CC BY
83
УДК 666.3.017
Шарова Н.В., Попова НА., Лукин ЕС.
ВЛИЯНИЕ ЭВТЕКТИЧЕСКОЙ ДОБАВКИ В СИСТЕМЕ AhO3-ZrO2-Y2O3 НА СВОЙСТВА КОРУНДОВОЙ КЕРАМИКИ
Шарова Наталья Владимировна студентка 2 курса магистратуры факультета Технология неорганических веществ и высокотемпературных материалов РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва. e-mail: [email protected];
Попова Нелля Александровна ст.преп. кафедры химической технологии керамики и огнеупоров РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва.
Лукин Евгений Степанович д.т.н., профессор РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва. Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия 125480, Москва, ул. Героев Панфиловцев, д. 20
Представлены результаты по получению алюмооксидной керамики для подложек интегральных микросхем. Рассмотрены особенности влияния эвтектической добавки на структуру и свойства алюмооксидной керамики.
Ключевые слова: подложки для интегральных микросхем, алюмооксидная керамика для микроэлектроники, эвтектическая добавка
INFLUENCE OF THE EVETIC ADDITIVE IN THE SYSTEM OF AhO3-ZrO2-Y2O3 ON THE PROPERTIES OF CORUNDUM CERAMICS
Sharova Natalia Vladimirovna, Popova Nellya Aleksandrovna, Lukin Evgeniy Stepanovich D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia.
The results on the production of alumina ceramics for substrates of integrated microcircuits are presented. The features of the effect of the eutectic additive on the structure and properties of alumina ceramics are considered. Keywords: substrates for integrated microcircuits, alumina ceramic for microelectronics, eutectic additive.
Введение
Корундовая керамика по сравнению со всеми другими оксидными материалами наиболее широко применяется во многих областях техники благодаря совокупности своих физико-технических свойств. Одной из важнейших областей применения корундовой керамики является электронная техника. Благодаря хорошим электрофизическим свойствам, высоким механическим характеристикам, возможности получения высокой чистоты поверхности после механической обработки корундовая керамика применяется в электронной технике в виде самых разнообразных изделий, в том числе подложек интегральных микросхем.
Требования, предъявляемые к корундовым материалам, применяемым в качестве подложек весьма жесткие в отношении свойств и, особенно, в отношении чистоты и шероховатости поверхности. Наиболее качественными являются подложки с мелкокристаллической и равнокристаллитной структурой, позволяющей при шлифовке и полировке получить высокую чистоту поверхности при отсутствии дефектов.
Такие материалы имеют высокую механическую прочность, максимальную теплопроводность, высокую изоляционную способность, малые диэлектрические потери, высокую стойкость к высоким температурным
нагревам, а также высокую износостойкость. Что делает их идеальными для применения в СВЧ-приборах.
К наиболее важным характеристикам качества изделий относится минимальный разброс показателей их свойств и стабильность свойств в службе. Эти показатели зависят от чистоты исходного сырья и микроструктуры керамики, т.е. от технологических факторов, которые должны учитывать все тонкости процессов в керамической технологии.
Кроме размеров кристаллов на степень шероховатости поверхности при механической обработке подложек, существенное влияние оказывает степень срастания кристаллов по границам, которое происходит при спекании. Границы кристаллов должны быть малоугловыми и по оптическим свойствам не отличаться от объема кристаллов, т.е. чтобы керамика имела монолитное строение, которое по свойствам приближается к монокристаллу. Такое строение может быть достигнуто при определенном механизме спекания, когда в процессе удаления пористости кристаллы под действием сил поверхностного натяжения перемещаются в объем пор за счет изменения формы кристаллов и при этом поворачиваются до совпадения кристаллических решеток по границам, срастаясь между собой. Подобная структура при шлифовке поверхности обеспечивает высокую
чистоту и отсутствие выколов кристаллов, т.к. связи по границам кристаллов очень прочные.
Такая структура может быть получена только при использовании высокодисперсного исходного материала с равномерным распределением порошка и добавки, обеспечивающей механизм спекания, подобный вязкому течению.
В настоящее время основным материалом для подложек интегральных микросхем является корундовая керамика «Поликор», которая представляет собой оксид алюминия с добавкой 0,25% масс. оксида магния. Микроструктура керамики «Поликор» характеризуется
гетеробластовым строением, что и приводить при полировке поверхности к выколам кристаллов и вскрытию закрытой пористости.
Целью настоящей работы является изучение влияния концентрации высокодисперсного порошка добавки эвтектического состава на плотность и микроструктуру керамики после обжига при 1550°С в воздушной среде.
Экспериментальная часть
В качестве сырьевых компонентов использовали гидроксид алюминия (ТУ-1711-001-00658716-99) и кристаллогидратные соли А1С1з-6Н20 (ГОСТ 3759-75), ЙОС^ 8Н20 (ТУ 609-3677-74) и Yaз•6H2O (ТУ 6-09-4773-84). Промышленный порошок гидроксида алюминия предварительно измельчали совместно с гидросикарбонатом магния вводимого в пересчете на MgO в количестве 0,1% масс.. Измельчение проводили на планетарной мельнице в среде этанола в течении 90 минут. Высушенный порошок прокаливали при 1300°С в воздушной среде в течении 2 часов. На рис. 1 приведен РФА порошка после прокаливания, который показывает полный переход в а-А1203
Прекурсор эвтектической добавки получали
обратным гетерофазным соосаждением из насыщенного водного раствора солей иттрия, циркония и алюминия. Первоначально соли в процентном соотношении в пересчете на чистые оксиды А1203 : ZrO2 : Y2O3 - 50 масс. %: 42 масс. %: 8 масс. % растворяли в дистиллированной воде при нагревании и далее раствор выпаривали до насыщенного состояния (Тнас.р-ра.=124°С). Затем насыщенный раствор через форсунку распыляли сжатым газом в раствор осадителя - гидроксил аммония. Высушенный порошок гидроксидов прокаливали на воздухе при температуре 1100°С в течении 2 часов. После прокаливания порошок добавки, состоящий из а-А1203 и кубического диоксида циркония подвергали дезагрегации на планетарной мельнице в среде этанола в течении 30 минут для получения неагломерированной дисперсии. Кривая распределения частиц по размерам приведена на рисунке 2 (слева) и свидетельствует о мономодальном распределении. На рисунке 2 (справа) показана микроструктура порошков после дезагрегации в планетарной мельницы. Порошок эвтектики слагается из мелких кристаллов, средний размер которых составляет порядка 0,3 мкм. Порошок а-корунд, полученный из гидроксида алюминия, измельчали совместно с эвтектической добавкой на планетарной мельнице в течении 90 минут в среде этанола. Порошок добавки вводили в количестве 1, 3 и 5% масс.
Из полученной шихты формовали штабики размером 50*5*5 мм методом полусухого прессования на связке из парафина, вводимого в количестве 6 масс. %, растворенного в СС14.
Образцы прессовали под давлением 150 Мпа. Обжиг образцов проводили при 1300°С с выдержкой 5 часов и при 1550° с выдержкой 5 часов. Свойства образцов приведение в таблице 1.
ян>
ми>
1100'
ism-
ын>
д 3
о и*:-
О
UM>
1***'
«и ■
2» ■
20
- - АЕ ОЗ (С a rundи ш f sjm) PDF 4(5-1312
30 40 50 SO
2Tbeta. (Coupled Two Tbeta Tbeta)TVL=1,54060
70
Рисунок 1- Рентгенофазовый анализ порошка состава А1203 + 0,1 масс.% MgO
ю?
ад
.... з
1-И -1-114____|-. + -|41 5
1
- 1—"ГП----ГТ1Т1 м е
Г" ГГГГ "Т"МТ1 1
Т ы 1 ! ! !!! ! ! ! ! !!! ^
1 3
г
1
1 0
йй 01
05
5 II
90 ЮЗ
[лом]
Рисунок 2 - Кривая распределения частиц по размерам оксидов А120з^Ю2-У203 (слева); микроструктура порошка
после дезагрегации (справа)
Таблица 1. Значение плотности и пористости образцов
Температура обжига, °С Количество добавки, % масс. Плотность прессовок, г/см3 Плотность после обжига, г/см3 Открытая пористость, %
1300 0 2,41 2,29 48
1 2,44 2,31 43
3 2,5 2,35 44
5 2,51 2,39 46
1550 0 2,41 3,72 5,2
1 2,44 3,88 2,0
3 2,50 3,87 2,1
5 2,51 3,86 2,2
Плотности прессовок, несмотря на высокую дисперсность порошка, составляют достаточно высокие значения. После обжига при 1300°С плотности образцов керамики уменьшаются за счет выгорания парафина. При этой температуре спекание еще не происходит. При температуре 1550°С достигается достаточно высокая плотность образцов, что свидетельствует об активности порошков к спеканию.
Заключение
Полученные результаты рассматриваются начальным этапом изучения кинетики спекания, которое будет продолжено при более высоких температурах на воздухе и в вакууме для установления режима обжига, обеспечивающего получение беспористого мелкокристаллического материала.
Список литературы
1. Лукин Е.С., Ануфриева Е.В., Макаров Н.А., Попова Н.А., Бакунов В.С. Оксид алюминия и керамика на его основе - материалы XXI века // Новые огнеупоры. - 2008. - №3. - с. 155-160
2. Лукин Е.С., Ануфриева Е.В., Попова Н.А, Морозов Б.А., Преображенский В.С. Анализ микроструктуры качества поверхности и свойств подложки из оксида алюминия // Стекло и керамика. - 2010. - №9. - с.9-14
