Обоснование применения материала

В настоящее время нет такого материала для подложек, который в одинаковой мере удовлетворял бы этим разнообразным требованиям. Многие органические материалы не могут быть использованы в качестве подложек из-за температурных режимов формирования элементов микросхем. Исключение составляют лишь некоторые полимерные материалы, например лавсан и полиамид. Поэтому для подложек используют в основном стекла и керамики. Монокристаллические подложки из-за их высокой стоимости используются для гибридных интегральных схем в редких случаях.

Преимущества стекол по сравнению с другими материалами состоят в следующем:

1. Совершенная изотропия свойств и их объемная однородность, обусловленная самим методом получения – затвердеванием хорошо гомогенизированных расплавов.

2. Малая газопроницаемость, вакуумплотность.

3. Низкая адсорбционная способность, стабильность и абразивная устойчивость поверхности, позволяющие легко дегазировать и отмывать стеклянную аппаратуру.

4. Широкий диапазон составов стекол и возможность изменять в соответствии с предъявляемыми требованиями многие физико-химические свойства: электрические, механические, оптические, теплофизические.

5. Высокая технологичность: обработка специфически стеклодувными способами, которая не может никак повлиять на свойства стекла и его структуру, ибо «хуже она быть не может, а лучшей быть не должна». Стекла свариваются друг с другом, металлами, полупроводниками, керамикой – с любыми материалами, обладающими достаточной теплостойкостью. Стекла удобно получать в виде тонких пленок вакуумтермическими методами.

Стеклам присущи следующие недостатки и ограничения: низкая теплопроводность; хрупкость, низкая механическая прочность; низкая точность обработки стеклодувными методами.

Лучшими и наиболее широко применяемыми в мировой практике являются боросиликатные и алюмосиликатные сорта стекол. Применение щелочных стекол ограничено нестабильностью их свойств, поскольку при нагреве наблюдается их выщелачивание. Главным преимуществом стекол является возможность получения гладких поверхностей непосредственно при вытягивании из расплава, что резко удешевляет процесс изготовления подложек для гибридных схем. К недостаткам подложек из стекла следует отнести малую теплопроводность, что не позволяет их применять при повышенном нагреве элементов схемы. При сильном нагреве предпочтительнее использовать стекло «пирекс», кварцевое стекло, ситаллы и керамические материалы. Стекла имеют значительный разброс величины объемного удельного сопротивления, тангенса угла диэлектрических потерь и температуры размягчения. Поскольку в состав практически всех стекол входит кремнезем, химическая стойкость стеклянных подложек невысока, и в ряде случаев необходимо применять специальные меры по защите поверхностей слоями окислов или нитридов.

Технология получения материала

Стекла обычно изготовляют путем смешивания сырых исходных материалов, расплавления их в конвейерной печи с последующей вытяжкой из расплава. Оптимальные условия плавления и изготовления зависят в основном от вязкости стекла. Большинство процессов стеклообразования начинается при «точке текучести», когда вязкость становится равной 10⁴ Па·с.

Стекла, содержащие окислы щелочных металлов, например натрийкальциевое стекло, могут быть вытянутыми при средних давлениях и отожжены при довольно низких температурах (700 – 1000°С). Изменение толщины для тонких (до 1,5 мм) слоев стекла достигается регулированием скорости вытягивания.

В

Стёкла 1, 2, 3 – натрийкальциевое; 4, 5 – боросиликатное; 6, 7 – алюмосиликатное; 8, 9 – плавленый кварц; 10, 11 – свинцово-щёлочной боросиликат.

Рисунок 1 – Зависимость вязкости стекол от температуры.

язкость боросиликатных (рисунок 1, кривые 5, 6) стекол в интервале обработки не изменяется быстро. Контроль толщины слоя за счет вытягивания осуществлять нельзя, поэтому ленту расплавленного боросиликатного стекла пропускают между валиками. При этом зачастую из-за изменений в составе стекла и скорости охлаждения на поверхности стекла часто образуются линии вытяжки, которые устраняются шлифовкой. Модифицированные боросиликатные стекла (рисунок 1, кривые 11, 12) имеют более крутые кривые вязкости и более пригодны для вытягивания, однако их изготовление связано с рядом проблем: трудностью регулирования температуры резистивным нагревом из-за высокого удельного сопротивления и высокой вязкости, затрудненным отжигом, склонностью к растрескиванию и наличием газовых включений.

Стекло получается при быстром охлаждении расплавленного сырья, так как при медленном охлаждении расплава увеличивается вероятность перехода вещества в кристаллическое состояние; быстрое охлаждение, сопровождаемое быстрым возрастанием вязкости, приводит к тому, что молекулы вещества не успевают образовать кристаллическую решетку и остаются закрепленными в тех случайных положениях, где их застало повышение вязкости, препятствующее молекулярным перемещениям.

Стекла изготовляются («варятся») в печах. В крупном заводском производстве применяют ванные печи, а для получения небольших количеств стекла с точно выдержанным составом – горшковые печи.

Сырьем для изготовления стекол служат следующие материалы: кварцевый песок SiO₂, сода Na₂CO₃, поташ К₂СО₃, известняк СаСО₃, доломит CaCO₃ • МgСО₃, сульфат натрия Na₂SO₄, бура Na₂B₄O₇, борная кислота Н₃ВО₃, сурик РЬ₃О₄, каолин, полевой шпат и т. п.

Сырьевые материалы измельчают, отвешивают в нужных соотношениях и тщательно перемешивают; полученную при этом шихту загружают в стеклоплавильную печь. Здесь шихта плавится, летучие составные части (H₂O, CO₂, SO₃) из нее удаляются, а оставшиеся окислы химически реагируют между собой, в результате чего образуется однородная стекломасса, которая и идет на выработку стеклянных изделий.

Горячее стекло благодаря своей пластичности легко обрабатывается путем выдувания (ламповые баллоны, химическая посуда), вытяжки (листовое стекло, трубки, штабики), прессования, отливки и т. п. Нагретые стеклянные части приваривают друг к другу, а также к деталям из других материалов (металлы, керамика и др.). Таким образом, из стекла можно получать изделия весьма сложной конфигурации.

Листовое стекло изготовляется на машинах Фурко посредством вытягивания стеклянной полосы через шамотную щелевую фильеру, погруженную в расплавленную стекломассу; ламповые баллоны производятся на машинах-автоматах чрезвычайно большой производительности.

Изготовленные теми или иными способами стеклянные изделия должны быть подвергнуты отжигу, чтобы устранить опасные механические напряжения в стекле, возникшие при быстром и неравномерном его остывании. При отжиге изделие нагревают до некоторой достаточно высокой температуры («температура отжига»), а затем весьма медленно охлаждают.