CN114300356B - 一种用于雪崩二极管的微结构金属引脚制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种用于雪崩二极管的微结构金属引脚的制备方法，其特征在于它包括以下步骤：1）基片选择，2）基片清洗，3）蒸发，4）光刻，5）第一次湿法腐蚀，6）电镀，7）去胶，8）第二次湿法腐蚀，9）金属引脚的释放。本发明操作简单，使用方便，实施成本较低提高了引脚制备工艺后的线条控制精度，提高微结构制备的合格率及器件的产能，提高了企业经济效益。
Description
技术领域：
本发明属于微波射频工艺技术领域，具体地说就是一种用于雪崩二极管的微结构金属引脚制备方法。
背景技术：
雪崩二极管是六十代中期开始发展起来的一种新型的微波半导体功率器件，全名是碰撞电离雪崩渡越时间二极管，即“Impact ionization avalanche transit time”（IMPATT），通常称为IMPATT管或IMPATT二极管，它是雪崩倍增效应和渡越时间效应两个物理过程所形成的相位延迟的负阻有源器件。IMPATT二极管的工作原理是利用半导体器件结构中的载流子（电子与空穴）碰撞电离和渡越时间两种物理效应之间的相互作用，使二极管在很高的频率下产生较大的微波功率输出。IMPATT二极管在高于60GHz直至400GHz的频率其功率电平比其它类型二极管高，如硅基微波三极管、砷化镓及磷化铟Gunn体效应二极管、硅基CMOS器件及化合半导体HEMT器件等。当前硅基雪崩二极管的振荡频率能覆盖30～300GHz的整个毫米波波段，其最高振荡频率目前超过400GHz。
根据雪崩功率管非线性等效电路模型可知，负阻抗振荡器在稳态振荡时，器件的负阻必须和电路的电阻相等。在稳态振荡时，器件电抗和电路电抗数值相等而符号相反。即：其中之一为感抗时，另一个必须为容抗。因此，雪崩功率管金属引脚电极存在另一种作用，即调节雪崩功率管封装时的内匹配。这样就需要进行雪崩功率管的引线电极结构形式设计，在毫米波频段下，金属引线结构等效为电感和电阻的串联，在不同频率时，其感值就会有相应的变化。因此，其金属引线结构就需要作相应的调整，以达到与外电路匹配的效果，满足雪崩功率管振荡条件的要求。
目前，引脚制备存在的问题是：（1）引脚尺寸较小，难于进行物理加工；（2）采用湿法腐蚀进行引脚图形化工艺，溶液腐蚀速率较慢，均匀性不可控，腐蚀完成后线条形貌不佳，线宽精度难以控制；（3）如果采用湿法腐蚀的方法，即使线条形貌及线宽精度都能满足技术要求，但无法释放独立微结构，严重导致器件后续组装工艺无法生产。
发明内容：
本发明就是为了克服现有技术中的不足，提供一种用于雪崩二极管的微结构金属引脚制备方法。
本申请提供以下技术方案：
一种用于雪崩二极管的微结构金属引脚的制备方法，其特征在于它包括以下步骤：1）基片选择：选择一块N型6寸硅晶圆片作为基片；
2）基片清洗：对基片进行化学清洗，而后采用氢氟酸腐蚀，高纯去离子水冲洗，氮气保护离心干燥；
3）蒸发：在高真空环境下，再利用电子束蒸发，蒸发出金属原子于基片上形成依次叠加的底部Cr金属膜层、中部Cu金属膜层、表层Cr金属膜层；
4）光刻：先在基片表面用HMDS进行增粘处理，然后旋转涂光刻胶层，然后将涂覆好光刻胶的基片放入热板中进行前置烘干，而后用光刻掩模版在光刻机上进行图形套准曝光，从而在光刻胶层上形成图形缺口，再后将基片浸泡入显影液中一段时间，取出基片用去离子水冲洗，再进行离心干燥，最后将硅片放入烘箱中进行后置烘干；
5）第一次湿法腐蚀，使用盐酸HCL配比水H2O稀释为10％溶液，按照（1:4）的比例配比Cr腐蚀溶液，加热至50℃，在图形缺口内将表层Cr金属膜层腐蚀掉，漏出中部Cu金属膜层；
6）电镀：采用金电镀工艺，按照金电镀线性生长速率，在中部Cu金属膜层上形成金属引脚；
7）去胶；二甲基甲酰胺C3H7ON : 单乙醇胺NH2(CH2)OH，按照（1:1）配比倒入槽中形成去交胶溶液，将集片放进交胶溶液中浸泡一段时间，而后将基片（1）取出使用去离子水冲洗离心干燥，完全去除光刻胶层；
8）第二次湿法腐蚀：采用盐酸HCL配比水H2O稀释为10％溶液，按照（1:4）的比例配比Cr腐蚀溶液，加热至50℃，对剩余的表层Cr金属膜层进行腐蚀去除。
9）金属引脚的释放：采用硫酸H2SO4配比水H2O，按照（1:5）的比例配比Cu腐蚀溶液，而后将基片放入其中进行第三次湿法腐蚀，腐蚀去除中部Cu金属膜层，从而完成金属引脚的释放即金属引脚与基片分离，从而得到独立的用于雪崩二极的管微结构。
在上述技术方案的基础上，还可以有以下进一步的技术方案：
所述化学清洗中采用的化学试剂为浓硫酸和过氧化氢，其中浓硫酸浓度：93.5%-95.6%，过氧化氢浓度：30%-40%，化学清洗的温度为115-125℃，氢氟酸与水安装1:10配比腐蚀液，腐蚀温度为室温，去离子水电阻率≥15MΩ.cm。
3、根据权利要求1中所述的一种用于雪崩二极管的微结构金属引脚的制备方法，其特征在于：所述蒸发的时间：45分钟，蒸发电压：0.5kv，溅射电流：0.5A，依次叠加在一起的底部Cr金属膜层、中部Cu金属膜层、表层Cr金属膜层的厚度为4900-5100Å。
在所述4）光刻中光刻胶层厚度为0.9-1.1μm，前置烘干温度85-95℃，时间为8-12min，所述图形套准曝光的套准精度为±0.05μm，显影液采用5％KOH的溶液；显影温度24-26℃；显影时间0.9-1.1min，去离子水电阻率≥15MΩ.cm，所述后置烘干：包括三次烘干，第一次烘干温度115-125℃，第二次烘干温度125-135℃，第三次烘干温度145-155℃，三次烘干用时18-22 min。
在所述第一次湿法腐蚀中腐蚀速率为1000Å/min。
所述电镀中：按照金电镀线性生长速率，电流密度0.25A/dm2，镀液流速12L/min，电镀时间1220s，形成的金属引脚的厚度2.7-3.3μm。
所述去胶中交胶溶液的温度为115-125℃，基板浸泡的时间为14-16min，去离子水电阻率≥15MΩ.cm。
所述第二次湿法腐蚀中腐蚀速率为1000Å/min；所述第三次湿法腐蚀中腐蚀速率为1500Å/min。
发明优点：
本发明操作简单，使用方便，实施成本较低提高了引脚制备工艺后的线条控制精度，提高微结构制备的合格率及器件的产能，提高了企业经济效益。
附图说明：
图1是步骤3）蒸发完成后的结构示意图；
图2是步骤4）光刻完成后的结构示意图；
图3是步骤5）第一次湿法腐蚀完成后的结构示意图；
图4是步骤6）电镀完成后的结构示意图；
图5是步骤7）去胶完成后的结构示意图；
图6是步骤8）第二次湿法腐蚀完成后的结构示意图；
图7是步骤9）金属引脚的释放完成后的结构示意图。
具体实施方式：
实施例1：
如图1-7所示，一种用于雪崩二极管的微结构金属引脚的制备方法，其特征在于它包括以下步骤：1）基片选择：选择一块N型6寸硅晶圆片电阻率为10－50Ω.cm,厚度为675μm作为基片1。
2）基片清洗：对基片进行化学清洗，所述化学清洗中采用的化学试剂为浓硫酸和过氧化氢，其中浓硫酸浓度：93.5%-95.6%，过氧化氢浓度：30%-40%，化学清洗的温度为115-125℃。而后采用氢氟酸腐蚀，使用氢氟酸与水安装1:10配比腐蚀液，腐蚀温度为室温，高纯去离子水冲洗，去离子水电阻率≥15MΩ.cm。氮气保护离心干燥。
3）蒸发：在高真空（1.8E-7至2.1E-7）的环境下，再利用电子束蒸发，蒸发出金属原子于基片1上形成依次叠加的底部Cr金属膜层2、中部Cu金属膜层3、表层Cr金属膜层4。所述蒸发的时间：45分钟，蒸发电压：0.5kv，溅射电流：0.5A，依次叠加在一起的底部Cr金属膜层2、中部Cu金属膜层3、表层Cr金属膜层4的厚度为4900Å。
4）光刻：先在基片表面用HMDS进行增粘处理，然后旋转涂厚度为0.9μm的光刻胶层5，然后将涂覆好光刻胶的基片放入热板中进行前置烘干，前置烘干温度85℃，时间为12min。而后用光刻掩模版在光刻机上进行图形套准曝光，所述图形套准曝光的套准精度为±0.05μm。从而在光刻胶层5上形成图形缺口6。
再后将基片浸泡入显影液中，显影液采用5％KOH的溶液；显影温度24℃；显影时间1.1min。取出基片1用去离子水冲洗，去离子水电阻率≥15MΩ.cm，再进行离心干燥。最后将硅片放入烘箱中进行后置烘干，所述后置烘干包括三次烘干，第一次烘干温度115℃，第二次烘干温度125℃，第三次烘干温度145℃，三次烘干用时相同共用时21min。
5）第一次湿法腐蚀：
使用盐酸HCL配比水H2O稀释为10％溶液，按照（1:4）的比例配比Cr腐蚀溶液，加热至50℃，在图形缺口6内将表层Cr金属膜层2腐蚀掉腐蚀速率为1000Å/min，从而漏出中部Cu金属膜层3。
6）电镀：采用金电镀工艺，按照金电镀线性生长速率，电流密度0.25A/dm2，镀液流速12L/min，电镀时间1220s在中部Cu金属膜层上形成金属引脚7，所述金属引脚7的厚度2.7μm。
7）去胶；二甲基甲酰胺C3H7ON : 单乙醇胺NH2(CH2)OH，按照（1:1）配比倒入槽中形成去交胶溶液，将集片1放进交胶溶液中浸泡一段时间，所述去胶中交胶溶液的温度为115℃，基板1浸泡的时间为16min，而后将基片1取出使用去离子水冲洗去离子水电阻率≥15MΩ.cm，而后离心干燥，完全去除光刻胶层5。
8）第二次湿法腐蚀：采用盐酸HCL配比水H2O稀释为10％溶液，按照（1:4）的比例配比Cr腐蚀溶液，加热至50℃，对剩余的表层Cr金属膜层2进行腐蚀去除，腐蚀速率为1000Å/min。
9）金属引脚的释放：采用硫酸H2SO4配比水H2O，按照（1:5）的比例配比Cu腐蚀溶液，而后将基片1放入其中进行第三次湿法腐蚀，腐蚀去除中部Cu金属膜层3中腐蚀速率为1500Å/min，从而完成金属引脚7的释放即金属引脚7与基片1分离，从而得到独立的用于雪崩二极的管微结构。
实施例2：
如图1-7所示，一种用于雪崩二极管的微结构金属引脚的制备方法，其特征在于它包括以下步骤：1）基片选择：选择一块N型6寸硅晶圆片电阻率为10－50Ω.cm,厚度为675μm作为基片1。
2）基片清洗：对基片进行化学清洗，所述化学清洗中采用的化学试剂为浓硫酸和过氧化氢，其中浓硫酸浓度：93.5%-95.6%，过氧化氢浓度：30%-40%，化学清洗的温度为115-125℃。而后采用氢氟酸腐蚀，使用氢氟酸与水安装1:10配比腐蚀液，腐蚀温度为室温，高纯去离子水冲洗，去离子水电阻率≥15MΩ.cm。氮气保护离心干燥。
3）蒸发：在高真空（1.8E-7至2.1E-7）的环境下，再利用电子束蒸发，蒸发出金属原子于基片1上形成依次叠加的底部Cr金属膜层2、中部Cu金属膜层3、表层Cr金属膜层4。所述蒸发的时间：45分钟，蒸发电压：0.5kv，溅射电流：0.5A，依次叠加在一起的底部Cr金属膜层2、中部Cu金属膜层3、表层Cr金属膜层4的厚度为4900Å。
4）光刻：先在基片表面用HMDS进行增粘处理，然后旋转涂厚度为1.1μm的光刻胶层5，然后将涂覆好光刻胶的基片放入热板中进行前置烘干，前置烘干温度95℃，时间为8min。而后用光刻掩模版在光刻机上进行图形套准曝光，所述图形套准曝光的套准精度为±0.05μm。从而在光刻胶层5上形成图形缺口6。
再后将基片浸泡入显影液中，显影液采用5％KOH的溶液；显影温度26℃；显影时间09min。取出基片1用去离子水冲洗，去离子水电阻率≥15MΩ.cm，再进行离心干燥。最后将硅片放入烘箱中进行后置烘干，所述后置烘干包括三次烘干，第一次烘干温度125℃，第二次烘干温度135℃，第三次烘干温度155℃，三次烘干用时相同共用时18min。
5）第一次湿法腐蚀：
使用盐酸HCL配比水H2O稀释为10％溶液，按照（1:4）的比例配比Cr腐蚀溶液，加热至50℃，在图形缺口6内将表层Cr金属膜层2腐蚀掉腐蚀速率为1000Å/min，从而漏出中部Cu金属膜层3。
6）电镀：采用金电镀工艺，按照金电镀线性生长速率，电流密度0.25A/dm2，镀液流速12L/min，电镀时间1220s在中部Cu金属膜层上形成金属引脚7，所述金属引脚7的厚度3.3μm。
7）去胶；二甲基甲酰胺C3H7ON : 单乙醇胺NH2(CH2)OH，按照（1:1）配比倒入槽中形成去交胶溶液，将集片1放进交胶溶液中浸泡一段时间，所述去胶中交胶溶液的温度为125℃，基板1浸泡的时间为14min，而后将基片1取出使用去离子水冲洗去离子水电阻率≥15MΩ.cm，而后离心干燥，完全去除光刻胶层5。
8）第二次湿法腐蚀：采用盐酸HCL配比水H2O稀释为10％溶液，按照（1:4）的比例配比Cr腐蚀溶液，加热至50℃，对剩余的表层Cr金属膜层2进行腐蚀去除，腐蚀速率为1000Å/min。
9）金属引脚的释放：采用硫酸H2SO4配比水H2O，按照（1:5）的比例配比Cu腐蚀溶液，而后将基片1放入其中进行第三次湿法腐蚀，腐蚀去除中部Cu金属膜层3中腐蚀速率为1500Å/min，从而完成金属引脚7的释放即金属引脚7与基片1分离，从而得到独立的用于雪崩二极的管微结构。
Claims (8)
1.一种用于雪崩二极管的微结构金属引脚的制备方法，其特征在于它包括以下步骤：1）基片选择：选择一块N型6寸硅晶圆片作为基片（1）；
2）基片清洗：对基片进行化学清洗，而后采用氢氟酸腐蚀，高纯去离子水冲洗，氮气保护离心干燥；
3）蒸发：在高真空环境下，再利用电子束蒸发，蒸发出金属原子于基片（1）上形成依次叠加的底部Cr金属膜层（2）、中部Cu金属膜层（3）、表层Cr金属膜层（4）；
4）光刻：先在基片表面用HMDS进行增粘处理，然后旋转涂光刻胶层（5），然后将涂覆好光刻胶的基片放入热板中进行前置烘干，而后用光刻掩模版在光刻机上进行图形套准曝光，从而在光刻胶层（5）上形成图形缺口（6），再后将基片浸泡入显影液中一段时间，取出基片（1）用去离子水冲洗，再进行离心干燥，最后将硅片放入烘箱中进行后置烘干；
5）第一次湿法腐蚀，使用盐酸HCL配比水H2O稀释为10％溶液，按照（1:4）的比例配比Cr腐蚀溶液，加热至50℃，在图形缺口（6）内将表层Cr金属膜层（2）腐蚀掉，漏出中部Cu金属膜层（3）；
6）电镀：采用金电镀工艺，按照金电镀线性生长速率，在中部Cu金属膜层上形成金属引脚（7）；
7）去胶；二甲基甲酰胺C3H7ON : 单乙醇胺NH2(CH2)OH，按照（1:1）配比倒入槽中形成去交胶溶液，将集片（1）放进交胶溶液中浸泡一段时间，而后将基片（1）取出使用去离子水冲洗离心干燥，完全去除光刻胶层（5）；
8）第二次湿法腐蚀：采用盐酸HCL配比水H2O稀释为10％溶液，按照（1:4）的比例配比Cr腐蚀溶液，加热至50℃，对剩余的表层Cr金属膜层（2）进行腐蚀去除；
9）金属引脚的释放：采用硫酸H2SO4配比水H2O，按照（1:5）的比例配比Cu腐蚀溶液，而后将基片（1）放入其中进行第三次湿法腐蚀，腐蚀去除中部Cu金属膜层（3），从而完成金属引脚（7）的释放即金属引脚（7）与基片（1）分离，从而得到独立的用于雪崩二极的管微结构。
2.根据权利要求1中所述的一种用于雪崩二极管的微结构金属引脚的制备方法，其特征在于：所述化学清洗中采用的化学试剂为浓硫酸和过氧化氢，其中浓硫酸浓度：93.5%-95.6%，过氧化氢浓度：30%-40%，化学清洗的温度为115-125℃，氢氟酸与水安装1:10配比腐蚀液，腐蚀温度为室温，去离子水电阻率≥15MΩ.cm。
3.根据权利要求1中所述的一种用于雪崩二极管的微结构金属引脚的制备方法，其特征在于：所述蒸发的时间：45分钟，蒸发电压：0.5kv，溅射电流：0.5A，依次叠加在一起的底部Cr金属膜层（2）、中部Cu金属膜层（3）、表层Cr金属膜层（4）的厚度为4900-5100Å。
4.根据权利要求1中所述的一种用于雪崩二极管的微结构金属引脚的制备方法，其特征在于：在所述4）光刻中光刻胶层厚度为0.9-1.1μm，前置烘干温度85-95℃，时间为8-12min，所述图形套准曝光的套准精度为±0.05μm，显影液采用5％KOH的溶液；显影温度24-26℃；显影时间0.9-1.1min，去离子水电阻率≥15MΩ.cm，所述后置烘干：包括三次烘干，第一次烘干温度115-125℃，第二次烘干温度125-135℃，第三次烘干温度145-155℃，三次烘干用时18-22 min。
5.根据权利要求1中所述的一种用于雪崩二极管的微结构金属引脚的制备方法，其特征在于：在所述第一次湿法腐蚀中腐蚀速率为1000Å/min。
6.根据权利要求1中所述的一种用于雪崩二极管的微结构金属引脚的制备方法，其特征在于：所述电镀中：按照金电镀线性生长速率，电流密度0.25A/dm2，镀液流速12L/min，电镀时间1220s，形成的金属引脚（7）的厚度2.7-3.3μm。
7.根据权利要求1中所述的一种用于雪崩二极管的微结构金属引脚的制备方法，其特征在于：所述去胶中交胶溶液的温度为115-125℃，基板（1）浸泡的时间为14-16min，去离子水电阻率≥15MΩ.cm。
8.根据权利要求1中所述的一种用于雪崩二极管的微结构金属引脚的制备方法，其特征在于：所述第二次湿法腐蚀中腐蚀速率为1000Å/min；所述第三次湿法腐蚀中腐蚀速率为1500Å/min。
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