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.

Дата добавления: 2014-01-05