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(guò)多或設(shè)備表面上不需要的金屬而被拒絕。實(shí)驗(yàn)和分析表明，這些缺陷中幾乎有一半是由于在整個(gè)上游工藝的加熱環(huán)境中形成在導(dǎo)電鎳表面頂部的氧化鎳未完全去除造成的。這項(xiàng)研究對(duì)這些多余金屬缺陷的成分進(jìn)行了分類(lèi)和確定，評(píng)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(shí)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(zhuān)有鎳蝕刻劑和鈦鎢蝕刻劑中，可去除所有氧化鎳缺陷。實(shí)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(shí)間減少 25%。此外，還開(kāi)發(fā)了一種工藝來(lái)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(duì)其進(jìn)行返工。

介紹

薄膜器件充當(dāng)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(jī)械柔性壓電陶瓷上執(zhí)行的增材和減材工藝制造的。在應(yīng)用過(guò)程中，電流平穩(wěn)地通過(guò)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(cuò)位置的金屬或污染物都會(huì)減少或阻止電流通過(guò)電路。因此，高質(zhì)量的設(shè)備不會(huì)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(fù)發(fā)生的表面和材料缺陷的關(guān)鍵因素。

動(dòng)機(jī)

目前，有 16.2% 的器件因過(guò)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(gè)設(shè)備都會(huì)導(dǎo)致材料、人工時(shí)間和成本的浪費(fèi)，而產(chǎn)量損失的任何減少都將對(duì)應(yīng)于公司收入的顯著增加。該良率改進(jìn)計(jì)劃的目標(biāo)是消除很大比例的過(guò)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(jìn)行分類(lèi)。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(gè)缺陷，因此該分布是所有缺陷頻率的準(zhǔn)確表示。

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目標(biāo)

該項(xiàng)目的主要目標(biāo)是識(shí)別和消除對(duì)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(shí)現(xiàn)這一改進(jìn)，該項(xiàng)目分為三個(gè)獨(dú)立的目標(biāo)，每個(gè)目標(biāo)都針對(duì)導(dǎo)致設(shè)備缺陷的主要原因。這些目標(biāo)是：

1. 消除因金屬和氧化物去除不完全而導(dǎo)致的多余金屬缺陷

2. 消除由于光刻膠涂層缺陷導(dǎo)致的多余金屬缺陷和圖案空隙

3. 消除極化過(guò)程中造成的基板破損

概覽

鋯鈦酸鉛 (PZT) 薄膜器件的制造過(guò)程是通過(guò)在基板或陶瓷晶片上涂覆兩個(gè)金屬層來(lái)啟動(dòng)的。首先，在整個(gè)表面上沉積一層鈦鎢 (WTi) 阻擋層，以促進(jìn)其與導(dǎo)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(guò)器件傳輸電流。

標(biāo)準(zhǔn)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粒或油。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(gè)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(guò)稀釋硫酸 (H2SO4) 和磷酸 (H3PO4) 的加熱浴來(lái)溶解金屬化表面來(lái)實(shí)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(shí)現(xiàn)垂直攪拌和向每個(gè)基板表面提供足夠的新鮮化學(xué)品。

鈦鎢蝕刻：

第二個(gè)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(yù)測(cè)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(zhǔn)確和可重復(fù)的蝕刻速率。

濕蝕刻

在實(shí)踐中，濕蝕刻是通過(guò)三個(gè)連續(xù)步驟實(shí)現(xiàn)的。

1. 反應(yīng)物向金屬表面的傳輸

2. 表面反應(yīng)

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(huì)與一個(gè)表面層發(fā)生反應(yīng)。但是，已知許多蝕刻劑會(huì)與幾層反應(yīng)，但或多或少會(huì)選擇性地與不同材料發(fā)生反應(yīng)。為了實(shí)現(xiàn)高蝕刻選擇性，必須選擇不會(huì)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(duì)金屬層具有高度選擇性，因?yàn)樗軌蝾A(yù)測(cè)和控制將在基材浸入時(shí)發(fā)生的表面反應(yīng)。

蝕刻速率均勻性

位于基板任何部分的缺陷都可能導(dǎo)致一個(gè)或多個(gè)設(shè)備被拒絕。因此，蝕刻速率必須在整個(gè)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(wú)關(guān)。蝕刻速率的均勻性可以用 (2) 來(lái)估計(jì)，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(xué)稀釋度無(wú)關(guān)。0% 蝕刻速率均勻性可能表示蝕刻工藝未向整個(gè)基板提供足夠的新鮮化學(xué)品或蝕刻劑內(nèi)反應(yīng)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(zhǎng)時(shí)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(méi)有任何用處。因此，NiO 通常被認(rèn)為是器件制造中的污染物，應(yīng)在蝕刻前去除。

審核編輯：符乾江