Тенденция развития применения твердых высокопрочных материалов в микроэлектронике, медицине и ювелирных изделиях Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

------------------------------------ © Т.Б. Теплова, А.С. Самерханова,

2006

УДК 666.9-16

Т.Б. Теплова, А. С. Самерханова

ТЕНДЕНЦИЯ РАЗВИТИЯ ПРИМЕНЕНИЯ ТВЕРДЫХ ВЫСОКОПРОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ В МИКРОЭЛЕКТРОНИКЕ, МЕДИЦИНЕ И ЮВЕЛИРНЫХ ИЗДЕЛИЯХ

Семинар № 23

~П сё большее применение сверхтвердые материалы находят в технике, приборостроении, в оптике, оптоэлектронике, медицине, оборонной промышленности, микроэлектронике

при изготовлении часов и в качестве ювелирных вставок.

Одной из важнейших областей применения твердых материалов является микроэлектроника. Интегральная и функциональная микроэлектроника являются фундаментальной базой развития всех современных систем радиоэлектронной аппаратуры.

Современный научно-технический

прогресс неразрывно связан с разработкой и освоением новых материалов и прорывных технологий. Именно материалы стали ключевым звеном, определяющим успех многих инженерных решений при создании сложнейшей электронной аппаратуры.

Вот почему независимо от выполняемых функций рабочие характеристики всех элементов определяются свойствами используемых материалов, т.е. выходные параметры аппаратуры находятся в прямой зависимости от применяемых материалов [1].

В пленочных интегральных микро-

схемах элементы создаются осаждением пленок на специальные платы из диэлектрических материалов — подложки*. Подложка служит механическим основанием, и, будучи диэлектриком, изолирует её элементы [2].

Назначение подложек [4]. В технике ИМС (интегральных микросхем) подложки выполняют две функции:

а) являются основанием, на поверхности или в приповерхностном слое которого по заданному топологическому рисунку формируют структуры ИМС;

б) являются элементом конструкции, обеспечивающим практическое применение ИМС в корпусном или бескор-пусном исполнении.

Подложки классифицируют как по структурным признакам, так и по назначению. По структурным признакам подложки подразделяют на аморфные, поликристаллические и моно-кристалличёские, а по назначению - на подложки для полупроводниковых, пленочных, гибридных ИМС и микросборок.

Размеры подложек выбираются в соответствии со степенью интеграции микросхемы, их материалы — в соответствии с требованиями, предъявляе-

* Подложка - заготовка, предназначенная для нанесения на нее элементов гибридных и пленочных ИМС, межэлементных и (или) межкомпонентных соединений, а также контактных площадок.

Таблица 1

Свойства высокоглиноземистой керамики ВК-100-1

Содержание Л12О3 99,7 %

Содержание кристаллической фазы 99,0 %

Температура обжига 1820 оС (водород)

Плотность 3970-3980 кг/м3

Предел прочности при статическом изгибе 250-320 МПа

Коэффициент термического линейного расширения в интервале 20-700 оС 7,5х10-6 оС

Диэлектрическая проницаемость при частоте 1010 Гц 9,6+0,2

Тангенс угла диэлектрических потерь при частоте 1010 Гц 0,0001

Коэффициент теплопроводности при 100 оС 30 Вт/м оС

Чистота поверхности 13-14 кл.

мыми к электрическим, механическим и термическим свойствам подложек. В свою очередь эти требования обусловлены заданными параметрами пленочных элементов и выбором технологических методов нанесения пленок [5].

Материал подложек должен иметь высокие объемное и поверхностное удельные сопротивления. Низкие диэлектрические потери снижают потери энергии вследствие поглощения в диэлектрике. Высокая теплопроводность обеспечивает отвод тепла от микросхемы и выравнивание температурного градиента по ее поверхности. Согласование коэффициентов линейного расширения подложки и осаждаемых пленок уменьшает механические напряжения в пленках и тем самым снижает вероятность появления в них микротрещин, разрывов и т.п. Высокая механическая прочность облегчает механическую обработку подложек (для получения требуемой формы и размеров и создания в них отверстий), а также предупреждает поломку подложек при сборке микросхем. Подложки должны быть достаточно термостойкими при пайке и сварке; материал подложки и структура поверхности должны обеспечивать хорошую адгезию осаждаемых пленок к подложке

[3].

Перечисленные требования к подложкам являются общими для любого типа микросхем. Итак, применяются следующие материалы для изготовления подложек:

Стекла представляют собой различные системы окислов. Боросиликатное стекло состоит из SiO2 (80 %), В2О3 (12 %) и других окислов (№20, K2O, Al2O3), алюмосиликатное — из SiO2 (60 %), Al2O3 (20 %) и других окислов (№20, CaO, MgO, B2O3). Стекла типов С-48-3 и С-41-1 являются бесщелочными.

Керамика — поликристаллическое вещество с зернами сложной структуры, получаемое в результате высокотемпературного отжига (спекания) порошков различных окислов. Алюмооксидная керамика типа «Поликор» состоит из Л^ (99,8 %), B2Oз (0,1 %), MgO (0,1 %). Размер зерен — менее 40 мкм. Бе-риллиевая керамика содержит от 98 до 99,5 % окиси бериллия ВеО [3].

Первым материалом, на котором были реализованы СВЧ-микросхемы (сверхвысоко частотные), была высокоглиноземистая керамика марки ВК-100-1 (Поликор) с нижеприведенными электрофизическими и физико-

механическими свойствами (табл. 1).

Единственным производителем подложек из керамики ВК-100-1 был завод

Таблица 2

Свойства СВЧ-ситаллов

Показатели Ситалл СТ-38-1 Ситалл СТ-32-1

Плотность, кг/м3 2400 2500

Предел прочности при статическом изгибе, МПа, не менее 100 100

Коэффициент термического линейного расширения, х10-6, оС 38 32

Диэлектрическая проницаемость при частоте 1010 Гц 7,15-7,4 9,7-10

Тангенс угла диэлектрических потерь при частоте 1010 Гц 0,0004 0,0005

Коэффициент теплопроводности при 100оС, Вт/моС 1,63 1,67

Чистота поверхности, кл. 14 14

“Поликор” г. Кинешма, годовая производительность которого составляла 650 тыс. шт./год, при общей потребности 1,6 млн шт./год.

Керамика, особенно бериллиевая, имеет значительно большую теплопроводность по сравнению со стеклами. Кроме того, она обладает большей механической прочностью и лучшей химической стойкостью. Однако большие размеры зерен керамических материалов не позволяют получить удовлетворительный микрорельеф поверхности для тонкопленочных ИС (интегральных

схем). Наиболее удовлетворительным микрорельефом обладает керамика с 96 %-ным содержанием Л1203. Керамика с более высоким содержанием А120з, например типа «Поликор», имеет слишком гладкие поверхности, не обеспечивающие хорошей адгезии к ним толстых пленок. Полировка мелкозернистой керамики снижает микронеровности, однако вызывает существенные и трудно устранимые загрязнения ее поверхности. Поэтому такая операция не позволяет получить подложки, пригодные для тонкопленочных ИС.

В целях ликвидации создавшегося дефицита, а также обеспечения вновь разрабатываемых радиолокационных

комплексов СВЧ-микросхемами по заданию ряда оборонных предприятий НИИ электровакуумного стекла были созданы СВЧ-ситаллы марок СТ-38-1 и СТ-32-1 со следующими техническими характеристиками (табл. 2).

Ситаллы — стеклокерамические материалы, получаемые в результате термообработки (кристаллизации) стекла. Большинство ситаллов характеризуется следующим составом окислов:

1) Ы2О—А12О3 — &02 —Ti02 ; 2) Я0—А1203 — SiO2— TiO2 (ЯО — один из окислов Са0, MgO или Ва0).

Ситаллы в 2—3 раза превосходят стекла по механической прочности. Они хорошо прессуются, вытягиваются, прокатываются. Диэлектрические свойства ситаллов лучше, чем стекол, и они практически не уступают керамике.

Из приведенных таблиц видно, что ситалл СТ-32-1, обладая аналогичными с керамикой ВК-100-1 диэлектрическими свойствами, значительно уступает ей по теплофизическим показателям, что в свою очередь не позволяет использовать его для изготовления микросхем с мощными навесными элементами.

Таким образом, для подложек микросхем, а также различных высокочастотных элементов в отрасли использовали

Показатели АРТ-27 БР-1 ОРТ-60 ТС-2

Плотность, кг/м3 4700 4400 3960 3990

Предел прочности при статическом изгибе, МПа 114 120 136 144

Микротвердость, ГПа 8,7 7,8 8,9 9,8

Диэлектрическая проницаемость при частоте 1010 Гц 27 35 60 90

Тангенс угла диэлектрических потерь х 10-4 при частоте 1010 Гц 5 3 4 4

Температурный коэффициент диэлектрической проницаемости х10-6, град-1 0+_20 0+_20 40+_20 55+_20

Чистота поверхности, кл. 13 13 13 13

два основных вида неорганических материалов: высокоглиноземистую керамику марки ВК-100-1 и СВЧ-ситаллы марок СТ-38-1 и СТ-32-1.

За рубежом для аналогичных целей применяются СВЧ-керамические материалы с диэлектрической проницаемостью от 10 до 100, что позволяет повысить интеграцию микросхем, снизить весовые характеристики радиоэлементов, увеличить срок службы, а также производительность труда за счет групповой технологии.

В целях достижения мирового уровня ЦКБ РМ был разработан параметрический ряд СВЧ-керами-ческих материалов с диэлектрической проницаемостью от 15 до 130.

Разработанные материалы обладают достаточно высокой химической стойкостью, хорошо и без разрушений очищаются, допускают получение микросхем по любой из существующих технологий, в связи с чем нашли широкое применение в приоритетных изделиях отрасли.

Так, керамический материал марки МТ-20 использован в качестве подложек микрополосковых линий с сопротивлением 100 Ом при ширине полосы 20 мкм, что полностью отвечает современному уровню развития СВЧ-техники. Материал марки МТС-25 применен в

конструкции современных фазовращателей фазированных антенных решеток, что позволяет увеличить их активность, упростить конструкцию, уменьшить габариты, повысить срок службы и надежность работы.

Материалы марок БА-35 и МТ-60 используются в качестве подложек микросхем, а материалы марок Т-90 и СТП-130 как конденсаторы и резонаторы.

Применение разработанных материалов в изделиях отрасли дало возможность снизить их массогабаритные размеры в 1,5-4 раза при сохранении всех выходных параметров, уменьшить

стоимость аппаратуры.

Одновременно с целью улучшения эксплуатационных характеристик указанных материалов ЦКБ РМ проведена ОТР, позволившая получить принципиально новые термостабильные материалы со следующими свойствами (табл. 3).

В настоящее время из всех полупроводниковых материалов наибольшее применение для изготовления полупроводниковых ИМС получил кремний.

Перспективным материалом является лейкосапфир. Бесцветные разновидности сапфира принято называть «белым сапфиром», «восточным алмазом», а также «лейкосапфиром». Но эта разновидность встречается в природе крайне редко, хотя корунды по

природе бесцветны. В производстве применяется синтетический аналог природного лейкосапфира.

Лейкосапфир широко применяют в технике, приборостроении, в оптике, медицине и в качестве ювелирных вставок.

В оптике: Сапфир - основной

материал в оптических системах, где предъявляются повышенные требования к оптическим свойствам элементов, где необходима устойчивость к механическим воздействиям, температурам до 1900С, к УФ и ИК излучениям. Для таких применений изготавливаются сапфировые линзы, призмы, световоды, элементы лазеров. Незаменимость сапфира в оптике определяется такими его преимуществами, как:

- высокая прозрачность в широком диапазоне длин волн

- устойчивость к УФ-излучению (ультрафиолетовому)

- устойчивость к механическим повреждениям и высоким температурам.

В микроэлектронике: Сапфир -

единственный материал для изготовления основы радиационностойких микросхем, используемых на АЭС и в космосе. Сапфир - материал для изготовления надежных микросхем памяти, гибридных СВЧ микросхем. Незаменимость сапфира в микроэлектронике определяется такими его преимуществами, как:

- высокие диэлектрические свойства;

- особенности кристаллической решетки, позволяющие выращивать на нем эпитаксиальный слой кремния (кремний-на-сапфире, КНС)

В оптоэлектронике: Сапфир - основной материал для изготовления подложек светоизлучающих диодов (СИД) высокой яркости (HB LED) и твердотельных лазеров, дающих синий, белый,

зеленый свет, важнейший материал планарной оптики.

Светодиоды в колоссальных количествах потребляются приборостроением (индикаторы), масс-медиа и рекламной индустрией (огромные цветные экраны), дорожными службами (светофоры), применяются в энергосберегающих осветительных приборах (лампы освещения, габаритные огни автомобилей) и т. д.

Незаменимость сапфира в оптоэлектронике определяется такими его преимуществами, как:

- высокая прозрачность

- особенности кристаллической решетки, позволяющие выращивать на сапфире эпитаксиальный слой нитрида галлия (ваК)

- основу создания цветных светодиодов

В часовой промышленности: Сапфир - единственный материал для изготовления "нецарапаемых" часовых стекол разных форм. Популярность сапфира в часовой промышленности определяется такими свойствами, как:

- высокая поверхностная прочность (царапины на сапфире оставляет только алмаз)

- почти идеальная прозрачность- неизменность цвета после УФ облучения, используемого при склеивании часовых корпусов.

В машино- и приборостроении: Сапфир - материал для изготовления:

- приборных смотровых окон и иллюминаторов, выдерживающих сверхвысокие температуры и перепады давления или вакуум, устойчивых к агрессивным средам, механическим

повреждениям и излучениям- износоустойчивых окон сканеров

с

^ ^ С Г&1 (с~Р1апв)

Рис. 1. Кристалл лейкосапфира

- износоустойчивых деталей (подшипники, нитеводы, направляющие).

- труб плазмогенераторов и тензодатчиков (датчиков давления).

Ни один материал не обеспечивает возможности визуального наблюдения процессов в камерах со сверхвысоким давлением (или разряжением), температурой, химической агрессивностью среды. С внедрением систем сканирования штрихкодов на конвейерах производств и в торговле сапфир становится основным материалом для неповреждаемых окон стационарных и ручных сканеров.

Популярность сапфира в вакуумной технике и машиностроении определяется такими свойствами, как:

- высочайшая прочность

- устойчивость к механическим повреждениям и высоким температурам

- малый коэффициент трения и износоустойчивость

В медицине: Сапфир - материал для изготовления:

- прозрачных и сверхтонких лезвий для хирургии.

- химически пассивных оптических элементов диагностических приборов, выдерживающих высокотемпературную стерилизацию.

Особая роль сапфира в медицине определяется:

- возможностью сделать прочными очень тонкие изделия (острие лезвия скальпеля),

- химическая и биологическая пассивность,

- прозрачность,

- возможность стерилизации высокой температурой или УФ-излучением

В оборонной промышленности:

Сапфир - материал для изготовления:

- сверхпрочных и оптически совершенных защитных колпаков для головных частей самонаводящихся ракет, визиров и окон, устойчивых к УФ и ИК излучениям КНС-микро-схем, устойчивых к ионизирующим излучениям, СВЧ-компонентов радиолокационных систем.

В ювелирной промышленности: сапфир также является одним из материалов, из которого делаются вставки в различные ювелирные украшения. Поскольку камень твёрдый, исключительно красивый внешне, с прекрасной игрой света и износостойкий, ему чаще отдают предпочтения по сравнению с алмазом и другим имитациям алмаза.

Синтетический сапфир - монокри-сталлическая форма корунда, А1203 (рис. 1). Сапфир - окись алюминия в самой чистой форме без пористости или включений, делает его теоретически плотным. Комбинация благоприятных химических, электрических, ме-ханических, оптических, поверхностных, тепловых

Материал диэлектрика Удельное сопротивление, Ом *см Диэл. пост. Диэлектрические потери на частоте 106 Гц Теплопроводность, кал/см*с 0С Коэф линей. расш. 10-6 / 0С

Боросиликатное стекло 107 4,6 6,2* 10-3 0,0027 3,25

Алюмооксидная керамика типа «Поликор» 1014 10,8 2*10-4 0,075—0,08 7,5—7,8

Кварцевое стекло 1016 4 3,8*10-4 0,0036 0,56—0,6

Ситаллы 1013—1014 6,5 6*10-3 0,005—0,009 5

Лейкосапфир 1011 8,6 2*10-4 0,0055 5

свойств и свойства долговечности делает сапфир, предпочтительным материалом для точных систем и составляющих проектов. Сапфир в качестве полупроводника - лучший выбор по сравнению с другими синтетическими монокристаллами. В табл. 4 приведены характеристики диэлектрических материалов, которые в большей или меньшей степени удовлетворяют требованиям, предъявляемым к подложкам для тонко- и толстопленочных ИС.

Лейкосапфир характеризуется хорошими диэлектрическими свойствами, по сравнению с другими материалами используемыми в микроэлектронике (табл. 4). Хотя синтез материала освоен недавно, но стоимость его относительно не велика. Однако технология его обработки крайне затруднена из-за высокой твёрдости материала, и соответственно, из-за сложности его обработки.

Традиционными способами обработки лейкосапфира является шли-

фование и полирование [6]. При необходимости снятия больших припусков с деталей используется шлифование связанным абразивом, когда обработка ведется на режимах с максимально возможной производительностью.

Одним из наиболее простых и высокопроизводительных методов получения поверхности высокого качества является

абразивное полирование (обработка свободным абразивом).

Одним из эффективных способов уменьшения глубины нарушенного слоя является химико-механичес-кое полирование, при котором механически удаляется слой, образованный за счет химического действия жидкостей. Данный метод нельзя признать до конца изученным.

Также к способам обработки лейко-сапфира можно добавить ультразвуковой (УЗ) способ обработки, его преимущества перед другими заключаются в возможности обрабатывать непроводящие и непрозрачные материалы, а также в отсутствии после обработки остаточных напряжений, приводящих при использовании других способов к образованию трещин на обрабатываемой поверхности.

Но принципиально новый способ обработки твердых минералов и кристаллов является шлифование в режиме пластичности. Сущность процесса микрошлифования в режиме пластичности целесообразно изучать на основе физической мезомеханики, разработанной академиком РАН В.Е. Паниным, связывающей движение дислокаций на микромасштабном уровне с интегральными механическими характеристиками процессов, происходящих на макромас-

Рис. 2. Обработка подложки на станке АН15Ф4

штабном уровне, с учетом состава материала, его внутренней структуры и условий нагружения [7].

На шлифовальной установке, обладающей достаточной жесткостью и высокой точностью, можно при малой глубине резания и низких врезных подачах все хрупкие материалы обра-батывать в режиме пластического течения, а не высокого качества. При малой глубине резания и низких врезных подачах все хрупкие материалы могут обрабатываться в режиме пластического течения, а не хрупкого разрушения [8].

В результате заготовки из хрупких материалов можно механически обрабатывать в регулируемом режиме, при этом обеспечивается чистота обработки поверхности, ранее достижимая только в нерегулируемых процессах, осуществ-

ляемых в режиме пластичности, таких как полирование и притирка. К тому же размерно-регулируемое микрошлифование, осуществляемое на станочных модулях с ЧПУ, позволяет автоматизировать процесс шлифования подложек с получением стабильных выходных параметров заданного качества.

Положительные результаты микрошлифования поверхности алмаза в твердом направлении (111) позволяют рекомендовать этот способ обработки для микрошлифования подложек из алмаза [9]. Натуральный и искусственный алмаз благодаря своим физическим свойствам является перспективным материалом для применения в микроэлектронике, однако трудность и высокая стоимость его обработки ограничивают его применение. -------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Крушеневич С. В недрах микросхем (ч.3.) 2. Малышева И.А. Технология производст-

№5 (228), 2003 ва интегральных микросхем.- М.: Радио и

связь, 1991.

3. Игумнов Д.В., Королев Г.В., Громов И. С. Основы мкроэлектроники. - М.: Высшая школа, 1991.

4. Ломов А.Б. Проектирование гибридных интегральных микросхем. - М.: МКИП, 1997.

5. Ефимов И.Е., Козырь И.Я., Горбунов Ю.И. Микроэлектроника. Учебное пособие для ВУЗов. - М.: Высшая школа, 1986.

6. Теплова Т.Б., Коньшин А.С., Соловьев В.В., Ашкинази Е.Е. О выборе рациональных режимов процесса микрошлифования монокристалла лейкосапфира. - М: Изд-во МГГУ, ГИАБ, №8, 2005.

7. Панин В.Е.//В кн.: Физика хрупкого разрушения. Ч. 1. - Киев: изд-во ИМП АН УССР, 1976.

8. Коньшин А.С., Сильченко О.Б., Сноу Б.Д. Способ микрошлифования твёрдоструктурных материалов и устройство для его реализации. Патент РФ №2165837 от 27.04.2001 г.

9. Теплова Т.Б. Обоснование рациональных режимов шлифования алмазов при их огранке. Авт.-реф. диссертации на соискателя учёной степени кандидата технических наук МГГУ (Москва) - 2002 г.

— Коротко об авторах --------------------------------------------------------------

Теплова Т.Б. - кандидат технических наук, докторант, кафедра «Физика горных пород и процессов»,

Самерханова А. С. - студент, кафедра «Технология художественной обработки материалов»,

Московский государственный горный университет.