材料合成与制备 第4章 薄膜制备工艺 1.pdf

第 4 章薄膜制备工艺

所用基片及其处理方法
薄膜涂层本身不能单独作为一种材料来使用,它必须与基片结合在一起来发挥
它的作用。所以首先对基片作以介绍。

基片类型
玻璃基片
玻璃是一种透明的具有平滑表面的稳定性材料,可以在小于 500°C 的温度下使
用。玻璃的热性质和化学性质随其成分不同而有明显变化。表 4— 1 列出了典型的玻
璃基片的成分。不同厂家生产的玻璃基片的精确组成有所不同。

表 各种玻璃组成/wt%
玻璃种类 SiO2 Na2O K2O CaO MgO B2O3 Al2O3
透明石英玻璃 - - - - - -
96%石英玻璃>96 < < - -
低膨胀系数 - - -
硼硅酸盐玻璃- - - - - -
铝代硅酸盐玻璃 55 4
铝代硼硅酸盐玻璃
低碱玻璃 < < - -
普通玻璃板 71-73 13-15 - 8-12 1-3 - 1-2

石英玻璃在化学耐久性、耐热性和耐热冲击性方面都是最优异的。普通玻璃板
和显微镜镜片玻璃是碱石灰系玻璃,容易熔化和成型,但其膨胀系数大。可以将普
通玻璃板中的 Na2O 置换成 B2O3,以减小其膨胀系数。硅酸盐玻璃就是这种成分代
换的典型产品。
陶瓷基片
(1)氧化铝基片氧化铝是很好的耐热材料,具有优异的机械强度,而且,其介
电性能随其纯度提高而改善。基片必备的通孔、凹孔和装配各种电子器件、接头所
用的孔穴等在成型时可同时自动加工出来。外形尺寸在烧结后可以调整,而孔穴间
距在烧结后无法调整,所以要控制、减少烧结时收缩偏差量。
(2)多层陶瓷基片为缩短大规模集成电路组装件的延迟时间,在陶瓷基片上高
密度集成大规模集成电路的许多芯片,芯片间的布线配置于陶瓷基片内部和陶瓷片
上部。若将这些布线多层化、高密度化,则布线长度变短,延迟时间也会缩短。基
片上的多层布线常采用叠层法,包括厚膜叠层印刷法或薄膜叠层法。
1
(3)镁橄榄石基片镁橄榄石(2MgO×SiO2)具有高频下介电损耗小、绝缘电阻大
的特性,它易获得光洁表面,因此可以作为金属薄膜电阻、碳膜电阻和缠绕电阻的
基片或芯体,还可以作为晶体管基极和集成电路基片,其介电常数比氧化铝小,因
此信号传送的延迟时间短。其膨胀系数接近玻璃板和大多数金属,且随其组成发生
变化,因此它不同于氧化铝,很容易选择匹配的气密封接材料。
(4)碳化硅基片高导热绝缘碳化硅是兼有高热导率数(25°C 下为 /(m×°C)
和高电阻率(25°C 下为 1013W×cm)的优异材料。另外,其抗弯强度和弹性系数大,热
膨胀系数 25— 400°C 条件下为 ~10­6/°C,因而适于装载大型元件。碳化硅的介
电常数较大约为 40,由于信号延迟时间正比于介电常数的平方根,因此碳化硅信号
延迟时间为氧化铝的二倍,这是它的缺点。可以用 Cu、Ni 使碳化硅金属化,开发出
许多应用领域,如集成电路基片和封装等。
单晶体基片
单晶体基片对外延生长膜的形成起着重要作用。实际上人们需要各种外延膜,
但外延法制作的薄膜的许多性能是由所用的单晶体基片决定的。特别是为了能在高
温基片上生长外延膜,需要很好地了解单晶体基片的热性质。基片晶体由于各向异
性会产生裂纹,基片与薄膜间的热膨胀系数相差很大时,会在薄膜内残留大的应力,
这样使薄膜的耐用性显著下降。表 4-4 列出了经常使用的单晶体基片的热性质等性
能参数。
4,1, 金属基片
在金属基片上制备薄膜的目的在于获得保护性和功能性薄膜,以及装饰性薄膜。
采用的金属基片的种类也日益多样化,作为基片的金属材料包括黑色金属、有色金
属、电磁材料、原子反应堆用材料、烧结材料、非晶态合金和复合材料等。金属的
典型物理性质和力学性质见表 4-2,热性质见表 4-3。

表 4-2 各种纯金属的物理性质和力学性质
金属晶体结构密度(室温) 熔点/K 抗拉强度延展率/% 硬度
/´10­3 kg ×m­3 /MN×m­2
Ag 面心立方 127-142 48 26HV
Al 面心立方 40-44 60 17HB
Au 面心立方 114