Результат интеллектуальной деятельности: Стекловидный неорганический диэлектрик

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.

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. %: SiO₂ 46,0-59,0; Al₂O₃ 20,0-23,0; ВаО 16,0-28,0; SrO 1,0-10,0; TiO₂ 0,01-8,0; CeO₂ 0,01-0,5; СаО 1,0-6,0; GeO₂ 1,0-8,0.

Признаком аналога, совпадающим с существенными признаками предлагаемого изобретения являются компоненты, входящие в состав легкоплавкого стекловидного неорганического диэлектрика: SiO_2, 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.

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; SiO₂ 0,0-40,0; Al₂O₃ 0,0-25,0; ZnO 0,0-55,0; Na₂O 0,0-20,0; Bi₂O₃ 0,0-35,0; CuO 0,2-0,9; В₂О₃ 0,0-60,0.

Общим признаком аналога, совпадающим с существенными признаками заявляемого изобретения, являются компоненты, входящие в состав легкоплавкого стекла: SiO₂, Na₂O, B₂O₃.

Недостатком указанного состава легкоплавкого стекловидного диэлектрика является повышенная чувствительность значения коэффициента линейного термического расширения (КЛТР) к незначительным колебаниям режимов термообработки.

Наиболее близким к предлагаемому стекловидному неорганическому диэлектрику по технической сущности и достигаемому результату является состав стекловидного неорганического диэлектрика, применяемого в электронной технике, включающий вес. %: SiO₂ 65,0-70,0; B₂O₃ 4,0-10,0; СаО 1,0-9,0; MgO 1,0-9,0; Na₂O 3,5-8,0; K₂O 1,0-8,0; Li₂O 3,5-8,0; Cs₂O 1,0-8,0; Sb₂O₃ 0,5-1,5; MnO₂ 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).

Признаком прототипа, совпадающим с существенными признаками предлагаемого изобретения являются компоненты, входящие в состав стекловидного неорганического диэлектрика: SiO₂, B₂O₃, СаО, MgO, Na₂O, K₂O, Li₂O, Sb₂O₃, MnO₂.

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.

Техническим результатом предполагаемого изобретения является получение стекловидного неорганического диэлектрика для создания спая сапфир-стекловидный неорганический диэлектрик-кремний в системе SiO₂-В₂О₃-R₂O-RO, который по КЛТР согласовывается с составляющими спая, и способный увеличивать механическую прочность тройного спая сапфир-стекловидный неорганический диэлектрик-кремний.

Технический результат достигается тем, что компоненты имеют следующие соотношения, вес. %: SiO₂ 65,0-67,7; B₂O₃ 5,2-8,8; СаО 1,7-3,3; MgO 1,0-2,3; Na₂O 3,7-4,2; K₂O 2,0-5,4; Li₂O 3,5-5,0; Sb₂O₃ 0,6-2,5; MnO₂ 1,2-2,7, а также дополнительно содержит ZrO₂ при следующем соотношении, вес. % 7,55-15,80.

Для достижения технического результата стекловидный неорганический диэлектрик, включающий SiO₂; B₂O₃; СаО; MgO; Na₂O; K₂O; Li₂O; Sb₂O₃; MnO₂, отличается тем, что эти компоненты имеют следующие соотношения, вес. %: SiO₂ 65,0-67,7; В₂О₃ 5,2-8,8; СаО 1,7-3,3; MgO 1,0-2,3; Na₂O 3,7-4,2; K₂O 2,0-5,4; Li₂O 3,5-5,0; Sb₂O₃ 0,6-2,5; MnO₂ 1,2-2,7, а также дополнительно содержит ZrO₂ при следующем соотношении, вес. % 7,55-15,80.

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 SiO₂-B₂O₃-R₂O-RO.

Уменьшение содержания SiO₂ в составе стекловидного неорганического диэлектрика в пределах от 46 до 60 вес. % приводит к ухудшению диэлектрических свойств.

На первое место среди всех прочих окислов по своей способности увеличивать химическую устойчивость ставится ZrO₂. Окислы ZrO₂ трудно растворимы в силикатных расплавах и придают стекловидному диэлектрику тугоплавкость. Компонент ZrO₂ обладает в стекловидном неорганическом диэлектрике весьма высокой преломляющей способностью, а также ZrO₂ является огнеупорным окислом.

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 ZrO₂ оказывает на щелочеустойчивость различных стекол, эмалей и глазурей.

При создании стекловидного неорганического диэлектрика для тройного спая содержание ZrO₂ 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 ZrO₂.

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.

Полученный гранулят стекловидного неорганического диэлектрика измельчают в яшмовых барабанах до получения порошка с удельной поверхностью 5000 см²/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.

Стекловидный неорганический диэлектрик, обеспечивающий решение поставленной задачи, а именно получение механически прочного, без пор и полостей спая при соединении кремниевых и сапфировых структур системы SiO₂-B₂O₃-Li₂O, включающего добавку ZrO₂ 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.

Разработанный стекловидный неорганический диэлектрик с добавлением компонента ZrO₂ на базе системы SiO₂-B₂O₃-Li₂O, должен приводить к минимальной рассогласованности спаиваемых материалов, иметь КЛТР (50-55×10^-7 К^-1) близкий к КЛТР кремния (40-50×10^-7 К^-1) и сапфира (56-75×10^-7 К^-1).

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).

где КЛТР - коэффициент линейного термического расширения, T_D - дилатометрическая температура, Т_Θ - 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.