Технологические комплексы интегрированных процессов производства изделий электроники

УДК 621.382

Технологические комплексы интегрированных процессов производства 
изделий электроники / А. П. Достанко [и др.]. – Минск : Беларуская навука, 
2016. – 251 с. – ISBN 978-985-08-1993-2.

Рассмотрены и обобщены результаты исследований и разработок в области создания  
и функционирования современных технологических комплексов интегрированных процессов 
производства изделий электроники, начиная от очистки поверхности подложек ультразвуком, 
СВЧ-плазмохимической обработки, магнетронного электронно-лучевого и импульсного 
лазерного формирования структур и состава слоев, высокочастотного локального нагрева, 
диффузионной сварки, а также интегрированного контроля микро- и наноструктур.
Предназначена для инженерно-технических работников предприятий электронной и других отраслей промышленности, специалистов научно-исследовательских институтов, аспирантов, магистрантов и студентов старших курсов технических вузов.
Табл. 18. Ил. 196. Библиогр.: 263.

Рекомендовано к изданию Советом БГУИР, протокол № 7 от 3 апреля 2015 г.

А в т о р ы:

А. П. Достанко, С. М. Аваков, О. А. Агеев, М. П. Батура, С. В. Бордусов,  
Д. А. Голосов, В. Н. Джуплин, С. М. Завадский, О. В. Клим, В. Л. Ланин,  
С. И. Мадвейко, С. Н. Мельников, И. Б. Петухов, Г. Е. Ретюхин, А. М. Русецкий, 
Д. С. Титко, В. С. Томаль , Г. А. Трапашко, Д. И. Чередниченко, С. Б. Школык

Р е ц е н з е н т ы:

академик НАН Беларуси, доктор технических наук, профессор В. А. Лабунов,
член-корреспондент НАН Беларуси, доктор технических наук,  
профессор Ф. И. Пантелеенко

ISBN 978-985-08-1993-2
© Оформление. РУП «Издательский  
    дом «Беларуская навука», 2016

ВВЕДЕНИЕ

На протяжении многих десятилетий мировыми тенденциями в области 
науки, техники и технологий являются микро- и наноминиатюризация и интеграция электронных систем при непрерывном совершенствовании их технических характеристик и использования новых материалов. Постоянно возрастающая потребность в использовании изделий электроники во всех сферах 
жизнедеятельности человека ставит перед разработчиками задачу создания 
технологических комплексов интегрированных процессов производства изделий электроники, способных на базе комбинированных «мокрых» и «сухих» 
технологических процессов производить изделия, содержащие все большее 
количество микро- и наноразмерных активных и пассивных компонентов наряду с расширением их функциональных характеристик. 
Современная электронная промышленность, по ряду причин, ориентирована на многономенклатурное мелкосерийное производство изделий. Такая 
ориентация, в свою очередь, выдвигает специальные требования и к технологическому оборудованию, требуя быстрой переналадки оборудования и его 
многофункциональности, преемственности технологий. На сегодняшний день 
востребованы технологические комплексы: не энергоемкие, быстро переналаживаемые, многофункциональные, надежные в работе и программно-управляемые. Зарубежное оборудование имеет высокую стоимость, требует наличия 
особых условий эксплуатации, оригинальных материалов, высококвалифицированного обслуживающего персонала. Высокая цена оборудования, дорогостоящее обслуживание, отсутствие отечественных материалов-аналогов, являются сдерживающими факторами для потребителей в странах СНГ к закупке 
современного оборудования у ведущих мировых производителей. 
В монографии обобщены результаты разработок и исследований авторов, 
работающих в Республике Беларусь (УО «БГУИР», ОАО «ПЛАНАР-СО», 
ОАО «КБТМ-ОМО», НИИ ОАО «Оптическое станкостроение и вакуумная 
техника») и Российской Федерации (Институт нанотехнологий электроники  
и приборостроения Южного федерального университета (г. Таганрог)) в области технологических комплексов для производства изделий электроники, начиная от подготовки поверхности подложек с помощью ультразвуковых процессов очистки, СВЧ-плазмохимической обработки, магнетронного нанесения 
слоев металлов, сплавов и диэлектриков, электронно-лучевого и импульсного 

лазерного формирования структуры и состава слоев, высокочастотного локального нагрева при формировании контактных соединений, лазерной микрообработки и диффузионной сварки в производстве микроэлектромеханических 
систем, а также интегрированного контроля топологии микро- и наноструктур в изделиях электроники.
Кластерные нанотехнологические комплексы, обладая высокими технологическими аналитическими возможностями, являются модульной платформой 
для внедрения групповых локальных технологий получения нанокристаллических материалов для микроэлектромеханических систем импульсным лазерным, электронно-лучевым и плазменным осаждением, исследования их структуры и электрофизических свойств. Метод лазерного осаждения, используемый 
в ряде кластерных нанотехнологических комплексов, позволяет управлять 
большим количеством технологических параметров, что обеспечивает возможность в широких пределах влиять на электрофизические, физико-химические, механические и структурные параметры функциональных материалов.
Приведенные в монографии научные и практические результаты получены 
при выполнении Государственной программы научных исследований «Функциональные и композиционные материалы, наноматериалы» в 2011–2015 гг., 
гранта БРФФИ – РФФИ с Институтом нанотехнологий, электроники и приборостроения Южного федерального университета (РФ), а также Государственной научно-технической программы «Микроэлектроника» (подпрограмма «Электронное машиностроение» 2011–2015 гг.).

Глава 1

АВТОМАТИЗИРОВАННЫЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ КОМПЛЕКСЫ 
УДАЛЕНИЯ ЗАГРЯЗНЕНИЙ С МИКРОПРОФИЛЬНЫХ  
ПОВЕРХНОСТЕЙ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫХ ИЗДЕЛИЙ

1.1. Методы и устройства удаления загрязнений  
с микропрофильных поверхностей

Выбор аппаратуры и моющих сред для ультразвуковой очистки (УЗО) зависит, прежде всего, от вида удаляемых загрязнений. В ультразвуковом (УЗ) 
поле происходит механическое разрушение пленки загрязнений под действием кавитации, и одновременно ускоряется процесс химического взаимодействия моющей жидкости с загрязнением под воздействием акустических течений. 
Классификацию загрязнений проводят по трем основным признакам [1]: способности противостоять воздействию микроударных нагрузок; прочности связи 
пленки загрязнений с очищаемой поверхностью; характеру химического взаимодействия с моющей жидкостью.
По первому признаку загрязнения подразделяются на кавитационно стойкие и кавитационно нестойкие, по второму – на прочно и слабо связанные  
с очищаемой поверхностью, по третьему – на химически взаимодействующие 
и не взаимодействующие с моющей жидкостью. Следует отметить, что классификация загрязнений по характеру взаимодействия с моющей жидкостью 
достаточно условна, так как всегда можно подобрать такой химический состав 
жидкости таким, что загрязнение будет вступать с ней в химическую реакцию. Поэтому под средой, химически взаимодействующей с загрязнением, понимают такую жидкость, которая, удаляя загрязнение с поверхности, не вступает в химическую реакцию с материалом очищаемого изделия. Если такое 
взаимодействие наблюдается, то оно протекает гораздо медленнее, чем процесс 
удаления пленки загрязнений, и не сопровождается повреждением детали  
и изменением физико-механических свойств материала.
Любое загрязнение можно охарактеризовать совокупностью вышеперечисленных признаков в различных сочетаниях. Например, тонкие жировые пленки на металлической поверхности, когда их очистка производится в воде, относятся к числу кавитационно стойких, слабо связанных с очищаемой поверхностью, химически не взаимодействующих с моющей жидкостью. Поэтому 
УЗО таких пленок в воде неэффективна и для обеспечения высококачественной очистки необходимо применить химически активную моющую жидкость, 
а параметры УЗ-поля подбирать такие, которые обеспечивали бы образование 
интенсивных акустических течений.
Для изделий электроники и электронно-оптических изделий загрязнения 
являются следствием сборочно-монтажных процессов и подразделяются на 

пленочные полярные, неполярные и твердые частицы [2]. Удаление таких загрязнений требует оптимизации параметров УЗ-воздействия и соответствующего выбора моющей жидкости. Перечень наиболее распространенных загрязнений и их классификация по характерным признакам приведены в табл. 1.1.

Таблица 1.1. Классификация и свойства загрязнений

Виды загрязнений
Свойства загрязнений

Кавитационно 
нестойкие
Пыль, шлам после травления
Слабо связаны с поверхностью, химически  
не взаимодействуют с моющей жидкостью
Неполярные загрязнения  
в виде масел, паяльных масок
Прочно связаны с очищаемой поверхностью, 
химически не взаимодействуют с моющей 
жидкостью
Лаковые пленки, краски
Прочно связаны с поверхностью, химически 
взаимодействуют с моющей жидкостью

Продукты коррозии  
Полярные загрязнения в виде 
остатков флюсов

Прочно связаны с поверхностью, химически 
взаимодействуют с агрессивными    
жидкостями

Кавитационно 
стойкие
Полировальные пасты
Слабо связаны с поверхностью, химически   
взаимодействуют с моющей жидкостью 
Оксидные пленки, нагар, 
смолистые осадки,канифоль, 
припойная паста

Прочно связаны с поверхностью, химически  
не взаимодействуют с моющей жидкостью

Жировые пленки, отпечатки 
пальцев
Прочно связаны с поверхностью, химически 
взаимодействуют с моющей жидкостью 

Классификация загрязнений позволяет определить области применения УЗО. 
Если загрязнение прочно связано с очищаемой поверхностью, химически не 
взаимодействует с моющей жидкостью и его кавитационная стойкость равна 
или превосходит кавитационную стойкость материала детали, например пригары формовочной земли на поверхности литых алюминиевых деталей, то 
для удаления таких загрязнений нельзя рекомендовать применение УЗО. Приведенный перечень загрязнений характерен для большинства типов оптических модулей (ОМ) и электронных модулей (ЭМ). Значение классификации 
загрязнений состоит в том, чтобы определить, по какому из признаков легче 
удалять их с поверхности. Определив этот признак, можно правильно выбрать 
технологию УЗО (моющие среды и параметры звукового поля). 
С поверхности оптических изделий (ОИ) в основном подлежат удалению 
два основных вида загрязнений: отпечатки пальцев, пыль. В состав отпечатков 
пальцев входят соли неорганических кислот, жирные кислоты и аминокислоты, 
высокомолекулярные соединения и вода. Характер взаимодействия отпечатков 
пальцев с поверхностью стекла сложный. Он включает простое механическое 
сцепление, межмолекулярное и химическое взаимодействие, вследствие чего удаление отпечатков пальцев требует разработки специальных моющих растворов. 
Пыль в основном механически связана с поверхностью стекла и удаляется  
в моющих растворах под воздействием ультразвука. 

При взаимодействии стекла с водными растворами происходит два вида 
реакций: выщелачивание и селективное удаление растворимых компонентов 
стекла

≡ Si – ONa + H2O → ≡ SiOH + NaOH
(1.1)

и разрушение кремниевого структурного каркаса стекла

≡ Si – O – Si ≡ + OH‾ → SiOH + SiO‾.
(1.2)

При этом на стекле образуется коррозионный слой, толщина которого зависит от состава стекла и условий воздействия на него раствора.
Кроме этого, с поверхности оптических деталей должны удаляться блокировочные смолы на основе пека соснового и канифоли по РТМ 3-72-70, лаки на 
основе фенолформальдегидной смолы по ГОСТ 18694-80, смазочно-охлаждающие жидкости типа масла приборного МВП по ГОСТ 1805-76, следы полирита по ТУ 48-4-244-87, стекольного шлама с поверхности химически стойких и части номенклатуры нестойких марок бесцветных стекол в соответствии с ГОСТ 13659-78 и цветных стекол в соответствии с ГОСТ 9411-91 после 
операций полирования, центрирования и фасетирования.
Разрушение поверхностных пленок в жидкости под воздействием ультразвука происходит благодаря кавитации и акустическим течениям. При очистке 
контактным методом, когда УЗК возбуждаются в самом изделии, определенную роль могут играть знакопеременные напряжения, возникающие в пленке 
загрязнений при изгибных колебаниях и способствующие отслаиванию пленки, если ее усталостная прочность незначительна.
Интенсивность кавитации, скорость и характер акустических течений, величина радиального давления и амплитуда колебаний изделий зависят от частоты и интенсивности УЗ-поля, физических свойств жидкости и в особенности – 
от ее температуры. Разрушение, отделение и растворение пленки загрязнений 
при УЗО происходят благодаря совместному действию химически активной 
среды и факторов, возникающих в жидкости в УЗ-поле [1, 3].
Выбор моющих сред определяется видом загрязнения, материалом, из которого изготовлена очищаемая деталь, ее конструктивными особенностями, а также 
оптимальными условиями формирования кавитационной области с регулируемой эрозионной активностью. Для очистки полупроводниковых и электровакуумных изделий, а также деталей с гальваническими покрытиями используют органические растворители (трихлорэтилен и др.). Эти растворители можно легко регенерировать, они имеют высокое давление пара, что исключает 
возможность повреждения полупроводниковых элементов и покрытий вследствие микроударных нагрузок. При очистке в органических растворителях не 
требуется подвергать детали защите от коррозии, облегчается сушка изделий 
после очистки.
Однако органические растворители не следует применять для удаления 
пленок, имеющих высокую кавитационную стойкость, химически не взаимо

действующих с моющей жидкостью (полировальные пасты, смазка после прокатки). Для очистки от подобных загрязнений выгоднее использовать водные 
щелочные или нейтральные растворы с добавкой поверхностно-активных веществ, так как в этих растворах при одинаковой акустической энергии формируется кавитационная область с более высокой эрозионной активностью, чем  
в органических растворителях, и разрушение пленки загрязнений протекает  
в водных растворах более эффективно.
Для ЭМ после монтажа компонентов важно удалять остатки канифольных 
флюсов, содержащие абиетиновую кислоту, активированных флюсов, содержащие салициловую или другие органические кислоты, чтобы исключить процессы деградации контактных соединений [4]. Продолжительность УЗО колеблется от нескольких секунд до 15 мин при мощности 250 Вт и зависит от вида 
загрязнения и количества загрязнений на единице площади поверхности, подвергаемой очистке [5]. Если количество загрязнений на поверхности изделия 
превышает 200 мг/м2, то УЗО целесообразно сочетать с химическими методами обезжиривания [6], используя очистку в УЗ-поле на конечной стадии удаления пленки загрязнений для получения высокого качества очистки поверхности при плотности мощности до 10 Вт/л.
При пульсациях кавитационных пузырьков на пленку загрязнений воздействуют динамические нагрузки. Кавитационные пузырьки производят микроударное разрушение поверхностной пленки. Микроударные нагрузки характеризуются резким возрастанием давлений до значительной величины, за которым следует столь же быстрое уменьшение нагрузки. Распределение напряжений, 
вызванных такими нагрузками, отличается локальностью и сильной неравномерностью, что приводит к появлению в пленке загрязнений трещин, а также 
следов эрозии, которые наблюдаются на поверхности пленки в виде точечных 
кратеров. Захлопывающиеся кавитационные полости могут создавать локальные давления до 50 МПа и тепловые поля до 6000 К [7–9].
По критерию технологических возможностей удаления загрязнений кави
тационные полости предложено классифицировать на захлопывающие и пульсирующие [10]. Первые, размером порядка 10–6 м, создают кавитационное давление в жидком объеме и микроударные нагрузки, а вторые – микропотоки  
и ускоряют конвективную диффузию. Увеличение конвективной диффузии  
в кавитационных полях приводит к ускорению удаления загрязнений со сложнопрофилированных поверхностей, например, печатных плат электронных модулей с плотным монтажом [11].
Повышать эрозионную активность моющей жидкости следует лишь в тех 
случаях, если необходимо удалять пленки с высокой кавитационной стойкостью, 
прочно связанные с очищаемой поверхностью и химически не взаимодействующие с моющей жидкостью. Однако необходимо учитывать, что микроударному разрушению может подвергнуться не только пленка загрязнений, но и очищаемый материал. Установлено, что кавитационные пузырьки могут пульсировать на очень близких расстояниях от поверхности, примерно до десятков нм 

[12]. Поэтому при удалении загрязнений, прочно связанных с очищаемой поверхностью, в ряде случаев проводят очистку в несколько этапов, снижая интенсивность кавитации по мере разрушения пленки загрязнений. Пульсирующие пузырьки в основном не создают на границе жидкость – твердое тело значительных микроударных нагрузок [13].
Известны три возможных механизма разрушения поверхностных пленок 
пульсирующими кавитационными пузырьками: отслоение, струйная очистка, 
эмульгирование [14]. Характер этих процессов во многом зависит от критических размеров кавитационных пузырьков [15]. Отслоение пленок пульсирующими пузырьками подробно изучено с помощью высокоскоростной киносъемки. Объектом исследований были стеклянные пластинки с нанесенным на их 
поверхность слоем канифоли с добавлением сажи. Полученные кинофрагменты позволили установить следующий механизм разрушения пленок: пульсирующий пузырек «прилипает» к поверхности пластинки и к внутренней 
поверхности отслоившейся пленки, как это схематично показано на рис. 1.1, а. 
При интенсивных колебаниях пузырька на пленку начинают действовать 
силы, отрывающие ее от поверхности пластинки. Если силы сцепления пленки с поверхностью превосходят прочность самой пленки, то свободный кусочек ее отрывается и уносится микропотоками вблизи межфазной границы раздела сред (рис. 1.1, б). Если же прочность пленки превосходит силы сцепления, 
то пленка отслаивается с поверхности. Некоторые пузырьки после многократных пульсаций захлопываются с большой скоростью, и в этом случае пленка 
загрязнений разрушается аналогично случаю, рассмотренному для кавитирующего пузырька.
Иной механизм разрушения под действием пульсирующих пузырьков при 
удалении тонких пленок со слабой адгезией к поверхности, например, слоя 
туши на пластинке из органического стекла. Пульсирующий пузырек, перемещаясь по очищаемой поверхности, оставляет в пленке загрязнений «расчищенные дорожки», направление которых совпадает с траекторией движения 
пузырька. В этом случае разрушающее действие кавитационных пузырьков 
можно объяснить ударами струек жидкости о поверхность образца при делении 
крупных неустойчивых пузырьков на более мелкие. Пульсирующие пузырьки, 

Рис. 1.1. Схема отслоения пленки кавитационным пузырьком: а – «прилипание» пузырька  
к пленке; б – разрыв пленки на куски

разрушая пленки со слабой адгезией к поверхности, почти не оказывают воздействия на пленки, прочно связанные с очищаемой поверхностью.

С помощью скоростной киносъемки показано, что очистка при воздейст
вии ультразвука в нейтральной среде от пленок с высокой адгезией (расплавленная канифоль на разогретом органическом стекле) не приводит к их разрушению даже при длительной выдержке образца в УЗ-поле [16]. 

Исследовано эмульгирование вязких пленок в химически нейтральной жид
кости. Объектом исследования служили стеклянные пластинки, на одну из 
сторон которых наносился слой технического вазелина различной толщины. 
Рабочей жидкостью служила вода. Исследование проводилось визуальным наб- 
людением через микроскоп и фотографированием процесса УЗО во времени 
[17]. Механизм разрушения пленки был следующим: газовые пузырьки, имевшиеся в толще пленки, пульсируя в УЗ-поле и перемещаясь под действием 
акустических течений, увлекали за собой часть окружающего вещества (жира). 
Перемещение массы пленки приводило к ее разрывам. Одновременно шел 
другой процесс: кавитационные пузырьки распыляли мельчайшие капли воды 
на поверхности жировой пленки, обволакивающей газовый пузырек. Поскольку 
пульсирующий пузырек является своеобразным источником УЗ-колебаний, 
капельки жидкости с его поверхности могут отбрасываться, дробиться, и наблюдается явление, напоминающее распыление тонкого слоя жидкости на поверхности излучателя.
Газовые пузырьки играют, следовательно, двоякую роль: притягивают капли жидкости за счет микропотоков, а затем дробят и разбрасывают попавшие 
на их поверхность капли, образуя тонкодисперсные эмульсии. При колебаниях пленки, состоящей из мелких капелек воды и жира, а также мельчайших 
газовых пузырьков, последние постепенно вытесняются к границе: эмульсия – 
рабочая среда – пластинка. Вблизи поверхности капли газовые полости при 
пульсациях создают особо интенсивные фонтанчики брызг, что способствует 
образованию эмульсии жира в воде.
По мере проникновения водяных капель в толщу жира существенно изменяются физико-механические свойства жировой пленки и уменьшается прочность ее сцепления с поверхностью, что облегчает удаление пленки. Разру- 
шение пленки загрязнений в этом случае начинается в поверхностном слое,  
и чем толще слой жира, тем труднее удаляется пленка, так как легко деформируемые нижние слон жира играют роль демпфера, препятствующего разрушению пленки кавитационными пузырьками. Очевидно, что и при очень тонкой жировой пленке ее удаление с поверхности будет также затруднено, так 
как отсутствуют условия для образования капелек жира из-за малого количества оставшихся загрязнений.

В кавитационных исследованиях редко принимается во внимание электри
ческий заряд пузырьков, тогда как большинство из них имеет поверхностный 
слой заряда, который может играть большую роль в устойчивости зародышей 
в жидкости [18]. Источник электрических зарядов связан с наличием ионов