Системы, используемые в микроэлектронике

Изоморфная диаграмма подчиняется правилу Хьюма-Ротери: одинаковая валентность, одинаковая кристаллическая решётка, различия в атомарных радиусах не более 15%. Примерами изоморфных систем являются: медь-никель, золото-платина, золото-свинец.

Данная система широко применяется для припоев, так как изменение состава приводит к изменению температуры плавления. При изготовлении микросхем для каждой последующей пайки применяют припой с более низкой температурой плавления.

Растворы золота в кремнии и наоборот очень малы, что трудно изобразить в обычном масштабе. В силу этого преимущества выгодно устанавливать кристаллы микросхем на золотые подложки, а также в держатели и на платы с золотыми выводами. Используют эвтектическую реакцию в качестве основы при механической сварке. Для пайки кристаллов кремния используют также золото и германий (несколько процентов).

Система особенно важна для микроэлектронной металлизации микросхем из кремния, которая осуществляется алюминием. Из алюминия делают и соединительные проводники. Раствор алюминия в кремнии до 2% на диаграмме показан сверху.

Комбинации более чем из двух элементов образующих химические соединения имеют более сложные фазовые состояния, которые можно разбить на несколько диаграмм.

Соединения подобные – интерметаллические, и образуются только при определённом соотношении двух элементов и сочетании необходимых параметров. Интерметаллическим соединениям свойственны высокие температуры плавления, сложные кристаллические решётки, высокая твёрдость и хрупкость. Это имеет большое значение, поскольку золотые провода соединяются с алюминиевым (медным) слоем металлизации расположенным поверх кремниевого основания. В проводниках могут присутствовать все интерметаллические соединения алюминия с золотом. Эти фазы называют пурпурной (или рыжей) чумой, которая поражает алюминиево-золотую связь при изменении времени выдержки в условиях высокой температуры, когда возможно ускорение диффузии алюминия. В условиях быстрой смены температур формируются пустоты, которые ведут к снижению силы связей, возрастанию контактного сопротивления, но при этом механическая прочность может оставаться в заданных пределах. Поэтому контакты алюминия с золотом получают при относительно низких температурах, а если не удаётся обойтись без температур выше 300 °С, то пользуются связками алюминий-алюминий или золото-золото.

Основные положения методов создания контактов: низкое электрическое сопротивление и высокая механическая прочность – надёжно достигаются при объёмном контакте металлов за счёт сил атомарной связи. В металлических твёрдых телах возникает металлическая связь, когда атомы отдают со своих внешних оболочек электроны, которые вращаются относительно свободно. Получается так называемый электронный газ и возникает сила взаимодействия между свободновращающимися электронами и ядром. Обеспечивается прочная металлическая связь, отличительной чертой которой является периодически повторяющаяся симметричность в расположении атомов. Наименьший объём блоковой или пространственной, или кристаллической решётки характеризующий эту симметрию – это элементарная ячейка.

Основные типы решёток:

1. ОЦК (объёмноцентрированная кубическая) : железо (Fe), молибден (Mo), вольфрам (W), тантал (Ta), хром (Cr);

2. ГЦК (гранецентрированная кубическая) : алюминий (Al), медь (Cu), золото (Au), серебро (Ag), палладий (Pl), железо (Fe), платина (Pt), никель (Ni), цинк (Zn);

3. гексогональная : магний (Mg), кобальт (Co), цинк (Zn), кадмий (Ca), бериллий (Be), осмий (Os);

а – количество атомов расположенных на одинаковом расстоянии друг от друга или количество отдельных компонентов связывающих атомы с решёткой.

Различия химических свойств металлов обусловлено спецификой кристаллических решёток.

При механическом контакте различных металлов, как правило, в условиях подвода тепла, различают следующие виды легирования:

1. образование гомогенных кристаллов. Оно наблюдается, когда происходит сварка деталей чистым металлом. Образуется общая кристаллическая решётка, в области соединения наблюдается изменение величины зерна (происходит кристаллизация и перекристаллизация);

2. образование смеси кристаллов. Оно происходит при сваривании металлов с большими физическими различиями (тип кристаллической решётки, атомарные радиусы), следовательно, нет возможности образования общей кристаллической решётки. Для данного случая надёжный механический контакт возможен только при соблюдении жёстких требований при проведении технологического процесса сварки;

3. твёрдый раствор замещения. Он возможен для металлов с одинаковым типом кристаллической решётки и различиями в атомарных радиусах менее 15%. К этому виду легирования стремятся во всех случаях. Данный процесс сильно зависит от температуры и концентрации материалов. Если поглощающая способность твёрдого раствора исчерпана, то образуются новые виды твёрдых растворов при других концентрациях или выделяются интерметаллические (смесь нескольких металлов) фазы и компоненты в чистом виде;

4. твёрдый раствор внедрения. Если размер атомов одного компонента значительно меньше, чем у другого, то возможно внедрение меньших атомов между узлами кристаллической решётки материала с большим размером атомов. Твёрдые растворы внедрения образуют газы (кислород, водород, азот, углерод);

5. интерметаллическая фаза. В этом случае атомы металлов связаны более сложными кристаллическими решётками, чем каждая из решёток пары (Cu₃Sn, Cu₆Sn, Cu₃Al, AuSn₄, AuSn, Au₂Pb, Ni₃S₂). У интерметаллических фаз имеется степень дисперсии или толщина интерметаллической фазы, если она больше 1 мкм, то происходит снижение прочности и другие дефекты.

Для получения металлической связи любой из указанных форм необходимо сблизить атомы металлов до межатомного расстояния (10^-10 м) и подать в зону соединения энергию.

Факторы необходимые для образования металлической связи:

1. нагрев – с ростом температуры возрастает подвижность атомов и скорость диффузии, особенно при появлении фазных углов;

2. давление – при деформациях более 50% может возникнуть металлическая связь благодаря диффузии или непосредственному воздействию сил притяжения поверхностных атомов;

3. трение – при взаимном перемещении поверхностей соприкасаются вершины каждой поверхности трения, которая составляет 10^-2…10^-3% площади из-за шероховатости поверхностей. В местах соприкосновения происходят пластические течения, и расплав создаёт основание для диффузии и других механизмов металлических соединений.

Большинство методов создания контактных соединений основано на дозированной комбинации давления, нагрева и трения. Всё сказанное справедливо для создания контакта частиц металлических поверхностей, но на практике на этих поверхностях находятся стабильные окислы, что является препятствием для контакта. Загрязнения, окислы и другие поверхностные дефекты удаляют для улучшения связей.

Пайка

Пайка – процесс получения неразъёмных соединений материалов с нагревом ниже температуры плавления каждого из них за счёт смачивания и растекания припоя с заполнением зазоров между материалами при кристаллизации.

Способы пайки в микроэлектронике:

1. нагретым инструментом и теплообменом:

   1. непрерывный нагрев электрическим паяльником;

   2. импульсный нагрев с дозировкой припоя;

   3. горячим воздухом;

2. сопротивлением:

   1. контактная с двусторонним подведением j-образного контакта (картинка);

   2. сдвоенным электродом;

3. погружением:

   1. с одновременным погружением;

   2. волной припоя;

   3. селективное (избирательное);

4. радиационная:

   1. оптическая (как это?);

   2. лазерным лучом.

Преимущества пайки:

1. невысокий нагрев без расплава металла, что обеспечивает сохранение его химического состава, структуры и механических свойств;

2. характерный внешний вид соединений;

3. нет нужды в дальнейшей обработке;

4. сохраняется размер и форма изделия;

5. полученные соединения достаточно равнопрочны основному металлу, без заметных внутренних напряжений.

Пайка может быть низкотемпературной или высокотемпературной (при температуре выше 400 °С) и включает в себя следующие стадии:

1. прогрев места пайки до температуры плавления припоя;

2. расплавление самого припоя;

3. растекание жидкости припоя по поверхности твёрдого металла и заполнение паяемого шва;

4. взаимная диффузия и охлаждение припоя.

Практически все стадии пайки перекрываются, и окончание одной стадии не отличить от начала следующей.

Рассмотрим более детально основные стадии пайки.

Расплавленный припой растекается по всей поверхности, что возможно только при хорошей смачиваемости твёрдого металла в выбранном процессе пайки.

При смачивании поверхность контакта твёрдого тела (3) с атмосферой (1) замещается поверхностью контакта жидкости (2). В этом случае с единичной поверхности твёрдого тела освобождается поверхностная энергия, величина которой определяется разностью в силах поверхностного натяжения на границе раздела твёрдого тела с атмосферой ( ) и твёрдого тела с жидкостью ( ). Поверхностная энергия пропорциональная разности , чем больше эта разность, тем лучше смачивание. На характеристики смачивания влияют: состояние металлической поверхности (предварительная обработка, плёнки окислов, жировые загрязнения); наличие химических связей; флюс и состояние окружающей среды.

Практическим критерием смачиваемости является угол смачиваемости : .

Растекание – свойство жидкого металла или сплава распространяться по поверхности металла или сплава находящегося в твёрдом состоянии. Растекание необходимо для качественного паяного соединения.

– происходит растекание; – растекание прекращается; – жидкость собирается в каплю.

На процесс растекания влияет:

1. смачиваемость;

2. напряжённое состояние поверхностей и их шероховатость;

3. жидкотекучесть припоя;

4. скорость процессов физико-химического взаимодействия между основным металлом и припоем;

5. поверхностное натяжение жидкого припоя;

6. состояние окружающей среды.

Чем меньше величина поверхностного натяжения расплавленного припоя, тем лучше он растекается по поверхности основного металла. Жидкотекучесть припоя характеризует способность жидкого припоя заполнять форму и протекать по наклонным и вертикальным каналам. Она зависит от степени перегрева относительно температуры расплавления припоя. Лучше тот припой, который более текуч к моменту начала кристаллизации. Необходимо также иметь ввиду, что в силу химических взаимодействий припоя с основным металлом в момент кристаллизации его жидкотекучесть отличается от жидкотекучести исходного припоя.

Для качественного соединения необходимо, чтобы не нарушалась геометрия затвердевания припоя и энергетическое взаимодействие между атомами припоя и основного металла, которое возникает при смачивании.

При взаимодействии основного металла с припоем могут протекать следующие процессы:

1. растворение основного металла в расплаве припоя с образованием жидкого раствора;

2. диффузия компонентов припоя в основной металл с образованием твёрдых растворов;

3. химическая реакция припоя с основным металлом с образованием интерметаллических соединений на границе взаимодействия;

4. возникновение металлических связей при сближении атомов металла расплава с атомами кристаллической решётки твёрдого раствора.

На качество пайки существенно влияет состояние поверхности металла. Место пайки тщательно очищают от загрязнений, жиров, продуктов коррозии и других дефектов.

Способы очистки деталей перед пайкой:

1. обезжиривание для удаления масла и других жировых загрязнений;

2. травление в растворах солей и щелочей для удаления животных и растительных жиров;

3. полировка;

4. промывка в органических растворителях или в воде от минеральных масел;

5. отжиг в восстановительной атмосфере или вакууме.

Выбор способа очистки зависит от характера загрязнения, свойств металла и конфигурации детали. Например, весьма эффективно обезжиривание в ультразвуковых ваннах, в том числе от нерастворимых загрязнений в узких щелях и каналах деталей. Такое обезжиривание – самое высококачественное и производительное (ультразвуковая очистка полупроводниковых кристаллов).

Для удаления окислов до пайки и в её процессе применяют:

1. флюсы;

2. газовые среды;

3. физико-механические способы (механическая и ультразвуковая очистка);

4. применение самофлюсующихся припоев, содержащих бор, фосфор, щелочные металлы (примеры). Они удаляют окислы и препятствуют окислению в процессе пайки, но иногда их применение невозможно, если пайка проводится в газовой среде или вакууме.

В качестве нейтральных сред выступают: азот (N₂), аргон, криптон, неон (Ne₂); восстановительная среда – водород. Формируется газ (H₂+N₂).

На скорость развития окислов влияет скорость удаления кислорода из среды.

Флюсы

Флюсы – это неметаллические вещества, использующиеся для удаления оксидной плёнки с поверхности металла и припоя. Они используются для предотвращения образования такой плёнки в самом процессе пайки и уменьшения поверхностного натяжения припоя. Различаются низкотемпературные (меньше ) и высокотемпературные флюсы.

По химическому составу флюсы делятся на:

1. смолосодержащие/не смолосодержащие для пайки низкотемпературными припоями;

2. на основе буры (соль борной кислоты) или борной кислоты, а также на основе солей фтора и хлора для пайки высокотемпературными припоями.

В производстве полупроводниковых приборов и микросхем чаще применяют антикоррозионные бескислотные флюсы, примером такого флюса является канифоль. Основной компонент канифоли абиетиновая кислота (С₁₉Н₂₉СООН) (как это понять). Канифоль используют при температуре 71 °С, при температурах выше 107 °С она вступает в реакцию с оксидом меди с образованием абиетита меди (С₁₉Н₂₉СОО)₂Cu, а при температурах ниже 34 °С – поляризуется. Канифоль применяется в твёрдом состоянии или в виде раствора в спирте (скипидар). Остатки канифольного флюса не поглощают влагу и не вызывают коррозии, но её всё равно необходимо удалять с поверхности после процесса пайки. Она относится к слабоактивным флюсам, следовательно, перед её применением необходимо обезжиривать поверхность. В качестве активаторов вводятся добавки: солянокислый анилин (C₆H₅NH₂·HCl), салициловая кислота (C₇H₆O₃) и другие. Наносят эти вещества в виде порошков, жидкости, пасты.