Способ подготовки поверхности подложки из алюмонитридной керамики с отверстиями, сформированными лазерной резкой, под тонкоплёночную металлизацию
METHOD OF PREPARING SUBSTRATE SURFACE FROM ALUMINUM NITRIDE CERAMIC WITH HOLES FORMED BY LASER CUTTING, FOR THIN-FILM METALLISATION

Изобретение может быть использовано в электронной технике и радиопромышленности, в частности, при производстве мощных СВЧ приборов и модулей силовой электроники.
Использование подложек из керамики на основе нитрида алюминия в полупроводниковых приборах требует решения ряда вопросов, связанных с её металлизацией вакуумным осаждением металлов.
Основными требованиями к металлизации керамики 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 предпочтение отдают, как правило, титану в качестве первого слоя при вакуумном осаждении металлизационной системы на подложку, поскольку значение ΔН (ккал/моль) образования TiN = –73,0 и более отрицательно значения ΔН образования AlN= –57,7 [2].
Не менее важно, для обеспечения высокой адгезии металлизации к алюмонитридной 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 [3]. Таким образом, важное значение имеет качество предварительной подготовки поверхности подложек, предназначенных для нанесения на них тонкоплёночной металлизации.
Кроме вышеизложенного, в ряде случаев в подложках из алюмонитридной керамики необходимо формировать переходные металлизированные отверстия, например, в подложках силовых модулей, в подложках для мощных СВЧ транзисторов для снижения индуктивности в базовых цепях и т.п. Отверстия до металлизации обычно формируют лазером. При этом в местах формирования отверстий температура может превышать 2000°С, что является причиной разложения A1N с образованием загрязняющего поверхность отверстия алюминия, который необходимо удалить в подложках из алюмонитридной керамики, подлежащих тонкоплёночной металлизации. На Фиг. 1 показано сечение по отверстию в алюмонитридной керамике, сформированному лазерной резкой. Поверхность отверстий покрыта алюминием.
Известен способ очистки поверхностей от масложировых загрязнений в радиоэлектронике, точном машиностроении, оптике и других областях техники [Патент РФ № 2293800, МПК: C23G5/028, опубл. 20.02.2007], содержащий фторуглерод, фторхлоруглеводород или предельный углеводород изо- и/или нормального строения с длиной цепи C5-C 8 при следующем соотношении компонентов, мас. %: фторуглерод - 10-90, фторхлоруглеводород или предельный углеводород - остальное, при этом в качестве фторуглерода используется смесь транс- и цис-изомеров перфтор-(4-метил-пентена-2) или смесь транс- и цис-изомеров перфторнонена-4 или их смесь.
Данное техническое решение направлено на расширение арсенала средств для очистки поверхностей, способных заменить озоноразрушающий хладон-113, но не может быть использована для очистки подложек из алюмонитридной керамики, особенно подложек с отверстиями, сформированными лазерной резкой, т.к. в составе предложенной смеси отсутствуют компоненты, способные удалить алюминий, образующийся на поверхности отверстий при резке лазером.
Известна технология химической очистки поверхности изделий [Патент РФ № 2118013, МПК: H01L21/306, опубл. 20.08.1998], включающая электрохимическую активацию раствора серной кислоты, воздействие активированного раствора на поверхность пластин, промывку и сушку пластин.
Данная технология не может быть использована для очистки подложек из алюмонитридной керамики, особенно подложек с отверстиями, сформированными лазерной резкой, т.к. в результате взаимодействия серной кислоты с подложкой из алюмонитридной керамики нарушается морфологическое состояние поверхности подложки.
Известен способ объемной химической очистки поверхности полупроводниковых пластин [4], заключающийся в том, что подложки последовательно подвергают очистке в щелочном растворе, обработке в кислотном растворе, смывке и промывке в деионизованной воде.
Недостатком такого способа очистки является активное взаимодействие щелочных растворов с нитридом алюминия, вызывающее недопустимое нарушение морфологической поверхности подложек, подлежащих тонкоплёночной металлизации.
Ближайшим аналогом предлагаемого технического решения является способ очистки поверхности подложек [Патент РФ № 2395135, МПК:H01L21/46, опубл. 20.07.2010], включающий стадию очистки в кислотных травителях, например, в концентрированной особо чистой ортофосфорной кислоте при температуре 148÷152°С в течение не менее 7 минут, смывку кислоты деионизованной водой и сушку. Данный способ не может быть использован для очистки подложек из алюмонитридной керамики, особенно подложек с отверстиями, сформированными лазерной резкой, т.к. в результате взаимодействия горячей ортофосфорной кислоты с подложкой из алюмонитридной керамики нарушается морфологическое состояние поверхности подложки, обуславливающее снижение адгезии тонкоплёночной металлизации к подложке.
Техническим результатом изобретения является качественная очистка поверхности подложек из алюмонитридной керамики, с отверстиями, сформированными лазерной резкой.
Указанный технический результат обеспечивается тем, что в способе подготовки поверхности подложки из алюмонитридной керамики с отверстиями, сформированными лазерной резкой, под тонкоплёночную металлизацию, включающем стадию очистки в кислотных травителях, смывку кислоты водой и сушку, стадию очистки в кислотных травителях проводят при температуре тающего льда до полного удаления алюминия с поверхности отверстий. В качестве травителя предпочтительно использовать раствор соляной кислоты в воде с соотношением 0,7-1,3 объёмных частей кислоты на 1 объёмную часть воды.
Удаление алюминия с поверхности отверстий в подложке из алюмонитридной керамики возможно в растворах, содержащих щёлочи и кислоты. Использование щелочных растворов приводит к нарушению морфологического состояния поверхности подложек, представляющего собой помутнение поверхности, связанное с подтравливанием нитрида алюминия, даже при температуре тающего льда, приводящего к образованию на поверхности нежелательных соединений, с которыми титан не вступает в химическую реакцию, что приводит к существенному снижению адгезии осаждённой в вакууме металлизации к подложке.
Как показали проведенные эксперименты, кислотные растворы при температуре тающего льда весьма слабо взаимодействуют с нитридом алюминия или вообще не взаимодействуют. Кроме того, в производстве легко поддерживать температуру тающего льда, проводя процессы в сосуде с водой, в которой плавает лёд.
Проводили процессы по удалению алюминия с поверхности отверстий в подложках из керамики на основе нитрида алюминия в различных кислотных растворах при температуре тающего льда. Результаты проведенных процессов представлены в таблице.
Из данных, представленных в таблице видно, что предпочтительно использовать раствор соляной кислоты в воде с соотношением 0,7-1,3 объёмных частей кислоты на 1 объёмную часть воды. Составы с большим содержанием кислоты не целесообразно использовать из экономических соображений. Составы с другими кислотами либо не до конца удаляют алюминий, либо нарушают морфологическое состояние поверхности подложек, представляющее собой помутнение, связанное с подтравливанием нитрида алюминия и с образованием на поверхности соединений, с которыми титан не вступает в химическую реакцию. В результате имеет место существенное снижение адгезии осаждённой в вакууме металлизации к подложке из керамики на основе нитрида алюминия.
Литература
1. Третьяков Ю.Д. Твердофазные реакции / Ю.Д. Третьяков. – М.: Химия, 1978. – 359 с.
2. Справочник химика. Т.1. – М.-Л.: ГНТИХЛ, 1962. – 1071 с.
3. 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.
4. Ефимов И.Е., Козырь И.Я. и Горбунов Ю.Н. Микроэлектроника. – М.: Высшая школа, 1986. – 184-189 с.