Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
PAGE 9
Травление.
Все методы прецизионного травления подразделяют на «мокрые» и «сухие». К «мокрым» относят процессы химического травления в растворах. Основы «сухих» методов составляет физическое травление, в том числе и в газовом потоке или среде ( реактивные). Смешанные: физико – химические.
Химическое травление.
Благодаря свойствам химических реактивов возможно разрушение одних материалов, не защищенных масками, и резистентность к другим – т.е. селективное (выборочное) травление.
Материалы изотропного селективного химического травления.
|
Стравливаемые материалы |
Травители |
|
|
|
|
|
|
(Примечание: к- концентрированная; рз- разбавленная; г- горячая.)
Очень важно во избежании непредвидимых дефектов, чтобы в последующих химических операциях эти реактивы не применялись. Например, использование хлорных соединений для сапфировой подложки.
Благодаря селективности химического травления возможно одновременное напыление нескольких материалов, например, резистивного и проводникового. Рисунки слоев формируются отдельно. Это типично не только для тонкопленочной технологии, но и печатных плат типа «Омега».
Рис. Органическая подложка с резистивным подслоем типа «Омега».
Рис. Технология изготовления резисторов (синий) из подслоя проводникового слоя (желтый) с помощью селективного травления.
Травление выполняют хими ческим или электрохимическим способом. Для химического про цесса разработаны и используются в промышленности многочис ленные составы на основе хлорного железа, персульфата аммония, хлорной меди, хромовой кислоты, перекиси водорода, хлорита натрия и др. Выбор травильного раствора определяется следующи ми факторами, типом применяемого резиста, скоро стью травления, величиной бокового подтравливания, сложностью оборудования, возможностью регенерации и экономичностью всех стадий процесса.
Скорость травления меди зависит от состава травителя, кон центрации в нем окислителя и условий его доставки в зону обра ботки, температуры раствора и количества меди, перешедшей в раствор. Ее максимальное значение достигается при поддержании в заданных пределах режима обработки и постоянной регенерации травителя. Скорость травления оказывает существенное влияние на качество формируемых элементов ПП.
При малых скоростях время пребывания платы в травителе увеличивается, что приво дит к ухудшению диэлектрических свойств оснований и увеличе нию бокового подтравливания. Оно возникает вследствие того, что травитель воздействует не только на медную поверхность, подле жащую удалению, но и на боковые, не защищенные резистом, стороны проводников и других элементов схемы.
В результате искажается прямоугольный профиль печатных проводников, уменьшается их токонесущая способность и прочность сцепления с диэлектриком. Величина бокового подтравливания оценивается фактором травления K=s/a. Это отношение толщины фольги s к величине изменения ширины печатного проводника а. Уменьшают фактор травления K введением в используемые растворы специальных добавок: ионы металлов с более низким потенциалом, чем у меди, например Ag, Hg, Pt, Pd, Au, оказывают каталитическое действие на процесс.
Технологический процесс травления состоит из операций предва рительной очистки меди, повышающей равномерность ее удале ния, непосредственно удаления меди с пробельных участков пла ты, очистки поверхности диэлектрика, осветления при необходимо сти поверхности металлорезиста и сушки.
Наибольшее распространение в технологии производства ПП получили травильные растворы на основе хлорного железа (плот ность 1,36...1,42 г/см2). Они отличаются высокой и равномерной скоростью травления, малой величиной бокового подтравливания, высокой четкостью получаемых контуров, незначительным содер жанием токсичных веществ, экономичностью. Суммарная реак ция, протекающая в растворе, описывается уравнением
2FeCl3+CuCuCl2+2FeCl2.
Скорость процесса в свежеприготовленном растворе составля ет 40 мкм/мин, но по мере накопления в нем ионов, меди постепен но снижается и при 100 г/л составляет 5 ...6 мкм/мин. Повышение температуры и рН травителя относительно оптимальных значений (приводит к образованию илистого осадка (смесь фильтрующейся меди и оксида железа), который адсорбируется поверхностью диэлектрика, с трудом удаляется.
Химическое удаление меди проводится
- погружением платы в травитель,
- наплескиванием раствора на их поверхность,
- разбрызгиванием через форсунки.
Рис. Схема установки струйного травления: 1-камера; 2-заготовка: 3-разбрызгивающее устройство; 4 - транспортер; 5 - травитель; 6 - регенератор отработанного раствора: 7 - система трубопроводов с насосом
Электрохимическое травление основано на анодном раство рении меди с последующим восстановлением ионов стравленного металла на катоде. (Процесс, обратный нанесению слоя металла.) По сравнению с химическим травлением этот процесс обладает рядом преимуществ: упрощением состава электролита, методики его приготовления, регенерации и очистки
Широкое применение электрохи мического травления сдерживается
неравномерностью удаления металла по плоскости платы, что приводит к образованию невытравленных островков и прекра щению процесса из-за нейтрализации катода. Полностью реализовать преимущества электрохимического метода позволяют подвижные носители заряда, которые представ ляют собой частицы графита, расположенные в суспензированном электролите. Эти частицы принимают заряд с анода и переносят его на поверхность меди, переводя последнюю в ионную форму.
Использование электро химического травления обеспечивает разрешающую спо собность, равную 70...100 мкм, но стоимость технологического оборудования превышает стоимость машин для химического трав ления.
После удаления меди с пробельных участков платы промывают проточной водой.
Физическое травление.
Под «сухим» травлением подразумевается процесс физического удаления (распыления) материала в том числе с подачей реагирующего вещества потоком газа. Энергетический поток может быть широким (для групповых операций) и узким (сфокусированным).
Широкий поток требует маскирования остающегося материала. Сфокусированный поток (луч) воздействует локально – маска не нужна. Комбинированием технологических параметров возможно получение в поверхностном слое, а также в подложке углублений различной формы.
|
Потоки |
Широкий поток (с маской) |
Узкий поток (без маски) |
|
(1) Реагента (газа) - травителя |
Химическое сухое изотропное травление |
Электродинамическое |
|
(2) Нейтрального газа (Ar) или ионов |
Плазменное травление |
Nanomiser |
|
Электронов |
Рассеяние электронного потока |
Фокусирование и направление электронного потока |
|
(3) Оптического излучения (лазера) |
Расширение линзами |
Короткие импульсы |
|
(4) Энергетическое воздействие атомным силовым микроскопом |
-- |
(2) Наиболее распространенный способ сухого травления – плазменное травление. Плазма формируется из рабочего нейтрального газа в сильном электрическом поле. Подложки с маской помещаются между двумя электродами и подвергается воздействию потока ионов определенной энергии. (Большая энергия ионов может быть использована для распыления материала подложки.) Анизотропное травление обусловливает подтравы. Направленное ориентирование потока частиц способствует формированию элементов прямоугольного сечения.
Рис. Плазменное травление. Операция групповая (с маской).
Удаление молекул вещества происходит за счет кинетической энергии «рабочих» частиц: нейтральных молекул, ионов, электронов. Поскольку управлять нейтральными молекулами затруднительно, то на первом этапе из них формируется плазма в условиях тлеющего разряда. На втором этапе заряженные частицы ускоряются и направляются с помощью магнитного поля. Для нейтрализации заряженных частиц на третьем этапе устанавливается рефлектор, где происходит объединение ионов с электронами. Для предотвращения прямого пролета заряженных частиц поток наклоняют на 5 градусов.
Рис. Схема установки плазменного травления. Плазма (plasma) формируется с помощью электромагнита. Управление заряженными частицами производится с помощью ускоряющих (acceleration) и фокусирующих решеток (focusing grids) (серого цвета). Нейтрализация потока частиц (neutral beam flux) производится в рефлекторе (reflector) (зеленого цвета).
В приборе Nanomiser реализовано направленное плазменное травление. Организуется газовый поток, уносящий ионы в сторону подложки. В месте соприкосновения с материалом подложки ионы, передавая свою энергию, удаляют атомы и молекулы практически любого вещества. Перемещение луча позволяет вытравливать рисунок без маски.
Рис. «Плазменный» луч прибора Nanomiser.
Лазерное травление. При взаимодействии излучения с веществом происходит испарение вещества. Излучение большой длительности деформирует прилегающий объем, приводит к перегреву и выплескам материала.
Рис. Схема и изображение сечения отверстия, полученного излучением большой длительности (long phase laser beam).
Серия коротких импульсов предотвращает перегрев прилегающего объема. Диаметр круглого отверстия достигается с помощью расфокусирующих линз. Глубина отверстия определяется числом импульсов. Отверстие произвольного контура формируется остросфокусированным лучом лазера при перемещении координатного стола.
Рис. Схемы формирования отверстий серией коротких импульсов.
Электронно- и ионно- лучевые технологии могут использоваться, наряду с формированием рисунка маски, и для удаления материала пленки.
А Б В
Рис. Профили травления. А – ионное «сухое» (направленное) травление. Б – «мокрое» химическое травление. В – электронно – лучевое травление для формирования штыря.
Малоразмерный аналог электронно- лучевой трубки (ЭЛТ) – полевые эмиссионные дисплеи (ПЭД) или Field Emission Display (FED).
Рис. Структура ПЭД с наноконусами, формирующими пиксел информационного сигнала.
Сканирующий туннельный микроскоп (СТМ) и его более мощная разновидность атомный силовой микроскоп (АСМ) могут быть использованы для получения рисунка в нанослое, используя термическое или механическое воздействие. При высокой температуре нагрева АСМ способен испарять материал вблизи зонда. АСМ позволяет осуществлять непосредственное силовое (механическое) воздействие зондом на поверхность образца. Это может производиться двумя способами – статическим воздействием (наногравировка) и динамическим воздействием (наночеканка).
Профили травления.
При химическом изотропном травлении возникают проблемы с контролем перемещения травителя. Он распространяется равномерно во все стороны и проникает под маскирующий слой, образуя подтравы и радиальную боковую поверхность. Профиль, наиболее приближенный к прямоугольному, обеспечивает ионно-химическое травление.
Форма углубления отчасти зависит от структуры материала. Чем меньше атомов на сингулярной плоскости, тем быстрее она травится. Плоскости описываются с помощью индексов Миллера.
Рис. Варианты кристаллической структуры кремния (silicon) от менее плотной объемоцентрированной кубической – выделена плоскость (100) – до наиболее плотной объемо- и гранецентрированной кубической – выделена плоскость (111).
Рис. Профили травления кремниевой подложки в зависимости от кристаллографического ориентирования образца и направленности потока травителя.
.
VMOS field effect transistor structure
Рис. Структура полевого транзистора: вертикального металло- оксидного кремниевого (Vertical Metal Oxide Silicon - VMOS).
Кремний травится с помощью фтора:
.
При свободном перемещении атомов фтора (F) травление кремния происходит равномерно по всей доступной поверхности. Это изотропное травление, сопровождающееся подтравами. Они полезны для реализации подвесных или свободно движущихся конструктивов, но вредны для узких элементов. Направленность формируется с помощью потока инертного газа или ионов, увлекающих за собой атомы F. Это анизотропное реактивное ионное травление. Помимо химической реакции удаление Si происходит в результате бомбардировки ионами. Поверхность, подвергшаяся бомбардировке, очень неровная, поэтому не отказываются от химической составляющей процесса.
Рис. Схемы и изображение изотропного травления – (а) и (с),
анизотропного травления (b) и (d).
Рис. Изображение профиля реактивного ионного травления.
с изрезанной поверхностью после бомбардировки.
Для многоэтапного травления с целью защиты боковых поверхностей наносят пассивирующие покрытия, например CFx .
Рис. Схема профиля углубления с пассивирующим покрытием (черным).
Рис. Схема многоэтапного травления с пассивирующим покрытием – «газовым чопингом». (1) – травление. (2) – пассивирование (нанесение полимера). (3) – депассивация (удаление полимера). (4) – травление. (2) – (4) - многократное повторение.
Рис. Изображения боковых поверхностей после многоэтапного травления.
|
Параметры травления |
Влияние на скорость травления |
|
Концентрация травителя |
Увеличивает |
|
Давление |
Увеличивает |
|
Температура образца |
Уменьшает (поскольку увеличивается кинетическая энергия частиц, что препятствует их объединению) |
|
Мощность образования потока |
Увеличивает |
Примеры изготовления с помощью травления сложных конструктивов.
Акустические резонаторы микрофонов. Микрофоны изготавливаются путем нанесения тонких проводящих и изолирующих слоев металла или двуокиси кремния (SiO2) на кремниевую подложку с последующим их травлением. В ходе литографического процесса и процесса травления, применяемых для изготовления мембран микрофонов, формируется сетка из металлических проводников, пространство между ними заполняется двуокисью кремния. После того как слой за слоем изготавливаются другие элементы, сетка оказывается на поверхности. Затем с помощью газовой плазмы вытравливается подложка и образуется воздушная полость, обеспечивающая вновь созданной структуре возможность свободно колебаться акустический резонатор. Затем вся сетка покрывается полимером.
Рис. Микроскопическая мембрана микрофона.
Под воздействием звуковых волн полимер с вмонтированными проводниками совершает колебания, возникающий в проводниках сигнал подается на устройство цифровой обработки. МЭМС-микрофоны призваны улучшить качество звука, которое во многих сотовых телефонах остается низким. Традиционные микрофоны снабжены только одной мембраной, которая конструируется на основе компромисса между большим размером, необходимым для улавливания слабых звуков, и размером, достаточно малым для восприятия высоких частот. Акустические МЭМС-микрофоны будут иметь больше 5 мембран. Одни будут обеспечивать высокую чувствительность, другие - передачу высоких частот. Выходные импульсы отдельных мембран будут объединяться сигнальным процессором, входящим в состав микросхемы.
Рис. Профиль многорезонаторного микрофона.
Утонение хрупких деталей. Тонкие хрупкие материалы ломаются при механической обработке. Таков, например, кварц тоньше 0.25 мм, используемый для высокодобротных резонаторов. Резонатор представляет собой кварцевую консоль с двухсторонним расположением проводников.
Рис. Высокодобротный консольный резонатор.
Для проведения операции используется кремниевая подставка (SILICON HANDLE), которая сопровождает изготовление кварцевого (QUARTZ) резонатора вплоть до соединения с основанием (HOST SUBSTRATE).
Рис. Маршрут изготовления кварцевого резонатора. (4) Травление углубления в кремниевой подставке. (5) Создание проводникового рисунка с одной стороны кварцевой пластины обычной толщины. (6) Установка кварцевой пластины на кремниевую подставку - сборки «кварц + кремний». (7) Утонение кварцевой пластины. (8) Формирование и металлизация соединительных отверстий. (9) Создание проводникового рисунка на второй стороне утоненной кварцевой пластины. (10) Формирование контура кварцевого резонатора. (11) Формирование профиля основания. (12) Создание проводникового рисунка на основании. (13) Установка сборки «кварц + кремний» на основание. (14) Удаление кремниевой подставки.