PROGETTAZIONE E REALIZZAZIONE IN FILM SOTTILE DI CIRCUITI A MICROONDE

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1 UNIVERSITA' DEGLI STUDI DI PAVIA FACOLTA' DI INGEGNERIA Dipartimento di Elettronica PROGETTAZIONE E REALIZZAZIONE IN FILM SOTTILE DI CIRCUITI A MICROONDE Relatore : Chiar.mo Prof. P. Arcioni Correlatore : Chiar.mo Prof. L. Perregrini Tesi di Laurea di Christian Di Falco Anno Accademico 1997/98

2 Alla mia Mamma, Grazie.

3 INDICE Introduzione 1 Capitolo 1 Tecnologia dei circuiti ibridi in film sottile 4 INTRODUZIONE MATERIALI COSTITUENTI IL CIRCUITO Substrati e loro proprietà Tecniche di metallizzazione del substrato Strati deposti e loro proprietà Descrizione del materiale utilizzato PRODUZIONE DELLE MASCHERE FOTOLITOGRAFIA INCISIONE DEGLI STRATI DEPOSTI TARATURA DEI COMPONENTI MONTAGGIO ED IBRIDIZZAZIONE TARATURA DEL CIRCUITO E TEST ELETTRONICO FINALE 21 Capitolo 2 Progetto ed ottimizzazione dei circuiti di test 22 INTRODUZIONE FILTRO PASSA-BANDA Considerazioni di progetto di un filtro passa-banda Progetto ed ottimizzazione di un filtro passa-banda a 10 GHz FILTRO PASSA-BASSO Considerazioni di progetto di un filtro passa-basso Progetto ed ottimizzazione di un filtro passa-basso a 4.5 GHz 41

4 INDICE 2.3 ACCOPPIATORI DIREZIONALI A 3 db Progetto ed ottimizzazione di un accoppiatore direzionale a 3 db di tipo branch Progetto ed ottimizzazione di un accoppiatore direzionale a 3 db di tipo rat-race 54 Capitolo 3 Messa a punto del processo di realizzazione 60 INTRODUZIONE REALIZZAZIONE DELLA MASCHERA DI PROVA PULIZIA DEL SUBSTRATO DEPOSIZIONE DEL FOTORESIST SULLA SUPERFICIE DI MASSA DEPOSIZIONE DEL FOTORESIST SUL LATO COMPONENTI ESPOSIZIONE SVILUPPO HARD-BAKE INCISIONE DEL RAME RIMOZIONE DEL FOTORESIST RESIDUO REALIZZAZIONE DELLE MASCHERE DEI QUATTRO CIRCUITI DI TEST MONTAGGIO SU APPOSITI SUPPORTI 75 Capitolo 4 Risultati sperimentali 76 INTRODUZIONE 76 RISULTATI DELLA SPERIMENTAZIONE 77 APPENDICE A Dati tecnici del substrato RT/duroid APPENDICE B Il software Microwave Office 90 APPENDICE C Descrizione dell ambiente di lavoro 93 APPENDICE D Processo di fotoincisione RT/duroid BIBLIOGRAFIA 103 _ II

5 INTRODUZIONE I circuiti a microstriscia sono la più importante versione di circuiti integrati per microonde (MICs), cioè strutture planari nelle quali tutti i componenti vengono fabbricati e connessi l un l altro usando la medesima tecnologia. Il loro utilizzo è limitato a frequenze comprese tra 0.5 GHz e 30 GHz, oltre le quali sono preferibili altre tipologie circuitali. I principali vantaggi della realizzazione a microstrisce sono: significativa riduzione dello spazio occupato rispetto ai circuiti in cui si fa uso di guide d onda, in quanto tutti i componenti vengono realizzati sul medesimo substrato (generalmente un dielettrico a basse perdite); possibilità di ottenere conduttori sottili di elevata accuratezza utilizzando la tecnica della fotoincisione; aumento dell affidabilità dovuto al basso peso e all assenza di connessioni fra i componenti, che rendono i circuiti resistenti agli impatti ed alle vibrazioni.

6 INTRODUZIONE Questo rende le microstrisce particolarmente indicate alla produzione di circuiti utilizzati in ponti radio, equipaggiamenti satellitari, sistemi di misura, oscillatori, accoppiatori direzionali, divisori di potenza, mixers ecc. Non sono invece indicati per la realizzazione di stadi di uscita di amplificatori, attenuatori di potenza, filtri a banda molto stretta (inferiore all 1%), ecc. a causa dei limiti nelle massime potenze utilizzate, onde evitare l insorgere di scariche nel dielettrico ed il surriscaldamento dei componenti, nonché per la difficoltà di raggiungere alti isolamenti tra circuiti adiacenti, dovute alla presenza di onde superficiali tanto maggiori quanto più la frequenza di lavoro è elevata. La tecnica più comunemente utilizzata nella produzione di circuiti integrati per microonde è la tecnologia dei circuiti ibridi, nella quale sono comprese: la tecnologia del film sottile; la tecnologia del film spesso. Queste si distinguono, oltre che dallo spessore degli strati deposti e dalle minime larghezze di linea realizzabili, anche per le tecniche di fabbricazione che genericamente sono: la serigrafia e la sinterizzazione per il film spesso, il deposito mediante tecnologia PVD (Physical Vapor Deposition) in vuoto e fotolitografia, oppure la fotoincisione di substrati già metallizzati, per il film sottile. Lo scopo del seguente lavoro è stato quello di riorganizzare e rendere funzionante, nel Dipartimento di Elettronica di Pavia, un laboratorio ( camera bianca ) per la realizzazione di circuiti a microstriscia in film sottile. Si sono messe a punto le attrezzature, i materiali e le tecnologie necessarie per rendere funzionante il laboratorio sviluppando, in particolare, un processo per la creazione di circuiti a microstriscia su substrati Rogers RT/duroid (vedi APPENDICE A). Al fine di saggiare i risultati ottenuti si sono progettati e realizzati quattro circuiti di prova, due filtri e due accoppiatori direzionali. Quello che si vuole mettere particolarmente in evidenza, oltre all aspetto progettuale, sono gli aspetti di laboratorio, le tecniche utilizzate ed i risultati ottenuti con la produzione di una prima serie di circuiti. 2

7 INTRODUZIONE Il lavoro di tesi è costituito da due parti: la prima (capitolo 1 e capitolo 2) è rivolta principalmente all aspetto teorico, sia del progetto che della realizzazione; la seconda, che comprende gli altri capitoli, riguarda l aspetto realizzativo. Nel capitolo 1 viene data una panoramica sulla tecnologia, descrivendo le tecniche realizzative utilizzabili per la creazione di circuiti in film sottile e dando particolare risalto ai processi che vengono effettivamente utilizzati. Il capitolo 2 comprende la descrizione dei quattro circuiti di prova, delle teorie con le quali sono stati progettati e dei criteri che sono stati seguiti per la loro ottimizzazione (che è avvenuta utilizzando il software MICROWAVE OFFICE). Al termine del progetto e dell ottimizzazione, è seguita la parte di messa a punto del processo di realizzazione, la costruzione dei circuiti ed il loro montaggio, che vengono descritte nel capitolo 3. L ultimo capitolo descrive i risultati sperimentali, ottenuti in seguito a questa prima esperienza di laboratorio. Infine, in appendice, sono riportati i materiali utilizzati, i processi seguiti in laboratorio ed i tempi necessari per ogni fase realizzativa, la descrizione dell ambiente di lavoro e del software utilizzato. 3

8 Capitolo 1 Tecnologia dei circuiti ibridi in film sottile INTRODUZIONE La tecnica più comunemente utilizzata per la produzione di MICs è la tecnologia ibrida in film sottile, la quale copre una vasta gamma di discipline che includono la scienza dei materiali, la fisica, la chimica e l ingegneria elettronica. La denominazione ibrido viene utilizzata per il fatto che solo alcuni elementi possono essere integrati su un singolo supporto (substrato), mentre altri (tipicamente i semiconduttori) vengono successivamente aggiunti durante la fase detta di ibridizzazione. In pratica si possono produrre in film sottile resistenze, conduttori e piccole capacità, anche se genericamente le capacità integrate non sono quasi mai usate per problemi di costo di produzione.

9 CAPITOLO 1 TECNOLOGIA DEI CIRCUITI IBRIDI IN FILM SOTTILE Nel seguente capitolo si illustreranno brevemente i vari tipi di processi utilizzabili per la creazione di circuiti in film sottile; particolare risalto verrà dato alle fasi che verranno da noi utilizzati per la realizzazione delle piastrine. Generalmente la produzione di un circuito in film sottile, a partire dal substrato, può essere illustrata con lo schema a blocchi di Fig.1.1. Scelta del Substrato Scelta delle Specifiche Preparazione e Metallizzazione del Substrato Produzione Fotomaschere Realizzazione delle Strutture (Fotolitografia, Incisione) Taratura dei Componenti Ibridizzazione Divisione Substrato Imballaggio Test Elettronico Finale Fig. 1.1 Schema a blocchi semplificato di un processo per la produzione di MICs in film sottile. 5

10 CAPITOLO 1 TECNOLOGIA DEI CIRCUITI IBRIDI IN FILM SOTTILE 1.1 MATERIALI COSTITUENTI IL CIRCUITO Substrati e loro proprietà Il substrato è il piano di supporto su cui vengono posti i percorsi conduttivi e gli elementi ibridi necessari alla costruzione del circuito. Nella scelta del substrato vanno tenute presente diverse caratteristiche che dipendono principalmente dalla destinazione finale, dalle tecniche di realizzazione e dal tipo di montaggio del circuito. I principali criteri sono i seguenti: stabilità meccanica, richiesta per consentire un sicuro montaggio e perché il circuito deve essere in grado di resistere agli stress ambientali cui verrà sottoposto durante l utilizzo; coefficiente di dilatazione termica simile a quello dei metalli, in quanto le specifiche industriali prevedono variazioni di temperatura tra -55 C e +125 C; buona conducibilità termica, per permettere lo smaltimento del calore dei componenti; uniformità dello spessore, in quanto è necessaria la riproducibilità dei parametri del circuito in diverse produzioni; bassa rugosità superficiale, per consentire la perfetta adesione degli strati conduttivi; uniformità ed isotropia della costante dielettrica, per avere omogeneità dei parametri del circuito in quanto nelle microstrisce l onda si propaga prevalentemente nel substrato. Va inoltre tenuto presente che le varie tecniche utilizzate per la costruzione del circuito possono prevedere elevate temperature ed attacchi chimici, che non devono modificare le caratteristiche del substrato. Genericamente si dividono i materiali in due gruppi, plastici (organici) ed inorganici; questi ultimi vengono ulteriormente suddivisi in ceramici, monocristallini, ferriti e semiconduttori. I substrati plastici sono generalmente utilizzati in forme semplici (ad esempio il PTFE) che hanno basse costanti dielettriche relative (circa 2 3) e basso fattore di dissipazione, ma anche instabilità meccanica. Per ovviare a questo inconveniente si 6

11 CAPITOLO 1 TECNOLOGIA DEI CIRCUITI IBRIDI IN FILM SOTTILE aggiungono al substrato fibre di vetro; se invece sono necessari valori di costante dielettrica relativa più elevati (da 5 a 20) si devono aggiungere pezzetti di ceramica. Tra i materiali inorganici ceramici il più utilizzato è l allumina (Al 2 O 3 ). La sua forma monocristallina è lo zaffiro che presenta un alta qualità della superficie, un basso fattore di perdita ed una bassa variazione della costante dielettrica relativa; è però un dielettrico anisotropo. Altre ceramiche sono l ossido di berillio (BeO) e l ossido di titanio (TiO 2 ). L BeO ha un alta conducibilità termica ma presenta lo svantaggio della produzione di polveri velenose durante la lavorazione. Il TiO 2 ha alti valori di ε r (maggiori di 80) ma le sue caratteristiche dipendono fortemente dalla temperatura. Se si desiderano superfici a bassa rugosità si deve ricorrere ai vetri, che hanno alte perdite dielettriche, ed ai quarzi; questi ultimi presentano basse perdite fino ad alte frequenze, il che li rende particolarmente adatti alla realizzazione di microstrisce operanti in banda millimetrica. I substrati ferromagnetici sono necessari per la produzione di componenti non reciproci come circolatori, isolatori e sfasatori. I più rappresentativi sono le ferriti ed il granato, che hanno una ε r compresa tra 9 e 16 e sono dielettrici a bassissime perdite (tanδ<0.001). I substrati a semiconduttore (silicio, germanio, arseniuro di gallio) dispongono di una conduttività specifica molto elevata (dipendente dal drogaggio), associata però a perdite di dispersione significative. Se non si hanno particolari esigenze di riproducibilità, e neppure necessità di perdite stringenti, si possono utilizzare a basse frequenze dei substrati poco costosi quali la porcellana su acciaio. Per ridurre le perdite nel conduttore, alla frequenza delle microonde, l acciaio viene ricoperto con uno strato di rame prima di applicarvi la porcellana. In questo modo si ottengono substrati più robusti delle ceramiche, con alta stabilità meccanica e termica, a prezzi moderati; presentano però elevate perdite alle alte frequenze e variazioni dello spessore. Per le nostre esigenze si è deciso di utilizzare substrati plastici facenti parte della serie RT/duroid, che presentano i vantaggi illustrati nel sottoparagrafo

12 CAPITOLO 1 TECNOLOGIA DEI CIRCUITI IBRIDI IN FILM SOTTILE Tecniche di metallizzazione del substrato Una volta scelto il substrato su di esso vanno deposti gli strati nei quali si realizzeranno, mediante fotoincisione, le geometrie dei componenti circuitali. La metallizzazione, che viene eseguita sia sul retro che sul fronte (generalmente la posteriore precede la frontale), viene preceduta dalla fase di pulizia del substrato (diversa a seconda dei tipi). Le tecniche più utilizzate per la deposizione dei film sottili sono essenzialmente tre: 1) evaporazione sotto vuoto; 2) sputtering; 3) deposizione galvanica. Evaporazione sotto vuoto: per l applicazione di questa tecnica sono necessarie condizioni di alto vuoto, da 10-6 a 10-7 Torr; all interno di una camera, nella quale viene fatto il vuoto attraverso un sistema che riduce la pressione, vengono posti il substrato da metallizzare ed il materiale da deporre (che deve essere puro onde evitare contaminazioni). Quest ultimo è riscaldato da un elemento elettrico fino ad ottenerne l evaporazione e, se la distanza tra materiale e substrato è inferiore al mean free path (definito come la distanza media che una molecola di vapore può sperare di attraversare senza collidere con le altre molecole di vapore o di gas residui presenti nella camera), circa il 50% delle molecole evaporate si depositeranno sul substrato. Per evitare che le molecole di gas presenti nella camera interagiscano con il vapore, contaminando così il film, si cerca di mantenere fra sorgente e substrato una distanza più breve del mean free path (che per le molecole tipiche, a queste pressioni, è intorno a 40 cm), per quanto praticamente possibile. Usualmente anche il substrato viene riscaldato per permettere una buona adesione del film depositato. Le sorgenti riscaldanti dipendono dal materiale da evaporare e possono essere di diversi tipi: resistenze, induttanze, radianti termici, bombardamento electron beam (utilizzato per le alte energie). A causa di difetti nel meccanismo di crescita vi possono essere delle imperfezioni nei cristalli del film (atomi mancanti, atomi impuri, atomi collocati in posti sbagliati), che ne modificano le proprietà. 8

13 CAPITOLO 1 TECNOLOGIA DEI CIRCUITI IBRIDI IN FILM SOTTILE Sputtering o polverizzazione catodica: lo sputtering è molto usato per deporre film sottili di elevata uniformità e purezza. Esso utilizza ioni di gas inerte per bombardare il target del materiale da deporre, causando l eiezione di atomi; in questo modo si possono ottenere film di metalli e non metalli (RF sputtering) senza utilizzare sorgenti ad alta temperatura. Il sistema è costituito da una camera, nella quale viene fatto il vuoto fino a raggiungere 10-6 Torr, dove vi sono due elettrodi (anodo e catodo); il target viene collegato al catodo ed all interno della camera viene aggiunto il gas inerte, normalmente argon. Applicando un alta tensione fra gli elettrodi (DC da 1000 V a 3000 V per i metalli e tensioni a RF per i non metalli) si forma un plasma di elettroni e ioni positivi di argon; questi ultimi vengono accelerati verso il catodo e lo bombardano, sottraendo atomi del materiale di cui è costituito alcuni dei quali, proiettati verso il substrato con energie di 5 10 ev, lo intercettano formando uno strato sottile ed uniforme. Inserendo piccole quantità di gas reattivi, come l ossigeno e l azoto, nell atmosfera inerte si può cambiare la composizione chimica dei film deposti variandone le proprietà; questo processo è detto sputtering reattivo. Un altra tecnica molto simile allo sputtering è il plasma etching, nel quale sono i substrati metallizzati ad essere erosi dagli ioni generati dal plasma (tecnica fine line ), che possono quindi sostituire i solventi chimici. Deposizione galvanica: la deposizione galvanica o electroplating può essere definita come la produzione di rivestimenti metallici attraverso l azione di una corrente elettrica; si tratta quindi di un particolare esempio di elettrolisi. È costituita da un bagno galvanico (soluzione nella quale è disciolto un sale contenente il metallo da crescere), una batteria di alimentazione, due anodi contrapposti (per permettere la crescita su entrambe le facce del substrato) e un catodo, su cui è sospesa la piastrina da metallizzare; quest ultimo viene sottoposto a movimentazione per permettere l agitazione del bagno, consentendo così una maggiore velocità ed uniformità di crescita. Il bagno viene inoltre filtrato per rimuovere eventuali cause di impurità, che possono essere adsorbite o deposte con il metallo alterando così le proprietà del film, le caratteristiche del quale dipendono dalla 9

14 CAPITOLO 1 TECNOLOGIA DEI CIRCUITI IBRIDI IN FILM SOTTILE densità di corrente, dall agitazione e dalla temperatura della soluzione, dalla velocità di diffusione degli ioni metallici e dalla struttura degli elettrodi. I cristalli sono costruiti strato su strato, perpendicolarmente e lateralmente alla superficie; quelli vicini hanno orientazioni diverse e perciò la struttura risulta policristallina. Gli attuali bagni sono costituiti da un sistema complesso, che usa speciali additivi per controllare il ph della soluzione e la lucentezza del film. Temperatura (normalmente 60 ±5 C raggiunti utilizzando riscaldatori in ceramica ad immersione), agitazione, viscosità, tensione superficiale della soluzione sono molto importanti; anche la densità di corrente, che controlla la velocità di deposizione, ha grande effetto sulle caratteristiche del film. Per permettere una buona adesione di quest ultimo la piastrina va preventivamente pulita e sgrassata, attraverso varie tecniche, con solventi, emulsioni, acidi, ecc. Nella realizzazione del circuito non si è resa necessaria l applicazione delle tecniche appena illustrate, in quanto il materiale utilizzato (illustrato nel sottoparagrafo 1.1.4) viene distribuito con una metallizzazione di rame su entrambe le facce Strati deposti e loro proprietà Strati metallici Le strisce di conduttore non sono solo una parte del circuito a microstriscia ma anche punti di contatto per la connessione di elementi ibridi. Le più importanti proprietà che lo strato metallico deve soddisfare sono: (a) bassa resistenza specifica ρ (conduttori con basse perdite); (b) spessore del conduttore maggiore di 3δ (dove δ è lo spessore pelle; alla frequenza di 1 GHz si ha nel rame δ = 2 µm); (c) alta precisione strutturale; (d) bassa suscettibilità all ossidazione e al danneggiamento dei gas (H 2 S eso 2 ); (e) saldabilità (il saldante non deve diffondere nel conduttore); (f) saldatura a termocompressione ed ultrasuoni; 10

15 CAPITOLO 1 TECNOLOGIA DEI CIRCUITI IBRIDI IN FILM SOTTILE (g) buona adesione al substrato, anche in presenza di vibrazioni e cambi di temperatura; (h) stabilità all invecchiamento. Non esiste un metallo in grado di soddisfare questo insieme di caratteristiche: buoni conduttori, come argento, rame, oro e alluminio, aderiscono con difficoltà ai substrati, mentre mediocri conduttori, come cromo, tantalio e titanio presentano una buona adesione (dovuta alle forze di legame chimico-forze di Van der Waal come forza attrattiva fra le molecole e coesione atomica). Per evitare vi possa essere diffusione tra i due strati (con corrispondente aumento della resistenza specifica nel conduttore) bisogna separarli con uno strato barriera di materiali come platino e palladio. In Tab. 1.1 sono elencati i vari materiali conduttori, utilizzati nella tecnologia film sottile, con le rispettive proprietà. Materiali ρ/ρ Cu δ l Th /(l T) Adesione Produzione Conduttori Ag scarsa evap. Cu scarsa evap., galv. Au scarsa evap., galv. Al scarsa evap. Adesivi Cr buona evap. Ta buona sp., evap. Ti buona sp., evap. Separatori Pt sp., evap. Pd sp., evap. Tab. 1.1 Proprietà dei materiali conduttori per la tecnologia film sottile: ρ/ρ Cu = resistenza specifica relativa; δ = effetto pelle (in µm a 2 GHz); l Th /(l T) = coefficiente di espansione termico (in 10-6 /K). 11

16 CAPITOLO 1 TECNOLOGIA DEI CIRCUITI IBRIDI IN FILM SOTTILE Strati resistivi Gli strati resistivi sono utilizzati per la costruzione di resistenze impiegate per attenuatori e carichi in alta frequenza e per reti di alimentazione in continua. Le specifiche di questi strati sono: (a) basso coefficiente termico; (b) spessore dello strato << δ (dove δ è lo spessore pelle; alla frequenza di 1 GHz si ha nel cromo δ = 5.5 µm) onde rendere il valore della resistenza indipendente dalla frequenza; (c) resistenza specifica superficiale di 50 Ω (l impedenza specifica dei conduttori varia in genere da 10 Ω a 500 Ω); (d) basso rumore; (e) resistenza agli effetti ambientali (umidità, gas corrosivi, H 2 S, CO 2 ); (f) nessuna interazione con gli strati di conduttore; (g) potenza massima elevata. In Tab. 1.2 sono elencati i vari resistori in film sottile, con le rispettive proprietà. Materiali Rf R/(R T) Stabilità Produzione NiCr <0.2 buona evap. Cr media evap. Ta <1 media sp. Ta 2 N <0.2 buona sp. reattivo Ti media evap. Cr-SiO <0.5 media sp. flash Tab. 1.2 Proprietà dei resistori in film sottile: Rf = ρ/t (con t<<δ) = resistenza specifica superficiale (in Ω); R/(R T) = coefficiente di temperatura di resistenza (in 10-6 /K). Stabilità (in %/1000h) 12

17 CAPITOLO 1 TECNOLOGIA DEI CIRCUITI IBRIDI IN FILM SOTTILE I materiali più utilizzati sono il nickel-cromo ed il tantalio che hanno bassa resistività (meno di 200 Ω/ ). Quando sono richiesti alti valori di resistività, da 100 a 500 Ω/, è utilizzato l SnO 2. I film di Ta 2 N, invece, hanno dimostrato di avere molte proprietà riproducibili Descrizione del materiale utilizzato Il substrato che verrà utilizzato per la messa a punto del processo per la creazione di circuiti in microstriscia è l RT/duroid 5870 (vedi APPENDICE A). Si tratta di un composto di PTFE (politetrafluoroetilene), rinforzato da microfibre di vetro orientate a caso per consentirne i benefici in ogni direzione, le cui facce sono ricoperte da 34 µm di rame; la sua ε rimane costante su larghe bande di frequenza ed il suo basso fattore di dissipazione ne consente l utilizzo fino alla banda X ed oltre. Genericamente, in questo tipo di substrati, gli strati di rame vengono realizzati attaccando delle lamine di metallo con pressioni a caldo, mediante l uso di collanti o tramite deposizione elettrochimica (che consente la creazione di strati puri e a basse perdite). In questo modo si evita il raggiungimento di alte temperature, alle quali non potrebbero resistere. Questo tipo di substrati hanno una costante dielettrica relativa bassa (pari a 2.33, che ne riduce il fattore di miniaturizzazione) ma consentono la produzione di circuiti a microstriscia con modesti investimenti, in quanto è sufficiente mettere a punto un accurato processo di fotoincisione, per la creazione delle geometrie desiderate, aggiungendo i resistori, condensatori e semiconduttori come elementi ibridi. Presentano inoltre un eccellente stabilità dimensionale e resistenza ai solventi e reagenti normalmente usati nelle tecniche di attacco e di placcatura; infine sono facilmente lavorabili (taglio, foratura, ecc.). 13

18 CAPITOLO 1 TECNOLOGIA DEI CIRCUITI IBRIDI IN FILM SOTTILE 1.2 PRODUZIONE DELLE MASCHERE Il primo passo verso la creazione delle forme geometriche costituenti il circuito è la creazione delle maschere che verranno utilizzate durante il processo di fotolitografia. Le fotomaschere sono substrati di elevata planarità e trasparenza sui quali sono riprodotte con elevata precisione, in scala 1:1, le strutture conduttrici o resistive del circuito che si vuole costruire; genericamente vengono realizzate in vetro o in particolari pellicole. Possono essere prodotte sia manualmente che automaticamente. Nella produzione manuale di fotomaschere le strutture richieste dal circuito (o layout ) sono generalmente in scala 10:1, incise su un doppio foglio costituito da un foglio chiaro ed uno rosso opaco che viene tagliato ed asportato nelle zone richieste dal layout. Questa operazione viene svolta da un coordinatagrafo, cioè da una macchina in grado di muovere con un accuratezza di ±20 µm un attrezzo di taglio. Il foglio è successivamente ridotto di un fattore 10 per produrre le fotomaschere (con una accuratezza di ±2 µm). In determinate situazioni l originale può anche essere realizzato manualmente (senza il coordinatagrafo)[1]. Nella produzione automatica vengono utilizzati dei sistemi CAD in grado di fornire maschere dalle corrette dimensioni. Il software CAD, sul quale viene disegnato il circuito, è in grado di convertire le informazioni ricevute in comandi (genericamente in formato GERBER o ORBOTECH) che pilotano un fotoplotter, il quale riproduce il layout in scala 1:1 nella emulsione fotosensibile di una pellicola fotografica ad elevata risoluzione. Sviluppando quest ultima si ottiene una riproduzione del circuito in zone opache e trasparenti. Le fotomaschere possono essere diverse a seconda del circuito che si desidera realizzare: una per i conduttori, una per i resistori, una per il retro, una per i fori metallizzati, ecc. 14

19 CAPITOLO 1 TECNOLOGIA DEI CIRCUITI IBRIDI IN FILM SOTTILE 1.3 FOTOLITOGRAFIA La fotolitografia è una tecnica, utilizzata anche nei circuiti monolitici, che consiste nel trasferimento del un modello di un circuito, utilizzando tecniche ottiche, su un polimero fotoattivo detto fotoresist. I fotoresist sono materiali che, se sottoposti all esposizione di raggi ultravioletti (UV), subiscono un marcato cambiamento di solubilità. Quelli commerciali normalmente contengono fotosensibilizzanti, cioè composti organici che assorbono energia radiante, su una larga regione dello spettro, trasferendola ai centri attivi del polimero che iniziano le reazioni chimiche. I fotoresist, utilizzati nella tecnologia planare di semiconduttori e circuiti in film sottile, devono essere: (a) capaci di riprodurre le immagini con eccellente accuratezza ed alta risoluzione; (b) insensibili ai diversi tipi di attacchi; (c) facilmente e totalmente rimovibili; (d) sicuri da maneggiare. A seconda della natura dei cambiamenti fotochimici in solubilità si dividono in due classi: 1) fotoresist positivi, i quali sotto l azione di raggi UV subiscono reazioni di decomposizione fotochimiche, che colpiscono i loro momenti di dipolo aumentandone la solubilità in certi solventi. Per questo le regioni su cui non deve essere rimosso il conduttore vanno protette dall esposizione agli UV, mentre quelle dove va asportato devono essere trasparenti. 2) fotoresist negativi, i quali sotto l azione di raggi UV subiscono reazioni di cross-linking, che ne diminuiscono la solubilità in certi solventi. Per questo è necessario che le regioni su cui non deve essere rimosso il conduttore siano trasparenti, mentre quelle dove va asportato vanno protette dall esposizione agli UV; Gli strati protettivi ottenibili con i fotoresist positivi sono più sottili di quelli ottenibili con i negativi; inoltre in commercio è più semplice reperire i primi perché più facili da utilizzare. Uno dei passi più critici del processo fotolitografico è l esposizione ai raggi UV, in quanto è in questo stadio avviene il cambiamento della solubilità. 15

20 CAPITOLO 1 TECNOLOGIA DEI CIRCUITI IBRIDI IN FILM SOTTILE La definizione del modello sul fotoresist avviene in due passi: a) formazione di un immagine latente sul fotoresist, mediante esposizione ai raggi UV; b) sviluppo di questa immagine fino al raggiungimento della struttura tridimensionale. La qualità e la fedeltà dell immagine latente sono governate da fisica e chimica dell esposizione. Un tipico processo di utilizzo del fotoresist è mostrato nello schema a blocchi di Fig.1.2. La deposizione del fotoresist può avvenire mediante varie tecniche, tra le quali citiamo l utilizzo di bombolette spray, l immersione, la ricopertura mediante pennello e la stesura tramite uno spinner ( spin coating ). L ultima, che consiste nel rivestimento del substrato stendendo il polimero mediante uno spinner (centrifuga), è composta da quattro passi: a) inondamento del substrato con il fotoresist; b) accelerazione al desiderato numero di giri (rpm); c) rotazione a velocità costante; d) decelerazione ed arresto. Si depone una idonea quantità di fotoresist all interno del substrato, si ruota quest ultimo ad un basso rpm (per consentire la stesura di un film liquido uniforme) e si accelera fino al raggiungimento della velocità finale desiderata; dopo un tempo adeguato si arresta la rotazione in modo più o meno brusco. I parametri che governano la velocità e lo spessore del film comprendono la composizione del polimero, il peso molecolare, la concentrazione della soluzione (viscosità), la velocità angolare, l accelerazione dello spinner, ecc. Lo spessore t del film di fotoresist dipende dalla velocità angolare secondo la seguente funzione: dove α e k sono delle costanti. α t = kω Durante lo spin coating possono generarsi dei difetti, nel qual caso sono osservabili e distribuiti radialmente. Le condizioni che governano l uniformità del film ed i difetti di densità includono: la pulizia dell ambiente, il controllo della temperatura e dell umidità, l integrità meccanica dello spinner. L operazione di ricopertura deve avvenire in ambienti ad elevata pulizia ( camere bianche ). 16

21 CAPITOLO 1 TECNOLOGIA DEI CIRCUITI IBRIDI IN FILM SOTTILE Deposizione Fotoresist Soft-bake Esposizione Sviluppo Hard-bake Attacco o Crescita Galvanica Strip Fig. 1.2 Schema a blocchi semplificato di un processo fotolitografico. 17