專利名稱：用于有選擇地在微電子襯底上沉積薄膜的自對準的金屬掩模組件以及使用方法
技術領域：
已注冊的新發(fā)明所屬的技術 領域是電子領域，更具體而言，屬于制造金屬接點和/ 或沉積絕緣薄片的技術。
背景技術：
新發(fā)明涉及適于沉積薄膜的金屬掩模，以在器件上以及板或電子襯底上建立印刷 線、觸點和絕緣區(qū)域。當前有很多用于產(chǎn)生金屬和絕緣體膜(通常是薄膜)的技術，然后，這 些膜允許限定預設形狀和大小的印刷線。例如，在微電子制造技術中，可以引用金屬膜的沉 積(通過蒸汽或陰極濺射，也稱為“濺射”)以及光刻過程之后的其后續(xù)蝕刻。所述過程是 從在金屬上沉積光樹脂開始的。然后，通過掩模繼續(xù)其曝光，使樹脂顯影，并通過樹脂中的 開口孔隙有選擇地蝕刻金屬，最后，去氧化皮。在印刷電路板的顯影過程中，可以提及非常 類似的光刻過程，其中通過層疊將要蝕刻的金屬膜連結(jié)到襯底(例如，玻璃纖維襯底)。用 于產(chǎn)生金屬印刷線和觸點的另一常用的方法是剝離法技術。在此情況下，最初將光樹脂沉 積要金屬化的襯底上。這是通過掩模來絕緣的。隨后，使樹脂顯影，以丟棄要金屬化的襯底 的已曝光的區(qū)域。在此之后，沉積金屬薄膜，最后，對樹脂進行去氧化皮。在此最后一個步 驟中，樹脂與它上面的金屬膜隨樹脂一起移走，但金屬與襯底進行直接接觸的區(qū)域除外。用 于限定板上的印刷線的另一個常用的技術(例如，在陶瓷襯底上的混合電路的顯影中)是 通過模板或模版(通常是金屬)沉積導電墨水的厚膜，模板或模版包含合適的孔隙以讓墨 水穿過所需的位置并限定圖案。簡言之，這是也用于有選擇地沉積電介質(zhì)材料的絲網(wǎng)印刷 過程。如可以觀察到的，在頭兩個可選擇的金屬化過程中，襯底經(jīng)受光刻過程。一方面， 這意味著，將包含想要轉(zhuǎn)移的圖案的掩模與襯底對準。此外，其還被曝光，以與各種物質(zhì)接 觸光樹脂、顯影劑、金屬蝕刻產(chǎn)品等等。絲網(wǎng)印刷和導電墨水的沉積一般與半導體器件或 襯底的金屬化不兼容，特別是由于與焊盤的不良接觸電阻，較低的空間分辨率和所述墨水 涉及最大電流的限制。一個對前面所述所有過程的替換過程是影孔板(shadow masking)?；旧?，這是 通過置于襯底和所要沉積的材料源之間的篩或穿孔掩模來沉積材料膜(例如，通過濺射的 蒸汽)。因此，可以掩蔽將不進行沉積的區(qū)域，而無需使用光樹脂。此技術已經(jīng)用于微電子 學的某些領域，諸如，在有機襯底上開發(fā)集成電路的過程中，如Joo-Won Lee、Byeong-Kwon Ju, Jin Jang、Young-Soo Yoon、Jai-Kyeong Kim的《所有結(jié)構(gòu)都在塑料襯底上的由影 孔板形成圖案的高移動性有機晶體管(High mobility organic transistor patterned by the shadow-mask withall structure on a plastic substrate)》·自然禾斗學期干丨J (Journal of Material Science), (2007) 42 :1026-1030 所公開的，或在微系統(tǒng)的開發(fā)過 禾呈中，如在 Yong-SooChoa、Sung-Wook Janga> Young-Soo Sohnb> Sie-Young Choi 的〈〈使用 導電珠的振動傳感器的設計和制造(Design and fabrication of a vibration sensorusing aconductive ball)》，微電子期刊(Microelectronics Journal) 38 (2007) 416-421 中所公開的。在前一種情況下，襯底本身限制了光刻階段所涉及的溶劑的使用，而在后一 種情況下，意圖是在襯底上限定不是完全平坦的(它們中有空腔)并且因此無法進行光樹 脂的均勻沉積的金屬圖案。在任何情況下，用于微電子領域中的影孔板的掩?；蚰０娑际?常常通過使用相對復雜并且昂貴的微電子過程來制造的精密的元件，如在真空科學和技術 期刊 B，第 25 卷，2007 年 7/8 月第 4 期，第 1207-1215 頁 R. M. Tiggelaar, J. W. Berenschot, M. C. Elwenspoek, J. G. E. Gardeniers, R. Dorsman 以及 C. R. Kleijn 的《使用 SillO 制 造的沉積在非平坦表面上的薄膜金屬圖案的展開(Spreading of thin-film metal patternsdeposited on nonplanar surfaces using a shadow mask micromachined in Si 110)》中所公開的。當特定襯底的選擇性金 屬化不允許使用標準光刻過程并且不需要非常高的精 確性時，對基于微電子過程的影孔板的替換方案可以完全不適合(掩模的成本太高、襯 底與絕塵室的清潔度條件不兼容等等)。所提出的發(fā)明是準確地為這些類型的應用開發(fā) 的。在這些應用之中，我們可以提及高功率器件中的上部鋁觸點的重新金屬化，以允許它 們的后續(xù)焊接，如 A. Petitbon, N. Martin、X. Jorddu P. Godignon、D. Flores 的《制造功率 電子部件的方法以及形成的功率電子部件(Proc6d6de fabrication d，un composant electronique de puissance, etcomposant electronique de puissance ainsi obtenu))),歐共體專利 ALSTOM-CNM，n° 01401764. 4-2203.授權(quán)日期02-07-2001 中所 討論的，襯底與納米管膜的觸點的建立，根據(jù)PNAS第100卷，2003年4月29日第9期第 4984-4989 M 白勺 R. J. Chen、 S. Bangsaruntip> K. A. Drouvalakis> N. W. Shi Kam> Μ. Shim、 Y. Li、W. Kim、P. J. Utz, H. Dai的《用于高度專用電子生物傳感器的碳納米管的非共價作 用過禾呈(Noncovalent functionalization of carbon nanotubes forhighly specific electronic biosensors)》，或印刷線在陶瓷襯底上的直接限定。所提出的方法允許襯底 的選擇性金屬化(陶瓷、疊層、金屬等等)或離散的半導體器件(從它們的原始晶片中切 割)，無需借助于光刻過程。上文所提及的襯底和芯片不與任何化學產(chǎn)品(光樹脂、顯影劑 等等)進行接觸，所提出的方法允許將其與掩模或金屬化模板自動對準，無需復雜的光學 系統(tǒng)(如 Joo-WonLee、Byeong_Kwon Ju、Jin Jang、Young_Soo YoonΛ Jai-Kyeong Kim StJ ((Bf 有結(jié)構(gòu)都在塑料襯底上的由shadow mask形成圖案的高移動性有機晶體管(Highmobility organic transistor patterned by the shadow-mask with all structure on aplastic substrate))),自然科學期刊(Journal of Material Science), (2007)42 1026-1030 中所 公開的那些)。此事實允許快速地制備要處理的樣本，因此，降低了金屬化的最終成本。最后，必須提及的是，在此說明書中的現(xiàn)有技術中，我們專門針對金屬的沉積，但 是選擇性沉積技術也可以應用于可以被蒸發(fā)的諸如陶瓷或有機化合物之類的其他材料。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的應用領域是通過蒸汽、濺射、霧化及其它系統(tǒng)，選擇性沉積例如金屬的薄 膜，以在電子器件和襯底中建立印刷線或觸點。當特定襯底的選擇性沉積不允許使用標準 光刻過程并且不需要非常高的精確性時，對基于微電子過程的影孔板的替換方案可以完全 不適合(掩模的成本太高、襯底與絕塵室的清潔度條件不兼容等等)。所提出的發(fā)明是準確地為這些類型的應用而開發(fā)的(例如，高功率器件的觸點的重新金屬化，襯底與納米管的 接觸，印刷線在陶瓷襯底上的限定等等)。通過帶有限定圖案或金屬印刷線的小孔的掩?；蚰０?，在襯底上沉積所需的膜 (影孔板)。襯底與掩模的校準是通過第二掩模實現(xiàn)的，而第二掩模具有襯底完全與其匹配 的孔隙 。利用在每一個掩模制作的輔助孔來將兩個掩模對齊，并經(jīng)過輔助孔插入引導桿。將 這些桿置于包括使組件能夠擰緊的輔助構(gòu)件的金屬基部中。這種用于將掩模與襯底自動對 中的方案免除了昂貴的光學系統(tǒng)。此外，下部掩模的厚度允許襯底和上部掩模之間的分隔 距離可被控制。因為掩模可以利用與絲網(wǎng)印刷模版的生產(chǎn)中所使用的相同技術(通過激光 或化學切割)來制造，成本大大地降低，并保持優(yōu)良的精確性(容易達到0. Imm的空間分辨 率)。已經(jīng)開發(fā)出了用于沉積金屬的技術，但是，它也可以用于沉積與蒸汽、濺射、霧化及其 它系統(tǒng)兼容的任何類型的材料。所提出的發(fā)明允許通過諸如蒸發(fā)器或濺射器之類的設備來在襯底或各個半導體 器件(預先從它們的對應的晶片中切割)上進行材料的選擇性沉積，而無需借助于光刻過 程。這些類型的過程的最廣泛的應用將與選擇性金屬化相對應。該方法基于影孔板技術， 其中，通過在襯底和金屬源之間插入掩?；蚰０鎭韺⒁r底金屬化。此掩模具有孔隙，由此， 金屬可以到達襯底，表面的其余部分被遮去。所提出的方法解決了襯底與掩模的校準問題， 避免了復雜的光學系統(tǒng)，并與蒸汽和濺射系統(tǒng)的高真空條件兼容。本發(fā)明由四個基本部件 構(gòu)成1-上部金屬掩模(3)，例如由不銹鋼制成，帶有限定要金屬化的圖案的小孔(3a)， 加上其他輔助對中小孔(3b)。用以制造掩模的材料不是關鍵的(原則上，它可以是任何其 他金屬)。盡管如此，不銹鋼是非常合適的，因為它穩(wěn)定、堅固并且廉價。另外，在絲網(wǎng)印刷 中所使用的此金屬的掩模和模版也可以用于所提出的發(fā)明的框架中。此事實允許以非常 可行的成本使用具有高分辨率水平的掩模(如果掩模是利用激光切割的，分辨率高達5微 米)。2-下部掩模(4)，也是金屬，帶有與要被金屬化的襯底或器件相同大小和形狀的 小孔(4a)，加上對應的輔助對中孔(4b)。此下部掩模的厚度允許襯底的表面與上部掩模之 間的分隔距離可被控制。這一點是重要的，因為它允許掩模保持與襯底分開某一預先確立 的距離(例如，在有某種類型的材料對可以施加在襯底的表面上的壓力敏感的情況下)。另 一方面，如果想要除去沉積材料的任何類型的側(cè)散射，可以選擇掩模的厚度，以便它與襯底 的上表面接觸。前面的關于上部掩模的材料和制造的評論完全適用于下部掩模。同樣，利 用用于絲網(wǎng)印刷的模版制造的公知技術也是可行的，因為它使各種不同的厚度可用于能夠 調(diào)整要沉積或金屬化的襯底或器件的厚度。3-允許利用與掩模的輔助孔(3b和3c)相對應的桿(5b)對上部掩模及下部掩模 對中的構(gòu)件(5)。桿在構(gòu)件(5)上的定位必須以盡可能最大的精確性來進行，因為此定位部 分地確定了掩模彼此對齊以及與襯底對齊的精確性。利用當前的數(shù)控工具，以低于50微米 的精確性對桿進行定位一點也沒有問題。用以制造此構(gòu)件的材料不是關鍵的，且該材料可 以是招。4-允許利用不同的上緊螺釘(10)，以及在不同的構(gòu)件中制作的通孔和螺釘孔(分 別是7以及8)對整個系統(tǒng)進行調(diào)整和固定的構(gòu)件或框架(2)。用以制造此構(gòu)件的材料不是關鍵的，且該材料可以是鋁。 要金屬化的襯底和芯片(9)不接觸到任何化學品(光樹脂、顯影劑等等)，所提出 的方法允許將其與掩?；蚪饘倩０孀詣訉?。一個重要方面是，掩模可以利用用于制造 絲網(wǎng)印刷模板或模版的當前可用的技術來進行制造。所述模板是通過激光或通過化學蝕刻 來切割和穿孔的，在圖案的對中和限定方面產(chǎn)生非常高的精度。此外，使用用于生產(chǎn)印刷電 路板(用于絲網(wǎng)印刷的模版)的非常廣泛的技術這一事實，允許降低掩模的成本并保持高 精度。此處提出的本發(fā)明的使用過程或方法如下。在沉積過程中，操作員首先用合適的 螺釘來將掩模4固定在基部5上。隨后，將要金屬化的襯底9置于下部掩模4上的開口孔 隙內(nèi)。然后，將上部掩模3置于組件上，由于在兩個掩模中制作的對中孔4b和基部5的桿 5e，金屬化圖案3a自動地與襯底9對齊。最后，擰上部框架2，以將掩模固定到基部，且該組 件又可以與其他類似的掩模組件一起固定到沉積設備(蒸發(fā)器等)的板上，這允許在每一 過程中在更大數(shù)量的襯底上沉積材料。


圖1和2示出用于選擇性沉積的構(gòu)件的整個組件的平面圖和分解側(cè)視圖的示意 圖。2 允許擰緊和固定整個系統(tǒng)的構(gòu)件或框架。3:上部金屬掩模。4:下部金屬掩模。5 允許使上部掩模及下部掩模對中的基部或構(gòu)件。5b 對中桿。3b 輔助對中孔。9 所要金屬化或沉積的襯底和器件。3a:限定要金屬化的圖案的小孔。6 上緊螺釘。7 通孔。8 螺釘孔。圖3示出了實施例的一個示例。它表示允許擰緊和固定整個系統(tǒng)的由鋁制成的上 部框架的立體圖。圖4示出了實施例的一個示例。它表示由不銹鋼制成的上部掩模的立體圖。它具 有用于金屬化112IGBT功率晶體管的上部焊盤的必要小孔。圖5示出了實施例的一個示例。它表示其中容納有112 IGBT晶體管的下部不銹 鋼掩模的立體圖。圖6示出了實施例的一個示例。它表示由鋁制成的并帶有4個鋼制的對中桿的允 許上部掩模及下部掩模對中的基部件的立體圖。圖7示出了實施例的一個示例。它表示利用所提出的方法金屬化的IGBT晶體管 中的一個。一個跨度表示三個金屬化的區(qū)域(兩個上側(cè)區(qū)域和一個下部中心區(qū)域)。
具體實施例方式本文所提出的實施例的示例包括用于金屬化高功率器件(具體而言是IGBT晶 體管)的如圖1和2所示的系統(tǒng)的實際實施方式。所使用的器件的側(cè)向尺寸是6. 5mm χ 4. 87mm，厚度為140微米。目標是能夠在器件的上部鋁焊盤上沉積鈦、鎳或金(Ti/Ni/Au) 的三層，以便允許通過錫/鉛/銀或類似的合金來進行后續(xù)的焊接。
圖3示出了以鋁機械化的上部框架(A)。其外部尺寸是140mm χ IlOmm x3mm，4個 內(nèi)部窗口是58mm χ 43mm。在圖3中，還可以觀察到位于框架的角部的4個對中孔(4b)，和 用于框架2的擰緊螺釘?shù)牧硗?個通孔。其位于與框架2相同側(cè)向尺寸的并且厚度為200 微米的上部掩模(3)上，如圖4所示。此掩模是利用激光，使用通常用于制造絲網(wǎng)印刷模板 或模版的技術來切割的不銹鋼制成的。該事實允許以低價進行高分辨率(在該情況下，大 于/小于5微米)的生產(chǎn)。圖4的上部掩模使112個芯片能夠被金屬化。在每一個芯片的 位置，掩模具有2個矩形孔(是帶有圓角的孔)以金屬化大的發(fā)射極焊盤，以及位于2個前 述矩形孔之間的小矩形孔(角部也是圓角)以金屬化IGBT的柵極焊盤。發(fā)射極的矩形孔的 尺寸是3. Imm χ 1. 5mm，而柵極的對中孔的尺寸是0. 85mm x0. 85mm。在此所述的實施的提 出的系統(tǒng)允許最低的對中分辨率，估計為0. 1mm。在圖4中還可觀察到4個位于角部(4b) 的對中孔，以及用于框架2的擰緊螺釘?shù)牧硗?個通孔。圖5示出下部掩模，它也是用不銹鋼制成并通過與前述掩模相同的方法制造。該 掩模具有112個6. 5mm χ 4. 87mm的孔隙，這些孔隙將容納具有該尺寸的另外的112個IGBT 器件(9)。在現(xiàn)實中，且為了確保器件完全地匹配孔隙的尺寸，將它們制成大10微米。這 允許方便地安置芯片，但是過多的裕度會損害校準的精確性。將下部掩模的厚度選擇成等 于或盡可能接近于要被金屬化的器件的厚度。對于絲網(wǎng)印刷模版的生產(chǎn)，有許多個厚度可 用，對于該情況，選擇了 150微米的掩模(器件的標稱厚度是140微米)。下部掩模的側(cè)向 尺寸是150mm χ 110mm，且下部掩模用4個螺釘(6)固定到下部基部。在圖5中還可觀察到 位于角部的用于所述螺釘?shù)?個通孔，緊挨著它們有對中孔(2b)，還有用于框架2的擰緊螺 釘?shù)牧硗獾?個通孔。在圖6中可以觀察到允許上及下部掩模與要金屬化的器件對中的基部或構(gòu)件。該 構(gòu)件是由鋁制成的，其尺寸是160mm χ IlOmm χ 5mm。它在4個角部有4個通孔(7)，以允 許其固定在金屬化設備(蒸發(fā)器或濺射器)的板或樣本容器上。與這些通孔一起還可以觀 察到允許下部掩模4擰到基部5的4個螺釘孔(8)以及使固定框架2能夠擰到同一基部5 的另外的4個螺釘孔。在圖6中還可以看到與兩個掩模(3和4)的對中孔(2b)相對應并 使其能夠?qū)χ械?個鋼桿(5b)。最后，圖7示出了在使用所提出的方法和系統(tǒng)用Ti/Ni/Au執(zhí)行選擇性金屬化過程 之后IGBT器件的上表面。在芯片的鋁發(fā)射極的上部焊盤上的兩側(cè)，可以觀察到兩個大的有 陰影的矩形。在這兩者之間，觀察到框在器件的柵極焊盤內(nèi)的中心金屬化。
權(quán)利要求
用于有選擇地在微電子襯底和器件(9)上沉積薄膜材料的自對準金屬掩模組件(1)，其特征在于，所述自對準金屬掩模組件包括a)上部金屬掩模(3)，所述上部金屬掩模(3)包括限定要在所述器件或襯底(9)上沉積的圖案的小孔(3a)和對中孔(3b)；b)下部金屬掩模(4)，所述下部金屬掩模(4)包括小孔(4a)和對中孔(4b)，所述小孔(4a)具有與希望在其上沉積所述材料的器件或襯底(9)相同大小和形狀；c)基部件(5)，所述基部件(5)包括用于將所述上部金屬掩模(3)與所述下部金屬掩模(4)對中的與所述對中孔(3b，4b)相對應的桿(5b)；以及d)上部框架(2)，所述上部框架(2)包括通過螺釘(10)對準的用于固定和保持所述組件(1)的孔(7)。
2.組裝用于有選擇地在如權(quán)利要求1所述的微電子襯底和器件(9)上沉積薄膜材料的 自對準的金屬掩模的所述組件(1)的方法，其特征在于，所述方法包括下列步驟_將所述下部金屬掩模(4)固定在所述基部件(5)上；-將要在其上沉積所述材料的襯底(9)置于所述下部金屬掩模(4b)的所述孔(4a)內(nèi)；_將所述上部金屬掩模(3)固定在所述下部金屬掩模(4)上，通過所述對中孔(3b，4b) 和所述基部件(5)的所述桿(5b)將所要放置的圖案與所述襯底自動地對準；以及-將所述上部框架(2)擰到所述基部件(5)上，將所述上部框架(2)與所述基部件(5) 之間的所述兩個金屬掩模(3，4)和所述兩個襯底(9)對準。
全文摘要
所討論的本發(fā)明涉及用于有選擇地在微電子襯底和器件上沉積薄膜的自對準的金屬掩模組件，包括下列部件a)上部金屬掩模，所述上部金屬掩模帶有限定要金屬化的圖案的小孔或區(qū)域，所述金屬掩模具有對中孔，b)下部金屬掩模，該下部金屬掩模帶有與所要金屬化的襯底或器件相同大小和形狀的小孔，以及用于為組件對中的輔助孔的，c)構(gòu)件或基部，該構(gòu)件或基部設有用于對中上方部件與輔助孔的對應的桿，上部構(gòu)件或框架，該上部構(gòu)件或框架用于通過螺釘和輕微壓力固定整個組件并保持整個組件對齊。組件又可固定到沉積機器的樣本容器。
文檔編號H01L23/16GK101965634SQ200980106962
公開日2011年2月2日 申請日期2009年1月23日 優(yōu)先權(quán)日2008年1月25日
發(fā)明者D·尚切斯·尚切斯, M·威爾威赫·赫奈德茨, P·高蒂格諾, X·喬達·尚紐亞, X·普匹納·格瑞伯特 申請人:最高科研理事會