СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ МИКРОПЛАТ С ПЕРЕХОДНЫМИ МЕТАЛЛИЗИРОВАННЫМИ ОТВЕРСТИЯМИ Российский патент 2019 года по МПК H05K3/42 

Изобретение относится к области гибридной микроэлектроники и может быть использовано для создания микроплат СВЧ диапазона длин волн с переходными металлизированными отверстиям и.

Одной из основных операций является получение надежных низкоомных электрических соединений элементов топологии схемы с одной стороны подложки с элементами топологии обратной стороны. Соединения обычно выполняют в виде переходных отверстий малого диаметра, порядка (100-300) мкм, сформированных в подложке лазером с последующей металлизацией.

Известен способ изготовления микросхем (а.с. №873861, Н05К 3/00,. опубл. 30.09.92, Бюл. №36), в котором на керамическую подложку наносят слой полимера (например, этил целлюлозы) и прошивают переходные отверстия электронным или лазерным лучом, а затем через полученную контактную маску заполняют отверстия проводящими пастами (например, на основе вольфрама и меди), после чего проводят обжиг, в процессе которого слой полимера сгорает. Недостатком этого способа является высокое электрическое сопротивление соединений, различие в коэффициенте термического расширения паст и материала подложки, не качественное заполнение пастой отверстий, наличие воздушных включений (пустот) и низкая адгезия пасты к стенкам отверстий.

Известен способ металлизации отверстий в диэлектрической подложке (а.с. №1820831, Н05К 3/18. 3/42, опубл. 10.03.96, Бюл. №7), в котором лазерную прошивку отверстий в подложке проводят в растворе активации, содержащий хлорид тяжелого металла РdСl₂. После прохождения последнего прошивочного импульса раствор затекает в устье канала отверстия и под кратковременным действием высокой остаточной температуры стенок происходит термическое разложение паросолевой смеси с выделением металлосодержащих частиц, затем на палладируемую поверхность химически осаждают медь и гальваническое покрытие сплава олово-висмут. Недостатком этого способа является длительность воздействия химических реактивов на материал подложки, что ухудшает качество ее поверхности, кроме того микроплаты содержащие палладий, имеют ограничения в использовании, так как палладий имеет способность абсорбировать водород, что приводит к расширению и отслоению металла от керамической подложки.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому способу является способ изготовления ГИС СВЧ на керамических подложках (патент РФ №2242823, МПК H01L 21/84, C25D 5/34, C25D 5/20, опубл. 20.12.2004, Бюл. №35), взятый в качестве прототипа, в котором па керамическую подложку с двух сторон наносят слои полиоргансилоксановой жидкости и с помощью импульсного лазера в подложке прошивают отверстия, при этом полиоргансилоксановая жидкость взаимодействует с расплавом керамики, в результате чего поверхность отверстий обогащается углеродом и кремнием, после отмывки остатков жидкости производят химическое осаждение в ультразвуковой ванне на поверхность отверстий золота, затем никеля и вновь золота, затем проводят двухстороннюю металлизацию с помощью ионно-плазменного распыления.

Недостатком способа является низкое качество химической металлизации, невозможность применения способа для глубоких отверстий малого диаметра, вследствие неравномерности толщины покрытия по глубине отверстия.

Технический результат - расширение технологических возможностей способа изготовления микроплат с переходными металлизированными отверстиями, уменьшение электрического сопротивления и увеличение надежности соединений в микроплатах.

Технический результат достигается тем, что в способе изготовления микроплат с металлизированными переходными отверстиями, включающем лазерное формирование отверстий в подложке из керамики, очистку подложки, металлизацию отверстий и двухстороннее напыление проводящих слоев, гальваническое осаждение слоев металлов и формирование топологического рисунка методом фотолитографического травления, сначала на подложку с лицевой стороны наносят защитный поглощающий слой суспензии на основе оксида алюминия, затем лазером прошивают отверстия. Очищают подложку и проводят в одном вакуумном технологическом цикле металлизацию отверстий и одновременно напыление проводящих слоев ванадия и меди на лицевую и обратную стороны подложки методом магнетронного распыления. Формируют топологический рисунок путем создания маски из негативного фоторезиста на двух сторонах подложки методом вытягивания и гальванического осаждения в окна маски слоев меди и золота с последующим травлением слоев ванадия и меди со свободного поля поверхности микроплаты.

Кроме того очистку подложки от продуктов обработки и суспензии проводят методом трехступенчатой ультразвуковой очистки в ацетоне, хромовой смеси и дистиллированной воде.

Кроме того напыление методом магнетронного распыления проводят с применением планетарного механизма перемещения подложек.

Фигура поясняет предлагаемый технологический процесс, где введены следующие обозначения:

1 - подложка из керамики;

2 - суспензия;

3 - переходное отверстие в подложке;

4 - вакуумный ванадий;

5 - вакуумная медь;

6 - фоторезист;

7 - гальваническая медь;

8 - гальваническое золото.

Предлагаемый способ изготовления микроплат с переходными металлизированными отверстиями содержит следующие операции:

1. Нанесение суспензии 2 на основе оксида алюминия на лицевую сторону подложки 1 (фигура а).

2. Формирование переходных отверстий 3 в подложке из керамики (фигура б).

3. Очистка подложки (фигура в).

4. Вакуумное напыление пленок меди 5 толщиной (2,0-4,0) мкм с адгезионным подслоем ванадия 4 с (p_s~200 ) на поверхность отверстий и на лицевую и обратную стороны подложки методом магнетронного распыления (фигура г).

5. Нанесение негативного фоторезиста 6 на две стороны подложки методом вытягивания (фигура д).

6. Формирование фоторезистивиой маски на двух сторонах подложки (фигура е).

7. Гальваническое осаждение меди 7 толщиной (2,0-4,0) мкм в окна фоторезистивиой маски (фигура ж).

8. Гальваническое осаждение золота 8 в окна фоторезистивиой маски (фигура з).

9. Удаление фоторезистивиой маски (фигура и).

10. Травление пленок ванадия - меди со свободных участков подложки (фигура к).

1 1. Контроль сопротивления металлизированных переходных отверстий.

Пример реализации предложенного способа.

Подложка из керамического материала ВК-100 размером 60×48×1,0 мм покрывается с лицевой стороны защитным поглощающим слоем суспензии на основе оксида алюминия. Затем в подложке на лазерной машине типа ЛП1-015ЛД с иттербиевым волоконным лазерным излучателем прошивают отверстия диаметром порядка 200-300 мкм. После прошивки отверстий подложку очищают от продуктов обработки и суспензии методом трехступенчатой ультразвуковой очистки в ацетоне, хромовой смеси и дистиллированной воде. Затем в одном вакуумном технологическом цикле проводят металлизацию отверстий и одновременно напыление проводящих слоев ванадия и меди на лицевую и обратную стороны подложки методом магнетронного распыления на установке типа "Оратория-5» с применением планетарного механизма вращения подложек. После чего формируют топологический рисунок путем создания маски из негативного фоторезиста типа ФН-11С на двух сторонах подложки методом вытягивания и гальванического осаждения в окна маски слоев меди и золота Зл3 с последующим травлением слоев ванадия и меди со свободного поля поверхности микроплаты.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что предлагаемый способ имеет следующие существенные отличия.

При лазерном формировании отверстий подложка загрязняется продуктами обработки в виде «грата», поэтому необходимо предварительное нанесение защиты на обрабатываемую поверхность. В прототипе используется полиоргансилоксановая жидкость в аэрозольной упаковке тина ПЭС-2 толщиной 10-20 мкм, которая хорошо защищает поверхность подложки, однако продукты обработки осаждаются также и на стенках отверстий, а их удаление приведет к нарушению поверхности обогащенной углеродом и кремнием, и следовательно к низкому качеству металлизации отверстий. В предлагаемом способе в качестве защиты подложки от продуктов обработки применяется суспензия на основе оксида алюминия, которая обеспечивает формирование отверстий без «грата» и сколов по периметру отверстий, а для удаления продуктов обработки из отверстий применяется трехступенчатая ультразвуковая очистка в ацетоне, хромовой смеси и дистиллированной воде.

Для металлизации отверстий, в отличие от прототипа, в котором используется метод химического осаждения слоев металлов, в предлагаемом способе применяется «сухой» метод металлизации отверстий - метод вакуумного магнетронного распыления, что обеспечивает высокую адгезию пленок к подложке за счет высокой энергии частиц. В процессе напыления применяется планетарный механизм вращения подложек, который обеспечивает одновременное вращение подложек вокруг своей оси и вокруг оси камеры, что позволяет получать равномерные по толщине слои и полное пропыление отверстий малого диаметра. За один цикл откачки проводится металлизация отверстий и напыление проводящих структур лицевой и обратной стороны подложки, что снижает трудоемкость изготовления, позволяет исключить наличие окисных пленок и, следовательно, обеспечить низкое сопротивление, а также высокую надежность соединений.

Для формирования топологического рисунка микроплаты с металлизированными переходными отверстиями применяется маска из негативного фоторезиста вследствие того, что у данного типа фоторезиста при экспонировании под действием света происходит процесс, полимеризации и при проявлении удаляются не засвеченные области, следовательно не нужно засвечивать фоторезист в отверстиях, что является сложной задачей. При использовании позитивного фоторезиста в отверстиях малого диаметра деструкция происходит не полностью из-за недостаточного количества света, и следовательно при проявлении он не удаляется, что влияет на качество проводящей структуры.

Предлагаемый способ позволяет изготовить микроплаты с переходными металлизированными отверстиями на подложках толщиной до 1,0 мм, которые имеют следующие характеристики:

- переходное сопротивление соединения лицевой и обратной стороны подложки не более 0,01 Ом;

- адгезия проводящих элементов к подложке не менее 4,9 MI 1а (50,0 кгс/см²);

- точность изготовления проводящих элементов не хуже ±15 мкм.

Способ изготовления микроплат с многоуровневой тонкопленочной коммутацией реализуется при изготовлении микрополосковых схем СВЧ диапазона длин волн.

Изобретение может быть использовано для создания микроплат СВЧ диапазона длин волн с переходными металлизированными отверстиями (МПО). Технический результат - расширение технологических возможностей способа изготовления микроплат с МПО, уменьшение электрического сопротивления и увеличение надежности соединений в микроплатах. Достигается тем, что в способе изготовления микроплат с МПО, включающем лазерное формирование отверстий в подложке из керамики, очистку подложки, металлизацию отверстий и двухстороннее напыление проводящих слоев, гальваническое осаждение слоев металлов и формирование топологического рисунка методом фотолитографического травления, сначала на подложку с лицевой стороны наносят защитный поглощающий слой суспензии на основе оксида алюминия. Лазером прошивают отверстия, очищают подложку и проводят в одном вакуумном технологическом цикле металлизацию отверстий и одновременно напыление проводящих слоев ванадия и меди на лицевую и обратную стороны подложки методом магнетронного распыления. Формируют топологический рисунок путем создания маски из негативного фоторезиста на двух сторонах подложки методом вытягивания и гальванического осаждения в окна маски слоев меди и золота с последующим травлением слоев ванадия и меди со свободного поля поверхности микроплаты. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ изготовления микроплат с металлизированными переходными отверстиями, включающий лазерное формирование отверстий в подложке из керамики, очистку подложки, металлизацию отверстий и двухстороннее напыление проводящих слоев, гальваническое осаждение слоев металлов и формирование топологического рисунка методом фотолитографического травления, отличающийся тем, что сначала на подложку с лицевой стороны наносят защитный поглощающий слой суспензии на основе оксида алюминия, затем лазером прошивают отверстия, очищают подложку и проводят в одном вакуумном технологическом цикле металлизацию отверстий и одновременно напыление проводящих слоев ванадия и меди на лицевую и обратную стороны подложки методом магнетронного распыления, после чего формируют топологический рисунок путем создания маски из негативного фоторезиста на двух сторонах подложки методом вытягивания и гальванического осаждения в окна маски слоев меди и золота с последующим травлением слоев ванадия и меди со свободного поля поверхности микроплаты.

2. Способ по п 1, отличающийся тем, что очистку подложки от продуктов обработки и суспензии проводят методом трехступенчатой ультразвуковой очистки в ацетоне, хромовой смеси и дистиллированной воде.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что напыление методом магнетронного распыления проводят с применением планетарного механизма перемещения подложек.