Способ изготовления многослойной тонкопленочной структуры

Способ изготовления многослойной тонкопленочной структуры

Реферат

Изобретение относится к области электронной техники, в частности к способам изготовления гибридных интегральных схем (ГИС) СВЧ-диапазона, и может быть использовано при формировании многослойных металлизационных структур.

В процессе последовательного напыления тонких пленок, при монтаже навесных элементов на подложку, а также при последующей эксплуатации ГИС СВЧ в условиях циклически изменяющихся температур многослойные металлизационные структуры подвергаются воздействию термических и механических напряжений. Одной из основных проблем при получении пленочных элементов ГИС СВЧ является обеспечение высокой адгезии как к подложке, так и между слоями внутри многослойных металлизационных структур.

Известен способ изготовления многослойной тонкопленочной структуры, в соответствии с которым адгезионную прочность пленочной структуры к керамической подложке можно повысить за счет напыления адгезионного слоя в вакууме со скоростью не менее 1500 Å/с [Авторское свидетельство СССР №362356, кл. Н01С 17/60, С23С 13/02, заявлено 16.04.70, опубликовано 18.12.72].

Однако данный способ не обеспечивает необходимой адгезии между слоями металлизационной структуры. Кроме того, напыление пленки со скоростью выше 1500 Å/с, требует чрезвычайно напряженного режима работы электронного испарителя, что приводит к его перегреву и выходу из строя.

Наиболее близким к предложенному способу является способ изготовления многослойной тонкопленочной структуры на неметаллических твердых подложках, например стекле или керамике, включающий нанесение на подложку материала адгезионного слоя путем напыления в среде кислорода и последующего нанесения в вакууме материала проводящего слоя и слоя из материала, обладающего способностью к пайке низкотемпературными припоями [Заявка ФРГ №1521153, кл. С23С 13/02, заявлено 07.08.69, опубликовано 07.02.74]. Согласно упомянутому способу на подложку последовательно напыляют 3 металлических слоя: 1-й адгезионный слой из железа, хрома, цинка или индия наносится в атмосфере кислорода, а последующие 2-ой проводящий слой и 3-й слой, обладающий хорошей способностью к пайке, в высоком вакууме при температуре подложки 200°С. В этом решении при осаждении на подложку 1-го слоя между ним и подложкой образуется сплошной окисный слой, чем обеспечивается хорошая адгезионная прочность 1-го слоя к подложке.

Однако при напылении по этому способу 1-го (адгезионного) слоя в атмосфере кислорода практически вся полученная пленка, в том числе верхняя поверхность нанесенного слоя, оказывается окисленной, поэтому при этом способе изготовления многослойной тонкопленочной структуры не удается получить необходимой адгезионной прочности между поверхностями 1-го (адгезионного) и 2-го (проводящего) слоев металлизационной структуры.

Задачей изобретения является повышение адгезионной прочности между адгезионным и проводящим слоями.

Поставленная задача достигается тем, что в известном способе изготовления многослойной тонкопленочной структуры, заключающемся в нанесении на подложку пленки материала адгезионного слоя путем напыления в среде кислорода и последующего нанесения в вакууме пленки проводящего слоя и пленки из материала, обладающего способностью к пайке низкотемпературными припоями, напыление материала адгезионного слоя осуществляют вначале в среде кислорода при давлении (1,3-13)·10^-1 Па до получения 1/2 толщины пленки адгезионного слоя, а окончание напыления адгезионного слоя производят в вакууме при давлении (1-5)·10^-3 Па.

Изобретение пояснено чертежом, на котором изображена керамическая подложка 1 со сформированной многослойной тонкопленочной структурой из последовательно нанесенных на подложку пленок 2 и 3 из материала адгезионного слоя, проводящего слоя 4 и слоя 5 из материала, смачиваемого низкотемпературными припоями.

Сущность способа заключается в следующем. Сначала для формирования адгезионного слоя в установке вакуумного напыления на очищенную керамическую подложку 1 в кислороде при давлении (1,3-13)·10^-1 Па с первого испарителя начинают напыление пленки 2 адгезионного слоя, например, из хрома до достижения толщины 150-200 Å. Затем, включив вакуумный насос, снижают давление в подколпачном объеме напылительной установки до (1-5)·10^-3 Па и одновременно со снижением давления со второго испарителя напыляют пленку 3 адгезионного слоя также из хрома толщиной 150-200 Å. Далее на полученный адгезионный слой из пленок 2 и 3 из хрома на этой же установке в едином технологическом цикле из электронного испарителя в вакууме напыляют проводящий слой 4, например, из меди толщиной 3-4 мкм. Затем на осажденные адгезионный и проводящий слои гальваническим методом осаждают слой 5, например, из золота толщиной 1-3 мкм, который смачивается низкотемпературными припоями на основе свинца и олова, что позволяет выполнять последующую пайку навесных элементов, и обладает антикоррозионным свойством, обеспечивая коррозионную защиту тонкопленочных элементов схемы в процессе эксплуатации.

В результате выполнения перечисленной последовательности операций формируется многослойная тонкопленочная структура, состоящая из 1-го слоя (адгезионного) из 2-х пленок хрома, полученных напылением в среде кислорода и в процессе достижения вакуума, 2-го слоя (проводящего) из напыленной в вакууме пленки меди и 3-го слоя, обладающего способностью к пайке, из гальванически осажденного золота.

Пример осуществления способа.

На химически очищенную подложку из керамики «Поликор» размером 30×48×1 мм термическим способом напыляли слой хрома толщиной 150-200 Å с одного испарителя установки УРМ 3279017 при давлении (1,3-13)·10^-1 Па. Затем, снижая давление в камере до (1-5)·10^-3 Па, напыляли слой хрома толщиной 150-200 Å с другого испарителя. Поверх двух слоев хрома в подколпачном объеме этой же установки в одном технологическом цикле напыляли слой меди толщиной 3-4 мкм из электронного испарителя. Далее на напыленную таким образом структуру Cr-Cu гальваническим методом осаждали слой золота толщиной 1-3 мкм и получали окончательно сформированную многослойную тонкопленочную металлизационную структуру Cr-Cu-Au.

Испытания полученной металлизационной структуры на адгезионную прочность были проведены на универсальной машине РМУ-0,5 методом «прямого отрыва» медного стержня диаметром 3 мм, припаянного с помощью низкотемпературного припоя ПОС-61 к напыленным пленкам на подложке. Среднее значение прочности на отрыв металлизационной структуры, изготовленной по предложенному способу, составляет 671 кг/см², отрыв происходит по керамике, при этом на оторванных медных стержнях присутствуют керамические фрагменты подложки, а по известному способу, описанному в прототипе - 333 кг/см², отрыв происходит по границе раздела пленок хрома и меди. Полученные результаты приведены в таблице.

Результаты измерения усилий отрыва медного стержня от керамических подложек с напыленной металлизационной структурой хром-медь-золото.
Способ напыления металлизационной структуры Cr-Cu	Количество образцов, шт.	Среднее значение усилия отрыва, кг/см2	Характер отрыва
Предложенный	30	671	Отрыв вместе с керамикой
Известный (прототип)	30	333	Отрыв по границе хром-медь

Таким образом, предложенный способ изготовления многослойной тонкопленочной структуры позволил повысить адгезионную прочность между адгезионным слоем из хрома и проводящим слоем из меди.

Откачивание кислорода при напылении 1-го (адгезионного) слоя по мере снижения давления в напылительной установке позволяет обеспечить постепенное изменение состава адгезионного слоя от окисла хрома до чистого хрома. Напыление металлизационной структуры предложенным способом исключает присутствие окислов хрома на поверхности адгезионного слоя в месте контакта со слоем проводящего материала из меди, что приводит к повышению адгезионной прочности между ними. Кроме того, при последующей пайке навесных элементов на такой структуре не происходит отслоения пленки меди от хрома, что повышает надежность схемы при дальнейшей эксплуатации ГИС СВЧ в условиях воздействия термоциклов в диапазоне температур от - 60°С до +60°С. Предложенный способ не увеличивает трудоемкость напыления многослойных металлизационных структур, которая составляет 50 нормочасов на 1000 штук плат при напылении на установке типа УВН 74-173.

Способ изготовления многослойной тонкопленочной структуры, включающий нанесение на подложку материала адгезионного слоя путем напыления в среде кислорода и последующего нанесения в вакууме материала проводящего слоя и слоя из материала, обладающего способностью к пайке низкотемпературными припоями, отличающийся тем, что напыление указанного материала адгезионного слоя осуществляют вначале в среде кислорода при давлении (1,3-13)·10^-1 Па до получения 1/2 толщины пленки адгезионного слоя, а окончание напыления адгезионного слоя производят в вакууме при давлении (1-5)·10^-3 Па.