CN112234023A - 一种提高硅晶圆上金属薄膜电路附着力的方法 - Google Patents

一种提高硅晶圆上金属薄膜电路附着力的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种提高硅晶圆上金属薄膜电路附着力的方法，属于微波集成电路微加工技术领域，所述方法为：采用常温直流磁控溅射在硅晶圆上进行金属薄膜生长，完成金属薄膜电路图形化后，将硅晶圆放入高温高压气氛炉中进行一定时长的保温保压处理，然后进行降温取片即得；采用本发明的方法与现有技术相比，金属薄膜电路膜层附着力具有显著提高，常温磁控溅射工艺将整体工艺时间缩短一半以上，满足硅基腔体环行器器件生产对器件可靠性和生产效率的要求。

Description

一种提高硅晶圆上金属薄膜电路附着力的方法
技术领域
本发明涉及微波集成电路微加工技术领域，尤其涉及一种提高硅晶圆上金属薄膜电路附着力的方法。
背景技术
微波铁氧体环行器/隔离器是各类雷达系统的不可缺少的关键器件，它主要用于解决微波系统级间隔离、阻抗匹配以及天线收发共用等系列问题，能够极大提高雷达系统的战术性能。
目前，采用MEMS制造工艺将铁氧体嵌套到硅晶圆内，再在硅晶圆上制作微带金属薄膜电路，是制造生产硅-铁氧体异质集成环行器/隔离器的工艺途径之一。MEMS硅基腔体环行器具有器件性能佳、尺寸小、可大批量生产的优势。其中，硅晶圆上金属薄膜电路的附着力至关重要，关系到器件的可靠性。
目前提高MEMS硅基腔体环行器金属薄膜电路附着力的方法一般是：采用磁控溅射金属膜层时对晶圆进行加热的方式，以提高金属薄膜电路与硅的结合力。但是根据实际情况分析发现，溅射时加热不能完全有效改善硅上金属薄膜电路的附着力，时常会发生电路膜层脱落的现象, 达不到环行器器件应用对附着力的要求，影响器件的可靠性。此外，磁控溅射加热工艺所需时间长，效率低，影响器件批量生产的能力。
发明内容
本发明的目的就在于提供一种提高硅晶圆上金属薄膜电路附着力的方法，以解决上述问题。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是这样的：一种提高硅晶圆上金属薄膜电路附着力的方法，包括如下步骤：
(1)采用直流常温磁控溅射工艺，在清洗好的硅晶圆上溅射一层打底层金属薄膜；
(2)在打底层金属薄膜上，继续直流常温溅射一层种子层金属薄膜；
(3)对步骤（2）处理后的金属薄膜电路进行光刻，得到图形化的金属薄膜电路，然后进行去胶处理；
(4)对步骤（3）处理后的金属薄膜电路进行电镀加厚；
(5)对步骤（4）处理后的硅晶圆进行超声清洗；
(6)将步骤（5）清洗过后的硅晶圆放置于高温高压真空气氛炉中，进行保温保压处理；
(7)对步骤（6）处理后的硅晶圆进行快速降温，降温完成后取出硅晶圆。
本申请的发明人通过大量试验证明：常温溅射+高温高压保温处理，可以解决现有技术中溅射时加热存在的附着力不好的问题；
其原理上初步判断为：第一，保温保压过程可以让金属膜与硅之间范德华力增强；其次，保温保压会使得金属向硅内发生轻微的渗入，也会使结合力增强。
作为优选的技术方案：步骤（1）中所述的打底层薄膜为铬或钛金属薄膜；金属薄膜厚度为20-50nm，溅射功率80-300W，溅射气压0.5Pa-5Pa。
作为优选的技术方案：步骤（2）中所述的种子层金属薄膜为铜或者金金属薄膜，薄膜厚度为150-300nm，溅射功率100-300W，溅射气压0.1Pa-5Pa。
作为优选的技术方案：步骤（4）中所述的电镀加厚层为电镀金或铜膜层，其厚度为3-7μm。
作为优选的技术方案：步骤（6）中，升温速度为2-10℃/min，保温温度为200-400℃。
作为进一步优选的技术方案：步骤（6）中，高压气氛为氩气，气压大小为0.4-0.7MPa。
本领域技术人员知晓的，也可以采用其他惰性气体，但是氩气价格便宜，实用性更强。
作为更进一步优选的技术方案：保温保压时间为0.5-1.5小时。
作为优选的技术方案：步骤（7），所述快速降温的方法为通入高纯氮气。
需要说明的是，本申请中，溅射工艺参数为常规方法；本申请的关键在于保温保压参数，本领域技术人员知晓的，一般附着力达到750g/mm2，则能满足隔离/环行器件对电路膜层附着力的要求，而经过发明人试验证明：如果本申请的保温温度低于200℃，同时保温时间低于1.5h，则膜层附着力不能达到要求，附着力小于650 g/mm2；如果保温温度高于400℃，则金属表面会发生变性，粗糙度等会变大；如果保压压力小于0.4MPa，则则膜层附着力不能达到要求，附着力小于700 g/mm2。
与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明采用常温直流磁控溅射在硅晶圆上进行金属薄膜生长，最后将硅晶圆放入高温高压气氛炉中进行保温保压处理，然后降温去片，使用本方法制作硅晶圆上金属薄膜电路，膜层附着力具有显著提高，整体工艺时间缩短一半以上，满足硅基腔体环行器器件生产对器件可靠性和生产效率的要求。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
本实施例以硅晶圆上铬/金金属薄膜电路制作为例，
一种提高硅晶圆上金属薄膜电路附着力的方法，包括如下步骤：
(1)采用直流常温磁控溅射工艺，溅射功率120W，溅射气压0.5Pa，在清洗好的硅晶圆上溅射一层50nm铬金属薄膜；
(2)在铬层金属薄膜上，溅射功率180W，溅射气压1Pa，继续直流常温溅射一层300nm厚金薄膜种子层；
(3)对硅晶圆进行匀胶、曝光、显影，显影后进行金的湿法腐蚀，腐蚀完成后进行铬的湿法腐蚀。腐蚀完成后进行去胶；
(4)对金属薄膜电路进行电镀金加厚，金厚度为3.5μm；
(5)用丙酮、酒精对硅晶圆进行超声清洗；
(6)将清洗过后的硅晶圆放置于高温高压真空气氛炉中，升温速度为5℃/min，保温温度为300℃，高压气氛为氩气，气压大小为0.5MPa，保温保压时间为0.5个小时；
(7)通入高纯氮气快速降温，降温完成后取出硅晶圆。
由于隔离环行器件的标准中没有对膜层附着力大小进行定义，航天军工行业中有对器件整体可靠性的定义，基于上述方法制作硅晶圆上金属薄膜电路，发明人采用“附着力拉开法”，标准为ISO4624 进行性能测试，测试得到的膜层附着力为800g/mm2，满足环行器器件对膜层附着力大小的需求；同时常温磁控溅射节约了一半以上工艺时间，提高了生产效率。
附着力性能对比：
如前所述的，一般附着力达到750g/mm2，则能满足隔离/环行器件对电路膜层附着力的要求；
采用背景技术中提到的“采用磁控溅射金属膜层时对晶圆进行加热的方式”得到的膜层附着力一般较差，用刀片一剐就掉，采用与实施例1相同的方法测得的附着力为400-500g/mm2；而本实施例可以达到800g/mm2；
工艺时间对比：
采用背景技术中提到的“采用磁控溅射金属膜层时对晶圆进行加热的方式”磁控溅射加热到400-500℃溅射工艺所需时间（包括升温降温）长达3-4小时，而采用上述实施例1的常温溅射时间（同样溅射一腔）仅为20分钟，加上保温保压时间，总共不超过2个小时。
实施例2
本实施例以硅晶圆上铬/铜/金金属薄膜电路制作为例，
一种提高硅晶圆上金属薄膜电路附着力的方法，包括如下步骤：
(1)采用直流常温磁控溅射工艺，溅射功率80W，溅射气压0.2Pa，在清洗好的硅晶圆上溅射一层30nm铬金属薄膜；
(2)在铬层金属薄膜上，溅射功率120W，溅射气压0.5Pa，继续直流常温溅射一层250nm厚铜薄膜种子层；
(3)对硅晶圆进行匀胶、曝光、显影，显影后进行铜的喷淋腐蚀，腐蚀完成后进行铬的湿法腐蚀。腐蚀完成后进行去胶；
(4)对金属薄膜电路进行电镀铜加厚，铜厚度为4μm；
(5)电镀一层100nm厚镍阻挡层薄膜，防止铜金互渗；
(6)对金属薄膜电路进行电镀金，金厚度为5μm；
(7)用丙酮、酒精对硅晶圆进行超声清洗；
(8)将清洗过后的硅晶圆放置于高温高压真空气氛炉中，升温速度为10℃/min，保温温度为250℃，高压气氛为氩气，气压大小为0.4MPa，保温保压时间为1个小时；
(9)通入高纯氮气快速降温，降温完成后取出硅晶圆。
基于上述方法制作硅晶圆上金属薄膜电路，采用与实施例所述的“附着力拉开法”测试得到的膜层附着力为750g/mm2，满足环行器器件对膜层附着力大小的需求；同时常温磁控溅射节约了一半以上工艺时间，提高了生产效率。
实施例3
本实施例以硅晶圆上铬/金金属薄膜电路制作为例，
一种提高硅晶圆上金属薄膜电路附着力的方法，包括如下步骤：
(1)采用直流常温磁控溅射工艺，溅射功率150W，溅射气压0.5Pa，在清洗好的硅晶圆上溅射一层30nm铬金属薄膜；
(2)在铬层金属薄膜上，溅射功率180W，溅射气压1Pa，继续直流常温溅射一层200nm厚金薄膜种子层；
(3)对硅晶圆进行匀胶、曝光、显影，显影后进行金的湿法腐蚀，腐蚀完成后进行铬的湿法腐蚀。腐蚀完成后进行去胶；
(4)对金属薄膜电路进行电镀金加厚，金厚度为5μm；
(5)用丙酮、酒精对硅晶圆进行超声清洗；
(6)将清洗过后的硅晶圆放置于高温高压真空气氛炉中，升温速度为5℃/min，保温温度为320℃，高压气氛为氩气，气压大小为0.6MPa，保温保压时间为1.5个小时；
(7)通入高纯氮气快速降温，降温完成后取出硅晶圆。
基于上述方法制作硅晶圆上金属薄膜电路，采用与实施例所述的“附着力拉开法”测试得到的膜层附着力为800g/mm2，满足环行器器件对膜层附着力大小的需求；同时本实施例的常温磁控溅射节约了一半以上工艺时间，提高了生产效率。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种提高硅晶圆上金属薄膜电路附着力的方法，其特征在于,包括如下步骤：
(1)采用直流常温磁控溅射工艺，在清洗好的硅晶圆上溅射一层打底层金属薄膜；
(2)在打底层金属薄膜上，继续直流常温溅射一层种子层金属薄膜；
(3)对步骤（2）处理后的金属薄膜电路进行光刻，得到图形化的金属薄膜电路，然后进行去胶处理；
(4)对步骤（3）处理后的金属薄膜电路进行电镀加厚，得到电镀加厚层；
(5)对步骤（4）处理后的硅晶圆进行超声清洗；
(6)将步骤（5）清洗过后的硅晶圆放置于高温高压真空气氛炉中，进行保温保压处理；
(7)对步骤（6）处理后的硅晶圆进行降温，降温完成后取出硅晶圆。
2.根据权利要求1所述的一种提高硅晶圆上金属薄膜电路附着力的方法，其特征在于：步骤（1）中所述的打底层薄膜为铬或钛金属薄膜；金属薄膜厚度为20-50nm，溅射功率80-300W，溅射气压0.5Pa-5Pa。
3.根据权利要求1所述的一种提高硅晶圆上金属薄膜电路附着力的方法，其特征在于：步骤（2）中所述的种子层金属薄膜为铜或者金金属薄膜，薄膜厚度为150-300nm，溅射功率100-300W，溅射气压0.1Pa-5Pa。
4.根据权利要求1所述的一种提高硅晶圆上金属薄膜电路附着力的方法，其特征在于：步骤（4）中所述的电镀加厚层为电镀金或铜膜层，其厚度为3-7μm。
5.根据权利要求1所述的一种提高硅晶圆上金属薄膜电路附着力的方法，其特征在于：步骤（6）中，升温速度为2-10℃/min，保温温度为200-400℃。
6.根据权利要求5所述的一种提高硅晶圆上金属薄膜电路附着力的方法，其特征在于：步骤（6）中，高压气氛为氩气，气压大小为0.4-0.7MPa。
7.根据权利要求6所述的一种提高硅晶圆上金属薄膜电路附着力的方法，其特征在于：保温保压时间为0.5-1.5小时。
8.根据权利要求1所述的一种提高硅晶圆上金属薄膜电路附着力的方法，其特征在于：步骤（7），所述降温的方法为通入高纯氮气。
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GR01 Patent grant
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