Кварцевое стекло высокой чистоты.

Рассмотренные стекла не является "чистыми", поскольку содержат примеси, способные загрязнить контактирующие с ними полупроводники. Посуда из обычного стекла непригодна для химической обработки полупроводников даже при комнатной температуре из-за выщелачивания его компонентов. Поэтому в технологии ИС широко применяется кварцевое стекло, состоящее на 99,99 % и более из SiO₂. Применение такого стекла в виде труб, тиглей и реакторов особенно уместно при обработке кремния, так как при этом снимается проблема поступления примесей от реакторов и контейнеров – наиболее близкого и потенциально опасного источника загрязнения. Для получения и обработки других полупроводников, например, GaAs, пришлось также использовать кварцевую аппаратуру, что сразу же проявилось в высоком уровне загрязнения кремнием, являющимся электрически активной примесью – донором в GaAs.

Помимо высокой чистоты кварцевое стекло обладает такими ценными свойствами, как нагревостойкость (длительно 1200 °С, в течение нескольких часов – 1400 °С), предельно низкий ТКЛР – 5·10^-7 1/град, гарантирующий стойкость кварца к термоударам.

Из-за высокой температуры изготовления деталей из кварцевого стекла (более 1700 °С) оно является наиболее дорогим среди других силикатных стекол. К другим недостаткам также относятся сравнительно низкий срок службы из-за частичной кристаллизации (расстекловывания) и низкая механическая прочность. Непосредственно в изделиях РЭА кварц используется как подложки ГИС СВЧ.

 

 

1.10. Стеклокристаллические материалы – ситаллы.

Стремление избавиться от главных недостатков стекла, повысить его устойчивость к механическим и термическим воздействиям привело к созданию стеклокристаллического материала – ситалла. Если в состав стекол, склонных к кристаллизации, ввести одну или несколько добавок веществ, дающих зародыши кристаллизации, то удается стимулировать процесс кристаллизации стекла по всему объему изделия иполучить материал с однородно» мелкокристаллической структурой.

Ситаллы получают преимущественно по стекольной технологии из вязкой стекломассы специального состава (рис.3.22).

Таким образом, ситалл отличается от стекла мелкокристаллической микроструктурой, причем размеры кристаллитов около 1 мкм, а их содержание достигает 50–90 % по объему. Отличие ситаллов от керамики – значительно меньший размер кристаллитов.

Кристаллизация стекла может быть обусловлена фотохимическими и каталитическими процессами. В первом случае центрами кристаллизации служат мельчайшие частицы металлов (серебра, золота, меди, алюминия и др.), которые выделяются под влиянием ультрафиолетового излучения из соответствующих оксидов, входящих в состав стекла. Затем проводится термообработка, при которой происходит образование и рост кристаллитов вокруг металлических частиц. Одновременно материал приобретает определенную окраску. Полученные таким способом материалы называют фотоситаллами.

При каталитической кристаллизации технология изготовления ситаллов упрощается, так как отпадает необходимость в предварительном облучении. В этом случае в качестве катализаторов кристаллизации используются соединения, ограниченно растворимые в стекломассе или легко кристаллизующиеся из расплава, например, FeS, TiO₂, фториды и фосфаты щелочных и щелочноземельных металлов. Полученные при этом материалы называются термоситаллами.

В процессе ситаллизации стекла наиболее существенно изменяются следующие его свойства:

–повышается механическая прочность из-за того, что поверхностные трещины, наталкиваюсь на кристаллиты, не могут развиваться так интенсивно, как в стекле;

–растет нагревостойкость, так как диапазон температур размягчения-плавления значительно сужается по сравнению со стеклами;

–появляется возможность регулировать параметры (например, ТКЛР) за счет изменения степени ситаллизации, т.е. доли кристаллической фазы.

В табл.3.12 приведено сравнение параметров литиевого ситалла и аналогичного по значению ТКЛР стекла. Видно, что по многим параметрам ситалл превосходит стекло. Его недостатком является меньшая химическая стойкость вследствие неоднородной структуры. От керамики ситаллы отличаются хорошей обрабатываемостью, отсутствием пористости, меньшей стоимостью.

Ситаллы марок Ст32, Ст38, Ст50 (цифра обозначает ТКЛР) в виде полированных пластин толщиной 0,5–1 мм размером 60x48 мм являются основным материалом подложек тонкопленочных ГИС.

 

Таблица 3.12. Сравнение параметров стекол и ситаллов.

Параметр	Стекло С-52-1	Ситалл ПГБ-30
Прочность, МПа	0,3 – 0,5	1,1 – 1,2
ТКЛР, 1/ град	52·10-7	58·10-7
tg δ	4,9·10-3	1,0·10-3
ЕПР, МВ/м
Нагревостойкость, °С

 

 

Техническая керамика.

 

Общая характеристика.

Керамика – материал, полученный спеканием зернистых или порошкообразных неорганических веществ.

Движущая сила спекания – уменьшение внутренней энергии дисперсной системы при увеличении размеров частиц. Механизм спекания сложен; он включает течение твердого вещества из-за термически активируемых перемещений атомов. Поэтому необходим нагрев до высокой температуры, иначе частица не сможет перейти в новое, даже энергетически выгодное состояние из-за низкой скорости процессов. Температура, обеспечивающая достаточную спекаемость, зависит от природы вещества: лучше спекается металлы, для них часто T_СП= (0,6 – 0,7) Т_ПЛ, хуже – порошки ковалентных веществ – Si, Ge, С, SiC. В последнем случае помимо нагрева необходимо воздействие высокого давления, то есть спечь их можно только методом горячего прессования.

Так как керамическая технология используется в основном дляобработки тугоплавких веществ, при спекании применяются температуры 1400–1900 °С. Особенности керамической технологии предопределяют одно из главных замечательных свойств этого материала – высокую нагревостойкость. Керамика и керамические покрытия, например из диоксида циркония ZrO₂, обладает стойкостью вплоть до 2400 °С, Такая нагревостойкость кажется чрезмерной для РЭА. Однако в связи со многими применениями РЭА в авиации и космонавтике она оказывается и недостаточной. Особо напряжениями является, например, условия работы остронаправленных антенн летательных аппаратов.

В нижних слоях атмосферы они подвергаются воздействию не только высоких температур, но и значительных их градиентов.

Другое достоинство керамических материалов – широкий, почти неограниченный выбор исходного сырья, ибо из любого тугоплавкого вещества при соответствующем давлении и температуре можно спеканием получить изделие. Изделия из керамики высоко технологичны, так как не требуют сложной механической обработки: они формируются в виде массы ещё до превращения в твердый монолит. Как правило, пос­ле спекания керамическая деталь, например подложка, подвергается лишь шлифовке и полировке. Состав исходного сырья и технология изготовления определяют вид керамики и сферу применения (рис.3.23).

Наряду с достоинствами керамические материалы обладают и целым рядом недостатков:

1. Керамика – многофазный материал и помимо кристаллической и стеклообразной фазы может содержать и газообразную (поры). Поры удаётся исключить, спекая исходные компоненты при температуре, близкой к плавлению, т.е. за счёт удорожания материалов.

Влияние пор на свойства керамики зависит от их вида. Открытые, но не сквозные поры не повышают газонепроницаемости керамики, однако способны адсорбировать влагу, что приводит кувеличению потерь и ухудшению адгезии металлических пленок. Закрытые поры изолированы от окружающей среды, но заполнены газами, поэтому снижают электрическую прочность и диэлектрическую проницаемость. Каналообразующие поры лишают материал вакуумной плотности и ухудшают его диэлектрические свойства.

2. Сложность изготовления керамических деталей резко растет с увеличением их размеров и так же быстро падает их качество из-за механических напряжений, возникающих при термообработке. Проявляется размерный эффект прочности: чем больше размеры детали, тем меньше удельная (отнесенная к единице площади) прочность. По этой причине предельный размер керамических подложек ГИС 60х48 мм², что не всегда удовлетворяет современным требованиям.

3. Керамика – неоднородный по объемным свойствам материал. Например, изменения состава и пористости керамики по площади подложек могут приводить к разбросу значения диэлектрической проницаемости в пределах 5–10 %, что существенно снижает добротность СВЧ микрополосковых линий передачи.