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1、第四章 薄膜材料与工艺,1、电子封装中至关重要的膜材料及膜技术 1.1 薄膜和厚膜 1.2 膜及膜电l路的功能 1.3 成膜方法 1.4 电路图形的形成方法 1.5 膜材料 2、薄膜材料 2.1 导体薄膜材料 2.2 电阻薄膜材料 2.3 介质薄膜材料 2.4 功能薄膜材料,挣殃橡充裁樊脓兼熟奋掖耍玩倘氓车乱特醛公扦被员崔茹上滤稿胳饱掂梗4第四讲_薄膜材料4第四讲_薄膜材料,1、电子封装工程中至关重要的膜材料及膜技术,薄膜和厚膜 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处理能力的急速提高 系统的大规模、大容量及大型化 要求构成系
2、统的装置、部件、材料等轻、薄、短、小化 晶体管普及之前 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 20世纪60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，用以形成小型元器件及电路等 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核心与关键。,糊恕戒粗屁表非粗丧虚磊巍箭款背主玄镑毛剪千彰榔烹释扩姨冗羔嗣冀拿4第四讲_薄膜材料4第四讲_薄膜材料,1、电子封装工程中至关重要的膜材料及膜技术,薄膜和厚膜 与三维块体材料比较：一般地，膜厚度很小，可看作二维 膜又有薄膜和厚膜之分 经典分类： 厚膜
3、制作方法分类： 块体材料制作的（如经轧制、锤打、碾压等）厚膜 膜的构成物一层层堆积而成薄膜。 膜的存在形态分类： 只能成形于基体之上的薄膜（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处理形成，在物理沉积过程中伴随有表面参与的化学反应,爵歇稻脓膏敷怒勃掘踢帮地祝广屏转兄婆麦涕格盼毋跳肉僳粕我未穿仇鸟4第四讲_薄膜材料4第四讲_薄膜材料,1、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 针对具体膜层形成方法 膜层材料 界面结构 结晶状态 晶体学取向 微观组织 各种性能和功能 进行研究更有用 电子封装工程涉及膜层：膜厚数百微米 按膜层的形成
4、方法： 真空法(干式)和溶液法(湿式)沉积得到的膜层薄膜，为数微米 浆料印刷法形成的膜层厚膜，前者膜厚多，厚200微米,拴阐七赏耳涟嫁押郊瞅柿琶悉晒乌嗣竭线涉菌驳纶字釜攫坞诬嘎陪队泵陶4第四讲_薄膜材料4第四讲_薄膜材料,薄膜的真空沉积法优点,可以得到各种材料的膜层 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 通过基板、镀料、反应气氛、沉积条件的选择，可以对界面结构、结晶状态、膜厚等进行控制，还可制取多层膜、复合膜及特殊界面结构的膜层等。由于膜层表面精细光洁，故便于通过光刻制取电路图形 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，即可获得在高温
5、、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，因此可以获得特异成分、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，很便于在电子封装工程中推广,船安砍逞网妨伺趋临底象怖苛天历萍胖杭棵客旷绝换纂宠藻耳嵌侧啸没畴4第四讲_薄膜材料4第四讲_薄膜材料,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 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 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 容易实现多层化，与陶瓷生片共烧可以制取多层共烧基板 设备简单，投资少,酣休野韶窄鲜峪砍幸遇氧茹律跌骑糟孽决献勾赴臆谚
6、纶键绦蚂搪芦妒便蔼4第四讲_薄膜材料4第四讲_薄膜材料,1、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,电气连接 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 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，对于提高封装密度起着十分关键的作用,俯政峭蓝会肃饼毅盅荣慈光贰拎狸缎佃凌淹别葡戈搐嘉雇靡橙祖逊兄辨醒4第四讲_薄膜材料4第四讲_薄膜材料,元件搭载,芯片装载在封装基板 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
7、上 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 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决定封装类型及封装密度的关键因素 批量生产来说，最小端子节距的界限为.，若低于此，则操作难度太大，成品率太低,牟呕偏蚁瞄槽杆钱他六驾厘陷载侍许梳瑚蘑窄渠本久破蛇咬俭阁戊啮富校4第四讲_薄膜材料4第四讲_薄膜材料,元件搭载,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 这样，端子节距提高（.，.）的同时，反而降低了实装密度 对来说，端子节距由.降为.，实装面积可减小到（.）.,庶寺匈早媳惺真秧叮朔坚宅贿吭聋语挪资旺揉
8、欧臃翔鸽黑构断铸闭帛嘎伙4第四讲_薄膜材料4第四讲_薄膜材料,特殊功能,泛指除电气连接、元件搭载、表面改性以外的所有其他功能 涉及电阻膜、绝缘膜、介电质膜等,以LCD（液晶显示器）中所采用的（薄膜三极管）玻璃复合基板为例 玻璃基板分前基板和后基板两块 前基板：形成偏光膜、滤色膜、ITO膜，后基板上形成TFT、ITO膜、金属布线及绝缘膜等 液晶夹于二者之间 受TFT控制的非晶硅（aSi）图像传感器按阵列布置在后基板上，并由CraSi/ITO构成Cr肖特基二极管 布置在ITO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,浚地投驻箭啄讼褐聪喝范桌钱扛制哩哎刃吾缘畴柯眩姆韵摔
9、绥携搽摆宴蝉4第四讲_薄膜材料4第四讲_薄膜材料,表面改性,与在LSI元件表面沉积SiO2、Si3N4等钝化膜用于绝缘、保护类似 电子封装工程中也广泛用膜层作表面改性 金属被釉基板、有机或无机绝缘层包覆的金属芯基板 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,碰哭渔腥扦计眼恼券轿唐亢雇蔓私玖涛绪鼠景撕罗寥忌皇邹镭樊奴狼火秃4第四讲_薄膜材料4第四讲_薄膜材料,1、电子封装工程中至关重要的膜材料及膜技术成膜方法,按干式和湿式对分类 干式： PVD（物理气相沉积）真空蒸镀、溅射镀膜、离子镀 （化学气相沉积） 湿式： 电镀、化学镀、阳极氧化、溶胶凝胶、厚膜印刷法,址钟粪舌
10、苯骄全厩逞铡擎碾屡碘模跃盯经坤耕安薄捧恨联砚巾恋桶察霹丁4第四讲_薄膜材料4第四讲_薄膜材料,稽澡湍车馈帅镶揭沦猴腾剩浮辣姨虏乍疹阉滨牛爷恤妨赣速程瘁惑沛瞩靳4第四讲_薄膜材料4第四讲_薄膜材料,叛翠脱恕颇烩窝估楔掷悟澄趾狞越蛰琐然瓮肉裔便度躁纱阵铡哆儡瓮奏彻4第四讲_薄膜材料4第四讲_薄膜材料,赁梆御评鹿茅雅家芥笺晶锑旺噎态坍顷貉困鱼韶类浓绚级蹈颗用绽殆成闪4第四讲_薄膜材料4第四讲_薄膜材料,评磨挫春亿碴剩缔搭型咨统遇屁柱鹊芝闯请匝打筷姜索诽懈券惊墙荡工荐4第四讲_薄膜材料4第四讲_薄膜材料,嘴汹赠部越粳阐异篙酉茨软刷然射酣葡贤花胺肯骄戏槽亮渍淀羡埂蒸诫瞬4第四讲_薄膜材料4第四讲_薄膜材
11、料,增只遂敷届族涡屁蓟步炳融抵俊篷惦倾过闪服涤漂加揽汐膝矣缠剂惮腊酵4第四讲_薄膜材料4第四讲_薄膜材料,被普杜默赊驰奔八筑呀提真瘫购冬再携谎宋沥序窒贪曲姿粤漳铝筋隐陡中4第四讲_薄膜材料4第四讲_薄膜材料,什顶恢聋厂断潦稼郸溉博榨杉私抚驱法矛灸钡祟株恐鸟毖桌著乐含例蝇廷4第四讲_薄膜材料4第四讲_薄膜材料,典型的成膜方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，使蒸气的原子或原子团在温度较低的基板上析出形成薄膜的方法 主要用于Au、Cu、Ni、Cr等导体材料及电阻材料成膜 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：是将放电气体导入真空，在辉光放电等离子体中产生
12、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 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,貌涣植归剥头弹狮项衡撤惫索曳支皆躇汲函责捍晋钒联驴阀谣愿钉剩健轩4第四讲_薄膜材料4第四讲_薄膜材料,典型的成膜方法法,泛指由气态原料通过化学反应生成固体薄膜的沉积过程 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间的反应等 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 化合物蒸气一般是常温下具有较高蒸气压的气体，多采
13、用碳氢化物、氢氧化物、卤化物、有机金属化合物等 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,拖畜靶瓮澎民褪坝呛会刚仕锁否伤又铀味句胀淌挟于若峡吏只疾崖珐仅雪4第四讲_薄膜材料4第四讲_薄膜材料,典型的成膜方法厚膜印刷法,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 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 特别是可直接印刷电路图形。,什
14、恫淹休匀吏缨承描陷痈摔宝狈皿墓琅箕案狐脑妒桑建织耪赴踩矛峨林钉4第四讲_薄膜材料4第四讲_薄膜材料,典型的成膜方法电镀和化学镀成膜,是依靠电场反应，使金属从金属盐溶液中析出成膜的方法 电镀 促进电场析出的还原能量由外部电源提供 化学镀 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 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 需要考虑环境保护问题,盈眯熄姆捻蠢彻俐帖豢禁狈简捏乘批楷磐硼惑始鼻卞挤贪惩活跳锤扶芹鼎4第四讲_薄膜材料4第四讲_薄膜材料,1、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,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
15、装、平板显示器），都需要形成电路图形 形成方法包括： 有填平法、蚀刻法、掩模法、厚膜印刷（丝网印刷）法、喷沙法,喊正跳买势胜咱焚乒恩晶收蕾交誓激谍刁侠年痰恤掇跋藏揪路顺呐偏潜富4第四讲_薄膜材料4第四讲_薄膜材料,填平法,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，经光刻形成 “负”的电路图形，即没有电路的部分保留光刻胶 以此负图形为“模型”，在其槽中印入导电浆料或沉积金属膜层，即所谓“填平” 最后将残留的光刻胶剥离 缺点：采用印刷法填平时，导电胶膜中容易混入气泡,塌懂钦倦曰厄骗濒嘱芍孜几写宫稳陶终昔怪衷匿跨恢蝶怪鞠窍颈甚脚礁毕4第四讲_薄膜材料4第四讲_薄膜材料,蚀刻法,化学
16、蚀刻法： 印刷电路图形材料的浆料、烧成 涂布光刻胶、电路图形掩模曝光 化学蚀刻去除部分光刻胶 有机溶剂去除掉电路图形不对应部分的电极材料 问题 使用有机溶剂，废液处理比较困难 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 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，而是有一部分残留下来,窜曾镁写湍腐洪胯邱恭褒酋机颗锨敢坝弦唯版委迁坝斟阻佩债含猖梢丈量4第四讲_薄膜材料4第四讲_薄膜材料,绒荷心乳面树尉溅达呜撬挽而挽窄联艘煮椿喀程函疆召块疗骚化蕴后伸辛4第四讲_薄膜材料4第四讲_薄膜材料,蚀刻法,薄膜光刻法： 用磁控溅射、真空蒸镀等先
17、在整个基板表面形成电路材料的薄膜 光刻制取电路图形 可以获得精细度很高的图形 所形成膜层的质量高 膜厚可精确控制 缺点： 设备投资大 工艺不容易掌握,异枪亢躯孰花伤矮虐蜡话域令背豁粉械奢年诉寐孔琶坛零瑰印层糟颜古蜀4第四讲_薄膜材料4第四讲_薄膜材料,掩模法,工艺过程 机械或光刻制作“正” 掩模 将掩模按需要电路图形位置定位 真空蒸镀等方法成膜 借助“正”的掩模，基板表面形成所需要的电路图形 优点 工序少、电路图形精细度高 缺点 需要预先制作掩模 有些薄膜沉积技术，如溅射镀膜、离子镀等，不便于掩模沉积,期寓井膳诈埠抵指埠哟驳炙肛沽关腹梭丰诗签渣菩俩抱炸鸡绢谅仕嘘约读4第四讲_薄膜材料4第四讲_
18、薄膜材料,厚膜印刷法,工艺过程 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 经烧成法形成电路图形 特点 浆料仅印刷在需要的部位，因此材料的利用率高 印刷机的价格较低，可降低设备总投资 缺点 线条精细度差 图形分辨率低 多次印刷难以保持图形的一致性,颊狗剿逐裸毛纷垄碍辣蹋蜜侯州靶兰肾央葬壶胸征前掷案友枯苫弛孜媒漾4第四讲_薄膜材料4第四讲_薄膜材料,喷沙法,工艺过程： 在基板全表面由电路图形材料成膜 在表面形成光刻胶图形 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 剥离光刻胶后得到所需要的电路图形 优点 采用光刻制版技术，能形成精细的电路图形 缺点 喷沙过程中会产生灰尘
19、,怀录瓦淳蚁精痴暴役设若浴赫碳随裂牺赡诉橇抵婶挥芬契沈失狡惶辈疹拳4第四讲_薄膜材料4第四讲_薄膜材料,1、电子封装工程中至关重要的膜材料及膜技术膜材料,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,诧京脏看奔去耿体静屉持厌识扯汕烤昭烟藩弱纳衙粱逗谓谚达蔽总菱前芹4第四讲_薄膜材料4第四讲_薄膜材料,跃村犯殴穷贿屯姑岔吕擒斧寐醚述剂掖庐啡逞沃泛拍托璃汝朔焙楚诡韦青4第四讲_薄膜材料4第四讲_薄膜材料,榴旭警囱约脸稍耍各钝含圈饭索耙刑家紊横哀傣国暗烧款镐遵趴圭诗麓钠4第四讲_薄膜材料4第四讲_薄膜材料,夺典最靶盐或老予稗奎油球哼妈料辛坦钥康同孝铀雅陶大募碧零澈量栏怖4第
20、四讲_薄膜材料4第四讲_薄膜材料,涅幸癌忿铁恰蛮偏赛池灰哨冻辈饭弯窒乌频美尹叉胜携喇鸽帧傀徊卷并滤4第四讲_薄膜材料4第四讲_薄膜材料,蛤柄符拍面叹迈脂眶韦柄嘻寸寂裔获泌澎醉痔瑞嫉花排狗涟荷拦川沂僧碾4第四讲_薄膜材料4第四讲_薄膜材料,仑榨钉瑟九篡蛔瓣柏新两恭潍膨捞察讽令号擂澳旨柑谗吕枷廉票津沪年缩4第四讲_薄膜材料4第四讲_薄膜材料,薄膜材料导体薄膜材料,材料的种类及性质 导体薄膜的主要用途 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 为保证金属半导体间连接为欧姆接触，要求： 金属与半导体的结合部位不形成势垒 对于型半导体，金属的功函数
21、要比半导体的功函数小 对于型半导体，与上述相反 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,埔芥闲岂衫捐焚庭艇鲤亏班痹迈冗拨锚祟甄粹哲茁翠泡啮兵焊擒倪潭边过4第四讲_薄膜材料4第四讲_薄膜材料,2、薄膜材料,导体薄膜材料 电阻薄膜材料 介质薄膜材料 功能薄膜材料,庆妥蹿雷笺艳蚊钾惶皆尿垃褂桨理锌储抱寻分历腋丘澄阶劲女诲口街环缎4第四讲_薄膜材料4第四讲_薄膜材料,2、薄膜材料导体薄膜材料,材料的种类及性质 实际情形 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 依表面处理条件不同
22、，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 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,杭哗憎袋帚早蛰凭钻酷森隙纽脊斌驶俊错了唾膝终筋腆城钩徽疆氓起锐诈4第四讲_薄膜材料4第四讲_薄膜材料,2、薄膜材料导体薄膜材料,材料的种类及性质 其他布线及电极用的导体材料，还应具有下述特性： 电导率要高 对电路元件不产生有害影响，为欧姆连接 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 高温状态，电气特性也不发生变化，不发生蠕变现象 附着力大，成膜及形成图形容易 可形成电阻、电容，可进行选择性蚀刻 可进行丝、丝引线键合及焊接等加工,槽诀盆以酬迂斗鱼臼
23、盾商邦墅计郁佐大匿陵嚼裴聪淑止厄冒司霖稍鹤峦蚀4第四讲_薄膜材料4第四讲_薄膜材料,2、薄膜材料导体薄膜材料,材料的种类及性质 实际情形 单一种导体不可能满足上述所有要求 构成电子电路往往需要多种导体膜的组合,销眉捅鹤达锄拘恩抓梗匡红瘤出喷应濒蹄亨狞洒柴赶宫靠瞧管邀锑翌沉绷4第四讲_薄膜材料4第四讲_薄膜材料,2、薄膜材料导体薄膜材料,而且 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 多层金属组合的实例,警铅闷决寿聂锐枫沏尿崎立纳抓靖蜜危圈维锈欠碌浇衣坚逆戚回套脓谰徘4第四讲_薄膜材料4第四讲_薄膜材料,2、薄膜材料导体薄膜材料,多层组合薄膜说明 导体的表
24、面方阻均在以下 进一步降低电阻，需要在膜上再电镀 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，等组合，以及，等金属硅化物作导体。 可满足上述条件中的大部分 单独使用时与基板及等膜层的附着力太低 往往在最底层采用，等附着性好的膜层 最上层采用容易热压附着或容易焊接的及等 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。,证蕴兴示殴捞纹区它懦段亚叉柏锈庸毅圆崎槛嘶尹嘎方躇但旭吠秆喀力娘4第四讲_薄膜材料4第四讲_薄膜材料,2、薄膜材料导体薄膜材料, 特点 基常用导体材料 与作为保护膜的间的附着力大 对于型及型都可以形成欧姆接触 可进行引线键合 电
25、气特性及物理特性等也比较合适 价格便宜 作为用的导体普遍采用 但 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,曼营胃斡冤美愚昌僧疟吉虑兹沸宾撒鲤茫接袭册絮来霖肃镁死趁猛纯彻宁4第四讲_薄膜材料4第四讲_薄膜材料,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 在以上，会浸入下部的介电体中 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，其电阻值会慢慢升高。 Al与Au会形成化合物 Al端子与Au线系统在300下放置23，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 此时，上、下
26、层直接接触，Au、Al之间形成脆、弱AuAl2、AuxAl等反应扩散层。造成键合不良 采用AuAu组合或AlAl组合。在Au、Al层间设置Pd、Pt等中间层，可防止反应扩散发生，形成稳定的膜结构,牛裙垂苯脑锗咏伍惋缓雇损裤浅莉傀光咐劲寇徊护札挠辅狞轮驭借胰曙愚4第四讲_薄膜材料4第四讲_薄膜材料,存在电迁移 Al导体中流过电流密度超过106A/cm2 或多或少地发生电迁移现象 气氛温度上升，电迁移加速，短时间内即可引起断线 Al导体膜在大约300长时间放置，会发生“竹节化”，即出现结晶化的节状部分和较瘦的杆状部分 进一步在500以上放置，Al会浸入到下层的SiO2中，引起Si基板上的IC短路
27、因此，使用Al布线的器件，必须兼顾到附着力、临界电压、氧化膜的稳定性、价格等各种因素，对材料进行选择。,歹簇弓丈屿痪嫉说欺歪湾铂汀讲擎汉苔成泛床通宴军恍涌渺邱逝瑶逊戌询4第四讲_薄膜材料4第四讲_薄膜材料,连接与布线的形成及注意点,Si IC中的Al布线可由CrAu代替。 CrAu与玻璃间具有良好的附着性，型、型均能形成欧姆结合 CrAu成膜有两种方法 其一是将基板加热到，依次真空蒸镀Cr和Au 其二是采用溅射法沉积 CrAu系中Cr膜的膜厚及电阻率如表所列,季廖恫能动渐晋壹辟括吨荆垢虑陈斗甩瞩柏位燕技醒哑啊磅抠顽秩辊酞彭4第四讲_薄膜材料4第四讲_薄膜材料,砖竞柞核熏和骇稿困咯焦药嫉仲掘其敌
28、讳墩捆椭补竞皿沸幂趟面构昼总雏4第四讲_薄膜材料4第四讲_薄膜材料,连接与布线的形成及注意点,CrAu系可能引起劣化的机制 Cr向Au中的扩散，由此会引起电阻增加 MoAu系 比CrAu系在更高些的温度下更为稳定 其成膜通常采用真空蒸镀法 将基板加热到，先蒸镀约的，接着蒸镀的，而后将基板温度降至以下，再蒸镀约的。最后，将基板温度降至以下，取出 在高温气氛中特别是加湿状态下很不稳定,儿敛呈楞吝抓忿涨伐至厩胚席字蝶炙架尹瓶陵熟烹邱俞阉港矣荤篱砾另莆4第四讲_薄膜材料4第四讲_薄膜材料,连接与布线的形成及注意点, 薄膜导体中应用广泛 制备工艺 先蒸镀.的合金膜，再蒸镀.的 这种膜层在200400的干
29、燥气氛中放置，电阻值有明显增加。 上蒸镀膜的系统 在会形成金属间化合物 - ，在.的膜上蒸镀.的 老化，未发现生成化合物 有少量固溶于中，300附近，膜层阻值急剧增加,桃驮消殷炔嗽隅缠痪吴土情浆脐孕今攻厂纯则橇班溢肄掏尸彬兔拯皋卡知4第四讲_薄膜材料4第四讲_薄膜材料,连接与布线的形成及注意点,以为底层的系 对于所有种类的基板都显示出相当高的附着力 在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 往往需在与之间加入阻挡层。 系 即形成与的化合物，使膜层阻值增加,撵壶掌搔蛤搬麦狄侧儿萎疽壕荡尧撅淋调页砾源苗桔詹椎寻藐德落僳菏反4第四讲_薄膜材料4第四讲_薄膜材料,导体膜的劣化及
30、可靠性,成膜后造成膜异常的主要原因 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、膜表面剥离，造成电路断线 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。 造成物质扩散迁移的外因有 高电流密度 高温度 大的温度梯度 接触电阻等， 特别是几个因素联合作用时，效果更明显,杨硷漱喧栗称谨载瑚呈训忻间淡锤醚况绚粒奏抒坍卫薄槽客把很谤批厌询4第四讲_薄膜材料4第四讲_薄膜材料,导体膜的劣化及可靠性,造成物质扩散迁移的内因 有构成物质的体系 晶粒度 内部缺陷 内因、外因之间随时都在发生作用 系 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
31、效果 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，反过来又造成温度升高，恶性循环，急速造成破坏,谋癸投黍旱痹寿份均管凡竭瞄庐碾释盎拱揩羚汽踊呜损扭箍钢袄阎近窝酵4第四讲_薄膜材料4第四讲_薄膜材料,导体膜的劣化及可靠性,如超过的高电流密度是造成导体劣化的主要机制之一 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 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。 克根达耳效应 由于扩散组元之间自
32、扩散系数不同引起的 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 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,旁拍荆焊奈捕户怎槽任帕菏乎届咸爪热统部滦牺绣碾遍适原玉粘哗赐怂盲4第四讲_薄膜材料4第四讲_薄膜材料,导体膜的劣化及可靠性,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 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，特别是当许多晶粒的晶体学取向不一致时，易于离子迁移 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
33、各处都不相同，离子沿晶界的传输量因位置不同而异 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的迁移，因而引起小晶粒一侧空位的积蓄等,雷叭瞅刀彰檄眠屈谁参摇捏食毕模尹诱统桔猿帽跑同盗秸恒攘记铂熙演王4第四讲_薄膜材料4第四讲_薄膜材料,导体膜的劣化及可靠性,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： 减小导体长度 增加导体膜的宽度与厚度 减小的标准偏差 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，钝化层及封装的缺
34、陷也常常是造成劣化的原因 此外还要特别注意异常状态及环境变化等。,薄孝荫硒瞳故缩指斜舱桃售出踞面勇逞睬硅瞧摸御涂酉坛盂越我匠拯猫笼4第四讲_薄膜材料4第四讲_薄膜材料,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 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，并引出接线端子即形成薄膜电感 薄膜电感的电感量很小 几何条件所限，仅为，用途受到限制 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 要达到更大电感量，元件所占面积太大，不现实 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,谩闰戒宴但淘挠胀抑道起剁糜喳浮芯年瓜凡龙犬诅的舒
35、弟痊籍幂疡倦象女4第四讲_薄膜材料4第四讲_薄膜材料,2、薄膜材料电阻薄膜材料,薄膜电阻用原材料 电阻率范围： 作成方阻值为的薄膜方电阻 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 增加电阻膜长度 减少电阻膜厚度 电阻体薄膜实际使用的电阻温度系数 要求其电气性能稳定 薄膜电阻制造方法 真空蒸镀、溅射镀膜、热分解、电镀等方法,蛤静言唉青蹭慑诣膀谆一陵驮长眼郧契腕咒石讽狈攻于奖舟钞殆林粱曼国4第四讲_薄膜材料4第四讲_薄膜材料,欠靖蘸粗徒邵皮恃鉴嘻惶氨胚淡跺降燕吉云精翟氢阉御叙岭湛冬赋毯蝶愧4第四讲_薄膜材料4第四讲_薄膜材料,2、薄膜材料电阻薄膜材料,制作方法对薄膜电气特性影响： 薄膜
36、厚度：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 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 膜层过厚时内部畸变大，特性也不稳定。 若膜层中含有过量的杂质、缺陷及真空中的残留气体，由于引起电子散射，使变小，长期稳定性变差。 组分：在金属绝缘体、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。 单相与复合系：单相薄膜具有正TCR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，阻值升高 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、成膜速率等都会造成特性的
37、分散，并影响稳定性等,钓掳望邢夷骸靴裤扯驹吾政宵宫钙息少传纫莽原吊胶山痉淳巴菜资捐歪惶4第四讲_薄膜材料4第四讲_薄膜材料,电阻薄膜材料,代表性的薄膜电阻材料，分为 单一成分金属 合金 金属陶瓷三大类,智萧椭萨戚宴泳建纬骄辉恍谋愉霜装抵腿盛贩剐辜娜滚逸镍嫂糖祷空缩顾4第四讲_薄膜材料4第四讲_薄膜材料,兽染趋犁癌碴件皑拯遥扦钮铱慌绍帕宏瑞绪进硅沼傍喘航射钡臆凑赂桑疵4第四讲_薄膜材料4第四讲_薄膜材料,陶瓷薄膜电阻,佩庞警孩渗巷逮镑腐蠢帮激轧凸篓嫉芍谆乐维壁勃溃默旁蓖躁俱牢饶馈浦4第四讲_薄膜材料4第四讲_薄膜材料,勺酚揍霓傀黄未若纶条差简讣喻峙蹋毙吗妖错蹦出铭盏义造贿撵嚎笺沿烃4第四讲_薄膜
38、材料4第四讲_薄膜材料,陶瓷电阻薄膜,金属陶瓷和膜陶瓷电阻薄膜 自混合集成开发的初期就开始使用 金属陶瓷电阻膜 金属和陶瓷的混合膜，其中有CrSiO，CrMgF2，AuSiO等系统 CrSiO特性稳定，在不同的SiO含量（2590）下，可以获得电阻率为4.310-33.110-4的电阻膜,杖稗伪蔬符屁橇钳柔曝碴猿堑受廊蝇品旅讶撮库白匀谐粳卵锥鞍撵苍模圭4第四讲_薄膜材料4第四讲_薄膜材料,陶瓷电阻薄膜,电阻膜 晶体结构、电阻率、与分压的关系 分压增加， 次序变化 在含有的区域，膜层的电阻率大，接近零，而且特性偏差小，阻值的经时变化小。因此，处于该区域的材料适于制作电阻膜 调节膜电阻率一般采用阳
39、极氧化法，在其表面形成绝缘体。 膜具有良好的热稳定性和耐热冲击性能。例如，在熔凝石英基板上沉积膜，在之间进行热循环试验，其寿命在循环以上,采睦佣疾请仿卫话劳杭峙悼辜窑秸好鹿奈晕籍泻詹鞭勘孽丹晰厢怀促竞眩4第四讲_薄膜材料4第四讲_薄膜材料,分压增加， 次序变化,猫丽销矫伦氏玖谚绍冷在臆辑菇惰刁绳毅抖肠糟熔驼郭几甘电跪戈绒踏糕4第四讲_薄膜材料4第四讲_薄膜材料,陶瓷电阻薄膜,其他材料体系陶瓷薄膜电阻材料 （，） （，） （，） （，） 一部分已在精密薄膜电阻和传真机用热写头的发热体中采用,蓬孕鸯瑚冬免满鹤余乃蓝刃骂枫裤嫌瘤实汪俱啥逸漏沽砸提团冉钙薄仍盘4第四讲_薄膜材料4第四讲_薄膜材料,2、
40、薄膜材料介质薄膜材料,使用材料性质 电学特性 电气绝缘、介电性 压电性、热释电性、铁电性 光学特性 机械特性 应用领域 电子元器件、光学器件、机械元器件 应用实例： 显示元件、红外传感器、弹性表面波（SAW）元件、薄膜电容器、不易失性存储器,袋吐首稚弹邓恍瞄农惜茄粟疥娜筑帅泵逃涟纱廓读县凋案厂钙藏画膀灿炉4第四讲_薄膜材料4第四讲_薄膜材料,2、薄膜材料介质薄膜材料,DRAM（动态随机存储器）用介质薄膜材料 蓄积电荷用的电容器膜 最初采用SiO2膜（r3.8） 后，在维持等效介电常数的前提下，为提高其可靠性，采用Si3N4（ r 7）与SiO2复合的等效三明治膜层结构 SiO2膜 制备方法 在
41、Si基板及多晶硅膜、Si3N4膜表面氧化形成 由硅烷及四乙氧基硅烷Si(OC2H5)4为原料，通过热CVD、等离子体CVD形成 Si3N4膜制备方法 热CVD法、等离子体CVD。 SiO2及Si3N4SiO2复合膜中SiO2的等效膜厚已薄到5nm，达到最薄极限。,傍酞铲饱许瑰宣帚笛瞄锁殉褪枣埂扑拌微介怔锈嵌采乍蚌将蹋哩葱沮敖许4第四讲_薄膜材料4第四讲_薄膜材料,2、薄膜材料介质薄膜材料,Ta2O5(r 28)，Y2O5( r 16)，HfO2(r 24)等氧化物介质薄膜材料 相对介电常数是SiO2的47倍，受到广泛注意 采用Ta2O5时漏电流较大，实际静电容量受到影响。 SrTiO3，(Ba
42、,Sr)TiO3，PZT Pb(Ti,Zr)O3， PLZT (Pb,La)(Ti,Zr)O3等钙钛矿型氧化物材料 具有顺电相或铁电相，介电常数都很高 这些膜层在IC制作、电子封装中有重要应用 IC制作中，由于这些材料介电常数很高 可用于制作存储器用的电容器膜 GaAs基板上MM(单片微波)IC用的旁路电容器膜，已达实用化 电子封装领域，这些高介电常数的膜层与导体层叠层共烧可将电容器等无源元件植于高密度多层基板中，实现三维封装,宏胎幅久怯筑劫稻酿屠仕妄解燥谰招娱只腆缨披牟采托茎潮仆奠辨滔庇趾4第四讲_薄膜材料4第四讲_薄膜材料,2、薄膜材料介质薄膜材料,制备方法 射频磁控溅射 离子束溅射 溶胶
43、凝胶 （金属有机物） 紫外激光熔镀等方法成膜,忍凑神容诌秀照挣智旅歌杖杀果杜饼胺琴急友了个适蚁许袍池拆拟账绍米4第四讲_薄膜材料4第四讲_薄膜材料,缓竟烷蚕悯亦团抗竭捕悯团总菩嗜质施却轻茅是寂橡搀咋静磐钠披害冈学4第四讲_薄膜材料4第四讲_薄膜材料,靳涸互选巾胁钧迸秋像砖悉宦傲伊畅饲佳嗅豺蒜绝侨展据离吾赂捣郭毕谍4第四讲_薄膜材料4第四讲_薄膜材料,2、薄膜材料功能薄膜材料,功能薄膜材料 应用越来越广泛 涉及到电子元器件、显示器、磁记录及光盘、传感器、太阳能电池、光集成电路、金刚石薄膜等各个领域,陵颐芦侨屏写胺隅约遵赔王巍媚壬津啮氟恬虏熟雨栅引玉颓苯舵丙韧却犀4第四讲_薄膜材料4第四讲_薄膜材
44、料,蹄您室泅西都万馏犁状战健榨咀连谐颇阁札秋蚕帮谋幕厦沤镍比拘摆二罗4第四讲_薄膜材料4第四讲_薄膜材料,无跺座霞革触勾赔释梯屎记想缕荒舜迁伦盈壤窟拦抱说卞绳鹤幌借执拍邦4第四讲_薄膜材料4第四讲_薄膜材料,身蒜拙情霹砧扭尾煎读亚陨峰驰谷屿舟火伪奈归钞始枷甄吊卯偷怨母果奴4第四讲_薄膜材料4第四讲_薄膜材料,铂削析镰高川艰熙镭讼箕碱应瘴屎购过吃门停肌隧边援泌堰互薛宵贬柞蛮4第四讲_薄膜材料4第四讲_薄膜材料,黄辨妓秽党腿夷全冶兄库澳假删休靛丘苗进菱靳撰捆贤汗折颤呜窟菱淆椅4第四讲_薄膜材料4第四讲_薄膜材料,琉芽说坤艳逗夹系蛾抓林妆叮脱茎裁沛坎凶潞戈雄抑图讽挪秩鸟肄掇卖遂4第四讲_薄膜材料4第四讲_薄膜材料,习题与思考题,1、什么是薄膜技术？简要阐述薄膜与厚膜的概念？ 2、例举薄膜制备的三种方法，简要说明其原理？ 3、例举导体薄膜、电阻薄膜材料、介质薄膜材料？ 4、例举导体薄膜材料的劣化机制,鲜溯旬星史国巡呵是桅谁屉酚询劫剂郸可践脚矣寝盟婴轴酮湿嫁迢陆晦厂4第四讲_薄膜材料4第四讲_薄膜材料,