Современная электроника №4/2019

СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ 21 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 4 2019 рые впоследствии не будут металли- зироваться, а металлизацию проводят на выступающих участках поверхно- сти керамической подложки, не облу- чённых лазером. Таким образом, целью выполнения данной работы является получение топологических рисунков схем с высо- ким разрешением и меньшими затрата- ми по сравнению с фотолитографией на подложках из различных керамиче- ских материалов за счёт удаления с их поверхности части материала и фор- мирования объёмной структуры в виде выступов и впадин, а также обеспече- ние локальности нанесения металли- зационного слоя только на требуемые участки поверхности керамической подложки в виде выступов методом теплового переноса с последующим осаждением слоя гальванического никеля. О БЪЕКТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ , МАТЕРИАЛЫ И ОБОРУДОВАНИЕ Эксперименты по разработке и изго- товлению металлизированных кера- мических подложек с использовани- ем лазера и теплового метода перено- са слоя металлизации проводились на подложках из оксида алюминия (Al 2 O 3 ), карбида кремния (SiC) и карбида бора (В 4 С). В качестве рабочего инструмента для реализации предлагаемого метода и достижения технического результа- та использовался твердотельный лазер технологической установки МЛ1-1, работающий на длине волны 1,064 мкм. В фокусе диаметр светового лазерного луча составляет всего несколько микро- метров, что обеспечивает температу- ру порядка +6000…+8000°С. Посколь- ку керамические материалы являются непрозрачными для лазерного излу- чения с длиной волны 1,064 мкм, то выделение тепла при лазерном нагре- ве носит поверхностный характер. В результате воздействия светового импульса лазера поверхностный слой материала керамической подлож- ки (см. рис. 1а), находящийся в фоку- се луча, мгновенно расплавляется и испаряется, при этом часть материала керамической подложки выбрасывает- ся в радиальных направлениях вокруг пятна луча. На поверхности подлож- ки образуется лунка (кратер), которая имеет клинообразную форму с верх- ним диаметром порядка 120 мкм и глу- бину 170 мкм. При этом за счёт субли- мации вещества в случае подложек из оксида алюминия, карбида кремния и карбида бора появляются летучие продукты этих же материалов. В слу- чае алюмонитридной керамической подложки под лучом лазера происхо- дит разложение нитрида алюминия с выделением полиморфных фаз алюми- ния на поверхности лунки и тем самым осуществляется локальное формирова- ние проводящего материала, обогащён- ного атомами металла. Особенностью обработки алюмонитридной керами- ческой подложки является то, что этот материал под воздействием лазерного излучения плавится при температуре 2273 К и в результате химической реак- ции разлагается на алюминий и газо- образный азот по схеме 2AlN ↔ 2Al+N 2 . После окончания реакции на стенках лунки формируется проводящая плёнка алюминия толщиной несколько сотен нанометров. Обработка керамической подложки осуществляется посредством автомати- ческого перемещения линейно-шаго- вым приводом координатного столи- ка технологической установки МЛ1-1 в горизонтальной плоскости по коор- динатам X , Y относительно лазерного луча. Перемещение объектива лазер- ной системы по вертикальной оси Z обеспечивает автоматическое под- держание положения фокуса излуче- ния. Управление установкой осущест- вляется при помощи персонального компьютера в соответствии с рабочей программой с использованием гра- фического редактора AUTOCAD. Изо- бражение обрабатываемой подложки посредством телевизионной системы выводится на дисплей компьютера, на котором также отображаются текущие режимы и технологическая модель про- цесса обработки. В результате проведения процесса лазерной обработки на поверхности будущих областей металлизации на подложке возникают рельефные струк- туры в виде выступов и впадин различ- ных размеров (см. рис. 1б), составля- ющих топологический рисунок. При этом лазерное формование поверх- ности подложки является лазерной микрогравировкой. Структура поверх- ности впадин на подложке представля- ет собой металлизированные участ- ки за счёт того, что в процессе лазер- ной обработки происходит испарение части объёма керамического материа- ла и преобразование поверхностного слоя впадин, являющихся пробельны- ми участками топологического рисун- ка, в металлическую плёнку керамиче- ской подложки (см. рис. 1б). Для снятия напряжений и подготовки поверхно- стей выступов к покрытию проводит- ся окислительный обжиг в водородной электропечи ЦЭП-214 при температу- ре +1100°С в среде влажного формир- газа в течение 30 мин, в результате чего металлический слой преобразуется в оксид металла, т.е. превращается из проводника в диэлектрик, а на поверх- ности выступов 3 при этом образует- ся слой оксида алюминия (см. рис. 1в). Далее на поверхность выступов, покры- тых слоем оксида осуществляется рав- номерное нанесение металлизаци- онной пасты (см. рис. 1г) методом теплового переноса топологическо- го рисунка с использованием метал- лизирующей ленты. Затем на выступы с помощью специального контактно- го устройства наносится гальваниче- ское покрытие из никеля (см. рис. 1д). Э КСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ Подложка (см. рис. 2а) из нитрида алюминия (AlN) размером 15 × 10 мм и толщиной 1 мм шлифовалась, обеспе- чивалась шероховатость поверхности с размером микронеровностей 0,63 мкм. Отшлифованная подложка очищалась от загрязнений в перекисно-аммиач- ном растворе, закреплялась на коорди- натном столике технологической уста- новки МЛ1-1, после чего проводилась лазерная обработка пробельных участ- ков (будущих впадин) топологического рисунка на её поверхности (см. рис. 2а). Лазерное излучение фокусировалось на поверхности подложки в пятно с диаме- тром 10 мкм. Затем для формирования топологического рисунка по площади пробельных участков (впадин) прово- дилось сканирование лазерным лучом во взаимно перпендикулярных направ- лениях, что позволяло удалять часть материала керамической подложки с образованием на поверхностях впадин металлической плёнки (см. рис. 2а) и получать рельефную структуру в виде выступов. Затем подложки проходили трёхразовуюочистку в деионизирован- ной воде в ультразвуковой (УЗ) ванне при температуре +50°С. После лазерной обработки прово- дилось оксидирование в водородной электропечи ЦЭП-214 при темпера- туре +1100°С в среде влажного фор- миргаза, в результате чего металличе- ский слой преобразовывался в оксид металла, а на поверхности выступов