close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Патент BY9940

код для вставкиСкачать
ОПИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ПАТЕНТУ
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
(46) 2007.10.30
(12)
(51) МПК (2006)
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ
СОБСТВЕННОСТИ
(54)
C 04B 35/583
C 04B 35/58
СОСТАВ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ТОЛСТЫХ
ПЛЕНОК С ВЫСОКОЙ ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬЮ
(21) Номер заявки: a 20050071
(22) 2005.01.25
(43) 2006.08.30
(71) Заявитель: Государственное научное
учреждение "Объединенный институт физики твердого тела и полупроводников Национальной академии наук Беларуси" (BY)
(72) Авторы: Якубовска Малгожата (PL);
Шишонок Елена Михайловна (BY);
Ахматович Селим (PL); Зверковска
Эльжбета (PL); Аниченко Николай
Георгиевич (BY)
(73) Патентообладатель: Государственное
научное учреждение "Объединенный институт физики твердого тела
и полупроводников Национальной
академии наук Беларуси" (BY)
BY 9940 C1 2007.10.30
BY (11) 9940
(13) C1
(19)
(56) P.J. Gielisse, H. Niculescu, J.P. Thremblay,
S. Achmatowicz, M. Jakubowska, E. Zwierkowska, V.B. Shipilo, E. Shishonok, L.M. Gameza. High thermal conductivity cubic
boron nitride thick films. Proceedings SPIE The international society for optical
engineering. (International Symposium on
Microelectronics, Baltimore MD, Oct. 911, 2001.) ISSU 4587, 2001. - Р. 379-383.
KR 20040040208, 2004.
JP 2002326874 A, 2002.
JP 7082031 A, 1995.
(57)
1. Состав для изготовления диэлектрических толстых пленок с высокой теплопроводностью, содержащий микропорошок кубического нитрида бора cBN в качестве функционального материала и от 5 до 15 мас. % стеклянной связки, отличающийся тем, что
микропорошок cBN содержит смесь трех фракций, зернистость которых равна 1/0, 5/3 и
7/5, взятых в произвольном соотношении, стеклянная связка представляет собой литийвисмут-боросиликатное стекло, содержащее 5 % CdO, при этом спектр электромагнитного
парамагнитного резонанса микропорошка не содержит сигнал с g-фактором, равным 2.003
- 2.005.
BY 9940 C1 2007.10.30
2. Состав для изготовления диэлектрических толстых пленок с высокой теплопроводностью, содержащий микропорошок кубического нитрида бора cBN в качестве функционального материала и от 5 до 15 мас. % стеклянной связки, отличающийся тем, что
микропорошок cBN содержит смесь двух фракций, зернистость которых равна 1/0 и 5/3
или 1/0 и 7/5, взятых в соотношении от 80 до 50 % первой фракции и от 20 до 50 % второй
фракции, стеклянная связка представляет собой литий-висмут-боросиликатное стекло, содержащее 5 % CdO, при этом спектр электромагнитного парамагнитного резонанса микропорошка не содержит сигнал с g-фактором, равным 2.003 - 2.005.
Изобретение относится к области получения новых материалов методом толстопленочных технологий. Более конкретно, к области получения диэлектрических толстых пленок
на основе кубического нитрида бора, обладающих теплопроводностью, превосходящей
теплопроводость алюминия.
В настоящее время для изготовления интегрированных схем нового поколения
(VHSIC - Very high speed integrated circuit and VLSI - Very large scale integrated) большое
значение приобретает миниатюризация. По оценкам экспертов из развитых стран количество транзисторов, располагающихся на одном см2, плотность их упаковки, удваивается
каждые три года, достигнув к настоящему времени в среднем 4×106 транзисторов/см2.
Конструкционной основой интегральной схемы является подложка. Ее задача - эффективно отводить тепло и не накапливать заряд при работе активных элементов. Ожидаемое в
ближайшем будущем поколение чипов будет нуждаться в отводе тепла в количестве
100-400 W/см2. Чем больше плотность упаковки чипов, тем большее количество тепла
должно отводиться подложкой. Роль последней для получения качественных приборов
велика. Подложка должна иметь помимо высокой теплопроводности низкую диэлектрическую проницаемость, она должна хорошо металлизироваться. Диэлектрические толстые
пленки, содержащие алюминий и используемые в качестве подложек, имеют в среднем
теплопроводность 25 W/mK. Стандартные диэлектрические подложки имеют теплопроводность еще меньше. Так теплопроводность диэлектрической подложки на основе свинцово-боро-силикато-титанатового стекла составляет 10 W/см2. Толстые пленки широко
используются производителями интегральных схем ввиду простоты и дешевизны технологии их изготовления. Они могут быть получены толщиной 20-300 µ, ими легко манипулировать. В то время как толщина тонких пленок ограничена, и, полученные в технике
CVD при толщине более 0.3 µ, они отслаиваются от подложки.
Собственно толстые пленки получаются в настоящее время с помощью специальных
технологий, таких как трафаретная печать*, в том числе позволяющих "уплотнять" смесь
функционального наполнителя со связкой, основным компонентом которой является
стекло. Наполнитель может определять основные функциональные свойства подложки, а
именно ее теплопроводность, электропроводность, диэлектрическую проницаемость. Чем
более теплопроводен функциональный материал, тем более теплопроводна подложка. Количество и качество материала связки (стекла) может существенно влиять на интегральные свойства подложки. Оптимальным сочетанием свойств подложки являются ее
высокая теплопроводность и низкая диэлектрическая проницаемость. В таблице представлены значения характеристик материалов, которые находят применение в электронике, с
акцентом, сделанным на их теплопроводность и диэлектрическую проницаемость.
Известен способ изготовления стеклянной связки для получения толстых пленок, содержащих в качестве функционального материала кварц [1]. Использование связки из
стекла с очень низкой вязкостью на основе окислов металлов RO (где R - Mg, Ca, Sr, Ba,
Zn или Cd) в смеси с Аl2О3 и В2О3 позволяет получать данным способом толстые пленки с
*
screen printing - на английском языке
2
BY 9940 C1 2007.10.30
диэлектрической проницаемостью ε = 4, снизить количество стеклянной фазы до 30-60 %
и соответственно температуру спекания. Последнее позволяет металлизировать эти пленки металлами с высокой электропроводностью типа Cu, Ag, Au. Способ получения толстых пленок с использованием функционального материала, описываемый в указанном
изобретении, очень близок к заявляемому техническому решению и выбран в качестве
аналога предлагаемого изобретения. Недостатком этого изобретения следует считать
очень низкую теплопроводность получаемых толстых пленок, ограничивающую их практическое применение в интегральных схемах.
Материал
Кремний
Алюминий
Медь
Серебро
Оксид алюминия (96 %)
Оксид алюминия (99,6 %)
Кварц
Муллит
ВеО
A1N
Сапфир
Алмаз
cBN
Теплопроводность
(W/m*K)
75-150
238
400
422
20
27
13.7
4-7
250
175-200 +
40-45
900 - 3200
800-2000
Коэффициент
термического
расширения (ррm/ °С)
2.7-3.5
22-24
17
19.7
6.0-7.7
6.5
4-5
8
4.1
3.24-5.66
1.18
-
Диэлектрическая
проницаемость
11.7
9
10
4.4-4.6
5.5-6.5
6.7
8.5
9.4-11.5
5.68
6.5-7.1
Анализируя приведенную выше таблицу, можно видеть, что оптимальным сочетанием
очень низкой диэлектрической проницаемости с очень высокой теплопроводностью обладают алмаз и кубический нитрид бора. При этом кубический нитрид бора (cBN) превосходит алмаз по ширине запрещенной зоны, по возможности формирования материала с n- и
p-типом проводимости, по радиационной, химической и термической стабильности. cBN
несколько уступает алмазу по твердости и абразивной способности. Предположительно, в
качестве функционального материала для высокотеплопроводных подложек интегральных схем можно использовать оба материала.
Известен способ изготовления толстых пленок с функциональным наполнителем из
микропорошка кубического нитрида бора [2]. В качестве стеклянной связки в способе было использовано висмутовое боросиликатное стекло. Толстые пленки изготавливались по
стандартной технологии (трафаретная печать), где функциональным материалом являлся
микропорошок cBN с размером зерна 2-5 µ. Его количество в смеси со стеклянной связкой
составило 85-95 %, где остальное - связка (5 -15 %). Средний размер частицы нитрида бора составлял 1,6 µ. Толстые пленки формировались на подложке из Аl2О3 (96 %) (Cu, Si,
нержавеющая сталь, ковар), сушились в течение 10 минут, а далее обжигались (firing) при
температуре 850 °С. Теплопроводность толстых пленок толщиной 80 µ. превысила теплопроводность подложки из А12О3 (20-27 W/mK), что наблюдали из косвенных сравнительных измерений распространения тепла в толстых пленках на основе cBN и подложках
из А12О3.
Способ, описанный в работе, по своей сущности наиболее близок к предполагаемому
изобретению и выбран в качестве прототипа. Общими существенными признаками прототипа и заявляемого технического решения является то, что в обоих случаях в качестве
функционального материала для изготовления толстых пленок используется микропоро3
BY 9940 C1 2007.10.30
шок кубического нитрида бора, а в качестве стеклянной связки - висмутовое боросиликатное стекло. К недостаткам указанного способа следует отнести неопределенность в свойствах и зернистости используемых микропорошков cBN, относительно низкую величину
теплопроводности получаемых толстых пленок и отсутствие повторяемости результатов
по их достигаемой теплопроводности при использовании микропорошков cBN от разных
производителей; относительно высокую вязкость висмут-боросиликатного стекла.
Задачей, решаемой данным изобретением, является изготовление толстых пленок с
теплопроводностью до 250-300 W/mK.
Поставленная задача решается путем оптимизации свойств и гранулометрического состава микропорошка кубического нитрида бора, используемого в качестве функционального
материала при изготовлении диэлектрических толстых пленок, отличающегося тем, что
микропорошок cBN представляет собой смесь трех или двух фракций с различным
размером зерна;
три фракции могут быть представлены зернистостями 1/0, 5/3 и 7/5, взятыми в произвольном соотношении;
микропорошок cBN представляет собой смесь двух фракций с различным размером
зерна;
две фракции могут быть представлены зернистостями 1/0 и 5/3 или 1/0 и 7/5, взятыми
в соотношении 80-50 и 20-50 % соответственно;
спектр электромагнитного парамагнитного резонанса (ЭПР) микропорошка не содержит сигнал с g-фактором g = 2.003-2.005;
в качестве стеклянной связки может быть использовано литий - висмут- боросиликатное стекло, содержащее 5 % CdO, в количестве не более 15 % от массы смеси стеклянной
связки с микропорошком.
Сущность изобретения заключается в том, что при использовании кубического нитрида бора в качестве функционального материала в смеси со стеклянной связкой для получения диэлектрических толстых пленок достигается их максимальная теплопроводность
(250-300 W/mK) за счет оптимального уплотнения микропорошка cBN, не содержащего
дефектности определенного сорта, который эффективно смачивается стеклянной связкой,
взятой в минимальном количестве ввиду ее низкой вязкости.
Известно, что свойства соединений группы А3В5 зависят от их стехиометрического
состава и дефектной структуры. В большей степени это относится к кубическому нитриду
бора, который может кардинальным образом изменять свои свойства в зависимости от
стехиометрии и структуры дефектов в нем. Часто цвет образца cBN может служить характеристикой его стехиометрического состава. Чем темнее образец, тем больше избыточного бора в его кристаллической решетке. Однако порой практически одинакового светложелтого цвета порошки cBN имеют различную дефектную структуру и соответственно
физические свойства.
Авторами данного изобретения установлено, что наибольшей теплопроводностью
обладают диэлектрические толстые пленки на основе кубического нитрида бора, для изготовления которых, при прочих равных условиях (содержание стеклянной связки, температура обжига, гранулометрический состав), используются микропорошки cBN, в спектрах
ЭПР которых не наблюдается сигнал с g-фактором g = 2.003-2.005. Как было обнаружено
в работе [3], этот сигнал порождается парамагнитными микровключениями бора в решетке cBN (фигура).
Авторами изобретения установлено также, что диэлектрические толстые пленки на
основе кубического нитрида бора, для изготовления которых, при прочих равных условиях (содержание стеклянной связки, температура обжига), использовались микропорошки
cBN, в спектрах ЭПР которых не наблюдается сигнал с g-фактором g = 2.003-2.005, обладают наибольшей теплопроводностью, если для их изготовления используются микропорошки cBN в виде смеси трех фракций с различным размером зерен, взятых по массе в
4
BY 9940 C1 2007.10.30
произвольном соотношении, или двух фракций с различным размером зерен в определенном соотношении. Теплопроводность вещества напрямую связана с его дефектной структурой, в том числе пористостью. Пористость существенно снижается, когда пространство
между частицами большего размера заполняется частицами меньшего размера. Количественное соотношение разноразмерных фракций микропопрошка, используемых для изготовления толстых пленок, установлено экспериментально.
Авторами изобретения установлено также, что стеклянная связка из литий-висмутборосиликатного стекла с добавлением 5 % CdO эффективно смачивает зерна микропорошка, предотвращает образование агломератов и сегрегацию.
Пример 1.
Взяли микропорошок cBN светло-желтого цвета, который содержит 3 разноразмерные
фракции (10 % - 1/0, 25 % - 5/3 и 65 % -7/5) общим количеством 95 вес. %. Взяли 5 % порошка висмут-литий-боросиликатного стекла, содержащего 5 % CdO. Порошки смешивали в ацетоне в течение 20 минут, затем испарили ацетон и высушили смесь при
температуре 120 °С в течение 30 минут. Далее приготовили пасту из 75 вес. % смеси выше
упомянутой смеси и 25 % органической связки (12 %-раствор этилцеллюлозы в скипидаре). Полученная паста подвергалась трафаретной печати, подвергалась опрессовке (выравниванию поверхности до плоской) в течение 15 минут и сушилась при 120 °С в
течение еще 15 минут. Полученная пленка обжигалась в шести-зонной печке трапециевидного профиля, в том числе при пиковой температуре 850 °С в течение 10 мин. Теплопроводность пленки измерялась сравнительным методом, основанным на сравнении
распределения температуры на горизонтально расположенной пластине, нагреваемой в
центре, с температурой эталона, поддерживаемой постоянной. Точность метода составляла 15 %. Теплопроводность толстой пленки составила 200 W/мК. На исходных порошках
cBN регистрировали спектр ЭПР, в котором отсутствовал сигнал с g-фактором g = 2.0032.005.
Пример 2.
Взяли микропорошок cBN светло-желтого цвета, который содержит 3 разноразмерные
фракции (90 % - 1/0, 5 % - 5/3 и 5 % -7/5) общим количеством 90 вес. %. Взяли 10 % порошка висмут-литий-боросиликатного стекла, содержащего 5 % CdO. Порошки смешивали
в ацетоне в течение 20 минут, затем испарили ацетон и высушили смесь при температуре
120 °С в течение 30 мин. Далее приготовили пасту из 75 вес. % вышеупомянутой смеси и
25 % органической связки (12 %-раствор этилцеллюлозы в скипидаре). Полученная паста
подвергалась трафаретной печати (325 mesh), подвергалась опрессовке (выравниванию до
плоской поверхности) в течение 15 мин и сушилась при 120 °С в течение еще 15 мин. Полученная пленка обжигалась в шестизонной печке трапециевидного профиля, в том числе
при пиковой температура 850 °С в течение 10 мин. Теплопроводность пленки измерялась
сравнительным методом, основанным на сравнении распределения температуры на горизонтально расположенной пластине, нагреваемой в центре (central spot), с температурой
эталона, поддерживаемой постоянной. Точность метода составляла 15 %. Теплопроводность толстой пленки составила 300 W/мК. На исходных порошках cBN регистрировали
спектр ЭПР, в котором отсутствовал сигнал с g-фактором g = 2.003-2.005.
Пример 3.
Взяли микропорошок cBN светло-желтого цвета, который содержит 3 разноразмерные
фракции (10 % - 1/0, 25 % - 5/3 и 65 % -7/5) общим количеством 85 вес. %. Взяли 15 % порошка висмут-литий-боросиликатного стекла, содержащего 5 % CdO. Порошки смешивали
в ацетоне в течение 20 мин, затем испарили ацетон и высушили смесь при температуре
120 °С в течение 30 мин. Далее приготовили пасту из 75 вес. % смеси вышеупомянутых
порошков и 25 % органической связки (12 %-раствор этилцеллюлозы в скипидаре). Полученная паста подвергалась трафаретной печати (325 mesh), подвергалась опрессовке (вы5
BY 9940 C1 2007.10.30
равниванию до плоской поверхности) в течение 15 мин и сушилась при 120 °С в течение
еще 15 мин. Полученная пленка обжигалась в шестизонной печке трапециевидного профиля, в том числе при пиковой температуре 850 °С в течение 10 минут. Теплопроводность
пленки измерялась сравнительным методом, основанным на сравнении распределения
температуры на горизонтально расположенной пластине, нагреваемой в центре (central spot),
с температурой эталона, поддерживаемой постоянной. Точность метода составляла 15 %.
Теплопроводность толстой пленки составила 150 W/мК. На исходных порошках cBN регистрировали спектр ЭПР, в котором отсутствовал сигнал с g-фактором g = 2.003-2.005.
Пример 4.
Взяли микропорошок cBN, состоящий из двух разноразмерных фракций (90 % - 1/0,
10 % - 5/3) в количестве 90 %. Взяли 10 вес. % порошка висмут-литий-боросиликатного
стекла, содержащего 5 % CdO. Процесс изготовления толстой пленки и метод измерения
теплопроводности (ТП) аналогичны приведенным в примерах 1, 2, 3. Точность метода измерения ТП составляет 15 %. Теплопроводность толстой пленки составляет 50 W/мК. На
порошках cBN регистрировали спектр ЭПР, в котором отсутствовал сигнал с g-фактором
g = 2.003-2.005.
Пример 5.
Взяли микропорошок cBN, состоящий из двух разноразмерных фракций (75 % - 1/0,
25 % - 5/3) в количестве 90 %. Взяли 10 вес. % порошка висмут - литий - боросиликатного
стекла, содержащего 5 % CdO. Процесс изготовления толстой пленки и метод измерения
теплопроводности (ТП) аналогичны приведенным в примерах 1, 2, 3. Точность метода измерения ТП составляет 15 %. Теплопроводность толстой пленки составляет 150 W/мК. На
порошках cBN регистрировали спектр ЭПР, в котором отсутствовал сигнал с g-фактором
g = 2.003-2.005.
Пример 6.
Взяли микропорошок cBN, состоящий из двух разноразмерных фракций (75 % - 1/0,
25 % - 5/3) в количестве 90 %. Взяли 10 вес. % порошка висмут-литий-боросиликатного
стекла, содержащего 5 % CdO. Процесс изготовления толстой пленки и метод измерения
теплопроводности (ТП) аналогичны приведенным в примерах 1, 2, 3. Точность метода
измерения ТП составляет 15 %. Теплопроводность толстой пленки составляет 35 W/мК.
На порошках cBN регистрировали спектр ЭПР, в котором присутствовал сигнал с
g-фактором g = 2.003-2.005 с концентраций соответствующих парамагнитных дефектов
N = 2.2×1018 спин/г.
Пример 7.
Взяли микропорошок cBN, состоящий из двух разноразмерных фракций (75 % - 1/0,
25 % - 5/3) в количестве 90 %. Взяли 5 % порошка висмут - литий - боросиликатного стекла, содержащего 5 % CdO. Процесс изготовления толстой пленки и метод измерения теплопроводности (ТП) аналогичны приведенным в примерах 1, 2, 3. Точность метода
измерения ТП составляет 15 %. Теплопроводность толстой пленки составляет 150 W/мК.
На порошках cBN регистрировали спектр ЭПР, в котором отсутствовал сигнал с gфактором g = 2.003-2.005.
Сопоставительный анализ нового решения с прототипом показывает, что заявляемый
способ изготовления толстых пленок с высокой теплопроводностью отличается от известного тем, что содержит новую информацию о том, какими свойствами должен обладать
микропорошок кубического нитрида, и каковы должны быть его зернистость и фракционный состав по зернистости, чтобы получить толстые пленки на его основе с максимально
высокой теплопроводностью. В то время как при использовании старого способа информация об исходных свойствах и зернистости микропорошка cBN в сочетании с количественным и качественным составом стекла отсутствует.
6
BY 9940 C1 2007.10.30
Источники информации:
1. US 5126292. Glassy binder for ceramic substrates, thick films and the like.
2. Gielisse P.J., Nikulesku H., Trembley J.P., Achmatowicz A., Jacubowska M., Zwierkowska E., Golonka L.J., Zawada T., Shipilo V., Shishonok E.M., Gameza L.M. High Thermal
Conductivity Cubic boron nitride thick films. MAPS 2001 The 34th International Symposium on
Microelectronics.Oct.9-11,2001 Baltimor Convention Center, Baltimor, Maryland, USA.
3. Shishonok E.M., Shipilo V.B., Popelnuk G.P., Gielisse P.G., Azarko I.I. An EPR study of
cubic boron nitride of different compositions.J. Wide Band Gap Materials, 7(1999) 81-101.
Национальный центр интеллектуальной собственности.
220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.
7
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
117 Кб
Теги
by9940, патент
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа