пїњ

“≈Ќƒ≈Ќ÷»я –ј«¬»“»я ѕ–»ћ≈Ќ≈Ќ»я “¬≈–ƒџ’ ¬џ—ќ ќѕ–ќ„Ќџ’ ћј“≈–»јЋќ¬ ¬ ћ» –ќЁЋ≈ “–ќЌ» ≈, ћ≈ƒ»÷»Ќ≈ » ё¬≈Ћ»–Ќџ’ »«ƒ≈Ћ»я’

------------------------------------ © “.Ѕ. “еплова, ј.—. —амерханова,
2006
”ƒ  666.9-16
“.Ѕ. “еплова, ј. —. —амерханова
“≈Ќƒ≈Ќ÷»я –ј«¬»“»я ѕ–»ћ≈Ќ≈Ќ»я “¬≈–ƒџ’ ¬џ—ќ ќѕ–ќ„Ќџ’ ћј“≈–»јЋќ¬ ¬ ћ» –ќЁЋ≈ “–ќЌ» ≈, ћ≈ƒ»÷»Ќ≈ » ё¬≈Ћ»–Ќџ’ »«ƒ≈Ћ»я’
—еминар є 23
~ѕ сЄ большее применение сверхтвердые материалы наход€т в технике, приборостроении, в оптике, оптоэлектронике, медицине, оборонной промышленности, микроэлектронике
при изготовлении часов и в качестве ювелирных вставок.
ќдной из важнейших областей применени€ твердых материалов €вл€етс€ микроэлектроника. »нтегральна€ и функциональна€ микроэлектроника €вл€ютс€ фундаментальной базой развити€ всех современных систем радиоэлектронной аппаратуры.
—овременный научно-технический
прогресс неразрывно св€зан с разработкой и освоением новых материалов и прорывных технологий. »менно материалы стали ключевым звеном, определ€ющим успех многих инженерных решений при создании сложнейшей электронной аппаратуры.
¬от почему независимо от выполн€емых функций рабочие характеристики всех элементов определ€ютс€ свойствами используемых материалов, т.е. выходные параметры аппаратуры наход€тс€ в пр€мой зависимости от примен€емых материалов [1].
¬ пленочных интегральных микро-
схемах элементы создаютс€ осаждением пленок на специальные платы из диэлектрических материалов Ч подложки*. ѕодложка служит механическим основанием, и, будучи диэлектриком, изолирует еЄ элементы [2].
Ќазначение подложек [4]. ¬ технике »ћ— (интегральных микросхем) подложки выполн€ют две функции:
а) €вл€ютс€ основанием, на поверхности или в приповерхностном слое которого по заданному топологическому рисунку формируют структуры »ћ—;
б) €вл€ютс€ элементом конструкции, обеспечивающим практическое применение »ћ— в корпусном или бескор-пусном исполнении.
ѕодложки классифицируют как по структурным признакам, так и по назначению. ѕо структурным признакам подложки подраздел€ют на аморфные, поликристаллические и моно-кристалличЄские, а по назначению - на подложки дл€ полупроводниковых, пленочных, гибридных »ћ— и микросборок.
–азмеры подложек выбираютс€ в соответствии со степенью интеграции микросхемы, их материалы Ч в соответствии с требовани€ми, предъ€вл€е-
* ѕодложка - заготовка, предназначенна€ дл€ нанесени€ на нее элементов гибридных и пленочных »ћ—, межэлементных и (или) межкомпонентных соединений, а также контактных площадок.
“аблица 1
—войства высокоглиноземистой керамики ¬ -100-1
—одержание Ћ12ќ3 99,7 %
—одержание кристаллической фазы 99,0 %
“емпература обжига 1820 о— (водород)
ѕлотность 3970-3980 кг/м3
ѕредел прочности при статическом изгибе 250-320 ћѕа
 оэффициент термического линейного расширени€ в интервале 20-700 о— 7,5х10-6 о—
ƒиэлектрическа€ проницаемость при частоте 1010 √ц 9,6+0,2
“ангенс угла диэлектрических потерь при частоте 1010 √ц 0,0001
 оэффициент теплопроводности при 100 о— 30 ¬т/м о—
„истота поверхности 13-14 кл.
мыми к электрическим, механическим и термическим свойствам подложек. ¬ свою очередь эти требовани€ обусловлены заданными параметрами пленочных элементов и выбором технологических методов нанесени€ пленок [5].
ћатериал подложек должен иметь высокие объемное и поверхностное удельные сопротивлени€. Ќизкие диэлектрические потери снижают потери энергии вследствие поглощени€ в диэлектрике. ¬ысока€ теплопроводность обеспечивает отвод тепла от микросхемы и выравнивание температурного градиента по ее поверхности. —огласование коэффициентов линейного расширени€ подложки и осаждаемых пленок уменьшает механические напр€жени€ в пленках и тем самым снижает веро€тность по€влени€ в них микротрещин, разрывов и т.п. ¬ысока€ механическа€ прочность облегчает механическую обработку подложек (дл€ получени€ требуемой формы и размеров и создани€ в них отверстий), а также предупреждает поломку подложек при сборке микросхем. ѕодложки должны быть достаточно термостойкими при пайке и сварке; материал подложки и структура поверхности должны обеспечивать хорошую адгезию осаждаемых пленок к подложке
[3].
ѕеречисленные требовани€ к подложкам €вл€ютс€ общими дл€ любого типа микросхем. »так, примен€ютс€ следующие материалы дл€ изготовлени€ подложек:
—текла представл€ют собой различные системы окислов. Ѕоросиликатное стекло состоит из SiO2 (80 %), ¬2ќ3 (12 %) и других окислов (є20, K2O, Al2O3), алюмосиликатное Ч из SiO2 (60 %), Al2O3 (20 %) и других окислов (є20, CaO, MgO, B2O3). —текла типов —-48-3 и —-41-1 €вл€ютс€ бесщелочными.
 ерамика Ч поликристаллическое вещество с зернами сложной структуры, получаемое в результате высокотемпературного отжига (спекани€) порошков различных окислов. јлюмооксидна€ керамика типа Ђѕоликорї состоит из Ћ^ (99,8 %), B2Oз (0,1 %), MgO (0,1 %). –азмер зерен Ч менее 40 мкм. Ѕе-риллиева€ керамика содержит от 98 до 99,5 % окиси берилли€ ¬еќ [3].
ѕервым материалом, на котором были реализованы —¬„-микросхемы (сверхвысоко частотные), была высокоглиноземиста€ керамика марки ¬ -100-1 (ѕоликор) с нижеприведенными электрофизическими и физико-
механическими свойствами (табл. 1).
≈динственным производителем подложек из керамики ¬ -100-1 был завод
“аблица 2
—войства —¬„-ситаллов
ѕоказатели —италл —“-38-1 —италл —“-32-1
ѕлотность, кг/м3 2400 2500
ѕредел прочности при статическом изгибе, ћѕа, не менее 100 100
 оэффициент термического линейного расширени€, х10-6, о— 38 32
ƒиэлектрическа€ проницаемость при частоте 1010 √ц 7,15-7,4 9,7-10
“ангенс угла диэлектрических потерь при частоте 1010 √ц 0,0004 0,0005
 оэффициент теплопроводности при 100о—, ¬т/мо— 1,63 1,67
„истота поверхности, кл. 14 14
УѕоликорФ г.  инешма, годова€ производительность которого составл€ла 650 тыс. шт./год, при общей потребности 1,6 млн шт./год.
 ерамика, особенно бериллиева€, имеет значительно большую теплопроводность по сравнению со стеклами.  роме того, она обладает большей механической прочностью и лучшей химической стойкостью. ќднако большие размеры зерен керамических материалов не позвол€ют получить удовлетворительный микрорельеф поверхности дл€ тонкопленочных »— (интегральных
схем). Ќаиболее удовлетворительным микрорельефом обладает керамика с 96 %-ным содержанием Ћ1203.  ерамика с более высоким содержанием ј120з, например типа Ђѕоликорї, имеет слишком гладкие поверхности, не обеспечивающие хорошей адгезии к ним толстых пленок. ѕолировка мелкозернистой керамики снижает микронеровности, однако вызывает существенные и трудно устранимые загр€знени€ ее поверхности. ѕоэтому така€ операци€ не позвол€ет получить подложки, пригодные дл€ тонкопленочных »—.
¬ цел€х ликвидации создавшегос€ дефицита, а также обеспечени€ вновь разрабатываемых радиолокационных
комплексов —¬„-микросхемами по заданию р€да оборонных предпри€тий Ќ»» электровакуумного стекла были созданы —¬„-ситаллы марок —“-38-1 и —“-32-1 со следующими техническими характеристиками (табл. 2).
—италлы Ч стеклокерамические материалы, получаемые в результате термообработки (кристаллизации) стекла. Ѕольшинство ситаллов характеризуетс€ следующим составом окислов:
1) џ2ќЧј12ќ3 Ч &02 ЧTi02 ; 2) я0Чј1203 Ч SiO2Ч TiO2 (яќ Ч один из окислов —а0, MgO или ¬а0).
—италлы в 2Ч3 раза превосход€т стекла по механической прочности. ќни хорошо прессуютс€, выт€гиваютс€, прокатываютс€. ƒиэлектрические свойства ситаллов лучше, чем стекол, и они практически не уступают керамике.
»з приведенных таблиц видно, что ситалл —“-32-1, облада€ аналогичными с керамикой ¬ -100-1 диэлектрическими свойствами, значительно уступает ей по теплофизическим показател€м, что в свою очередь не позвол€ет использовать его дл€ изготовлени€ микросхем с мощными навесными элементами.
“аким образом, дл€ подложек микросхем, а также различных высокочастотных элементов в отрасли использовали
ѕоказатели ј–“-27 Ѕ–-1 ќ–“-60 “—-2
ѕлотность, кг/м3 4700 4400 3960 3990
ѕредел прочности при статическом изгибе, ћѕа 114 120 136 144
ћикротвердость, √ѕа 8,7 7,8 8,9 9,8
ƒиэлектрическа€ проницаемость при частоте 1010 √ц 27 35 60 90
“ангенс угла диэлектрических потерь х 10-4 при частоте 1010 √ц 5 3 4 4
“емпературный коэффициент диэлектрической проницаемости х10-6, град-1 0+_20 0+_20 40+_20 55+_20
„истота поверхности, кл. 13 13 13 13
два основных вида неорганических материалов: высокоглиноземистую керамику марки ¬ -100-1 и —¬„-ситаллы марок —“-38-1 и —“-32-1.
«а рубежом дл€ аналогичных целей примен€ютс€ —¬„-керамические материалы с диэлектрической проницаемостью от 10 до 100, что позвол€ет повысить интеграцию микросхем, снизить весовые характеристики радиоэлементов, увеличить срок службы, а также производительность труда за счет групповой технологии.
¬ цел€х достижени€ мирового уровн€ ÷ Ѕ –ћ был разработан параметрический р€д —¬„-керами-ческих материалов с диэлектрической проницаемостью от 15 до 130.
–азработанные материалы обладают достаточно высокой химической стойкостью, хорошо и без разрушений очищаютс€, допускают получение микросхем по любой из существующих технологий, в св€зи с чем нашли широкое применение в приоритетных издели€х отрасли.
“ак, керамический материал марки ћ“-20 использован в качестве подложек микрополосковых линий с сопротивлением 100 ќм при ширине полосы 20 мкм, что полностью отвечает современному уровню развити€ —¬„-техники. ћатериал марки ћ“—-25 применен в
конструкции современных фазовращателей фазированных антенных решеток, что позвол€ет увеличить их активность, упростить конструкцию, уменьшить габариты, повысить срок службы и надежность работы.
ћатериалы марок Ѕј-35 и ћ“-60 используютс€ в качестве подложек микросхем, а материалы марок “-90 и —“ѕ-130 как конденсаторы и резонаторы.
ѕрименение разработанных материалов в издели€х отрасли дало возможность снизить их массогабаритные размеры в 1,5-4 раза при сохранении всех выходных параметров, уменьшить
стоимость аппаратуры.
ќдновременно с целью улучшени€ эксплуатационных характеристик указанных материалов ÷ Ѕ –ћ проведена ќ“–, позволивша€ получить принципиально новые термостабильные материалы со следующими свойствами (табл. 3).
¬ насто€щее врем€ из всех полупроводниковых материалов наибольшее применение дл€ изготовлени€ полупроводниковых »ћ— получил кремний.
ѕерспективным материалом €вл€етс€ лейкосапфир. Ѕесцветные разновидности сапфира прин€то называть Ђбелым сапфиромї, Ђвосточным алмазомї, а также Ђлейкосапфиромї. Ќо эта разновидность встречаетс€ в природе крайне редко, хот€ корунды по
природе бесцветны. ¬ производстве примен€етс€ синтетический аналог природного лейкосапфира.
Ћейкосапфир широко примен€ют в технике, приборостроении, в оптике, медицине и в качестве ювелирных вставок.
¬ оптике: —апфир - основной
материал в оптических системах, где предъ€вл€ютс€ повышенные требовани€ к оптическим свойствам элементов, где необходима устойчивость к механическим воздействи€м, температурам до 1900—, к ”‘ и »  излучени€м. ƒл€ таких применений изготавливаютс€ сапфировые линзы, призмы, световоды, элементы лазеров. Ќезаменимость сапфира в оптике определ€етс€ такими его преимуществами, как:
- высока€ прозрачность в широком диапазоне длин волн
- устойчивость к ”‘-излучению (ультрафиолетовому)
- устойчивость к механическим повреждени€м и высоким температурам.
¬ микроэлектронике: —апфир -
единственный материал дл€ изготовлени€ основы радиационностойких микросхем, используемых на јЁ— и в космосе. —апфир - материал дл€ изготовлени€ надежных микросхем пам€ти, гибридных —¬„ микросхем. Ќезаменимость сапфира в микроэлектронике определ€етс€ такими его преимуществами, как:
- высокие диэлектрические свойства;
- особенности кристаллической решетки, позвол€ющие выращивать на нем эпитаксиальный слой кремни€ (кремний-на-сапфире,  Ќ—)
¬ оптоэлектронике: —апфир - основной материал дл€ изготовлени€ подложек светоизлучающих диодов (—»ƒ) высокой €ркости (HB LED) и твердотельных лазеров, дающих синий, белый,
зеленый свет, важнейший материал планарной оптики.
—ветодиоды в колоссальных количествах потребл€ютс€ приборостроением (индикаторы), масс-медиа и рекламной индустрией (огромные цветные экраны), дорожными службами (светофоры), примен€ютс€ в энергосберегающих осветительных приборах (лампы освещени€, габаритные огни автомобилей) и т. д.
Ќезаменимость сапфира в оптоэлектронике определ€етс€ такими его преимуществами, как:
- высока€ прозрачность
- особенности кристаллической решетки, позвол€ющие выращивать на сапфире эпитаксиальный слой нитрида галли€ (ва )
- основу создани€ цветных светодиодов
¬ часовой промышленности: —апфир - единственный материал дл€ изготовлени€ "нецарапаемых" часовых стекол разных форм. ѕопул€рность сапфира в часовой промышленности определ€етс€ такими свойствами, как:
- высока€ поверхностна€ прочность (царапины на сапфире оставл€ет только алмаз)
- почти идеальна€ прозрачность- неизменность цвета после ”‘ облучени€, используемого при склеивании часовых корпусов.
¬ машино- и приборостроении: —апфир - материал дл€ изготовлени€:
- приборных смотровых окон и иллюминаторов, выдерживающих сверхвысокие температуры и перепады давлени€ или вакуум, устойчивых к агрессивным средам, механическим
повреждени€м и излучени€м- износоустойчивых окон сканеров
с
^ ^ — √&1 (с~–1апв)
–ис. 1.  ристалл лейкосапфира
- износоустойчивых деталей (подшипники, нитеводы, направл€ющие).
- труб плазмогенераторов и тензодатчиков (датчиков давлени€).
Ќи один материал не обеспечивает возможности визуального наблюдени€ процессов в камерах со сверхвысоким давлением (или разр€жением), температурой, химической агрессивностью среды. — внедрением систем сканировани€ штрихкодов на конвейерах производств и в торговле сапфир становитс€ основным материалом дл€ неповреждаемых окон стационарных и ручных сканеров.
ѕопул€рность сапфира в вакуумной технике и машиностроении определ€етс€ такими свойствами, как:
- высочайша€ прочность
- устойчивость к механическим повреждени€м и высоким температурам
- малый коэффициент трени€ и износоустойчивость
¬ медицине: —апфир - материал дл€ изготовлени€:
- прозрачных и сверхтонких лезвий дл€ хирургии.
- химически пассивных оптических элементов диагностических приборов, выдерживающих высокотемпературную стерилизацию.
ќсоба€ роль сапфира в медицине определ€етс€:
- возможностью сделать прочными очень тонкие издели€ (острие лезви€ скальпел€),
- химическа€ и биологическа€ пассивность,
- прозрачность,
- возможность стерилизации высокой температурой или ”‘-излучением
¬ оборонной промышленности:
—апфир - материал дл€ изготовлени€:
- сверхпрочных и оптически совершенных защитных колпаков дл€ головных частей самонавод€щихс€ ракет, визиров и окон, устойчивых к ”‘ и »  излучени€м  Ќ—-микро-схем, устойчивых к ионизирующим излучени€м, —¬„-компонентов радиолокационных систем.
¬ ювелирной промышленности: сапфир также €вл€етс€ одним из материалов, из которого делаютс€ вставки в различные ювелирные украшени€. ѕоскольку камень твЄрдый, исключительно красивый внешне, с прекрасной игрой света и износостойкий, ему чаще отдают предпочтени€ по сравнению с алмазом и другим имитаци€м алмаза.
—интетический сапфир - монокри-сталлическа€ форма корунда, ј1203 (рис. 1). —апфир - окись алюмини€ в самой чистой форме без пористости или включений, делает его теоретически плотным.  омбинаци€ благопри€тных химических, электрических, ме-ханических, оптических, поверхностных, тепловых
ћатериал диэлектрика ”дельное сопротивление, ќм *см ƒиэл. пост. ƒиэлектрические потери на частоте 106 √ц “еплопроводность, кал/см*с 0—  оэф линей. расш. 10-6 / 0—
Ѕоросиликатное стекло 107 4,6 6,2* 10-3 0,0027 3,25
јлюмооксидна€ керамика типа Ђѕоликорї 1014 10,8 2*10-4 0,075Ч0,08 7,5Ч7,8
 варцевое стекло 1016 4 3,8*10-4 0,0036 0,56Ч0,6
—италлы 1013Ч1014 6,5 6*10-3 0,005Ч0,009 5
Ћейкосапфир 1011 8,6 2*10-4 0,0055 5
свойств и свойства долговечности делает сапфир, предпочтительным материалом дл€ точных систем и составл€ющих проектов. —апфир в качестве полупроводника - лучший выбор по сравнению с другими синтетическими монокристаллами. ¬ табл. 4 приведены характеристики диэлектрических материалов, которые в большей или меньшей степени удовлетвор€ют требовани€м, предъ€вл€емым к подложкам дл€ тонко- и толстопленочных »—.
Ћейкосапфир характеризуетс€ хорошими диэлектрическими свойствами, по сравнению с другими материалами используемыми в микроэлектронике (табл. 4). ’от€ синтез материала освоен недавно, но стоимость его относительно не велика. ќднако технологи€ его обработки крайне затруднена из-за высокой твЄрдости материала, и соответственно, из-за сложности его обработки.
“радиционными способами обработки лейкосапфира €вл€етс€ шли-
фование и полирование [6]. ѕри необходимости сн€ти€ больших припусков с деталей используетс€ шлифование св€занным абразивом, когда обработка ведетс€ на режимах с максимально возможной производительностью.
ќдним из наиболее простых и высокопроизводительных методов получени€ поверхности высокого качества €вл€етс€
абразивное полирование (обработка свободным абразивом).
ќдним из эффективных способов уменьшени€ глубины нарушенного сло€ €вл€етс€ химико-механичес-кое полирование, при котором механически удал€етс€ слой, образованный за счет химического действи€ жидкостей. ƒанный метод нельз€ признать до конца изученным.
“акже к способам обработки лейко-сапфира можно добавить ультразвуковой (”«) способ обработки, его преимущества перед другими заключаютс€ в возможности обрабатывать непровод€щие и непрозрачные материалы, а также в отсутствии после обработки остаточных напр€жений, привод€щих при использовании других способов к образованию трещин на обрабатываемой поверхности.
Ќо принципиально новый способ обработки твердых минералов и кристаллов €вл€етс€ шлифование в режиме пластичности. —ущность процесса микрошлифовани€ в режиме пластичности целесообразно изучать на основе физической мезомеханики, разработанной академиком –јЌ ¬.≈. ѕаниным, св€зывающей движение дислокаций на микромасштабном уровне с интегральными механическими характеристиками процессов, происход€щих на макромас-
–ис. 2. ќбработка подложки на станке јЌ15‘4
штабном уровне, с учетом состава материала, его внутренней структуры и условий нагружени€ [7].
Ќа шлифовальной установке, обладающей достаточной жесткостью и высокой точностью, можно при малой глубине резани€ и низких врезных подачах все хрупкие материалы обра-батывать в режиме пластического течени€, а не высокого качества. ѕри малой глубине резани€ и низких врезных подачах все хрупкие материалы могут обрабатыватьс€ в режиме пластического течени€, а не хрупкого разрушени€ [8].
¬ результате заготовки из хрупких материалов можно механически обрабатывать в регулируемом режиме, при этом обеспечиваетс€ чистота обработки поверхности, ранее достижима€ только в нерегулируемых процессах, осуществ-
л€емых в режиме пластичности, таких как полирование и притирка.   тому же размерно-регулируемое микрошлифование, осуществл€емое на станочных модул€х с „ѕ”, позвол€ет автоматизировать процесс шлифовани€ подложек с получением стабильных выходных параметров заданного качества.
ѕоложительные результаты микрошлифовани€ поверхности алмаза в твердом направлении (111) позвол€ют рекомендовать этот способ обработки дл€ микрошлифовани€ подложек из алмаза [9]. Ќатуральный и искусственный алмаз благодар€ своим физическим свойствам €вл€етс€ перспективным материалом дл€ применени€ в микроэлектронике, однако трудность и высока€ стоимость его обработки ограничивают его применение. -------------- —ѕ»—ќ  Ћ»“≈–ј“”–џ
1.  рушеневич —. ¬ недрах микросхем (ч.3.) 2. ћалышева ».ј. “ехнологи€ производст-
є5 (228), 2003 ва интегральных микросхем.- ћ.: –адио и
св€зь, 1991.
3. »гумнов ƒ.¬.,  оролев √.¬., √ромов ». —. ќсновы мкроэлектроники. - ћ.: ¬ысша€ школа, 1991.
4. Ћомов ј.Ѕ. ѕроектирование гибридных интегральных микросхем. - ћ.: ћ »ѕ, 1997.
5. ≈фимов ».≈.,  озырь ».я., √орбунов ё.». ћикроэлектроника. ”чебное пособие дл€ ¬”«ов. - ћ.: ¬ысша€ школа, 1986.
6. “еплова “.Ѕ.,  оньшин ј.—., —оловьев ¬.¬., јшкинази ≈.≈. ќ выборе рациональных режимов процесса микрошлифовани€ монокристалла лейкосапфира. - ћ: »зд-во ћ√√”, √»јЅ, є8, 2005.
7. ѕанин ¬.≈.//¬ кн.: ‘изика хрупкого разрушени€. „. 1. -  иев: изд-во »ћѕ јЌ ”——–, 1976.
8.  оньшин ј.—., —ильченко ќ.Ѕ., —ноу Ѕ.ƒ. —пособ микрошлифовани€ твЄрдоструктурных материалов и устройство дл€ его реализации. ѕатент –‘ є2165837 от 27.04.2001 г.
9. “еплова “.Ѕ. ќбоснование рациональных режимов шлифовани€ алмазов при их огранке. јвт.-реф. диссертации на соискател€ учЄной степени кандидата технических наук ћ√√” (ћосква) - 2002 г.
Ч  оротко об авторах --------------------------------------------------------------
“еплова “.Ѕ. - кандидат технических наук, докторант, кафедра Ђ‘изика горных пород и процессовї,
—амерханова ј. —. - студент, кафедра Ђ“ехнологи€ художественной обработки материаловї,
ћосковский государственный горный университет.

пїњ