微电子线路用陶瓷基片的制作方法技术

提供一种密集集成半导体阵列用陶瓷基片，它在热膨胀系数、介电常数、金属化结合强度和机械强度方面极为优越．它由一种烧结体构成，这种烧结体主要包含莫来石晶体和由ＳｉＯ－［２］、Ａｌ－［２］Ｏ－［３］、ＭｇＯ组成的非晶态粘合剂．（*该技术在2006年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
本专利技术和有关。本专利技术尤其针对具有特别低的介电常数、低的热膨胀系数、高的机械强度和允许用高熔点金属导体在其上布线的陶瓷基片以及针对制作这种陶瓷基片的方法。 近年来随着半导体器件集成度的增高，对于支承这种器件，并承受高密度布线和使之具有较高性能特征、较高可靠性的线路基片的需要在日益增长。具体地说，在电子计算机和类似设备上使用的线路基片的重要问题是高速信号传输和高可靠性。实际上，这些基片使用的陶瓷主要由铝(Al2O3)构成。 对用于这种线路基片的陶瓷特性要求如下 (1)陶瓷绝缘体应该是密集的，且具有密封性。这将关系线路基片的总的可靠性。 (2)陶瓷的热膨胀系数应尽可能和硅芯片的热膨胀系数接近。目的是减小在陶瓷基片和硅芯片间产生的应力，以延长接合寿命和增强可靠性。 (3)减小陶瓷的介电常数。目的是提高信号传输速度。 (4)导体金属同陶瓷基片的结合要牢固，即金属化结合强度高。这将关系到线路基片和输出端或输入端的结合强度。 (5)这种陶瓷应具有高机械强度。这对加工基片过程中的装卸和在基片上安装密封、冷却装置是需要的。 因此，作线路基片用的材料应当同时满足上述诸项要求。特别是若上述项目中的任何一项不能满足时，用于电子计算机的这些线路基片将不能使用。这些线路基片的每一片都载有几十个密集集成的半导体元件。 这种类型基片通常使用Al2O3。虽然它在密封性、金属化结合强度和机械强度方面是满足要求的，但其热膨胀系数(8×10-6/℃)比硅芯片的(3×10-6/℃)高，介电常数也高，约为10。因此Al2O3不适合作线路基片。 热膨胀系数和介电常数低于Al2O3的陶瓷绝缘体有二氧化硅(SiO2，ε约等于4)、堇青石晶体(5SiO2·2Al2O3·2MgO，ε约等于5.0)、堇青石玻璃(ε等于6.3)、块滑石(MgO·SiO2，ε等于6.3)、镁橄榄石(2MgO·SiO2，ε等于6.5)和莫来石(3Al2O3·2SiO2，ε等于7)。 然而，二氧化硅和堇青石晶体的热膨胀系数非常低，即分别低到5×10-7/℃和1.5×10-4/℃，块滑石和镁橄榄石分为7.2和7.8(室温-400℃)，几乎等于和高于Al2O3的热膨胀系数，堇青石玻璃的热膨胀系数约为3.7×10-6/℃，和硅芯片接近，但堇青石玻璃的机械强度低到100MPa，所以利用堇青石玻璃制作线路基片是不现实的。 莫来石的介电常数和热膨胀系数也不能令人满意，但它具有350MPa的高机械强度，是一般陶瓷中最有希望的。 不过莫来石有下面(1)和(2)两项固有问题 (1)莫来石和常规导体金属间的结合强度明显的低。这是由于既使提高温度在莫来石和钨(W)或钼(Mo)之间也不会发生化学反应。钨(W)和钼(Mo)通常用于在铝基片和类似基片上作为导体金属，该特性为莫来石所固。 (2)使上述结合强度大大提高需要一种特殊的莫来石粉和一种特殊的烧结方法，这种方法成本高而且不现实。K.S.Mazdiyasni和L.M.Brown〔“莫来石的合成和机械性能”〕，J.Am.Ceramic Soc.，1972年、第55卷、第11期，548-555页。通过压缩莫来石的细粉和在高温1800℃烧结被压缩的物体得到一种可形成高强度的烧结的莫来石体。 把这种粉加工成坯片(烧结之前)十分困难，坯片就是线路基片的雏形。此外，1800℃烧结温度远高于常规基片使用的温度，即1500到1650℃，考虑到加热炉的加热体和热绝缘体，这是实现这个方法的最大难点。 如前面所说，莫来石固有地难于烧结，长期以来使用的一种方法称之为“液相烧结”，已在生产烧结硬质合金方面付诸实施。 典型的烧结硬质合金由碳化钨(WC)和钴(Co)组成。单烧结碳化钨很困难，当烧结时加入百分之几的钴，却能做出高密度烧结体。这是因为钴在烧结过程中被熔解，熔解的钴以其表面张力将WC缩回固态。 液相烧结法也用于烧结制作线路基片的Al2O3。亦即常规尺寸为几个微米的Al2O3颗粒是难于烧结的，但添加熔解温度远比Al2O3为低的材料(由三或四种，比如SiO2、Al2O3、MgO和CaO，成分组成的一种低共熔混合物)，按液相烧结机理，它们是能被密集地烧结的。 在上述二实例中，变为液相的钴和由三或四种成分组成的易熔混合物，对难烧结物质起促进烧结作用。通常前者叫作粘结剂，后者叫作助烧结剂。 上述理由如下就烧结的WC-Co硬合金而论，WC晶体颗粒通过金属Co牢固地结合在一起。这种合金的高硬度和高韧性可由选择WC和Co之比例而随意变化。WC硬、脆，Co坚韧。这样钴的粘结功能是非常有效的。 就Al2O3线路基片而论，添加三或四种成分的易熔混合物能大大促进烧结Al2O3。但是Al2O3的固有特性几乎不随这种添加剂而变化。所以这三或四种成分的易燃混合物一般叫作助烧结剂。 据上面介绍的观点，莫来石助烧结剂的研究已使烧结莫来石陶瓷的难题得到解决。当然这些研究都是企图把堇青石作为另一种助烧结剂按照液相烧结机理使莫来石结构做得更加致密。 例如，在日本专利公开号139709/80和在“莫来石-堇青石合成物的制备和特性”〔B.H.Mussler和M.W.Shafer，Am.Ceram.Soc.Bull，1984年，第63卷，第705页〕一文中给出了关于用莫来石作基体和用堇青石作助烧结剂的讨论。 从SiO2-Al2O3-MgO系的平衡图可看出5SiO2·2Al2O3·2MgO的熔点是1490℃，远低于莫来石的熔点(1830℃)。为此莫来石结构可因液相烧结作用变得更加密集，结果得到一种吸水性为0%的烧结体。 在日本专利公开号139709/80中和B.H.Mussler等人的文章中，所用的烧结剂尽管均被称之为堇青石，但不清楚前者的堇青石是结晶的，还是非结晶的，B.H.Mussler等人使用的是结晶堇青石。 无论是结晶的还是非结晶的堇青石，其热膨胀系数和介电常数均低于上述的那些莫来石。因此期望在莫来石中添加堇青石的办法能够像产生促进烧结效应那样降低莫来石的热膨胀系数和介电常数。 在公开号139709/80中，当堇青石对莫来石的重量百分比由3.63%变化到36.2%时，得到的烧结体的热膨胀系数范围是4.2×10-6到3.8×10-6/℃，介电常数范围是6.7到6.5。在公开号139709/80中，当把堇青石加到莫来石晶体基材中，得到上述特性的组成范围是用MgO，Al2O3+SiO2和Al2O3/SiO2重量比来表达的。这种组成表达式对于利用液相烧结机理致使密集的烧结体显然不合适，对于烧结体的全部特性取决于Al2O3晶体基材的烧结体也显然不合适。由堇青石对莫来石的比例表示莫来石-堇青石烧结体的组成较为合理。 按照B.H.Mussler等人的文章具有热膨胀系数范围从4.5×10-6到3.2×10-6/℃，介电常数从5.7到4.8的烧结体是当结晶态堇青石对莫来石的重量比从17.1变化到76.8%而得到的。 在上述两个现有技术实例中，当作线路基片用，所得到的烧结体在气密、热膨胀系数和介电常数方面接近令人满意。 陶瓷的机械强度在两个现有技术实例中均未叙述，其实这也是线路基片要求本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种陶瓷基片，其特征在于是由莫来石晶体和非结晶状粘结剂构成的烧结体组成。

【技术特征摘要】
JP 1985-4-5 70864/851、一种陶瓷基片，其特征在于是由莫来石晶体和非结晶状粘结剂构成的烧结体组成。2、按照权利要求1的陶瓷基片，其特征在于，在基片上具有高熔点金属布线导体。3、按照权利要求2陶瓷基片，其特征在于其上有孔眼并且孔眼里填入和上述布线导体相同的导体。4、按照权利要求2陶瓷基片，其特征在于上述的高熔点金属是钨或钼。5、一种生产陶瓷基片的工艺过程，其特征在于包括下列工序由包含重量比70至85%的莫来石陶瓷和30至15%的粘结剂组成的混合物制作坯片，粘结剂由重量比60至95%的SiO2，4至30%的Al2O3和1至10%的MgO构成的;用具有高熔点金属的导体膏在坯片...

【专利技术属性】
技术研发人员：户田尧三，黑木，石原昌作，谏田尚哉，藤田毅，
申请(专利权)人：株式会社日立制作所，
类型：发明
国别省市：JP[日本]