Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Анализ современных проблем изготовления подложек сапфира для приборов электронной техники 23
1.1 Сапфировые подложки как основа интегральных схем микроэлектроники 23
1.1.1 Сравнительный анализ существующих подложек для создания приборов микроэлектроники 31
1.2 Анализ существующих методов получения монокристаллов сапфира 39
1.3 Проблема модернизации установок для роста кристаллов сапфира 46
1.4 Анализ существующих моделей роста монокристаллов сапфира 51
1.5 Проблема дефектообразования при выращивании и механической обработке монокристаллов сапфира для подложек интегральных схем 56
1.6 Анализ математического, информационного обеспечения процесса получения подложек сапфира 59
1.7 Современное состояние получения пленок на подложках сапфира для приборов твердотельной электроники 72
1.8 Выводы по главе 1 78
Глава 2 Исследование процессов получения сапфира для приборов электронной техники 81
2.1 Расчет проплавления шихты в процессе роста сапфира методом направленной кристаллизации 81
2.2 Исследование процесса роста кристаллов сапфира методом Киропулоса 86
2.3 Исследование влияния параметров процесса выращивания на качество монокристаллов сапфира 94
2.3.1 Методы оптимизации длительности технологического процесса получения монокристаллов сапфира 100
2.4 Выводы по главе 2 112
Глава 3 Исследование методов снижения внутренних напряжений и дефектов при росте монокристаллов сапфира 114
3.1 Теоретическое исследование температурных полей при росте сапфира 114
3.1.1 Расчет распределения температуры в вакуумной камере для роста сапфира методом горизонтальной направленной кристаллизации 122
3.2. Исследование влияния термоупругих напряжений на возникновение блоков в кристаллах сапфира 125
3.3 Теоретическое исследование процесса формирования газовых пузырей при росте сапфира 130
3.4 Исследование влияния фактора формы кристалла сапфира на процесс роста методом горизонтальной направленной кристаллизации 136
3.5 Выводы по главе 3 143
Глава 4 Экспериментальные исследования дефектов в сапфире и их влияния на качество получаемых подложек 145
4.1 Экспериментальные исследования дефектов в сапфире 145
4.1.1 Исследование трещиноподобных дефектов в сапфире методом поверхностных акустических волн 145
4.1.2 Исследование газовых пузырей и трещин в сапфире виброакустическим методом 152
4.1.3 Исследование дефектов сапфира оптическим, тепловым методами и методом акустической эмиссии 154
4.2 Эволюция поверхности сапфира при механической обработке для изделий микроэлектроники 158
4.3 Выводы по главе 4 166
Глава 5 Экспериментальные исследования обработки монокристаллов сапфира и структур пленка-сапфир 168
5.1 Исследование процессов лазерной обработки сапфира и боросиликатного стекла 168
5.2 Исследование процесса лазерной обработки структуры пленка-сапфир 181
5.2.1 Анализ процесса лазерной обработки структуры пленка–сапфир в системе ANSYS 188
5.3 Исследование процессов получения пленок на поверхности сапфира под воздействием лазерного излучения в жидкости 191
5.3.1 Экспериментальные исследования структуры и свойств пленок на поверхности сапфира при лазерной обработке в жидкости 193
5.4 Экспериментальные исследования лазерного отжига пленок на поверхности сапфира 203
5.5 Экспериментальные исследования осаждения поликристаллического кремния на сапфировую подложку для интегральных схем микроэлектроники 210
5.6 Исследование механических напряжений в тонких пленках хрома на сапфировой подложке 215
5.7 Исследование внутренних термоупругих напряжений в пленке TiO2 на сапфировой подложке 221
5.8 Экспериментальные исследования лазерного термораскалывания пластин сапфира 227
5.9 Выводы по главе 5 236
Глава 6 Реализация разработанных технологий в процессах создания приборов электронной техники на основе сапфира 239
6.1 Модернизация теплового узла выращивания монокристаллов сапфира методом горизонтальной направленной кристаллизации 239
6.2 Оптимизация технологического процесса получения подложек сапфира для электронного приборостроения 245
6.3 Разработка конструкции и технологии изготовления газочувствительного датчика на основе подложек сапфира 258
6.3.1 Исследование функциональных характеристик газочувствительного датчика 271
6.4 Создание защитного покрытия на основе спая сапфир-стекловидный диэлектрик-керамика 281
6.4.1 Методика создания двойного спая сапфир-стекловидный диэлектрик 281
6.4.2 Методика создания тройного спая сапфир-стекловидный диэлектрик керамика 287
6.5 Выводы по главе 6 296
Заключение 299
Список использованной литературы 309
- Сравнительный анализ существующих подложек для создания приборов микроэлектроники
- Исследование влияния параметров процесса выращивания на качество монокристаллов сапфира
- Эволюция поверхности сапфира при механической обработке для изделий микроэлектроники
- Методика создания двойного спая сапфир-стекловидный диэлектрик
Сравнительный анализ существующих подложек для создания приборов микроэлектроники
В настоящее время материалы стали главным звеном и базой для создания изделий микроэлектроники. В пленочных интегральных микросхемах элементы получают осаждением пленок на диэлектрические подложки, которые служат механическим основанием, на поверхности которого формируют структуры интегральных микросхем по заданному топологическому рисунку.
Материал подложки должен обладать высоким поверхностным и удельным сопротивлением, высокой теплопроводностью, что дает возможность отводить тепло от микросхемы. Малая величина диэлектрической потери подложки уменьшает потери энергии за счет поглощения в диэлектрике. Согласование коэффициентов линейного расширения подложки и пленки снижает механические напряжения в пленках и сокращает вероятность появления в них микротрещин [1-15]. Механическая прочность подложек облегчает механическую обработку подложек (для получения требуемой формы и размеров, а также создания отверстий в них). Подложки должны обладать достаточной термостойкостью при пайке и сварке. Материал подложки должен иметь высокую адгезию осаждаемых к ней пленок.
Тенденция развития в настоящее время в применении следующих материалов для изготовления подложек в микроэлектронике: стекла, керамика, ситаллы, сапфир [16]. В таблице приведены характеристики диэлектрических материалов по сравнению с другими материалами [16].
Исходя из таблицы 1.2 и сравнивая по технико-физическим свойствам материалы, можно сделать вывод, что сапфир обладает хорошими свойствами диэлектрика по сравнению с другими материалами микроэлектроники. Сапфир является одним из главных материалов в оптических системах, в которых важным требова нием является устойчивость к механическим воздействиям, температурам, излучению. Для таких применений используются сапфировые линзы, призмы, световоды, элементы лазеров. Сапфировые подложки – материал для изготовления радиационностойких микросхем, используемых в атомной промышленности и космосе. Также сапфир находит свое применение для изготовления подложек светодиодов высокой яркости. Сапфировые подложки используются при производстве жидкокристаллических панелей для мониторов и телевизоров, мобильных устройств, телекоммуникационного оборудования, солнечных панелей.
Таким образом, одним из перспективных материалов для подложек интегральных схем является сапфир. Невзирая на различные методы выращивания сапфира, монокристаллы сапфира имеют одинаковые физико-химические свойства. Однако полученные разными методами кристаллы сапфира обладают различными техническими характеристиками, необходимыми для применения в микроэлектронике.
Результаты сравнительного анализа технических характеристик монокристал лов сапфира, выращенных различными методами, представлены в таблице 1.3.
Исходя из таблицы 1.3, перспективным представляется получение кристаллов сапфира методом горизонтальной направленной кристаллизации, позволяющим получать кристаллы высокого структурного качества без высокотемпературного отжига, что важно при получении подложек микроэлектроники.
При создании интегральных микросхем высокие требования предъявляются к качеству поверхности, учитывается класс чистоты обработки поверхности подложки, поскольку качество поверхностного слоя подложек значительно влияет на структурное совершенство эпитаксиального слоя. Поэтому поверхность подложек шлифуют и полируют. Для каждого материала существует примерный диапазон возможных значений шероховатости поверхности в зависимости от вида обработки (таблица 1.4). При любом методе обработке поверхности для улучшения структурного качества подложки необходимо своевременно обнаруживать дефекты, появляющиеся в процессе обработки, рассматривать необходимость дальнейшей обработки, что позволит увеличить рентабильность производства подложек микроэлектроники.
В качестве примера применения сапфировой подложки приведена интегральная схема [18]. Паразитные емкости между отдельными элементами и емкости между элементами и подложкой уменьшают быстродействие интегральных схем. Эти емкости возможно значительно уменьшить заменой полупроводниковой подложки на диэлектрическую, например, сапфировую. На сапфировой подложке (рисунок 1.7) выращивается эпитаксиальный слой n-кремния толщиной 1 – 3 мкм. “Островки” создаются локальным травлением кремния до сапфировой подложки.
В островках создаются транзисторные структуры. После этого воздушные зазоры между островками заполняются изолирующим поликристаллическим кремнием, на поверхности которого создаются соединения элементов схемы.
В качестве примера применения сапфировой подложки можно рассмотреть датчик давления [20] с повышенными эксплуатационными характеристиками, представленный на рисунке 1.9.
Одной из областей применения сапфировой подложки является использование ее в качестве подложки для газового датчика. Исследования, представленные в работе [21], показали, что в случае применения в качестве подложки для газового датчика сапфира, в отличие от различных типов оптического стекла, не было выявлено разрушения пленок при получении пленки путем лазерного отжига. Отжиг пленок на подложке из тугоплавкого материала (сапфир, кварц) лазерным излучением позволяет избежать размягчения подложки, а, значит, разрушения пленки. Следовательно, при получении пленок на поверхности сапфира высокопроизводительным методом лазерного отжига рекомендуется применять в качестве подложек тугоплавкие материалы такие, как сапфир.
Сапфировые подложки используются также для эпитаксиального роста, который широко используется в нанотехнологиях и производстве полупроводниковых приборов для создания слоёв полупроводниковых материалов с высоким кристаллическим качеством, таких как кремний, германий, нитрид галлия, арсенид галлия и фосфид индия. Однако существуют определенные технологические барьеры получения эпитаксиальных пленок на поверхности кремния по сравнению с сапфировой подложкой [22].
Исследование влияния параметров процесса выращивания на качество монокристаллов сапфира
Для оптимального проектирования процесса выращивания кристаллов сапфира методом ГНК необходимо, в первую очередь, найти такие значения технологических параметров, которые позволили бы добиться максимальной эффективности процесса при различных ограничениях по режимам работы, технологическим возможностям.
Процесс получения кристаллов сапфира основывается на зонной плавке шихты в подвижном контейнере. Движение данного контейнера осуществляется горизонтально вблизи кольцевого вольфрамового нагревателя в течение довольно долгого времени (48 – 72 часа). При этом необходимо поддержание с высокой точностью температуры (2050 0С) в зоне расплава, высокого вакуума (0.06 Па) в камере установки для получения сапфира, постоянства скорости движения контейнера, эффективного отвода тепла от кожуха печи, токовводов и других нагревающих частей.
Оптимальный режим [134-136] получения кристаллов сапфира может быть получен с помощью исследования влияния параметров процесса получения на качество сапфира при применении определенной технологии. Для проведения исследования необходима надежная теоретическая база и детальное представление о механизмах, протекающих при кристаллизации материалов.
Таким образом, следует рассчитать в первом приближении влияние параметров технологического процесса получения сапфира на качество кристаллов. При расчетах необходимо учесть зависимость основных параметров, характеризующих качество кристалла от параметров процесса: скорости передвижения контейнера (элемента оборудования для роста кристаллов сапфира), температуры и других.
Математическое описание технологических процессов позволяет:
дать важную информацию о влиянии каждого фактора на процесс;
получить значение функции отклика при определенном режиме проведения процесса;
быть основой для проведения оптимизации технологии.
Автором диссертации используется метод полного факторного эксперимента [137] для проведения исследований влияния технологических параметров на рост и качество кристаллов сапфира, так как при небольших затратах материалов и времени можно получить информацию о степени воздействия каждого фактора на процесс роста сапфира, о взаимном влиянии факторов на выбранные параметры процесса, что делает возможным проведение оптимизации технологического процесса.
Проведем организацию полного факторного эксперимента и получим модель влияния параметров получения монокристаллов сапфира с помощью микропроцессорного блока управления температурным режимом в процессе роста кристалла и движением контейнера. Данный блок находит свое применение для прецизионного управления напряжением на нагревателе ростового оборудования СЗВН-155, скоростью перемещения контейнера в вакуумной зоне камеры печи СЗВН-155.
Скорость движения контейнера, степень вакуума, мощность нагревателя выбираем в качестве факторов, следовательно, рассматриваемый эксперимент будет трехфакторным.
Проведенные исследования позволят оценить влияние параметров роста кристаллов сапфира на уровень дефектов в кристалле сапфира.
Модель процесса получения сапфира может быть представлена в виде уравнения регрессии [137-146]:
Распределение дефектов в кристалле (неоднородность), содержание дефектов в кристалле, скорость его роста, уровень остаточных напряжений и ряд других могут быть определены как параметры оптимизации. В качестве параметра оптимизации автором диссертации выбрано число пузырей [69, 146-149] на единицу площади, которые относятся к одной из характеристик, определяющих уровень дефектов в кристаллах. Специфика кристаллизации расплава сапфира проявляется в том, что она осуществляется при насыщенности расплава газами. Нарушение постоянства тепловых условий на фронте кристаллизации ведет к захвату в расплаве на границе раздела сред газовых пузырей, вызывающих появление пор в кристалле. Данные поры, будучи концентраторами напряжений, могут быть дополнительным источником дислокаций, а, следовательно, источником блоков в получаемых кристаллах сапфира.
Условия проведения факторного эксперимента представлены в таблице 2.3. Причем планирование проводилось на двух уровнях фактора: -1 и +1.
Статистическая теория использовалась для проверки степени достоверности модели.
Определены опытные значения параметров оптимизации, рассчитаны коэффициенты bi и составлено уравнение регрессии, представляющее зависимости параметров от факторов. Модель должна хорошо описывать поверхность отклика и прогнозировать результаты опытов, то есть следует проверить ее на адекватность, для чего необходимо:
определить достаточную дисперсию;
определить дисперсию воспроизводимости;
рассчитать критерий Фишера;
сравнить рассчитанное значение критерия Фишера с табличным [137].
По следующим формулам соответственно определяются коэффициенты при влияющих и парных произведениях факторов [137, 139, 143]:
После получения адекватной модели, описывающей влияние параметров (х) на отклик (у), можно найти оптимальные условия процесса получения кристалла сапфира с применением соответствующего оборудования.
Проведенные исследования, отражающие влияние параметров роста на качество сапфира, позволили определить, что оптимальными явились минимальное значение скорости (6 ± 0.36 мм/ч), максимальные значения мощности нагревателя (22.5 ± 1.35 кВт) и степени вакуума (0.06 ± 0.004 Па).
Предложенное уравнение регрессии дает возможность найти оптимальные величины параметров процесса (факторов) для получения кристаллов с наилучшими показателями качества (параметрами оптимизации).
Эволюция поверхности сапфира при механической обработке для изделий микроэлектроники
Для обработки поверхности сапфира, соответствующей требованиям к подложкам (13, 14 класс шероховатости поверхности), следует проводить обработку поверхности в несколько периодов с уменьшением размера абразива. Вначале поверхность сапфира обрабатывается инструментом со связанным абразивом, а затем используется свободный абразив разной зернистости. Размеры используемых абразивов и количество таких переходов определяются экспериментально.
Абразивная обработка кристалла ведет к образованию нарушенного слоя определенной глубины, образующегося после воздействия зерен на обрабатываемую поверхность. Нарушенным считается слой [92, 191], уходящий от обработанной поверхности кристаллов и пластин вглубь и включающий следующие зоны: I – наружная рельефная зона, которая состоит из хаотически расположенных впадин и выступов, II – зона одиночных невыкрошившихся выколок и углубляющихся внутрь микротрещин (трещиноватый слой) и III – зона деформированного монокристалла, включающая скопления дислокационных петель и дислокаций, которые являются продолжением трещин и находящихся вокруг них областей упруго-деформированного монокристалла. За нарушенным слоем располагается кристалл без повреждений.
В теории очередности образования трещин присутствуют некоторые разногласия [192]. Для монокристаллов сапфира характерна следующая последовательность формирования трещин. Сначала при нагружении индентора возникают радиальные трещины, которые увеличиваются с повышением нагрузки. После в кристаллах сапфира возникают медианные трещины, которые при компланарных условиях могут слиться с радиальными. Затем возникают боковые трещины, представляющие собой квазипараллельные поверхности, которые при повышении нагрузки достигают поверхности и ведут к скалыванию кристаллов. При разгруже-нии индентора всех типов трещины расширяются. При С/a 2 (С – длина трещины, a – полудиагональ отпечатка индентора) определены следующие выражения для длин трещин [192, 193]:
В определенных условиях при взаимодействии абразива и поверхности кристалла появляются трещины всех описанных выше видов не только при вдавливании инденторов, но и при царапании зернами абразива.
В диссертации исследована возможность применения закономерностей разрушения монокристаллов сапфира единичным зерном для построения прогнозов показателей массового воздействия абразивными частицами на поверхность монокристаллов. С помощью выражений (4.1) - (4.3) для монокристаллов сапфира получены следующие значения: CR = 0.11 нм, СL = 1.57 нм, S = 3.17 нм.
В работе исследовно воздействие параметров абразивной обработки на глубину нарушенного слоя с повышенной плотностью дислокаций с помощью модели, разработанной Е. И. Райхельсом и М. А. Ромом [195]. Изучался типовой случай обработки поверхности сапфира свободным абразивом. Давление на единицу площади F таково, что зерна абразива вдавливаются в кристалл на глубину не больше, чем их диаметр. Средняя концентрация зерен абразива , расположенных между единичной площадкой кристалла и шлифовальником, равна
Из работы [195], в которой применяется модель Хилла, основывающаяся на идее приближенного метода анализа процессов обработки материалов, глубина проникновения зерна сферической формы в кристалл a и величина зоны пластичности S относятся к характеристическим величинам кристалла, связанным друг с другом выражением [195] l + 31n() 9(l-v)# где Н - микротвердость, - коэффициент Пуассона, Е - модуль Юнга.
На основании выражения (4.10) графическим путем найдено значение S/a=k для кристаллов сапфира (аналогично работе [195]), затем определена величина зоны пластичности (зоны с новыми дислокациями, формируемыми благодаря пластической деформации кристалла). Зона деформации кристалла, найденная автором диссертации для монокристаллов сапфира с помощью данного метода, равна 3.86 нм, что согласуется с полученными ранее результатами.
При длительном шлифовании, когда на кристалл воздействует много зерен в каждый момент времени, окончательная структура дислокаций приповерхностного слоя сапфира характеризуется динамическим равновесием между скоростью шлифования кристалла и скоростью формирования новых дислокаций.
С целью уменьшения количества внешних приповерхностных дефектов сапфира в работе обрабатывалась поверхность сапфира и проводилось исследование воздействия различных инструментов и способов обработки на состояние приповерхностного слоя сапфира.
В таблице 4.1 приведены основные параметры шлифования монокристаллов сапфира.
Поверхности образцов исследовались методом атомно-силовой микроскопи-ии (АСМ). На рисунках 4.14, 4.15 представлены результаты обработки поверхности сапфира алмазными порошками АСМ 28/20 и АСМ 1/0.
На рисунке 4.15 представлены профили типичных шероховатостей поверхности сапфира: случай (а) – после операции шлифования (шероховатость поверхности равна величине порядка 1000 нм), случай (б) – после операции полирования (шероховатость поверхности равна величине порядка 100 нм).
Для удаления верхнего дефектного приповерхностного слоя в работах [191, 196] предложены модели процессов удаления материала с полупроводниковых и диэлектрических пластин свободным абразивом для получения бездефектного приповерхностного слоя монокристаллов сапфира.
Модель Бритвина А.А основывается на хрупком разрушении твердых тел под влиянием концентрированных воздейcтвий абразивных частиц – инденторов на обрабатываемый материал. В одной из моделей Бритвина А.А. [191] процессов съема материала абразивом находится максимальная глубина проникновения медианных и радиальных трещин в кристалл под воздействием абразива остроугольной формы на обрабатываемый материал. Глубина приповерхностного нарушенного слоя может быть рассчитана по следующему выражению [191]:
Особенностью данной модели является учет механических свойств шлифо-вальника в случае двухстороннего шлифования свободным абразивом.
В ещё одной модели процесса съема материала абразивом Бритвина А.А. [191] рассчитывается зона пластической деформации, на границе которой при превышении критического усилия на частицу абразива формируются и растут боковые трещины, ответственные за съем кристалла. Глубина проникновения образуемых при этом боковых трещин hбок.тр характеризуется глубиной формирования боковых трещин и записывается следующим образом [191]:
Нами рассчитаны глубина приповерхностного нарушенного слоя (с) и глубина залегания образуемых при абразивной обработке сапфира боковых трещин (hбок.тр) по формулам автора [191] c учетом параметров обработки для пластин сапфира ориентации (0001) двусторонним шлифованием (ДСШ) свободным абразивом карбида бора.
Результаты расчетов сведены в таблицу 4.3.
Методика создания двойного спая сапфир-стекловидный диэлектрик
Традиционно керамические компоненты защитных панелей выполняют в виде пластин, уложенных в слой с типичными размерами 100 100 мм или 50 50 мм [299, 300]. В месте действия ударной волны в пластине возникают трещины, которые распространяются практически по всей пластине, что приводит к ее дроблению на множество фрагментов. Под действием ударной волны может разрушиться вся пластина. При вторичном попадании ударной волны в такую раздробленную пластину она может практически беспрепятственно пройти сквозь пластину. Поэтому, весьма эффективно применять многослойные защитные панели, состоящие из сравнительно небольших по размерам керамических материалов. Важным достоинством таких материалов является их повышенная стойкость к многократному воздействию ударной волны.
Рассмотрим процесс получения спая сапфир-стекловидный диэлектрик с использованием прозрачного монокристаллического сапфира. Благодаря большой плотности данного материала, его использование для изделий, представляющих особую важность, позволит резко снизить весовые параметры защитных композиций.
Легкоплавкие стекла используются для спаивания деталей микроэлектроники. Основой данных материалов являются стекла систем РЬО - В2О3 - Si02; РЬО - А12Оз - ТЮ2 - Si02; РЬО - В2Оз - Na20 - Si02; PbO - В2Оз - ZnO - Si02. Анализ составов этих материалов указывает на то, что они разнообразны, в основном, в очень узких областях стеклообразующих систем, где содержание окиси свинца находится в пределах 60 - 90 масс. %. Зона значения температурного коэффициента линейного расширения (ТКЛР) легкоплавкого стекла лежит в пределах (85...95 10-7 К"1, что позволяет спаивать широкий спектр материалов: сапфир, стекло, керамика, ферриты, металлы.
На рисунке 6.26 представлена область стеклообразования диэлектрика РЬО -В2Оз - ZnO. Как показывает анализ приведенных данных, в системе РЬО - В2Оз -ZnO стекла имеют необходимые значения ТКЛР [301]. В связи с этим для дальнейших исследований использовались стекла системы РЬО - В203 - ZnO. ТКЛР готовых стекол контролировался дилатометрическим методом.
Основные физико-механические свойства стекловидного диэлектрика PbO – B2O3 – ZnO приведены в таблице 6.9.
Испытания стекловидного диэлектрика PbO – B2O3 – ZnO показали его пригодность для спаивания деталей микроэлектроники при относительно низких температурах и отсутствии напряжений.
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 способ центрифугирования, позволяющий формировать сравнительно равномерные пленки толщиной от единиц нм до десятков мкм. Центрифугирование позволяет легко контролировать толщину наносимой пленки за счет изменения скорости и времени вращения.
Таким образом, для получения спая сапфир – стекловидный диэлектрик методом центрифугирования используется легкоплавкое стекло системы PbO – B2O3 – ZnO (Тпл 600С), обеспечивающее получение на его основе некристаллизую-щихся стекловидных пленок, обладающих хорошей адгезией к материалам подложек, согласованностью по коэффициенту линейно-термического расширения и температурам их формирования [301].
В результате проведенных исследований получена равномерная по толщине и однородная пленка стекловидного диэлектрика PbO – B2O3 – ZnO толщиной порядка 1-3 мкм на поверхности сапфира [234], которая может использоваться в микроэлектронике и наноэлектронике.
Технологический маршрут создания спая сапфир – стекловидный диэлектрик представлен на рисунке 6.27.
Первоначально гранулят легкоплавкого стекла системы PbO – B2O3 – ZnO размельчался до порошка удельной поверхности 5000 см2/г (сухой помол). Для приготовления рабочей суспензии в полученный порошок добавлялся изобутило-вый спирт. Полученный раствор помещался в яшмовый барабан на 24 часа для получения пленки толщиной 4 – 5 мкм (на 48 часов для получения пленки толщиной 1 – 3 мкм). Полученная суспензия затем разбавлялась изобутиловым спиртом до объема 1 л.
Автором отработан технологический маршрут получения спая сапфир – стекловидный диэлектрик PbO – B2O3 – ZnO:
1) Нанесение пленки легкоплавкого стекла осуществлялось на обезжиренную в изопропиловом спирте и высушенную при комнатной температуре сапфировую подложку (размером 10 10 3 мм), предварительно взвешенную.
2) Осаждение пленки осуществлялось при скорости вращения ротора центрифуги 7000 об/мин в течение 4 минут.
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 = 580 – 600 С с продолжительностью 5 – 7 мин. (скорость подъема температуры 4 С /мин) с изотермической выдержкой на Т = 300 С в течение 10 минут и со скоростью охлаждения 3 С/мин.
С помощью метода атомной силовой микроскопии (АСМ) в Научно-образовательном центре «Нанотехнологии» Института нанотехнологий, электроники и приборостроения Южного федерального университета было получено изображение морфологии поверхности полученных пленок. АСМ-изображения представлены на рисунке 6.28 (а, б).
Таким образом, полученный спай сапфир – стекловидный диэлектрик PbO – B2O3 – ZnO методом центрифугирования имеет толщину 1-3 мкм, коэффициент смачивания находится в пределах допустимости, внутренние напряжения спая минимальны, что дает возможность использовать его как основу для создания покрытий в микроэлектронике и наноэлектронике и является промежуточным этапом при создании спая сапфир-стекловидный диэлектрик-керамика.