Применение технологии атомно-слоевого осаждения (АСО) для улучшения характеристик блоков диапазонов сверхвысоких и крайне высоких частот

Руководствуясь решением Совета Корпорации от 26.03.2021 (вопрос VIII), по применению инновационных технологий в разработке электронных блоков на АО «Северный пресс» проводится работа по исследованию возможностей применения технологии атомно-слоевого осаждения (АСО) для улучшения характеристик блоков радиоэлектронной аппаратуры, серийно выпускаемой предприятием.
Технологии сверхвысоких частот (СВЧ) и крайне высоких частот (КВЧ) электроники относятся к критическим, существенным образом, влияющим на облик и технические характеристики радиоэлектронных устройств различного функционального назначения. Радиолокационное, радионавигационное и радиосвязное оборудование являются неотъемлемыми атрибутами всех видов космической, авиационной и морской техники.

Рис. 1 – Пример ГИС с элементами СВЧ диапазона фирмы NEC.

Технология создания блоков СВЧ и КВЧ строится на монтаже гибридных интегральных схем (ГИС), то есть схем в корпус, содержащих как сосредоточенные пассивные и активные компоненты, так и распределенные элементы в виде СВЧ линий связи, фильтров, индуктивных и емкостных элементов. Подложка ГИС является основным и несущим элементом конструкции. Помимо удовлетворительных механических характеристик, она должна обладать стабильной величиной относительной диэлектрической проницаемости в широком диапазоне частот и температур; иметь хорошую адгезию с проводящими слоями; быть химически стойкой однородной по составу для предотвращения локальных скачков εr под СВЧ элементами, обладать теплопроводностью, достаточной для отведения тепла, возникающего при работе компонентов и элементов ГИС.
Основные материалы, применяемые на сегодняшний день в технике СВЧ и КВЧ в качестве подложек, приведены в таблице 1. Эти материалы можно разделить на две группы: с медной фольгой, закрепленной на подложке методом горячего прессования (материалы фирмы Rogers) и металлизацией, нанесенной вакуумными методами по тонкопленочной технологии (керамические подложки). В процессе нанесения металлов по тонкопленочной технологии на подложку напыляют адгезионные слои хрома, ванадия или титана (толщиной 0,01-0,02 мкм), обладающие хорошим сцепление с поверхностью, на которые затем наносят слои меди, серебра или золота.  Медь, как известно, требует защиты от окисления, которую можно обеспечить двумя принципиально различными методами:
- Гальваническое, вакуумное или иммерсионное осаждение менее активных металлов на проводящий рисунок ГИС
- Пассивация диэлектрическим слоем для предотвращения непосредственного контакта меди с атмосферой

Оба этих метода ведут к увеличению потерь энергии сигналов, проходящих по элементам высокочастотных цепей. Таким образом, в общем виде коэффициент затухания сигнала можно представить как сумму коэффициентов затухания, обусловленных потерями в металле и в диэлектрике:

Потери в металле носят чисто омический характер. Однако, нужно помнить про обратную зависимость величины скин слоя от частоты, то есть с ростом частоты эффективное поперечное сечение линии, по которой протекает ток уменьшается, что ведет к увеличению сопротивления линий передачи сигнала. Так же в увеличение сопротивления в диапазонах СВЧ и КВЧ вносит вклад шероховатость металлов. Наличие рельефа или шероховатости металлического слоя увеличивает путь тока, текущего на высоких частотах. Таким образом, на частотах выше 10 ГГц существенный вклад в омические потери энергии вносят защитные и адгезионные слои металлов, окружающие основной медный слой.
В диэлектриках потери обусловлены наличием конечной проводимости σ на высоких частотах. Приведенный в таблице 1 параметр тангенса угла диэлектрических потерь связан с проводимостью следующим соотношением:

При создании ГИС с помощью технологии изготовления печатных плат часто для защиты медных проводников от окисления используют диэлектрический слой, именуемый маской. Наиболее часто встречаемые маски представляют собой двухкомпонентные составы с ε = 4 - 4,7 и tgδ = 100×10-4 - 200×10-4. Толщина маски варьируется в диапазоне 10-20 мкм. Несмотря на свою толщину, этот слой с большим значением тангенса угла диэлектрических потерь вносит существенный вклад в затухание сигнала на высоких частотах.
 Для оценки влияния диэлектрических потерь было проведено электродинамическое моделирование микрополосковой линии (МПЛ) длиной 10 мм, размещенной на различных подложках. Метрикой вносимых МПЛ потерь является коэффициент прохождения сигнала из порта 1 в порт 2 (S21), которые размещены на краях линии.  Выражается он в децибелах по отношению к входному сигналу. Для сравнения были выбраны подложки из материалов ВК-100-1 и Rogers RO4350B толщиной 0,5 мм. При волновом сопротивлении МПЛ 50 Ом, ширины линий составили для ВК-100-1 – 490 мкм, а для RO4350B 1120 мкм. Для того, чтобы исключить влияние омических потерь в металле, материалом линий был назначен идеально проводящий слой. Таким образом, зависимость, представленная на рис. 2 отражает только влияние диэлектрических потерь на коэффициент прохождения сигналов. Из рисунка видно, что для керамического материалла ВК-100-1 коэффициент прохождения S21 находится около 0 дБ, что означает почти полное прохождение сигнала без потерь из порта 1 в порт 2, что гораздо лучше, чем потери в материале Rogers. Численно коэффициент прохождения оказывается на порядок лучше в случае использования керамической подложки.

Материал проводников ГИС должен обладать высокой электропроводностью, малым температурным коэффициентом сопротивления, легко напыляться или электрически осаждаться на подложку. После этого для защиты от климатических воздействий проводники защищаются различными материалами.  
Потери энергии в микрополосковых линиях характеризуются коэффициентом затухания волны. Коэффициент затухания МПЛ (дБ/м) для случая относительно не больших потерь:

Нами было предложено использовать метод атомно-слоевого осаждения (АСО) для защиты от воздействий агрессивных сред и тем самым уменьшить потери в материале проводника. Идеи метода атомно-слоевого осаждения были заложены в Советском Союзе В.Б. Алесковским и С.И. Кольцовым.
Основные положения метода:
- Воспроизводимый синтез, основанный на использовании необратимых в условиях синтеза реакций функциональных групп на поверхности твердого тела с молекулами низкомолекулярного вещества,  причем последние не должны реагировать между собой.
- Синтез осуществляется  путем многократного чередования двух или нескольких реакций, которые в определенной заданной последовательности проводятся  на  поверхности твердого тела. В результате каждой из этих реакций к поверхности должен присоединиться  лишь  один  монослой  новых функциональных групп.
- Поверхность твердого тела для синтеза вещества должна обладать структурным соответствием, главным образом, наличием на поверхности достаточного количества функциональных групп необходимой химической природы.
Основное преимущество, которое обеспечивает технология атомно-слоевого осаждения, является прецизионный контроль толщины наносимого покрытия на всем протяжении процесса, начиная от самого первого монослоя. Поэтому в каждый момент времени можно с определенной степенью точности предсказать толщину нанесенного покрытия для данных условий. Кроме того, еще одной особенностью метода является равномерное покрытие поверхности тел сложной геометрической формы, что невозможно достичь другими известными методами в вакууме. [1]
Рост пленки по методу АСО состоит из повторения четырех характерных ступеней:
1. Самозавершающаяся реакция первого реагента (Реагент А) с функциональными группами подложки.
2. Очистка поверхности от избыточного количества прекурсора и побочных продуктов реакции.
3. Самозавершающаяся реакция второго реагента (Реагент В) – чтобы активизировать поверхность для реакции с первым реагентом.
4. Очистка поверхности от избыточного количества прекурсора и побочных продуктов реакции.
Пункты 1-4 составляют цикл АСО. Шаги 1 и 3 иногда называют полуреакциями цикла АСО.
Один цикл АСО схематично представлен на рисунке 3. Каждый цикл реакции добавляет определенное количество материала (монослой) к поверхности, названной скорость роста (GPC – growth per cycle). Чтобы вырастить слой вещества, необходимо повторять циклы реакций до тех пор, пока нужное количество материала не будет получено. Таким образом, метод АСО позволяет проводить химическую сборку твердого тела с точностью до одного монослоя. Важной особенностью метода АСО, является возможность регулирования химического состава пленки в процессе синтеза по заданной программе. Конечная толщина слоя определяется количеством циклов АСО.  До начала процесса осаждения поверхность стандартизуют, например, термической обработкой в атмосфере определенного прекурсора. Использование самозавершающихся реакций приводит к тому, что метод атомно-слоевого осаждения является поверхностно-контролируемым процессом, где параметры процесса кроме реагентов, подложки и температуры имеют второстепенное значение. Поскольку происходит контроль поверхностных реакций, выращенные по методу АСО пленки являются однородными, сплошными и одинаковыми по толщине [2].

Рис. 3. Схематическая иллюстрация одного цикла АСО

С помощью метода атомно-слоевого осаждения можно получить пленки разного состава:
1. Оксиды металлов: Al2O3, ZnO, SiO2, TiO2, HfO2, Nb2O5, SnO2, In2O3, MgO, Cr2O3, V2O5, Ga2O3, NiO, Fe2O3 и др.
2. Нитриды металлов: TiN, GaN, AlN
3. Карбиды: SiC, Fe3C, TiC, WC и др.
4. Халькогениды: ZnS, CdTe и др.
5. Соединения A3B5: GaAs, GaP и др.
Приведенные достоинства метода позволяют значительно улучшить характеристики блоков СВЧ и КВЧ диапазонов, что подтверждается проводимыми исследованиями на предприятии АО «Северный пресс».
В ГИС схемах для защиты микрополосковой линии (МПЛ) используются следующие материалы: гальванически осажденное серебро, иммерсионное золото, хром, припой ПОС-61 нанесенный методом лужения, а также диэлектрические покрытия, представленные полиимидными пленками с tgδ ≈ 0.025. Толщина данных слоев составляет от десятых до нескольких единиц микрометра. Данные покрытия, как уже было сказано в первой части статьи, вносят дополнительные потери в МПЛ.
При проведении исследований использовался, осажденный методом АСО, оксид алюминия (Al2O3), толщиной 50 нм (кривая Al2O3) для защиты МПЛ от агрессивных сред. Данное покрытие имеет схожий с поликором ВК-100 (подложкой) tgδ, что обеспечивает снижение затухания сигнала при прохождении через структуру по сравнению с остальными видами покрытий. На Рис.1 приведены сравнительные характеристики потерь в МПЛ в зависимости от использованного материала покрытия в диапазоне частот. Расчеты выполнялись посредством ЭД моделирования в Ansys. Длина  МПЛ – 10 мм. Толщины подложек - 0.5 мм. Ширина линии МПЛ для поликора составила 490 мкм. Толщина меди -  5 мкм.

Из рисунка 4 видно, что нанослои, выполненные по технологии атомно-слоевого осаждения, вносят наименьшие потери в материал проводника МПЛ. На частотах более 30 ГГц это особенно заметно. Выигрыш в потерях по сравнению с серебряным покрытием отличается в 2 раза на длине полоска в 10 мм. Если рассматривать полосок на стандартной подложке поликора 60х48 мм, то потери будут отличаться на порядок. Омические потери зависят не только от материала, применяемого для покрытия линии, но и от величины шероховатости поверхности. Этому способствует небольшая глубина поверхностного слоя на высоких частотах. Из Рис. 5 видно: неровности поверхности увеличивают путь прохождения высокочастотных токов.

Гальваническое осаждение серебра не дает сплошное, равномерное покрытие, в отличие от метода атомно-слоевого осаждения.
Процесс синтеза пленок по технологии атомно-слоевого осаждения может производиться в диапазоне температур от комнатной до 700-800 ºC. [2] В методе АСО существует четыре характерных типа зависимости скорости роста пленки от температуры, которые зависят от температурного диапазона, где процессы метода АСО выполняют требования самозавершающихся реакций. Во-первых (Рис. 6 (а)), скорость роста может уменьшаться с температурой. Это обычно происходит, когда активные места на поверхности влияют на количества или на тип химически сорбированных слоев и при увеличении температуры уменьшается число активных мест на поверхности. Во-вторых (Рис. 6 (b)), скорость роста может оставаться постоянной. Это может произойти, например, если насыщение является следствием стерического влияния и число активных мест не влияет на количество адсорбированных рядов. В-третьих (рис. 6 (c)), скорость роста может также увеличиваться с увеличением температуры. При более высоких температурах, происходят реакции, которые не происходят при более низких температурах, что является следствием преодоления энергетических барьеров. И, в-четвертых (Рис. 6 (d)), скорость роста может сначала увеличиться, а затем уменьшиться. Это может происходить из-за того, что сначала некоторые реакции активируются с увеличением температуры, а затем, при уменьшении числа активных мест начинается уменьшение скорости роста. [3]

Были проведены исследования возможности нанесения слоя оксида алюминия для защиты меди, нанесенной на подложку поликора ВК-100. На рис. 7 приведены фотографии полученных результатов. Плата была подвержена ускоренному старению. Для этого она была отожжена в озоне при температуре 300 ºC в течение 30 минут. Видно, что часть подложки подверглась окислению (Рис. 7. А), а защищенная часть оксидом алюминия толщиной в 50 нм осталась в первозданном виде (Рис. 7. Б).

Температура роста защитного покрытия оксида алюминия составляла 250 ºC. В качестве прекурсоров использовался триметилалюминий и вода. Скорость роста за цикл АСО составила 1,3 А. На рис 8. Приведено сканирующая электронная микроскопия (СЭМ) изображения скола подложки, где виден защитный слой оксида алюминия толщиной 50 нм.

Метод АСО позволяет улучшить характеристики МПЛ в СВЧ диапазоне частот и выше. Технология АСО может быть использована, как в изготовлении различных электронных элементов и устройств, так и в других отраслях промышленности как надежный и недорогостоящий способ защиты от окисления и разрушения поверхности различных материалов. Промышленное внедрение технология АСО нашла в следующих отраслях:
    Интегральные полупроводниковые микросхемы
    Микроэлектромеханические системы
    Защита и капсулирование светодиодных структур и интегральных схем, эксплуатируемых в сложных климатических условиях
    Оптика и дисплеи для гибкой электроники
    Изделия ювелирной промышленности
    Повышение совместимости имплантов и протезов с биологически живыми тканями
    Высокодисперсные образцы (порошки)
    Силовые приборы на основе нитридов и карбидов
    Микроканальные пластины, вторичные электронные умножители
Разработанный опытный образец при участии инженеров-конструкторов центра  изготовления микроэлектронных блоков АО «Северный пресс» позволяет наносить пленки различных химических составов. По завершению научно-исследовательских работ с проведением всех типов испытаний,  а также положительных заключений финансово-экономической целесообразности предприятие приступит к изготовлению отечественной установки атомно-слоевого  осаждения.

Список используемой литературы:
1. http://rfcomponents.ru/produktsiya/svch-materialy-dlya-izgotovleniya-pechatnykh-plat/rogers.html
2. Кольцов, С.И. Автореферат докторской диссертации; 1971, Л.
3. Puurunen, R.L., Surface chemistry of atomic layer deposition: A case study for the trimethylaluminum water process. J. Appl. Phys. – 2005. - V. 97.  p. 121.
4. Харвей А.Ф. Техника сверхвысоких частот. Под ред. Сушкевича. Том 1. Стр. 88.
5. Азиз И. Абдулагатов Атомно-слоевое осаждение и термические превращения алюминий-ванадиевых оксидных тонких пленок, III Международный семинар «Атомно-слоевое осаждение: Россия, 2021»
6. Кольцов С.И., докторская диссертация на тему: «Синтез твердых веществ методом Молекулярного Наслаивания», ЛТИ им. Ленсовета, Л., 1971.

Виктор КРУГЛИКОВ,
генеральный директор АО «Северный пресс»
Арсений ДРОЗД,
инженер-конструктор 2-й категории
конструкторского сектора АО «Северный пресс»