改进工艺提高薄膜附着力

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1、改进工艺提高薄膜附着力　秦跃利，高能武，吴云海　　（西南电子设备研究所，四川成都　610036）  摘要：薄膜制作技术在混合集成电路中扮演十分重要的角色。附着力的强弱是影响薄膜电路质量最关键的因素。通过实验，查明了膜系结构、金属相间扩散、溅射金属化气氛、清洗等方面导致薄膜起层的原因，并选择出最佳工艺条件。关键词：薄膜；附着力；扩散；气氛 　　随着电子技术的发展，微波集成电路逐步向高集成、高密度、高频率、宽频带的方向发展。薄膜工艺在集成电路工艺中起着主导作用，而且得到最有成效和最重要的应用。在薄膜

2、生产过程中，由于工艺缺陷、材料缺陷或操作不当等会造成薄膜电路的附着力差、断线、交指粘连、锯齿线等质量问题。附着力差是微波集成电路产品的一大隐患，因此很有必要对薄膜工序中与薄膜附着力有关的工艺加以改进。1　膜系改进实验　　绝大多数薄膜混合集成电路用99．6％氧化铝陶瓷作基体材料，它们多为α晶型结构，1000倍立体显微镜下观察，表面较为致密，未见大颗晶粒。在这些基体材料上真空镀膜金属化，比较NiCr－Au系和TaN－TiW－Au系多层金属膜的结构。1．1　条件　　NiCr－Au膜系：射频磁控溅射Ni

3、Cr，100W，100s；射频溅射Au，300W，600s。TiW－Au膜系：射频磁控溅射TiW，100W，100s；射频溅射Au，300W，600s。1．2　结果　　在氧化铝陶瓷上溅射完成的TiW－Au膜层用碳钨钢针测试，附着较好，经光刻、电镀、划片、共晶焊后不会从断面剥离。共晶焊和带焊拉力实验证明，膜层和基片附着力为5×102～1．8×103N／m2。NiCr－Au膜层用碳钨钢针不能将其从基片剥离。经光刻、电镀、划片后共晶，膜层表面有局部起层。实验证明，导带膜层与基片之间附着力不足2×102

4、N／m2。1．3　分析　　以上实验说明，NiCr－Au膜与TiW－Au膜的附着力，在溅射完成后并无大的差异。但在300～400℃金锡或金锗共晶焊接时会发现，NiCr－Au膜的耐高温性能比TiW－Au膜系的差。　　在通常情况下，基体材料的线膨胀系数均随温度的升高而增大，而且金属膜的线膨胀系数比介质材料的高得多〔1〕。因此在高温条件下，金属膜将对基体形成较大的压应力。附着力相对薄弱的区域将产生鼓泡、起层。TiW－Au膜系之所以能承受300℃以上高温的主要原因是耐高温材料钨使膜层因温度而引起的形变减小

5、了。2　金属－金属间相互扩散实验　　薄膜电路中一个必不可少的标准是能否保持膜层结构的完整性。10－2μm量级厚膜膜间的相互作用和相互扩散一般可以忽略，而在薄膜结构中则不能轻视。因为此时的金属扩散不但对薄膜的电性能影响较大，而且会影响膜层之间的附着力。某些生产厂家用TaN作电阻，它比NiCr电阻更易调节，适合制作精密电阻。他们忽略了TiW所起的另一个重要作用，省去这一过渡层，导致金膜起层。笔者比较了Au－Ta膜和TiW－Au膜的附着力。另外通过电镀加厚与退火处理相结合的方法进一步改善了TiW－Au

6、膜的焊接性能和电性能。2．1　条件　　Au－Ta膜：射频磁控溅射Ta，300W，100s；射频溅射Au，300W，600s。TiW－Au膜：射频磁控溅射TiW，100W，100s；射频溅射Au，300W，600s。　　将溅射完成的TiW－Au膜镀金加厚，并在90－120－200－300℃下阶梯式升温后取出，放置在室温环境下。2．2　结果分析　　溅射完成后的Au－Ta膜表面有大面积鼓泡，用碳钨钢针轻轻拨断面，即可将金层卷起。　　Revitzand在薄膜体系实验中得到：Au薄膜中加入Ta使Au的晶粒

7、间界扩散系数降低，金薄膜寿命延长。由此说明Au－Ta之间不容易产生扩散。Christou和Day利用X射线衍射、电子显微镜和电阻测量观察了Au－Ta之间的相互扩散。Christou和Day认为，在温度超过450℃时形成TaAu相，发生Au向Ta中的晶粒间界扩散时，温度不低于350℃〔2〕。Ta－Au薄膜体系中的TaAu相是在高温下形成的，在常温下，Ta对Au有较强的隔离作用，因而在Ta－Au膜之间易开裂起层。有必要在Ta电阻膜与Au膜之间沉积一过渡层来保证薄膜Au层的附着力。　　Droberk用

8、掠射角电子衍射技术证明，Au和Ti在膜厚近<--Elementnotsupported-Type:8Name:#comment-->似相等的情况下相互扩散的过程是这样的：在开始时形成Au2Ti化合物相，当Au消耗尽之后形成AuTi相。随着扩散的进展，AuTi相消失，同时开始形成AuTi3相。较厚的膜层，在扩散的早期阶段出现了Au4Ti相。通过实验观察发现，在空气中退火的金层样品表面有一层很厚的Ti氧化物。可见Ti的穿透能力和吃金能力较强，影响膜层的焊接性。因而在采用TiW作为过渡层时必须有较厚金