《第四讲薄膜材料精选文档.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第四讲薄膜材料精选文档.ppt（85页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、第四讲薄膜材料第四讲薄膜材料本讲稿第一页，共八十五页1、电子封装工程中至关重要的膜材料及膜技术、电子封装工程中至关重要的膜材料及膜技术薄膜和厚膜薄膜和厚膜F电子封装过程中膜材料与膜技术的出现及发展，源于电子封装过程中膜材料与膜技术的出现及发展，源于与电器、电子装置设备向高性能、多功能、高速度方向发展及信息与电器、电子装置设备向高性能、多功能、高速度方向发展及信息处理能力的急速提高处理能力的急速提高系统的大规模、大容量及大型化系统的大规模、大容量及大型化要求构成系统的装置、部件、材料等轻、薄、短、小化要求构成系统的装置、部件、材料等轻、薄、短、小化F晶体管普及之前晶体管普及之前真空电子管的板极、
2、栅极、灯丝等为块体材料，电子管插在管座真空电子管的板极、栅极、灯丝等为块体材料，电子管插在管座上由导管连接，当时并无膜可言上由导管连接，当时并无膜可言F20世纪世纪60年代，出现薄膜制备技术年代，出现薄膜制备技术在纸、塑料、陶瓷上涂刷乃至真空蒸镀、溅射金属膜，用以形成小在纸、塑料、陶瓷上涂刷乃至真空蒸镀、溅射金属膜，用以形成小型元器件及电路等型元器件及电路等F进入晶体管时代进入晶体管时代从半导体元件、微小型电路到大规模集成电路，膜技术便成为整套工艺中的从半导体元件、微小型电路到大规模集成电路，膜技术便成为整套工艺中的核心与关键。核心与关键。本讲稿第二页，共八十五页1、电子封装工程中至关重要的膜
3、材料及膜技术、电子封装工程中至关重要的膜材料及膜技术薄膜和厚膜薄膜和厚膜F与三维块体材料比较：一般地，膜厚度很小，可看作二维与三维块体材料比较：一般地，膜厚度很小，可看作二维F膜又有薄膜和厚膜之分膜又有薄膜和厚膜之分经典分类：经典分类：l厚膜厚膜制作方法分类：制作方法分类：l块体材料制作的（如经轧制、锤打、碾压等）块体材料制作的（如经轧制、锤打、碾压等）厚膜厚膜l膜的构成物一层层堆积而成膜的构成物一层层堆积而成薄膜。薄膜。膜的存在形态分类：膜的存在形态分类：l只能成形于基体之上的只能成形于基体之上的薄膜（包覆膜）薄膜（包覆膜）沉积膜基体表面由膜物质沉积析出形成 化合形成膜通过对基体表面进行化学
4、处理形成，在物理沉积过程中伴随有表面参与的化学反应本讲稿第三页，共八十五页1、电子封装工程中至关重要的膜材料及膜技术、电子封装工程中至关重要的膜材料及膜技术薄膜、厚膜区分通常无实际意义薄膜、厚膜区分通常无实际意义l针对具体膜层形成方法针对具体膜层形成方法 膜层材料膜层材料 界面结构界面结构 结晶状态结晶状态 晶体学取向晶体学取向 微观组织微观组织 各种性能和功能各种性能和功能l进行研究更有用进行研究更有用电子封装工程涉及膜层：膜厚电子封装工程涉及膜层：膜厚数百微米数百微米按膜层的形成方法：按膜层的形成方法：l真空法真空法(干式干式)和和溶液法溶液法(湿式湿式)沉积得到的膜层沉积得到的膜层薄膜，
5、为薄膜，为数微米数微米l浆料印刷法浆料印刷法形成的膜层形成的膜层厚膜，前者膜厚多，厚厚膜，前者膜厚多，厚200微米微米本讲稿第四页，共八十五页薄膜的真空沉积法优点薄膜的真空沉积法优点可以得到各种材料的膜层可以得到各种材料的膜层F镀料气化方式很多（如电子束蒸发、溅射、气体源等），控制气氛还可镀料气化方式很多（如电子束蒸发、溅射、气体源等），控制气氛还可以进行反应沉积以进行反应沉积通过基板、镀料、反应气氛、沉积条件的选择，可以通过基板、镀料、反应气氛、沉积条件的选择，可以对界面结构、结晶状对界面结构、结晶状态、膜厚等进行控制态、膜厚等进行控制，还可，还可制取多层膜制取多层膜、复合膜复合膜及及特殊界
6、面结构的特殊界面结构的膜膜层等。由于膜层表面精细光洁，故层等。由于膜层表面精细光洁，故便于通过光刻制取电路图形便于通过光刻制取电路图形可以较方便地采用光、等离子体等激发手段，可以较方便地采用光、等离子体等激发手段，在一般的工艺条件下，即在一般的工艺条件下，即可获得在高温、高压、高能量密度下才能获得的物质可获得在高温、高压、高能量密度下才能获得的物质真空薄膜沉积涉及从气态到固态的超急冷（过程，因此真空薄膜沉积涉及从气态到固态的超急冷（过程，因此可以获得可以获得特异成分、组织及晶体结构的物质特异成分、组织及晶体结构的物质由于在工艺中薄膜沉积及光刻图形等已有成熟的经验，很由于在工艺中薄膜沉积及光刻图
7、形等已有成熟的经验，很便于在电便于在电子封装工程中推广子封装工程中推广本讲稿第五页，共八十五页厚膜的丝网印刷法有优点厚膜的丝网印刷法有优点通过丝网印刷，可直接形成电路图形通过丝网印刷，可直接形成电路图形膜层较厚，经烧结收缩变得致密，电阻率低，膜层较厚，经烧结收缩变得致密，电阻率低，容易实现很低的电路电阻容易实现很低的电路电阻导体层、电阻层、绝缘层、介电质层及其他导体层、电阻层、绝缘层、介电质层及其他功能层都可以印刷成膜功能层都可以印刷成膜容易实现多层化，与陶瓷生片共烧可以制取容易实现多层化，与陶瓷生片共烧可以制取多层共烧基板多层共烧基板设备简单，投资少设备简单，投资少本讲稿第六页，共八十五页1
8、、电子封装工程中至关重要的膜材料及膜技术、电子封装工程中至关重要的膜材料及膜技术膜及膜电路的功能膜及膜电路的功能电气连接电气连接F印制线路板（）的发明，使电路以膜的形式印制线路板（）的发明，使电路以膜的形式与基板作成一体，元器件搭载在基板上并与导体端与基板作成一体，元器件搭载在基板上并与导体端子相连接，这对于整个系统的小型化、高性能、低子相连接，这对于整个系统的小型化、高性能、低功耗、高可靠性及经济性等方面都有重大贡献功耗、高可靠性及经济性等方面都有重大贡献F三维立体布线方式的多层板、陶瓷多层共烧三维立体布线方式的多层板、陶瓷多层共烧基板、积层多层板、复合多层板的出现，对于提高基板、积层多层板
9、、复合多层板的出现，对于提高封装密度起着十分关键的作用封装密度起着十分关键的作用本讲稿第七页，共八十五页元件搭载元件搭载芯片装载在封装基板芯片装载在封装基板F无论采用引线键合方式还是倒装片方式都离不开焊盘无论采用引线键合方式还是倒装片方式都离不开焊盘元器件搭载在基板上元器件搭载在基板上F特别是封装体实装在基板上，无论采用、特别是封装体实装在基板上，无论采用、等哪种方式，都离不开导体端子、等哪种方式，都离不开导体端子焊盘，端子都是膜电路的一部分。焊盘，端子都是膜电路的一部分。在许多情况下，引线端子节距的大小以及引线端子的排列方式是在许多情况下，引线端子节距的大小以及引线端子的排列方式是决定封装类
10、型及封装密度的关键因素决定封装类型及封装密度的关键因素F批量生产来说，最小端子节距的界限为批量生产来说，最小端子节距的界限为.，若低于此，若低于此，则操作难度太大，成品率太低则操作难度太大，成品率太低本讲稿第八页，共八十五页元件搭载元件搭载F想提高封装密度，需要由四侧引出端子的方式转变为平面想提高封装密度，需要由四侧引出端子的方式转变为平面阵列布置端子的方式阵列布置端子的方式这样，端子节距提高（这样，端子节距提高（.，.）的同时，反而降低了实）的同时，反而降低了实装密度装密度对来说，端子节距由对来说，端子节距由.降为降为.，实装面积可减，实装面积可减小到（小到（.）.本讲稿第九页，共八十五页特
11、殊功能特殊功能泛指除电气连接、元件搭载、表面改性以外泛指除电气连接、元件搭载、表面改性以外的所有其他功能的所有其他功能F涉及电阻膜、绝缘膜、介电质膜等涉及电阻膜、绝缘膜、介电质膜等以以LCD（液晶显示器）中所采用的（薄膜三极管）（液晶显示器）中所采用的（薄膜三极管）玻璃复合基板为例玻璃复合基板为例玻璃基板分前基板和后基板两块玻璃基板分前基板和后基板两块前基板：形成偏光膜、滤色膜、前基板：形成偏光膜、滤色膜、ITO膜，后基板上形成膜，后基板上形成TFT、ITO膜、金属布线及绝缘膜等膜、金属布线及绝缘膜等液晶夹于二者之间液晶夹于二者之间受受TFT控制的非晶硅（控制的非晶硅（aSi）图像传感器按阵列
12、布置在后基板上，并由）图像传感器按阵列布置在后基板上，并由CraSi/ITO构成构成Cr肖特基二极管肖特基二极管布置在布置在ITO膜上与驱动器相连接的布线导体要通过膜上与驱动器相连接的布线导体要通过Cr/Al实现多层化，以降低布线电阻实现多层化，以降低布线电阻本讲稿第十页，共八十五页表面改性表面改性与在与在LSI元件表面沉积元件表面沉积SiO2、Si3N4等钝化膜等钝化膜用于绝缘、保护类似用于绝缘、保护类似电子封装工程中也广泛用膜层作表面改性电子封装工程中也广泛用膜层作表面改性F金属被釉基板、有机或无机绝缘层包覆金属被釉基板、有机或无机绝缘层包覆的金属芯基板的金属芯基板F塑料表面电镀金属以增加
13、耐磨性、降低塑料表面电镀金属以增加耐磨性、降低接触电阻等，常用的方法有镀铑、镀金等接触电阻等，常用的方法有镀铑、镀金等本讲稿第十一页，共八十五页1、电子封装工程中至关重要的膜材料及膜技术、电子封装工程中至关重要的膜材料及膜技术成膜方法成膜方法按干式和湿式对分类按干式和湿式对分类干式：干式：FPVD（物理气相沉积）（物理气相沉积）真空蒸镀、真空蒸镀、溅射镀膜、离子镀溅射镀膜、离子镀F（化学气相沉积）（化学气相沉积）湿式：湿式：F电镀、化学镀、阳极氧化、溶胶凝胶、电镀、化学镀、阳极氧化、溶胶凝胶、厚膜印刷法厚膜印刷法本讲稿第十二页，共八十五页本讲稿第十三页，共八十五页本讲稿第十四页，共八十五页本讲
14、稿第十五页，共八十五页本讲稿第十六页，共八十五页本讲稿第十七页，共八十五页本讲稿第十八页，共八十五页本讲稿第十九页，共八十五页本讲稿第二十页，共八十五页典型的成膜方法典型的成膜方法真空蒸镀及溅射法真空蒸镀及溅射法真空蒸镀：是将镀料在真空中加热、蒸发，使蒸气的原子或真空蒸镀：是将镀料在真空中加热、蒸发，使蒸气的原子或原子团在温度较低的基板上析出形成薄膜的方法原子团在温度较低的基板上析出形成薄膜的方法F主要用于主要用于Au、Cu、Ni、Cr等导体材料及电阻材料成膜等导体材料及电阻材料成膜F不同的镀料及不同的沉积速率要选择不同的加热方法。不同的镀料及不同的沉积速率要选择不同的加热方法。溅射镀膜：是将
15、放电气体导入真空，在辉光放电等离子体中产生的溅射镀膜：是将放电气体导入真空，在辉光放电等离子体中产生的正离子加速轰击处于阴极的靶材，使溅射出的原子沉积在基板上的正离子加速轰击处于阴极的靶材，使溅射出的原子沉积在基板上的方法方法F从道理上讲，这种方法可以在任何基板上沉积任何物质的薄膜，从道理上讲，这种方法可以在任何基板上沉积任何物质的薄膜，但一般多用于氧化物、氮化物等绝缘材料及合金材料的成膜但一般多用于氧化物、氮化物等绝缘材料及合金材料的成膜本讲稿第二十一页，共八十五页典型的成膜方法典型的成膜方法法法泛指由气态原料通过化学反应生成固体薄膜的沉积过程泛指由气态原料通过化学反应生成固体薄膜的沉积过程
16、F该反应可以是气态化合物由基板表面向其内部的扩散，气态化合该反应可以是气态化合物由基板表面向其内部的扩散，气态化合物与基板表面的反应，气态化合物的分解，或者是气态化合物之物与基板表面的反应，气态化合物的分解，或者是气态化合物之间的反应等间的反应等F这些反应的共同特点是，至少要有一种固态产物生成，并且以薄膜的这些反应的共同特点是，至少要有一种固态产物生成，并且以薄膜的形态沉积在基板表面上形态沉积在基板表面上F化合物蒸气一般是常温下具有较高蒸气压的气体，多采用碳氢化合物蒸气一般是常温下具有较高蒸气压的气体，多采用碳氢化物、氢氧化物、卤化物、有机金属化合物等化物、氢氧化物、卤化物、有机金属化合物等F
17、法成膜材料范围广泛，除碱金属、碱土金属之外，几乎所有材法成膜材料范围广泛，除碱金属、碱土金属之外，几乎所有材料均可以成膜，特别适用于绝缘膜、超硬膜等特殊功能膜的沉积料均可以成膜，特别适用于绝缘膜、超硬膜等特殊功能膜的沉积本讲稿第二十二页，共八十五页典型的成膜方法典型的成膜方法厚膜印刷法厚膜印刷法是按功能要求将金属、金属氧化物、玻璃粘结剂等是按功能要求将金属、金属氧化物、玻璃粘结剂等的粉末同有机粘结剂、表面活性剂、有机溶剂等均的粉末同有机粘结剂、表面活性剂、有机溶剂等均匀混合，调制成符合丝网印刷要求的浆料，利用丝匀混合，调制成符合丝网印刷要求的浆料，利用丝网印刷等工艺，在基板上印刷图形，经烧成，
18、有机网印刷等工艺，在基板上印刷图形，经烧成，有机粘结剂挥发而成膜的方法粘结剂挥发而成膜的方法F特点：工艺简单、设备投资少，在低价格的优势下特点：工艺简单、设备投资少，在低价格的优势下可大量生产导体、电阻体、介电体等厚膜可大量生产导体、电阻体、介电体等厚膜F特别是可直接印刷电路图形。特别是可直接印刷电路图形。本讲稿第二十三页，共八十五页典型的成膜方法典型的成膜方法电镀和化学镀成膜电镀和化学镀成膜是依靠电场反应，使金属从金属盐溶液中析出成膜的方是依靠电场反应，使金属从金属盐溶液中析出成膜的方法法电镀电镀F促进电场析出的还原能量由外部电源提供促进电场析出的还原能量由外部电源提供化学镀化学镀F需添加还
19、原剂，利用自分解而成膜需添加还原剂，利用自分解而成膜电镀或化学镀成膜的特点电镀或化学镀成膜的特点F可对大尺寸基板大批量成膜，与其他成膜方法相可对大尺寸基板大批量成膜，与其他成膜方法相比，设备投资低比，设备投资低F需要考虑环境保护问题需要考虑环境保护问题本讲稿第二十四页，共八十五页1、电子封装工程中至关重要的膜材料及膜技术、电子封装工程中至关重要的膜材料及膜技术电路图形的形成方法电路图形的形成方法各种成膜方法形成的膜层，应用于电子工业各种成膜方法形成的膜层，应用于电子工业（如电子元器件制造、电子封装、平板显示（如电子元器件制造、电子封装、平板显示器），都需要形成电路图形器），都需要形成电路图形形
20、成方法包括：形成方法包括：F有填平法、蚀刻法、掩模法、厚膜印刷有填平法、蚀刻法、掩模法、厚膜印刷（丝网印刷）法、喷沙法（丝网印刷）法、喷沙法本讲稿第二十五页，共八十五页填平法填平法先将光刻胶涂敷（甩胶）或将光刻胶先将光刻胶涂敷（甩胶）或将光刻胶干膜贴附（贴膜）于基板表面，经光干膜贴附（贴膜）于基板表面，经光刻形成刻形成“负负”的电路图形，即没有电的电路图形，即没有电路的部分保留光刻胶路的部分保留光刻胶以此负图形为以此负图形为“模型模型”，在其槽中印入，在其槽中印入导电浆料或沉积金属膜层，即所谓导电浆料或沉积金属膜层，即所谓“填填平平”最后将残留的光刻胶剥离最后将残留的光刻胶剥离缺点：采用印刷法
21、填平时，导电胶膜中缺点：采用印刷法填平时，导电胶膜中容易混入气泡容易混入气泡本讲稿第二十六页，共八十五页蚀刻法蚀刻法化学蚀刻法：化学蚀刻法：F印刷电路图形材料的浆料、烧成印刷电路图形材料的浆料、烧成F涂布光刻胶、电路图形掩模曝光涂布光刻胶、电路图形掩模曝光F化学蚀刻去除部分光刻胶化学蚀刻去除部分光刻胶F有机溶剂去除掉电路图形不对应部分的电极材有机溶剂去除掉电路图形不对应部分的电极材料料问题问题l使用有机溶剂，废液处理比较困难使用有机溶剂，废液处理比较困难l有时线条会出现残差（残留）有时线条会出现残差（残留）通常，不需要部位的电路图形材料应完全去除通常，不需要部位的电路图形材料应完全去除实际上，
22、电路图形材料经烧成、化学蚀刻形成图实际上，电路图形材料经烧成、化学蚀刻形成图形后，应该去除的部分往往不能完全去除掉，而形后，应该去除的部分往往不能完全去除掉，而是有一部分残留下来是有一部分残留下来本讲稿第二十七页，共八十五页本讲稿第二十八页，共八十五页蚀刻法蚀刻法薄膜光刻法：薄膜光刻法：F用磁控溅射、真空蒸镀等先在整个基板用磁控溅射、真空蒸镀等先在整个基板表面形成电路材料的薄膜表面形成电路材料的薄膜F光刻制取电路图形光刻制取电路图形可以获得精细度很高的图形可以获得精细度很高的图形所形成膜层的质量高所形成膜层的质量高膜厚可精确控制膜厚可精确控制缺点：缺点：F设备投资大设备投资大F工艺不容易掌握工
23、艺不容易掌握本讲稿第二十九页，共八十五页掩模法掩模法工艺过程工艺过程F机械或光刻制作机械或光刻制作“正正”掩模掩模F将掩模按需要电路图形位置定位将掩模按需要电路图形位置定位F真空蒸镀等方法成膜真空蒸镀等方法成膜F借助借助“正正”的掩模，基板表面形成所需要的电路图形的掩模，基板表面形成所需要的电路图形优点优点F工序少、电路图形精细度高工序少、电路图形精细度高缺点缺点F需要预先制作掩模需要预先制作掩模F有些薄膜沉积技术，如溅射镀膜、离子镀等，不便于有些薄膜沉积技术，如溅射镀膜、离子镀等，不便于掩模沉积掩模沉积本讲稿第三十页，共八十五页厚膜印刷法厚膜印刷法工艺过程工艺过程F通过网版在基板表面印刷厚膜
24、导体浆料，形成与网版对应通过网版在基板表面印刷厚膜导体浆料，形成与网版对应的图形的图形F经烧成法形成电路图形经烧成法形成电路图形特点特点F浆料仅印刷在需要的部位，因此材料的利用率高浆料仅印刷在需要的部位，因此材料的利用率高F印刷机的价格较低，可降低设备总投资印刷机的价格较低，可降低设备总投资缺点缺点F线条精细度差线条精细度差F图形分辨率低图形分辨率低F多次印刷难以保持图形的一致性多次印刷难以保持图形的一致性本讲稿第三十一页，共八十五页喷沙法喷沙法工艺过程：工艺过程：F在基板全表面由电路图形材料成膜在基板全表面由电路图形材料成膜F在表面形成光刻胶图形在表面形成光刻胶图形F经喷沙去除掉不需要的材料
25、部分，保留光经喷沙去除掉不需要的材料部分，保留光刻胶图形覆盖的部分刻胶图形覆盖的部分F剥离光刻胶后得到所需要的电路图形剥离光刻胶后得到所需要的电路图形优点优点F采用光刻制版技术，能形成精细的电路图形采用光刻制版技术，能形成精细的电路图形缺点缺点F喷沙过程中会产生灰尘喷沙过程中会产生灰尘本讲稿第三十二页，共八十五页1、电子封装工程中至关重要的膜材料及膜技术、电子封装工程中至关重要的膜材料及膜技术膜材料膜材料下表列出与电子封装工程相关的各类膜材料，下表列出与电子封装工程相关的各类膜材料，同时给出用途、性质及成膜方法等同时给出用途、性质及成膜方法等本讲稿第三十三页，共八十五页本讲稿第三十四页，共八十
26、五页本讲稿第三十五页，共八十五页本讲稿第三十六页，共八十五页本讲稿第三十七页，共八十五页本讲稿第三十八页，共八十五页本讲稿第三十九页，共八十五页薄膜材料薄膜材料导体薄膜材料导体薄膜材料材料的种类及性质材料的种类及性质导体薄膜的主要用途导体薄膜的主要用途F形成电路图形，为半导体元件、半导体芯片、电阻、电容等电路搭载形成电路图形，为半导体元件、半导体芯片、电阻、电容等电路搭载部件提供电极及相互引线，以及金属化等部件提供电极及相互引线，以及金属化等为保证金属为保证金属半导体间连接为欧姆接触，要求：半导体间连接为欧姆接触，要求：F金属与半导体的结合部位不形成势垒金属与半导体的结合部位不形成势垒F对于型
27、半导体，金属的功函数要比半导体的功函数小对于型半导体，金属的功函数要比半导体的功函数小F对于型半导体，与上述相反对于型半导体，与上述相反F金属与半导体结合部的空间电荷层的宽度要尽量窄，电子直金属与半导体结合部的空间电荷层的宽度要尽量窄，电子直接从金属与半导体间向外迁移受到限制等接从金属与半导体间向外迁移受到限制等本讲稿第四十页，共八十五页2、薄膜材料、薄膜材料F导体薄膜材料导体薄膜材料F电阻薄膜材料电阻薄膜材料F介质薄膜材料介质薄膜材料F功能薄膜材料功能薄膜材料本讲稿第四十一页，共八十五页2、薄膜材料、薄膜材料导体薄膜材料导体薄膜材料材料的种类及性质材料的种类及性质实际情形实际情形F随半导体的
28、表面处理，在导体和半导体表面往往会存在薄的氧化膜，随半导体的表面处理，在导体和半导体表面往往会存在薄的氧化膜，但电子通过隧道效应可穿过此膜层，因此并不存在很大的问题但电子通过隧道效应可穿过此膜层，因此并不存在很大的问题F依表面处理条件不同，半导体的表面状态会发生变化，相应金属依表面处理条件不同，半导体的表面状态会发生变化，相应金属及半导体的功函数也会发生变化及半导体的功函数也会发生变化F功函数还与表面能级、晶体取向等相关，必须注意其值的变功函数还与表面能级、晶体取向等相关，必须注意其值的变化化本讲稿第四十二页，共八十五页2、薄膜材料、薄膜材料导体薄膜材料导体薄膜材料材料的种类及性质材料的种类及
29、性质其他布线及电极用的导体材料，还应具有下述特性：其他布线及电极用的导体材料，还应具有下述特性：F电导率要高电导率要高F对电路元件不产生有害影响，为欧姆连接对电路元件不产生有害影响，为欧姆连接F热导率高、机械强度高，对于碱金属离子及湿度等的电化学反应热导率高、机械强度高，对于碱金属离子及湿度等的电化学反应要尽量小要尽量小F高温状态，电气特性也不发生变化，不发生蠕变现象高温状态，电气特性也不发生变化，不发生蠕变现象F附着力大，成膜及形成图形容易附着力大，成膜及形成图形容易F可形成电阻、电容，可进行选择性蚀刻可形成电阻、电容，可进行选择性蚀刻F可进行丝、丝引线键合及焊接等加工可进行丝、丝引线键合及
30、焊接等加工本讲稿第四十三页，共八十五页2、薄膜材料、薄膜材料导体薄膜材料导体薄膜材料材料的种类及性质材料的种类及性质实际情形实际情形F单一种导体不可能满足上述所有要求单一种导体不可能满足上述所有要求F构成电子电路往往需要多种导体膜的组合构成电子电路往往需要多种导体膜的组合本讲稿第四十四页，共八十五页2、薄膜材料、薄膜材料导体薄膜材料导体薄膜材料而且而且F相互连接及电极中往往也不是采用单一金属，而是多种导体膜积层化，以达相互连接及电极中往往也不是采用单一金属，而是多种导体膜积层化，以达到上述各种要求到上述各种要求多层金属组合的实例多层金属组合的实例本讲稿第四十五页，共八十五页2、薄膜材料、薄膜材
31、料导体薄膜材料导体薄膜材料多层组合薄膜说明多层组合薄膜说明F导体的表面方阻均在导体的表面方阻均在以下以下F进一步降低电阻，需要在膜上再电镀进一步降低电阻，需要在膜上再电镀F所列的材料组合之外，在半导体的电极凸点及梁式引线部分，还采所列的材料组合之外，在半导体的电极凸点及梁式引线部分，还采用，用，等组合，以等组合，以及，及，等金属硅化物作导体。，等金属硅化物作导体。F可满足上述条件中的大部分可满足上述条件中的大部分F单独使用时与基板及单独使用时与基板及等膜层的附着力太低等膜层的附着力太低F往往在最底层采用，等附着性好的膜层往往在最底层采用，等附着性好的膜层F最上层采用容易热压附着或容易焊接的及最
32、上层采用容易热压附着或容易焊接的及等等F但两种金属薄膜相互结合时，往往在比块体材料更低的温度下就产生明但两种金属薄膜相互结合时，往往在比块体材料更低的温度下就产生明显扩散，生成化合物。显扩散，生成化合物。本讲稿第四十六页，共八十五页2、薄膜材料、薄膜材料导体薄膜材料导体薄膜材料F特点特点基常用导体材料基常用导体材料与作为保护膜的与作为保护膜的间的附着力大间的附着力大对于型及型都可以形成欧姆接触对于型及型都可以形成欧姆接触可进行引线键合可进行引线键合电气特性及物理特性等也比较合适电气特性及物理特性等也比较合适价格便宜价格便宜作为用的导体普遍采用作为用的导体普遍采用F但但随环境、气氛温度上升，与发
33、生相互作用，生成金属间化随环境、气氛温度上升，与发生相互作用，生成金属间化合物，致使接触电阻增加，进而发生接触不良合物，致使接触电阻增加，进而发生接触不良本讲稿第四十七页，共八十五页当中通过高密度电流时，向正极方向会发生的迁移，即当中通过高密度电流时，向正极方向会发生的迁移，即所谓电迁移所谓电迁移在在以上，会浸入下部的介电体中以上，会浸入下部的介电体中在元件中难以使用在元件中难以使用尽管的电阻率低，与不相上下，但由于与水蒸气及氧等发生反应，尽管的电阻率低，与不相上下，但由于与水蒸气及氧等发生反应，其电阻值会慢慢升高。其电阻值会慢慢升高。Al与与Au会形成化合物会形成化合物FAl端子与端子与Au
34、线系统在线系统在300下放置下放置23，或者使气氛温度升高到大约，或者使气氛温度升高到大约，其间的相互作用会迅速发生，致使键合部位的电阻升高，其间的相互作用会迅速发生，致使键合部位的电阻升高F此时，上、下层直接接触，此时，上、下层直接接触，Au、Al之间形成脆、弱之间形成脆、弱AuAl2、AuxAl等反应扩等反应扩散层。造成键合不良散层。造成键合不良F采用采用AuAu组合或组合或AlAl组合。在组合。在Au、Al层间设置层间设置Pd、Pt等中间层，等中间层，可防止反应扩散发生，形成稳定的膜结构可防止反应扩散发生，形成稳定的膜结构本讲稿第四十八页，共八十五页存在电迁移存在电迁移FAl导体中流过电
35、流密度超过导体中流过电流密度超过106A/cm2F或多或少地发生电迁移现象或多或少地发生电迁移现象F气氛温度上升，电迁移加速，短时间内即可引起断线气氛温度上升，电迁移加速，短时间内即可引起断线FAl导体膜在大约导体膜在大约300长时间放置，会发生长时间放置，会发生“竹节化竹节化”，即出现结晶，即出现结晶化的节状部分和较瘦的杆状部分化的节状部分和较瘦的杆状部分F进一步在进一步在500以上放置，以上放置，Al会浸入到下层的会浸入到下层的SiO2中，引起中，引起Si基板基板上的上的IC短路短路因此，使用因此，使用Al布线的器件，必须兼顾到布线的器件，必须兼顾到附着力、临界电压、氧化附着力、临界电压、
36、氧化膜的稳定性、价格等膜的稳定性、价格等各种因素，对材料进行选择。各种因素，对材料进行选择。本讲稿第四十九页，共八十五页连接与布线的形成及注意点连接与布线的形成及注意点Si IC中的中的Al布线可由布线可由CrAu代替。代替。CrAu与玻璃间具有良好的附着性，型、与玻璃间具有良好的附着性，型、型均能形成欧姆结合型均能形成欧姆结合CrAu成膜有两种方法成膜有两种方法F其一是将基板加热到其一是将基板加热到，依次真，依次真空蒸镀空蒸镀Cr和和AuF其二是采用溅射法沉积其二是采用溅射法沉积CrAu系中系中Cr膜的膜厚及电阻率如表膜的膜厚及电阻率如表所列所列本讲稿第五十页，共八十五页本讲稿第五十一页，共
37、八十五页连接与布线的形成及注意点连接与布线的形成及注意点CrAu系可能引起劣化的机制系可能引起劣化的机制FCr向向Au中的扩散，由此会引起电阻增加中的扩散，由此会引起电阻增加MoAu系系F比比CrAu系在更高些的温度下更为稳定系在更高些的温度下更为稳定F其成膜通常采用真空蒸镀法其成膜通常采用真空蒸镀法将基板加热到将基板加热到，先蒸镀约的，接着蒸镀的，先蒸镀约的，接着蒸镀的，而后将基板温度降至，而后将基板温度降至以下，再蒸镀约的。最以下，再蒸镀约的。最后，将基板温度降至后，将基板温度降至以下，取出以下，取出F在高温气氛中特别是加湿状态下很不稳定在高温气氛中特别是加湿状态下很不稳定本讲稿第五十二页
38、，共八十五页连接与布线的形成及注意点连接与布线的形成及注意点F薄膜导体中应用广泛薄膜导体中应用广泛F制备工艺制备工艺先蒸镀先蒸镀.的合金膜，再蒸镀的合金膜，再蒸镀.的的F这种膜层在这种膜层在200400的干燥的干燥气氛中放置，电阻值有明气氛中放置，电阻值有明显增加。显增加。上蒸镀膜的系统上蒸镀膜的系统F在在会形成金属间化合物会形成金属间化合物-F，在，在.的膜上蒸镀的膜上蒸镀.的的F老化，未发现生成化合物老化，未发现生成化合物F有少量固溶于中，有少量固溶于中，300附近，膜层阻值急剧增加附近，膜层阻值急剧增加本讲稿第五十三页，共八十五页连接与布线的形成及注意点连接与布线的形成及注意点以为底层的
39、系以为底层的系F对于所有种类的基板都显示出相当高的附着力对于所有种类的基板都显示出相当高的附着力F在在不太高的温度下即形成化合物，使膜的不太高的温度下即形成化合物，使膜的特性变差，由此造成电阻值增加特性变差，由此造成电阻值增加F往往需在与之间加入阻挡层。往往需在与之间加入阻挡层。系系F即形成与的化合物，使膜层阻值增即形成与的化合物，使膜层阻值增加加本讲稿第五十四页，共八十五页导体膜的劣化及可靠性导体膜的劣化及可靠性成膜后造成膜异常的主要原因成膜后造成膜异常的主要原因F一是由于严重的热失配，存在过剩应力状态，膜层从通常的基板或者一是由于严重的热失配，存在过剩应力状态，膜层从通常的基板或者、膜表面
40、剥离，造成电路断线膜表面剥离，造成电路断线F二是由于物质的扩散迁移引起，其中包括电迁移、热扩散、克根达耳效二是由于物质的扩散迁移引起，其中包括电迁移、热扩散、克根达耳效应、反应扩散等。应、反应扩散等。造成物质扩散迁移的外因有造成物质扩散迁移的外因有F高电流密度高电流密度F高温度高温度F大的温度梯度大的温度梯度F接触电阻等，接触电阻等，F特别是几个因素联合作用时，效果更明显特别是几个因素联合作用时，效果更明显本讲稿第五十五页，共八十五页导体膜的劣化及可靠性导体膜的劣化及可靠性造成物质扩散迁移的内因造成物质扩散迁移的内因F有构成物质的体系有构成物质的体系F晶粒度晶粒度F内部缺陷内部缺陷内因、外因之
41、间随时都在发生作用内因、外因之间随时都在发生作用系系F电流密度高，造成膜内晶粒不断长大，即自发热效应与热处理具有同电流密度高，造成膜内晶粒不断长大，即自发热效应与热处理具有同样的效果样的效果F通常情况下，导体温度上升会加速组元之间的相互扩散，形成通常情况下，导体温度上升会加速组元之间的相互扩散，形成反应扩散产物，造成机械强度下降及电阻升高等，反过来又造反应扩散产物，造成机械强度下降及电阻升高等，反过来又造成温度升高，恶性循环，急速造成破坏成温度升高，恶性循环，急速造成破坏本讲稿第五十六页，共八十五页导体膜的劣化及可靠性导体膜的劣化及可靠性F如超过如超过的高电流密度是造成导体劣化的主要机的高电流
42、密度是造成导体劣化的主要机制之一制之一该机制是：导体中大量较高能量的传导电子对原子的动量传递作该机制是：导体中大量较高能量的传导电子对原子的动量传递作用，使其向阳极方向迁移用，使其向阳极方向迁移当原子从导体中的某一位置离开时，会在该位置留下空位当原子从导体中的某一位置离开时，会在该位置留下空位空位浓度取决于某一场所空位流入量加上产生量与流出量之差。若空位浓度取决于某一场所空位流入量加上产生量与流出量之差。若此差值为正，则造成空位积蓄，空位积蓄意味着导体的劣化。此差值为正，则造成空位积蓄，空位积蓄意味着导体的劣化。克根达耳效应克根达耳效应F由于扩散组元之间自扩散系数不同引起的由于扩散组元之间自扩
43、散系数不同引起的F自扩散系数大的组元的扩散通量大，自扩散系数小的组元的扩散通量小自扩散系数大的组元的扩散通量大，自扩散系数小的组元的扩散通量小F随扩散进行，若导体宏观收缩不完全，则原来自扩散系数大的随扩散进行，若导体宏观收缩不完全，则原来自扩散系数大的组元含量高的场所，将有净空位积累，从而引起导体劣化组元含量高的场所，将有净空位积累，从而引起导体劣化本讲稿第五十七页，共八十五页导体膜的劣化及可靠性导体膜的劣化及可靠性物质迁移容易沿晶界进行物质迁移容易沿晶界进行物质的迁移与其微观结构关系很密切物质的迁移与其微观结构关系很密切F温度不是很高，晶界扩散系数比体扩散系数大得多。膜层中大量存在温度不是很
44、高，晶界扩散系数比体扩散系数大得多。膜层中大量存在有晶界，有晶界，晶界中离子的活动性与各个晶粒的晶体学取向有关晶界中离子的活动性与各个晶粒的晶体学取向有关，特，特别是当许多晶粒的晶体学取向不一致时，易于离子迁移别是当许多晶粒的晶体学取向不一致时，易于离子迁移F晶粒取向与外加电场之间的角度，因场所不同而异，因此离子的迁移率晶粒取向与外加电场之间的角度，因场所不同而异，因此离子的迁移率在各处都不相同在各处都不相同，离子沿晶界的传输量因位置不同而异，离子沿晶界的传输量因位置不同而异F当传导电子从大晶粒一侧向小晶粒一侧移动时，由于界面处也发当传导电子从大晶粒一侧向小晶粒一侧移动时，由于界面处也发生离子
45、的迁移，因而引起小晶粒一侧空位的积蓄等生离子的迁移，因而引起小晶粒一侧空位的积蓄等本讲稿第五十八页，共八十五页导体膜的劣化及可靠性导体膜的劣化及可靠性劣化模式是上述各种机制的组合劣化模式是上述各种机制的组合平均故障时间与微观的结构因子数相关，特别是导体的长度与平均故障时间与微观的结构因子数相关，特别是导体的长度与宽度、平均粒径与粒径分布、晶体学取向、晶界特性等影响很大宽度、平均粒径与粒径分布、晶体学取向、晶界特性等影响很大为了增加，在条件允许的情况下应尽量采取如下措施：为了增加，在条件允许的情况下应尽量采取如下措施：F减小导体长度减小导体长度F增加导体膜的宽度与厚度增加导体膜的宽度与厚度F减小
46、的标准偏差减小的标准偏差F增加膜层的平均粒度等。增加膜层的平均粒度等。实际上，电路的劣化不仅仅源于导体的劣化，实际上，电路的劣化不仅仅源于导体的劣化，钝化层及封装的缺钝化层及封装的缺陷也常常是造成劣化的原因陷也常常是造成劣化的原因此外还要此外还要特别注意异常状态及环境变化特别注意异常状态及环境变化等。等。本讲稿第五十九页，共八十五页薄膜电感薄膜电感薄膜电感具有很多优点，但是也存在一些使用方面的限制薄膜电感具有很多优点，但是也存在一些使用方面的限制F制作技术制作技术将低电阻导体膜形成螺圈状，中间用绝缘层交插绝缘，并引出接线端子将低电阻导体膜形成螺圈状，中间用绝缘层交插绝缘，并引出接线端子即形成薄
47、膜电感即形成薄膜电感F薄膜电感的电感量很小薄膜电感的电感量很小几何条件所限，仅为，用途受到限制几何条件所限，仅为，用途受到限制F采用铁氧体基板，使导体螺旋成膜采用铁氧体基板，使导体螺旋成膜电感量可达，提高一个数量级电感量可达，提高一个数量级F要达到更大电感量，元件所占面积太大，不现实要达到更大电感量，元件所占面积太大，不现实F在铁氧体磁芯上绕线的小型电感的电感量在铁氧体磁芯上绕线的小型电感的电感量可达，多作为外设的片式元件用于电路可达，多作为外设的片式元件用于电路本讲稿第六十页，共八十五页2、薄膜材料、薄膜材料电阻薄膜材料电阻薄膜材料薄膜电阻用原材料薄膜电阻用原材料F电阻率范围：电阻率范围：F
48、作成方阻值为作成方阻值为的薄膜方电阻的薄膜方电阻F以下的低方阻值电阻需求不多以下的低方阻值电阻需求不多获得高方阻值薄膜电阻方法获得高方阻值薄膜电阻方法F增加电阻膜长度增加电阻膜长度F减少电阻膜厚度减少电阻膜厚度电阻体薄膜实际使用的电阻温度系数电阻体薄膜实际使用的电阻温度系数FF要求其电气性能稳定要求其电气性能稳定薄膜电阻制造方法薄膜电阻制造方法F真空蒸镀、溅射镀膜、热分解、电镀等方法真空蒸镀、溅射镀膜、热分解、电镀等方法本讲稿第六十一页，共八十五页本讲稿第六十二页，共八十五页2、薄膜材料、薄膜材料电阻薄膜材料电阻薄膜材料制作方法对薄膜电气特性影响：制作方法对薄膜电气特性影响：F薄膜厚度：薄膜厚
49、度：薄的膜层对传导电子产生表面散射，由此造成减小、薄的膜层对传导电子产生表面散射，由此造成减小、电阻率升高电阻率升高但非常薄的膜为不连续的岛状结构，由此可能造成负的。这种膜但非常薄的膜为不连续的岛状结构，由此可能造成负的。这种膜容易发生凝聚或氧化，除少数几种物质外，特性不稳定容易发生凝聚或氧化，除少数几种物质外，特性不稳定膜层过厚时内部畸变大，特性也不稳定。膜层过厚时内部畸变大，特性也不稳定。F若膜层中含有若膜层中含有过量的杂质、缺陷及真空中的残留气体过量的杂质、缺陷及真空中的残留气体，由于引起电子散射，使，由于引起电子散射，使变小，长期稳定性变差。变小，长期稳定性变差。F组分：组分：在金属在
50、金属绝缘体、金属陶瓷等多相系中，因组分比易发生偏离，绝缘体、金属陶瓷等多相系中，因组分比易发生偏离，膜的均匀性不好，由于过剩成分的氧化，稳定性差。膜的均匀性不好，由于过剩成分的氧化，稳定性差。F单相与复合系：单相与复合系：单相薄膜具有正单相薄膜具有正TCR和较低的电阻。但组成复合系，和较低的电阻。但组成复合系，例如等，由于各成分的相抵消，使变小，阻值升例如等，由于各成分的相抵消，使变小，阻值升高高F其他：其他：基板表面沾污、凹凸等表面状态、基板加热温度、基板材质、成基板表面沾污、凹凸等表面状态、基板加热温度、基板材质、成膜速率等都会造成特性的分散，并影响稳定性等膜速率等都会造成特性的分散，并影