автореферат диссертации по электронике, 05.27.01, диссертация на тему:Метод получения и свойства малонапряженных толстых полиимидных покрытий и свободных пленок и технология элементов МЭУ на их основе

РГб од

Министерство общего и профессионального образования Российской Федерации

МАТИ - Российский государственный технологический

университет имени К. Э. Циолковского

На правах рукописи

ЖУКОВ АНДРЕЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ

МЕТОД ПОЛУЧЕНИЯ И СВОЙСТВА МАЛОНАПРЯЖЕННЫХ ТОЛСТЫХ ПОЛИИМИДНЫХ ПОКРЫТИЙ И СВОБОДНЫХ ПЛЕНОК И ТЕХНОЛОГИЯ ЭЛЕМЕНТОВ МЭУ НА ИХ ОСНОВЕ

Специальность: 05.27.01

"Твердотельная электроника, микроэлектроника и наноэлектроника"

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1997

Работа выполнена в МАТИ - Российском государственном технологическом университете им. К. Э. Циолковского. Научный руководитель: доктор технических наук,

профессор Глудкин О. П. Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор Лаврищев В.П., доктор технических наук, профессор Школьников В.М. Ведущее предприятие. Научно-исследовательский институт точного приборостроения (НИИТП)

Защита диссертации состоится 2 октября 1997 года на заседании диссертационного Совета Д063.56.02 в Российском государственном технологическом университете имени К. Э. Циолковского (МАТИ-РГТУ):

Москва, Оршанская ул., д.З, ауд.500а в 1)~ час. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Автореферат разослан " ^ " _1997 года.

Отзывы просим направлять в двух экземплярах, заверенные печатью, по адресу: 125351, Москва, Оршанская ул., д.З, Российский государственный авиационный технологический университет имени К. Э. Циолковского (МАТИ-РГТУ), Ученому секретарю диссертационного Совета Д063.56.02 доктору физико-математических наук, профессору Е. В. Метелкину.

Ученый секретарь доктор физико-математических наук,

диссертацианного Совета у/у профессор Е.В.МЕТЕЛКИН

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Миниатюризация электронных устройств неразрывно связана с использованием новых материалов и технологий. Последнее относится, в частности, к технологии полиимидных покрытий и пленок: полиимиды имеют малый удельный вес, хорошо поддаются микрообработке, химически инертны, имеют высокие электроизоляционные характеристики и выдерживают температуру до 573 К. Применение полиимидов началось с 70-х годов при создании микроэлектронной аппаратуры третьего и четвертого поколений и позволило в несколько раз уменьшить массогабаритные характеристики многослойных печатных плат и успешно решать вопросы монтажа ИС. Повышение степени интеграции МЭУ обусловило появление многослойных конструкций, где в качестве диэлектрика применяют полиимидные покрытия, формируемые из растворов.

В последние годы имеются сообщения об использовании полиимидов в качестве подложек ИС.

Анализ опубликованных данных показывает, что расширение функциональных возможностей и улучшение эксплуатационных характеристик МЭУ с элементами на основе полиимидных покрытий и пленок невозможны без преодоления ограничений физико-технологического характера.

Гибкость подложки создает препятствия при приближении к пределу разрешающей способности литографии, а деформации полиимидной подложки из-за возникающих при вакуумной металлизации механических напряжений (до -6x108 Па) и, возможно, из-за повышенного влагопоглощения материала, приводят к изменению линейных размеров (до~0.3%).

Повышение степени интеграции ИС, высота неровностей рельефа топологического рисунка в которых превышает ~2 мкм (в СВЧ ГИС. толщина металлизации может составлять 10-15 мкм), ограничено существующей технологией формирования

диэлектрических слоев. Неорганические диэлектрики - БЮг, 8Ю, ФСС, БСС обладают удовлетворительными характеристиками, но их получение экономически дорого (требует сложного оборудования и квалифицированного персонала, формирование происходит при низких скоростях), и кроме того, они имеют значительную дефектность.

Полиимидные покрытия получают из раствора с последующим синтезом, однако методы их формирования также имеют ограничения:

-максимальная толщина покрытий, формируемых центрифугированием при однократном нанесении, составляет ~10 мкм; -аэрозольное распыление, нанесение вальцами и окунание позволяют получать покрытия толщиной 15-20 мкм, однако неравномерность покрытия по толщине достигает -10%; -неравномерность по толщине покрытий, формируемых на центрифуге, уменьшается с ростом их толщины и составляет в типичных случаях -1%;

-дефектность покрытий возрастает с увеличением высоты неровностей топологического рельефа; -неравномерность по толщине покрытий, полученных многократным нанесением на центрифуге, составляет -10%; -механические напряжения в покрытиях уменьшают адгезию металлизации, известное значение которой, составляет -9.8 МПа.

В настоящей работе показано, что указанные технологические ограничения могут быть преодолены путем использования метода формирования мало напряженных полиимидных покрытий и свободных пленок из раствора полипиромеллит-амидной кислоты в диметилформамиде с применением жесткого технологического основания. Разработка такого метода и изучение свойств полученных покрытий и свободных пленок стали предметом настоящего исследования.

Цель работы :

1. Технология получения малонапряженных полиамидных покрытий и свободных пленок с улучшенными характеристиками;

2. Технология элементов МЭУ на их основе.

Научная новизна работы. Поставлена и решена задача определения условий растекания раствора

полипиромеллитамидной кислоты в диметилформамиде по поверхности с нанесенным слоем того же раствора и определены основные характеристики процесса: показано, что существует соотношение диметилформамид/полиамидокислота (11.5 вес ), выше которого растекание прекращается.

Предложен модифицированный двухстадийныи метод получения полиимидной пленки с контролируемой толщиной (540 мкм) и минимальными из известных остаточными внутренними напряжениями. Управление этими

характеристиками обеспечивается изменением температурно-временных параметров процесса. Природа внутренних напряжений пленки определяется сродством полимера к воде.

Методом ИК - спектроскопии показано, что увеличение продолжительности стадий синтеза полиимида приводит при практически полной имидизации к изменению структуры полимера. Проявлением структурных различий является "несвязанная" реакционная вода, удерживаемая в полостях полиимида и локализованная АГ-связью с бензольными кольцами. Эта вода характеризуется колебаниями ОН -групп в области 3715см"1. Структура полиимидных материалов, полученных при различной продолжительности термообработки на стадиях синтеза, определяет их физико-механические характеристики.

Методом ИК-спектроскопии установлено, что независимо от условий синтеза полиимида (1-ая стадия: Т=363К, время 21360 мин, 2-ая стадия: Т=573К, время 25-60 мин.) полимер характеризуется практически полной имидизацией и отсутствием

в его составе следов растворителя (М,М-диметилформамид). Материал обладает высокой чувствительностью к влаге. В мягких условиях (Т= 293-403К) влагопоглощение носит обратимый характер, его значение составляет 0,8 ммоль/г, оно обуславливается образованием водородных связей воды с функциональными группами полиимида: простой эфирной и имидным кольцом. С применением модельных соединений показано, что комплекс воды с простой эфирной группой характеризуется частотой в ИК-спектре в области 3648см комплекс с имидным кольцом - полосами 3554 и 3492см

Обратимое влагопоглощение полиимида ответственно за характеристики внутренних напряжений материала, выраженные радиусом кривизны пленки: понижение содержания сорбированной воды приводит к увеличению радиуса кривизны. Наиболее значительное влияние наблюдается при относительно малых концентрациях сорбированной воды, составляющих <0.4ммоль/г.

Практическая ценность. Разработанная новая технология формирования полиимидных покрытий и пленок позволила повысить выход годных и уменьшить массогабаритные характеристики при изготовлении двухслойных ферритовых вентилей и изготовить датчики контактного измерения температуры и относительной диэлектрической проницаемости полимеров Технология внедрена в макетно-экспериментальное производство. По результатам работы выпущены технические условия.

Апробация работы и публикации. Результаты работы и отдельные разделы доложены и обсуждены на заседании кафедр физики и технологии производства РЭА РГТУ им. К. Э. Циолковского, Всесоюзных и Российской научно-технических конференциях. По результатам выполненных исследований и разработок опубликовано одиннадцать печатных работ, в т. ч. две статьи, тезисы докладов трех научно-технических

конференций, патент РФ, два положительных решения по заявкам на изобретение, получено авторское свидетельство, выпущены технические условия. Проведенные исследования вошли в научно-технический отчет.

Положения, выносимые на защиту диссертационной работы:

Метод формирования толстых малонапряженных полиимидных покрытий и свободных пленок с контролируемой толщиной 5-40 мкм, включающий нанесение раствора полипиромеллитамидной кислоты в диметилформамиде на поверхность с тонким слоем того же раствора и последующие термообработки.

Увеличение стадий синтеза полиимида приводит при практически полной имидизации к изменению структуры полимера.

Структура полиимида, полученного при различной продолжительности термообработки на стадиях синтеза, определяет физико-механические характеристики. Проявлением структурных различий материала является отсутствие несвязанной реакционной воды характеризующейся колебаниями ОН-групп в области 3715см"'. Материал обладает пониженной чувствительностью к влаге по сравнению с известными, обратимое влагопоглощение ответственно за характеристики внутренних напряжений, выраженные радиусом кривизны свободных пленок понижение содержания сорбированной воды приводит к увеличению радиуса кривизны. Влагоемкость полученных покрытий и свободных пленок ниже известных значений.

Среднее арифметическое отклонение от профиля полученных свободных пленок и покрытий в .5 раза ниже известных значений благодаря образованию "гладкой" поверхности за счет растекания раствора под действием сил поверхностного натяжения.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов, заключения, списка литературы, содержащего 115 наименований, и приложения. Объем работы составляет 128 страниц машинописного текста. Работа иллюстрирована рисунками, таблицами и фотографиями экспериментальных образцов.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во ведении показаны состояние вопроса по существу избранной проблемы, значение, актуальность и область применения технологии МЭУ с элементами на основе полиимидных покрытий и пленок, сформулированы ограничения использования полиимидов и возможности улучшения характеристик МЭУ.

В первой главе представлен сравнительный анализ свойств полиимидов и других диэлектриков, показаны функциональные возможности МЭУ с элементами на основе полиимидных покрытий и свободных пленок и конкретизированы ограничения их применения.

Физико-технологические характеристики полиимидов -электрическая прочность ~15кВ/мм и удельное сопротивление 101' Ом см, удовлетворительные механические свойства, технологичность позволяют уменьшить массогабаритные харакгерисгики устройств (вес на -50%, габариты - на -30%) и использовать полиимиды в виде.

-свободных пленок для изготовления многослойных печатных плат, гибких шлейфов, катушек индуктивности, ГИС на гибких подложках;

-межслойного диэлектрика, полученного из раствора, в

МЭУ

Использование полиимида в МЭУ ограничено физико-технологическими особенностями этого материала;

-механические напряжения в системах "металл/полиимид" (до - 6x108 Н/м2) и "металл/полиимид/жесткая подложка"

(складываются с внутренними напряжениями в полиимидных покрытиях) и влагопоглощение полиимида обуславливают низкую адгезию металлизации (на пленке ПМ-1-15x10 6 Н/м \ на полиимидных покрытиях -9.8x10ь Н/м2) и приводят к изменению линейных размеров свободных пленок (-0.3%);

-разрешающая способность (~15лин/мм) ограничена: толщина свободной пленки составляет 40 мкм при разнотолщинности 8% (20 мкм при 15%), плоскопараллельность гибкой подложки и шаблона при аппаратной реализации труднодостижима;

-качество межслойного полиимидного покрытия определяется топологическим рисунком, дефектностью, равномерностью по толщине и шероховатостью покрытия; степень планаризации и дефектность зависят от толщины металлизации и концентрации нелетучих веществ в растворе, а равномерность и шероховатость - от способа формирования. Получение известными методами равномерных покрытий из раствора с концентрацией нелетучих веществ менее 6% толщиной более 5 мкм затруднено, при толщинах металлизации -6 мкм дефектность достигает 20% полезной площади, а изготовление многоуровневых ГИС СВЧ с толщиной металлизации до -15 мкм затруднительно.

Разрешающую способность можно повысить аппаратно, обеспечив жесткость свободной пленки: для этого следует использовать жесткую подложку с полиимидным покрытием заданной толщины, а затем отделить покрытие. В этом случае можно рассчитывать на улучшение ряда свойств Увеличить адгезию в системе "металл/полиимид/подложка" можно за счет снижения внутренних механических напряжений, исключения влияния влаги на полиимид. Повышение качества межслойного диэлектрика возможно путем разработки технологии, обеспечивающей формирование малодефектного межслойного

диэлектрика в диапазоне толщин от 5 до 40 мкм с неравномерностью не хуже 5%.

Сущность метода заключается в том, синтез полиимида, формирование его структуры и пленкообразование происходят симультативно.

Сочетание факторов: исчерпывающая конверсия кислоты в имид, нужная толщина получаемого покрытия и его необходимый состав обеспечиваются найденными приемами и

последовательностью операций и режимами. Раствор полипиромеллитимидной кислоты в диметилформамиде наносят на поверхность с тонким слоем того же раствора, выдерживают до полного растекания и подвергают термообработке. Покрытие можно отделить от жесткой подложки. На поверхности покрытия перед отделением может быть сформирован рисунок тонкопленочных элементов.

Во второй главе представлена модель формирования полиимидного покрытия, выявлены определяющие параметры процесса планаризации, приведены экспериментальные данные процесса растекания и исследований свойств полученных покрытий и свободных пленок.

Модель основана на сравнении скорости испарения и диффузионного потока растворителя в тонком слое раствора, полученного центрифугированием. Показано, что при соотношении диметилформамид/ полиамидокислота более 11.5 вес. растекание прекращается. После нанесения раствора на подложку начинается процесс пленкообразования: за промежуток времени с поверхности происходит испарение растворителя (рис.1), в слое возникает градиент концентрации, что приводит к диффузии растворителя из глубинных слоев к внешнему.

\ (НИ )

з

^ У'" ■ 'У' ^ Рис. 1. Схематическое изображение полиимидного слоя и качественная зависимость концентрации растворителя по мере его испарения > ""Си ^ 2. •

за время 1- верхний слой,

контактирующий с внешней средой; 2-промежуточный слой; 3-нижний слой, 4 - подложка.

Затем образуется поверхностный слой вязкого геля 1, эффективный коэффициент диффузии молекул растворителя в котором, очевидно, меньше, чем в слоях, обогащенных растворителем.

При рассматривать систему "нанесенный

слой/доза" как один материал нельзя: растекаемость определяется смачиванием поверхности раствором. С поверхности тонкого слоя раствора происходит испарение растворителя, причем плотность потока составляет:

I

= п.

одновременно из глубины слоя происходит диффузия растворителя, определяемая уравнением. х

л^-л,«*? ¿-Е/ЯТ)

При этом возможно существование трех случаев: рассмотренных в работе. Показано, что при формировании полиимидного покрытия предложенным методом, определяющим параметром является растекаемость раствора Р, зависящая при фиксированных значениях площади подложки 8, вязкости исходного раствора и толщины тонкого слоя, от времени Ъср 7 прошедшим между окончанием формирования тонкого слоя и подачей раствора.

Практическим критерием, определяющим растекаемость раствора, является межоперационное время между окончанием формирования тонкого слоя раствора и подачей раствора при постоянных вязкости и внешних условиях: как было показано экспериментально, оно должно составлять не более 5 секунд.

Толщина слоя раствора может быть определена из соотношения: % ^

Пел- = А Г—)' + где

- константа, 9 - кинематическая вязкость раствора,<0-угловая скорость ротора центрифуги, - объем дозы,

площадь подложки.

Поскольку в процессе удаления растворителя и летучих продуктов реакции из слоя раствора происходит его усадка, для определения толщины покрытия необходимо учесть коэффициент усадки: .у .,1 лГ

Нп-ъЛп Ш ,2+

Для предложенного метода формирования полиимидного покрытия можно ожидать более высокую степень планаризации для толщин элементов до -15 мкм по сравнению с центрифугированием и большую равномерность по сравнению с поливом или окунанием: степень планаризации не связана с топологией (геометрическое расположение элементов на поверхности относительно центра вращения подложки):

меЗ ' гДе

коэффициент усадки; Я^объем дозы раствора на подложке;

3>р-площадь подложки, свободная от топологических элементов; [-¡^¿толщина металлизации.

Таким образом, в результате проведенного исследования: -показано, что при превышении соотношения диметилформамид/полиамидокислота 11.5 (вес) растекание раствора прекращается;

-определен технологический параметр - время между окончанием формирования тонкого слоя раствора и подачей дозы;

-показана возможность планаризации рельефа с неровностями до -15 мкм;

-установлено, что степень планаризации зависит от коэффициента усадки пленки и не зависит от топологического рисунка.

Для уменьшения внутренних механических напряжений, возникающих при синтезе полиимида, нанесенного на жесткую подложку, были определены режимы термообработки. Внутренние напряжения в полиимиде оценивали косвенным методом по величине радиуса кривизны пленки, отделенной от технологического основания. Для получения малонапряженных полиимидных пленок и покрытий термообработку рекомендуется проводить в два этапа при следующих режимах: скорость подъема температуры на первом этапе Т< =8 К/мин;

температура первого этапа I ± =3581 5 К; продолжительность первого этапа С =6час, температура второго этапа Т^ =5731 20 К, продолжительность^ 1 час.

В работе исследовано также влияние различных способов поверхностной обработки на величину адгезии металлизации в системе "металл/полиимид/подложка". Разработана технология поверхностной обработки полиимида, формируемого на основе раствора полипиромеллитамидной кислоты в

диметилформамиде, предусматривающая обработку в Н 2 0 > в течение 5 секунд при температуре 323-333 К, что обеспечивает адгезию пленки Сг/Си/№ 16.3 ±1.7 МПа, превышающую лучшие известные значения на 30-40%. Обработка полиимида в водосодержащих растворах уменьшает адгезию металлизации. Показана возможность значительного (в 1.5-2 раза) увеличения адгезии металлизации при использовании полиимида.

полученного из раствора непосредственно перед процессом металлизации, что связано с уменьшением влагосодержания за счет минимизации межоперационного времени хранения.

На фазовом лазерном интерферометре "MAXIM-3D" фирмы ORIEL были проведены исследования шероховатости полиимидных покрытий и пленок: предложенный метод формирования полиимидных пленок обеспечивает среднее арифметическое отклонение от профиля -2.5 нм, что в ~1.5 раза ниже значений для пленки, полученной стандартным методом.

Проведены исследования влияния условий формирования резисторов на полиимиде и ситалле: для магнетронного распыления при удельном поверхностном сопротивлении более 4.6 кОм/кв, различие в полученных. значениях для ситалла, полиимидных покрытий и пленки ПМ-1 превышает 100%, что может быть объяснено разной термостойкостью подложек.

ИК-спектроскопическое исследование полиимидных пленок, полученных предложенным и стандартным методами (ПМ-1)проводили на спектрофотометре "Specord М80" по спектрам поглощения в диапазоне частот 4000-400 см"1. В области частот 3300-400 смспектры всех образцов идентичны, соответствуют формуле поли-(4,4'оксидифенилен) пиромеллитимида и не содержат полос, характерных для СООН-и NH-групп, что свидетельствует о практически полностью завершенной стадии имидизации. В спектрах нет полос, ответственных за СН -группы, что указывает на отсутствие в составе полиимида остаточного содержания N,N-диметилформамида.

Область частот 4000-3300 см1 характеризуется, однако, существенными различиями, как для спектров пленок, полученных различными методами, так и для спектров пленок, подвергнутым термообработкам в мягких условиях (293-403К) независимо от метода их приготовления. Полиимидная пленка; полученная стандартным методом, характеризуется устойчивой

острой полосой с максимумом при 3715 см"1, эта полоса не чувствительна к термообработкам и влажности среды, и полностью отсутствует в ИК-спектре предложенной пленки. На основании полученных в работе и литературных данных эта полоса была приписана валентным колебаниям ОН-групп "свободной" (или "слабосвязанной") воды, удерживаемой в полостях полиимидной структуры. Наличие такой воды в стандартном полиимиде и ее отсутствие в предложенном служит указанием на структурные различия этих материалов, которые, очевидно, являются причиной различий физико-химических свойств. Комплекс воды с простой эфирной группой характеризуется частотой в ИК-спектре в области 3648 см "', комплекс с имидным кольцом - полосами 3554 и 3492 см "1. Группа полос 3648, 3554 и 3492 см "1 присутствует в спектрах всех образцов, однако, в пленке, полученной по предложенной технологии, их оптическая плотность остается всегда более низкой по сравнению со стандартной. Оптические плотности этих полос существенным образом зависят от температуры термообработки (293-403К) и влажности среды.

Влияние сорбированной воды на эксплуатационные характеристики полиимида в мягких условиях изучали, проводя измерения на воздухе в диапазоне температур 293-403 К, включая атмосферу, насыщенную парами воды. Во всем диапазоне выбранных условий по данным ИК-спектров разрушения полиимидных структур вследствие гидролиза не наблюдалось. Содержание сорбированной воды, удерживаемой молекулами полиимида водородными связями, существенно влияет на внутренние напряжения, выражаемые в значениях радиуса кривизны пленки (II). В таблице 1 приведены экспериментальные результаты, свидетельствующие о значительном увеличении К по мере удаления сорбированной воды из полимера. Обращает на себя внимание факт обязательного превышения значения Я для предложенного

образца над стандартным при прочих равных условиях. Наиболее значительные изменения радиусов кривизны наблюдаются при малых концентрациях сорбированной воды, соответствующих, в частности, для образца с К, =40 мкм, концентрациям <0,4 ммоль/г.

В результате всех режимов обработки концентрации (О) сорбированной воды в стандартном образце превышают соответствующие значения для пленок, предложенных в настоящей работе.

Обратимое влагопоглощение полиимида, определенное как количество воды, сорбируемое материалом при 293 К в атмосфере, насыщенной парами воды, и удаляемое при температуре 403 К, составляет для предложенной пленки -1.44 %(вес), для стандартной--2.75 %(вес).

Таблица 1

Зависимость радиуса кривизны (Я) от влагосодержания

полиимида

Режим Я, мм р**

* (3648см'1) (3554см"1) (3492см -1)

Толщина пленки 20 мкм, стандартная технология получения

А 101,0 0,2301 0,2561 0,3359

В 42.5 0.3097 0.2809 0.3779

27.8 0.5463 0.5060 0.5568

Толщина пленки 20 мкм, предложенная технология получения

А 200,5 0,2611 0,2169 0,3214

В 68,3 0,3224 0,3046 0,3423

С 42,5 0,3223 0,3245 0,3521

О 34,7 0,4780 0,4357 0,4635

*) Режим: А-прогрев при 403К 30 мин., В-выдержка на воздухе при 293 К 10 мин после обработки в режиме "А", С-выдержка на воздухе при 293 К 30 мин. после обработки в

режиме "А", Э-выдержка на воздухе, насыщенном парами воды, при 293 К 60 мин.

**) Э - оптическая плотность. Этот факт, по-видимому, можно связать со структурными различиями полиимида, признаком которых является наличие "свободной" воды.

Таким образом, настоящий этап исследования позволил предложить метод формирования толстых малонапряженных полиимидных покрытий и свободных пленок, основанный на нанесении раствора полипиромеллитамидной кислоты в диметилформамиде, последующем синтезе полиимида и изучить свойства полученных покрытий и пленок.

_В третьей главе, представлены маршрутные технологии изготовления МЭУ на полиимидных подложках и многослойных МЭУ с полиимидными покрытиями с улучшенными физико-технологическими характеристиками.

Сущность предложенной технологии заключается в том, что полиимидное покрытие заданной толщины формируют на жестком технологическом основании и вместе с ним используют на дальнейших операциях: при нанесении тонких пленок, фотолитографии и пр. Отличие предложенной технологии от традиционных заключается в том, что улучшенные физико-технологические свойства обеспечиваются выбранными режимами, а повышение разрешающей способности - жестким технологическим основанием. При использовании предложенной технологии для изготовления МЭУ с высотой неровностей топологического рельефа до 15 мкм качество межслойного диэлектрика обеспечивается за счет растекания раствора по тонкому слою того же раствора.

1. Нанесен ис раствора на технологическое основание

1а. Нанесение раствора предложенным методом на подложку с рисунком топологических элементов

Для многоуровне вых МЭУ повтор операций 1а-4

5. Отделение полиимида от технологического основания

6 Монтажные операции

Б.Химическая очистка подложек

В. Дегидратация

Т

Г. Формирование тонкопленочных структур

Д. Монтажные операции, контроль

Рис.2. Схемы маршрутных технологий изготовления МЭУ на гибкой подложке и многоуровневых МЭУ: 1-6-предложенная, А-Д-известная

В четвертой главе, приведены примеры использования предложенной технологии: устройства на гибких подложках и устройство с двухуровневой металлизацией. Конкретными примерами устройств на гибких подложках являются контактные датчики преобразования неэлектрических величин в электрические. Приведены конструктивно-технологические особенности датчика температуры и датчика относительной диэлектрической проницаемости. Отличительными признаками предложенной технологии является возможность изготовления функциональных МЭУ на гибких полиимидных

подложках, в том числе многослойных, толщиной до 40 мкм при разнотолщинности -5%, с разрешающей способностью до -20 лин/мм. Последнее значение приведено на основании практических результатов, теоретически, разрешающая способность при такой технологии приближается к значениям, получаемым литографическими методами на жестких подложках. Объем не позволяет проиллюстрировать все практические приложения технологии, однако становится понятным, что возможно изготовление МЭУ другого функционального назначения. Представлены двухуровневые вентили СВЧ-диапазона: вентили в микрополосковом исполнении предназначены для использования в СВЧ усилителях и представляют собой трехслойную структуру, выполненную на ферритовой подложке марки 10СЧ-6. Первый слой металлизации содержит циркулятор и две контактные площадки, второй слой-структуру симметричную нижнему, в центре которой выполнено отверстие. Толщина металлизации составляет -6 мкм. Оба слоя металлизации разделены полиимидным . покрытием. Преимуществом трехслойной конструкции является уменьшение массогабаритных характеристик СВЧ-усилителя за счет исключения емкостей и фильтрующих цепей. Можно ожидать снижения потерь за счет исключения монтажных соединений

(одно монтажно-паяное соединение приводит к увеличению потерь усилителя на 0.1 дБ) и увеличения полосы пропускания. Изготовлены шесть вариантов вентилей на частоты 3.5-12 ГГц в литерном исполнении со следующими параметрами: потери в прямом направлении - 0.5±0.1 дБ, потери в обратном исполнении -20 дБ, КСВН -1.25. Полученные при реализации МЭУ результаты сведены в таблицу 2:

Таблица 2

Сравнительные характеристики известных и полученных в работе полиимидных покрытий и пленок, используемых в МЭУ, и достигаемый технический эффект ___

Характеристика X, х2 х,/х2 Технический эффект

Адгезия металлизации, Повышение

МПа (при толщине -2.5 надежности

мкм) МЭУ и

Сг-Си-Шполиимид -15 выхода

Сг-Си-М/полиим/подложка -9,8 -18 0,5 годных при

Среднее арифметическое изготовле-

отклонение от профиля, нм -3,8 -2,5 1,5 нии

Толщина подложек, мкм 20±3 1012 2 Уменьше-

Разрешающая способность ниемассо-

линий/мм (гибкая габаритных

подложка) характерис-

-толщиной -20 мкм -15 -20 0,7 тик в

-толщиной -10 мкм нет -20 -1.5-2 раза

Разнотолщинность

пленок,%

20 мкм -15 -5 3

40 мкм -8 -2 4

Продолжение таблицы 2

Диапазон толщин Изготовле-

полиимидных покрытии, ние много-

получаемых за одну уровневых

технологическую МЭУ с

операцию,мкм: толщиной

-центрифугированием 0,2-10 металлиза-

-поливом 10-20 ции

-предложенным методом 5-40 до -6 мкм

Влагоемкость, вес.% 2.75 1.43 1.9 Повышение стабильности

Примечание: Хрнаилучшее значение, известное до начала работы, Хг-наилучшее значение, полученное в работе.

ВЫВОДЫ

1. Предложен метод формирования толстых малонапряженных полиимидных покрытий и свободных пленок с контролируемой толщиной от 5 до 40 мкм с разнотолщинностью не хуже 5%, что в 2 раза ниже известных значений и разработана технология, обеспечивающая расширение функциональных возможностей МЭУ и улучшение их эксплуатационных характеристик:

- метод позволяет изготовливать многослойные МЭУ с толщинами металлизации до 15 мкм, практически реализованы двухслойные устройства с толщинами металлизации ~6 мкм;

разработана технология формирования свободных полиимидных пленок, полученных из раствора, обеспечивающая разрешающую способность до 20 линий/мм при толщине металлизации хром/медь/никель -2.5 мкм и адгезию -18 МПА.

2. Исследованы свойства полученных полиимидных покрытий и свободных пленок:

-среднее арифметическое отклонение от профиля составляет -2.5 нм, что в -1.5 раза ниже известных значений; -методом ИК-спектроскопии показано, что проявлением структурных различий полученного полиимида является отсутствие несвязанной реакционной воды, которая характеризуется колебаниями ОН-групп в области 3715 см"1 Материал обладает чувствительностью к влаге: в мягких условиях влагопоглощение носит обратимый характер, его значение составляет 0.8 ммоль/г. Влагопоглощение ответственно за характеристики внутренних напряжений в полиимиде, выраженные радиусом кривизны пленки. Влагоемкость полученных полиимидных покрытий и пленок составляет -1.4 вес %, что в -2 раза ниже известных значений.

3. Предложена модель смачивания поверхности со слоем раствора дозой того же раствора, основанная на сравнении скорости испарения растворителя и диффузионного потока в тонком слое, показано, что существует соотношение диметилформамид/полиамидокислота (11.5 вес.) выше которого растекание прекращается.

4. Реализованы МЭУ различного функционального назначения с массогабаритными характеристиками в 2-3 раза меньшими по сравнению с известными аналогами.

5. Показано, что предложенная технология не исчерпывается приведенными примерами, а может быть использована при изготовлении МЭУ другого функционального назначения: плат микромодулей с улучшенными характеристиками, датчиков с малой погрешностью измерения, полупроводниковых ИС с многослойными структурами.

Приложение к диссертационной работе: акты об использовании результатов работы, ТД и КД МЭУ с элементами на основе полиимидных покрытий и пленок, выполненных по предложенному методу.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ диссертации представлены в следующих работах.

1. Николаев А.О., Жуков A.A., Остроухов H.H. Способ повышения адгезии металлизации. Электронная промышленность. 1992, N4, с.38-39

2. Жуков A.A., Остроухов H.H., Николаев А О., Храмутин С Б. Свойства тонкопленочных резисторов, формируемых на полиимидных пленках. "Электронная промышленность", N 3, 1995, с.24-28.

3. Жуков A.A., Корпухин A.C. Влияние режимов термообработки на остаточные напряжения в полиимидных пленках на кремниевых подложках. Научно-техническая конференция "Пути развития электронных средств и задачи высшей школы в подготовке специалистов соответствующей квалификации". Ульяновск. 1991., Тезисы докладов, с. 45-46

4. Жуков A.A., Корпухин A.C. Оценка качества свободных полиимидных пленок, полученных на основе лака АД9103. Третья всесоюзная научно-техническая конференция "Состояние и перспективы развития гибридной технологии и гибридных интегральных схем в приборостроении". Ярославль, 4-6 июня 1991 г.. Тезисы докладов., с. 156-158

5. Жуков A.A., Остроухов H.H. Метод получения и свойства малонапряженных толстых полиимидных слоев и свободных пленок и элементы МЭУ на их основе./ Тез.докл. Российской научно-технической конф. "Новые материалы и технологии".-Москва, 1997, Направление: Технологические процессы и материалы приборостроения и микроэлектроники., с. 60.

6. Научно-технический отчет по теме 10-705-88: "Поиск, исследование и разработка технологии изготовления арсенид-галлиевых гибридно-монолитных схем и внедрение в экспериментальную приемо-передающую аппаратуру гибридномонолитного преобразователя", 1990г., 60 с.

7. Лак электроизоляционный. Технические условия ТУ 2311019-00203536-95.

8. Полищук Б.Ф., Жуков A.A., Корпухин A.C. Способ изготовления микросхемы. Патент РФ N 1556521, 1993, МКИ5: Н05КЗ/00, Б.И. N 13, 1990.

9. Петров В.П., Жуков A.A. Способ изготовления ГИС на гибкой подложке. A.c. №1542395, МКИ4: Н05КЗ/00, Б.И. N 5, 1990.

10. Корпухин A.C., Жуков A.A. Способ изготовления микросхемы. A.c. N 1833119, МКИ5: Н05КЗ/00, Б.И. N 29, 1993.

П.Жуков A.A., Остроухов H.H. Способ изготовления микросхемы. Решение о выдаче патента на изобретение по заявке № 93043806/07/044075, МКП6 Н05КЗ/10, Б.И. N 16, 1996.