Исследование процессов получения спая сапфир

Размещено на http://www.allbest.ru/

Исследование процессов получения спая сапфир-стекловидный диэлектрик

Ю.В. Клунникова

Южный федеральный университет,

Институт нанотехнологий,

электроники и приборостроения

Таганрог

Аннотация

В статье предложен технологический маршрут создания спая сапфир-стекловидный диэлектрик PbO - B2O3 - ZnO. Для получения спая сапфир - стекловидный диэлектрик использовался метод центрифугирования, позволяющий формировать сравнительно равномерные пленки толщиной от единиц до десятков мкм. Проведены исследования морфологии поверхности полученных пленок методом атомной силовой микроскопии.

Ключевые слова: сапфир, стекловидный диэлектрик, технологический процесс.

В настоящее время прочные спаи сапфира и стекловидного диэлектрика находят свое применение в различных областях микроэлектроники. Исследование особенностей формирования стекловидных пленок на сапфировых подложках является весьма актуальной задачей при создании тройных структур сапфир - стекловидный диэлектрик - керамика для защитных покрытий устройств микро- и наноэлектроники [1-2].

Легкоплавкие стекла PbO - B2O3 - SiO2; PbO - Al2O3 - TiO2 - SiO2; PbO - B2O3 - Na2O - SiO2; PbO - B2O3 - ZnO - SiO2 используются для спаивания элементов микроэлектроники [2-6]. Зона значения температурного коэффициента линейного расширения (ТКЛР) легкоплавких стекол лежит в пределах (55...95)10-7 К-1, что позволяет спаивать широкий спектр материалов, имеющих ТКЛР близкий к этому значению (сапфир, стекло, керамика, ферриты).

Для создания спая сапфира и стекловидного диэлектрика выбрано стекло системы PbO - B2O3 - ZnO.

На рисунке 1 представлена область стеклообразования диэлектрика системы PbO - B2O3 - ZnO. ТКЛР неорганического стекловидного диэлектрика измерялся дилатометрическим методом [2].

Рис. 1 - Область стеклообразования диэлектрика системы PbO-B2O3-ZnO

Формирование стекловидных диэлектрических покрытий (пленок) на поверхности подложки из пленкообразующего раствора (суспензии) возможно несколькими способами: золь-гель технология, центрифугирование, окунание и распыление (пульверизация). Эти способы позволяют получать стекловидные покрытия заданного состава и морфологии поверхности без использования сложного технологического оборудования. Для создания спая стекловидного диэлектрика и сапфировой подложки небольшого размера целесообразно использовать метод центрифугирования, позволяющий формировать сравнительно однородные по толщине пленки (от 1 мкм до десятков мкм). Центрифугирование позволяет легко контролировать толщину наносимой пленки за счет изменения скорости и времени вращения ротора центрифуги [6-12].

Технологический маршрут создания спая сапфир - стекловидный диэлектрик представлен на рисунке 2.

Более подробно процесс получения спая сапфир - стекловидный диэлектрик PbO - B2O3 - ZnO представляется следующим образом. Первоначально гранулят легкоплавкого стекла размельчался до порошка удельной поверхности 5000 см2/г (так называемый сухой помол). Для приготовления рабочей суспензии в полученный порошок добавлялся изобутиловый спирт, и полученный раствор помещался в яшмовый барабан на 24 часа (мокрый помол). Полученная суспензия затем разбавлялась изобутиловым спиртом до объема 1 л.

Рис. 2 - Технологический маршрут создания спая сапфир - стекловидный диэлектрик системы PbO - B2O3 - ZnO

Этапы получения спая сапфир - стекловидный диэлектрик PbO - B2O3 - ZnO: центрифугирование пленка атомный силовой

1) Подготовка сапфировой подложки (размером 10 Ч 10 Ч 3 мм).

2) Нанесение суспензии на сапфировую подложку (в течение 4 минут при скорости вращения ротора центрифуги 7000 об/мин).

3) Сушка полученной пленки в термошкафу при температуре 50 - 80 °С в течение 3 - 5 мин.

4) Высокотемпературый отжиг пленки в муфельной печи при Т < 600 °С с выдержкой 5 - 7 минут. Скорость подъема температуры составляет 4 °С /мин. Изотермическая выдержка производится при Т = 300 °С в течение 10 минут. Охлаждение спая идет со скоростью 3 °С/мин.

С помощью метода атомной силовой микроскопии (АСМ) в Научно-образовательном центре (НОЦ) "Нанотехнологии" Института нанотехнологий, электроники и приборостроения (ИНЭП) Южного федерального университета (ЮФУ) было получено изображение морфологии поверхности полученных пленок. АСМ-изображения представлены на рисунке 3 (а, б).

а) б)

Рис. 3 - АСМ - изображение поверхности пленки стекловидного диэлектрика PbO - B2O3 - ZnO на сапфире (а) и фазовый контраст (б)

Полученная пленка стекловидного диэлектрика системы PbO - B2O3 - ZnO на сапфировой подложке имеет толщину порядка 1 - 3 мкм, коэффициент смачивания находится в пределах допустимости, внутренние механические напряжения минимальны. Применение стекловидного диэлектрика системы PbO - B2O3 - ZnO является перспективным в качестве связующего элемента при создании тройных спаев сапфир - стекловидный диэлектрик - керамика для формирования защитных покрытий устройств микро- и наноэлектроники.

Результаты получены с использованием оборудования НОЦ "Лазерные технологии", Центра коллективного пользования и НОЦ "Нанотехнологии" ИНЭП ЮФУ (г. Таганрог).

Статья написана в рамках выполнения проекта ФЦП Россия № 14.587.21.0025. Уникальный идентификатор проекта RFMEFI58716X0025.

Литература

1. Корякова З., Битт В. Легкоплавкие стекла с определенным комплексом физико-механических свойств // Компоненты и технологии. 2004. № 5. С.

2. Геодакян Д.А., Петросян Б.В., Степанян С.В., Варданян Р.А., Геодакян К.Д. Легкоплавкие свинецсодержащие стекла // Изв. НАН РА и ГИУА. 2007. № 3. С. 441-447.

3. Rogov V.V. Physicochemistry in processes of the formation of functional surfaces of glass and sapphire (б-Al2O3) components for electronics and optical systems in tribochemical polishing // Journal of superhard materials. 2009. № 3. pp. 74-83.

4. Cheng Y., Xiao H., Weiming Guo, Wenmung Guo. Thermal behavior of GeO2 doped PbO-B2O3-ZnO-Bi2O3 glasses // Materials Science and Engineering. 2006. V. 423. pp. 184-188.

5. Воронов Г.К. Особенности получения стеклокристаллических материалов с низким ТКЛР в системе PbO-Zr2O3-R2O3-SiO2 // Вестник НТУ "ХПИ". 2014. № 49. С. 145-149.

6. Рубашев М.А. Термостойкие диэлектрики и их спаи с металлом в новой технике. М.: Атомиздат, 1980. 246 с.

7. Малюков С.П. Стекловидные диэлектрики в производстве магнитных головок. Таганрог: Изд-во ТРТУ, 1998. 181 c.

8. Малюков С.П. Метод расчета напряжений в несимметричных спаях стекла с упругими материалами // Известия ТРТУ, 2004. № 3 С. 175-178.

9. Малюков С.П., Клунникова Ю.В., Саенко А.В. Моделирование процессов лазерной обработки материалов для микроэлектроники // Известия СПбГЭТУ "ЛЭТИ". 2014. №8. С. 15-19.

10. Малюков С.П., Обжелянский С.А. Алгоритм формирования математической модели синтеза стекловидных диэлектриков для магнитных головок // Известия ТРТУ, 2001. № 4. С. 24-26.

11. Гусев Е.Ю., Михно А.С., Гамалеев В.А., Юрченко С.А. Исследования влияния относительной влажности воздуха на электрическое сопротивление нанокристаллических пленок ZnO, полученных методом реактивного магнетронного распыления // Инженерный вестник Дона, 2014, №4 URL: ivdon.ru/magazine/archive/ n4y2014/2554/.

12. Клунникова Ю.В. Исследование процессов получения пленок на сапфире для газочувствительных датчиков // Инженерный вестник Дона, 2016, № 1 URL: www.ivdon.ru/ru/magazine/archive/n1y2016/3518.References

1. Korjakova Z., Bitt V. Komponenty i tehnologii. 2004. № 5. pp. 126-128.

2. Geodakjan D.A., Petrosjan B.V., Stepanjan S.V., Vardanjan R.A., Geodakjan K.D. Izv. NAN RA i GIUA. 2007. № 3. pp. 441-447.

3. Rogov V.V. Journal of superhard materials. 2009. № 3. pp. 74-83.

4. Cheng Y., Xiao H., Weiming Guo, Wenmung Guo. Materials Science and Engineering. 2006. V. 423. pp. 184-188.

5. Voronov G.K. Vestnik NTU "HPI". 2014. № 49. pp. 145-149.

6. Rubashev M.A. Termostojkie dijelektriki i ih spai s metallom v novoj tehnike [Heat-resistant dielectrics and their juncture with metal in new equipment]. M.: Atomizdat, 1980. 246 p.

7. Maljukov S.P. Steklovidnye dijelektriki v proizvodstve magnitnyh golovok [Glass dielectrics in production of magnetic heads]. Taganrog: Izd-vo TRTU, 1998. 181 p.

8. Maljukov S.P. Izvestija TRTU. 2004. № 3 pp. 175-178.

9. Maljukov S.P., Klunnikova Ju.V., Saenko A.V. Izvestija SPbGJeTU "LJeTI". 2014. №8. pp. 15-19.

10. Maljukov S.P., Obzheljanskij S.A. Izvestija TRTU, 2001. № 4. pp. 24-26.

11. Gusev E.Ju., Mihno A.S., Gamaleev V.A., Jurchenko S.A. Inћenernyj vestnik Dona (Rus), 2014, №4 URL: ivdon.ru/magazine/archive/ n4y2014/2554/.

12. Klunnikova Ju.V. Inћenernyj vestnik Dona (Rus), 2016, №1 URL: www.ivdon.ru/ru/magazine/archive/n1y2016/3518.

Размещено на Allbest.ru