Способ выборочного покрытия микрообработанной поверхности - RU2334304C2
Код документа: RU2334304C2
Чертежи
Описание
Область техники
Данное изобретение относится к технологии трехмерных микроэлектромеханических систем (МЭМС от англ. «Micro Electro-Mechanical System» или MEMS) или к технологии трехмерных микрооптикоэлектромеханических систем (МОЭМС от англ. «Micro Optical Electro-Mechanical System» или MOEMS), а точнее - к способу однородного наложения фоторезиста на кристалл, имеющий неровную (нерегулярную) поверхность, например, из-за наличия на ней вытравливаний или вытравленных углублений.
Предшествующий уровень техники
На фиг.1 в качестве неограничивающего примера применения технологии МОЭМС показано аксонометрическое изображение оптоэлектронного устройства 10, интегрированного на кристалле 51, который в качестве неограничивающего примера может быть выполнен из полупроводникового материала, обычно - кремния. На верхней поверхности 11 кристалла 51 имеются вытравленные углубления 12, необходимые, например, для размещения оптических волокон. Также на этой верхней поверхности 11 имеются внешние контактные площадки 52, к которым были припаяны оптоэлектронные компоненты 53, и внутренние контактные площадки 54, необходимые для подключения этого оптоэлектронного устройства к внешней схеме, которая не показана на фигурах.
Также на фиг.1 определены оси x, у и z, которые задают трехмерные координаты кристалла 51.
Далее будет описан процесс изготовления оптоэлектронного устройства согласно методике, известной специалистам в данной области техники как «обратная (взрывная) литография», с помощью которой могут быть получены топологии с различными слоями непосредственно на химически неактивных (инертных) материалах, таких как, например, титан, платина, золото, или с помощью которой может выборочно наноситься припой (например, золото/олово 80/20), или могут выборочно наноситься неметаллические материалы. Необходимо сделать ссылку на последовательность технологических операций согласно фиг.2, приведенную только для тех этапов, которые необходимы для понимания данного изобретения.
На первом этапе 70 обеспечивают наличие подложки 66, на которой выполнены кристаллы 51 (фиг.3).
На этапе 71, показанном с помощью фиг.4, на кристаллах 51 распределяют слой 61 «резиста для обратной (взрывной) литографии», например, серии LOR® корпорации Micro-Chem, имеющий толщину, например, между 0,5 и 6 мкм и показанный в поперечном сечении на фиг.4, которая относится к области без вытравленных углублений. Резист для обратной литографии обычно наносят в текучем состоянии посредством, например, центрифуги в ходе процесса, известного как «центрифугирование».
На этапе 72 на резист 61 для обратной литографии накладывают слой 60 позитивного фоторезиста обычного типа, имеющий толщину, например, между 0,5 и 20 мкм, который также показан на фиг.4. Позитивный фоторезист также обычно наносят в текучем состоянии посредством, например, центрифугирования.
Номером 14 обозначена верхняя поверхность слоя 60 фоторезиста, по существу параллельная поверхности 11 и осям x, y.
Фоторезист определяют как «позитивный», если, находясь сначала в нерастворимом в проявочном растворе состоянии, он деполимеризуется под влиянием излучения, например ультрафиолетового излучения, становясь растворимым.
Описанная технология, в которой используется слой 61 резиста для обратной литографии и слой 60 обычного позитивного фоторезиста, называют «двухслойной».
На этапе 74 (фиг.5) выполняют экспонирование фоторезиста ультрафиолетовым (УФ) излучением посредством маски 13, снабженной окнами 122. Фоторезист, который является позитивным, деполимеризуется в зонах 26, соответствующих окнам 122 и поэтому подвергающихся воздействию УФ-излучения, тогда как он остается нерастворимым в тех зонах, которые остаются в тени непрозрачных областей маски.
На последующем этапе 75 слой фоторезиста 60 проявляют согласно известным методикам, в которых фоторезист удаляют с помощью растворителя только в зонах 26, деполимеризованных с помощью ультрафиолетового (УФ) излучения через окна 122: таким образом создают полости 64, ограниченные краями 25 (фиг.6).
Тот же самый растворитель растворяет нижележащий резист 61 для обратной литографии в большей степени, чем фоторезист 60, таким образом создавая подтравливания 22, глубина которых зависит от времени проявления.
Существует первая альтернативная технология, показанная на фиг.7, согласно которой получают только один слой фоторезиста 60. В этом случае после проявления полости 64' ограничены только стенками 15.
Из-за явлений дифракции и отражения в УФ-излучении деполимеризация слоя фоторезиста 60 параллельно плоскости x-y происходит в большей степени вблизи поверхности 11 кристалла и в меньшей степени вблизи поверхности 14 фоторезиста, поэтому стенки 15 не параллельны оси z, а вместо этого имеют подрезание β, положительное согласно правилу знаков, приведенному на фиг.7. Эту технологию называют «однослойной», причем она является менее дорогостоящей, но в то же время и управляемой с намного меньшей точностью, чем двухслойная технология.
Существует также вторая однослойная альтернативная технология, также показанная при помощи фиг.7, согласно которой получают только слой фоторезиста 60, который затем обрабатывают с помощью модификатора поверхности, например толуола, который делает верхнюю поверхность 14 более стойкой к растворителю, таким образом, после проявления в том же самом фоторезисте 60 получают стенки 15 с подтравливанием или с более явно выраженным положительным подрезанием β. Стоимость и управляемость этой второй альтернативной технологии находятся между стоимостью и управляемостью первой однослойной альтернативной технологии и стоимостью и управляемостью двухслойной технологии.
На этапе 76 выполняют вакуумное осаждение, например, металла, на поверхность 14 там, где она осталась неповрежденной, и на поверхность 11 там, где она не покрыта из-за эффекта проявления, описанного на этапе 75. Осаждение принимает вид, например, процесса «ионного распыления» или «электронно-лучевого напыления», оба из которых хорошо известны, результатом которого является подсборка 23, показанная на фиг.8 и содержащая первый осажденный слой (52, 54), сцепленный с поверхностью 11, который принимает геометрию полостей 64 и фактически образует внешние контактные площадки 52 и внутренние контактные площадки 54, и второй осажденный слой 16, сцепленный с поверхностью 14. На подтравливания 22 слой не осаждается.
Даже в том случае, когда используется однослойная технология, слой не осаждается и на стенки 15 благодаря положительному подрезанию Р и подтравливаниям, если они есть.
Это разделение между двумя осажденными слоями существенно для последующих операций и является первой фундаментальной причиной выбора позитивного фоторезиста для создания слоя 60, поскольку нет фактически никакой практической возможности создания двойного слоя в случае с негативным фоторезистом, тогда как, если выбрана однослойная технология с негативным фоторезистом, подрезание β было бы отрицательным согласно принятому правилу знаков и стенки полости были бы покрыты осаждаемым покрытием.
Осажденные слои 52, 54 и 16 могут быть металлическими или выполненными из неметаллических материалов, таких как, например, оксиды, нитриды, карбиды и т.п.
Если осажденные слои 52, 54 и 16 выполнены из металлов, они могут быть химически неактивными, такими как, например, титан, золото или платина, для внешних контактных площадок 52 или внутренних контактных площадок 54, или сплавом золота/олова 80/20 для припаивания (припоем). Эти сплавы обычно осаждают согласно известной технологии в виде чередующихся слоев составляющих их компонентов-металлов: получают различные слои с соответствующими соотношениями толщин для придания сплаву - обычно эвтектическому - правильного состава и при этом они могут иметь общую толщину, например, вплоть до 5 мкм.
На этапе 77, показанном при помощи фиг.9, слой 60 позитивного фоторезиста и слой 61 резиста для обратной литографии удаляют посредством процесса, известного специалистам в данной области техники как «обратная (взрывная) литография». Подсборку 23 погружают в растворитель 26, например ацетон, который через края 25 и подтравливания 22, свободные от осажденного слоя, проникает в слои 60 и 61 и растворяет их, как указано стрелками 21, удаляя их полностью и освобождая второй осажденный слой 16, который в этом случае остается «в стороне».
Этой операции способствует механическое воздействие, такое как, например, ультразвуковая промывка, однако она может проводиться только на позитивном фоторезисте: это является второй фундаментальной причиной того, почему для слоя 60 выбран позитивный фоторезист. С другой стороны, если выбрать негативный фоторезист, то выполнение операции обратной литографии с помощью существующих технологий оказывается невозможным.
Когда выбрана однослойная технология, данный этап 77 выполняют таким же образом, так как растворитель может проникать через стенки 15, также свободные от осажденного слоя.
В конце этапа 77 получают готовую подсборку 23, которая показана на фиг.10, где можно увидеть кристалл 51, внешнюю контактную площадку 52 и внутреннюю контактную площадку 54.
Этот процесс, однако, имеет множество технических проблем, которые будут описаны далее.
Когда на поверхности кристалла 51 выполнены вытравленные углубления 12, показанные в разрезе на фиг.11, которые имеют толщину, например, в несколько десятых или сотых долей микрометра (мкм) и которые необходимы, обычно в МОЭМС-применениях, для размещения оптических волокон, слои 60 и 61 распределены неравномерно из-за наличия таких вытравленных углублений 12.
Это приводит к недостаточно четкому заданию того рисунка, который подлежит удалению во время экспонирования и проявления, что делает фактически невозможным использование такого процесса.
В частности, вытравленное углубление 12 может достигать глубины D в несколько сотых долей мкм. Более того, если кристалл 51 выполнен из кремния, то вытравленное углубление 12 часто получают путем химической реакции, которая продвигается согласно кристаллографическим осям кремния, формируя две стенки 20, которые образуют угол α=54,7° относительно оси x; поэтому ширина W вытравленного углубления равна:
W=2D/tanα.
Если, например, вытравленное углубление затрагивает приблизительно половину толщины полупроводниковой подложки в 625 мкм, то оно достигает глубины D в примерно 300 мкм; в этом случае W=425 мкм, т.е. имеет место ширина, которая делает указанную выше неровность (шероховатость) чрезвычайно серьезной.
Кроме того, выбор позитивного фоторезиста продиктован уже указанными выше первой и второй причинами, а слой позитивного фоторезиста обычно наносят в жидком состоянии: это способствует неровности осажденного покрытия рядом с вытравленными углублениями.
Также существует вторая техническая проблема: в некоторых подсборках, таких как, например, создаваемые в МОЭМС-технологии, вытравленные углубления 12 должны быть выполнены на той же самой поверхности, которая содержит другие пленки. Если травление выполняют после того, как пленки уже нанесены, то необходимо защищать эти пленки во время протекающей на кремнии химической реакции, которая является очень агрессивной, поскольку в ней используется КОН (гидроксид калия) или ТМАГ (гидроксид тетраметиламмония) в течение многих часов при температуре приблизительно 80°С, как известно специалистам в данной области техники.
Поэтому выгодно сформировать вытравленные углубления в кремнии в начале процесса, например, посредством известного способа с маской из SiO2 и осадить и определить пленки позднее, но в этом случае первая из указанных выше проблем возникает снова.
Патент США №5091288 от 25.02.1992 раскрывает способ формирования контактных столбиков для матрицы детекторов. Однако в этом способе не используется негативный фоторезист.
Известен также способ согласно японскому документу JP 61-142761 от 30.06.1986, в котором в кристалле, содержащем канавку (31), сформированную на кремниевой подложке (21), эту канавку заполняют слоем негативного фоторезиста (11). Этот известный способ может рассматриваться в качестве ближайшего аналога настоящего изобретения. Однако в этом известном способе не раскрыт признак наложения пленки негативного фоторезиста на верхнюю поверхность кристалла с накрыванием вытравленного углубления без его заполнения.
Раскрытие изобретения
Задачей данного изобретения является выборочное осаждение слоя на кристалле, который имеет неровную (нерегулярную) поверхность, в частности, из-за вытравленных углублений согласно предопределенной геометрии.
Другой задачей является выборочное осаждение компонентов припоя в виде чередующихся слоев.
Дополнительной задачей является сохранение вытравленных углублений свободными и чистыми в течение всего процесса производства кристаллов.
Еще одной задачей является нанесение слоя позитивного фоторезиста на кристалл, который имеет неровную поверхность, в частности, из-за вытравленных углублений в виде слоя однородной толщины.
Указанные выше задачи решаются посредством способа выборочного покрытия микрообработанной поверхности, который охарактеризован в независимых пунктах формулы изобретения.
Эти и другие задачи, характеристики и преимущества изобретения станут очевидными из нижеследующего описания предпочтительного варианта осуществления, приведенного в качестве неограничивающего примера со ссылкой на прилагаемые чертежи, среди которых:
фиг.1 представляет собой аксонометрическое изображение оптоэлектронного устройства;
фиг.2 показывает последовательность технологических операций одной из частей процесса производства оптоэлектронного устройства по фиг.1 согласно предшествующему уровню техники;
фиг.3 представляет собой подложку из полупроводникового материала, содержащую кристаллы, которые пока еще не были разделены;
фиг.4 представляет собой вид в разрезе кристалла без вытравленных углублений, несущего слой резиста для обратной литографии и слой позитивного фоторезиста;
фиг.5 показывает экспонирование слоя позитивного фоторезиста на кристалле;
фиг.6 показывает проявление того же самого слоя фоторезиста;
фиг.7 показывает проявление слоя фоторезиста в однослойной технологии;
фиг.8 показывает осажденный слой на слое фоторезиста и в полостях;
фиг.9 показывает обратную (взрывную) литографию слоя фоторезиста;
фиг.10 показывает подсборку в конце описанного процесса;
фиг.11 представляет собой вид в разрезе кристалла, снабженного вытравленным углублением и несущего слой резиста для обратной литографии и слой позитивного фоторезиста согласно предшествующему уровню техники;
фиг.12 иллюстрирует последовательность технологических операций процесса производства оптоэлектронного устройства с вытравленными углублениями согласно настоящему изобретению;
фиг.13 показывает подложку из полупроводникового материала, содержащую кристаллы с вытравленными углублениями;
фиг.14 представляет собой вид в разрезе кристалла с вытравленным углублением, несущего пленку негативного фоторезиста;
фиг.15 показывает экспонирование пленки негативного фоторезиста;
фиг.16 показывает проявление пленки негативного фоторезиста;
фиг.17 показывает нанесение слоев резиста для обратной литографии и позитивного фоторезиста;
фиг.18 показывает экспонирование слоя позитивного фоторезиста;
фиг.19 показывает проявление того же самого слоя фоторезиста;
фиг.20 показывает проявление слоя фоторезиста в однослойной технологии;
фиг.21 показывает осажденный слой на слое фоторезиста и в полостях;
фиг.22 показывает обратную (взрывную) литографию слоя фоторезиста;
фиг.23 показывает подсборку в конце описанного процесса согласно настоящему изобретению.
Описание предпочтительного варианта осуществления
Далее описан процесс производства оптоэлектронного устройства согласно данному изобретению со ссылкой на последовательность технологических операций согласно фиг.12, ограниченную теми этапами, которые необходимы для понимания изобретения.
На этапе 170 обеспечивают наличие подложки 66', содержащей кристаллы 55 (фиг.13), которые имеют вытравленные углубления 12, которые показаны в увеличенной части той же самой фиг.13. В данном описании предполагается в качестве неограничивающего примера, что кристалл 55 выполнен из кремния, хотя тот же самый кристалл может также быть выполнен из других материалов, таких как, например, стекло, керамика или другие изоляционные материалы, или из GaAs (арсенида галлия) или других полупроводящих материалов, или из металлов.
На этапе 140 на кристалле 55 распределяют пленку 30 негативного фоторезиста, как можно увидеть в разрезе на фиг.14. Толщина пленки 30 составляет, например, между 5 и 30 мкм и при этом она является достаточно жесткой для того, чтобы покрывать вытравленное углубление 12 и не ложиться на него. Вытравленное углубление 12 является, таким образом, защищенным и в то же самое время остается чистым, поскольку оно не имеет никакого контакта с фоторезистом. Верхняя поверхность пленки 30 обозначена ссылочным номером 35.
Фоторезист называют «негативным», если, находясь сначала в состоянии, растворимом в одном из проявочных растворов, он полимеризуется под влиянием излучения, например ультрафиолетового излучения, становясь нерастворимым.
На этапе 141 (фиг.15) осуществляют экспонирование пленки 30 негативного фоторезиста ультрафиолетовым (УФ) излучением (экспонируют) посредством первой маски 31, снабженной окном 32. Окно 32 простирается над вытравленным углублением 12 и над полосой вокруг него шириной, например, в несколько десятых долей мкм. Фоторезист, являющийся негативным, полимеризуется в зоне 27, соответствующей окну 32 и поэтому подвергающейся воздействию УФ-излучения, тогда как он остается неполимеризованным в зонах, находящихся в тени непрозрачных частей маски 31.
На последующем этапе 142 выполняют проявление пленки 30 негативного фоторезиста согласно известным методикам, в которых с помощью растворителя удаляют пленку только в тех зонах, которые не были полимеризованы (фиг.16): в соответствии с зоной 27 остается покрытие 33, ограниченное торцами 34, которое покрывает вытравленное углубление 12. Из-за явлений дифракции и отражения УФ-излучения полимеризация пленки 30 параллельно плоскости x-y происходит в большей степени вблизи поверхности 11 кристалла и в меньшей степени вблизи поверхности 35 пленки, поэтому торцы 34 не параллельны оси z, а имеют конусность γ, отрицательную согласно правилу знаков, приведенному на фиг.16.
На этапе 171, подобном этапу 71, уже описанному в отношении предшествующего уровня техники, на кристаллы 55 наносят слой 161 резиста для обратной литографии, например, серии LOR® корпорации Micro-Chem, имеющий толщину, например, между 0,5 и 6 мкм и показанный в разрезе на фиг.17. Резист для обратной литографии обычно наносят в текучем (жидком) состоянии, например, с помощью процесса, известного как центрифугирование (нанесение покрытия при вращении).
Конусность γ покрытия 33 способствует лучшему нанесению резиста для обратной литографии, а также лучшему его выравниванию.
На этапе 172, подобном этапу 72, уже описанному относительно предшествующего уровня техники, на резист 161 для обратной литографии наносят слой 160 обычного позитивного фоторезиста, имеющий толщину, например, между 0,5 и 20 мкм и показанный на той же самой фиг.17. Позитивный фоторезист также обычно наносят в текучем (жидком) состоянии, например, с помощью центрифугирования.
Ссылочным номером 114 обозначена верхняя поверхность слоя 160 фоторезиста, по существу параллельная поверхности 11 и плоскости x-y.
Таким образом, благодаря присутствию покрытия 33 верхняя поверхность 114 имеет более правильную форму, чем поверхность 14 в предшествующем уровне техники, и поэтому позволяет получать полости с управляемыми размерами даже в непосредственной близости от вытравленных углублений.
На этапе 174, подобном этапу 74, уже описанному относительно предшествующего уровня техники, осуществляют экспонирование позитивного фоторезиста ультрафиолетовым (УФ) излучением посредством маски 13, снабженной окнами 122 (фиг.18). Фоторезист, являющийся позитивным, деполимеризуется в зонах 26, соответствующих окнам 122 и поэтому подвергающихся воздействию УФ-излучения, тогда как он остается нерастворимым в тех зонах, которые остаются в тени непрозрачных областей маски.
На последующем этапе 175, подобном этапу 75, уже описанному относительно предшествующего уровня техники (фиг.19), слой фоторезиста 160 проявляют согласно известным методикам, в которых с помощью растворителя удаляют фоторезист только в зонах 26, деполимеризованных с помощью ультрафиолетового (УФ) излучения через окна 122, таким образом, что получают полости 64, ограниченные краями 25.
Тот же самый растворитель разрушает нижележащий резист 161 для обратной литографии в большей степени, чем фоторезист 160, таким образом создавая подтравливания 22.
В этом случае также существует первая однослойная альтернатива, показанная на фиг.20, согласно которой получают только один слой фоторезиста 160. Полости 64' в этом случае ограничены стенками 15, которые из-за уже упоминаемых явлений дифракции и отражения УФ-излучения имеют подрезание β, которое является положительным согласно правилу знаков, приведенному на фиг.20.
Также существует вторая однослойная альтернатива, также показанная при помощи фиг.20, согласно которой получают только слой фоторезиста 160, который затем обрабатывают модификатором поверхности, например толуолом, который делает верхнюю поверхность 114 более стойкой к растворителю: последующее проявление создает в том же самом фоторезисте 160 стенки 15 с подтравливанием или с более явно выраженным положительным подрезанием β таким же образом.
На этапе 176, показанном при помощи фиг.21 и подобном этапу 76, уже описанному относительно предшествующего уровня техники, выполняют вакуумное осаждение, например, металла на поверхность 114 там, где она осталась неповрежденной, и на поверхность 11 там, где она была открыта с помощью эффекта проявления, описанного на этапе 175. Данное осаждение выполняют, например, посредством процесса ионного распыления или электронно-лучевого напыления, оба из которых известны, результатом которых является подсборка 24, содержащая первый осажденный слой (52, 54), который принимает ту же самую геометрию, что и полости 64, и фактически образует внешнюю контактную площадку 52 и внутренние контактные площадки 54, и дополнительно осажденный слой 116, сцепленный (связанный) с поверхностью 114. С другой стороны, на подтравливания 22 слой не наносится.
Даже если выбрана однослойная технология, никакого слоя не наносится и на стенки 15 благодаря положительному подрезанию β и подтравливаниям, если они есть.
Осажденные слои 52, 54 и 116 могут быть металлическими или выполненными из неметаллических материалов, таких как, например, оксиды, нитриды, карбиды и т.п.
Если осажденные слои 52, 54 и 116 выполнены из металлов, они могут быть химически неактивными (инертными), например титаном, золотом или платиной, для создания внешних контактных площадок 52 или внутренних контактных площадок 54, или сплавом золота/олова 80/20 для припаивания (припоем). Эти сплавы обычно осаждают согласно известной технологии в виде чередующихся слоев составляющих их компонентов-металлов: различные слои получают с соответствующими соотношениями толщин для придания сплаву - обычно эвтектическому - правильного состава и при этом они могут иметь общую толщину, например вплоть до 5 мкм.
На этапе 177, подобном этапу 77, уже описанному относительно предшествующего уровня техники и показанному при помощи фиг.22, слой 160 позитивного фоторезиста и слой 161 резиста для обратной литографии удаляют посредством процесса обратной литографии. Подсборку 24 погружают в растворитель 36, например ацетон или, что лучше, в состав для удаления марки PG корпорации Micro-Chem, который через края 25 и подтравливания 22, свободные от осажденного слоя, проникает в слои 160 и 161 и растворяет их, продвигаясь в направлениях, обозначенных стрелками 21, удаляя их полностью и освобождая дополнительно осажденный слой 116, который остается «в стороне». Этой операции способствует механическое воздействие, такое как, например, ультразвуковая промывка.
Если выбрана однослойная технология, то этот этап 177 выполняют подобным же образом, так как растворитель может проникать через стенки 15, которые также свободны от осажденного слоя.
На этапе 143 покрытие 33 из негативного фоторезиста удаляют посредством, например, известной операции плазменного типа.
В конце этапа 143 получают готовую подсборку 24, которая показана на фиг.23, где можно увидеть кристалл 55, вытравленное углубление 12, внешнюю контактную площадку 52 и внутреннюю контактную площадку 54.
Реферат
Изобретение относится к технологии трехмерных микромеханических систем. Сущность изобретения: на кристалл, который имеет на своей поверхности вытравленные углубления, сначала накладывают лист негативного фоторезиста, который с помощью экспонирования и последующего проявления остается только над вытравленными углублениями, затем на негативный фоторезист наносят позитивный фоторезист, который подвергают экспонированию и проявлению для создания функциональных топологий, осажденных в виде тонких пленок, затем позитивный фоторезист удаляют с помощью операции «обратной (взрывной) литографии» и снимают негативный фоторезист с помощью плазменной операции, таким образом открывая вытравленные углубления. Техническим результатом изобретения является выборочное осаждение слоя на кристалле, который имеет неровную поверхность. 2 н. и 18 з.п. ф-лы, 23 ил.
