автореферат диссертации по электронике, 05.27.06, диссертация на тему:Материаловедческие аспекты разработки материалов для диэлектрических слоев ГИС на металлодиэлектрических подложках

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ИНСТИТУТ ЭЛЕКТРОННОЙ ТЕХНИКИ (ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

На правах рукописи Для служебного пользования Экз. № 2

Воробьев Владимир Александрович

уЯ

Материаловедческие аспекты разработки материалов для диэлектрических слоев ГИС на металлодиэлектрических подложках

Специальность 05.27.06 - технология и оборудование для производства полупроводников, материалов и приборов электронной техники

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 200]

I» Вход,

миэт

Работа выполнена на кафедре общей химии и экологии Московского государственного института электронной техники (технического университета).

Научный руководитель - кандидат технических наук, доцент ТЕЛЬМИНОВ Александр Ильич

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор

ЛАВРИЩЕВ Вадим Петрович, кандидат технических наук ЧЕРНЫЙ Борис Иванович,

Ведущая организация - АООТ "Московский научно-исследовательский институт радиосвязи", г. Москва.

Защита диссертации состоится "_"_2001 г. в_часов

на заседании диссертационного совета Д.212.134.03 при Московском институте электронной техники по адресу: 103498, г. Москва, МГИЭТ (ТУ).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГИЭТ.

Автореферат разослан "_"_2001 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор физ.-мат. наук, профессор

БХ.БУДАГЯН

Общая характеристика работы

Актуальность темы. С увеличением плотности межсоединений ИС, повышением степени их интеграции и быстродействия наметилась тенденция к исполнению всего микроэлектронного устройства на одном основании. Это обусловило потребность в новых видах оснований, имеющих большие размеры и большое количество внутренних межсоединений. Одним из вариантов решения этой проблемы явились металлические подложки со стекловидным диэлектрическим покрытием (МД-подложки). Благодаря более высоким, чей у керамических подложек, механической прочности, стойкости к гермоударам, теплорассеивающей способности МД-подложки используются при изготовлении мощных ГИС, коммутационных плат большого размера, ГИС, эксплуатируемых в условиях значительных механических воздействий (ударов, вибраций и т.д.).

Несмотря на перечисленные достоинства МД-подложек, объем ГИС, производимых на МД-подложках, невелик. Это объясняется тем, что разработанные диэлектрики не отвечают в полной мере предъявляемым к ним требованиям. Так, перед разработчиками ГИС стоит ряд нерешенных задач, в том числе, относительно высокая неплоскостность МД-подложек, нестабильность свойств при повторных высокотемпературных термообработках и др.

Решение этих задач осложняется тем, что в настоящее время отсутствует научно обоснованный подход к разработке стекловидных диэлектрических материалов для МД-подложек, учитывающий специфические особенности последних.

Цель и задачи исследования. Цель диссертационной работы состояла в разработке научно обоснованных критериев выбора стекловидных материалов для диэлектрических слоев толстопленочных ГИС на металлических подложках.

Для достижения поставленной цели необходимо было последовательно решить следующие основные задачи:

- провести проверку ранее предложенных критериев выбора стекловидных диэлектриков доя диэлектрических слоев толстопленочных ГИС;

- разработать научно обоснованный подход к синтезу стекловидных диэлектрических материалов для ГИС на МД-подложках;

- экспериментально проверить предложенные критерии и рекомендации.

Научная новизна работы. Положения, выносимые на защиту:

1). Разработаны критерии выбора стекол для диэлектрических

слоев.

2). Установлены и изучены факторы, влияющие на изгиб в структуре "подложка-стекловидное покрытие".

3). Установлен и изучен эффект влияния внутренних механических напряжений в стекловидных материалах и напряжений в структуре "подложка-стекловидное покрытие" на электрическое сопротивление и диэлектрические потери материала покрытия.

4). Впервые установлен и изучен эффект повышения стабильности свойств высокотемпературных СЦ к повторным высокотемпературным термообработкам при введении в них малых добавок наполнителей.

5). Впервые изучена область стеклообразования и свойства стекловидных диэлектриков в системе Са0-1^0-В20з-8Ю2.

Практическая ценность работы:

- С использованием предложенных критериев разработаны составы стекол для ситаллоцементов марок СЭ-6, СЭ-8, СЭ-9, СЭ-10, СЭ-18 и композиционного материала марки СЭ-2-1, предназначенных для диэлектрических слоев толстопленочных ГИС на МД-подложках.

- Проведена апробация стекол для ситаллоцементов марок СЭ-9 и СЭ-10 в технологии ГИС на стальных подложках.

Внедрение и использование результатов. Результаты работы внедрены в НПО "Динамика" (г.Уфа) в производстве крупноформатных типовых элементов замены АПОИ.

Апробация работы. Основные результаты исследований доложены и обсуждены на 16 научно-технических конференциях (НТК) и семинарах (НТС), в том числе:

- НТС "Технология и конструирование микросборок на металлических подложках" (Красногорск Московской обл., 1987, 1992);

- Всесоюзном НТС "Пути совершенствования технологии полупроводниковых и диэлектрических материалов электронной техники" (Одесса, 1988);

- НТС "Прогрессивная технология изготовления гибридных интегральных микросхем" (Минск, 1988);

- 11 НТС "Новые материалы для толстопленочной технологии" (Паланга, 1990);

- 3 Всесоюзной НТК "Состояние и перспективы развития гибридной технологии и гибридных интегральных схем в приборостроении" (Ярославль, 1991);

- 13 НТС "Новые материалы для микроэлектроники на основе тугоплавких соединений" (Юрмала, 1992);

- НТС "Технология изготовления многоуровневых плат с пассивными элементами" (Красногорск Московской обл., 1992);

- 14 НТС "Новые материалы для микроэлектроники на основе тугоплавких соединений" (Туапсе, 1994);

- Всероссийском совещании "Наука и технология силикатных материалов в современных условиях рыночной экономики", (Москва, 1995);

- Всероссийской НТК "Электроника и информатика", (Москва, 1995);

2 Всероссийской НТК с международным участием "Микроэлектроника и информатика-97", (Москва, 1997);

- 3 Международной НТК "Электроника и информатика - XXI век". (Москва, 2000).

Образцы изделий, изготовленных на основе разработанных материалов и технологических процессов, демонстрировались на междуна-

родной передвижной коммерческой выставке Гособразования СССР (Будапешт, Прага, Берлин, Варшава, 1989), выставках Минобразования РФ "Товары народного потребления" (1995, 1996).

Публикации. По теме диссертации опубликованы 11 статей, 16 тезисов докладов, 10 а.с. СССР и патента России.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, двух приложений и содержит 149 страниц машинописного текста, 95 рисунков, 50 таблиц, а также библиографический список литературы из 264 наименований на 25 страницах.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи .исследований, охарактеризованы научная новизна и практическая ценность полученных результатов.

В первой главе определен технический уровень стекловидных диэлектриков дня диэлектрических слоев ГИС на МД-подложках, сформулированы основные требования, предъявляемые к стекловидным диэлектрикам. Проведен критический обзор критериев выбора таких материалов.

Сделан вывод о необходимости дополнительной проверки применимости критериев выбора материалов и требований к ним предъявляемых.

Проведен_анализ достоинств и недостатков всех типов стекловидных материалов, применяющихся при формировании диэлектрических слоев толстопленочных ГИС: некристаллизующихся стекол, композиционных материалов, кристаллизующихся стекол. Сделан вывод о предпочтительном использовании дая вышеуказанных целей стекол для СЦ.

Проведен анализ составов стекловидных материалов для ГИС на основаниях с низким, средним и высоким ТКЛР. Определены лучшие технические решения и стеклообразные системы, в которых проведен синтез таких материалов.

Показано, что точки зрения обеспечения высоких электрофизических

»

и эксплуатационных характеристик стекловидных материалов, наиболее перспективной системой следует признать систему Са0-М§0-В203-8Ю2.

Результаты выполненного в первой главе анализа использованы как базовые для выбора направлений исследования.

Во второй главе описаны методики синтеза стекол, получения стеклопорошков, изготовления образцов СЦ и композиций, формирования толстопленочных элементов, а также методы анализа физико-химических свойств монолитных образцов и порошков стекол, СЦ, стеклокристаллических композиционных материалов, пленочных структур, использованные в работе (дифференциально-термический анализ (ДТА), рентгено-фазовый анализ, дилатометрия и др.).

Для обработки экспериментальных данных и анализа результатов измерений применялись современные методы вычислительной техники и математической статистики.

Третья глава посвящена оценке применимости известных и разработке новых критериев выбора стекловидных материалов для диэлектрических слоев ГИС.

Повышенная кристаллизационная способность порошковых стекол, оказывающая порой отрицательное влияние на процессы спекания и оплавления стекловидных материалов и приводящая в этом случае к дефектности диэлектрических слоев толстопленочных ГИС, определила необходимость ограничения круга используемых для этой цели стекол. Попытки сформировать покрытие по наиболее выгодному технологическому режиму выразились в стремлении разделить во времени процессы спекания, оплавления и кристаллизации. При этом, в качестве критериев выбора стекловидных диэлектриков, отвечающих этим требованиям, были выдвинуты два основных критерия: характер кристаллизации монолитных порошков стекол и характеристики стеклопорошков, определяемые методом ДТА.

Нами предложено оценивать пригодность стекол для диэлектрических слоев ГИС используя три критерия: спекаемости, оплавляемости и кристаллизационной способности.

Предложено оценивать степень спекаемости стеклопорошков по коэффициенту спекаемости Ken, расчет которого осуществлять по уравнению:

А

Ъ-Т,

LzLA v

(1)

Рис. Типичная термограмма стекла для ситаллоцемента

где Tg - температура стеклования (рис.),°С;

Т2 - температура начала жид-кофазного спекания, °С; Т3 - температура окончания процесса спекания, °С; А - константа;

V - скорость проведения процесса ДТА, °С/мин;

X - степенной коэффициент, учитывающий механизм спекания. При этом предполагается, что чем больше величина Кш, тем лучше должны спекаться стеклопорошки. Влияние масштабного фактора (размеров и формы частиц порошка), представленного в уравнении константой А, исключается применением материалов с постоянной величиной удельной поверхности, например 6...7 тыс. см2/г. В этом случае значение постоянной А, можно принять равной 1.

Влияние вязкостного фактора учитывается введением в КсП величины l/(TrTg). Чем больше интервал (T2-Tg), т. е. чем медленнее изменяется вязкость стекла при его нагреве, тем хуже спекаются стеклопорошки и тем меньше величина Ken. Временной фактор представлен в Ксп в виде отношения величины температурного интервала интенсивного спекания к скорости проведения процесса ДТА ((T3-T2)/V). Характер

временной зависимости процесса спекания материала определяется ме-

ханизмом спекания, поэтому указанная величина возводится в степень

♦

X, характеризующую механизм спекания и природу спекаемых частиц.

Если процесс спекания протекает по механизму вязкого течения, при спекании однофазных материалов (например, порошков неликви-рующих стекол) величина усадки пропорциональна времени спекания в первой степени. При спекании многофазных, не растворимых друг в друге частиц (например, порошков стеклофаз, образующихся при ликвации стекла), по механизму фазового растекания усадка пропорциональна времени спекания в степени 0,25. В том случае, когда спекается порошок, состоящий из двух стеклофаз с примерно равной вязкостью, величина X будет близка к 1, если же вязкость стеклофаз значительно различается, она будет приближаться к 0,25. При спекании по механизму пластического течения, характерному для спекания порошков объ-емнокристаллизующихся стекол, зависимость усадки пропорциональна времени в степени 1/3, если скорость переноса частиц через жидкую фазу ограничивается диффузией атомов, и времени в степени 0,5, если ограничивающим фактором является скорость растворения вещества твердых частиц в жидкой фазе.

Установлено, что стеклопорошки хорошо спекаются, если величина Ken > 0,038 мин/К, и не спекаются если они меньше 0,033 мин/К. Для спекания стеклопорошков, имеющих величину Km в пределах 0,033...0,038 мин/К, необходима длительная выдержка (в течение не менее 15 мин) при температуре конца интервала жидкофазного спекания.

В качестве критерия оплавляемости стеклопорошков нами предложено использовать коэффициент оплавляемости, рассчитываемый по уравнению:

3,97 • (Г7 6 +JrIJ)-7,94 'Tjj -Т76

К«*, =--Yr—Zt~~~\--4' (2)

' 7,6 '|3/

где, Т7 6- температура, соответствующая (i = 107-6 Пз (Т3);

Т,3- температура, соответствующая р = 10IJ Пз (Tg).

В качестве материалов для МИ рекомендовано использовать материалы с величиной Копл=0,5...2, а в качестве материалов покрытий - с величиной Копл=4...4,5.

Разработанные методы расчета спекаемости и оплавления СЦ апробированы на стеклах для СЦ различных стеклообразующих систем (Ы'О-Я^Оз-ЗЮг, гдеЫ=Ва, Бг, Са, М§,РЬ, 2п; я"=В, А1, В1).

При разработке критерия кристаллизационной способности была проведена оценка возможности выбора материалов по характеру кристаллизации стекол в монолите. Для проведения исследований были синтезированы близкие по составу маломагниевые стекла системы СаО-Mg0-B20з-S¡02 с различной кристаллизационной способностью (от поверхностной пленки до объемной кристаллизации). Результаты исследования стекол указанной системы показали, что качественные диэлектрические слои образуются на основе стекол, имеющих характер кристаллизации в монолите, отличающийся от характера кристаллизации, рекомендуемого в работах других исследователей, следовательно, характер кристаллизации стекла в монолите не может служить надежным критерием выбора стекол для диэлектрических слоев.

Возможность выбора материалов по данным ДТА была апробирована на стеклах системы Са0-М50-В203-8Ю2. Анализ результатов исследования внешнего вида диэлектрических слоев, показал, что характер кристаллизации (поверхностная или объемная) не зависит от величины температурного интервала кристаллизации. Так, стекла, имеющие объемную кристаллизацию в диэлектрическом слое, имеют величину температурного интервала кристаллизации от 35 до 120 К; стекла, поверхностно кристаллизующиеся в диэлектрическом слое, - от 40 до 100 К. Объемную кристаллизацию имели диэлектрические слои как на основе плохо оплавляющихся, так и на основе хорошо оплавляющихся стекол. Слои, обладающие объемнокристаллической структурой и не имеющие дефектов, получены на основе стекол, имеющих

температурный интервал кристаллизации от 35 до 75 К. Связь между дефектностью объемнозакристаллизованных слоев и величиной температурного интервала кристаллизации исходного стекла не обнаружена.

Сделан вывод о том, что информация о величине температурного интервала кристаллизации на кривой ДТА порошков стекол недостаточна для выбора оптимальных стекол для диэлектрических слоев ГИС. Необходимо, как минимум, проведение исследования стекол методами ДТА и массовой кристаллизации.

Вместе с тем, пригодность стекол, определенных методом массовой кристаллизации как объемнокристаллизующиеся в диэлектрических слоях, можно, вероятно, оценивать методом ДТА.

В качестве объектов исследования были выбраны три кристаллизующихся стекла с различной шириной и высотой пика экзоэффекта на их термограммах. Стекло для ситаллоцемента С-1 имеет ширину пика экзоэффекта - 40 К (узкий и высокий пик), С-2 - 65 К (средняя ширина и высота пика), С-3 - 85 К (широкий и невысокий пик). Температура термообработки стекол выбиралась на восходящей ветви экзоэффекта на кривой ДТА, на пике экзоэффекта, на его нисходящей ветви и при температуре, превышающей температурный интервал пика экзоэффекта. В качестве оптимизируемого параметра было выбрано содержание кристаллической фазы в стеклокристаллическом материале (СКМ).

Анализ полученных результатов показал, что проводить кристаллизацию при температурах, соответствующих температурам восходящей ветви экзоэффекта нецелесообразно. Для получения максимальной степени закристаллизованное™ СЦ можно рекомендовать термообработку при температуре, превышающей температуру максимума экзоэффекта на кривой ДТА на 10... 15 °С. Максимальная степень закри-сталлизованности СЦ на основе стекол с широким пиком экзоэффекта может быть получена также при термообработке при температуре, пре-

вышающей температуру экзоэффекта, однако такие стекла использовать для формирования диэлектрических слоев ГИС нецелесообразно.

При исследовании влияния температурно-временных режимов термообработки на характеристики СЦ на основе стекол С-1, С-2 и С-3 установлено, что стабильность ТКЛР СЦ на основе стекол С-1 и С-3 хуже, чем стабильность ТКЛР СЦ на основе стекла С-2. Удлинение цикла вжи-гания не всегда приводит к увеличению стабильности свойств СЦ при последующих термообработках. Термообработку стекол с узкой и средней шириной экзоэффекта кристаллизации на термограммах предпочтительнее, с точки зрения стабильности ТКЛР СЦ, проводить при температурах, равных или несколько превышающих температуры максимума экзоэффекта. Анализ результатов измерения величины прогиба структур показал, что минимальное изменение величины прогиба структур после повторной термообработки наблюдается также у структур, изготовленных на основе стекла С-2. Максимальное изменение величины прогиба структур в результате повторной высокотемпературной термообработки было отмечено у структур на основе стекла С-3.

На основании интегральной оценки стабильности ТКЛР, минералогического состава СЦ при их повторных термообработках, величины среднего ТКЛР в зависимости от режимов термообработки, величины и тенденции изменения прогиба структур на основе этих стекол, сделан вывод о нецелесообразности использования в качестве диэлектрических слоев ГИС стекол с широким пиком экзоэффекта кристаллизации на термограммах и примерно равных интегральных характеристиках стекол с узкой и средней величиной пика экзоэффекта.

Для оценки требования мономинеральности кристаллической фазы в стекловидных материалах для исследования были выбраны си-таллоцементы, имеющие полиминеральный (СЭ-2, СЭ-3, СЭ-9) и мономинеральный (СЭ-10) состав. Образцы формировали согласно техноло-

гическому процессу изготовления ГИС в конвейерной печи, затем тер-мообрабатывали в муфельной печи в течение 1, 3, 6 и 9 ч.

Анализ изменения TKJ1P ситаллоцементов после длительных высокотемпературных термообработок показал, что ситаллоцемент СЭ-10 не имеет преимущества перед полиминеральными материалами.

Установлено, что на величину изменения TKJ1P оказывает влияние не столько изменение концентрации всех кристаллических фаз, сколько изменение концентрации кристаллических фаз, имеющих TKJ1P, значительно отличающийся от TKJ1P ситаллоцемента.

На изменение свойств СЦ при продолжительных высокотемпературных термообработках значительное влияние должно оказывать образование новых фаз и перекристаллизация первоначально сформировавшихся фаз. Однако экспериментально обнаружить такие явления в исследованных полиминеральных материалах не удалось.

Таким образом, выполнение требования мономинеральности фазового состава диэлектрических материалов для толстопленочных ГИС желательно, но не обязательно.

При исследовании влияния на свойства СКМ фаз с низкотемпературным полиморфным превращением определялось объемное сопротивление СККМ, содержащих цельзиан гексагональной модификации (а), имеющий полиморфное превращение, и цельзиан моноклинной (Р) модификации, не имеющий полиморфного превращения. Анализ результатов исследований показал, что сопротивление образца, содержащего а-цельзиан, при комнатной температуре почти в два раза меньше сопротивления образца, содержащего (3-цельзиан. Повышение температуры образцов до 250 °С приводит к еще большему различию в их сопротивлении. При дальнейшем повышении температуры его pv возрастает, а в небольшом интервале температур даже превышает ру образца, содержащего Р-цельзиан. Следует заметить, что температурная зависимость pv образца, содержащего а-цельзиан, полученная в режиме охлаждения, практически совпадает с

температурной кривой р„ образца, содержащего р-цельзиан и полученного в режиме нагрева и охлаждения.

Наличие в фазовом составе СКМ фаз с низкотемпературным полиморфным превращением сказывается и на диэлектрических потерях образцов. Так, для СККМ вышеуказанного состава, полученных по различным температурно-временным режимам спекания, была обнаружена пря-мопропорциональная зависимость от содержания в них а-цельзиана.

В связи с этим применение таких материалов следует признать нежелательным.

Влияние механических напряжений на ру диэлектрических слоев исследовали на толстопленочных структурах "СЦ СЭ-3 сталь 15Х25Т". На температурных зависимостях СЦ, полученных в режиме нагрева, причем наиболее ярко у образцов, полученных при охлаждении с большей скоростью, установлено наличие нелинейного участка с повышенной проводимостью в интервале 300...600 °С. На температурных кривых, полученных в режиме охлаждения, этот участок отсутствует. Это свидетельствует о том, что обнаруженный эффект связан с наличием внутренних напряжений в СЦ. На дилатометрической кривой СЦ в этом интервале температур наблюдается значительный подъем, что свидетельствует о рассогласовании ТКЛР фаз, составляющих СЦ. При релаксации этих напряжений при более высоких температурах за счет вязкого течения стеклофазы руСЦ возрастает.

Большое влияние на ру диэлектрического слоя оказывают также и механические напряжения, возникающие в структуре "СЦ-металл" из-за различия ТКЛР металла и покрытия. Так, анализ температурной зависимости разности относительных удлинений СЦ и металла показывает, что в покрытии в интервале температур 450...620 °С возникают напряжения растяжения, а в остальном диапазоне - напряжения сжатия. Напряжения сжатия частично компенсируют внутренние напряжения в СЦ - на температурной зависимости ру образцов, охлажденных со скоростью 30 К/мин, участок с повышенной электропроводностью исчезает.

Полученные результаты показывают, что диэлектрические слои на основе СЦ СЭ-3, изготавливаемые даже с достаточно высокими скоростями охлаждения, при температурах работы микроэлектронных устройств (до 155 °С) имеют высокие значения электросопротивления, отвечающие предъявляемым требованиям. Однако при изготовлении МД-подложек и изделий на их основе, работающих при повышенных температурах (>300 °С), например, пленочных нагревательных элементов, следует обращать внимание на скорость их охлаждения.

Влияние механических напряжений на диэлектрические потери изучали на образцах СЦ марок СЭ-9 и СЭ-3 и диэлектрических слоях на их основе, нанесенных на основания из стали 15Х25Т (находящихся под действием напряжений сжатия), а также образцах СЦ марки СЭ-2 и диэлектрических слоях на его основе, нанесенные на основания из титана ВТ1-0 (находящихся под действием напряжений растяжения).

Временные зависимости диэлектрических потерь в СЦ оказались аналогичны зависимостям, характерным для типичных релаксационных процессов со временем релаксации от 0,5 до 3 ч. Для МД-подложек, ь диэлектрических слоях которых образуются напряжения сжатия, после окончания релаксационных процессов характерна обратная зависимость от скорости охлаждения структуры. Так, tg6 толстопленочных слоев, охлажденных со скоростью 120 К/мин, оказался меньше слоев, охлажденных со скоростью 30 К/мин. Причиной этого является то, что слои, охлажденные с большей скоростью, подвержены при комнатной температуре напряжениям сжатия большей величины, чем слои, охлажденные с меньшей скоростью.

При релаксации напряжений растяжения, возникающих в структуре "СЦ СЭ-2 - титан ВТ1-0", на кривой временной зависимости tg5 наблюдается участок, характеризующийся ростом tgб. Диэлектрические потери достигают максимума, а затем уменьшаются по обычной релаксационной кривой, причем после окончания релаксационных процессов

слои, находящиеся под действием напряжений растяжения, имеют больший по сравнению с СЦ, к которому не приложена нагрузка.

Установлено, что для уменьшения диэлектрических слоев, находящихся при комнатной температуре под действием напряжений сжатия, их целесообразно охлаждать с большей скоростью, а слои, находящиеся под напряжениями растяжения - с меньшей.

Таким образом, скорость охлаждения МД-подложек оказывает противоположное влияние на электрическое сопротивление и диэлектрические потери диэлектрических слоев. В связи с этим, для выбора скорости охлаждения в каждом случае следует определиться, какая из характеристик является более важной. Для толстопленочных ГИС, работающих в диапазоне температур менее 200 °С, такой характеристикой, очевидно, являются диэлектрические потери.

Разработанные критерии выбора стекловидных материалов использованы при создании серии материалов, которые защищены а.с. СССР М>№ 1431268, 1494464,1512020,1526122, 1575519, 1600283, 1635474, 1635475.

Четвертая глава посвящена проблеме создания толстопленочных структур на МД-подложках с высокой плоскостностью на основе высокотемпературных стекловидных материалов.

Изучены причины возникновения изгиба МД-подложек в температурных интервалах спекания и кристаллизации стекла. Установлено, что причиной изгиба подложек является изменение объема материала, соответственно при спекании стеклопорошка и кристаллизации стекла. В первом случае внутренние механические напряжения в структуре "стекловидный материал-металл" являются временными и релаксируют при температурах, соответствующих процессу оплавления стекла. Вследствие этого изгиб МД-подложек на основе хорошо оплавляющихся стекловидных материалов при температуре начала их кристаллизации практически полностью исчезает. В процессе кристаллизации стекла изгиб МД-подложек наблюдается лишь в том случае, если темпе-

ратура начала размягчения образующегося СКМ превышает температуру кристаллизации стекла. Изгиб МД-подложек, возникающий в этом случае, необратим и его величина определяет величину изгиба МД-подложек при. комнатной температуре. Таким образом, выполнение требования о согласованности материалов по ТКЛР при разработке СЦ с высокой температуроустойчивостью может привести к отрицательным результатам - МД-подложки на их основе могут иметь значительный изгиб.

Очевидным является вывод о том, что компенсация прогиба толстопленочных структур на основе высокотемпературных СЦ в температурном интервале кристаллизации возможна за счет специального рассогласования материалов покрытия и подложки по ТКЛР. Однако, применение таких специально рассогласованных по ТКЛР материалов возможно только для создания однослойных структур с высокой плоскостностью. При формировании на таких подложках слоев межслойной изоляции величина прогиба подложки после нанесения каждого последующего слоя будет увеличиваться.

Однако это не исключает возможности применения высокотемпературных СЦ для многоуровневых структур. Условием этого является применение материалов, при кристаллизации которых объем системы на момент начала кристаллизации равен ее объему на момент ее окончания. Такие материалы могут быть получены при кристаллизации двух фаз с разным знаком изменения объема при кристаллизации, причем в таком количестве, чтобы произошла взаимная компенсация изменения объема.

Исследованы причины появления изгиба МД-подложек при повторных высокотемпературных термообработках. Основной из этих причин является дополнительная кристаллизация стекловидного материала, сопровождающаяся изменением его объема и ТКЛР. Другой такой причиной является течение стекловидного слоя под действием напряжений растяжения в структуре "покрытие-металл", обусловленных рассогласованием ТКЛР материалов.

На основании проведенных исследований разработаны требования к стекловидным диэлектрикам для МД-подложек с высокой плоскостностью:

- ТКЛР диэлектрика и металла должен быть максимально согласован во всем интервале температур формирования МД-подложек и изделий на их основе;

- стекловидный диэлектрик должен иметь минимальный гистерезис дилатометрических кривых, полученных в режиме нагрева и охлаждения;

- стекловидный материал должен содержать минимальное количество остаточной стеклофазы, при этом последняя должна иметь высокие вязкость и температуру размягчения; кристаллическая фаза в ситал-лоцементе должна иметь высокую прочность.

Разработан и исследован метод повышения термостабильности СЦ за счет введения в его состав малого количества активных наполнителей, изменяющих состав и свойства остаточной стеклофазы. В качестве объекта исследований использовано стекло для СЦ марки СЭ-2. В качестве наполнителей были выбраны оксиды, взаимодействие которых со стеклофазой при вжигании диэлектрического слоя приводило к повышению ее температуры деформации, вязкости или кристаллизационной способности - М^О, А12Оэ, 8Ю2. Установлено, что концентрация добавки должна быть такой, чтобы она целиком растворялась при вжигании слоя и не ухудшала стабильность материала при дальнейших термообработках (как правило, не более 1,5 об.%).

Стекловидные материалы, разработанные с использованием этого метода, защищены пат. РФ №2081069.

Пятая глава посвящена апробации разработанных критериев и проверке выявленных закономерностей.

На примере стекол системы СаО-^^О-ВзОз-БЮг проведена апробация критериев спекаемости и оплавляемости стекловидных материалов, метода разработки МД-подложек с малой величиной стрелы про-

гиба, возможности синтеза материала полиминерального состава для диэлектрических слоев со стабильными характеристиками.

Впервые исследована область стеклообразования и свойства стекловидных материалов в системе Са0-№^0-В203-8Ю2, выбран базовый состав стекла. Исследовано влияние различных оксидов на свойства стекла базового состава и СЦ на его основе. Проведен выбор эффективных катализаторов кристаллизации поданным ДТА; На основании результатов анализа влияния оксидов на свойства стекловидного материала и оптимизации их концентраций разработан состав стекловидного диэлектрика для Мдтподложек на основаниях из стали 15Х25Т. Состав стекловидного диэлектрика защищен а.с. СССР№ 1600283.

Основные результаты работы и выводы

1. Критический анализ научно-технической и патентной литературы по составам и характеристикам стекловидных материалов для диэлектрических слоев толсгопленочных ГИС на МД-подложках, критериям выбора таких материалов позволил установить, что в настоящее время отсутствует научно обоснованный подход к их синтезу, и необходимо проведение исследований направленных на разработку критериев выбора этих материалов.

2. Проведена оценка применимости известных критериев выбора стекловидных материалов для диэлектрических слоев ГИС, основанных на данных ДТА и характере кристаллизации стекол в монолите. Показано, что существующие критерии узкоспециализированы и не позволяют эффективно проводить выбор стекловидного материала во всех стеклообразных системах. Разработаны критерии выбора стекол для ситаллоцементов по спекаемосги и оплавляемости стеклопорошков, количественная оценка которых осуществляется на основании характеристических температур, определяемых методом ДТА.

Показано, что для диэлектрических слоев толстопленочных ГИС наиболее предпочтительны стекла для. ситаллоцементов, на кривых ДТА которых наблюдается экзоэффект малой или средней ширины.

Исследовано влияние температурно-временных режимов термообработки на характеристики стекловидных материалов. Показано, что применение стекол, имеющих большую ширину экзоэффекта кристаллизации на кривой ДТА, нежелательно. Термообработку стекловидных диэлектриков с узкой и средней шириной экзоэффекта кристаллизации на термограммах стекол предпочтительнее проводить при температурах, равных или несколько превышающих температуры максимума экзоэффекта.

Установлено, что стабильность ТКЛР стекловидных материалов при повторных термообработках зависит не только от стабильности их фазового состава, но и от свойств кристаллических фаз (например, изменения объема и ТКЛР при переходе стекла в кристаллическое состояние). Увеличение цикла вжигания не всегда приводит к увеличению стабильности свойств ситаллоцементов при последующих термообработках.

Проведена оценка возможности использования для диэлектрических слоев ГИС стеклокристаллических материалов, в минералогическим составе которых присутствуют фазы с низкотемпературным полиморфным превращением. Показано, что наличие таких фаз отрицательно влияет на объемное сопротивление и диэлектрические потери СКМ. В связи с этим применение таких материалов нежелательно.

Проведена оценка требования о мономинеральности кристаллической фазы в диэлектрических материалах. Показано, что выполнение этого требования желательно, но не обязательно.

Обнаружен и изучен эффект влияния внутренних механических напряжений в стекловидных материалах и напряжений в структуре "подложка-стекловидное покрытие" на электрическое сопротивление и диэлектрические потери материала покрытия. Установлено, что скорость

охлаждения МД-подложек оказывает противоположное влияние на электрическое сопротивление и диэлектрические потери диэлектрических слоев. В связи с этим, при выборе скорости охлаждения в каждом случае следует определиться, какая из характеристик является более важной. Для изделий, работающих в диапазоне температур менее 200 °С, такой характеристикой, очевидно, являются диэлектрические потери.

3. Рассмотрены причины возникновения изгиба МД-подложек в процессе образования спая "стеклокристаллический материал-металл" и при его последующих термообработках. Показано, что основной его причиной является изменение структуры стекловидных материалов. В температурном интервале спекания стеклопорошкового слоя внутренние механические напряжения в структуре "стекловидный материал-металл" возникают за счет усадки стеклопорошкового слоя, являются временными и релаксируют при температурах, соответствующих процессу оплавления стекла. Вследствие этого изгиб МД-подложек на основе хорошо оплавляющихся стекловидных материалов до температур начала их кристаллизации практически полностью исчезает.

Установлено, что внутренние напряжения в структурах "стеклокристаллический материал-металл" в температурном интервале кристаллизации стекла обусловлены изменением объема стекловидного материала в процессе его кристаллизации и возникают лишь в том случае. если температура начала размягчения образующегося стеклокри-сталлического материала превышает температуру кристаллизации стекла. Изгиб МД-подложек, возникающий в этом случае необратим и его величина определяет величину изгиба МД-подложек при комнатной температуре. Обсуждены пути компенсации этого изгиба. Изучены причины возникновения внутренних напряжений в структурах "стеклокристаллический материал-металл" при повторных термообработках. Показано, что изгиб МД-подложек при повторных термообра-

ботках обусловлен дополнительной кристаллизацией стекловидного материала и во многом определяется его структурой.

Определены требования к стекловидным диэлектрикам для МД-подложек с высокой плоскостностью:

- ТКЛР диэлектрика и металла должен быть максимально согласован во всем интервале температур формирования МД-подложек и изделий на их основе;

- стекловидный диэлектрик должен иметь минимальный гистерезис температурного расширения и сжатия;

- стекловидный материал должен содержать минимальное количество остаточной стеклофазы, при этом последняя должна иметь высокие вязкость и температуру размягчения; кристаллическая фаза в ситал-лоцементе должна иметь высокую прочность.

Обсуждены пути повышения стабильности стекловидного диэлектрика при повторных термообработках.

Разработан и исследован метод повышения термостабильности ситаллоцемента за счет введения в его состав малого количества активных наполнителей, изменяющих состав и свойства остаточной стеклофазы. Стекловидные материалы, разработанные с использованием этого метода, защищены патентом РФ № 2081069.

4. На примере стекол системы Са0-М§0-В203-8Ю2 проведена апробация:

- критерия спекаемости стекловидных материалов;

- критерия оплавляемости стекловидных материалов;

- метода получения МД-подложек с малой величиной стрелы прогиба;

- возможности синтеза материала полиминерального состава для диэлектрических слоев со стабильными характеристиками.

5. Исследованы область стеклообразования и свойства стекловидных материалов в системе Ca0-Mg0-B20з-Si02, выбран базовый

состав отекла. Проведено исследование влияния различных оксидов на свойства стекла базового состава и ситаллоцемента на его основе. На основании результатов анализа влияния оксидов на свойства стекловидного материала и оптимизации их концентраций разработан состав стекловидного диэлектрика для МД-подложек на основаниях из стали 15Х25Т. Состав стекла защищен а.с. СССР№ 1600283.

6. Разработанные критерии выбора стекловидных материалов использованы при создании серии материалов, которые защищены а.с. СССР №№ 1431268, 1494464, 1512020, 1526122, 1575519, 1635474. 1635475.

Основные результаты диссертации опубликованы в работах:

1. Стекловидные материалы для металлодиэлектрических подложек ГИС и микросборок на основе титана и высокохромистой стали./ В.З.Петрова, А.И.Тельминов, А.Г.Борисов, В.А.Воробьев. - В кн.: Технология и конструирование микросборок на металлических подложках; Материалы семинара.- М.: ЦНИИТЭИ, 1987, с.6-8.

2. Технология металлодиэлектрических подложек ГИС и микросборок на основе титана и высокохромистой стали./В.З.Петрова, А.И.Тельминов, А.Г.Борисов, В.А.Воробьев. - Там же, с.27-29.

3. Кальциевомагниевоборосиликатные стекла - перспективная основа для материалов толстопленочных микросборок на металлических подложках./Петрова В.З, Тельминов А.И., Воробьев В.А.- В кн.: Пути совершенствования технологии полупроводниковых и диэлектрических материалов электронной техники; Материалы Всесоюзного научно-технического совещания. - Одесса: НПО "Темп", 1988, с.11-12.

• 4. Исследование возможности создания микросборок на основе металлодиэлектрических подложек и фотополимеризующихся толстопленочных паст./Тельминов А.И., Балтрушайтис В.Б., Купцов C.B.. Воробьев В.А. - В кн.: Технологические процессы микроэлектроники. Сб. научных трудов МИЭТ. - М.: МИЭТ, 1989.С.127-131.

5. Некоторые принципы разработки стекловидных материалов для ГИС на металлических основаниях./Тельминов А.И., Воробьев В.А. - В кн.: Новые материалы для толстопленочной технологии в микроэлектронике. Сб. научных трудов ИПМ им. И.Н.Францевича. - Киев: ИПМ, 1991, с.18-22.

6. Всегда ли нужна согласованность КЛТР материалов металло-диэлектрической подложки. /Тельминов А.И., Воробьев В.А. - ТСС, сер. ТПО, 1991, вып. 2, с. 9-14.

7. О возможности применения высокотемпературных ситаллоце-ментов в технологии ГИС на МДП./Тельминов А.И., Воробьев В.А. -В кн.: Состояние и перспективы развития гибридной технологии и гибридных интегральных схем в приборостроении: Материалы 3 Всесоюзной НТК. - Ярославль: НПО "Электронприбор", 199!, с. 24-26.

8. Разработка стекловидных материалов для проводников и меж-слойной изоляции элементов ГИС на подложках из стали 15Х25Т./ Петрова В.З., Тельминов А.И., Воробьев В.А. и др.-Там же, с. 231-232.

9. Исследование области стеклообразования и свойств стекловидных материалов в системе Са0-М§0-В203-8Ю2. /Петрова В.З., Тельми-нов А.И., Воробьев В.А. - Физико-химические основы технологии микроэлектроники. Межвузовский сборник. - М.: МИЭТ, 1991, с. 159-166.

10. Влияние материала подложки на прогиб МДП./Тельминов А.И., Воробьев В.А. - В кн.: Технология и конструирование микросборок на металлических подложках: Материалы научно-технического семинара. - М.: НТЦ "Информтехника", 1992, с.9-10.

11. Связь структурных превращений в диэлектрике с прогибом МДП./Тельминов А.И., Воробьев В.А. - Там же, с.П-12.

12. О возможности применения коэффициента Грубы при выборе стекол для диэлектрических покрытий металлических подложек./* А.И.Тельминов, В.А.Воробьев. -ТКЭА, 1992,№ 1, с.66-68.

13. Особенности применения высокотемпературных ситаллоце-ментов для межслойной изоляции толстопленочных ГИС ./А.И.Тельминов, В.А.Воробьев. - ТКЭА, 1992, № 1, с.68-69.

14. Методика определения максимальной температуры термообработки многоуровневых структур при формировании межуровневой изоляции./Тельминов А.И., Воробьев В.А., Репин В.А. - В кн.: Технология изготовления многоуровневых плат с пассивными элементами: Материалы научно-технического семинара. - М.: НТЦ "Информтехника", 1992, с.16-17.

15. Влияние материала тигля на характер термограмм стекла./ Тельминов А.И., Воробьев В.А., Репин В.А. - ТКЭА, 1992,№ 3, с. 56.

16. Влияние условий дифференциально-термического анализа стекловидных материалов на интерпретацию результатов./ Тельминов А.И., Воробьев В.А., Репин В.А.-ТКЭА, 1993, №2, с. 52-54.

17. ТКЛР в металлодиэлектрических подложках и аномальное расширение стеклофазы./ Тельминов А.И., Воробьев В.А. - Технология и конструирование в электронной аппаратуре, 1993, № 3-4, с. 50-52.

18. Тельминов А.И., Воробьев В.А., Усманова Р.И./Влияние малых добавок наполнителей на термостабильность ситаллоцементов для диэлектрических слоев ГИС. - В кн.: Наука и технология силикатных

материалов в современных условиях рыночной экономики; Материалы Всероссийского совещания, М.: РХТУ им. Д.И.Менделеева, 1995, с. 190.

19. Тельминов А.И., Воробьев В.А. Электрическое сопротивление диэлектрических слоев МД-подложек толстопленочных ГИС. - Тезисы докладов Всероссийской научно-технической конференции "Электроника и информатика". - М.: МИЭТ, 1995. с. 171.

20. Воробьев В.А., Сафоновская С.С. Оптимизация технологического процесса получения МД-подпожек на основе стекла СЭ-9 и стали 15Х25Т. - Тезисы докладов Межвузовской НТК "Микроэлектроника и информатика-96", М.:МИЭТ, 1996. - с. 88.

21. Воробьев В.А., Алексеева Е.А. Применимость стекловидных композиционных материалов для диэлектрических слоев толстопленочных ГИС. В сб.:Микроэлектроника и информатика-97: Тезисы докладов межвузовской НТК. Часть 1. М.: МГИЭТ(ТУ). 1997.-с. 101.

22. Тельминов А.И., Воробьев В.А. Оценка пригодности стеклопо-рошков для диэлектрических слоев толстопленочных ГИС // Технология и конструирование в электронной аппаратуре. - 1997. - №1. - с. 56-57.

23. Тельминов А.И., Воробьев В.А., Усманова Р.И. Метод повышения термостабильности ситаллоцементов для диэлектрических слоев толстопленочных ГИС. // Тугоплавкие соединения в микроэлектронике: Сб. науч. тр. - Киев, 1996. - с.71-75.

24. Тельминов А.И., Воробьев В.А. Влияние релаксационных процессов на диэлектрические потери многофазных стекловидных диэлектриков. // Электроника и информатика-97. Вторая Всероссийская НТК с международным участием: В 2 ч. Тезисы докладов. 4.1. -М.:МИЭТ, 1997.- 54 с.

25. Воробьев В.А. Исследование влияния фаз с низкотемпературным полиморфным превращением на свойства СКМ диэлектрических слоев ГИС. - В кн.: Электроника и информатика-XXI век; Материалы 3 Международной НТК. - М.: МГИЭТ, 2000, с. 136-137.

26. Воробьев В.А. Оценка требования о мономинеральности кристаллической фазы в диэлектрических материалах толстопленочных ГИС. - Там же, с. 138-139.

27. A.c. 1431268 СССР; МКИ СОЗС 10/08. Стекло для ситаллоце-мента./В.З.Петрова, А.И.Тельминов, В.А.Воробьев и др.; МИЭТ. - За-явл. 09.01.87, № 4176700/29-33, не подл, опубл. в откр. печати.

28. A.c. 1494464 СССР; МКИ СОЗС 10/04. Стекло для стеклокри-сталлического материала./В.З.Петрова, А.И.Тельминов, В.А.Воробьев и др.: МИЭТ. - Заявл. 13.11.87, № 4340399/31-33. не подл, опубл. в откр. печати.

29. A.c. 1512020 СССР; МКИ С03С 10/00. Стекло для ситаллоце-ментаЖЗ.Петрова, А.И.Тельминов, В.А.Воробьев и др.; МИЭТ,- Заявл. 12.02.88, № 4376064/29-33, не подл, опубл. в откр. печати.

30. A.c. 1526122 СССР; МКИ СОЗС 10/00. Стекло для ситаллоце-мента./В.З.Петрова А.И.Тельминов, В.А.Воробьев и др.; МИЭТ,- Заявл.

21.03.88, № 4393496/29-33, не подл, опубл. в откр. печати.

31. Патент 1544170 РФ; МКИ Н05К 3/44. Способ изготовления подложек для гибридных микросхем. / В.З.Петрова, А.И.Тельминов, В .А.Воробьев, А.Г.Борисов; МИЭТ. - Заявл. 28.12.87, № 4351849/24-21, опубл. в БИ №21, 15.11.1994.

32. A.c. 1575519 СССР; МКИ СОЗС 10/06. Стекло для ситаллоце-мента./В.З.Петрова, А.И.Тельминов, ИЛ.Рябова, В.А.Воробьев и др.; МИЭТ. - Заявл. 28.10.88, № 4499077/33, не подл, опубл. в откр. печати.

33. A.c. 1600283 СССР; МКИ СОЗС 10/00. Стекло для ситаллоце-мента./В.З.Петрова, А.И.Тельминов, В.А.Воробьев и др.; МИЭТ.- Заявл.

27.02.89, № 4655314/23-33, не подл, опубл. в откр. печати.

34. A.c. 1635474 СССР; МКИ СОЗС 8/24. Стекло для ситаллоце-мента./В.З.Петрова, А.И.Тельминов, В.А.Воробьев и др.; МИЭТ,- Заявл. 27.11.89, № 4762235/23-33, не подл, опубл. в откр. печати.

35. A.c. 1635475 СССР; МКИ СОЗС 8/24. Стекло для ситаллоце-мента./В.З.Петрова, А.И.Тельминов, В.А.Воробьев и др.; МИЭТ.- Заявл. 27.11.89, № 4762256/23-33, не подл, опубл. в откр. печати.

36. Патент 2096848 РФ; МКИ6 Н01В 3/08. Композиция для получения стекловидного диэлектрического материала. / В.З.Петрова, А.И.Тельминов, В.А.Воробьев и Р.И.Усманова; МИЭТ. - Заявл. 26.04.95, № 95106756/07, опубл. 20.11.97, бюл. 32.

Заказ . Тираж 70 экз.

Объем уч.-изд. л.

Отпечатано в типографии МИЭТ(ТУ).