RU147587U1

RU147587U1 - PHYSICAL SPRAYING MASK FOR ETCHING THIN LAYERS OF PLATINUM

Info

Publication number: RU147587U1
Application number: RU2014121537/28U
Authority: RU
Inventors: Василий Васильевич Афанаскин; Николай Александрович Брюхно; Владимир Иванович Громов; Владимир Игоревич Пугачев; Юрий Николаевич Севастьянов; Сергей Петрович Сулаков
Original assignee: Зао "Группа Кремний Эл"
Priority date: 2014-05-27
Filing date: 2014-05-27
Publication date: 2014-11-10

Abstract

Маска для травления тонких слоев платины методом физического распыления, состоящая из верхнего маскирующего металлического слоя и нижнего диэлектрического маскирующих слоя, нанесенных на слой платины, отличающаяся тем, что верхний маскирующий слой состоит из титана толщиной 0,1 - 0,2 мкм, а в нижнем слое из нитрида кремния толщиной 0,1 -0,25 мкм вытравлен рисунок, повторяющий верхний маскирующий слой.A mask for etching thin platinum layers by physical spraying, consisting of an upper masking metal layer and a lower dielectric masking layer deposited on a platinum layer, characterized in that the upper masking layer consists of titanium with a thickness of 0.1 - 0.2 μm, and in the lower a layer of silicon nitride with a thickness of 0.1-0.25 microns etched pattern that repeats the upper masking layer.

Description

Полезная модель относится к области электронной техники, а более конкретно - к конструкции масок для изготовления тонкопленочных платиновых резисторов, интегральных схем с платиновой металлизацией.The utility model relates to the field of electronic technology, and more specifically to the design of masks for the manufacture of thin-film platinum resistors, integrated circuits with platinum metallization.

Известна маска для травления тонких слоев платины методом взрывной литографии, состоящая из органического слоя, нанесенного на подложку в местах, где платина должна быть удалена (см., например, презентация фирмы Inostec «Manufacturing Technologyfor Platinum Resistance Temperature Detectors» слайд №8). Однако для использования данного метода необходимо обеспечить низкую температуру подложки при напылении платины, что является причиной низкой адгезии платины к нижележащим слоям, и последующего отшелушивания пленки платины от подложки. Для повышения адгезии пленок платины к подложке, между слоем платины и подложкой наносят тонкий адгезионный слой из титана, однако применение адгезионного слоя так же не позволяет устранить проблему отшелушивания пленки платины, связанную с низкой температурой напыления платины. Так же органическая маска должна иметь вертикальный либо обратный профиль границ, для того, чтобы растворитель органической маски легко проникал в щель между платиной, нанесенной на органический материал, и платиной, находящейся в окнах органического материала на подложке.A known mask for etching thin layers of platinum by explosive lithography, consisting of an organic layer deposited on a substrate in places where platinum should be removed (see, for example, Inostec presentation “Manufacturing Technologyfor Platinum Resistance Temperature Detectors” slide No. 8). However, to use this method, it is necessary to ensure a low temperature of the substrate during platinum deposition, which is the reason for the low adhesion of platinum to the underlying layers and the subsequent peeling of the platinum film from the substrate. To increase the adhesion of platinum films to the substrate, a thin adhesive layer of titanium is applied between the platinum layer and the substrate, however, the use of the adhesive layer also does not solve the problem of exfoliation of the platinum film associated with the low deposition temperature of platinum. Also, the organic mask must have a vertical or reverse profile of the borders, so that the solvent of the organic mask easily penetrates the gap between the platinum deposited on the organic material and the platinum located in the windows of the organic material on the substrate.

Так же известны маски для травления платины, содержащие на поверхности пленки платины слой органического материала (см. книгу У. Моро, Микролитография, часть 2. Пер. с англ. Д.Ю. Зарослова, К.Я. Мокроусова, В.А. Никитаева. / Под ред. Р.X. Тимерова М.: Мир 1990. стр. 887-897), а именно, светочувствительного лака (фоторезиста), в котором методом фотолитографии сформирован рисунок, позволяющий защитить необходимые участки платины от травления, однако использование жидких травителей не позволяет получить точные размеры, к тому же из-за больших подтравов, свойственных данному методу, зачастую происходит разрушение адгезионного слоя из титана, который наносится между слоем платины и подложкой, для повышения адгезии платины к подложке, вследствие разрушения адгезионного слоя происходит отрыв платины от подложки. Реактивное плазменное травление не позволяет получить ровные границы пленочных платиновых элементов, так как из-за протекания химических реакций при травлении возникают области локального повышения температуры, в которых скорость травления увеличивается. Поэтому для травления пленок платины используется физическое распыление. Процесс физического распыления платины осуществляется за счет бомбардировки поверхности пластины, на которой сформирована маска, защищающая необходимые участки пленки платины от распыления, ускоренными ионами аргона. Светочувствительные лаки (фоторезисты) для процесса физического распыления выбирают позитивными, т.к. они имеют большую разрешающую способность, по сравнению с негативными. Однако при использовании данного метода возникают определенные проблемы после операции физического распыления. Суть проблемы в том, что при проведении процесса физического распыления маска фоторезиста карбонизируется, вследствие чего появляются проблемы со снятием фоторезиста.Masks for etching platinum are also known, containing a layer of organic material on the surface of the platinum film (see the book by W. Moreau, Microlithography, part 2. Translated from English by D.Yu. Zaroslov, K.Ya. Mokrousov, V.A. Nikitaeva. / Under the editorship of R.X. Timerova M .: Mir 1990. p. 887-897), namely, photosensitive varnish (photoresist), in which a photolithography method is used to form a pattern that protects the necessary platinum sections from etching, but the use of liquid etchers does not allow to obtain the exact dimensions, moreover, due to the large undermining, the properties According to this method, the adhesion layer of titanium is often destroyed, which is applied between the platinum layer and the substrate, in order to increase the adhesion of platinum to the substrate, due to the destruction of the adhesive layer, platinum is detached from the substrate. Reactive plasma etching does not allow to obtain even boundaries of platinum film elements, since due to the occurrence of chemical reactions during etching, regions of local temperature increase arise in which the etching rate increases. Therefore, physical spraying is used to etch platinum films. The process of physical sputtering of platinum is carried out by bombarding the surface of the plate on which a mask is formed, which protects the necessary parts of the platinum film from sputtering, by accelerated argon ions. Photosensitive varnishes (photoresists) for the process of physical spraying are chosen positive, because they have a higher resolution than negative ones. However, when using this method, certain problems arise after the operation of physical spraying. The essence of the problem is that during the process of physical spraying, the photoresist mask is carbonized, as a result of which there are problems with the removal of the photoresist.

Прототипом данной полезной модели является маска, состоящая из верхнего маскирующего металлического слоя, и нижнего сплошного диэлектрического маскирующих слоев (см. книгу X. Риссел, И. Руге. Ионная имплантация. Пер. с нем. В.В. Клиямова, В.Н. Пальянова. / под ред. М.И. Гусевой. - М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы. 1983 стр. 61.), где верхний маскирующий слой повторяет топологический рисунок, который необходимо получить, а нижний маскирующий слой не имеет окон и служит защитой от распыленных частиц верхнего маскирующего слоя.The prototype of this utility model is a mask consisting of an upper masking metal layer and a lower continuous dielectric masking layer (see the book by X. Rissel, I. Ruge. Ion implantation. Translated from German by V.V. Kliyamova, V.N. Palyanova. / Edited by M. I. Guseva. - M.: Science. Main Edition of Physics and Mathematics. 1983 p. 61.), where the upper mask layer repeats the topological drawing that needs to be obtained, but the lower mask layer does not have windows and serves as protection against sprayed particles of the upper masking layer .

Однако, для травления слоя платины необходимо вначале протравить методом физического распыления еще и нижний маскирующий слой, что может значительно замедлить процесс травление из-за малого коэффициента распыления материала нижнего маскирующего слоя. Кроме этого, если коэффициент термического расширения нижнего слоя маски будет больше, чем коэффициент расширения платины, то отслоение слоя платины от подложки будет также происходить.However, to etch the platinum layer, it is first necessary to etch the lower mask layer by physical spraying, which can significantly slow down the etching process due to the low atomization coefficient of the material of the lower mask layer. In addition, if the coefficient of thermal expansion of the lower layer of the mask is greater than the coefficient of expansion of platinum, then the delamination of the platinum layer from the substrate will also occur.

Целью данной полезной модели является получение воспроизводимых тонкопленочных платиновых элементов методом физического распыления за счет исключения отслоения платины от подложки.The purpose of this utility model is to obtain reproducible thin-film platinum elements by physical spraying by eliminating the detachment of platinum from the substrate.

Указанная цель достигается за счет того, что в отличие от известной маски, состоящей из верхнего маскирующего металлического слоя, и нижнего диэлектрического маскирующих слоя, верхний маскирующий слой состоит из титана толщиной 0,1-0,2 мкм, а в нижнем слое из нитрида кремния, толщиной 0,1-0,25 мкм, вытравлен рисунок, повторяющий верхний маскирующий слой.This goal is achieved due to the fact that, in contrast to the known mask, consisting of an upper masking metal layer and a lower dielectric masking layer, the upper masking layer consists of titanium with a thickness of 0.1-0.2 microns, and in the lower layer of silicon nitride , 0.1-0.25 microns thick, etched pattern repeating the upper masking layer.

В качестве верхнего маскирующего слоя используется металл с низким коэффициентом распыления - титан. Помимо низкого коэффициента распыления, пленки титана легко получить методами электронно-лучевого и магнетронного напыления, что упрощает технологический процесс. Расчет толщины верхнего маскирующего слоя ведется из учета, что коэффициент распыления титана в три раза ниже, чем у платины, к тому же толщина верхнего маскирующего слоя берется с запасом в 1,2-1,5 раза. Поэтому для травления пленки платины толщиной 0,3 мкм выбирают толщину верхнего маскирующего слоя из титана 0,15 мкм. Пленки титана толщиной ниже 0,1 мкм не используются, так как минимальная толщина пленки платины, используемой в тонкопленочной технологии равна 0,1 мкм.As the upper masking layer, a metal with a low atomization coefficient, titanium, is used. In addition to a low sputtering coefficient, titanium films can be easily obtained by electron beam and magnetron sputtering, which simplifies the process. The thickness of the upper masking layer is calculated taking into account that the sputtering coefficient of titanium is three times lower than that of platinum, and the thickness of the upper masking layer is taken with a margin of 1.2-1.5 times. Therefore, for etching a platinum film with a thickness of 0.3 μm, the thickness of the upper masking layer of titanium 0.15 μm is selected. Titanium films with a thickness below 0.1 μm are not used, since the minimum thickness of the platinum film used in thin-film technology is 0.1 μm.

Нижележащий слой из нитрида кремния обладает высокой твердостью. Помимо этого нитрид кремния имеет термический коэффициент расширения ниже, чем у платины, что позволяет избежать проблемы с отслаиванием и вздутием платины связанных с разницей коэффициентов термического расширения платины и верхнего маскирующего слоя. Данная маска легко удаляется стандартными технологическими приемами, в отличие от маски, где в качестве маскирующего слоя используется фоторезист. Еще одним преимуществом данного метода является хорошая адгезия полученных пленочных платиновых элементов, так как напыление платины в данном случае, происходит при высоких температурах, в отличии от метода взрывной литографии.The underlying silicon nitride layer has high hardness. In addition, silicon nitride has a thermal expansion coefficient lower than that of platinum, which avoids the problem of delamination and bloating of platinum associated with the difference in the thermal expansion coefficients of platinum and the upper masking layer. This mask is easily removed by standard technological methods, unlike a mask where a photoresist is used as a masking layer. Another advantage of this method is the good adhesion of the obtained platinum film elements, since platinum deposition in this case occurs at high temperatures, in contrast to the explosive lithography method.

В качестве нижележащего маскирующего слоя используют пленку нитрида кремния, толщиной не больше 0,25 мкм, так как пленки с большей толщиной начинают трескаться. Использование слоев нитрида кремния толщиной ниже 0,1 мкм резко снижает эффективность нижнего маскирующего слоя.As the underlying masking layer, a silicon nitride film is used with a thickness of not more than 0.25 μm, since films with a larger thickness begin to crack. The use of silicon nitride layers with a thickness below 0.1 μm dramatically reduces the effectiveness of the lower masking layer.

На фиг. 1-10 приведены конструкция и этапы изготовления, платинового тонкопленочного элемента с использованием, описываемой маски. Где 1 - подложка, 2 - адгезионный слой титана, 3 - слой платины, 4 - нижний маскирующий слой из нитрида кремния, 5 - Верхний маскирующий слой из титана, 6 - слой фоторезиста.In FIG. 1-10 shows the design and manufacturing steps of a platinum thin-film element using the described mask. Where 1 is the substrate, 2 is the adhesive layer of titanium, 3 is the layer of platinum, 4 is the lower masking layer of silicon nitride, 5 is the upper masking layer of titanium, 6 is the layer of photoresist.

На кремниевую пластину 1 (фиг. 1) наносят адгезионный слой 2 из титана, толщиной 150 Å, методом магнетронного распыления (фиг. 2). После чего методом магнетронного напыления, создают слой платины 3 необходимой толщины (фиг. 3). Далее создается нижний маскирующий слой из нитрида кремния 4, методом химического осаждения толщиной 0,1-0,25 мкм при температуре 800°C (фиг. 4). После чего создается верхний маскирующий слой 5 из титана, толщиной 0,1-0,2 мкм методом электроннолучевого напыления (фиг. 5). Затем на поверхность верхнего маскирующего слоя 5, наносится светочувствительный лак 6 (фоторезист) (фиг. 6). Далее производится фотолитография для вскрытия окон в фоторезисте 6 (фиг. 7), с последующим травлением верхнего 5 и нижнего 4 маскирующих слоев в плазме элегаза (SF₆) (фиг. 8). Затем производится снятие фоторезиста 6 в кислородной плазме и физическое распыление платины 3 ионами аргона (фиг. 9). Завершающим этапом создания тонкопленочного элемента является удаления двухслойной маски 4, 5.Верхния маскирующий слой удаляется в перекисноамиачной смеси, а нижний маскирующий слой удаляется в ортофосфорной кислоте (фиг. 10).An adhesive layer 2 of titanium, 150 Å thick, is applied to the silicon wafer 1 (FIG. 1) by magnetron sputtering (FIG. 2). Then, using magnetron sputtering, create a layer of platinum 3 of the required thickness (Fig. 3). Next, a lower masking layer of silicon nitride 4 is created by chemical precipitation with a thickness of 0.1-0.25 microns at a temperature of 800 ° C (Fig. 4). Then creates the upper masking layer 5 of titanium, a thickness of 0.1-0.2 microns by electron beam spraying (Fig. 5). Then, on the surface of the upper masking layer 5, a photosensitive varnish 6 (photoresist) is applied (Fig. 6). Next, photolithography is performed for opening windows in the photoresist 6 (FIG. 7), followed by etching of the upper 5 and lower 4 mask layers in plasma of sulfur hexafluoride (SF ₆₎ (Fig. 8). Then the photoresist 6 is removed in oxygen plasma and the platinum 3 is atomized physically by argon ions (Fig. 9). The final step in creating a thin-film element is to remove the two-layer mask 4, 5. The upper masking layer is removed in the peroxide mixture, and the lower masking layer is removed in phosphoric acid (Fig. 10).

Claims

A mask for etching thin platinum layers by physical spraying, consisting of an upper masking metal layer and a lower dielectric masking layer deposited on a platinum layer, characterized in that the upper masking layer consists of titanium with a thickness of 0.1 - 0.2 μm, and in the lower a layer of silicon nitride with a thickness of 0.1-0.25 microns etched pattern that repeats the upper masking layer.