2.3.3 Получение пленок методом трафаретной печати

Толстопленочная технология, которая располагает удобными при освоении в производстве и дешевыми методами осаждения пленок, применяется для разметки рисунка контактной сетки на поверхности солнечных элементов, создания межэлементных соединений при изготовлении солнечных батарей, а в последние годы — для получения фотоактивных полупроводниковых слоев и создания солнечных элементов [101 —104]. Особенности этой технологии состоят в том, что на соответствующие участки подложки обычным методом трафаретной печати наносится

паста, содержащая материал, необходимый для получения проводящих слоев, пленочных резисторов или приборов. В результате последующего отжига, проводимого в определенном режиме времени и температуры, твердые компоненты пасты прочно соединяются с подложкой. На поверхности прибора или схемы может быть создано защитное покрытие из смолы. Более надежную защиту обеспечивает герметизация в прозрачной оболочке, в металлическом или керамическом корпусе. При использовании данного метода капиталовложения и текущие расходы относительно невелики, для обслуживания оборудования не требуются высококвалифицированные и опытные операторы, а переход на изготовление новой продукции при изменении формы прибора или конструкции схемы осуществляется просто и без больших затрат.

2.3.3.1 Физические основы метода трафаретной печати

2.3.3.1а. Подложки. Подложки, используемые для нанесения пленок с применением толстопленочной технологии, должны обладать следующими свойствами: 1) однородной гладкой поверхностью, обеспечивающей высокую адгезию толстой пленки, прошедшей термообработку; 2) минимальным изгибом поверхности и плоскопараллельностью; 3) устойчивостью к высокотемпературному воздействию в процессе термообработки, обычно проводимой в интервале температур от 500 до 1000 °С; 4) большой механической прочностью, высокой теплопроводностью и хорошими электрическими характеристиками; 5) совместимостью по физическим и химическим свойствам с пастой, применяемой для создания пленочных проводников и резисторов, а также диэлектрических и полупроводниковых слоев; 6) низкой стоимостью при массовом выпуске продукции.

В качестве подложек в принципе можно использовать разнообразные керамические материалы, например оксиды алюминия, бериллия, магния, тория и циркония [5, 105]. Для получения полупроводниковых слоев применяют также стеклянные подложки [102, 104]. Высокочистый (96%) оксид алюминия имеет наилучшее сочетание электрических, тепловых и механических свойств. Подложки из оксида бериллия, обладающего высокой теплопроводностью, обеспечивают эффективное рассеяние тепла, выделяющегося в электрической схеме.

При нанесении пленок печатным методом особое внимание уделяется структуре поверхности подложки. Очень гладкая поверхность приводит к низкой адгезии толстых пленок, образующихся в результате отжига, в то время как поверхность с крупным микрорельефом не позволяет получать пленки воспроизводимой толщины. Для практического применения приемлемы подложки, у которых высота выступов над усредненной

Рис. 2.17. Схема устройства для трафаретной печати.

центральной линией, характеризующая степень чистоты поверхности, составляет 0,5. ..1 мкм. Согласно определению, высота таких выступов равна среднеарифметическому значению отклонений профиля поверхности как вверх, так и вниз по отношению к центральной линии измеренного профиля. Профиль поверхности можно быстро измерить с помощью профилометра типа Talystep.

Для большинства областей применения толстых пленок и печатного метода их нанесения допустимые отклонения длины и ширины подложек от предусмотренных размеров, а также точность расположения отверстий составляют около ±1 мкм. Площадь подложек определяется конкретными требованиями и обычно находится в пределах от 3 до Толщина подложки составляет 0,05. ..0,1 см с допустимым отклонением от ±25 до ±100 мкм. Изгиб подложки, как правило, не должен превышать 40.. .50 мкм/см.

Малый допуск на длину, ширину и толщину подложек, а также требования высокой точности расположения отверстий и незначительного изгиба подложек необходимы для успешного выполнения последующих операций печатного монтажа. Как отмечалось ранее, материал подложки по своим физическим и химическим свойствам должен быть совместим с материалом пасты, применяемой для получения толстой пленки. Предприятия, выпускающие такие пасты, обычно гарантируют, что они совместимы по составу со стандартными материалами для подложек. Однако напоминание о том, что пасты и подложки должны соответствовать друг другу по своим свойствам, будет нелишним для тех, кто самостоятельно готовит пасты специального состава. Для того чтобы избежать появления механических напряжений, трещин, отслаивания и необратимых изменений свойств пленок, коэффициенты теплового расширения полностью отожженной пасты и материала подложки должны иметь максимально близкие значения.

2.3.3.1b. Процесс печати. Процесс трафаретной печати, схематически изображенный на рис. 2.17, включает установку подложки в корпусе держателя, перевод держателя в положение при котором он находится непосредственно под трафаретом, и точную фиксацию подложки относительно рисунка трафарета. Рисунок трафарета создают с использованием методов фотолитографии, при этом участки полотна трафарета с открытыми: ячейками определяют конфигурацию области, на которую будет нанесена паста. Подложка, переведенная в рабочее положение, находится на малом, строго определенном расстоянии от трафарета. Верхнюю плоскость трафарета покрывают небольшим количеством пасты. Резиновый скребок, называемый ракелем, перемещаясь от одного края трафарета к другому, прогибает его, приводя в контакт с подложкой, и выталкивает пасту через открытые ячейки сетки. Когда ракель выходит за пределы подложки, полотно трафарета под действием упругих сил возвращается в исходное положение, а на подложке остается отпечаток пасты необходимой формы. После этого держатель выводят из-под трафарета и, установив новую подложку, продолжают процесс печати.

Печатное устройство содержит следующие основные элементы: 1) трафарет, закрепленный в раме; 2) держатель подложки и систему механической подачи, которую можно приводить в действие вручную или автоматически; 3) ракель и прижимное устройство; 4) регулировочный механизм для установки подложки строго в определенном положении по отношению к трафарету.

Трафарет крепится с помощью микрометрических винтов, которые облегчают его установку (путем перемещения в двух взаимно перпендикулярных направлениях и поворота) в таком положении, при котором поверхность трафарета параллельна подложке. Возможна также регулировка зазора между трафаретом и подложкой. Его величина влияет на количество пасты, проходящей через трафарет, и на точность воспроизведения рисунка.

Держатель подложки представляет собой пластину с углублением для подложки, фиксируемой с помощью вакуумного прижимного устройства. Держатель устанавливают на движущейся каретке, которая перемещается между теми частями печатного устройства, где осуществляются загрузка подложки и печать.

Механизм, приводящий в действие ракель, снабжен различными микрорегуляторами, которые обеспечивают его

параллельное перемещение по отношению к трафарету, необходимое давление и определенный угол между лезвием ракеля и трафаретом. Обычно перемещение ракеля вдоль трафарета производится в автоматическом режиме со скоростью, устанавливаемой в диапазоне от 0,25 до 25 см/с. Печатное устройство может работать как при прямом ходе ракеля, так и при его перемещении в прямом и обратном направлениях.

Паста наносится на поверхность трафарета вручную при помощи шпателя, однако можно использовать и автоматическое дозирующее устройство.

Трафарет выполняет две функции: с его помощью создают рисунок оттиска и регулируют количество поступающей на подложку пасты. Объем пасты, содержащейся на участках трафарета с открытыми ячейками, зависит от плотности ячеек, их диаметра и толщины полотна трафарета. Чаще всего применяют трафареты следующих четырех типов.

1)    Эмульсионный трафарет, при изготовлении которого фотоэмульсия накатывается однородным слоем на сетку и просушивается. Затем для разметки рисунка производится экспонирование эмульсии через соответствующий фотошаблон с использованием ультрафиолетового излучения. Облученные участки фотоэмульсии становятся нерастворимыми и остаются в дальнейшем на поверхности трафарета. Химически активные (неэкспонированные) участки эмульсии удаляются в проявителе. Фотоэмульсия, нанесенная в виде тонкого слоя, закрывает отверстия ячеек и практически не влияет на толщину трафарета или на количество пасты, содержащейся в открытых ячейках. При использовании большего количества эмульсии возрастают как эффективная толщина трафарета, так и объем пасты в открытых ячейках.

2)    В комбинированном эмульсионном трафарете применяется светочувствительная пленка, к тыльной поверхности которой приклеена полиэфирная пленка, имеющая покрытие из желатина. Слоистую структуру, состоящую из светочувствительной и полиэфирной пленок, экспонируют, проявляют и промывают таким же образом, как и при изготовлении обычного эмульсионного трафарета, а затем влажную пленку накладывают на сетку и скрепляют их благодаря клеящим свойствам желатина. После просушивания полиэфирную пленку удаляют, и полученный трафарет готов для употребления. Наличие клеящего слоя увеличивает толщину трафарета.

Комбинированные эмульсионные трафареты имеют более однородный по толщине слой эмульсии и обеспечивают более высокое разрешение линий по сравнению с обычными эмульсионными трафаретами. Однако для них характерно относительно слабое механическое сцепление между слоем эмульсии и сеткой. Если с помощью обычного эмульсионного трафарета

Таблица 2.7. (см. скан) Соотношения между плотностью ячеек трафарета, диаметром проволоки сетки и толщиной нанесенного слоя пасты [105]

можно получить около 20 тыс. оттисков, то при использовании комбинированного трафарета — лишь около 5 тыс.

При изготовлении трафаретов обоих типов в качестве полотна обычно применяют сетки из нейлона или нержавеющей, стали. Натяжение сетки зависит от размеров рамы и диаметра проволоки или нити. В табл. 2.7 представлены соотношения: между плотностью отверстий сетки, диаметром проволоки и толщиной нанесенного слоя пасты. При тщательном контроле-процесса печати, применении паст на основе тонкого порошка и мелких густых сеток минимально возможные значения ширины линий и расстояния между ними составляют Использование при контактной печати металлических масок; позволяет получать рисунок с шириной линий до 25 мкм, расстоянием между ними около 75 мкм при допуске на ширину линии ±5 мкм.

3) Гибкие металлические трафареты изготовляют методом травления из металлической фольги толщиной 25.. .50 мкм,, которую после химического вытравливания соответствующего рисунка прикрепляют к растянутой на раме сетке из нержавеющей стали.

4) Жесткие металлические трафареты, получаемые методом травления, состоят из биметаллической пластины, в нижнем:

слое которой с помощью соответствующего травителя создают необходимый рисунок, а в верхнем слое, над участками, на которые в соответствии с рисунком должна поступать паста, вытравливают набор сквозных отверстий.

Применение жестких трафаретов вместо гибких металлических (у которых полученный травлением рисунок точно не совпадает с расположением ячеек сетки) позволяет уменьшить допуски на размеры линий, поскольку при их изготовлении перед проведением операции травления рисунки верхней и нижней частей биметаллической пластины точно совмещают с помощью микроскопа. Металлические трафареты имеют больший срок службы, чем эмульсионные, причем наиболее долговечны жесткие металлические трафареты, получаемые методом травления.

Для равномерного поступления пасты из трафарета необходимо, чтобы при рабочем ходе ракеля его нижний край перемещался параллельно трафарету. Еще одно важное условие при проведении печати состоит в том, что лезвие ракеля должно быть изготовлено из материала, химически инертного по отношению к обычно применяемым растворителям. К таким материалам относятся неопрен, полиметан и политетрафторэтилен. Согласно рекомендациям, угол между лезвием ракеля и трафаретом должен составлять 45°, однако при определенных условиях к лучшим результатам приводит использование затупленного лезвия из относительно мягкого материала.

Давление ракеля на трафарет должно быть таким, чтобы -его прохождение через участки, не содержащие пасты, не вызывало повреждения тонкой пленки, закрывающей ячейки сетки. Усилие, которое необходимо приложить к ракелю, зависит от натяжения сетки и зазора между трафаретом и подложкой, и его величина обычно не превышает 54 Н. Избыточное усилие приводит к образованию оттисков с неровными краями и может вызвать деформацию трафарета при выходе ракеля за пределы подложки.

2.3.3.1с. Качество оттисков. Качество оттисков в значительной степени зависит от реологических параметров пасты, таких, как вязкость, поверхностное натяжение и способность к тиксотропному восстановлению структуры. Эти параметры влияют на смачивание пастой поверхности подложки и трафарета и, следовательно, на количество пасты, выделяющейся из ячеек на подложку в процессе печати.

Наиболее важными характеристиками оттиска являются толщина пленки и четкость рисунка. Для получения оттисков малой толщины необходимы следующие условия: 1) низкая вязкость пасты, 2) высокое давление ракеля, 3) большая скорость перемещения ракеля, 4) узкий зазор между трафаретом и подложкой, 5) небольшой угол между лезвием ракеля и трафаретом, 6) использование ракеля с лезвием из твердого материала.

Если какие-либо из этих условий не выполняются, то толщина пленки возрастает.

Оттиски, имеющие неоднородную толщину по длине подложки, образуются при 1) неравномерном перемещении ракеля, 2) непараллельном расположении трафарета и подложки, 3) Недостаточном количестве пасты на трафарете и 4) узком зазоре между трафаретом и подложкой. Оттиски неоднородной толщины по ширине подложки получают при 1) непараллельном расположении трафарета и подложки, 2) недостаточном количестве пасты на трафарете, 3) слабом давлении ракеля на тоафарет и 4) износе лезвия ракеля. Использование пасты с очень высокой вязкостью также приводит к образованию неоднородных слоев.

Неровные края линий, наличие участков, не заполненных пастой, или ее растекание снижают четкость рисунка. Неровные края оттиска являются следствием 1) износа трафарета, 2) износа лезвия ракеля, 3) недостаточного давления ракеля и 4) грубого поверхностного рельефа подложки. Не заполненные пастой участки подложки образуются при 1) засорении ячеек сетки, 2) высокой вязкости пасты, 3) недостаточно большом давлении ракеля, 4) использовании твердого или изношенного лезвия ракеля, 5) малом угле между лезвием ракеля и трафаретом и 6) чрезмерно высокой скорости перемещения ракеля. Растекание пасты вызывают 1) ее очень низкая вязкость, 2) недостаточно широкий зазор между трафаретом и подложкой, 3) малая скорость перемещения ракеля, 4) износ лезвия ракеля, 5) избыточное давление ракеля на трафарет, 6) загрязнение трафарета и 7) слабое натяжение сетки трафарета.

2.3.3.1 d. Процесс отжига. В процессе дальнейшей обработки оттисков можно выделить четыре стадии: соединение частиц пасты, сушку, удаление органического связующего и отжиг при высокой температуре.

Свеженапечатанный рисунок состоит из множества отдельных точек, положение которых соответствует открытым ячейкам трафарета. При выдержке подложки в течение нескольких минут в обычных условиях происходит слияние частиц пасты и образуется сплошная ровная пленка. Время, необходимое для соединения частиц, зависит от состава пасты. При использовании металлических трафаретов, не содержащих ячеек, дополнительного времени для получения сплошной пленки не требуется.

Просушивание слоя пасты, нанесенной методом трафаретной печати, которое сопровождается выделением ее наиболее летучих компонентов, обычно проводится при температурах от 70 до 150 °С в течение 15. ..30 мин. Для получения высококачественных пленок необходим тщательный контроль процесса сушки. При неправильно выбранных параметрах этого процесса возможно образование таких дефектов, как пузыри, раковины

и трещины, которые приводят к разрушению пленки. Для сушки часто применяют небольшие печи или инфракрасные лампы, хотя наилучших результатов можно достичь при использовании низкотемпературной туннельной печи с резистивным или радиационным нагревом, снабженной конвейером. В процессе сушки необходимо проводить вентиляцию печи.

Значительное количество органических материалов, обычно испаряющихся из пасты при сушке, можно быстро удалить при относительно низкой температуре посредством насыщения пасты углеродом и кислородом. В связи с этим термообработку проводят в окислительной атмосфере. Органическое связующее полностью выделяется из пасты на первом этапе заключительного процесса отжига.

Отжиг осуществляют в многозонной туннельной печи. Ее температурный профиль должен обеспечивать необходимую продолжительность выдержки образцов при низкой температуре для того, чтобы полностью удалить органическое связующее.

На втором этапе отжига температуру повышают до ее наибольшего значения, которое может достигать 1000 °С. Стекло, входящее в состав пасты, расплавляется, и образующаяся стеклообразная масса соединяет частицы вещества пленки, а также обеспечивает ее соединение с поверхностью подложки. Возможность получения пленки с необходимыми свойствами зависит от характера химических реакций, протекающих в высокотемпературной зоне печи. Для получения высококачественных пленок требуется точный контроль температурного режима.

2.3.3.2 Химические основы процесса

Химические реакции, протекающие в процессе отжига, в общем виде можно описать следующей схемой:

Реактивы-Промежуточные продукты-Конечные продукты

Скорость реакций зависит от концентраций реактивов, промежуточных и конечных продуктов реакций, от физического состояния реактивов, состава окружающей среды, продолжительности и температуры отжига. Для паст специализированного назначения основная часть перечисленных параметров имеет фиксированные значения. Двумя переменными параметрами, с помощью которых можно регулировать течение реакции, являются продолжительность и температура процесса. Скорость реакции может быть выражена соотношением

Здесь постоянные величины, а -абсолютная температура.

Реакции, протекающие в процессе отжига, классифицируют следующим образом: 1) реакции между компонентами пасты,

2) реакции между компонентами пасты и материалом подложки, 3) реакции между компонентами пасты и веществами, содержащимися в печи, 4) реакции между компонентами различных паст, находящихся в контакте друг с другом [105].

К реакциям, происходящим между компонентами пасты, относятся реакции между 1) металлами, которые являются основными составляющими пасты, 2) металлами и связующими постоянно присутствующими в пасте, 3) металлами и связующими, которые впоследствии будут удалены из пасты, 4) компонентами постоянно присутствующих связующих и 5) связующими обоих видов.

Вещества, содержащиеся в атмосфере печи, могут взаимодействовать с металлами или их соединениями, а также со связующими обоих видов.

При создании многослойных покрытий или нанесении одного покрытия (например, токоведущей шины) поверх другого» (которое может представлять собой печатную структуру, состоящую из полупроводника, диэлектрика и пленочного резистора) во время отжига возможно взаимодействие компонентов прилегающих друг к другу пленок. Типичным примером такого процесса является диффузия металлической фазы проводящей пленки в резистор.

2.3.3.3 Характеристики пасты

Пасты, применяемые для получения толстых пленок, обычно» содержат: 1) основной компонент, который должен присутствовать в металлической, резисторной, диэлектрической или полупроводниковой пленке в виде тонкоизмельченного порошка; 2) связующее вещество, представляющее собой тонкоизмельченную стеклянную фритту; 3) органическую суспензию; 4) органический растворитель.

Состав пасты выбирается исходя из того, какими свойствами должен обладать конечный продукт (окончательно сформировавшаяся пленка); при этом имеется широкий выбор промышленно выпускаемых паст для получения проводящих, резисторных и диэлектрических слоев. Полупроводниковые пасты пока не изготовляются в промышленном масштабе, и их применение ограничено. В табл. 2.8 приведены наиболее важные характеристики паст, используемых для получения электропроводящих и полулроводниковых пленок.