Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТОНКОПЛЕНОЧНЫХ РЕЗИСТОРОВ

Изобретение относится к электронной технике, а именно к технологии изготовления тонкопленочных резисторов плат микросборок и интегральных схем, и может быть использовано для производства микроэлектронных устройств и дискретных элементов.

Известен способ нанесения тонких пленок в вакууме, состоящий из следующих основных операций:

- установка и закрепление подлежащих обработке подложек на подложкодержателе;

- герметизация рабочей камеры и откачка ее до требуемого вакуума;

- включение источника, создающего атомарно-молекулярный поток осаждаемого материала;

- нанесение пленки определенной толщины при постоянно работающих источнике потока частиц и системы откачки;

- выключение источника потока частиц, охлаждение подложек и напуск воздуха в рабочую камеру до атмосферного давления;

- съем обработанных подложек с подложкодержателя [1].

Известен способ изготовления проводящих пленок, основанный на осаждении термическим испарением в вакууме исходного материала без дополнительного подогрева подложки, осуществляемый при скорости осаждения не менее 150 нм/с и плотности лучистой энергии нагретого испарителя, падающей на подложки, не менее, чем 8 Вт/см² [2].

Недостаток указанных способов [1, 2] в том, что при отсутствии предварительного нагрева подложек до начала осаждения такие неконтролируемые атмосферные загрязнения, как пары воды, тонкодисперсные аэрозоли, могут оказать отрицательное влияние на свойства пленок [3]. Для пленочных элементов, температура эксплуатации которых существенно отличается от комнатной (например, для тонкопленочных резисторов она составляет от минус 60 до плюс 155°С). Отсутствие предварительной термообработки приводит к необратимым структурным изменениям и соответствующему дрейфу величины сопротивления при эксплуатации.

Наиболее близким к заявляемому является способ изготовления тонкопленочных резисторов, например на основе хромосилицидного сплава PC-3710, включающий радиационный нагрев подложек, установленных в рамки карусели (подложкодержатели), в вакууме 2,6·10^-3 Па до температуры 370±10°С, выдержку при этой температуре 10-15 мин, осаждение пленки на подложки до заданного значения удельного сопротивления, стабилизацию осажденной резистивной пленки при температуре 370±10°С в течение 30 мин, выключение источника радиационного нагрева, охлаждение подложек в вакууме до температуры 200°С и разгерметизацию камеры [4]. Такая совокупность операций представляет собой типовой технологический процесс нанесения резистивных пленок [5]. Температуру подложки при осаждении и проведении стабилизирующего отжига выбирают близкой к температуре Дебая основного компонента, при которой происходит наиболее эффективный отжиг неравновесных дефектов [6]. Для кремния (основного материала хромосилицидных сплавов) температура Дебая составляет 350-365°С [7]. Для пленок хрома и нихрома оптимальными являются температуры около 350°С, при которых обеспечиваются минимальные значения температурного коэффициента сопротивления (ТКС) и относительного изменения сопротивления резистивной пленки [8]. Можно считать, что практический диапазон температур подложек при осаждении резистивных пленок составляет 340-380°С. Температура разгерметизации камеры установки осаждения (напуск воздуха) является менее критичным параметром и составляет для процессов осаждения резистивных пленок 200-300°С, причем ее выбор определяется такими факторами, как температура эксплуатации резисторов (температура разгерметизации должна превышать этот параметр), производительность оборудования, минимальное или прогнозируемое изменение значения сопротивления после воздействия на пленку кислорода воздуха.

Недостаток способа-прототипа [4] в том, что выход годных резисторов по параметрам точности невысок из-за большого значения дисперсии удельного поверхностного сопротивления как по подложке, так и в партии одновременно обрабатываемых подложек, обусловленного десорбцией загрязнений с поверхности нагревателя подложек (его температура может составлять 800-1400°С) и технологической оснастки при дополнительном энергетическом воздействии источника осаждаемого материала, а также существенностью градиентов температуры по поверхности подложек из-за различий в излучательной способности материала подложек (стекло, ситалл, керамика) и оснастки (сталь, медь) и нестационарности процессов теплопередачи.

Техническим результатом заявляемого решения является повышение выхода годных резисторов по параметрам точности за счет уменьшения влияния неконтролируемых дестабилизирующих факторов в процессе осаждения резистивных пленок.

Технический результат достигается тем, что в способе изготовления тонкопленочных резисторов, включающем предварительную обработку в вакууме подложек, установленных в подложкодержатели, путем радиационного нагрева и изотермической выдержки в течение 10-15 мин, осаждение резистивной пленки на нагретые до температуры 340-380°С подложки, их стабилизирующий отжиг при температуре осаждения в течение 30 мин, предварительную термообработку проводят при температурах, на 80-100°С превышающих температуру подложек при осаждении, а осаждение резистивной пленки проводят при выключенном нагревателе подложек.

Новым, необнаруженным при анализе патентной и научно-технической литературы, в заявляемом способе является то, что предварительную термообработку проводят при температурах, на 80-100°С превышающих температуру подложек при осаждении, а осаждение резистивной пленки проводят при выключенном нагревателе подложек.

Технический результат заявляемого решения обусловлен следующим.

Температура подложки не является стабильной величиной, если даже температура подложкодержателя поддерживается постоянной. В момент включения источника осаждаемого материала за счет радиационного нагрева и вследствие обмена энергией частиц осаждаемого материала и подложки происходит нарастающий нагрев подложек, который является негативным фактором, особенно когда скорость отвода тепла за счет теплоизлучения и теплопроводности значительно меньше подвода ее к поверхности конденсации. Идеальным с точки зрения сохранения свойств пленки является стабилизация температуры непосредственно в процессе нанесения покрытия, однако в силу инерционности источников тепловой энергии и нестационарности процессов теплопередачи в системе «подложка - подложкодержатель» в процессе осаждения материала резистивной пленки подобная ситуация не реализуется. С увеличением температуры предварительной термообработки изменение температуры подложки вследствие конденсации материала пленки уменьшается; при скоростях осаждения менее 0,5-1,0 нм/с и продолжительности процесса несколько минут в случае выключенного нагревателя подложек температура подложки и подложкодержателя не превышает температуру предварительной термообработки. Ввиду различия физических свойств материалов технологической оснастки и подложек скорость нагрева или охлаждения подложкодержателя больше, чем подложки, т.е. наблюдается «запаздывание» температуры подложки относительно температуры подложкодержателя [9]. В процессе остывания температура подложки будет несколько выше температуры подложкодержателя, а на начальной стадии осаждения ввиду различия степени черноты подложки и оснастки перепад температур между подложкой и подложкодержателем в плоскости конденсации уменьшается, чем обусловлено уменьшение градиента температуры по поверхности подложки, повышение однородности условий конденсации и, соответственно, свойств пленки.

Другим фактором, обеспечивающим снижение разброса удельного сопротивления по подложке, является уменьшение давления остаточных газов в камере установки осаждения. В процессе предварительной термообработки происходит очистка поверхности подложки, а также и технологической оснастки от загрязнений. С повышением температуры и длительности термообработки эффективность очистки увеличивается; при температурах порядка 400°С происходит десорбция молекул воды, окиси и двуокиси углерода, легких углеводородов. При температурах термообработки, превышающих температуру подложки при осаждении резистивной пленки, максимальная скорость удаления загрязнений не совпадает с началом осаждения пленки. Адсорбция молекул остаточных газов влияет на структурные свойства резистивных пленок, определяя тем самым длину свободного пробега носителей заряда и, соответственно, величину электрического сопротивления. Вносимое изменение в величину сопротивления определяется концентрацией и распределением адсорбируемых частиц на подложке. Процесс адсорбции носит активационный характер, и поэтому флуктуация величины сопротивления будет зависеть от распределения температуры по поверхности подложки. Средняя величина давления остаточных газов будет определять дисперсию средних значений удельного сопротивления в партии одновременно изготавливаемых подложек.

Величина температуры предварительной термообработки ограничивается сверху не физико-химическими свойствами подложечных материалов, а допустимой температурой нагрева, определяемой конструктивным исполнением установок для нанесения резистивных пленок, которая не превышает 400-500°С [8]. При скорости остывания (8-12)°С/мин время, за которое система выходит на заданный температурный режим осаждения, не превышает 10-12 мин. За это время давление остаточных газов снижается примерно на порядок и далее асимптотически приближается к некоторому постоянному значению [10].

Заявляемый способ осуществляется следующим образом. По стандартным технологиям производят очистку поверхности подложек. Подложки закрепляют в подложкодержатели и устанавливают на соответствующие устройства (карусель, барабан и т.п.) рабочей камеры установки осаждения. Рабочую камеру герметизируют и откачивают до требуемого вакуума. Включают нагреватель подложек и производят нагрев до температуры, на 80-100°С превышающей выбранную температуру подложки при осаждении, выдерживают при этой температуре в течение 10-15 мин и выключает нагреватель подложек. Подготавливают установку к осаждению резистивной пленки - включают источник осаждаемых частиц и выводят его на рабочий режим. В момент достижения заданной температуры подложек открывают заслонку, экранирующую подложки от источника частиц, производят осаждение резистивной пленки до заданной величины удельного сопротивления, экранируют подложки от потока осаждаемых частиц (закрывают заслонку) и выключают источник частиц. Включают нагреватель подложек, выдерживают подложки при температуре, при которой производилось осаждение, в течение 30 мин, выключают нагреватель и охлаждают подложки вместе с технологической оснасткой до температуры 200°С. Производят разгерметизацию рабочей камеры установки, извлекают подложки, подвергают их параметрическому и визуальному контролю и передают на последующие операции изготовления резисторов (размерная обработка, формирование контактов и т.п.)

Пример практической реализации способа.

На очищенные подложки из ситалла СТ-50-1 методом термического испарения в вакууме с вольфрамового ленточного испарителя на установке типа УВН-71П-3 производили осаждение резистивных пленок сплава Х20Н80 (нихром) с удельным поверхностным сопротивлением 170-190 Ом/квадрат. Предварительную откачку рабочей камеры производили до давления не более 2,6·10^-3 Па; температура подложкодержателя во время осаждения составляла 350±10°С; скорость вращения карусели подложек при термообработках и осаждении пленки - 80 делений; время осаждения составляло 30-40 с.

Изготавливали две партии подложек по 10 шт.

1 партия - по способу-прототипу: нагрев и предварительная термообработка производились в течение 15 мин при температуре 350±10°С, включали испаритель и производили осаждение при включенном нагревателе подложек резистивной пленки до заданного значения удельного сопротивления (контролировали по величине сопротивления контрольного образца); стабилизирующий отжиг производили при температуре 350±10°С в течение 30 мин, выключали нагреватель подложек, при достижении температуры подложкодержателей с подложками 200°С производили напуск воздуха в рабочую камеру.

2 партия - по заявляемому способу: нагрев и предварительная термообработка производились в течение 15 мин при температуре 440±10°С, выключали нагреватель подложек и производили охлаждение подложкодержателей с подложками до температуры 350°С, включали испаритель и производили осаждение при включенном нагревателе подложек резистивной пленки до заданного значения удельного сопротивления (контролировали по величине сопротивления контрольного образца); стабилизирующий отжиг производили при температуре 350±10°С в течение 30 мин, выключали нагреватель подложек, при достижении температуры подложкодержателей с подложками 200°С производили напуск воздуха в рабочую камеру.

Осажденные резистивные пленки подвергались контролю по внешнему виду и измерению удельного поверхностного сопротивления четырехзондовым методом на установке типа АМЦ 1468 с точностью не хуже ±3%. По полученным данным параметрического контроля рассчитывали дисперсию удельного поверхностного сопротивления по подложке и партии. Наносили технологические контакты Cr-Cu-Ni толщиной 1-3 мкм на две противолежащие стороны подложки со стороны резистивной пленки, измеряли температурный коэффициент сопротивления α в диапазоне температур 20-125°С и определяли параметра (ρ - удельное поверхностное сопротивление резистивной пленки), который согласно [11], характеризует стабильность тонкопленочных резисторов (чем меньше значение этого параметра по абсолютной величине, тем более устойчивы резисторы к действию дестабилизирующих факторов). Результаты приведены в таблице.

Как видно из данных, приведенных в таблице, образцы, изготовленные по способу-прототипу [4], имеют больший разброс значений удельного сопротивления как по подложке, так и партии по сравнению с заявляемым способом, а также являются более чувствительными к действию дестабилизирующих факторов. Ожидаемое увеличение выхода годных при количестве резисторов на подложке 50 и допуске на величину сопротивления ±10% составляет 1,53-1,6 раза. Таким образом, технический результат - повышение выхода годных в заявляемом способе достигается.

Таблица Сравнительные характеристики нихромовых резисторов Способ изготовления Значение дисперсии удельного сопротивления, Ом/квадрат Показатель стабильности , 10-4 Ом1/2·град-1 по подложке в партии min max По способу - прототипу [4] 9,38 11,25 8,47 3,176 По заявляемому способу 5,52 7,73 5,25 - 2,304

Литература

1. Минайчев В.Е. Нанесение пленок в вакууме. - М.: Высшая школа, 1986. - с.132.

2. Бутузов С.С., Семенова Е.В., Сафонкин А.Н. и др. Способ изготовления проводящих пленок / А.с. СССР №322359, МПК Н 01 С 17/00, опубл. БИ №2, 1973 г.

3. Ашинов С.А., Блинов И.Г., Деулин Е.А. и др. Анализ путей развития оборудования для нанесения тонких пленок в вакууме. 4.2 - Обзоры по электронной технике, сер.7 «Технология, организация производства и оборудование», вып. 16(565), 1978 г.

4. Технологический процесс напыления в вакууме пленок, предназначенных для изготовления микросхем методом фотолитографии / Отчет о НИР. Номер гос. регистрации У 5807, номер гос. учета 62916. Шифр: Ниобий-2.

5. Сплавы кремниевые резистивные. ГОСТ 22025-76.

6. Чопра К.Л. Электрические явления в тонких пленках. - М.: Мир, 1972. - 436 с.

7. Блат Ф. Физика электронной проводимости в твердых телах. - М.: Мир, 1971. - 472 с.

8. Гимпельсон В.Д., Родионов Ю.А. Тонкопленочные микросхемы для приборостроения и вычислительной техники. - М.: Машиностроение. 1976. - 328 с.

9. Углов А.А., Анищенко Л.М., Кузнецов С.Е. Адгезионная способность пленок. - М.: Сов. радио, 1987 г. - с.80-83.

10. Вакуумное нанесение пленок в квазизамкнутом объеме / Бубнов Ю.З., Лурье М.С., Старос Ф.Г. и др. - М.: Сов. радио. 1975 г. - с.12 (рис. 1.4).

11. Сорокин В.К., Столяр В.А. Комплексный параметр дефектности тонкопленочных резисторов микросхем для прогнозирования их надежности на основе измерения уровня третьей гармоники. - Надежность и контроль качества, №6, 1979 г. - с.48-55.