改進(jìn)工藝提高薄膜附著力【精選文檔】

1、改進(jìn)工藝提高薄膜附著力【精選文檔】改進(jìn)工藝提高薄膜附著力秦躍利，高能武,吳云海(西南電子設(shè)備研究所,四川成都610036）   摘要：薄膜制作技術(shù)在混合集成電路中扮演十分重要的角色.附著力的強(qiáng)弱是影響薄膜電路質(zhì)量最關(guān)鍵的因素。通過(guò)實(shí)驗(yàn)，查明了膜系結(jié)構(gòu)、金屬相間擴(kuò)散、濺射金屬化氣氛、清洗等方面導(dǎo)致薄膜起層的原因，并選擇出最佳工藝條件。關(guān)鍵詞：薄膜；附著力；擴(kuò)散；氣氛 隨著電子技術(shù)的發(fā)展，微波集成電路逐步向高集成、高密度、高頻率、寬頻帶的方向發(fā)展。薄膜工藝在集成電路工藝中起著主導(dǎo)作用,而且得到最有成效和最重要的應(yīng)用。在薄膜生產(chǎn)過(guò)程中，由于工藝缺陷、材料缺陷或操作不當(dāng)?shù)?/p>

2、會(huì)造成薄膜電路的附著力差、斷線、交指粘連、鋸齒線等質(zhì)量問(wèn)題。附著力差是微波集成電路產(chǎn)品的一大隱患，因此很有必要對(duì)薄膜工序中與薄膜附著力有關(guān)的工藝加以改進(jìn).1膜系改進(jìn)實(shí)驗(yàn)絕大多數(shù)薄膜混合集成電路用996氧化鋁陶瓷作基體材料，它們多為晶型結(jié)構(gòu)，1 000倍立體顯微鏡下觀察，表面較為致密,未見(jiàn)大顆晶粒。在這些基體材料上真空鍍膜金屬化，比較NiCrAu系和TaNTiWAu系多層金屬膜的結(jié)構(gòu).11條件NiCrAu膜系：射頻磁控濺射NiCr，100 W，100 s;射頻濺射Au，300 W，600 s。TiWAu膜系：射頻磁控濺射TiW,100 W，100 s；射頻濺射Au，300 W，600 s。12結(jié)

3、果在氧化鋁陶瓷上濺射完成的TiWAu膜層用碳鎢鋼針測(cè)試，附著較好,經(jīng)光刻、電鍍、劃片、共晶焊后不會(huì)從斷面剝離.共晶焊和帶焊拉力實(shí)驗(yàn)證明,膜層和基片附著力為5×10218×103 Nm2。NiCrAu膜層用碳鎢鋼針不能將其從基片剝離。經(jīng)光刻、電鍍、劃片后共晶，膜層表面有局部起層.實(shí)驗(yàn)證明,導(dǎo)帶膜層與基片之間附著力不足2×102 Nm2.13分析以上實(shí)驗(yàn)說(shuō)明，NiCrAu膜與TiWAu膜的附著力，在濺射完成后并無(wú)大的差異。但在300400金錫或金鍺共晶焊接時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn),NiCrAu膜的耐高溫性能比TiWAu膜系的差。在通常情況下,基體材料的線膨脹系數(shù)均隨溫度的升高而增大，

4、而且金屬膜的線膨脹系數(shù)比介質(zhì)材料的高得多1。因此在高溫條件下，金屬膜將對(duì)基體形成較大的壓應(yīng)力。附著力相對(duì)薄弱的區(qū)域?qū)a(chǎn)生鼓泡、起層。TiWAu膜系之所以能承受300以上高溫的主要原因是耐高溫材料鎢使膜層因溫度而引起的形變減小了.2金屬金屬間相互擴(kuò)散實(shí)驗(yàn)薄膜電路中一個(gè)必不可少的標(biāo)準(zhǔn)是能否保持膜層結(jié)構(gòu)的完整性.102m量級(jí)厚膜膜間的相互作用和相互擴(kuò)散一般可以忽略，而在薄膜結(jié)構(gòu)中則不能輕視。因?yàn)榇藭r(shí)的金屬擴(kuò)散不但對(duì)薄膜的電性能影響較大，而且會(huì)影響膜層之間的附著力。某些生產(chǎn)廠家用TaN作電阻，它比NiCr電阻更易調(diào)節(jié),適合制作精密電阻。他們忽略了TiW所起的另一個(gè)重要作用，省去這一過(guò)渡層，導(dǎo)致金膜起層

5、。筆者比較了AuTa膜和TiWAu膜的附著力.另外通過(guò)電鍍加厚與退火處理相結(jié)合的方法進(jìn)一步改善了TiWAu膜的焊接性能和電性能.21條件AuTa膜:射頻磁控濺射Ta，300 W，100 s；射頻濺射Au,300 W，600 s 。 TiWAu膜：射頻磁控濺射TiW,100 W,100s；射頻濺射Au，300 W，600 s.將濺射完成的TiWAu膜鍍金加厚，并在90120200300下階梯式升溫后取出，放置在室溫環(huán)境下.22結(jié)果分析濺射完成后的AuTa膜表面有大面積鼓泡,用碳鎢鋼針輕輕撥斷面,即可將金層卷起.Revitzand在薄膜體系實(shí)驗(yàn)中得到：Au薄膜中加入Ta使Au的晶粒間界擴(kuò)散系數(shù)降低

6、,金薄膜壽命延長(zhǎng)。由此說(shuō)明AuTa之間不容易產(chǎn)生擴(kuò)散.Christou和Day利用X射線衍射、電子顯微鏡和電阻測(cè)量觀察了AuTa之間的相互擴(kuò)散.Christou和Day認(rèn)為，在溫度超過(guò)450時(shí)形成TaAu相，發(fā)生Au向Ta中的晶粒間界擴(kuò)散時(shí),溫度不低于3502。TaAu薄膜體系中的TaAu相是在高溫下形成的,在常溫下,Ta對(duì)Au有較強(qiáng)的隔離作用，因而在TaAu膜之間易開(kāi)裂起層。有必要在Ta電阻膜與Au膜之間沉積一過(guò)渡層來(lái)保證薄膜Au層的附著力。Droberk用掠射角電子衍射技術(shù)證明，Au和Ti在膜厚近Element not supported - Type： 8 Name： comment似相

7、等的情況下相互擴(kuò)散的過(guò)程是這樣的：在開(kāi)始時(shí)形成Au2Ti化合物相,當(dāng)Au消耗盡之后形成AuTi相。隨著擴(kuò)散的進(jìn)展,AuTi相消失，同時(shí)開(kāi)始形成AuTi3相。較厚的膜層，在擴(kuò)散的早期階段出現(xiàn)了Au4Ti相。通過(guò)實(shí)驗(yàn)觀察發(fā)現(xiàn)，在空氣中退火的金層樣品表面有一層很厚的Ti氧化物?？梢?jiàn)Ti的穿透能力和吃金能力較強(qiáng)，影響膜層的焊接性。因而在采用TiW作為過(guò)渡層時(shí)必須有較厚金層(3m）.由于有AunTi各相的生成使Au膜與Ti膜金屬相間模糊,過(guò)渡區(qū)域變寬,從而增加AuTi膜之間附著力。TiWTa的擴(kuò)散沒(méi)有與Au的強(qiáng)烈，過(guò)渡區(qū)域較窄，但經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明其附著力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于AuTa，因此TiW是較為理想的過(guò)渡層.對(duì)于薄膜

8、而言，通過(guò)去應(yīng)力退火處理,能顯著改善薄膜的金相結(jié)構(gòu)。退火的目的在于均勻化學(xué)成分、改善力學(xué)性能、消除或減小內(nèi)應(yīng)力等。所以退火處理對(duì)增強(qiáng)膜間附著力、提高焊接性是很有效的工藝手段。經(jīng)300退火處理，金層附著力顯著增強(qiáng)。目前該工藝已應(yīng)用于生產(chǎn)中。性能對(duì)比如表1所示。3清洗方法對(duì)比實(shí)驗(yàn)由于薄膜制作工藝的特殊要求，清洗是貫穿始終的。為了保證薄膜有較強(qiáng)的附著力，在真空鍍膜以前基片必須通過(guò)清洗。主要有化學(xué)清洗和等離子清洗。TUD清洗液、CE9清洗液、鉻酸洗液、丙酮、乙醇、異丙醇、丁酮等的功用如表2所示。實(shí)驗(yàn)比較了等離子清洗系列1（TUD清洗液鉻酸洗液丙酮異丙醇氧）和傳統(tǒng)清洗系列2（CE9清洗液丙酮乙醇）對(duì)基片

9、的清洗效果.31方法取氧化鋁基片2件，分別經(jīng)系列1和系列2清洗后，在120下烘300 s。在1 000倍金相顯微鏡下觀察.32結(jié)果從表3可以看出系列1優(yōu)于系列2。兩種系列清洗效果的區(qū)別在于系列2不能有效去除無(wú)機(jī)氧化物和無(wú)機(jī)顆粒.根據(jù)濺射原理，氧等離子清洗以5001 000 V電壓激活反應(yīng)氣體,對(duì)基體材料表面進(jìn)行離子轟擊，去除雜質(zhì)3。為了避免機(jī)械泵油蒸氣的污染，真空氣壓要求1×103Pa。電鍍前清洗尤為重要.經(jīng)過(guò)涂膠、光刻、顯影等工序制作出的電路圖形表面必然帶有許多諸如膠粒、顯影液離子等雜質(zhì)，可能導(dǎo)致電鍍層和濺射膜層之間的分離.對(duì)選擇性電鍍來(lái)說(shuō),等離子清洗和化學(xué)清洗均可采用，以保證鍍面

10、潔凈4.4真空濺射鍍膜參數(shù)改進(jìn)及分析真空濺射鍍膜時(shí)，控制好濺射氣氛、真空度、濺射溫度對(duì)于薄膜附著力的質(zhì)量是非常關(guān)鍵的。濺射氣氛不但指反應(yīng)氣體，還包括氫氣、水蒸氣、油蒸氣等。水蒸氣對(duì)薄膜附著力的危害極大5。筆者對(duì)真空爐進(jìn)行120200加熱除濕，薄膜附著力得到顯著提高。在未經(jīng)除濕的真空爐中金屬化的電路片在1 000倍顯微鏡下可見(jiàn)分布均勻的小氣泡。這是由于濺射過(guò)程中水蒸氣或油蒸氣夾雜在金屬微粒中最后因溫度變化而表現(xiàn)出來(lái)。    歸結(jié)起來(lái)，薄膜附著力的影響因素大致有以下幾方面：  （1）基片與薄膜間附著能的大小；   （2）基片表面不平整而形

11、成的錨連作用；   （3）易氧化元素的薄膜一般附著力較大；   （4）基片與薄膜之間是否能很好地浸潤(rùn)（通過(guò)上述的清洗處理來(lái)提高表面能） ;   （5）加熱會(huì)增加膜間擴(kuò)散，提高膜層附著力.5結(jié)語(yǔ)上述實(shí)驗(yàn)分析部分是影響薄膜附著力的重要工序.而真空鍍膜、光刻、顯影等薄膜制作工序也不容忽視。真空鍍膜中，真空度如果沒(méi)有達(dá)到要求,膜層將有可能因夾雜氣體離子而變得疏松；濺射功率參數(shù)調(diào)節(jié)過(guò)低或過(guò)高將影響薄膜的晶粒堆積和晶粒尺寸;曝光強(qiáng)度不足或曝光時(shí)間過(guò)短會(huì)殘留光刻膠最終影響鍍層質(zhì)量;濺射靶材不干凈,鍍膜時(shí)間控制不準(zhǔn)確等均會(huì)影響膜層的附著力?？傊绊懕∧じ街Φ囊蛩叵喈?dāng)多，幾乎涉及所有的薄膜制作工序，應(yīng)注重分析，以利提高工藝水平