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Gebiet der
Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung ist eine Lösung auf
Laser-Basis für
nicht-invasive Hochgeschwindigkeitsprüfung von Multi-Chip-Modulen
(MCM) und noch genauer zur Verwendung Chromophor-dotierten Polyimids
als Zwischenschicht-Dielektrikum in einer Mehrebenen-Dünnschicht-metallisierten
Schaltkreisstruktur. Das Dielektrikum wird durch Polen (Ausrichten)
der Einrichtung in einem starken elektrischen Feld in ein elektrooptisches
Material umgewandelt. Die Änderung
in den elektrooptischen Koeffizienten des Chromophor-dotieren Polyimids
in Gegenwart elektrischer Signale in der Schaltung kann unter Verwendung
eines Laserstrahls ermittelt werden. Die elektrooptische Wechselwirkung
zwischen dem gepolten Dielektrikum und dem Laserstrahl ermöglicht es,
daß die
Stärke
der inneren Felder innerhalb des MCM als Funktion der Lage bestimmt
werden kann.
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Beschreibung
des einschlägigen
Standes der Technik
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Die
Fähigkeit,
eine in situ-Prüfung
und -Charakterisierung sowohl integrierter Schaltkreise als auch
ihrer Verbindungssubstrate in komplexen Multi-Chip-Packungsstrukturen
durchzuführen,
wird zunehmend bedeutsam, indem die Packungen kleiner werden.
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Das
elektrooptische Prüfen
beruht auf der Änderung
im Brechungsindex eines Materials in Gegenwart eines elektrischen
Feldes (linearer elektrooptischer Effekt). Der lineare elektrooptische
Effekt wurde erstmals an kristallinen Feststoffen untersucht, die
den Kristallklassen angehören,
denen ein Inversionssymmetriezentrum fehlt. Galliumarsenid (GaAs) und
Indiumphosphid (InP) sind Beispiele üblicher Halbleitermaterialien,
die diesen Effekt zeigen. Bestimmte organische Polymere sind, wenn
sie mit nichtlinearen Anteilen dotiert und gepolt werden, ebenfalls
nicht-zentralsymmetrisch und ergeben daher den elektrooptischen
Effekt. Dotierte organische Polymere werden durch Einführen in
ein starkes elektrisches Feld gepolt, wenn das Polymer bis nahe
seiner Glasübergangstemperatur
erhitzt wird.
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Ein
elektrooptisches Prüfgerät führt Punkt-zu-Punkt-Messungen
des elektrischen Feldes intern zu Mikrowellenschaltungen anstelle
eines Begrenzens der Information auf die durch, die am Eingangs-
oder Ausgangsanschluß eines
Schaltkreises gesammelt wird. Die Technik wurde in breitem Umfang
mit Halbleitersubstraten wie GaAs und InP demonstriert. Allerdings
kann ein Substrat aus Silizium (Si) nicht geprüft werden, da es ein Inversionssymmetriezentrum
aufweist. Obwohl diese Technik gängig
und Polyimid ein zunehmend beliebtes organisches Polymer ist, das
bei fortgeschrittenen Packungsanwendungen für Hochgeschwindigkeitsschaltkreise
wie MCMs verwendet wird, hat bisher niemand die Anwendung der elektrooptischen
Prüfung
auf Schaltkreisstrukturen an Polyimid ausgedehnt und die Ergebnisse
mit herkömmlicheren
Substraten, die für
elektrooptische Prüfungen
wie GaAs und InP verwendet werden, verglichen, um die Möglichkeit
auf nicht-invasive Prüfungsschaltkreisstrukturen
zu demonstrieren, die in zentralen Lagen eines MCM, wie es bei der
vorliegenden Erfindung vorgeschlagen wird, vergraben sind.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Es
ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, für ein nicht-invasives elektrooptisches
Prüfen
von Standardschaltkreisstrukturen zu sorgen, indem integrale Schichten
in ein elektrooptisches Material umgewandelt werden.
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Es
ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, wahlweise vorbestimmte
Bereiche der Schaltkreisstruktur umzuwandeln.
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Es
ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, Chromophor-dotierte
Polyimide als ein Zwischenschicht-Dielektrikum bei einer mehrlagigen Schaltkreisstruktur
zu verwenden.
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Es
ist noch ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, wahlweise
das Ausmaß an
Polung und die Chromophor-Dichte der Schichten in der Schaltkreisstruktur
zu ändern,
um eindeutige Signaturen selbst in tief vergrabenen Schaltkreiselementen
zu entwickeln.
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Es
ist noch ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, die Änderung
der elektrooptischen Koeffizienten eines Materials in Gegenwart
elektrischer Signale unter Verwendung eines kontinuierlichen (CW) oder
gepulsten Laserstrahls zu ermitteln.
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Es
ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, geeignete Polymere
für hochdichte
Packungen wie Multichip-Modul-dotierte (MCM-D)-Packungen zu entwickeln,
die in der Lage sind, nicht-invasiv durch elektrooptische Prüftechniken
geprüft
zu werden.
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Diese
Ziele werden durch Schaffen einer Multichip-Modulschaltkreisstruktur
erreicht, die ein Siliziumsubstrat, eine Metallschicht, die auf
dem Substrat gebildet ist, eine Mehrzahl an Polyimid-Zwischenschicht-Dielektriumschichten,
die zu 17,5 Gew.-% oder weniger mit nichtlinear optischen Chromophoren
dotiert sind, die auf der Metallschicht gebildet sind, und strukturierte
Metalleiter umfaßt,
die auf jeder der Mehrzahl an mit nichtlinear optischen Chromophoren
dotierten Polyimid-Zwischenschicht-Dielektrikumschichten gebildet
sind. Obwohl die Benutzung von dielektrischen Schichten auf der
Basis Chromophor-dotierten Polyimids in Verbindung mit Silizium-
oder Quarzsubstraten grundsätzlich
bekannt ist – siehe
z. B. US-Patente 4,656,116 „Radiationsensitive
Coating Composition" und
5,397,684 „Antireflective
Polyimide Dielectric for Photolithography" –,
gibt es im Stand der Technik keinen Hinweis, der einen Fachmann
zum elektrooptischen Prüfen hinführen könnte. Das
Substrat kann solches des p-Typs, Bor-dotiertes, (100)-orientiertes
mit einem spezifischen Widerstand zwischen 25–30 Ohm-cm und einer Stärke zwischen
14,0–16,0 μm umfassen. Die
mit nichtlinear optischen Chromophoren dotierten Polyimid-Zwischenschicht-Dielektrikumschichten
können
beispielsweise ein Polyimid aus Ultradel 9020D, dotiert mit 4-(Dicyanomethylen)-2-Methyl-6-(p-Dimethylaminostyryl)-4H-Pyran
(DCM) umfassen.
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Die
vorliegende Erfindung umfaßt
auch ein Verfahren zum Verbessern der Prüfbarkeit einer Multichip-Modulschaltkreisstruktur
umfassend die Schritte des Bildens einer Multichip-Modulschaltkreisstruktur,
die eine Mehrzahl an zu 17,5 Gew.-% oder weniger mit nichtlinear-optischen
Chromophoren dotierten Polyimid-Dielektrikumschichten umfaßt, die
auf einer Metallschicht und einem Siliziumsubstrat gebildet werden,
des Bildens strukturierter Metalleiter an oder nahe jeder der Mehrzahl
der mit nichtlinear optischen Chromophoren dotierten Polyimid-Dielektrikumschichten,
des Polens/Ausrichtens der dielektrischen Schichten aus mit nichtlinear
optischen Chromophoren dotiertem Polyimid in einem starken elektrischen
Feld und des Fokussierens einer Lasersonde auf jedem der strukturierten
Metalleiter zum Diagnostizieren der Modulleistungsfähigkeit.
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Die
Erfindung umfaßt
weiter ein Verfahren, das durch die Merkmale des Anspruchs 7 bestimmt ist.
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Diese
Ziele liegen zusammen mit weiteren Zielen und Vorteilen, die nachfolgend
offenbar werden, in den Konstruktionsdetails und der Betriebsweise,
wie sie umfassender nachfolgend beschrieben und beansprucht wird,
wobei auf die beifolgenden Zeichnungen Bezug genommen wird, die
einen Teil davon bilden, und gleiche Bezugszeichen sich durchgehend
auf gleiche Teile beziehen.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 ist eine Dünnschicht-Multichip-Modulschaltkreisstruktur
gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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2 ist ein schematisches
Blockschaubild eines elektrooptischen Testgeräts zum Testen von Polyimidmustern
gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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3 ist ein Querschnitt eines
Polyimid-Testmusters, verwendet in der vorliegenden Erfindung;
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4 zeigt den Weg einer/s
Laserabtastung/-scans, während
die Spannung entlang eines Mikrostreifen-Schaltkreismusters abgetastet
wird;
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5 ist eine Kurve der Prüfungsergebnisse von
Laser-elektrooptischen Prüfungsabtastungen über Transmissionsleitungen
mit sinusförmigen
Signalen für
ein Polyimidsubstrat;
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6 ist eine Kurve der Prüfungsergebnisse von
Laser-elektrooptischen Prüfungsabtastungen über den
Transmissionsleitungen mit sinusförmigen Signalen für ein GaAs-Substrat;
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7 ist eine Kurve der elektrooptischen Prüfergebnisse
für einen
Scan über
der Transmissionsleitung unter Verwendung eines 10%-Tastgrad-Digitalsignals;
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8 ist eine Kalibrierungskurve
für ein
Polyimidmuster und zeigt, daß die
Kurve für
ein typisches Polyimidmuster bei dem auf 3 Volt reduzierten RF-Signal
linear ist;
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9 ist eine Kurve, die die
dielektrische Konstante und die Verlusttangente für DuPont
2610 zeigt;
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10 ist eine Kurve, die die
dielektrische Konstante und Verlusttangente für Ultradel 9020D zeigt; und
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11 ist eine Kurve, die die
dielektrische Konstante und Verlusttangente für Ultradel 9020D, dotiert mit
17,5-Gew.-% DCM, zeigt.
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BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Die
vorliegende Erfindung ist ein Multichipmodul (MCM), in dem die dielektrischen
Schichten in elektrooptisches Material umgewandelt werden. 1 zeigt eine Dünnschicht-Multichipmodul 10 (MCM)-Schaltkreisstruktur
gemäß der vorliegenden Erfindung.
In 1 weist ein Siliziumsubstrat 12 eine Metallschicht 14,
die darauf gebildet ist, auf. Schichten von mit nichtlinear optischen
Chromophoren 16 dotiertem Polyimid werden dann auf der
Metallschicht 16 gebildet. Strukturierte Metalleiter 18 werden
auf jeder der mit nichtlinear optischen Chromophoren dotierten Polyimid-Schichten 16 gebildet.
Die Einrichtung 10 wird dann mit einem Laser 20 geprüft. Das
Substrat 12 (Dielektrikum) wird mit Polyimid mit dem Zusatz
eines Chromophoren (eines photosensitiven Radikals) hergestellt,
um es elektrooptisch sensitiv zu machen, und daher kann es Laser-geprüft werden.
Unter dem Einfluß eines
starken elektrischen Feldes wird der Multichip-Modul 10 elektrooptisch.
Arten von zu verwendenden Chromophoren schließen 4-(Dicyanomethylen)-2-Methyl-6-(p-Dimethylaminostyryl)-4H-Pyran
(DCM) ein. Obwohl es kommerzielle photosensitive Polymere auf dem Markt
gibt, die dann entwickelt werden, gibt es keine, die elektrooptisch
sensitiv sind. Die vorliegende Erfindung ermöglicht es, daß ein MCM 10 unter
Verwendung einer nicht-invasiven Technik wie einem Laser zum Diagnostizieren
der Modulleistung, des Feststellens der Lagen von Schaltkreiskurzschlüssen und -unterbrechungen
und des Bestimmens der Wirksamkeit der Feldeindämmungsstrukturen geprüft werden
kann. Durch Ändern
der Stärke
des polenden Feldes und der Chromophordichte der Schichten, verbunden
mit Änderungen
in dem elektrischen Feld des unter Test stehenden Schaltkreises
und der Laserlichtintensitäten,
können
eindeutige Signaturen selbst von tief vergrabenen Schaltkreiselementen entwickelt
werden. Das heißt,
die elektrooptische Wechselwirkung zwischen dem gepolten Dielektrikum 16 und
dem Laserstrahl 20 ermöglicht
es, daß die
Stärke
der internen Felder innerhalb des MCM 10 als Funktion der
Lage bestimmt werden kann. Weiter kann das Material in vorbestimmten
Bereichen selektiv konvertiert werden.
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Die
vorliegende Erfindung sieht bestimmte organische Polymere vor, die,
wenn sie mit nichtlinearen Anteilen dotiert und gepolt werden, den
elektrooptischen Effekt hervorbringen. Die dotierten organischen
Polymere werden durch Einführen
in ein starkes elektrisches Feld gepolt, wenn das Polymer auf nahe
seiner Glasübergangstemperatur
erhitzt wird. Das Instrument reagiert, wenn eine Prüfung durch
ein elektrooptisches Prüfgerät stattfindet,
auf einen Wechsel im Brechungsindex der gepolten dielektrischen Schichten,
die durch die elektrischen Signale in dem Schaltkreis hergestellt
werden. Diese Änderungen
hängen
von der Größe der elektrooptischen Koeffizienten
sowie der Stärke
und der räumlichen Ausdehnung
des internen Feldes, das dem Signal zugeordnet ist, ab.
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Dem
Demonstrieren der Leistungsvermögensmöglichkeiten
für diese
neuartige und neue Meßtechnik
und auch den Erfordernissen für
die MCM-D (Multichip-Modul-dotiert)-Herstellung
wurde besondere Aufmerksamkeit gewidmet.
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Typische
Polymere, die den elektrooptischen Effekt nach dem Polen hervorbringen,
schließen
konditionierte photosensitive Polymere wie Polymethyl-Methacrylat
(PMMA) ein. Während
diese Polymere beim Be- bzw. Verarbeiten von Halbleiterwafern üblich sind,
sind sie typischerweise kein Teil der Packungsstruktur. Da Polyimid
die hauptsächliche
Dielektrikumschicht der Wahl für
organische Dünnschicht
MCMs ist, konzentriert sich die vorliegende Erfindung auf Polyimid,
dotiert mit nichtlinear optischen Chromophoren, die dann gepolt
werden, um den elektrooptischen Effekt hervorzubringen.
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2 ist eine Darstellung eines
grundlegenden Aufbaus für
elektrooptische Prüfung
des elektrischen Feldes in einem Testsubstrat 30 mit einem
in dem Schaltkreis vorhandenen RF-Signal. Der Grundaufbau kann für Signale
bei Mikrowellen-Frequenzen (10 GHz) ausgedehnt werden. Eine 1300
nm-Diodenlaserquelle 32 und ein Polarisator 34,
die in 2 gezeigt sind,
erzeugen linear polarisiertes Licht, das verwendet wird, um die
Spannung entlang der Schaltkreisleitungen des Substrats 30 zu
prüfen,
zum Beispiel das innere elektrische Feld von Substrat 30. Eine
Halbwellenplatte (Half-Wave-Plate) 36 steuert die Orientierung
des linear polarisierten Lichtes, wenn es in das Muster 30 eintritt.
Der Durchmesser des auf das Muster auftreffenden Lichtstrahls definiert
den geprüften
Bereich. Daher ist die kleinste Fleckengröße beugungsbegrenzt. Das in 2 gezeigte Gerät verwendet
eine Sammellinse 38, um eine Fleckengröße von ungefähr 1 μm zu erzielen.
Innerhalb des Prüfungssubstrats 30 kann
das linear polarisierte Licht als aus zwei orthogonalen Polarisierungskomponenten
bestehend modelliert werden, von denen jede als Ergebnis des Effekts
des hochfrequenten elektrischen Feldes auf die Brechungsindizes
des Substrats einen verschiedenen Brechungsindex erfährt. Das
an das Muster durch einen Signalgenerator 40 angelegte
elektrische Signal verändert den
Brechungsindex des Musters bei der Frequenz des angelegten elektrischen
Signals. Die Größe der Änderung
des Brechungsindex ist proportional der Größe des elektrooptischen Koeffizienten
für das
Material, wobei der elektrooptische Koeffizient durch das Polungsverfahren
für das
Polyimidmuster erstellt wird. Die Änderung im Brechungsindex steht über den
elektrooptischen Koeffizienten, eine Materialkonstante, in Relation
zur Stärke
des hochfrequenten elektrischen Feldes. Im Ergebnis dessen, daß die Polarisierungskomponenten
verschiedene Brechungsindizes erfahren, wird eine Phasenverzögerung,
die proportional zur Stärke
des elektrischen Feldes am Prüfpunkt
ist, zwischen den Polarisierungskomponenten des Prüfungslichtstrahls,
der durch das Substrat 30 hindurchtritt, eingeführt. Das
Licht des Prüflasers 32 wird
von der Grundebene des Substrats 30 wegreflektiert. Das
folgende Hindurchtreten durch einen Analysator 42 erlaubt
das Inbeziehungsetzen der auf dem Strahl des Prüflasers 32 vorhandenen Intensitätsmodulation
zu der Spannung, die an dem Punkt anliegt, der von dem Laserstrahl
an dem Mikrowellen-Schaltkreissubstrat 30 geprüft wird.
Eine Quarter-Wave-Plate 44 spannt das System für einen Linearbetrieb
vor. Es wird ein Photodetektor 46 verwendet, um die Schwankungen
in der Laserintensität,
erzeugt durch das hochfrequent elektrische Feld in dem Schaltkreis,
festzustellen. Das Signal von dem Photodetektor 46 wird
durch einen Lock-in-Verstärker 48 empfangen.
Der Lock-in-Verstärker 48 kann
niedrige Spannungsniveaus mit einer phasenverriegelten Schleife
ermitteln, die den Signalgenerator 40 verwendet, um für ein Referenzsignal
zu sorgen.
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Für ein gepoltes
Polymer werden die zwei orthogonalen Polarisierungskomponenten des Prüf-32-Strahls
in z- und y-Richtung ausgerichtet, so daß jede aufgrund der Wirkung
des elektrischen Feldes in der Polymerprobe 30 einen unterschiedlichen Brechungsindex
erfährt.
Deshalb kann, wie in 2 gezeigt,
das Muster 30 in einem 45°-Winkel ausgerichtet sein, um die Spannungsniveaus
in dem Polymer zu testen. Der Prüfungs-32-Strahl
wird linear polarisiert und bei 45° zur y-Achse durch die Half-Wave-Plate 36 ausgerichtet.
Die einsetzbaren elektrooptischen Koeffizienten sind r13 und r33.
Für GaAs
und InP ist der elektrooptische Koeffizient r41 anwendbar.
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Es
wurde, wie in 3 gezeigt,
eine Reihe Testmuster von mit nichtlinear optischen Chromophoren 60 dotiertem
s-Polyimid auf Silikonsubstraten 62 aufgebaut, und zwar
mit folgender Spezifikation: p-Typ, Bor-dotiert, (100)-Ausrichtung,
spezifischer Widerstand 25–30
ohm-cm und Stärke
14.0–16.0 μm. Eine Metallschicht 64,
beispielsweise aus Al, aber nicht darauf beschränkt, wurde durch Sputtern auf
einem Siliziumsubstrat 62 abgeschieden, gefolgt von zwei
Schichten belacktem/spingecoatetem Poly imid 60. Schließlich wurde
in Vorbereitung für
das Polen eine zusätzliche
Metallschicht 66, wie beispielsweise aus, aber nicht beschränkt auf
Al, abgelagert. Als Beispiel des verwendeten Polyimids wurde Ultradel
9020D, (von Amoco Chemical Company zur Verfügung gestelltes Erzeugnis),
dotiert mit beispielsweise 4-(Dicyanomethylen)-2-Methyl-6-(p-Dimethylaminostyryl)-4H-Pyran
(DCM), (von Exciton, Inc. bereitgestelltes Produkt), einem nichtlinear
optischen Chromophor, dotiert. Es kann jedoch eine beliebige Art
Chromophor und geeigneten Dotierungsmitteln verwendet werden. In
diesem Fall wies das Polyimid 8,4 Gew.-% Gesamtfeststoffe mit bis
zu 17,5 Gew.-% DCM auf. Die Siliziumsubstrate 62 wurden
anfänglich auf
beiden Seiten mit einer 50–65
nm-starken Cr-Schicht
und einer 200 nm-starken Al-Schicht vorbereitet. Danach wurde der
Ultradel-Haftvermittler A600
eingesetzt, das dotierte Polyimid 60 wurde statisch aufgegeben,
bei 4000 Umdrehungen pro Minute schleudergetrocknet und dann bei
175°C zum
Setzen der Schicht ofengetrocknet. Eine zweite Schicht Polyimid
wurde dann in der gleichen Weise aufgetragen, wodurch die insgesamte
Unversehrtheit und Planheit der dielektrischen Schicht 64 verbessert wurde.
Die endgültige
Polyimidschichtstärke
betrug 5,9 μm.
Nachdem das Muster bei 100°C
und bei 175°C
ofengetrocknet wurde, um das Polyimid weich auszuhärten, wurde
eine obere Metall-Tri-Schicht 66 aus TiW-Au-TiW abgeschieden.
Wahlweise kann eine 100 nm starke Al-Schicht abgelagert werden. Die
TiW-Legierung beträgt
10% Titan und 90% Wolfram, 40 nm stark gesputtert. Die Goldschicht
ist 1.000 nm stark. Diese Tri-Metallschicht 66 dient während des
Polprozesses als obere Elektrode. Nach dem Polen wird die obere
Elektrode in Schaltungsstrukturen strukturiert. Einige der Muster
empfingen eine zusätzliche
Schicht undotierten Polyimids, um die Schaltkreismerkmale zu verdecken,
wie dies typisch für
ein MCM-Substrat wäre.
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Es
wurden mehrere Testmuster hergestellt, um die Wirkung des Dotierungsmittels
auf die Materialeigenschaften des Host- oder Wirt-Polyimids zu messen.
Die verwendeten Polymere bestanden aus reinem Ultradel 9020D-Polyimid,
reinem DuPont 2610-Polyimid,
mit 7,5% DCM-dotiertem Ultradel 9020D, mit 12,5% DCM-dotiertem Ultradel
9020D und mit 17,5% DCM-dotiertem Ultradel 9020D. Sämtliche
Muster wurden auf Siliziumträgern
hergestellt. Die Eigenschaften wurden einschließlich des Brechungsindex, der
dielektrischen Konstante und der Verlusttangente gemessen. Es wurden
Wafer mit einer Einzelschicht gehärteten Polymers benutzt, um den
Brechungsindex zu messen. Die Messungen der dielektrischen Konstante
und der Verlusttangente erforderten frei stehende Polymerfilme.
Solche Muster wurden durch Anwenden von vier Beschichtungen des
Polymers auf einen Siliziumwafer, Härten der Schicht und dann Flotieren
des Wafers in kochendem Wasser geschaffen. In jedem Fall wurden
die reinen Polyimide bis zu 300°C
gehärtet,
und die dotierten Polyimide wurden bis zu 235°C gehärtet. Die niedrigere Temperatur
für die
dotierten Schichten minimierte das Sublimieren des Dotierungsmittels.
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Das
Polungsverfahren besteht aus dem Erwärmen des Polyimidsubstrats
auf eine endgültige Härtungstemperatur,
die bis zu seiner Glasübergangstemperatur
(Tg ~ 390°C)
reichen kann, während
es einem starken elektrischen Feld unterworfen wird, um die Chromophore
auszurichten. Bei noch angelegtem elektrischen Feld wurden die Muster
abgekühlt,
um die vom elektrischen Feld induzierte Ausrichtung der Moleküle beizubehalten.
Testmuster wurden 20 Minuten lang auf über 200°C mit einem elektrischen Feld
von 300 kV/cm erwärmt.
Bei noch angelegtem elektrischem Feld wurden die Muster 7 Minuten
lang abgekühlt.
Nach dem Polen wurde die obere Metallschicht strukturiert und unter
Verwendung von photolithographischen Standardtechniken geätzt.
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4 zeigt den Weg, den ein
Laser abtastet, wenn die Spannung entlang des Mikrostreifen-Schaltkreismusters
geprüft
wird. 5 ist eine Darstellung
der Testergebnisse von elektrooptischen Laser-Prüfscans quer über die
Transmissionsleitungen mit sinusförmigen Signalen für ein Polyimidsubstrat.
Die Darstellung zeigt den Ausgang des Lock-in-Verstärkers 48 über der
Position der Lasersonde 32 für ein RF-Signal. 6 ist eine Darstellung der
Prüfresultate
von elektrooptischen Prüfabtastungen über den
Transmissionsleitungen mit sinusförmigen Signalen für ein GaAs-Substrat.
Die Darstellung zeigt den Ausgang des Lock-in-Verstärkers 48 über der
Position der Lasersonde 32 für ein RF-Signal. Die mit Zahlen
bezeichneten Positionen beziehen sich auf die in 4. Wenn der Laser über die Übertragungsleitungen bei Position
2 abtastet, zeigen die Testergebnisse kein Signal, da der Laser nicht
in das Substrat 62 eindringt, wenn er von der Schaltkreismetallisierung
oben auf den Substraten reflektiert wird. Wie zu erwarten, besteht
auf jeder Seite der Übertragungsleitungen
ein starkes elektrisches Feld, das abnimmt, während sich der Scan von jeder
Leitung wegbewegt. Die Polyimidschaltung wurde ebenfalls mit einem
10% Tastgrad-Digitalsignal erregt. 7 zeigt
die elektrooptischen Prüfergebnisse
für einen
Scan über
der Transmissionsleitung unter Verwendung eines 10%-Tastgrad-Digitalsignals.
Die Darstellung zeigt den Ausgang des Lock-in-Verstärkers 48 über der
Position der Lasersonde.
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Die
an die Mikrostreifen-Muster zur Verfügung gestellten RF-Signale
reichen bis zu 60 Vrms. Das Digitalsignal hatte einen Spitzenwert
von 100 V. Die Kalibrierungskurve für ein typisches Polyimidmuster
ist in 8 gezeigt. Diese
zeigt, daß die elektrooptischen
Prüfergebnisse
bei auf 3 V reduziertem RF-Signal linear sind.
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Die
elektrooptischen Sondenprüfergebnisse zeigen,
daß die
Muster mit Dotierungsniveaus bis zu 17,5% eine stärkere elektrooptische
Antwort hervorbrachten. Eine höchstmögliche Härtungstemperatur wird
bevorzugt, um mechanisch hochstabile dielektrische Schichten zu
erzeugen. Jedoch konnten Muster, die mit Polyimid auf Niveaus von
einer Höhe
von 17,5 Gew.-% dotiert waren, nicht unter Verwendung einer oberen
gesputterten Metallelektrode bei Härtungstemperaturen oberhalb
235°C gepolt
werden. Die Polymerschicht knittert und platzt oberhalb von 235°C auf. Zusätzlich setzen
höhere
Dotierungsniveaus die Glasübergangstemperatur
herab. Ein auf 12,5% Niveau dotiertes und mit einer gesputterten oberen
Elektrode gepoltes Polyimid erhielt seine Integrität bis zu
260°C. Dies
legt nahe, daß das
dotierte Polymer thermisch durch den Grad der Sublimierung des Dotierungsmittels
geändert
wird. Niedrigere Dotierungsniveaus ergaben schwächere elektrooptische Reaktionen,
waren aber thermisch stabil. Somit sollte das Polyimid mit 17,5%
oder niedriger dotiert werden.
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GaAs
und InP Halbleitersubstrate wurden verwendet, um die vorherigen
Ergebnisse mit jenen des organischen Polymers der vorliegenden Erfindung
zu vergleichen. Diese halbisolierenden, 450–500 μm starken Halbleitersubstrate
hatten eine Cr/Au-Basismetallisierung mit plattierten Goldübertragungsleitungen.
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Die
Höhe der
Veränderung
im Index ist proportional der Größe der elektrooptischen
Koeffizienten für
das Material bei dem durch den Polungsprozeß für das Polyimidmuster festgelegten
elektrooptischen Koeffizienten. Ein 1300 nm-Diodenlaser wurde verwendet,
um das in den Substraten befindliche elektrische Feld zu prüfen.
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Das
elektrooptische Prüfen
von GaAs ist eine gut eingeführte
Technik und wurde mit elektrooptischen Koeffizienten von 1,4 pm/V
berichtet. Ein Vergleich elektrooptischer Testresultate für GaAs, InP
und Ultradel 9020D, dotiert mit DMC, zeigt einen elektrooptischen
Effekt für
das Polyimid, der in der gleichen Größenordnung wie der des GaAs-Musters bei
der 45°-Prüfungsmusterorientierung
ist. Der elektrooptische Effekt kann über den von GaAs und InP hinaus
verbessert werden, indem das Polyimid mit einem stärkeren elektrischen
Feld gepolt wird.
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Ein
Vergleich der Laserprüfabtastungen
der GaAs- und der Polyimidmuster zeigt, daß die Polyimidmuster sowohl
für die
RF- als auch für
die Digitalsignale ein schmaleres elektrisches Feld mit geringen
Störungen
nahe der Übertragungsleitung
haben. Die Ergebnisse beruhen höchstwahrscheinlich
auf der Lasererwärmung
des Substrats und den Randeffekten des elektrischen Feldes.
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Testergebnisse
zeigen, daß eine
elektrooptische Prüfung
sowohl für
analoge als auch digitale Wellenformen an Polyimidsubstraten und
für ein
Testen auf dem Substrat von Polyimid verwendet werden kann, um das
elektrische Feld zu bestimmen. Die dielektrische Konstante und Verlusttangente
für dotiertes
und gepoltes Polyimid wurde gemessen, und die Ergebnisse sind in 9-11 für
die verschiedenen Polyimide gezeigt. 9–11 zeigen die dielektrische Konstante
und Verlusttangente für
DuPont 2610, Ultradel 9020D und mit 17,5 Gew.-% DCM dotiertes Ultradel
9020D, wobei die Frequenz für
jedes der Testmuster von 1 MHz zu 1 GHz verlief. 9 zeigt, daß bei 100 MHz DuPont 2610 eine
dielektrische Konstante von 2,63 und eine Verlusttangente von 0,001 aufweist.
Wenn die Frequenz auf 1 GHz ansteigt, nimmt die dielektrische Konstante
auf 2,58 ab. 10 zeigt,
daß reines
Ultradel bei 100 MHz eine dielektrische Konstante von 2,68 hat,
und 11 zeigt, daß dotiertes
Ultradel bei 100 MHz eine dielektrische Konstante von 2,58 aufweist.
Bei 1 GHz beträgt
die dielektrische Konstante für
reines Ultradel, wie in 10 gezeigt,
2,59, und die dielektrische Konstante des dotierten Ultradels beträgt, wie
in 11 gezeigt, 2,51.
Eine Messung des Einführungsverlustes
für Einrichtungen,
die auf dotiertem und undotiertem Polyimid aufgebaut sind, zeigt
einen erhöhten
Verlust für
die dotierten und gepolten Schaltkreismuster. Weiter zeigen die
Testresultate, daß elektrooptisches
Prüfen
für ein
Testen von Polyimid auf dem Substrat verwendet werden kann, um das
elektrische Feld zu bestimmen. Eine Änderung in der Laserlichtintensität bestimmt
die Stärke
und Stelle des elektrischen Feldes, das durch das elektrische Signal
erzeugt wird, das an die geprüften
Schaltkreisstrukturen angelegt wird. Es bestehen für diese nicht-invasive
Technik viele potentielle Anwendungen, da der Laser in der Lage
ist, zum Prüfen
in die Substrate einzudringen. Die Technik erlaubt das Prüfen von
Schaltkreisstrukturen an Polyimidsubstraten und zeigt die Möglichkeit,
Schaltkreisstrukturen zu prüfen,
die in den zentralen Schichten eines MCM vergraben sind. Diese Information wird
zum Prüfen von
Fehlern, zum (Eigenschafts-)Bestimmen von Schaltkreisen und zum
Modellieren von MCMs verwendet. Prüfergebnisse weisen ferner darauf
hin, daß die
elektrischen Eigenschaften durch das Einführen von Chromophoren nicht
wesentlich geändert wurden.
Der Brechungsindex ist von dem Dotierungsniveau abhängig.
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Typische
Polymere, die den elektrooptischen Effekt nach dem Polen hervorbringen,
schließen
konditionierte photosensitive Polymere wie PMMA ein. Während diese
Polymere im Verarbeiten von Halbleiterwafern üblich sind, sind sie typischerweise
kein Teil der Packungsstruktur. In ähnlicher Weise kommen bestimmte
Schlüssel-Packungspolymere
wie Polyimid und BCB in photosensitiven Formen vor. Damit erweisen
sich nicht-invasive Laserprüfungen der
elektrischen Felder in einer Reihe von Testschaltkreisen, die auf
dotierten und gepolten Polyimid-Dielektrikumsschichten aufgebaut
sind, als hilfreich beim Diagnostizieren und Prüfen der Modulleistung. Die Wirksamkeit
des dotierten Polyimids als dielektrische Schicht und elektrooptisches
Material zeigt, daß eine Abwägung zwischen
dem Niveau der Dotierungsmittel und den thermischen Eigenschaften
des Materials besteht. Das Dotierungsmittel beeinflußt die elektrischen
Eigenschaften geringfügig.
Die elektrooptischen Effekte halten zwei oder mehr Jahre an.
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Das
Vorangehende wird nur als beispielhafte Wiedergabe der Prinzipien
der Erfindung betrachtet. Weiter ist es, da zahlreiche Modifizierungen
und Änderungen
für den
Fachmann schnell in Erscheinung treten, nicht beabsichtigt, die
Erfindung auf den genauen Aufbau und die Anwendungen, die gezeigt und
beschrieben wurden, zu beschränken,
und demgemäß kann auf
alle geeigneten Modifikationen und Äquivalente zurückgegriffen
werden, die in den Umfang der Erfindung, wie sie von den beigefügten Ansprüchen definiert
ist, fallen.