Анодные алюмооксидные структуры со встроенной системой алюминиевых межсоединений для СВЧ-применений

Размещено на http://www.allbest.ru/

Анодные алюмооксидные структуры со встроенной системой алюминиевых межсоединений для СВЧ-применений

Д.Л. Шиманович

Аннотации

Исследованы технологические особенности формирования одновременно свободных анодных нанопористых Al2O3-структур и встроенных алюминиевых элементов толщиной 5-100 мкм путем использования двухстороннего сквозного электрохимического анодирования. Показано, что толщина свободной алюмооксидной пластины, расположение и размеры встроенной в ее объеме системы межсоединений могут варьироваться технологическими режимами. Сделан вывод, что такие алюмооксидные структуры перспективны для микроэлектронных микроволновых устройств. анодный нанопористый алюминиевый

Ключевые слова: алюминий; анодирование; алюмооксидная структура; система межсоединений; микрополосковая линия передачи; СВЧ-устройство.

ANODIC ALUMINA STRUCTURES WITH BUILT-IN ALUMINUM INTERCONNECTION SYSTEM FOR MICROWAVE APPLICATIONS

D. L. Shimanovich

Belarussian state university of informatics and radioelectronics (BSUIR), Minsk, Belarus

Abstract. Technological features for the formation of free anodic nanoporous Al2O3 structures and 5-100 мm thick embedded aluminum elements simultaneously by a two-sided through thickness electrochemical anodization were studied. It was proved that the thickness of the free alumina plate, the distribution and sizes of the interconnection system in its volume were varied by technological conditions. It was concluded that such alumina structures are promising for microelectronic microwave devices.

Keywords: aluminum; anodizing; alumina structure; interconnection system; microstrip line; microwave device.

Введение

Повышение функциональной сложности СВЧ-устройств при одновременном увеличении требований к их электрофизическим параметрам, надежности и технологичности требуют новых подходов к выбору несущих оснований и токопроводящих коммутационных структур, выполняющих функцию микрополосковых СВЧ-линий [1]. Анализ возможностей алюмооксидной технологии и проведенных исследований [2-4] показал, что, используя комбинированное сочетание процессов фоторезистивного маскирования, двухстороннего сквозного анодирования и химического травления исходных алюминиевых пластин, можно одновременно формировать несущие основания и системы алюминиевых межсоединений, встроенных внутри диэлектрического тела пластин из свободного анодного оксида алюминия с односторонним или двухсторонним выходом на поверхность контактных площадок, что может найти применение при создании пассивной элементной базы СВЧ-систем. Связанное с этим научное направление является весьма актуальным, если учесть, что исключается применение процессов вакуумного напыления или электрохимического осаждения металлических пленок, и можно варьировать толщиной встроенных коммутационных элементов и глубиной их залегания в объеме диэлектрика.

Экспериментальная часть и обсуждение результатов

Разработана методика изготовления Al2O3-пластин, которые выполняют роль несущих диэлектрических оснований и одновременно служат межэлементной диэлектрической средой для встроенной металлизации. Последовательность технологических операций формирования таких сквозных алюмооксидных структур с имплантированными проводящими элементами отображена на рисунке 1.

Рис. 1. Последовательность формирования встроенной системы металлизации в объеме свободной Al2O3-пластины: (1) алюминий; (2) сильнозадубленные (T=180 oC) фоторезистивные маски; (3) слабозадубленные (T=120 oC) фоторезистивные маски; (4) слой оксида алюминия после первого анодирования; (5) слой оксида алюминия после второго анодирования; (6) встроенный Al-проводник с контактными площадками; (7) разделительный слой; (8) Al-проводник на поверхности платы; (9) переходный Al-проводник; (10) Al2O3.

Ее сущность заключается в том, что вначале на предварительно подготовленную и отполированную Al-пластину толщиной 150-200 мкм наносили в два этапа фоторезистивные маски проводников и контактных площадок по схеме разнотемпературного задубливания (соответственно T=120 oC и T=180 oC). Затем открытые места Al анодировали на необходимую толщину в 7% щавелевой кислоте (H2C2O4) при температуре 16-18 oC в гальваностатическом режиме при плотности тока 25-35 мА/см 2. Далее, селективным химическим травлением в растворе CrO3:H3PO4:H2O при температуре 85 oC удаляли выращенный Al2O3 с образованием микрорельефа. Затем осуществляли вторую стадию анодирования в том же электролите, снимали слабозадубленные фоторезистивные маски с мест формируемых встроенных проводников и проводили двухстороннее сквозное анодирование уже всей открытой поверхности оснований.

Так как толщина Al в местах, соответствующих будущим зонам межэлементного разделения меньше, то они анодировались полностью до смыкания встречнорастущих Аl2O3-слоев, а на других участках анодирование прекращалось с образованием встроенных внутри оксида проводников. Причем, какой величины был сделан уступ микрорельефа, такой же толщины формировались Al-проводники внутри Al2O3-пластин. Сильнозадубленные фоторезистивные маски, соответствующие контактным площадкам и переходным проводникам, снимались после завершения анодирования с образованием выхода Al на поверхность конечной структуры. Получены встроеннные коммутационные элементы с толщиной Al от 5 до 100 мкм и различной глубиной их залегания в объеме Al2O3-пластин. С целью планаризации поверхности коммутационных плат необходимо осуществлять расчет времени анодирования и толщины анодных слоев. Важно учитывать, что в результате электрохимического процесса анодирования существует коэффициент объемного роста при превращении Al в Al2O3, который равен 1,4-1,6 в зависимости от электрохимических режимов.

Следует заметить, что в полученных двухсторонним сквозным анодированием коммутационных пластинах между двумя барьерными слоями Al2O3 могут оставаться вкрапления Al из-за различия в толщине исходных алюминиевых пластин и поверхностных микродефектов. Такие вкрапления Al могут образовывать мостики закорачивания между встроенными проводниками.

Устранение этих вкраплений Al осуществляется дополнительным биполярным анодированием, схематическое обоснование которого представлено на рисунке 2. Для этого пластина устанавливается в двухкамерной химической ванне, в катодную камеру которой заливается электролит анодирования, а в анодную - буферный электролит, и на электроды подается напряжение, равное или несколько большее предшествующему при сквозном анодировании. При включении тока на одной стороне пластины напротив Al-включений появляется положительный заряд, она становится анодом, и проходит процесс анодного доокисления (анодирования) этих включений, а вторая заряжается отрицательно, становится катодом, и наблюдается восстановление катионов буферного электролита на катодной стороне напротив Al-включений с гарантированным отсутствием искрений и прожогов окисленного слоя в таких зонах. Al во вкраплениях анодируется, а в местах без вкраплений, благодаря буферному электролиту, создается электрическое сопротивление цепи, равное сопротивлению анодирования, что исключает пробой Al2O3. Процесс ведется до полного проанодирования этих Al-вкраплений. Однако необходимо учитывать тот факт, что при вынужденном использовании такой методики толщина встроенных проводников уменьшается на величину, равную толщине внутренних Al-включений. Поэтому важным моментом в предлагаемой технологии является качественная подготовка поверхности исходных алюминиевых заготовок.

Рис. 2. Схематическое обоснование биполярного анодирования: (1) двухкамерная электролитическая ванна; (2) изолирующая перегородка; (3) электролит анодирования в катодной камере; (4) буферный электролит в анодной камере; (5) свободная Al2O3-пластина; (6) область двух встречных барьерных слоев Al2O3; (7) недоокисленные Al-включения.

Эффект и сравнительная оценка применения биполярного анодирования представлены на рисунке 3, а на рисунке 4 показаны фото вариантов изготовленных Al-Al2O3-структур по изложенной технологии.

Рис. 3. Сравнительная оценка влияния процесса биполярного анодирования на ликвидацию Al-вкраплений: (а) до проведения биполярного анодирования; (б) после биполярного анодирования.

Рис. 4. Фото вариантов изготовленных структур со встроенными коммутационными элементами: (а) кристаллодержатель; (б) матрица меандров; (в) тестовый набор проводниковых элементов.

Заключение

Таким образом, были разработаны и оптимизированы технологические режимы формирования несущих алюмооксидных оснований со встроенной внутри диэлектрического тела системой токопроводящих алюминиевых элементов толщиной от 5 до 100 мкм на основе двухстороннего сквозного анодирования и биполярного анодирования. Было показано, что разработанные структуры являются перспективными для использования в качестве микрополосковых линий пассивной части систем СВЧ-диапазона.

Литература

1. Кренделев А.Е. Технологические средства изготовления микрополосковых линий для ГИС КВЧ-диапазона. // Технология и конструирование в электронной аппаратуре, 2002, № 4. - C. 33-39.

2. Сокол В.А., Яковцева В.А., Шиманович Д.Л. Особенности применения пористых оксидов алюминия. // Доклады БГУИР, 2012, № 2 (64). - C. 21-27.

3. Литвинович Г.В., Шиманович Д.Л. Технологические особенности формирования плат со встроенной системой межсоединений в подложках анодного оксида алюминия. // Доклады БГУИР, 2013, № 3 (73). - C. 39-44.

4. Сокол В.А., Шиманович Д.Л., Литвинович Г.В. Технологические приемы формирования Al-Al2O3 микроструктур для мощных электромеханических систем. // Доклады БГУИР, 2012, № 8 (70). - C. 44-49.

References

1. Krendelev, A. E. Technological methods of the microstrip fabrication for the EHF HICs. // Tekhnologiya i Konstruirovanie v Elektronnoi Apparature, 2002, No 4. - Pp. 33-39.

2. Sokol, V. A., Yakovtseva, V. A., Shimanovich, D. L. Application features of porous alumina. // Doklady BGUIR, 2012, No 2 (64). - Pp. 21-27.

3. Litvinovich, G. V., Shimanovich, D. L. Technological particularities of the circuit board with the built-in interconnection system formation for the anode alumina substrate. // Doklady BGUIR, 2013, No 3 (73).). - Pp. 39-44.

4. Sokol, V. A., Shimanovich, D. L., Litvinovich, G. V. Technological techniques of Al-Al2O3 microstructures formation for powerful electromechanical systems. // Doklady BGUIR, 2012, No 8 (70). - Pp. 44-49.

Размещено на Allbest.ru