AlN基片的薄膜金属化

AlN基片的薄膜金属化

高能武陆吟泉秦跃利吴云海

摘要:讨论了AlN基片的薄膜金属化。通过试验，确定了有效的清洗方法及优化溅射参数。实验证明，TiW-Au 是AlN的优良金属化体系。AlN材料经激光划片后出现导电物质，经稀盐酸处理可去掉导电物质。

关键词:AlN基片；薄膜；金属化

中图分类号:TN451文献标识码：B文章编号：1001-2028(1999)05-0022-02

目前国内的AlN基材制备还处于研究阶段〔1，2〕。电子工业部第43研究所已对AlN基片薄膜混合集成电路进行了初步研制，且能小批量生产AlN基片，但性能和国外产品尚有差距〔3〕。笔者采用的AlN金属化体系已成功地用于大功率开关及功分器等微波器件中。

1试验

采用NiCr-Au、TiW-Au金属化结构对日本京瓷公司的AlN基片进行了金属化，并采用钨碳钢针对金属层进行破坏性定性划痕试验。分别用NaOH、CE－9清洗剂、纯水（16 MΩ*cm，25℃)、铬酸洗液等几种不同清洗剂对AlN基片进行了清洁处理；射频溅射后作附着力试验；激光切割后用稀盐酸处理。

2结果与讨论

2.1金属化体系的选择

AlN是六方晶纤锌矿结构，密堆间隙中的Al离子半径小，价态高，具有较强的极化作用，使AlN清洁表面的不饱和氮具有较高的化学活性。通常氮因电负性大，电离势高而有很强的共价倾向，即使与低电负性金属反应，也会因负离子负电荷高，离子半径较大而水解。故在一般状态下，氮不易与金属反应。Ti、Ta、W等金属因能与氮形成高晶格能化合物，使其在AlN表面的附着性能很好，退火处理后效果更佳。这是选择TiW-Au 作金属化导带的原因。TiW是一种亚稳态结构低生成自由能合金，作为阻挡层、附着层是有利的。Ti-Au、Ti-Al 及Ti-N的良好结合保证了体系的稳定及各界面间的附着。TiW与AlN的热特性参数（热膨胀系数、热导率）吻合得非常好，对消除热应力有利。TiW只能作附着层和扩散阻挡层。若需集成电阻，可以采用TaN-TiW-Au 结构。文献〔3〕中提到采用NiCr-Au制作AlN基薄膜集成电路，笔者进行了对比试验。

(1)NiCr-Au导带直流磁控溅射NiCr，射频溅射Au。由于AlN表面粗糙，钨碳钢针不能将膜从基片剥落。光刻、电镀、裂片后，用钨碳钢针可从导带断面将NiCr-Au卷起。采用AuSn或AuGe共晶焊后，施加剪切力可将AlN推动，显微观察发现NiCr-Au与基片分离。超声带焊（westbond 7400c焊机）时，可将NiCr-Au从底层拔起。显微观察卷起后的NiCr-Au，有一定的侧腐蚀，这与后工序中稀盐酸处理激光划片后出现的导电相有关。

(2)TiW-Au导带射频磁控溅射TiW，射频溅射Au。溅射后，钨碳钢针附着力试验合格，划片后，也不能从断面剥离。用稀盐酸处理激光切割后的导电相，对常温惰性TiW膜层无影响。电路制作后，若采用适当腐蚀液将Au和TiW腐蚀，基片上留下明显的电路图形印迹，该印迹不与一般的化学溶液反应，可能和Ti与AlN 反应生成TiN有关。而在Al2O3基板上，未留下导带图形印迹。经共晶焊、带焊等，未发现TiW与AlN间有附着不良的情况。

2.2清洗方法的选择

用1 000倍显微镜观察，发现清洗剂、时间、温度等对AlN表面的影响很大。几种常用清洗剂对AlN表面的影响如表1所示。

表1几种常用清洗剂对AlN表面的影响

清洗剂操作条件观察结果

纯水100℃下煮10 min AlN水解，表面变粗糙

常温冲洗无明显变化

CE-9(1) 10%，100℃下煮10 min AlN水解，表面变粗糙

10%，常温超声清洗无明显变化

NaOH

水溶液煮10 min AlN水解很明显，

表面粗糙不平

铬酸洗液120℃，10 min AlN水解，表面粗糙

90℃，30 min 无明显变化

常温浸泡24 h 无明显变化

注：(1)四川力奇化工有限公司产。

从表可见，在中性及碱性介质中，加热时，AlN易水解，水解反应可能为：

AlN＋2H2O─→AlOOH＋NH3

通过对以上几种常用于Al2O3的清洗剂的比较，总结出适合AlN的清洗方法：

（1）CE-9 稀释液超声清洗；（2）去离子水(5 MΩ*cm，≥25℃)漂洗；（3）氮气吹干；（4）铬酸洗液加热浸泡或浸泡12 h以上；（5）去离子水(5 MΩ*cm，≥25℃)漂洗，检查基片浸润性；（6）丙酮(AR)超声清洗；（7）乙醇(AR)超声清洗；（8）烘箱烘烤，120℃。

2.3溅射参数的优化

TiW与Au之间的附着性能对溅射参数(气氛、靶基距等)很敏感。Ti是阀金属，易于吸附H2O、O2、N2等气体而生成稳定的化合物或固溶体。界面处的化合物或固溶体严重削弱了Au和TiW间金属键的形成。吸附的气体不能扩散、渗透至膜内层，在以后的高温处理过程中，将出现放气或钝化阻挡层表层，使得Au层极易剥落。因此，溅射前适当提高背景真空是有利的，通常采用10－4Pa。靶基距是影响TiW与Au间附着力的另一溅射参数。通过不同靶基距对比试验发现，靶基距越大，附着强度越低。采用ALCA TEL SCM450溅射台时，靶基距以50 cm为宜。研究TiW与Au间附着力时发现，400℃下退火处理，可明显提高两者之间的附着，因部分缺陷及应力的消除，溅射Au的柔韧性也有改善。

2.4激光划片后的处理

激光切割是分裂薄膜阵列电路的重要手段。在相同Y AG激光功率（30 W）条件下，分别对Al2O3和AlN 进行了激光划片。显微观察，划痕处Al2O3出现明显的熔融痕迹，而AlN则几乎没有。这和AlN导热快，高温升华有关（Al2O3 的熔点为2 020℃，AlN 2 000℃开始蒸发，2 400℃升华）。划痕两边出现粉末堆积，其中AlN上粉末具有良好的导电性，这是某些微波混合集成电路中所不允许的。采用稀盐酸处理，粉末处有大量小气泡冒出。在超声状态下用稀盐酸处理，则更快更好。对重复使用的稀盐酸溶液，pH值应高于6，加热至70℃左右，滴入铝试剂，有玫瑰色沉淀。通过以上现象，可推断出该导电物质为AlN升华分解后沉降下的Al。TiW 与稀盐酸在常温下几乎不反应，可用稀盐酸处理该导电相〔4〕。

3结论

（1）AlN在pH值较高时不稳定，应在低pH值条件下进行清洗；（2）TiW-Au系复合导带与基材的附着性能优良，实现了AlN的金属化，优选条件下制作的金属化层具有极好的粘着性；（3）激光切割后出现导电物质，稀盐酸处理导电物质简便易行。

作者简介：高能武(1969－)，男，四川郫县人，西南电子设备研究所工程师，硕士，主要从事电子材料、功能材料、微波混合集成电路工艺等方面的研究。

作者单位：西南电子设备研究所，四川成都610036