CS269479B1 - Způsob výroby tenkovrstvého tantalového kondenzátorů - Google Patents

Abstract

Způsob výroby tenkovrstvých struktur tantalových kondenzátorů vytvořených na podložkách keramických nebo skleněných se používá při výrobě hybridních integrovaných obvodů. Způsob výroby využívá vhodné kombinace mokrého a plasmatického způsobu odstraňování fotorezistu, spolu s účinkem kombinovaného Čištění v kapalinách. Rozpojení anodizačních propojek je přeneseno až do fáze po nanesení systému vodivých vrstev, horní elektrody a kontaktů. Výtěžnost výroby tenkovrstvého tantalového kondenzátoru je při uvedeném způsobu výroby 90 % a výše, zároveň je dosaženo zlepšení elektrických vlastností.

Description

Vynález se týká způsobu výroby tenkovrstvých tantalových kondenzátorů, připravených tenkovrstvou technologií a řeší zvýšení výtěžnosti technologického procesu a zlepšení elektrických vlastností vyráběných kondenzátorů.

Dosavadní způsoby výroby kondenzátorů tantalovou technologií tenkých vrstev jsou založeny na vytváření sendviče vrstev spodní elektroda - dielektrikum - horní elektroda, přičemž jednotlivé vrstvy nebo soustavy vrstev mají účelně zvolené geometrické rozměry. Tato struktura se vytváří na keramické, skleněné nebo křemíkové podložce za použití fotolitograf ického postupu a na jedné podložce se zpravidla vytváří technikou opakovaných obrazců více kondenzátorů současně.

Spodní elektroda je z materiálu na bázi tantalu alfa-tantal, beta-tantal, nízkohustotní tantal, nitrid tantalu, popřípadě tantal obsahující další prvky, například kyslík, křemík, hliník a podobně. Nejčastější metodou nanášení tenké vrstvy materiálu spodní elektrody je katodové naprašování, ale lze použít i jiných metod, například vakuového napaření elektronovým svazkem. Spodní elektroda může sestávat i z více vrstev, s cílem zlepšení vlastností kondenzátorů. Používá se například sendviče vrstev hliník-tantal, hliník zvyšuje vodivost spodní elektrody a kondenzátor má lepší chování při vyšších kmitočtech, nebo sendviče vrstev alfa-tantal bohatší dusíkem - alfa-tantal chudší dusíkem, vyšší obsah dusíku umožní lepší růst vrstvy na podložce, nižší obsah dusíku lepší elektrické chování kondenzátoru; kondenzátory lze vytvářet na podložkách s méně hladkým povrchem, jako je například neglazovaný mikrozrnný korund. Dielektrikum se nejčastěji vytváří anodickou oxidací části tloušiky vrstvy materiálu spodní elektrody ve vhodném elektrolytu, nejprve za konstatního proudu, potom za konstatního napětí. Lze však použít i jiných postupů, například oxidace v kyslíkovém plazmatu, v přehřáté vodní páře a podobně, popřípadě lze dielektrikum nanášet katodovým naprašováním. Používá-li se metody konverze části materiálu spodní elektrody na dielektrikum, je typické, že fyzikálně chemické vlastnosti materiálu spodní elektrody v rozsáhlé míře ovlivňují vlastnosti dielektrika jeho elektrické vlastnosti, odolnost vůči zvýšeným teplotám a podobně. Materiálem horní elektrody bývá nejčastěji kombinace vrstev zajištujících dobré spojení s dielektrikem a dobrou elektrickou vodivost, pájitelnost nebo svařitelnost elektrody. Nejčastěji se používá vrstvy typu chrom/zlato, nikl-chrom/zlato, nikl/zlato, nikl/hliník, nitrid tantalu/titan/zlato a další.

Správných geometrických rozměrů se dosahuje subtraktivními a aditivními fotolitografickými metodami za použití fotorezistu. Příkladem subtraktivních metod je selektivní mokré chemické leptání, leptání v nízkotlakém plazmatu, leptání odprašováním a podobně. Místa na substrátu, kde má vrstva zůstat zachována, se chrání maskou ze světlocitlivého laku, fotorezistu, připravenou fotolitografickou technikou. Příkladem aditivních metod je selektivbím anodická oxidace nebo selektivní galvanické zlacení. V tomto případě je maska z fotorezistu vytvořena tak, že se vrstva příslušným procesem vytváří pouze na žádoucích místech.

Celý postup výroby tenkovrstvých kondenzátorů je značně složitý a představuje sled technologických operací, které musí být v náležité vazbě a musí být provedeny co nejdokonalejším způsobem. Podstatným problémem výroby je zachování, popřípadě obnovení čistoty vrstev a jejich povrchů v průběhu vytváření kondenzátorové struktury, v úzké vazbě na způsob odstraňování fotorezistorové masky po provedeném fotolitografickém zpracování. Náležitá čistota a manipulace ovlivňují jak vlastnosti kondenzátorů, tak výtěžnost výrobního procesu a tedy i jejich cenu. Velmi důležitý je zejména charakter a čistota povrchu tantalové vrstvy spodní elektrody po jejím fotolitografickém zpracování, protože případné nečistoty nebo nevhodný charakter povrchu, například aktivovaný plastimatickým

CS 269 479 Bl sejmutím rezistu; negativně ovlivňují vlastnosti dielektrika, vytvářeného anodickou oxidací této vrstvy. DleŽitý je také způsob, jakým se v anodizované struktuře odstraňují anodizační propojky, které jsou při vytváření více kondenzátorů na jedné podložce nezbytné, protože při tom nesmí dojít k nežádoucímu chemickému nebo mechanickému působení na vytvořené dielektrikum. Velmi důležitou je také čistota vrstvového rozhraní dielektrikum/systém horní elektrody, která v podstatné míře ovlivňuje kvalitu kondenzátoru, a ze stejného důvodu i způsob čištění hotové kondenzátorové struktury před stabilizačním tepelným zpracováním.

V současné době nejsou známy způsoby čištění a odstraňování fotorezistorové masky v jednotlivých fázích realizace kondenzátorové struktury, které by zajistily odpovídající výtěžnost, vhodné elektrické vlastnosti kondenzátorů, zejména ztrátového činitele a jeho rozptylu. Výtěžnost se dosud pohybovala v oblasti 40 střední hodnota ztrátového činitele byla větší než 30.10⁴ při hodnotě variačního koeficientu cca 30 X.

Nevýhody současného stavu techniky řeší způsob výroby tenkovrstvého tantalového kondenzátoru vytvořeného na keramické, skleněné nebo křemíkové podložce se spodní elektrodou z tenké vrstvy na bázi tanta-lu, dielektrikem vytvořeným selektivní anodickou oxidací materiálu spodní elektrody a vrchní elektrodou ze soustavy tenkých vodivých vrstev, přičemž se zhotovení této struktury provádí metodou fotolitografického zpracování za použití fotorezistu, podle výkresu, jehož podstatou je, že po fotolitografickém zpracování spodní elektrody se fotorezistová maska odstraňuje mokrým způsobem, především za použití organických rozpouštědel na bázi chlorovaných alifatických uhlovodíků, povrch této vrstvy se dále čistí kombinovaným praním v oxidačním činidle s výhodou ve vroucím peroxidu vodíku o koncentraci 5 až 35 % hmot., ultrazvukovým praním v polárním rozpouštědle s výhodou v izopropylalkoholu a praním v deionizované vodě o vodivosti menší než 2 /jS/cm, přičemž po provedené selektivní anodické oxidaci se fotorezistová maska odstraní spálením v nízkoteplotním kyslíkovém plasmatu a oxidovaná struktura se čistí stejným způsobem jako vrstva spodní elektrody, přičemž odleptání anodizačních propojek se ppovádí ža po napaření soustavy vrstev horní elektrody a fotorezistová maska se opět odstraní mokrým způsobem za použití organických rozpouštědel na bázi chlorovaných alifatických uhlovodíků, kdežto fotorezistová maska použitá pro následné tvarování horní elektrody a kontaktů kondenzátoru se odstraní spálením v nízkoteplotním kyslíkovém plazmatu, přičemž hotová struktura tenkovrstvého kondenzátoru se opět čistí kombinovaným praním v peroxidu vodíku, polárním rozpouštědle a deionizované vodě o vodivosti menší než 2 /iS/cm.

Způsob výroby tenkovrstvého tantalového kondenzátoru podle vynálezu používá vhodné kombinace mokrého a plazmatického způsobu odstraňování fotorezistu spolu s účinkem kombinovaného čištění v kapalinách. Způsob výroby zajištuje i vhodné odstranění anodizačních propojek. Rozpojení anodizačních propojek je přeneseno až do fáze po nanesení sy· ítému vodivých vrstev horní elektrody a kontaktů, čímž je anodizovaná struktura přirozeným způsobem chráněna před poškozením. Ve svém celku způsob výroby podle vynálezu zajištuje to, že v jednotlivých fázích výroby kondenzátoru je zachována vysoká čistota zpracovávaných vrstev a vrstva dielektrika je chráněna před nepříznivými chemickými nebo mechanickými vlivy. Výtěžnost výroby tenkovrstvého tantalového kondenzátoru je při uvedeném způsobu výroby 90 % a výše. Zároveň je dosaženo zlepšení elektrických vlastností.

Na připojeném výkresu je znázorněn schématický řez vytvářené kondenzátorové struktury. Křemíková podložka χ s vytvořenou vrstvou 2 oxidu křemičitého je opatřena vrstvou χ termicky vytvořeného oxidu tantaličného. Vrstva χ spodní elektrody je tvořena <Z- tantalem dopovaným dusíkem. Na dielektrické vrstvě 2 je nanesena vrstva 6 chrómu a vrstva 2 zlata. Struktura horní a dolní elektrody Θ je tvořena neodleptanými vrstvami chrómu a zlata.

Vynález bude blíže vysvětlen a popsán na příkladu možného provedení.

CS 269 479 Bl

Příklad

Křemíková podložka £ s vytvořenou vrstvou oxidu křemičitého £ byla opatřena ochrannou vrstvou £ termicky vytvořeného oxidu tantaličného a na takto upravený povrch metodou vakuového naprašování byla nanesena vrstva materiálu spodní elektrody £, tvořená alfa-tantalem dopovaným dusíkem, 0 tlouštce 400 nm. Podložka byla opatřena vrstvou negativně pracujícího fotorezisteru o tlouštce 1 /jm a exponováním přes, fotomasku první úrovně se na jejím povrchu vytvořila fotorezistová maska. Maska byla vytvrzena na 160° C a leptáním vrstvy spodní elektrody byla vytvořena mezera oddělující spodní a horní elektrodu budoucích kondenzátorů. Jednotlivé systémy budoucích kondenzátorů jsou v této fázi navzájem spojeny propojkami z tantalu pro potřebu následující anodické oxidace. Fotorezistorová maska byla odstraněna mokrým způsobem za použití trichlorethylenu a bylo provedeno čištění povrchu tantalu praním ve vroucím peroxidu vodíku o koncentraci 15 %, ultrazvukovým čištěním v isopropyalkoholu a praním v deionizované vodě o vodivosti 1 jjS/cm. Čištění v deionizované vodě bylo ukončeno tehdy; když změna vodivosti čisticí lázně byla menší, než stanovená mez. Podložka byla opatřena další vrstvou fotorezistu a postupem obdobným jako v předešlém případě se z ní vytvořila fotorezistová maska s topografií odpovídající tvaru dielektrika. Maska byla vytvrzena na 120° C a dielektrická vrstva 2 byla vytvořena v prostředí elektrolytu o složení podle čs. autorského osvědčení č. 196 194, při formovacím napětí 50 až 250 V, podle požadované měrné kapacity kondenzátoru. Fotorezistová maska byla ostraněna spálením v nízkoteplotním kyslíkovém plazmatu a rozpracovaná struktura byla vyčištěna stejným způsobem jako v předešlém případě. Na celý povrch podložky byla nyní nanesena metodou vakuového napařování vodivá dvojvrstva chrómu £ a zlata £ o tlouštce 30 nm chrómu a 400 nm zlata. Následovalo vytvoření fotorezistové masky pro odstranění anodizačních propojek, která se v tomto případě nevytvrzuje, protože pro leptání tantalu fungují vrstvy chrómu a zlata jako maska. Postupným leptáním vrstev zlata, chrómu a tantalu se odstranily anodizační propojky v úrovni tantalu, potom se fotorezistová maska sejmula jemným tamponováním v trichlorethylenu. Potom následovalo závěrečné fotolitografické zpracování za použití čtvrté fotorezistové masky. Při této operaci se odleptáním vrstev zlata a chrómu z nepotřebných míst vytvořila topografie elektrod a kontaktních ploch kondenzátoru, fotorezistová maska byla sejmuta spálením v nízkoteplotním kyslíkovém plasmatu. Podložky s hotovou tenkovrstvou kondenzátorovou strukturou tantal/oxid tantaličný/chrom/zlato byly vyčištěny stejným způsobem jako v obou předešlých případech, tj. kombinovaným praním v peroxidu vodíku, isopropylalkoholu a deionizované vodě. Na závěr se provede stabilizační tepelné zpracování při teplotě 300° C po dobu 1 hodiny.

Tenkovrstvé tantalové kondenzátory připravené tímto způsobem vykazovaly tyto elektrické vlastnosti pro měřicí kmitočet 1 kHz :

- měrná kapacita pro anodizační ' 410 pF/»m napětí 200 V směrodatná odchylka=3¾

-4 - ztrátový činitel -<20.10 směrodatná odchylka=15%

- teplotní součinitel kapacity (150^15).10 ^/K pro rozsah teplot 25 až 85° C

- jmenovité napětí tantalová	18 V
elektroda kladná - výtěžnost po vytřídění napětím 54 V	.<90 %
- izolační odpor při napětí 10 V	1012 / CP/pF
- změna kapacity po zkoušce trvanlivosti	max. 0,5 %
70° C/18 V/l 000 hodin	typ. 0,1 %

Claims (1)

1. PŘEDMĚT VYNÁLEZU

   Způsob výroby tenkovrstvého tantalového kondenzátoru, vytvořeného na keramické, skleněné nebo křemíkové podložce, se spodní elektrodou z tenké vrstvy na bázi tantalu, dielektrikem vytvořeným selektivní anodickou oxidací materiálu spodní elektrody a vrchní elektrodou ze soustavy tenkých vodivých vrstev, přičemž se zhotovení této struktury provádí metodou fotolitografického zpracování za použití fotorezistu, vyznačující se tím, že po fotolitografickém zpracování spodní elektrody se fotorezistová maska odstraňuje mokrým způsobem především za použití organických rozpouštědel na bázi chlorovaných alifatických uhlovodíků,, povrch této vrstvy se dále čistí kombinovaným praním v oxidačním činidle s výhodou ve vroucím peroxidu vodíku o koncentraci 5 až 35 \ hmot, ultrazvukovým praním v polárním rozpouštědle s výhodou v isopropylalkoholu a praním v deionizované vodě o vodivosti menší než 2,uS/cm, přičemž po provedené selektivní anodické oxidaci se fotorezistová maska odstraní spálením v nízkoteplotním kyslíkovém plasmatu a oxidovaná struktura se čistí stejným způsobem jako vrstva spodní elektrody, přičemž odleptání anodizačních propojek se provádí až po napaření soustavy vrstev horní elektrody a fotorezistová maska se opět odstraní mokrým způsobem za použití organických rozpouštědel na bázi chlorovaných alifatických uhlovodíků, kdežto fotorezistová maska použitá pro následné tvarování horní elektrody a kontaktů kondenzátoru se odstraní spálením v nízkoteplotním kyslíkovém plasmatu, přičemž hotová struktura tenkovrstvého kondenzátoru se opět čistí kombinovaným praním v peroxidu vodíku, polárním rozpouštědle a deionizované vodě o vodivosti menší než 2x:S/cm.