевым методом в N циклов общей толщиной 8 мкм. Далее проводили фотолитографию, при которой вскрывается окно в фоторезисте под «посадочное место» для кристалла, с последующим задубливанием защитной маски. Проводили удаление Si₃N₄ плазмохимическим травлением и удаление SiO₂ в буферном травителе. Анизотропным травлением пластины на глубину 200 мкм в водном растворе KOH 33% при температуре 80 ^оС было сформировано посадочное место под кристалл. Проводили нанесение фоторезиста на лицевую сторону спреевым методом толщиной 6 мкм, при которой открывается «фаска», с последующим задубливанием защитной маски. Плазмохимическим травлением проводили удаление масок Si₃N₄ и SiO₂ в буферном травителе. Проводили удаление фоторезистивной маски, с последующим вытравливанием в водном растворе KOH 33% при температуре 80 ^оС фаски на глубину 10 мкм. Проводили удаление масок Si₃N₄ плазмохимическим травлением и SiO₂ в буферном травителе со всей поверхности пластины.

Таким образом, заявленный способ формирования плат микроструктурных устройств со сквозными металлизированными отверстиями на монокристаллических кремниевых подложках обеспечивает простой метод решения технической задачи выполнения в плате металлизированных сквозных микроотверстий с последующим формированием полости под кристалл, которая позволяла бы разместить кристаллы различной величины, и последующего формирования контактных площадок, размещаемых в непосредственной близости от кристалла таким образом, чтобы при дальнейшем травлении исключалась вероятность замыкания указанных контактных площадок, при этом также исключается протравливание микроотверстий.

Изобретение относится к области технологии микроэлектроники, а именно к способам, специально предназначенным для изготовления или обработки плат микроструктурных устройств или систем на монокристаллических кремниевых подложках. Изобретение может быть использовано при изготовлении многокристальных систем, а также СВЧ-устройств. Способ формирования плат микроструктурных устройств со сквозными металлизированными отверстиями на монокристаллических кремниевых подложках включает металлизацию отверстий двумя проводящими слоями и формирование глухой полости под кристалл с фаской по верхнему краю полости, которое обеспечивается комбинированием режима травления, травителя и кристаллографических особенностей кремния. Обеспечивается увеличение надежности формируемых контактных площадок плат и упрощение процесса формирования платы со сквозными металлизированными отверстиями и глухими отверстиями под кристаллы различной величины. 3 з.п. ф-лы, 19 ил.

1. Способ формирования плат микроструктурных устройств со сквозными металлизированными отверстиями на монокристаллических кремниевых подложках, включающий формирование лазером микроотверстий в пластине, осаждение на пластину слоя диэлектрика, вакуумное напыление адгезионного и проводящего слоев на пластину с двух сторон, нанесение фоторезиста спреевым методом, формирование двухстороннего рисунка методом двухстороннего экспонирования, при котором маской полностью закрывают всю поверхность пластины с двух сторон, кроме области микроотверстий, гальваническое осаждение на открытой от фоторезиста поверхности сквозного микроотверстия проводящего слоя, стойкого к последующему травлению в растворе, в отношении которого адгезионный и первый проводящий слои не являются стойкими, снятие фоторезиста, травление адгезионного и первого проводящего слоя в травителе, нанесение фоторезиста спреевым методом на поверхность пластины и формирование маски, исключая область формирования полости под кристаллы, снятие фоторезиста, травление глухой полости под кристаллы, нанесение фоторезиста спреевым методом и формирование маски таким образом, чтобы открытая область имела больший размер, чем размер глухой полости, снятие фоторезиста, травление по периметру глухой полости с формированием фаски по верхнему краю полости, которое обеспечивается комбинированием режима травления, травителя и кристаллографических особенностей кремния, формирование топологического рисунка платы.

2. Способ формирования плат по п.1, отличающийся тем, что фаску на глухой полости для кристаллов формируют методом жидкостного анизотропного травления с образованием наклонной поверхности глухого отверстия с кристаллографическим индексом (111) и фаски с кристаллографическим индексом (311).

3. Способ формирования плат по п.1, отличающийся тем, что материалом первого проводящего слоя является Cu.

4. Способ формирования плат по п.1, отличающийся тем, что материал второго проводящего слоя выбирают из группы: Au, Pt.