微波电路TaN薄膜电阻制作方法

admin · 发表于 2019-9-27 15:10

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1 引言

TaN薄膜电阻制作是混合微波集成电路工艺生产中的重要一环，其制备方法的优劣，很大程度上决定了微波集成电路的生产效率和成品率。薄膜集成电路膜层结构主要有TaN/TiW/Au、TaN/Cr/Au、TaN/TiW/Ni/Au、TaN/TiW/Pd/Au等。本文以TaN/TiW/Au为例，探讨TaN薄膜电阻的制作方法。在TaN/TiW/Au多层结构中，TaN、TiW和Au薄膜分别作为电阻层、过渡层和导电层。

TaN薄膜电阻制作常使用“阴版刻蚀法”，其制作过程如图1所示，先进行第一次光刻和腐蚀，得到电极和电阻整体图形，再用套刻电阻掩膜版作选择性掩膜进行光刻和腐蚀，得到电阻图形。此方法的最大问题是套准窗口窄。由于“对准标记”局限于特定结构（通常是陶瓷片的边缘部分），它不能在任何地方都成为套准的保证。套准会受到镜头失常、陶瓷片夹紧不正常、掩膜版图案错位以及陶瓷片自身扭曲的影响。

因此，常规的套刻步骤是：先将套刻掩膜版与上一层微结构图形这两者上的“对准标记”对准，进而观察两者上的图形是否套准，如发生错位，进行微调处理，待图形完全套准后再进行曝光等后序工作。该方法套刻电阻时使用的掩膜版为阴版，即掩膜版上的大部分是遮光区，只有一小部分是透明的，如图2所示。掩膜版上大面积的遮光区使得微结构图形的边界不够清晰，图形套准操作相对较难，易发生图形套刻错位，套准时间也相应较长。

使用普通的接触或接近式光刻机套刻电阻时，一旦发生图形未套准将引起连锁反应，进而导致电阻图形腐蚀错位，轻者会使得电阻阻值发生较大偏移，重者导致微波电路图形被破坏，直接影响产品的成品率。所以，一般情况下在镜检时发现套刻错位时采取及时返工，但这样做既费工又废料，生产效率不高。因此，尽快研究和掌握一种套准窗口宽的TaN薄膜电阻制作方法势在必行。

图1  “阴版刻蚀法”制作TaN薄膜电阻工艺流程图

图2  “阴版刻蚀法”制作TaN薄膜电阻掩膜版开窗示意图

2 实验

2.1  TaN薄膜电阻制作方法新型设计

针对“阴版刻蚀法”存在的套准窗口窄等缺点，从TaN/TiW/Au多层结构出发，我们改变了设计思路，采用“阳版刻蚀法”制作TaN薄膜电阻，其工艺流程图及对应的掩膜版开窗示意图分别如图3和图4所示。
从图4中我们可以看到，套刻TaN薄膜电阻所用的掩膜版为阳板，即掩膜版上的大部分是透明的，只有一小部分为遮光区。而且，开窗横向线条尺寸大于电阻横向实际尺寸，并已扩展到电阻两边的Au电极上，纵向线条尺寸跟电阻上下尺寸一致。

图3  “阳版刻蚀法”制作TaN薄膜电阻工艺流程图

图4  “阳版刻蚀法”制作TaN薄膜电阻掩膜版开窗示意图

2.2  实验样品制备与测试

在溅射TaN/TiW/Au多层结构的Al2O3陶瓷基片上，按照“阳版刻蚀法”进行实验，阵列了12个标称值50Ω/□的TaN薄膜电阻。上述实验中采用正性光刻胶及其配套显影液、去胶剂进行样品制备，使用体视显微镜和低倍金相显微镜观察样品表面形貌，XP-1台阶仪测量光刻胶膜层厚度，FLUKE111万用表测试TaN薄膜电阻。

3实验结果与分析

3.1  “阳版刻蚀法”制作TaN薄膜电阻

“阳版刻蚀法”制作TaN薄膜电阻，其工艺过程分为光刻电极和套刻TaN薄膜电阻两个环节，每个环节都要经过匀胶、前烘、曝光、显影、坚膜、腐蚀和去胶七个步骤[2]。接下来主要讨论套刻TaN薄膜电阻环节。

光刻胶的抗蚀性是工艺成功的关键。在Al2O3陶瓷基片上套刻50Ω/□的TaN薄膜电阻时，经过坚膜、腐蚀、去胶等工艺步骤后，光刻胶的实验效果如图5所示。从图5(a)(b)比较可见，光刻胶作为抗蚀剂和衬底（Au和TaN）接触良好，抵抗住了腐蚀液的侵蚀，没有发生脱落、变形或者残缺等现象，去胶后得到的TaN薄膜电阻如图5(c)所示，去胶干净，图形清晰，线条笔直。可见，坚膜增大了光刻胶的粘度，提高了抗蚀剂的抗蚀能力。

(a)坚膜后       (b)腐蚀后       (c)去胶后
图5  套刻50Ω/□TaN薄膜电阻时，光刻胶的实验效果图

3.2  TaN薄膜电阻电性能测试分析

使用万用表将新方法制备的标称值50Ω/□的12个TaN薄膜电阻进行了测试，实验数据如图6所示。从图中可以看出，最大值40.7Ω/□和最小值39.5Ω/□，极差为1.2Ω/□，均值为40.2Ω/□，均在调阻设计的范围内。而且通过计算，12个数据其方差为0.166，说明方阻均匀一致性好。

图6  TaN薄膜电阻的实测方阻大小

3.3  “阳版刻蚀法”的优势

前面主要说明了采用“阳版刻蚀法”制作TaN薄膜电阻的实验可行性，相比而下，“阳版刻蚀法”还具有易操作、图形套准时间短、套准窗口宽等优势，具体分析如下：

图形套准容易且时间短。跟“阴版刻蚀法”相比，“阳版刻蚀法”掩膜版上大部分区域是透明的，增大了操作者的视野半径，掩膜版的透明区与微结构图形的边界相对清晰，图形套准相对容易很多，套准时间比原方法也相应的缩短了25％左右。

套准窗口宽。使用“阳版刻蚀法”，首次光刻与腐蚀时，没有采用与“阴版刻蚀法”一样的方式将曝光处的TaN薄膜刻蚀掉，而是将其保留了下来，这就为接下来的套刻薄膜电阻和掩膜使用提供了足够的空间，只要工艺处理得当，就可最大限度地提高产品成品率，同时也就提高了生产效率。套刻TaN薄膜电阻时，即使发生横向错位（如图7所示），因为电阻制版线条尺寸大于实际尺寸，腐蚀TaN电阻层的腐蚀液不与Au发生反应，其实际效果和套准时毫无差别。

（a）掩膜套准（b）、（c）掩膜错位

图7  ““阳版刻蚀法”套刻薄膜电阻时掩膜效果示意图

4 结论

1、“阳版刻蚀法”适用于制作微波电路用TaN薄膜电阻的科研与生产。
2、相对而言，制作微波电路用TaN薄膜电阻的“阳版刻蚀法”改进了“阴版刻蚀法”的固有弊端，具有易操作、图形套准时间短、套准窗口宽等比较优势。

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