Способ подготовки поверхности подложки из алюмонитридной керамики под тонкоплёночную металлизацию Российский патент 2020 года по МПК H01L21/46 C23C28/02 

Использование подложек из керамики на основе нитрида алюминия в полупроводниковых приборах требует решения ряда вопросов, связанных с её металлизацией вакуумным осаждением металлов.

Основными требованиями, предъявляемыми к металлизации, являются:

- высокая адгезия к подложке из алюмонитридной керамики;

- возможность пайки высокотемпературными припоями, как в вакууме, так и в среде водорода.

При вакуумном осаждении металлов на керамические подложки, высокую адгезию металлизации к керамике можно получить при условии химического взаимодействия материала керамического материала с осаждаемым металлом. Чтобы химическая реакция между напыляемым металлом и материалом диэлектрика имела место, необходимо, чтобы она была возможной с точки зрения термодинамики [1]. Реакция между напыляемым металлом и материалом диэлектрика термодинамически возможна в том случае, если величина изменения теплосодержания ΔH образования, например, окисла материала диэлектрика, менее отрицательна, чем величина ΔН образования окисла напыляемого металла. Только в этом случае напыляемый металл будет отнимать кислород от окисла материала диэлектрика и могут образовываться промежуточные фазовые слои.

Применяя вышеизложенные рассуждения при металлизации керамики из нитрида алюминия, следует, что для формирования на подложках из керамики на основе нитрида алюминия систем металлизации, резисторов и т.п. элементов методами, используемыми для алюмооксидной керамики, на поверхности подложки необходимо создавать слой оксида алюминия.

Для обеспечения высокой адгезии металлизации к керамике, следует учитывать, что загрязнение на подложке с толщиной всего в несколько атомных слоев, может воспрепятствовать хорошему сцеплению, т.е. образованию хорошего переходного слоя и сильно ослабить адгезию [2]. То есть, важное значение имеет качество подготовки поверхности подложек, предназначенных для нанесения на них тонкоплёночной металлизации. Учитывая вышеизложенное, можно сделать следующий вывод: для металлизации вакуумным осаждением металлов, используя традиционные методы металлизации алюмооксидной керамики, необходимо на тщательно очищенной поверхности алюмонитридной керамики сформировать слой оксида алюминия.

Известен ряд исследований по окислению алюмонитридной керамики, например, методами масс-спектрометрии вторичных ионов и рентгеновской дифракции [3] исследован процесс окисления керамической подложки AlN на воздухе (850-1100°C). Но в данном исследовании не сообщается о связи полученных данных с металлизацией керамики.

Известен способ очистки подложек, включающий обработку в водном растворе с поверхностно активным веществом, обработку в химически-активной среде, ультразвуковую промывку в демонизированной воде и сушку, отличающийся тем, что, с целью повышения качества очистки, после обработки в химически-активной среде подложки отжигают и подвергают ультразвуковой очистке в водном растворе с поверхностно-активным веществом [4].

Данный способ предназначен для металлизации подложек, например, из стекла, но не может быть использован для подготовки для металлизации алюмонитридной керамики, т.к. химически активная среда может нарушить её морфологическую поверхность, что существенно снизит адгезию металлизации к керамике. Кроме того, при этом поверхность алюмонитридной керамики не окисляется, что не позволяет её металлизировать традиционными методами, используемыми при металлизации алюмооксидной керамики, например, поликора.

Известен способ обработки керамических поцложек перед металлизацией, преимущественно изготовленных из поликора, включающий травление керамических подложек в ортофосфорной кислоте [5]. Данный способ предназначен для металлизации подложек из алюмооксидной керамики, но не может быть использован для металлизации алюмонитридной керамики поскольку поверхность алюмонитридной керамики не окисляется, что не позволяет её металлизировать традиционными методами, используемыми при металлизации, например поликора. Кроме того, травление в ортофосфорной кислоте может нарушить её морфологическую поверхность, что существенно снизит адгезию металлизации к керамике.

Ближайшим аналогом изобретения является очистка в плазме тлеющего разряда после предварительной химической очистки подложек [6].

Основным недостатком данного способа подготовки тонкоплёночной металлизацией является то, что данный способ не направлен на формирование на поверхности алюмонитридной керамики плотного слоя оксида алюминия, что необходимо для металлизации подложек из керамики на основе ннитрида алюминия традиционными методами, используемыми при металлизации алюмооксидной керамики, например поликора.

Техническим результатом изобретения является качественное формирование на подложках из керамики на основе нитрида алюминия систем металлизации, резисторов и т.п. элементов методами, используемыми традиционными методами для керамики на основе оксида алюминия. Например, получение высокой адгезии при напылении системы металлизации ванадий медь на алюмонитридную керамику.

Указанный технический результат обеспечивается тем, что в способе тонкоплёночной металлизации подложек из алюмонитридной керамики, включающем очистку подложки, нанесение на нее вакуумным осаждением системы металлизации, первым слоем которой является металл, химически взаимодействующий с оксидом алюминия а вторым медь, отличающийся тем, что непосредственно перед напылением металлов, плазменной обработкой на поверхности подложки формируют слой α-Al₂O₃. Первым слоем металлизации предпочтительно выбирать ванадий, ниобий или тантал.

Полученный технический результат объясняется созданием на поверхности из сформированного оксидного слоя активных центров адсорбции и адгезии осаждаемого металла. Плазменная обработка поверхности подложек перед нанесением покрытий в вакууме не только удаляет поверхностные загрязнения, но и формирует слой оксида алюминия - α-Al₂O₃, модифицирует свойства его поверхности в направлении повышения её адсорбционной и адгезионной активности, т.е. к созданию на поверхности подложки активных центров адсорбции и адгезии распылённых частиц. При очистке поверхности в тлеющем разряде её активность по отношению к парам металла может сохраняться после разгерметизации камеры [7].

Перед металлизацией такие подложки можно хранить на воздухе некоторое время. При последующем напылении без какой-либо очистки адгезия покрытий достаточно высока. Определение наличия слоя оксида алюминия - α-Al₂O₃, сформированного на поверхности подложки из алюмонитридной керамики, проводили с помощью рентгеновского дифрактометра ХМD-300. Дифрактограмма поверхности подложки из алюмонитридной керамики со слоем α-Al₂O₃, сформированного плазменной обработкой, представлена на Фиг. 1. Были изготовлены образцы подложек алюмонитридной керамики с тонкоплёночной металлизацией ванадий-медь, осаждённой на установке магнетронного напыления PVD 250 с безмаслянной откачкой. Напыление металлизации на все образцы проводили в одном процессе. После металлизации к образцам припаивали припоем ПСр-72 штырьки диаметром 1 мм и измеряли адгезию металлизации к керамике. На подложке без сформированного слоя оксида алюминия адгезия металлизации к керамике составила 0,7 кг/мм². На подложке с сформированным слоем оксида алюминия Al₂O₃ адгезия металлизации к керамике составила 3,2 кг/мм². На подложке с сформированным слоем оксида алюминия α-Al₂O₃, адгезия металлизации к керамике составила 8,7 кг/мм². Существенно меньшая адгезия на подложке с алюмооксидным слоем Al₂O₃ по сравнению с подложкой со слоем α-Al₂O₃ объясняется тем, что слой Al₂O₃ является промежуточной, несколько рыхлой фазой, которая при дальнейшем формировании слоя Al₂O₃ переходит в плотный и сплошной слой оксида алюминия α-Al₂O₃.

Литература:

1. Третьяков, Ю.Д. Твердофазные реакции / Ю.Д. Третьяков. – М.: Химия, 1978. – 359 с.

2. Шмаков, М. Школа производства ГПИС. Очистка поверхности пластин и подложек / М. Шмаков, В. Паршин, А. Смирнов // Технологии в электронной промышленности – 2008. – №5. – С. 77-78

3. Yue Ruifeng, Wang Yan, Wang Youxiang, Chen Chunhua, SIMS study on the initial oxidation process of AlN ceramic substrate in the air. Appl. Surface Sci. 1999. 148, N 1-2, с. 73-78

4. Авторское свидетельство СССР №1033467, опубликовано 07.08.1983

5. Авторское свидетельство СССР № 732219, МПК: С03С15/00, опубл. 05.05.1980

6. Лучкин А.Г., Лучкин Г.С. Очистка поверхности подложек для нанесения покрытий вакуумно-плазменными методами // Вестник Казанского технологического университета. 2002. – Том 15. – №15. – С. 208-210

7. Лучкин А.Г., Лучкин Г.С. Очистка поверхности подложек для нанесения покрытий вакуумно-плазменными методами // Вестник Казанского технологического университета. – 2002. – Том 15. – №15. – С. 208-210

Изобретение относится к подготовке поверхности подложки из алюмонитридной керамики под тонкопленочную металлизацию. Техническим результатом изобретения является качественное формирование на подложках из керамики на основе нитрида алюминия систем металлизации, резисторов и т.п. элементов методами, используемыми традиционными методами для керамики на основе оксида алюминия. Указанный технический результат обеспечивается тем, что в способе тонкоплёночной металлизации подложек из алюмонитридной керамики, включающем очистку подложки, нанесение на нее вакуумным осаждением системы металлизации, первым слоем которой является металл, химически взаимодействующий с оксидом алюминия, а вторым медь, непосредственно перед напылением металлов, плазменной обработкой на поверхности подложки формируют слой α-Al₂O₃. Первым слоем металлизации предпочтительно выбирать ванадий, ниобий или тантал. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ металлизации подложки из алюмонитридной керамики, включающий очистку подложки, нанесение на нее вакуумным осаждением системы металлизации, первым слоем которой является металл, химически взаимодействующий с оксидом алюминия, а вторым медь, отличающийся тем, что непосредственно перед напылением металлов плазменной обработкой на поверхности подложки формируют слой α-Al₂O₃.

2. Способ металлизации подложки из алюмонитридной керамики по п.1, отличающийся тем, что первым слоем системы металлизации является ванадий, ниобий или тантал.