tehnologiya-uluchsheniya-parametrov-kachestva-podlozhek-nitrida-alyuminiya (781561), страница 3
Текст из файла (страница 3)
Керамика из нитрида алюминия является идеальным конструкционным материалом для приборов и устройств на основе кремниевых кристаллов, так как коэффициенты температурного линейного расширения (КТЛР) алюминия и кремния практически совпадают в широком температурном диапазоне.
Наиболее оптимальные условия пайки кремниевого кристалла создаются при его посадке на подложку из нитрида алюминия. Таким образом, использование подложек из нитрида алюминия для монтажа кремниевых кристаллов ведет к существенному снижению напряжений в местах спая, что значительно повышает качество изделий и увеличивает их надежность.
Создание современных устройств передачи научных данных, систем радиолокации, радиодальномеров и радиовысотомеров требует разработки компактных узлов, рассеивающих значительные тепловые мощности. В подобных устройствах широко применяются интегральные схемы миллиметрового диапазона (ММГС), которые имеют плотность рассеиваемой мощности порядка 1 Вт/мм2. Для отвода такой плотности мощности требуются материалы с высокой теплопроводностью и с КТЛР, близким к КТЛР полупроводниковых материалов подложек интегральных схем (кремния, арсенида галлия, нитрида галлия). Нитрид алюминия в значительной степени удовлетворяет этим требованиям.
В современных приборах широко используется установка активных полупроводниковых структур на пассивные коммутационные микрополосковые платы методом обратного монтажа (flip-chip). При этом тепло, выделяемое активными структурами, отводится через выводы этих структур на материал коммутационной платы. Изготовление микрополосковых плат из нитрида алюминия дает возможность значительно снизить рабочую температуру активных полупроводниковых структур, что существенно повышает надежность работы и увеличивает срок службы устройств.
Другой особенностью современных приборов является широкое использование многоканальных узлов с суммированием мощностей отдельных каналов. Такое техническое решение позволяет собирать передающие устройства значительной выходной мощности из относительно маломощных компонентов. Кроме того, многоканальные системы обладают повышенной структурной надежностью при выходе из строя отдельных каналов.
Для обеспечения устойчивой работы таких систем выходы отдельных каналов должны объединяться с помощью сумматоров. Согласованные нагрузки таких сумматоров должны обладать значительной допустимой мощностью, чтобы была возможность поглотить полную выходную мощность устройства. Согласованные нагрузки, выполненные на подложках из нитрида алюминия, позволяют рассеивать большую мощность при относительно небольших габаритах.
Потенциал современных передающих приборов определяется не только большой мощностью передатчиков, но и высокой чувствительностью приемных узлов. В устройствах пассивной локации и дистанционного зондирования чувствительность приемника является основополагающим фактором. Высокую чувствительность приемных узлов можно обеспечить путем охлаждения входных активных полупроводниковых структур до низких температур. При этом существует проблема отвода выделяемого этими структурами тепла. Подложки и теплопроводы из нитрида алюминия способны работать при низких температурах, вплоть до криогенных, обеспечивая эффективное охлаждение приемных систем.
3 Очистка поверхности подложек
3.1 Влияние чистоты поверхности на работу ИМС
Качество поверхностного слоя подложек существенно влияет на структурное совершенство эпитаксиального слоя. Наличие дислокаций, микротрещин, загрязнений приводит к образованию дефектов в этих слоях, причем их плотность, как правило, выше, чем в подложках. Дислокации и дефекты упаковки прорастают с подложки и наследуют ее отрицательные свойства, ухудшая эксплуатационные свойства микросхем.
Используя различные методы очистки подложек, можно удалить нарушенный слой.
3.2 Характер и источник загрязнений
Поверхностные атомы пластин по сравнения с объемными имеют большое количество ненасыщенных химических связей, чем объясняется высокая адсорбционная способность, приводящая к загрязнениям. В зависимости от типа взаимодействия загрязняющего вещества с поверхностью различают физическую и химическую адсорбцию.
Физическая адсорбция является результатом межмолекулярного электростатического кулоновского взаимодействия. Адсорбированные частицы, совершая тепловые движения, могут преодолеть силы связи и оторваться от поверхности. Физически адсорбированные загрязнения располагаются на поверхности в несколько слоев и сравнительно легко удаляются чистым растворителем, отжигом в вакууме.
Химическая адсорбция является необратимым процессом, так как между загрязнениями и поверхностью образуются прочные химические связи. Загрязнения закрепляются только одним слоем, удалить их более сложно.
Источники загрязнений представлены на рис. 5 и в таблице 4. Состав и степень загрязнений различны при разных обработках.
Рис. 5. Основные источники микрочастиц пыли:
Таблица 4
На поверхности пластин и подложек одновременно могут присутствовать многие виды загрязнений. Наиболее трудноудалимыми являются органические и некоторые химически связанные с поверхностью загрязнения. Из физических загрязнений наиболее сложно удаляются мелкие зерна абразива, внедренные в поверхностный слой. Из растворимых в воде полярных загрязнений удаляются подвижные ионы металлов, изменяющие электропроводность поверхности. В то же время получить идеально чистую поверхность практически невозможно. Поэтому применяемое в технике понятие «чистая поверхность» имеет относительный характер. Технологически чистой считают поверхность, которая имеет концентрацию примесей, не препятствующую воспроизводимому получению заданных значений и стабильности параметров ИМС. Допустимая концентрация примесей на поверхности пластин зависит от сложности ИМС и способа ее формирования, в худшем случае она не должна превышать
10-8 г/см3.
Классификация методов очистки приведена на рис. 6.
Рис. 6. Классификация методов очистки подложек и пластин
3.3 Этапы очистки подложки нитрида алюминия
Из огромного количества методов обработки подложек наиболее оптимальны следующие этапы очистки керамической подложки нитрида алюминия:
1) Обезжиривание УЗ – эмульгированием.
Ультразвуковое обезжиривание выполняют в специальных ваннах, дно и стенки которых совершают механические колебания с ультразвуковой частотой.
Эффективность очистки зависит от частоты и мощности УЗ-колебаний, температуры и времени обработки, а также от состава раствора, характера и степени загрязнений.
С повышением частоты увеличивается проникающая способность жидкости за счет уменьшения длины волны УЗ-колебаний, уменьшается вероятность разрушения образцов за счет уменьшения размеров кавитационных пузырьков. С повышением мощности УЗ-колебаний до определенных значений интенсивность кавитации возрастает. Повышение температуры повышает растворимость загрязнений и влияет на условия возникновения кавитации. Для каждой жидкости существует оптимальная температура обработки.
УЗ-колебания значительно повышают производительность и улучшают качество не только обезжиривания, но и других операций жидкостной обработки.
2) Отмывка от остатков эмульсии погружением в чистый растворитель.
На очищаемую поверхность адсорбируется молекулы растворителя и могут также вновь попасть молекулы жира и загрязнения самого растворителя. Именно поэтому применяют очищенные растворители, во время обезжиривания создают условия для максимальной растворимости и минимальной обратной адсорбции на обрабатываемую поверхность загрязнений из растворителя, а после обезжиривания удаляют с поверхности его остатки.
3) Обезжиривание в парах растворителя.
Определяющими параметрами процесса являются температура и время. Растворимость жиров увеличивается с повышением температуры. Поэтому данный этап очистки подложки нитрида алюминия выполняем в парах растворителя.
Для интенсивного одновременного удаления полярных и неполярных загрязнений в промышленном производстве широко применяют смеси различных растворителей.
4) Кипячение в ПАР.
Обезжиривание в пероксидно-аммиачных растворах (ПАР), состоящих из пероксида водорода, гидрооксида аммония и воды (
), широко применяют на различных этапах технологии изготовления микросхем. Такой раствор обладает лучшими обезжиривающими свойствами по сравнению с органическими растворителями, является универсальным средством, так как удаляет как омыляемые, так и неомыляемые жиры, неорганические загрязнения, а также ионы натрия, меди, серебра и других металлов.
В процессе обезжиривания пероксид разлагается с выделением атомарного кислорода:
Выделение атомарного кислорода увеличивается с повышением температуры, поэтому процесс ведут при 80-90
. Атомарный кислород оксидирует как органические, так и не органические загрязнения. Щелочь 
ускоряет реакцию разложения пероксида, омыляет или эмульгирует жиры, а также связывает в хорошо растворимые комплексы некоторые металлы первой и второй групп периодической таблицы Менделеева. Процесс сопровождается пенообразованием благодаря интенсивному выделению углекислого газа при окислении органических загрязнений.
Обработка в составах, содержащих кислоты, после очистки в ПАР не вносит дополнительных загрязнений поверхности, как это имеет место после обезжиривания в органических растворителях.
5) Промывка горячей деионизованной водой в протоке в многокаскадных ваннах.
Отмывка водой применяется для очистки от остатков полярных растворителей после обезжиривания, от остатков травителей, флюсов, кислот, щелочей, солей и других загрязнений.
Отмывку выполняют в подогретой до 50-60 деионизованной воде. При меньших температурах отмывка недостаточна эффективна, при больших температурах возможно закрепление на обрабатываемой поверхности остатков щелочных растворов в результате гидролиза щелочных солей.
Отмывка в протоке многокаскадных ваннах обеспечивает непрерывный отвод загрязнений от пластин. Кассеты с пластинами переносят из одной ванны в другую навстречу движению.
7) Инфракрасная сушка.
Принцип инфракрасной сушки заключается в том, что молекулы воды, поглощают ИК-лучи и, возбуждаясь, нагреваются. То есть, в отличие от всех других видов сушки, энергия подводится непосредственно к воде подложки, чем и достигается высокая эффективность и экономичность.
Инфракрасная сушка является финальным этапом очистки подложки нитрида алюминия.
4 Шероховатость керамических подложек
Существенным недостатком керамических подложек является значительная шероховатость поверхности.
Шероховатость поверхности определяет четкость и точность рисунка (топологии) схемы, высокочастотные потери в проводниках, возможность выхода из строя тонкопленочных конденсаторов, качество резисторов.
Шероховатость поверхности характеризуют средним арифметическим отклонением профиля Ra, которое представляет собой среднее значение расстояний точек измеренного профиля до его средней линии.
Шероховатые подложки (Ra=0,16…0,05 мкм), как правило, используются в низкодобротных схемах, работающих в нижней части СВЧ диапазона, где требования к величине потерь и точности воспроизведения рисунка невысоки. Здесь предпочтительнее использовать шероховатые подложки, так как, во-первых, они дешевы (не требуют специальной дорогостоящей обработки, в частности полировки) и, во-вторых, грубая поверхность способствует лучшему сцеплению металла с подложкой. С переходом в более коротковолновую часть СВЧ диапазона в схемах с большей добротностью, как правило, используют хорошо обработанные подложки (Ra=0,04…0,006 мкм).
4.1 Влияние шероховатости на тонкопленочные элементы ИМС
Шероховатость подложки оказывает влияние на различные факторы. При более шероховатой поверхности ухудшается четкость рельефа металлических проводников и, следовательно, точность воспроизведения рисунка схемы. При шероховатой поверхности подложки может произойти локальный разрыв высокоомных (узких) проводников. Не менее опасно нанесение на грубо обработанную поверхность двух близко расположенных проводников между которыми может произойти короткое замыкание. Таким образом, чем лучше качество обработки поверхности подложки, тем выше «разрешающая способность» схемы.
4.1.1 Тонкопленочные резисторы
Шероховатость подложки оказывает влияние на качество резисторов (рис. 7). Если величина шероховатости приближается к толщине резистивного слоя, то повторяемость величины сопротивления на различных подложках можно получить при условии одинаковой чистоты обработки поверхности.
Рис. 7. Тонкопленочный резистор
Исследование нихромовых резисторов на подложках с различной обработкой показывает, что резисторы, нанесенные на более грубые поверхности, имеют большее удельное сопротивление, меньшие температурные коэффициенты, худшую стабильность в процессе термостарения и больший разброс поверхностного сопротивления.
Степень шероховатости и ее влияние на сопротивление резисторов показаны в таблице 5.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
