Стекловидный неорганический диэлектрик
GLASSY INORGANIC DIELECTRIC

Предполагаемое изобретение относится к составу легкоплавких некристаллизующихся стекловидных диэлектриков и предназначено для спаивания с сапфиром и кремнием.
Предполагаемое изобретение может найти широкое применение в приборостроении, радиоэлектронной технике, микроэлектронике, в частности, в производстве интегральных схем при создании спая сапфир-стекловидный неорганический диэлектрик-кремний.
2
2
3
2
2
2
Известен состав легкоплавкого стекловидного неорганического диэлектрика (Патент №2083515, М.Кл. С03С 10/06, 10.07.1997), используемый для диэлектрической изоляции активных элементов кремниевых интегральных схем и создания структур типа кремний-на-изоляторе (КНИ) и кремниевых структур с диэлектрической изоляцией (КСДИ). Легкоплавкий стекловидный неорганический диэлектрик включает компоненты при следующем соотношении, вес. %: SiO 46,0-59,0; AlO 20,0-23,0; ВаО 16,0-28,0; SrO 1,0-10,0; TiO 0,01-8,0; CeO 0,01-0,5; СаО 1,0-6,0; GeO 1,0-8,0.
2,
Признаком аналога, совпадающим с существенными признаками предлагаемого изобретения являются компоненты, входящие в состав легкоплавкого стекловидного неорганического диэлектрика: SiO СаО.
Недостатком аналога легкоплавкого стекловидного неорганического диэлектрика, препятствующим достижению необходимого результата, является невозможность получения качественного бездефектного спая при соединении из-за высокой вязкости стекловидного материала при термообработке структур в следствии быстрого протекания процесса кристаллизации.
2
2
3
2
2
3
2
3
Известен состав легкоплавкого стекла (US 649762 B1, SATOSHI FU-JIMINE KANAGAWA JP, 24.12.2002), используемого для различных материалов, в частности для покрытия металлических и диэлектрических электродов. Легкоплавкое стекло включает компоненты при следующем соотношении, вес. %: PbO 25,0-85,0; SiO 0,0-40,0; AlO 0,0-25,0; ZnO 0,0-55,0; NaO 0,0-20,0; BiO 0,0-35,0; CuO 0,2-0,9; ВО 0,0-60,0.
2
2
2
3
Общим признаком аналога, совпадающим с существенными признаками заявляемого изобретения, являются компоненты, входящие в состав легкоплавкого стекла: SiO, NaO, BO.
Недостатком указанного состава легкоплавкого стекловидного диэлектрика является повышенная чувствительность значения коэффициента линейного термического расширения (КЛТР) к незначительным колебаниям режимов термообработки.
2
2
3
2
2
2
2
2
3
2
Наиболее близким к предлагаемому стекловидному неорганическому диэлектрику по технической сущности и достигаемому результату является состав стекловидного неорганического диэлектрика, применяемого в электронной технике, включающий вес. %: SiO 65,0-70,0; BO 4,0-10,0; СаО 1,0-9,0; MgO 1,0-9,0; NaO 3,5-8,0; KO 1,0-8,0; LiO 3,5-8,0; CsO 1,0-8,0; SbO 0,5-1,5; MnO 1,0-8,5 (A.c. СССР №679538, M. Кл. C03C 3/08, 18.08.1979) для создания спая с различными подложками (феррит, титан, кремний).
2
2
3
2
2
2
2
3
2
Признаком прототипа, совпадающим с существенными признаками предлагаемого изобретения являются компоненты, входящие в состав стекловидного неорганического диэлектрика: SiO, BO, СаО, MgO, NaO, KO, LiO, SbO, MnO.
Недостатком, препятствующим достижению необходимого результата, является отклонение значений КЛТР стекловидного неорганического диэлектрика от значений КЛТР кремния, что затрудняет получение согласованных с кремнием спаев и приводит, в конечном счете, к деформации кремниевых пластин. Возникновение в кремнии внутренних напряжений и дислокаций в конечном итоге приводит к ухудшению параметров кремниевых приборов и к низкому выходу годных при производстве интегральных схем.
2
2
3
2
Техническим результатом предполагаемого изобретения является получение стекловидного неорганического диэлектрика для создания спая сапфир-стекловидный неорганический диэлектрик-кремний в системе SiO-ВО-RO-RO, который по КЛТР согласовывается с составляющими спая, и способный увеличивать механическую прочность тройного спая сапфир-стекловидный неорганический диэлектрик-кремний.
2
2
3
2
2
2
2
3
2
2
Технический результат достигается тем, что компоненты имеют следующие соотношения, вес. %: SiO 65,0-67,7; BO 5,2-8,8; СаО 1,7-3,3; MgO 1,0-2,3; NaO 3,7-4,2; KO 2,0-5,4; LiO 3,5-5,0; SbO 0,6-2,5; MnO 1,2-2,7, а также дополнительно содержит ZrO при следующем соотношении, вес. % 7,55-15,80.
2
2
3
2
2
2
2
3
2
2
2
3
2
2
2
2
3
2
2
Для достижения технического результата стекловидный неорганический диэлектрик, включающий SiO; BO; СаО; MgO; NaO; KO; LiO; SbO; MnO, отличается тем, что эти компоненты имеют следующие соотношения, вес. %: SiO 65,0-67,7; ВО 5,2-8,8; СаО 1,7-3,3; MgO 1,0-2,3; NaO 3,7-4,2; KO 2,0-5,4; LiO 3,5-5,0; SbO 0,6-2,5; MnO 1,2-2,7, а также дополнительно содержит ZrO при следующем соотношении, вес. % 7,55-15,80.
2
2
3
2
Для синтеза стекловидного неорганического диэлектрика с комплексом заранее заданных свойств был применен метод математического планирования эксперимента. В качестве параметра оптимизации выбран параметр КЛТР как наиболее важный для получения согласованного спая стекловидного неорганического диэлектрика с сапфиром и кремнием в системе SiO-BO-RO-RO.
2
Уменьшение содержания SiO в составе стекловидного неорганического диэлектрика в пределах от 46 до 60 вес. % приводит к ухудшению диэлектрических свойств.
2
2
2
2
На первое место среди всех прочих окислов по своей способности увеличивать химическую устойчивость ставится ZrO. Окислы ZrO трудно растворимы в силикатных расплавах и придают стекловидному диэлектрику тугоплавкость. Компонент ZrO обладает в стекловидном неорганическом диэлектрике весьма высокой преломляющей способностью, а также ZrO является огнеупорным окислом.
2
Данный компонент эффективно повышает устойчивость стекловидных диэлектриков по отношению чуть ли не ко всем реагентам, он отличается высокой щелочестойкостью при достаточной кислотности. Особенно благоприятное влияние ZrO оказывает на щелочеустойчивость различных стекол, эмалей и глазурей.
2
2
При создании стекловидного неорганического диэлектрика для тройного спая содержание ZrO изменялось в пределах 0-16% с интервалом варьирования 2%. Для создания прочного тройного спая сапфир-стекловидный неорганический диэлектрик-кремний предъявляется целый комплекс специфических требований к физико-химическим свойствам стекловидного неорганического диэлектрика, который используется в качестве «связующего» элемента для создания тройного спая. Использование неорганического стекловидного диэлектрика требует согласования значений КЛТР стекловидного неорганического диэлектрика и двух других компонентов спая, которые приведут в конечном счете к минимальным напряжениям в спае. На фиг. 1 изображен график зависимости КЛТР стекловидного неорганического диэлектрика от % вес. в состав добавки ZrO.
Были синтезированы стекловидные неорганические диэлектрики (№1-5), состав которых приведен в таблице №1.
В качестве исходных компонентов для стекловидного неорганического диэлектрика использовались оксиды марок «осч» и «хч». Каждую смесь (предлагаемых составов (1-5), табл. 1) сплавляют отдельно в корундовых тиглях в электропечах с ситаловыми нагревателями при 1400-1450°С в течение 0,5 часов. Расплавы стекловидных диэлектриков отливают в виде образцов для измерения КЛТР, электрических параметров.
2
Полученный гранулят стекловидного неорганического диэлектрика измельчают в яшмовых барабанах до получения порошка с удельной поверхностью 5000 см/г. На основе стеклопорошков готовят рабочие суспензии «мокрый помол» в яшмовых барабанах с яшмовыми шарами в присутствии изобутилового спирта. Нанесение стеклопорошка из рабочей суспензии на из сапфировую подложку осуществляется в центрифуге при скорости вращения ротора 3000-6000 об/мин в течение 3 мин. Термообработку полученного порошкового слоя стекловидного неорганического диэлектрика проводят в электропечах при 950-1000°С со скоростью охлаждения 3 град/мин до 170°С. Кристаллизационная способность пленок оценивалась на электронном микроскопе. Толщина покрытия стекловидной неорганической пленки варьировалась в пределах от 2 до 5 мкм.
На механическую надежность спая существенное влияние оказывают компоненты, входящие в состав стекловидного диэлектрика. В отожженных спаях существуют в основном напряжения, обусловленные различными значениями КЛТР. Растягивающее усилие в структуре может вызвать растрескивание спая на последующих этапах обработки, нарушение линейности или деградации свойств используемого материала. Кроме КЛТР существенное влияние оказывает толщина стекловидного неорганического диэлектрика, который используется в качестве «связующего» элемента. Поэтому предлагается метод центрифугирования, который позволяет получить однородные по толщине пленки из стекловидного неорганического диэлектрика 2-5 мкм.
2
2
3
2
2
Стекловидный неорганический диэлектрик, обеспечивающий решение поставленной задачи, а именно получение механически прочного, без пор и полостей спая при соединении кремниевых и сапфировых структур системы SiO-BO-LiO, включающего добавку ZrO в пределах 7,55-15,80 вес. %, которая способствует согласованности по всем величинам КЛТР всех составляющих спая: сапфира, стекловидного неорганического диэлектрика и кремния. Оксид циркония способствует повышению механической прочности тройного спая.
2
2
2
3
2
-7
-1
-7
-1
-7
-1
Разработанный стекловидный неорганический диэлектрик с добавлением компонента ZrO на базе системы SiO-BO-LiO, должен приводить к минимальной рассогласованности спаиваемых материалов, иметь КЛТР (50-55×10 К) близкий к КЛТР кремния (40-50×10 К) и сапфира (56-75×10 К).
Количественное соотношение указанных компонентов в предлагаемом составе легкоплавкого стекловидного диэлектрика позволяет создать стекловидный диэлектрик, который обеспечивает прочный тройной спай сапфир-стекловидный неорганичекий диэлектрик-кремний.
Оценка кристаллизационной способности исходных монолитных синтезированных стекловидных диэлектриков (№1-5), которая дает информацию о протекании процесса кристаллизации при термообработке тройного спая, осуществлялась методом массовой кристаллизации и с помощью метода дифференциально-термического анализа (ДТА) фиг. 2.
Электрофизические параметры стекловидных диэлектриков измеряли по стандартным методикам. Полученные стекловидные неорганические диэлектрики имеют следующие характеристики (см. табл. 2).
D
Θ
где КЛТР - коэффициент линейного термического расширения, T - дилатометрическая температура, Т - температура растекания, Н - микротвердость.
Результаты испытания тройного спая сапфир-стекловидный неорганический диэлектрик-кремний на параметр предела прочности на отрыв представлены в табл. 3
Разработанный легкоплавкий стекловидный диэлектрик обеспечивает получение улучшенной механической прочности тройного спая, применяемой для создания тройного спая сапфир-стекловидный неорганический диэлектрик-кремний, применяемый в интегральных схемах.