Такой же вывод можно сделать и относительно чистоты поверхности. Из анализа рис. 4.8 можно понять, как могут зарождаться и исчезать поры, трещины и другие «слабые» места на границе раздела пленок и подложек. При малых размерах частицы пленки могут «грунтовать» поверхность, обеспечивая хорошую адгезию последующих слоев. Для получения хорошей адгезии слабо адгезирующего материала промежуточные слои формируют из веществ, имеющих хорошую адгезию к подложке и материалу пленки. Такие вещества, обеспечивающие высокую адгезию, называют адгезивами.

Для оценки шероховатости поверхности используют классы чистоты (обработки) поверхности. В табл. 4.1 приведены параметры, характеризующие шероховатость поверхности (см. рис. 4.8, а).

Физическая (пыль, вода, жиры) и химическая (оксиды, карбиды, нитриды) чистота поверхности могут влиять на адгезию вещества как в положительную (увеличения), так и отрицательную (уменьшения) сторону в зависимости от физико-химических свойств загрязняющего материала. В большинстве случаев пыль, вода и жиры, создавая неровности и поры на границе раздела пленки и подложки, снижают адгезию пленки. Если осаждаемая пленка лучше адгезирует с оксидами (нитридами, карбидами и т. п.), то такие загрязнения способствуют увеличению адгезии. Загрязнения поверхности могут рассматриваться с физико-химической точки зрения как источник промежуточных сил, по-разному влияющих на адгезию пленок и покрытий. В любом случае физико-химическая неоднородность поверхности приводит к нестабильным значениям адгезии.

4. Процессы очистки, промывки и пропитки поверхности

При нанесении различных жидких материалов на поверхность твердых тел происходит их смачивание, определяемое силами сцепления жидкости и поверхности твердого тела. Хорошее смачивание необходимо в процессах, в которых осуществляется взаимодействие жидкой среды с поверхностью (нанесение фотоэмульсий, жидких красителей, травление, лужение, панка, очистка химическими растворителями, пропитка и т. п.).

Стабильные результаты при смачивании поверхности жидкостью можно получить только при наличии достаточно чистой поверхности твердого тела. Поэтому тщательная очистка поверхности жидкими растворами характерна для ТП, связанных с нанесением пленок или паст (нанесение покрытий, пропитка, осаждение пленок и т. п.).

Основные виды загрязнения поверхности (жиры, пыль, припои, оксиды, соли) можно удалить с помощью жидких растворителей. Для интенсификации процессов растворения применяются гидродинамическая (отмывка щетками и сильной струей растворителя) и гидроакустическая (отмывка с помощью акустических волн, распространяющихся в растворителе) обработки.

По своей физико-химической природе растворители делятся на неорганические (вода, соли, кислоты, щелочи), органические (ацетон, четыреххлористый углерод, бензин и др.), смешанные (спиртовые растворы, водные растворы органических кислот), а также расплавы металлов и солей (ртуть, олово, галлий, припои и др.). Неорганические растворители, как правило, гидрофильны. По своей природе они относятся к классу электролитов, хорошо растворяют оксиды, соли и другие полярные соединения.

Органические растворители являются гидрофобными и относятся к классу неэлектролитов. Они хорошо растворяют примеси органического происхождения (неполярные или слабополярные вещества), например жиры, минеральные масла.

Смешанные растворители состоят из смесей растворителей обоих типов.

Расплавы металлов и солей используются как растворители при повышенных температурах ТП.

Пока еще не известен растворитель, который мог бы очищать поверхность от всех загрязнений. Поэтому используются многостадийные методы очистки поверхностей в растворах разного типа. Очистка растворителями интенсифицируется с помощью нагрева или применения ультразвука. При нагревании снижаются вязкость и поверхностное натяжение растворителя, что облегчает проникновение его в зазоры и поры для удаления загрязнений. Те же функции выполняет ультразвук частотой 40—700 кГц.

Перемешивание растворителя увеличивает массопередачу растворенного вещества от поверхности в глубь раствора, обеспечивая приток раствора, менее загрязненного примесью, к поверхности.

В табл. 4.2 приведены физико-химические свойства основных растворителей, используемых для очистки поверхностен изделий, а в табл. 4.3 дан перечень растворяемых в них загрязняющих веществ.

На обрабатываемых поверхностях деталей присутствуют жиры и минеральные масла, нерастворимые в воде. Удалить их с поверхности можно лишь органическими растворителями или щелочными растворами. Под действием щелочи жиры омыляются, образуя растворимые в воде соли жирных кислот (мыла) и глицерин, согласно взаимодействию стеарина с едким натром.

Для удаления загрязнений могут использоваться различные механические и гидродинамические приспособления: щетки, полотна, сильные водяные струи и т. п.

При подготовке поверхностей деталей или узлов к нанесению жидких эмульсий (смачивание), пропитке с целью герметизации и изоляции и т. п. необходимо обеспечить максимальную адгезию этих материалов с подложкой. Тщательная очистка поверхности недостаточна для обеспечения надежной адгезии. Следует повысить и физико-химическую активность поверхности, что достигается ее химическим травлением. Травитель должен очищать поверхность, удаляя с нее вредные для дальнейших ТП вещества.

Большинство изделий и деталей РЭА выполняется из различных веществ или материалов. Поэтому травильные растворы имеют селективный характер, т. е. способны растворить один материал, не затрагивая другие. Составы травителей подбираются экспериментально в зависимости от свойств поверхности, которые необходимо получить, заданной скорости травления, удобства работы с травителем и его хранения, токсичности, горючести, стоимости и т. п.

Хорошие адгезионные свойства поверхности позволяют обеспечить высокое качество ТП пропитки изделий РЭА. Целью пропитки как ТП производства РЭЛ является увеличение влаго- и термостойкости изделий, а также улучшение их механических и электрических свойств (ликвидация вибраций в катушках индуктивности и трансформаторах, снижение токов утечки, исключение явлений ионизации, улучшение теплоотвода и т. п.).

При пропитке пропитывающий материал должен проникнуть во все щели, вытесняя из них воздух, и хорошо смочить обрабатываемую поверхность. Это возможно только при достаточно высокой адгезии материала с поверхностью обрабатываемого изделия или детали, т. е. при малой вязкости пропитывающего материала; достаточно чистой поверхности обработки и удалении воздуха из щелей за счет разрежения.

Это обеспечивается выбором маловязких пропитывающих жидкостей и их нагреванием непосредственно перед пропиткой; тщательной очисткой и травлением поверхностей описанными методами; применением вакуумной пропитки или пропитки под давлением.

Пропитка, как и любое другое покрытие поверхностей, осуществляется в несколько стадий. При этом образуется многослойная покрывающая структура, предохраняющая поверхность от воздействия различных внешних факторов за счет несовпадения рельефа трещин и пор в соприкасающихся слоях (рис. 4.11).

Хемоадгезия по аналогии с хемосорбцией повышает адгезию покрытия за счет образования химических связей, особенно сильно проявляющихся при наличии на поверхности и в покрытии гидроксильных или фенольных групп (рис. 4.12).

Часто для снижения вязкости пропитывающие термореактивные смолы разбавляют растворителями, которые затем удаляются при отверждении . Однако удаление растворителей при отверждении может привести к появлению новых пор и трещин. Кроме того, большинство растворителей являются химически активными веществами, способными растворять материалы конструктивных элементов изделия (эмали обмоточных проводов, пленки и т. п.). Поэтому с физико-химической и технологической точек зрения лучше подбирать такие составы для пропитки, которые можно использовать без растворителей, например на основе эпоксидных полиэфирных и полиуретановых смол.

Если требуется получить малую вязкость пропитывающего материала при низких температурах, следует использовать полиэфирные смолы. Достоинствами таких смол являются их доступность и низкая стоимость. Если необходима высокая эластичность пропитывающего материала после отверждения, то нужно применять полиуретановые смолы.

В пропитывающие составы обычно вводятся смесительные отвердители, ускоряющие процесс отверждения и упрочняющие эти составы. Кроме того, такие смеси могут использоваться для заливки изделий. В качестве отвердителей применяются полиангидриды типа полиазилена.

Смешивая пропитывающие вещества различных составов и смолы, можно получить имеющие широкий диапазон твердости материалы. Для пропитки деталей и узлов СВЧ-аппаратуры выпускаются специальные составы с малыми потерями и вязкостью от 0,01 до 20 Па∙с.

Таким образом, основными параметрами, определяющими качественное протекание процессов пропитки и заливки, являются:

— температура и давление процесса, степень чистоты и структура поверхности, обеспечивающие наилучшее взаимодействие поверхности с пропитывающим (заливочным) материалом;

— температура, состав, вязкость, электрофизические и механические свойства пропитывающего (заливочного) материала;

— скорость пропитки (заливки), т. е. скорость затвердевания (отверждения) пропитывающих составов и особенно деградация эксплуатационных характеристик этих материалов по границам раздела (взаимодействующим поверхностям) во времени.

Определение областей оптимальных значений этих параметров и эксплуатационных характеристик качества изделия является основной проблемой при физико-химических исследованиях и анализе ТП пропитки и заливки в производстве РЭА

5. Электрофизические характеристики соприкасающихся поверхностей и границ раздела слоев

Многолетний опыт производства РЭА на базе кремниевых ИМС показал, что для решения проблем стабильности качества изделий требуется изучение свойств поверхности используемых материалов, а также методов ее подготовки и защиты. Задача становится особенно актуальной в связи с тем, что наиболее перспективными типами РЭА признаны те, которые базируются на полевых приборах (МДП БИС и приборы с барьером Шоттки). Создание же качественных и стабильных приборов этого типа невозможно без знания, свойств поверхностей раздела слоев, образующих их структуры, и умения контролировать эти свойства.

За счет усовершенствования классических методов исследования поверхности (эллипсометрии, электронной микроскопии, оптоэлектронной микроскопии и др.) и использования их для контроля поверхностных свойств рабочих структур приборов и границ разделов слоев в последнее десятилетие получены новые данные о свойствах поверхностей и границ раздела. При этом влияние поверхностных свойств на параметры приборов для различных материалов различно.

По мере совершенствования конструкций ИМС создаются все более тонкие слои полупроводников, диэлектриков и металлов, что увеличивает влияние характеристик поверхности па свойства прибора; при субмикронных толщинах слоев это влияние становится доминирующим. Целью всякого ТП обработки поверхностей в таких важных элементах РЭА, как ИМС, является получение определенных (заданных) электрофизических свойств этих поверхностей с наименьшими затратами. К сожалению, взаимосвязь между электрофизическими параметрами состояния поверхности и технологическими факторами ее обработки ещё мало изучена. Рассмотрим те электрофизические характеристики поверхности и физико-химические факторы, которые влияют на параметры качества микроэлектронных устройств. Большинство рабочих характеристик таких устройств основано на свойствах соприкасающихся поверхностей и границ раздела слоев в системах металл — полупроводник, полупроводник — диэлектрик, металл — диэлектрик — полупроводник и т. п.

Для изучения влияния свойств поверхностей на электрические характеристики указанных систем исследовались различные сочетания материалов слоев и способов обработки поверхностей. Было показано, что характер обработки поверхностей влияет на процессы генерации и рекомбинации носителей заряда, что выражается в изменении вида вольт-амперных, вольт-фарадных и других характеристик структур ИМС.

Характер взаимосвязи физико-технологических факторов обработки поверхности, электрических свойств границ между слоями является сложным. В последние годы методы исследования поверхности были усовершенствованы, с их помощью можно обнаружить моноатомные пленки и отдельные атомы примесных элементов, т. е. идентифицировать как структуру, так и состав поверхности с очень большой точностью. Тем не менее проблема установления количественных связей между электрофизическими свойствами поверхности (границ раздела) и технологическими факторами ее обработки остается нерешенной. Во время обработки поверхности происходят сложные взаимодействия физического и химического характера на атомном уровне газообразных, жидких и твердых частиц, что изменяет концентрацию поверхностных состояний, определяющих электрические свойства поверхностей раздела между слоями в структурах твердотельных радиоэлектронных устройств (ИМС, ПАВ, ПЗС и др.).

Поэтому вопросы получения в ТП заданного состояния поверхности чрезвычайно важны для всей технологии РЭА. В большинстве случаев в реальном производстве, основанном на использовании многократной обработки поверхности, непрерывно оценивают характер изменения поверхностных свойств изделий или полуфабрикатов в зависимости от изменений методов или режимов обработки. По электрофизическим критериям качества поверхности осуществляют поиск оптимальных способов и режимов обработки, оптимальных конструкций технологических установок. Особенно тщательно обрабатывают поверхности тех деталей, на которых будут формироваться рабочие структуры электронных устройств. Важное значение качество поверхности (ее электрофизические свойства) имеет в таких физико-химических технологических процессах как: осаждение диэлектрических и металлических слоев из паровой, газовой и жидких фаз, процессов окисления, эпитаксии, диффузии и др.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5