Введение к работе
В настоящее время наблюдается устойчивый рост интереса к приборам и устройствам для криогенных температур. Это обусловлено тем, что с понижением температуры свойства твердых тел существенно изменяются, а при достаточно низких температурах (менее 90 К) возникает целый ряд явлений и эффектов, на основе которых возможно создание качественно новых приборов и устройств с характеристиками на несколько порядков лучше, чем у известньк приборов комнатного диапазона температур. Так,-например, вымораживание примеси в полупроводнике при уменьшении тепловой энергии решетки ниже энергии ионизации примеси открывает пути для приема излучений и изображений в недоступных фотоприемнику и приборам с зарядовой связью участках спектра, вплоть до дальнего ИК диапазона. Глубокое охлаждение решетки твердого тела приводит к значительному уменьшению тепловых шумов, являющихся принципиальным ограничением на пути к повышению чувствительности электронных приборов, особенно в СВЧ и ИК диапазонах.
До последнего времени все исследования в области криоэлектроники были направлены на разработку активных элементов, датчиков (приборов на эффекте Джозефсона, болометров, сквидов и др.). Менее изученными являются вопросы создания устройств, осуществляющих прием, преобразование, обработку и передачу сигналов от активных криоэлементов к потребителю, которые конструктивно-технологически выполняют в виде гибридных интегральных микросборок. Потребность в быегродействуюших, плотноупако-ваиных микромодульных системах, работающих при низких температурах, продолжает расти, что предопределяет актуальность работ по исследованию низкотемпературных свойств многослойных тонкопленочных структур.
Постоянство температуры - непременнее условие нормального функционирования криоэлектронных приборов, так как колебания температуры приводят к изменению характеристик криоматериалов и, соответственно, параметров криоустройств и могут полностью расстроить работу сверхпроводниковых приборов. Керамические, ситалловые, стеклянные подложки, а также печатные платы из текстолита или гетинакса малопригодны для использования при криогенных температурах из-за их низкой теплопроводности и хрупкости. Поэтому необходимы создаваемые на совершенно новых идеях материалы подложек и методы корпусирования, обеспечивающие высокий тепло-отвод, механическую прочность, большие размеры и низкую стоимость. Среди материалов, способных составить конкуренцию применяемым, выделяются металлы, прежде всего, алюминий.
2 Связь работы с крупными научными программами, темами.
Исследования и разработки, отраженные в диссертационной работе, непосредственно связаны с долговременной программой работ, выполняемых в Белорусском государственном университете информатики и радиоэлектроники па кафедре "Микроэлектроника" и в научно-исследовательской лаборатории "Электрохимические методы изготовления гибридных интегральных микросхем" по изучению, разработке и внедрению в промышленное производство электрохимической алюмооксидной технологии создания высокоин-тегрированных микросхем. Диссертационная работа выполнялась в рамках республиканской научно-технической программы "Информатика", 6 хоздоговорных НИР и 6 госбюджетных НИР.
Целью настоящей работы является разработка технологии изготовления тонкопленочных микросхем на основе алюминия, предназначенных для работы при криогенных температурах.
Для достижения поставленной цели в работе решались следующие основные задачи:
исследование процессов, происходящих в анодированных алюминиевых подложках при воздействии температуры;
исследование закономерностей образования микрорельефа поверхности анодных оксидных пленок (АОП) алюминия в процессе анодирования;
разработка технологии анодирования алюминиевых подложек для получения з йодных оксидных пленок, имеющих большую толщину, высокое качество .TOHfpxMocru к высокую термостойкость;
исследование электрофизических свойств пассивных элементов ГИМС (подложек, тонкопденочкых проводников, резисторов и конденсаторов) в диапазоне температур 4...300 К;
разработка промышленной технологии изготовления двусторонних многоуровневых микросборок со встроенными R- и С-элементами на алюминиевых подложках сложной формы, предназначенных для работы при гелиевых температурах.
Научная новизна результатов, полученных в диссертационной работе, состоит в следующем:
-
Рассчитано распределение напряжений по поперечному сечению односторонне анодированной А1 пластины. Показано, что нейтральная линия находится на расстоянии 2/3 толщины слоя алюминия, и ее местоположение практически постоянно. На слой алюминия на границе раздела действуют сжимающие напряжения, а на поверхности подложки — растягивающие. По величине растягивающие напряжения в 2 раза меньше сжимающих. На слой анодного оксида действуют только растягивающие механические напряжения, величина которых постоянна по всей толщине слоя.
-
Впервые установлен характер температурных зависимостей относительного удлинения и температурного коэффициента линейного расширения
з образцов, изготовленных из различных, сплавов алюминия и имеющих различные толщины А1 и АОП АЬОз. Показано, что графики этих зависимостей имеют три характерных участка, обусловленные процессами упругой и пластической деформаций алюминия. Характер изменения кривых на первом участке определяется алюминием, на третьем участке — анодной оксидной пленкой, второй участок является переходным между ними, и характер изменения кривых на нем определяется свойствами как алюминия, так и анодной оксидной пленки. Продолжительность участков и характер поведения кривых зависит от механических характеристик и соотношения толщин сплава алюминия и анодной оксидной пленки.
-
Установлено влияние режимов анодирования на величину стрелы прогиба односторонне анодированных алюминиевых подложек. Показано, что значительное влияние на величину стрелы прогиба оказывает граница раздела алюминия и анодной оксидной пленки. Для снижения величины стрелы прогиба предложено формировать на границе раздела эластичные пленки с помощью дополнительного пористого анодирования.
-
Установлены основные закономерности и предложена физическая интерпретация механизма образования рельефа поверхности анодных оксидных пленок алюминия в процессе анодирования. На зависимости шероховатость -время выявлены четыре характерных участка, коррелирующих с ходом зависимости напряжение - время. Показано, что изменение рельефа АОП происходит в соответствии с основными стадиями порообразования: ростом беспористой оксидной пленки, зарождением пор, упорядочением структуры пор и ростом пленки в глубину.
-
Установлено влияние технологии изготовления алюминиевых подложек на температурную зависимость удельной емкости и тангенса угла диэлектрических потерь изоляпконного покрытия в диапазоне температур 4-300 К. Показано, что многостадийное анодирование позволяет снизить tgS и уменьшить зависимость удельной емкости от температуры.
-
Впервые исследованы низкотемпературные свойства тонкопленочных проводников и резисторов, сформированных на алюминиевых анодированных подложках. Установлено влияние состава резистивного сплава на температурный коэффициент сопротивления резисторов в диапазоне температур 4-300 К. Показано, что минимизацию ТКС обеспечивает сочетание двух механизмов проводимости: металлической и полупроводниковой. Оценена длина свободного пробега электронов в напыленных пленках алюминия, которая составляет 6000 Л при толщине пленки 1 мкм.
Практическая значимость диссертационной работы заключается в следующем:
1. Разработана технология многостадийного анодирования алюминиевых подложек, позволяющая получать анодные оксидные пленки, устойчивые к воздействию температур в диапазоне 4-700 К, имеющие большую толщину и высокое качество поверхности.
-
Разработана технология совмещения при изготовления многослойных микросхем на алюминиевых анодированных подложках, согласно которой знаки совмещения формируют встроенными з изоляционное покрытие подложки. Это позволяет за счет увеличения контрастности изображения знаков совмещения повысить точность и уменьшить трудоемкость фотолитографических операций.
-
Разработано четыре варианта технологических процессов разделения алюминиевых подложек на модули и отделения технологического поля от алюминиевой подложки. Каждый из разработанных технологических процессов можно успешно применять, исходя из конкретных условий производства и наличия того или иного оборудования. Общим для всех вариантов является то, что процесс разделения осуществляют в две стадии. Применение разработанных процессов увеличить надежность микросхем за счет устранения ломаного края подложки, деформаций по линии реза и связанных с ними внутренних напряжений.
-
Разработана конструкция, изготовлены рабочие образцы и проведены комплексные испытания резистивно-коммутационных плат для блока криогенной микроэлектроники. Показано, что в разработанных изделиях алюминиевые подложки являются не только прочным несущим основанием с высокой теплопроводностью, но и сложным ехемно-конструктивным узлом, позволяющим существенно расширить диапазон использования и функциональные возможности тонкопленочных ГИМС.
Основные положевка диссертации, вьтосимыг на защиту. Азгорзгщкщагт:
Установленные зависимости относительного удлинения, температурного коэффициента линейного расширения, модуля упругости и стрельг прогиба от температуры для образцов, изготовленных из различных сплавов алюминия к имеющих различные толщины А1 и АОП АІ2О3. Влияние режимов формирования анодных оксидных пленок на механические напряжения в одно- и дву-сторонне анодированных алюминиевых подложках.
Установленные закономерности образования рельефа поверхности анодных оксидных пленок на алюминии и его сплавах в процессе анодирования, согласно которым изменение рельефа происходит в соответствии с основными стадиями порообразования: шероховатость не меняется в ходе роста барьерной пленки, круто растет на стадии зарождения пор, медленно увеличивается, приближаясь к пределу по мере упорядочения пористой структуры и утолщения пленки.
Разработанную технологию многостадийного анодирования алюминиевых подложек, согласно которой анодирование проводят в три стадии: сначала для получения высокого хачества поверхности проводят "блестящее анодирование", затем для получения требуемой толщины проводят толстослойное анодирование, и, наконец, для увеличения термостойкости проводят "демпфирующее" анодирование.
Установленные зависимости низкотемпературных свойств пассивных элементов ГИМС (подложек, тонкопленочных проводников, резисторов и конденсаторов) от технологии их получения, позволяющие подобрать подходящие материалы и технологические процессы для получения изделий с требуемыми характеристиками.
Разработанную технологию изготовления двусторонних многоуровневых микросборок со встроенными R- и С-элементами на алюминиевых подложках сложной формы, предназначенных для работы при гелиевых температурах, включающую технологию формирования комбинированных изоляционных покрытий на основе АОП АЬОз, технологию совмещения при изготовлении многослойных микросхем; технологию присоединения внешних выводов и навесных элементов методом пайки и технологию разделения подложек на модули и отделения технологического поля от алюминиевой подложки.
Личный вклад соискателя. Все результаты, изложенные в диссертационной работе, получены автором самостоятельно. В публикациях с соавторами вклад соискателя определяется рамками излагаемых в диссертации материалов.
Апробация результатов диссертации. Результаты диссертационной работы были доложены и обсуждены на научно-технической конференции "Перспективы развития и применения автоматизированной радиоизмерительной аппаратуры в народном хозяйстве" (Минск, 1985 г.г.), всесоюзной научной конференции "Состояние и перспективы развития микроэлектронной техники" (Миксх, 1985 г.), ка отраслевых семинарах "Прогрессивная технология изготовления гибридных микросхем", (Москва, 1985 и 1988 г.г.), на XII Всесоюзной научной конференции по микроэлектронике (Тбилиси, 1987 г.), на 1-5-й международных научно-технических конференциях (гіарочь І99и, 1992, і994, 1996 и І998 г.г.), на научно-технической конференция "Перспективные материалы твердотельной электроники. Твердотельные преобразователи в автоматике и робототехнике". (Минск, 1990 г.), на межотраслевых научно-технических семинарах "Электрохимическая алюмооксидная технология создания микросхем" (Минск, 1991,1993,1995,1997,1999 г.г.), на 3-м Всесоюзном совещании по проблемам лазерно-плазменной микротехнологии (Туапсе, 1991 г.), на III всесоюзной научно-технической конференции "Состояние и перспективы развития гибридной технологии и гибридных интегральных схем в приборостроении" (Лрославль, 1991 г.), на научной конференции профессорско-преподавательского состава, сотрудников, докторантов, аспирантов, студентов, посвященной 30-летию деятельности коллектива БГУИР (Минск, 1994 г.), на международной научно-технической конференции "Новые информационные технологии в науке в производстве" (Минск, 1998 г.).
Опубликованность результатов. По результатам исследований опубликовано 10 статей в научно-технических журналах, 10 статей в сборниках трудов научно-технических конференций, 8 тезисов докладов, получено 12 авторских
6 свидетельств на изобретение. Материалы диссертационной работы вошли в 12 научно-технических отчетов о НИР. Общее количество опубликованных по теме диссертации материалов составляет 67 страниц.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из общей характеристики работы, 5 глав, заключения и приложений. Работа изложена на 216 страницах, содержит 79 рисунков, 4 таблицы и 4 приложения. Список использованных источников включает 152 наименования работ.
