第三章 薄膜材料与工艺

一、电子封装工程中至关重要的膜材料及膜技术
1、薄膜和厚膜：相对于三维块体材料，从一般意义上讲，所谓膜，由于其厚度尺寸很小，可以看作是物质的二维状态。在膜中又有薄膜和厚膜之分，薄膜和厚膜如何划分，有下面一些见解：
a.按膜厚对膜的经典分类认为，小于1um的为薄膜，大于1um的为厚膜；
b.按制作方法分，由块体材料制作的，例如经轧制、锤打、碾压等，为厚膜，而由膜的构成物（species）一层层堆积而成的为薄膜；
c.按膜的存在形态分类认为，只能成形于基体之上的为薄膜（包覆膜，又可分为沉积膜和化合形成膜），不需要基体而能独立成形的为厚膜（自立膜）；
d.就电子封装工程涉及的膜层而论，膜厚一般在1um到数百微米之间，按膜层的形成方法，将真空法（干式）和溶液法（湿式）沉积得到的膜层称为薄膜，而由浆料印刷法形成的膜层称为厚膜，前者膜厚多为数微米，后者膜厚多为20um上下；
e.薄膜的真空沉积法有下述优点：
■由于镀料的气化方式很多（如电子束蒸发、溅射、气体源等），通过控制气氛还可以进行反应沉积，因此可以等到各种材料的膜层；
■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，还可以制取多层膜，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、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（super-quenching）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LSI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；
f.厚膜的丝网印刷法有下述优点：
■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；

2、膜及膜电路的功能：对于电子封装工程而言，膜及膜电路主要由电气连接、元件搭载、特殊功能、表面改性等四大功能；

3、成膜方法：
a.按干式法和湿式法分类：
干式：真空蒸镀、溅射镀膜、离子镀、等离子喷涂、等离子喷射、切削（切片机）、压延轧制、化学的制膜法、热分解法、气相反应法、吸附反应、聚合反应、光聚合反应（CVD）、放电（等离子体）聚合、蒸镀聚合；
湿式：电镀、化学镀、阳极氧化、蚀刻、丝网印刷、涂敷、溶胶-凝胶、L-B法；
b.物理气相沉积PVD和化学气相沉积CVD：
PVD法：真空蒸镀、溅射镀膜、离子镀、蒸镀聚合法（反应蒸镀法）；
CVD法：热分解法、气相反应法（CVD）、等离子体CVD法、放电（等离子体）聚合法；

4、电路图形的形成方法：填平法、蚀刻法（化学蚀刻法和薄膜光刻法）、掩模法、厚膜印刷法、喷沙法；

5、膜材料：常见成膜法得到的薄膜物质如下：
■离子镀：金属、氧化物、氮化物、碳化物、合金；
■CVD：金属、非金属化合物；
■溅射镀膜：金属、合金、非金属化合物；
■喷涂：金属、氧化物、合金混合物；
■印刷法：金属、氧化物、非金属混合物；
■电镀：金属、合金；
■化学镀：金属、合金；
■阳极氧化：氧化物；
二、薄膜材料：
1、导体薄膜材料：
a.材料的种类及性质：导体薄膜的主要用途是形成电路图形，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，在上述用途中，为保证金属-半导体间的连接为欧姆连接，需要达到下述要求：
■金属与半导体的结合部位不形成势垒；
■对于n型半导体，金属的功函数要比半导体的功函数小；
■对于p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；
b.除了半导体与金属间连接应注意的上述事项外，对于其他布线及电极用的导体材料，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；
■置于高温状态，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Au丝、Al丝引线键合及焊接等加工；
c.铝Al作为以Si为基的IC中的常用导体时，需注意以下几点：
■随环境、气氛温度上升，Al和Au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；
■当Al中通过高密度电流时，向正极方向会发生Al的迁移，即所谓电迁移；
■在500℃以上，Al会浸入下部的介电体中；
■在MOS元件中难以使用；
■尽管Al的电阻率低，与Au不相上下，但由于与水蒸气及氧等发生反应，其电阻值会慢慢变高；
d.连接与布线的形成及注意点；
e.导体膜的劣化及可靠性：
■成膜后造成膜异常的主要原因有两个：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Si、SiO2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应有高电流密度、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。从内因讲，有构成物质的体系、晶粒度、内部缺陷等。内因外应之间随时都在发生作用；
■劣化模式是各种机制的组合，平均故障时间MTF（mean time to failure）与微观的机构因子数相关，特别是导体的长度和宽度、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MTF，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MTF的标准偏差、增加膜层的平均粒度等；
f.薄膜电感：相薄膜电阻电容一样，与薄膜电路一体化的薄膜电感也有很多优点，但由于经济方面的原因，薄膜电感的应用开发受到限制；

2、电阻薄膜材料：薄膜电阻用原材料的电阻率多分布在100~2000umΩcm范围内，电阻体薄膜实际使用的电阻温度系数TCR(temperature coefficient of resistance)应在100ppm/℃以下，而且要求其电气性能稳定。薄膜电阻通常采用真空蒸镀、溅射镀膜、热分解、电镀等方法制作，在这些薄膜制作方法中，一般会对其电气特性产生如下影响：
■薄的膜层对传导电子产生表面散射，由此造成TCR减小、电阻率升高。但非常薄的膜为不连续的岛状结构，由此可能造负的TCR，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，相反，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TCR变小，长期稳定性变差；
■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；
■单相薄膜具有正TCR和较低的电阻，但组成复合系，例如NiCr等，由于各成分的TCR相抵消，是TCR变小，阻值升高；
■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分散，并影响稳定性等；

3、介质薄膜材料：介质薄膜材料依据其电学特性（如电气绝缘、介电性、压电性、热释电性、铁电性），以及光学特性和机械特性等，广泛应用于电子元器件、光学器件、机械元器件等各种不同领域，作为实例，有显示元件、红外传感器、弹性表面波（SAW）元件、薄膜电容器、不易失性储存器等；

4、功能薄膜材料：透明导电膜、电致发光（EL）、阴极发光（CL）、光盘、太阳能电池、热释电效应薄膜、铁电薄膜、ZnO薄膜、光集成回路、氧化物系超导薄膜、金刚石薄膜、三极管、传感器。