[其他]微电子线路用陶瓷基片的制作方法

说明书

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ＳｉＯ₂、Ａｌ₂Ｏ₃、ＭｇＯ组成的非晶态助烧结剂。

本发明和微电子线路用的陶瓷基片及其制作方法有关。本发明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加，对于支承这种器件，以允许高密度布线和使之具有较高性能、较高可靠性等特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主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氧化铝（Al₂O₃）构成。

对用于这种线路基片的陶瓷特性要求如下：

（1）陶瓷绝缘体应该是致密的，且具有气密性。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。目的是要将在陶瓷基片和硅芯片间产生的应力减至最小，以延长接合寿命和增强可靠性。

（3）把陶瓷的介电常数减至最小，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。这对于处理在制造基片和在基片上安装密封、散热装置的工序中是需要的。

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。虽然它在气密性、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^-6/℃，块滑石和镁橄榄石分为7.2×10^-6/℃和7.8×10^-6/℃（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。这是由于即使在高温度下，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）通常用于氧化铝基片和类似基片上作为导体金属，该特性为莫来石所固有。