В НИЯУ МИФИ предложили новый способ сварки диэлектриков

К современным продуктам микроэлектромеханических систем (МЭМС), особенно для изделий специального назначения, все чаще предъявляются высокие требования в плане надежности соединений диэлектрических материалов. В настоящее время для таких соединений в процессе формирования МЭМС структур и компоновки интегральных микросхем (ИМС) на этапах сборки и установки в корпус применяются механические и сварные способы. К первой группе относятся соединения с применением специальных фиксаторов, склеиваемые или спаянные соединения. Второй метод включает в себя сварку материалов, напыленных на поверхность диэлектриков, и высокочастотную сварку.

Механические способы не отличаются высокой технологичностью и не являются групповыми, что приводит к значительному удорожанию изделий. Зачастую они не позволяют получать соединения, удовлетворяющие требованиям надежности, особенно для изделий малого размера и специального назначения. При высокочастотной сварке диэлектрических материалов напрямую, без применения вспомогательных слоев, необходимо тщательного подбирать параметры процесса как для каждого свариваемого диэлектрика в отдельности, так и для их комбинации в соответствии с факторами диэлектрических потерь материалов. Это значительно усложняет технологический процесс и повышает конечную стоимость изделий.

Соединение диэлектриков также может осуществляться посредством сваривания материалов, напыленных на их поверхность. Полученные таким образом соединения не отличаются надежностью, так как критерием в данном случае является уровень адгезии пленки напыленного материала к поверхности соединяемых диэлектриков. Глубина диффузии материала пленки в диэлектрик в данном случае составит не более 1-2 атомарных слоев, чего вполне хватает для достижения хорошей адгезии пленки к поверхности диэлектрика, но не достаточно для обеспечения надежного соединения двух диэлектрических подложек.

В качестве альтернативы существующим методам в НИЯУ МИФИ на кафедре «Микро- и наноэлектроника» был предложен новый способ сварки диэлектрических материалов. Его суть сводится к осуществлению глубокой диффузии металлического покрытия, напыленного на поверхность одного из образцов, в соединяемые диэлектрические материалы. Диффузия в месте контакта соединяемых материалов осуществляется путем переноса частиц металлического покрытия в диэлектрические материалы под воздействием сильного электрического поля. Для этого сварка проводится в два этапа с изменением полярности электродов.

Сотрудники кафедры №27 провели исследование процесса сварки двух ситалловых пластин разработанным способом. При этом использовалось металлическое алюминиевое покрытие толщиной около 100 нм, напыляемое на поверхность пластины магнетронным распылением. Формирование сварного соединения проводилось при подаче на электроды напряжения 5 кВ.

В процессе исследований выявлено, что для получения надежного соединения перед напылением металлического покрытия сначала необходимо проводить химическую обработку пластин, а затем ионную очистку. Процессы диффузии необходимо проводить в вакууме при давлении не более 10^-5Торр. При этом соединяемые материалы следует предварительно нагревать. Температура нагрева подбирается в зависимости от свариваемых материалов и может составлять 100-400^оС.

Проведенные испытания выявили следующие преимущества разработанного способа перед существующими аналогами: возможность сваривать образцы малого размера (сварены образцы габаритным размером 2×2 мм), компактность сварного соединения (сварной шов не превышает толщины металлического покрытия), за счет глубокой диффузии повышается надежность соединения. Также новая технология сравнительно проста и является групповой.

Особенностью созданного метода является необходимость тщательного подбора технологических режимов для каждого свариваемого материала в отдельности. Кроме того, в современных условиях развития интегральных схем дальнейшая миниатюризация элементов ИМС сопряжена со значительными технологическими сложностями, поэтому большой интерес представляет 3-х мерная компоновка ИМС. Новый способ позволит соединять между собой отдельные части схемы, полученные на полупроводниковых подложках.

На фото: принципиальная схема сварки диэлектрических материалов.