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电子封装-第三章-精品

发布时间:2019-08-10 15:47 来源:未知 编辑:admin

  电子封装-第三章-精品_物理_自然科学_专业资料。电子封装材料 2009-2019学年 第二学期 第三章 薄膜材料与工艺 ? 1、电子封装中至关重要的膜材料及膜技术 ?1.1 薄膜和厚膜 ?1.2 膜及膜电l路的功能 ?1.3 成膜方法 ?1.4

  电子封装材料 2009-2019学年 第二学期 第三章 薄膜材料与工艺 ? 1、电子封装中至关重要的膜材料及膜技术 ?1.1 薄膜和厚膜 ?1.2 膜及膜电l路的功能 ?1.3 成膜方法 ?1.4 电路图形的形成方法 ?1.5 膜材料 ? 2、薄膜材料 ?2.1 导体薄膜材料 ?2.2 电阻薄膜材料 ?2.3 介质薄膜材料 ?2.4 功能薄膜材料 1、电子封装工程中至关重要的膜材料及膜技术 ? 薄膜和厚膜 ?电子封装过程中膜材料与膜技术的出现及发展,源于 ? 与电器、电子装置设备向高性能、多功能、高速度方向发展及 信息处理能力的急速提高 ? 系统的大规模、大容量及大型化 ? 要求构成系统的装置、部件、材料等轻、薄、短、小化 ?晶体管普及之前 ? 真空电子管的板极、栅极、灯丝等为块体材料,电子管插在管 座上由导管连接,当时并无膜可言 ?20世纪60年代,出现薄膜制备技术 ? 在纸、塑料、陶瓷上涂刷乃至真空蒸镀、溅射金属膜,用以形 成小型元器件及电路等 ?进入晶体管时代 ? 从半导体元件、微小型电路到大规模集成电路,膜技术便成为 整套工艺中的核心与关键。 1、电子封装工程中至关重要的膜材料及膜技术 ? 薄膜和厚膜 ?与三维块体材料比较:一般地,膜厚度很小,可看作二维 ?膜又有薄膜和厚膜之分 ? 经典分类: ? 1μm——薄膜,1μm——厚膜 ? 制作方法分类: ? 块体材料制作的(如经轧制、锤打、碾压等)——厚膜 ? 膜的构成物一层层堆积而成——薄膜。 ? 膜的存在形态分类: ? 只能成形于基体之上的——薄膜(包覆膜) 沉积膜——基体表面由膜物质沉积析出形成 化合形成膜——通过对基体表面进行化学处理形成,在物理沉积过 程中伴随有表面参与的化学反应 1、电子封装工程中至关重要的膜材料及膜技术 ?薄膜、厚膜区分通常无实际意义 ?针对具体膜层形成方法 膜层材料 界面结构 结晶状态 晶体学取向 微观组织 各种性能和功能 ?进行研究更有用 ?电子封装工程涉及膜层:膜厚1μm~数百微米 ?按膜层的形成方法: ? 真空法(干式)和溶液法(湿式)沉积得到的膜层——薄 膜,为数微米 ? 浆料印刷法形成的膜层——厚膜,前者膜厚多,厚~ 200微米 薄膜的真空沉积法优点 ? 可以得到各种材料的膜层 ?镀料气化方式很多(如电子束蒸发、溅射、气体源等), 控制气氛还可以进行反应沉积 ? 通过基板、镀料、反应气氛、沉积条件的选择,可以对界面结 构、结晶状态、膜厚等进行控制,还可制取多层膜、复合膜及 特殊界面结构的膜层等。由于膜层表面精细光洁,故便于通过 光刻制取电路图形 ? 可以较方便地采用光、等离子体等激发手段,在一般的工艺条 件下,即可获得在高温、高压、高能量密度下才能获得的物质 ? 真空薄膜沉积涉及从气态到固态的超急冷(过程,因此可以获 得特异成分、组织及晶体结构的物质 ? 由于在LSI工艺中薄膜沉积及光刻图形等已有成熟的经验, 很便于在电子封装工程中推广 厚膜的丝网印刷法有优点 ?通过丝网印刷,可直接形成电路图形 ?膜层较厚,经烧结收缩变得致密,电阻率 低,容易实现很低的电路电阻 ?导体层、电阻层、绝缘层、介电质层及其 他功能层都可以印刷成膜 ?容易实现多层化,与陶瓷生片共烧可以制 取多层共烧基板 ?设备简单,投资少 1、电子封装工程中至关重要的膜材料及膜技术 膜及膜电路的功能 ? 电气连接 ?印制线路板(PWB)的发明,使电路以膜的 形式与基板作成一体,元器件搭载在基板上并 与导体端子相连接,这对于整个系统的小型化、 高性能、低功耗、高可靠性及经济性等方面都 有重大贡献 ?三维立体布线方式的PWB多层板、陶瓷多层 共烧基板、积层多层板、复合多层板的出现, 对于提高封装密度起着十分关键的作用 元件搭载 ? 芯片装载在封装基板 ?无论采用引线键合方式还是倒装片方式都离不开焊盘 ? 元器件搭载在基板上 ?特别是LSI封装体实装在基板上,无论采用DIP、S MT、COX、MCM等哪种方式,都离不开导体端子 ? 焊盘,端子都是膜电路的一部分。 ? 在许多情况下,引线端子节距的大小以及引线端子的排列方式 是决定封装类型及封装密度的关键因素 ?批量生产QFP来说,最小端子节距的界限为0.3mm, 若低于此,则操作难度太大,成品率太低 元件搭载 ?想提高封装密度,需要由四侧引出端子的QFP方式转变 为平面阵列布置端子的BGA方式 ? 这样,端子节距提高(1.0mm,1.5mm)的同时,反而 降低了实装密度 ? 对BGA来说,端子节距由1.5mm降为1.0mm,实装面 积可减小到1/(1.5×1.5)=1/2.25 ?以LCD(液晶显示器)中所采用的TFT(薄膜三极管)玻璃复合基板为例 特殊功能 ?玻璃基板分前基板和后基板两块 ?前基板:形成偏光膜、滤色膜、ITO膜,后基板上形成TFT、ITO膜、金属布线及绝缘膜等 ?液晶夹于二者之间 ?受TFT控制的非晶硅(a-Si)图像传感器按阵列布置在后基板上,并由Cr/a-Si/ITO构 成Cr肖特基二极管 ? 泛指除电气连接、元件搭载、表面改性以 ?布置在ITO膜上与驱动器相连接的布线导体要通过Cr/Al实现多层化,以降低布线电阻 外的所有其他功能 ?涉及电阻膜、绝缘膜、介电质膜等 表面改性 ?与在LSI元件表面沉积SiO2、Si3N4等钝化 膜用于绝缘、保护类似 ?电子封装工程中也广泛用膜层作表面改性 ?金属被釉基板、有机或无机绝缘层包覆 的金属芯基板 ?塑料表面电镀金属以增加耐磨性、降低 接触电阻等,常用的方法有镀铑、镀金 等 1、电子封装工程中至关重要的膜材料及膜技术 成膜方法 ?按干式和湿式对分类 ?干式: ?PVD(物理气相沉积)——真空蒸镀、 溅射镀膜、离子镀 ?CVD(化学气相沉积) ?湿式: ?电镀、化学镀、阳极氧化、溶胶-凝胶、 厚膜印刷法 典型的成膜方法 真空蒸镀及溅射法 ? 真空蒸镀:是将镀料在真空中加热、蒸发,使蒸气的原子 或原子团在温度较低的基板上析出形成薄膜的方法 ?主要用于Au、Cu、Ni、Cr等导体材料及电阻材料成 膜 ?不同的镀料及不同的沉积速率要选择不同的加热方法。 ? 溅射镀膜:是将放电气体导入真空,在辉光放电等离子体 中产生的正离子加速轰击处于阴极的靶材,使溅射出的原 子沉积在基板上的方法 ?从道理上讲,这种方法可以在任何基板上沉积任何物 质的薄膜,但一般多用于氧化物、氮化物等绝缘材料 及合金材料的成膜 典型的成膜方法 CVD法 ? 泛指由气态原料通过化学反应生成固体薄膜的沉积过程 ?该反应可以是气态化合物由基板表面向其内部的扩散, 气态化合物与基板表面的反应,气态化合物的分解,或 者是气态化合物之间的反应等 ?这些反应的共同特点是,至少要有一种固态产物生成, 并且以薄膜的形态沉积在基板表面上 ?化合物蒸气一般是常温下具有较高蒸气压的气体,多采 用碳氢化物、氢氧化物、卤化物、有机金属化合物等 ?CVD法成膜材料范围广泛,除碱金属、碱土金属之外, 几乎所有材料均可以成膜,特别适用于绝缘膜、超硬膜 等特殊功能膜的沉积 典型的成膜方法 厚膜印刷法 ? 是按功能要求将金属、金属氧化物、玻璃粘结剂 等的粉末同有机粘结剂、表面活性剂、有机溶剂 等均匀混合,调制成符合丝网印刷要求的浆料, 利用丝网印刷等工艺,在基板上印刷图形,经烧 成,有机粘结剂挥发而成膜的方法 ?特点:工艺简单、设备投资少,在低价格的优 势下可大量生产导体、电阻体、介电体等厚膜 ?特别是可直接印刷电路图形。 典型的成膜方法 电镀和化学镀成膜 ? 是依靠电场反应,使金属从金属盐溶液中析出成 膜的方法 ? 电镀 ?促进电场析出的还原能量由外部电源提供 ? 化学镀 ?需添加还原剂,利用自分解而成膜 ? 电镀或化学镀成膜的特点 ?可对大尺寸基板大批量成膜,与其他成膜方法 相比,设备投资低 ?需要考虑环境保护问题 1、电子封装工程中至关重要的膜材料及膜技术 电路图形的形成方法 ?各种成膜方法形成的膜层,应用于电子工 业(如电子元器件制造、电子封装、平板 显示器),都需要形成电路图形 ?形成方法包括: ?有填平法、蚀刻法、掩模法、厚膜印刷 (丝网印刷)法、喷沙法 填平法 ? 先将光刻胶涂敷(甩胶)或将光刻 胶干膜贴附(贴膜)于基板表面, 经光刻形成 “负”的电路图形,即 没有电路的部分保留光刻胶 ? 以此负图形为“模型”,在其槽中 印入导电浆料或沉积金属膜层,即 所谓“填平” ? 最后将残留的光刻胶剥离 ? 缺点:采用印刷法填平时,导电胶 膜中容易混入气泡 蚀刻法 ? 化学蚀刻法: ?印刷电路图形材料的浆料、烧成 ?涂布光刻胶、电路图形掩模曝光 ?化学蚀刻去除部分光刻胶 ?有机溶剂去除掉电路图形不对应部分的电极 材料 ? 问题 ? 使用有机溶剂,废液处理比较困难 ? 有时线条会出现残差(残留) ? 通常,不需要部位的电路图形材料应完全去除 ? 实际上,电路图形材料经烧成、化学蚀刻形成 图形后,应该去除的部分往往不能完全去除掉, 而是有一部分残留下来 蚀刻法 ? 薄膜光刻法: ?用磁控溅射、真空蒸镀等先在整个基 板表面形成电路材料的薄膜 ?光刻制取电路图形 ? 可以获得精细度很高的图形 ? 所形成膜层的质量高 ? 膜厚可精确控制 ? 缺点: ?设备投资大 ?工艺不容易掌握 掩模法 ? 工艺过程 ?机械或光刻制作“正” 掩模 ? 将掩模按需要电路图形位置定位 ? 真空蒸镀等方法成膜 ? 借助“正”的掩模,基板表面形成所需要的电 路图形 ? 优点 ? 工序少、电路图形精细度高 ? 缺点 ? 需要预先制作掩模 ? 有些薄膜沉积技术,如溅射镀膜、离子镀等, 不便于掩模沉积 厚膜印刷法 ? 工艺过程 ? 通过网版在基板表面印刷厚膜导体浆料,形成 与网版对应的图形 ? 经烧成法形成电路图形 ? 特点 ? 浆料仅印刷在需要的部位,因此材料的利用率 高 ? 印刷机的价格较低,可降低设备总投资 ? 缺点 ? 线条精细度差 ? 图形分辨率低 ? 多次印刷难以保持图形的一致性 喷沙法 ? 工艺过程: ?在基板全表面由电路图形材料成膜 ?在表面形成光刻胶图形 ?经喷沙去除掉不需要的材料部分,保留 光刻胶图形覆盖的部分 ?剥离光刻胶后得到所需要的电路图形 ? 优点 ?采用光刻制版技术,能形成精细的电路 图形 ? 缺点 ?喷沙过程中会产生灰尘 1、电子封装工程中至关重要的膜材料及膜技术 膜材料 ?下表列出与电子封装工程相关的各类膜材 料,同时给出用途、性质及成膜方法等 薄膜材料 导体薄膜材料 ? 材料的种类及性质 ? 导体薄膜的主要用途 ?形成电路图形,为半导体元件、半导体芯片、电阻、电 容等电路搭载部件提供电极及相互引线,以及金属化等 ? 为保证金属—半导体间连接为欧姆接触,要求: ?金属与半导体的结合部位不形成势垒 ?对于n型半导体,金属的功函数要比半导体的功函数小 ?对于p型半导体,与上述相反 ?金属与半导体结合部的空间电荷层的宽度要尽量窄,电 子直接从金属与半导体间向外迁移受到限制等 2、薄膜材料 ?导体薄膜材料 ?电阻薄膜材料 ?介质薄膜材料 ?功能薄膜材料 2、薄膜材料 导体薄膜材料 ? 材料的种类及性质 ? 实际情形 ?随半导体的表面处理,在导体和半导体表面往往会存在 薄的氧化膜,但电子通过隧道效应可穿过此膜层,因此 并不存在很大的问题 ?依表面处理条件不同,半导体的表面状态会发生变化, 相应金属及半导体的功函数也会发生变化 ?功函数还与表面能级、晶体取向等相关,必须注意其值 的变化 2、薄膜材料 导体薄膜材料 ? 材料的种类及性质 ? 其他布线及电极用的导体材料,还应具有下述特性: ?电导率要高 ?对电路元件不产生有害影响,为欧姆连接 ?热导率高、机械强度高,对于碱金属离子及湿度等的电 化学反应要尽量小 ?高温状态,电气特性也不发生变化,不发生蠕变现象 ?附着力大,成膜及形成图形容易 ?可形成电阻、电容,可进行选择性蚀刻 ?可进行Au丝、Al丝引线、薄膜材料 导体薄膜材料 ? 材料的种类及性质 ? 实际情形 ?单一种导体不可能满足上述所有要求 ?构成电子电路往往需要多种导体膜的组合 2、薄膜材料 导体薄膜材料 ? 而且 ? 相互连接及电极中往往也不是采用单一金属,而是多种导体膜积 层化,以达到上述各种要求 ? 多层金属组合的实例 2、薄膜材料 导体薄膜材料 ? 多层组合薄膜说明 ? 导体的表面方阻均在50mΩ/□以下 ? 进一步降低电阻,需要在Au膜上再电镀Au ? 所列的材料组合之外,在半导体IC的电极凸点及梁式引线部分,还 采用Au-Pd-Ti,Sn·Sb-Cu-Cr,Au-W·Ti等 组合,以及PtSi,Pd2Si,CrSi等金属硅化物作导体。 ? Au ? 可满足上述条件中的大部分 ? 单独使用时与基板及SiO2等膜层的附着力太低 ? 往往在最底层采用NiCr,Cr,Ti等附着性好的膜层 ? 最上层采用容易热压附着或容易焊接的Au及Pb·Sn等 ? 但两种金属薄膜相互结合时,往往在比块体材料更低的温度下就产生 明显扩散,生成化合物。 2、薄膜材料 导体薄膜材料 ? Al ?特点 ? Si基IC常用导体材料 ? 与作为IC保护膜的SiO2间的附着力大 ? 对于p型及n型Si都可以形成欧姆接触 ? 可进行引线键合 ? 电气特性及物理特性等也比较合适 ? 价格便宜 ? 作为IC用的导体普遍采用 ?但 ? 随环境、气氛温度上升,Al与Au发生相互作用,生成金属 间化合物,致使接触电阻增加,进而发生接触不良 Al ? 当Al中通过高密度电流时,向正极方向会发生Al的迁移, 即所谓电迁移 ? 在500℃以上,Al会浸入下部的介电体中 ? 在MOS元件中难以使用 ? 尽管Al的电阻率低,与Au不相上下,但由于与水蒸气及氧 等发生反应,其电阻值会慢慢升高。 ? Al与Au会形成化合物 ? Al端子与Au线h,或者使气氛温度升高 到大约450℃,其间的相互作用会迅速发生,致使键合部位的 电阻升高 ? 此时,上、下层直接接触,Au、Al之间形成脆、弱AuAl2、 AuxAl等反应扩散层。造成键合不良 ? 采用Au-Au组合或Al-Al组合。在Au、Al层间设置Pd、Pt等中 间层,可防止反应扩散发生,形成稳定的膜结构 Al ? 存在电迁移 ?Al导体中流过电流密度超过106A/cm2 ?或多或少地发生电迁移现象 ?气氛温度上升,电迁移加速,短时间内即可引起断线℃长时间放置,会发生“竹节化”,即 出现结晶化的节状部分和较瘦的杆状部分 ?进一步在500℃以上放置,Al会浸入到下层的SiO2中,引起 Si基板上的IC短路 ? 因此,使用Al布线的MOS器件,必须兼顾到附着力、临界电 压、氧化膜的稳定性、价格等各种因素,对材料进行选择。 连接与布线的形成及注意点 ?Si IC中的Al布线可由Cr-Au代替。 Cr- Au与玻璃间具有良好的附着性,p型、n 型Si均能形成欧姆结合 ?Cr-Au成膜有两种方法 ?其一是将基板加热到250℃,依次真 空蒸镀Cr和Au ?其二是采用溅射法沉积 ?Cr-Au系中Cr膜的膜厚及电阻率如表3- 6所列 连接与布线的形成及注意点 ? Cr-Au系可能引起劣化的机制 ?Cr向Au中的扩散,由此会引起电阻增加 ? Mo-Au系 ?比Cr-Au系在更高些的温度下更为稳定 ?其成膜通常采用真空蒸镀法 ? 将基板加热到260℃,先蒸镀约100nm的Mo,接着蒸 镀30nm的Au,而后将基板温度降至100℃以下,再蒸 镀约300nm的Au。最后,将基板温度降至40℃以下, 取出 ?Mo在高温气氛中特别是加湿状态下很不稳定 连接与布线的形成及注意点 ? NiCr-Au ?薄膜导体中应用广泛 ?制备工艺 ? 先蒸镀0.1μm的NiCr合金膜,再蒸镀0.1μm的Au ?这种膜层在200~400℃的干燥N2气氛中放置24h,电 阻值有明显增加。 ? Au上蒸镀Ni膜的系统 ?在150℃会形成金属间化合物 ? Pd-Au ?,在0.3μm的Pd膜上蒸镀0.3μm的Au ?275℃老化,未发现生成化合物 ?有少量Pd固溶于Au中,300附近,膜层阻值急剧增加 连接与布线的形成及注意点 ? 以Ti为底层的Ti-Au系 ?对于所有种类的基板都显示出相当高的附着力 ?在250~350℃不太高的温度下即形成化合物,使T i膜的特性变差,由此造成电阻值增加 ?往往需在Au与Ti之间加入Pt阻挡层。 ? Al-Ti系 ?100~150℃即形成Al与Ti的化合物,使膜层阻 值增加 导体膜的劣化及可靠性 ? 成膜后造成膜异常的主要原因 ?一是由于严重的热失配,存在过剩应力状态,膜层从通常 的基板或者Si、SiO2膜表面剥离,造成电路断线 ?二是由于物质的扩散迁移引起,其中包括电迁移、热扩散、 克根达耳效应、反应扩散等。 ? 造成物质扩散迁移的外因有 ?高电流密度 ?高温度 ?大的温度梯度 ?接触电阻等, ?特别是几个因素联合作用时,效果更明显 导体膜的劣化及可靠性 ? 造成物质扩散迁移的内因 ?有构成物质的体系 ?晶粒度 ?内部缺陷 ? 内因、外因之间随时都在发生作用 ? Ti/Pt/Au系 ?电流密度高,造成膜内晶粒不断长大,即自发热效应与热 处理具有同样的效果 ?通常情况下,导体温度上升会加速组元之间的相互扩散, 形成反应扩散产物,造成机械强度下降及电阻升高等,反 过来又造成温度升高,恶性循环,急速造成破坏 导体膜的劣化及可靠性 ?如超过105A/cm2的高电流密度是造成导体劣化的主 要机制之一 ? 该机制是:导体中大量较高能量的传导电子对原子的动量传递 作用,使其向阳极方向迁移 ? 当原子从导体中的某一位置离开时,会在该位置留下空位 ? 空位浓度取决于某一场所空位流入量加上产生量与流出量之差。 若此差值为正,则造成空位积蓄,空位积蓄意味着导体的劣化。 ? 克根达耳效应 ?由于扩散组元之间自扩散系数不同引起的 ?自扩散系数大的组元的扩散通量大,自扩散系数小的组元 的扩散通量小 ?随扩散进行,若导体宏观收缩不完全,则原来自扩散系数 大的组元含量高的场所,将有净空位积累,从而引起导体 劣化 导体膜的劣化及可靠性 ? 物质迁移容易沿晶界进行——物质的迁移与其微观结构关系很 密切 ?温度不是很高,晶界扩散系数比体扩散系数大得多。膜层 中大量存在有晶界,晶界中离子的活动性与各个晶粒的晶 体学取向有关,特别是当许多晶粒的晶体学取向不一致时, 易于离子迁移 ?晶粒取向与外加电场之间的角度,因场所不同而异,因此 离子的迁移率在各处都不相同,离子沿晶界的传输量因位 置不同而异 ?当传导电子从大晶粒一侧向小晶粒一侧移动时,由于界面 处也发生离子的迁移,因而引起小晶粒一侧空位的积蓄等 导体膜的劣化及可靠性 ? 劣化模式是上述各种机制的组合 ? 平均故障时间MTF与微观的结构因子数相关,特别是导体的 长度与宽度、平均粒径与粒径分布、晶体学取向、晶界特性等 影响很大 ? 为了增加MTF,在条件允许的情况下应尽量采取如下措施: ?减小导体长度 ?增加导体膜的宽度与厚度 ?减小MTF的标准偏差 ?增加膜层的平均粒度等。 ? 实际上,电路的劣化不仅仅源于导体的劣化,钝化层及封装的 缺陷也常常是造成劣化的原因 ? 此外还要特别注意异常状态及环境变化等。 薄膜电感 ? 薄膜电感具有很多优点,但是也存在一些使用方面的限制 ?制作技术 ? 将低电阻导体膜形成螺圈状,中间用绝缘层交插绝缘,并引出 接线端子即形成薄膜电感 ?薄膜电感的电感量很小 ? 几何条件所限,仅为2~3nH,用途受到限制 ?采用铁氧体基板,使导体螺旋成膜 ? 电感量可达20~30nH,提高一个数量级 ?要达到更大电感量,元件所占面积太大,不现实 ?在铁氧体磁芯上绕线的小型电感的电感量 ? 可达2~3mH,多作为外设的片式元件用于电路 2、薄膜材料 电阻薄膜材料 ? 薄膜电阻用原材料 ?电阻率范围:100~2000μΩ·cm ?作成方阻值为10Ω/□~1000Ω/□的薄膜方电阻 ?10Ω/□以下的低方阻值电阻需求不多 ? 获得高方阻值薄膜电阻方法 ?增加电阻膜长度 ?减少电阻膜厚度 ? 电阻体薄膜实际使用的电阻温度系数 ?TCR100×10-6/℃ ?要求其电气性能稳定 ? 薄膜电阻制造方法 ?真空蒸镀、溅射镀膜、热分解、电镀等方法 2、薄膜材料 电阻薄膜材料 ? 制作方法对薄膜电气特性影响: ? 薄膜厚度:薄的膜层对传导电子产生表面散射,由此造成TCR 减小、电阻率升高 ? 但非常薄的膜为不连续的岛状结构,由此可能造成负的TCR。这种 膜容易发生凝聚或氧化,除少数几种物质外,特性不稳定 ? 膜层过厚时内部畸变大,特性也不稳定。 ? 若膜层中含有过量的杂质、缺陷及真空中的残留气体,由于引起 电子散射,使TCR变小,长期稳定性变差。 ? 组分:在金属—绝缘体、金属陶瓷等多相系中,因组分比易发生 偏离,膜的均匀性不好,由于过剩成分的氧化,稳定性差。 ? 单相与复合系:单相薄膜具有正TCR和较低的电阻。但组成复合 系,例如NiCr等,由于各成分的TCR相抵消,使TCR变 小,阻值升高 ? 其他:基板表面沾污、凹凸等表面状态、基板加热温度、基板材 质、成膜速率等都会造成特性的分散,并影响稳定性等 电阻薄膜材料 ? 代表性的薄膜电阻材料,分为 ? 单一成分金属 ? 合金 ? 金属陶瓷三大类 陶瓷薄膜电阻 陶瓷电阻薄膜 ? 金属陶瓷和Ta2N膜-陶瓷电阻薄膜 ?自混合集成IC开发的初期就开始使用 ?金属陶瓷电阻膜 ?金属和陶瓷的混合膜,其中有Cr-SiO,Cr-MgF2,Au -SiO等系统 ?Cr-SiO特性稳定,在不同的SiO含量(25%~90%) 下,可以获得电阻率为4.3×10-3~3.1×10-4Ω·cm的电阻膜 陶瓷电阻薄膜 ? Ta2N电阻膜 ?晶体结构、电阻率、TCR与N2分压的关系 ? N2分压增加,β-Ta→→β-Ta+α-Ta→→ α-T a+N2 →→ α-Ta+Ta2N→→Ta2N+TaN →→TaN次序变化 ? 在含有Ta2N的区域,膜层的电阻率大,TCR接近零,而 且特性偏差小,阻值的经时变化小。因此,处于该区域的材料 适于制作电阻膜 ? 调节Ta2N膜电阻率一般采用阳极氧化法,在其表面形成绝 缘体Ta2O5。 ? Ta2N膜具有良好的热稳定性和耐热冲击性能。例如,在熔 凝石英基板上沉积Ta2N膜,在200~800℃之间进行 热循环试验,其寿命在3×107循环以上 N2分压增加,β-Ta→→β-Ta+α-Ta→→ α-Ta+N2 →→ α-Ta+Ta2N→→Ta2N+TaN→→TaN次序变化 陶瓷电阻薄膜 ? 其他材料体系陶瓷薄膜电阻材料 ?(Ti,Al)N ?(Ta,Al)N ?(Ti,Si)N ?Ta(N,O) ?AlN ?TiN ?ZrN ? 一部分已在精密薄膜电阻和传真机用热写头的发热体中采用 2、薄膜材料 介质薄膜材料 ? 使用材料性质 ?电学特性 ?电气绝缘、介电性 ?压电性、热释电性、铁电性 ?光学特性 ?机械特性 ? 应用领域 ?电子元器件、光学器件、机械元器件 ? 应用实例: ?显示元件、红外传感器、弹性表面波(SAW)元件、薄膜 电容器、不易失性存储器 2、薄膜材料 介质薄膜材料 ? DRAM(动态随机存储器)用介质薄膜材料 ? 蓄积电荷用的电容器膜 ? 最初采用SiO2膜(εr=3.8) ? 后,在维持等效介电常数的前提下,为提高其可靠性,采用Si3N4 ( εr= 7)与SiO2复合的等效三明治膜层结构 ? SiO2膜 ? 制备方法 ? 在Si基板及多晶硅膜、Si3N4膜表面氧化形成 ? 由硅烷及四乙氧基硅烷Si(OC2H5)4为原料,通过热CVD、等 离子体CVD形成 ? Si3N4膜制备方法 ? 热CVD法、等离子体CVD。 ? SiO2及Si3N4-SiO2复合膜中SiO2的等效膜厚已薄到5nm,达到 最薄极限。 2、薄膜材料 介质薄膜材料 ? Ta2O5(εr= 28),Y2O5( εr= 16),HfO2(εr= 24)等氧化物介质薄膜材 料 ? 相对介电常数是SiO2的4~7倍,受到广泛注意 ? 采用Ta2O5时漏电流较大,实际静电容量受到影响。 ? SrTiO3,(Ba,Sr)TiO3,PZT [Pb(Ti,Zr)O3], PLZT [(Pb,La)(Ti,Zr)O3] 等钙钛矿型氧化物材料 ? 具有顺电相或铁电相,介电常数都很高 ? 这些膜层在IC制作、电子封装中有重要应用 ? IC制作中,由于这些材料介电常数很高 ? 可用于制作存储器用的电容器膜 ? GaAs基板上MM(单片微波)IC用的旁路电容器膜,已达实用化 ? 电子封装领域,这些高介电常数的膜层与导体层叠层共烧可将 电容器等无源元件植于高密度多层基板中,实现三维封装 2、薄膜材料 介质薄膜材料 ?制备方法 ?射频磁控溅射 ?离子束溅射 ?溶胶-凝胶 ?MO(金属有机物)CVD ?紫外激光熔镀等方法成膜 2、薄膜材料 功能薄膜材料 ?功能薄膜材料 ?应用越来越广泛 ?涉及到电子元器件、显示器、磁记录及 光盘、传感器、太阳能电池、光集成电 路、金刚石薄膜等各个领域 习题与思考题 1、什么是薄膜技术?简要阐述薄膜与厚膜的概念? 2、例举薄膜制备的三种方法,简要说明其原理? 3、例举导体薄膜、电阻薄膜材料、介质薄膜材料? 4、例举导体薄膜材料的劣化机制

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