>>

Предисловие

Внедрение микроэлектроники во многие области народного хозяйства осуществляется все нарастающими темпами. Современный этап развития этой отрасли характеризуется повышенным вниманием к надежности изготовляемой аппаратуры ввиду ее резкого усложнения, а также расширения условий эксплуатации готовых изделий.

Особую актуальность приобрело производство интегральных схем (ИС), а среди них гибридных интегральных схем (ГИС), больших гибридных интегральных схем (БГИС), сверхвысокочастотных (СВЧ) микросборок и других изделий, в изготовлении которых широко применяется гибридно-пленочная технология. Эта технология дает возможность получать наиболее широкий диапазон параметров элементов схем, а также реализовать высокие точностные характеристики элементов. Проблема получения пленок, прочно связанных с подложками из полимерных материалов, возникла в последнее время в связи с расширением применения таких прогрессивных методов увеличения плотности монтажа, как металлизация гибких подложек.

Адгезия пленок между собой, а также пленок с подложкой является основным параметром, определяющим качество изделий и их надежность. Адгезия также влияет на стоимость изготовляемых изделий, так как низкая адгезионная прочность обычно обнаруживается на заключительных технологических операциях.

Основные принципы соединения разнородных материалов нашли отражение в работах советских [6—8 и др.] и зарубежных ученых. Однако в опубликованных работах недостаточно освещены физико-химические аспекты адгезии в применении к конкретным технологическим процессам. В последние годы А. И. Губановым [I, 14, 16], а также другими исследователями развиваются теоретические аспекты адгезии, основанные на квантовомеханических подходах к проблеме образования связи. Несмотря на большую практическую значимость, многие из вопросов адгезии не могут быть пока решены теоретически и требуют обстоятельных экспериментальных исследований.

Целью данной книги является обобщение результатов исследований, посвященных адгезии пленочных покрытий, нанесенных различными методами и при разной подготовке поверхности подложек перед нанесением пленок, что в значительной степени определяет адгезионную прочность.

Современный этап развития производства изделий электронной техники характеризуется повышенным вниманием к гибридно-пленочной технологии, поскольку существуют принципиальные трудности в создании надежных активных компонентов в пленочном исполнении. Гибридно-пленочная технология заключается в том, что пассивные элементы (проводниковые дорожки, резисторы, конденсаторы ri др.) изготавливаются средствами тонкопленочной технологии, а активные дискретные элементы соединяются с пассивными элементами при помощи микроконтактирования.

Пассивные элементы для ГИС — коммутационные дорожки, контактные площадки и резисторы — наносятся на диэлектрические подложки при помощи определенного комплекса технологических операций, основными из которых являются нанесение тонких пленок в вакууме и процесс фотолитографии. Иногда толщина проводниковой пленки увеличивается путем применения процесса гальванического наращивания на тонкую пленку, осажденную в вакууме.

Тонкопленочная технология заняла прочное положение в производстве СВЧ приборов. Это связано с несомненным преимуществом гибридных схем в СВЧ диапазоне, где у полупроводниковых ИС чрезвычайно возрастают паразитные связи. Была продемонстрирована возможность изготовления многих СВЧ устройств в виде интегральных схем: смесителей, детекторов, генераторов, усилителей и т. д. В настоящее время наблюдается дальнейшая интеграция в технике СВЧ.

Следует отметить, что гибридная технология позволяет создавать схемы высокой степени интеграции — большие гибридные интегральные! схемы (БГИС), которые в отличие от полупроводниковых БИС имеют практически неограниченную степень интеграции, так как для полупроводниковых БИС ограничения определяются площадью кристалла и минимальными размерами между элементами.

Устройства большой сложности удается реализовать путем применения гибридных микросхем, в качестве компонентов которых используются полупроводниковые БИС.

При проектировании БГИС весьма актуальной является задача увеличения плотности компоновки навесных элементов. Одним из перспективных методов увеличения плотности монтажа является использование тонкой полиимидной пленки, на которую 4

с двух сторон наносятся] коммутационные слои, соединенные между собой через металлизированные отверстия. Нанесение проводящего покрытия на полиимидную пленку производится методом вакуумного напыления и последующего гальванического наращивания. После проведения процессов фотолитографии производится склеивание полиимидных плат. Переход на гибкие пленочные коммутационные платы значительно уменьшает габаритные размеры и массы изготавливаемых изделий.

Необходимо отметить, что современный этап развития технологии изготовления ГИС характеризуется более низкой стоимостью подготовки производства по сравнению с полупроводниковыми ИС и большой мобильностью, т. е. возможностью использования для изготовления широкой номенклатуры изделий. Бесспорным преимуществом гибридных ИС по сравнению с полупроводниковыми является меньший разброс параметров пассивных элементов, лучшие возможности реализации требуемых электрических характеристик, а также возможности создания мощных схем.

Тонкопленочная технология заняла прочное место в высококачественной и нестандартной аппаратуре. Особенно рентабельны ИС при производстве малых серий. Производство гибридных схем может быть организовано на предприятиях общего радиотехнического профиля при условии поставки активных компонентов.

При изготовлении ГИС адгезия выступает как важнейший показатель надежности изделия. Следует отметить, что высокая надежность, присущая ИС, значительно теряется из-за необходимости создания большого числа междусхемных соединений. Это приводит к неисправностям вследствие возможных некачественных контактов и понижению надежности системы на ИС в целом. Практика показывает, что надежность ГИС определяется в первую очередь прочностью сварных контактов, которая сильно зависит от адгезии контактов к подложке. Особенно важно обеспечить хорошую адгезию металлизации плат на основе полиимидной пленки, так как в процессе дальнейшего изготовления они будут подвергаться изгибам, которые могут быть причиной отслаивания пленочной структуры.

Адгезия является очень сложным физико-химическим явлением, которое зависит от множества технологических параметров процесса производства тонкопленочных изделий, а также от индивидуальных свойств используемых материалов. В настоящее время отсутствует общая теория адгезии, что объясняется, во-первых, тем, что адгезия может быть обусловлена совершенно различными физическими явлениями, во-вторых, большим числом параметров, которые влияют на адгезию, причем некоторые из них трудно поддаются контролю (например, качество очистки подложки). Кроме того, проблема выбора оптимальных параметров производства осложняется отсутствием достаточно совершенной методики измерения адгезионной прочности.

Во многих случаях для проектирования технологических процессов более важным является физико-химический подход к проблеме адгезии, нежели статистический, так как при этом полнее вскрываются явления, сопровождающие процесс производства, и это позволяет повысить устойчивость технологии и уменьшить разброс характеристик изготавливаемых изделий. Кроме того, изделия для аппаратуры частного применения выпускаются в малых количествах и в этом случае нет широкой! производственной базы, на основе которой можно накопить статистические данные.

Конкретный выбор технологических операций производства ГИС зависит от используемых материалов подложки и наносимой пленочной структуры. В качестве материалов для подложек могут применяться различные виды ситаллов, керамик, а также ферриты., Из керамик наибольшее распространение для СВЧ схем получила керамика «поликор». В качестве материала подложек для производства гибких плат наибольшее распространение получила полиимидная пленка. Перед процессом нанесения тонкопленочных структур подложки, как правило, проходят цикл очистки, который включает химическую отмывку, прогрев и очистку в плазме.

Для того чтобы покрытие удовлетворяло некоторому комплексу электромеханических требований, необходимо последовательно наносить пленки различных материалов, т. е. использовать многослойные тонкопленочные структуры. Обычно пленки наносятся в следующем порядке: адгезионный подслой — проводниковый слой — защитный слой. Если необходимо получить на плате резисторы, то формируют дополнительно резистивный слой в промежутке между; подложкой и адгезионным подслоем. На гибкие подложки из полиимидной пленки резистивный слой, как правило, не наносится. В качестве материалов для адгезионного подслоя в технологической практике наиболее часто употребляются хром, ванадий, титан, тантал. Наибольшее распространение получил хром. Слой проводника, как правило,: формируется из меди, золота или алюминия. В качестве защитного слоя для предотвращения окисления медной пленки может быть нанесен никель.

Многие свойства пленок, в том числе и адгезия, зависят от технологических параметров нанесения. В настоящее время разработано и с успехом применяется достаточно много методов нанесения (формирования) пленочных покрытий. Все методы нанесения пленочных структур можно разделить на две группы: конденсационные, при которых материал пленки наносится на подложку в вакууме и в специальных устройствах, и вневакуумные, в которых используются химические реакции или эффект гальванического осаждения. К первой группе методов относятся термовакуумное напыление, катодное распыление, ионно-плазменное и высокочастотное распыление и др.

Конденсационные методы различаются по типу применяемого напылительного оборудования и по тем физическим принципам, которые лежат в основе процесса нанесения.

Рассмотрим кратко характеристики методов нанесения пленок.

Метод термовакуумного напыления. Одним из самых широко распространенных методов создания пленочных структур, который 6 отличается исключительной универсальностью, является метод термовакуумного напыления. Данный метод заключается' в предварительном расплавлении твердого испаряемого вещества, находящегося в испарителе, посредством подведения джоулева тепла. При этом образующиеся пары вещества переносятся к подложке 7H конденсируются на ее поверхность в виде пленки. Метод требует создания в зоне испарения и конденсации достаточно глубокого {около 10~4 Па) вакуума. Скорости осаждения, характерные для данного метода, относительно высоки и могут для некоторых материалов достигать 100 нм/с. В качестве материалов испарителя выбираются, как правило, тугоплавкие металлы или окислы. К достоинствам метода термовакуумного испарения относятся малый уровень загрязнений при проведении процесса, возможность варьирования режимов в широких пределах. Метод применим для разнообразных материалов.

Общепринято считать, что к основным технологическим параметрам метода термовакуумного напыления, определяющим различные свойства получаемых пленок, в том числе и адгезию, относятся:

вид материала подложки и состояние ее поверхности, определяемое характером микронеровностей, наличием различных загрязнений и адсорбированных веществ;

физико-химические свойства напыляемого материала; толщина пленки и подложки; скорость нанесения пленки;

давление, состав атмосферы остаточных газов в вакуумной камере в процессе нанесения;

температурный режим подложки.

Электронно-лучевое испарение. Разновидностью метода термовакуумного испарения является нанесение материалов с помощью нагрева электронной бомбардировкой (электронно-лучевое испарение). Для этого поток электронов в электрическом поле ускоряется до значений энергии, лежащих в интервале от 5 до 10 кэВ, и фокусируется на поверхности испаряемого материала. При столкновении кинетическая энергия электронов переходит в тепло. Отличительной особенностью данного метода нанесения пленок является возможность испарения тугоплавких металлов, таких как Ta, Nb и др. Эта возможность обусловлена тем, что температура поверхности испаряемого материала превышает 3000°С. Так как энергия передается заряженными частицами, то она может быть сконцентрирована на поверхности испаряемого! вещества, в то время как сам испаритель находится при более низкой температуре. Это приводит к значительно меньшему взаимодействию материала испарителя с испаряемым материалом, что, в свою очередь, обеспечивает получение пленок высокой частоты. В качестве источников электронов применяются электронные пушки.

При использовании нагрева электронным лучом структура получаемых пленок может дополнительно претерпевать изменения вследствие бомбардировки поверхности подложки и растущей пленки заряженными частицами.

Другие методы, основанные на испарении. Испарение может производиться за счет индукционного нагрева. В; этом случае испаряемый металл нагревается и плавится за счет вихревых токов. Метод применяется относительно редко. Физико-химические процессы, сопровождающие испарение во время индукционного нагрева, практически не отличаются от процессов, происходящих при испарении с помощью выделяющегося джоулева тепла.

В последнее время разработан метод испарения пленок с помощью лазера. Его преимуществом является возможность нанесения пленок высокой частоты, так как здесь осуществляется нагрев только поверхности испаряемого материала.

Методы распыления. Другая большая группа методов нанесения тонких пленок основана на явлении распыления материала. В отличие от метода вакуумного испарения при нанесении пленок распылением перенос материала мишени на подложку осуществляется за счет энергии ионов, бомбардирующих мишень из распыляемого материала. Преимущества метода распыления заключаются в возможности нанесения пленок тугоплавких материалов, осуществлении нанесения пленок сложных по составу сплавов и смесей без нарушения процентного соотношения между компонентами. Следует отметить, что при нанесении материала методом распыления можно получить высокую равномерность толщины пленки на подложке большой площади. При использовании метода ионного распыления имеются следующие ограничения, затрудняющие реализацию: распыляемая мишень должна иметь форму плоской пластины; скорость осаждения материала пленки, которая характерна для процесса распыления, KaiK правило, не превышает 3 him/c; подложку необходимо охлаждать (если скорость нанесения не слишком низкая).

При использовании) методов распыления на практике отмечено, что по сравнению с методами термического напыления имеется дополнительный технологический параметр, сильно влияющий на структуру осаждаемых пленок. Этим параметром является энергия осаждаемых атомов. Вопрос о !влиянии энергии распыленных атомов на зародышеобразование, адгезию и структуру пленок окончательно не решен. Трудность экспериментальной оценки данного фактора заключается в необходимости исключения влияния на результаты исследования потока электронов, сопровождающего процесс распыления.

Следует отметить, что основное преимущество метода распыления по сравнению с методом термического испарения заключается в том, что при использовании метода распыления проще решается проблема обеспечения непрерывности процесса нанесения. Трудности решения именно этого вопроса не позволили до настоящего времени реализовать на практике надежно действую- 8

щую установку термовакуумного напыления непрерывного действия.

Чаще всего для проведения процесса распыления используется система двух плоских электродов (диодная система). Однако существует несколько разновидностей данного метода, предназначенных для проведения процесса распыления в более глубоком вакууме. В распылительный системах постоянного тока применяют два способа активизации процесса распыления: во-первых, накаливают катод, во-вторых, скрещивают электрическое поле и магнитное.

Распыление в тлеющем разряде с термоэмиссией. В последнее время для ионного распыления материалов начали применять интенсивные ионные пучки, а также устройства со вспомогательной камерой, в которой генерируется плазма высокой плотности и откуда она диффундирует в главную распылительную камеру. Получение плотных ионных пучков возможно при использовании термокатода. Для вывода плазмы из| ионизационной камеры в виде относительно узкого пучка применяется наложение внешнего магнитного поля. На мишень подается напряжение, требуемое для передачи падающим ионам энергии, необходимой для распыления материала мишени.

Распылительные системы удобны для процессов непрерывного нанесения материала, например, на гибкую ленту. Возможно подавать подложки в распылительную камеру непосредственно из помещения с атмосферным давлением.

Распыление со смещением. Получать более чистые пленки можно путем подачи на них некоторого постоянного потенциала. В этом случае процесс называется распылением со смещением. Подложка подвергается дополнительной бомбатрдировке заряженными частицами, и эффект удаления примесей из растущей пленки зависит от соотношения прочностей связи металл — примесь и металл — металл. В зависимости от соотношения прочностей этих связей и выбираются оптимальные параметры распыления, в том числе напряжение смещения на мишени. Ионному распылению со смещением подобен метод ионного распыления на переменном токе асимметричной формы. В этом случае пленка во1 время ее нанесения также подвергается частичному распылению. Добиваются* чтобы больший ток протекал в тот полупериод, когда катод отрицателен.

ВЧ распыление. Для нанесения пленок диэлектриков может применяться выскочастотное распыление, в котором мишень подвергается попеременному действию ионов и электронов и поэтому на ней нет накопления заряда. Для увеличения количества электронов в плазме можно применить магнитное поле совместно с ВЧ разрядом.

В процессе реализации ВЧ распыления требуется выполнение условий: согласования полного сопротивления разрядной камеры с выходным сопротивлением источника ВЧ напряжения, надежного заземления (без специальной проверки заземление блока держателя подложек нельзя считать надежным, так как цепь, являющаяся короткозамкнутой по постоянному току, может иметь большое значение полного сопротивления на высокой частоте). Кроме того, необходимо обеспечить эффективное охлаждение катодного узла.

Анализ влияния методов и режимов изготовления тонкопленочных покрытий на их адгезионные свойства показал, что несмотря на многообразие способов нанесения покрытий адгезия в основном определяется параметрами, общими для всех методов. Например, адгезия пленок к подложке определяется в первую очередь качеством предварительной обработки поверхности подложки, которая включает в себя различные формы очистки — химической или плазменной (распылением), модификацию поверхности подложки при облучении ее частицами высокой энергии и электромагнитным излучением, а также изменением микрорельефа поверхности. Непосредственно при проведении процесса нанесения пленки в вакууме сильно влияет температурный режим подложки, состав газовой атмосферы в вакуумной камере и др. Влияние параметров процесса производства, характеризующих конкретный метод нанесения (лазерной или электронно-лучевой и т. п.), обусловлено только типом физического процесса, лежащего в основе данного метода нанесения (распыление или испарение). Обычно считается, что в случае использования способов нанесения пленок, основанных на принципе распыления, адгезия несколько выше вследствие большей энергии атомов, падающих на подложку. Исследование параметров, определяющих адгезию и являющихся общими для всех методов нанесения пленок, является наиболее ценной информацией, необходимой для построения физико-химической модели ¦адгезионного соединения и в конечном итоге физической модели надежности ИС.

После проведения процессов нанесения тонкопленочной структуры требуемая геометрия рисунка создается методами фотолитографии. Наиболее широко применяется селективная фотолитография, которая основана Hia специальном подборе селективных тра- вителей, взаимодействующих только с одним материалом многослойной пленочной структуры. После проведения операций фотолитографии производится гальваническое наращивание слоя проводника до общей толщины 10—30 мкм. Иногда конечной операцией нанесения покрытий является наложение слоя олова для облегчения припайки навесных элементов. Процессы фотолитографии и гальванического и химического наращивания пленок могут влять на адгезию, во-первых, из-за химического взаимодействия материала пленки с реагентами, во-вторых, в результате того, что процессы наращивания толщины пленок изменяют напряженное состояние в пленке, что, ib свою очередь, может изменить адгезионную прочность.

| >>
Источник: Углов А. А. и др.. Адгезионная способность пленок.—М.: Радио и связь,. — 104 с.. 1987

Еще по теме Предисловие:

  1. ПРЕДИСЛОВИЕ
  2. ПРЕДИСЛОВИЕ
  3. X. Штейнталь Предисловие (С сокращениями)
  4. Предисловие ко второму изданию
  5. ПРЕДИСЛОВИЕ
  6. Предисловие
  7. ПРЕДИСЛОВИЕ
  8. ПРЕДИСЛОВИЕ
  9. Предисловие 1
  10. ПРЕДИСЛОВИЕ
  11. ПРЕДИСЛОВИЕ