濕法蝕刻工藝的作用：可有效去除金屬氧化物

摘要

最近從一家工業(yè)薄膜制造商收集的數(shù)據(jù)表明，近 8% 的設(shè)備由于金屬過多或設(shè)備表面上不需要的金屬而被拒絕。實驗和分析表明，這些缺陷中幾乎有一半是由于在整個上游工藝的加熱環(huán)境中形成在導電鎳表面頂部的氧化鎳未完全去除造成的。這項研究對這些多余金屬缺陷的成分進行了分類和確定，評估了推薦的去除氧化鎳的濕蝕刻方法，最后提出了一種濕蝕刻工藝，該工藝將快速去除缺陷，同時繼續(xù)保持所需的半各向異性蝕刻輪廓，這是大多數(shù)金屬缺陷的特征。濕浸蝕刻工藝。結(jié)果證明，快速暴露于稀 (40%) 硝酸，然后立即浸入清潔劑、專有鎳蝕刻劑和鈦鎢蝕刻劑中，可去除所有氧化鎳缺陷。實施后，該方法有可能將多余金屬造成的廢料減少 3%，并將整體蝕刻工藝時間減少 25%。此外，還開發(fā)了一種工藝來完全蝕刻具有高缺陷密度的圖案化基板，并在原始基板上對其進行返工。

介紹

薄膜器件充當小規(guī)模電路，在陶瓷表面制造，布線以特定圖案“印刷”到表面上。設(shè)備是使用一系列在機械柔性壓電陶瓷上執(zhí)行的增材和減材工藝制造的。在應用過程中，電流平穩(wěn)地通過這些金屬表面，只有在金屬通路暢通的情況下才有可能。表面上發(fā)現(xiàn)的任何放錯位置的金屬或污染物都會減少或阻止電流通過電路。因此，高質(zhì)量的設(shè)備不會包含任何表面或材料缺陷。該研究確定并消除了降低薄膜器件制造良率的重復發(fā)生的表面和材料缺陷的關(guān)鍵因素。

動機

目前，有 16.2% 的器件因過多的金屬缺陷、圖案中的孔洞或空隙或陶瓷材料中的裂紋和斷裂而被拒絕。每丟失一個設(shè)備都會導致材料、人工時間和成本的浪費，而產(chǎn)量損失的任何減少都將對應于公司收入的顯著增加。該良率改進計劃的目標是消除很大比例的過量金屬、空隙、破損缺陷。在圖 1 中提供的良率損失分布中，器件根據(jù)最明顯的缺陷進行分類。此外，歷史數(shù)據(jù)表明，只有不到 15% 的被拒絕設(shè)備包含多個缺陷，因此該分布是所有缺陷頻率的準確表示。

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目標

該項目的主要目標是識別和消除對產(chǎn)量損失有重大影響的缺陷原因，并提高制造產(chǎn)量。為了實現(xiàn)這一改進，該項目分為三個獨立的目標，每個目標都針對導致設(shè)備缺陷的主要原因。這些目標是：

1. 消除因金屬和氧化物去除不完全而導致的多余金屬缺陷

2. 消除由于光刻膠涂層缺陷導致的多余金屬缺陷和圖案空隙

3. 消除極化過程中造成的基板破損

概覽

鋯鈦酸鉛 (PZT) 薄膜器件的制造過程是通過在基板或陶瓷晶片上涂覆兩個金屬層來啟動的。首先，在整個表面上沉積一層鈦鎢 (WTi) 阻擋層，以促進其與導電金屬層的粘附。然后在基板上濺射一層鎳 (Ni)，該鎳 (Ni) 層將通過器件傳輸電流。

標準程序

在蝕刻之前，將基材浸入溫和的清潔浴中，該浴結(jié)合了焦亞硫酸鈉、次氮基三乙酸三鈉、烷基芳香鹽和陰離子表面活性劑作為其活性成分。這種清潔劑旨在去除殘留在表面上的天然氧化物和顆?；蛴?。然后將基材放入溢流槽中以沖洗掉洗滌劑殘留物。

鎳蝕刻：

第一個蝕刻步驟僅以每秒 0.015 微米的蝕刻速率去除純 Ni 層。這是通過稀釋硫酸 (H2SO4) 和磷酸 (H3PO4) 的加熱浴來溶解金屬化表面來實現(xiàn)的。蝕刻速率由溫度和旋轉(zhuǎn)攪拌控制，兩者都使用配備磁力攪拌系統(tǒng)的 Cole Parmer? Stabletemp 熱板在浴槽內(nèi)控制。蝕刻操作員還將升高和降低基板船，以實現(xiàn)垂直攪拌和向每個基板表面提供足夠的新鮮化學品。

鈦鎢蝕刻：

第二個蝕刻步驟旨在以每秒 0.0004 微米的速率去除與 PZT 表面直接接觸的 WTi 粘附層。必須注意的是，由于 PZT 襯底的表面粗糙度，工藝蝕刻速率將比鈦鎢的任何預測或理論蝕刻速率慢。與鎳蝕刻步驟一樣，控制溫度和攪拌以保持準確和可重復的蝕刻速率。

濕蝕刻

在實踐中，濕蝕刻是通過三個連續(xù)步驟實現(xiàn)的。

1. 反應物向金屬表面的傳輸

2. 表面反應

蝕刻前的表面狀況

蝕刻選擇性

選擇性蝕刻是一種蝕刻工藝，其中一種材料被快速蝕刻，而另一種材料被蝕刻得非常緩慢或根本不蝕刻。在理想的蝕刻工藝中，每種蝕刻劑只會與一個表面層發(fā)生反應。但是，已知許多蝕刻劑會與幾層反應，但或多或少會選擇性地與不同材料發(fā)生反應。為了實現(xiàn)高蝕刻選擇性，必須選擇不會侵蝕下金屬層或基板表面的蝕刻劑。眾所周知，濕法蝕刻工藝對金屬層具有高度選擇性，因為它能夠預測和控制將在基材浸入時發(fā)生的表面反應。

蝕刻速率均勻性

位于基板任何部分的缺陷都可能導致一個或多個設(shè)備被拒絕。因此，蝕刻速率必須在整個襯底上、從襯底到襯底、在工作指令之間并且與特征尺寸或圖案密度無關(guān)。蝕刻速率的均勻性可以用 (2) 來估計，其中 100% 的蝕刻速率均勻性表明蝕刻速率與基板上的位置或化學稀釋度無關(guān)。0% 蝕刻速率均勻性可能表示蝕刻工藝未向整個基板提供足夠的新鮮化學品或蝕刻劑內(nèi)反應產(chǎn)物的濃度太高。需要 100% 的蝕刻速率均勻性。

氧化鎳

氧化鎳 (NiO) 通常在純鎳表面形成，長時間暴露在大氣或水溶液中。然而，除了作為天然氧化物的正常表面鈍化之外，它在工業(yè)中沒有任何用處。因此，NiO 通常被認為是器件制造中的污染物，應在蝕刻前去除。

審核編輯：符乾江