薄膜集成电路用99.6％Al2O3陶瓷基片的制备方法
技术领域
[0001] 本
发明涉及薄膜混合集成电路用
微波介质陶瓷基片领域，具体而言，涉及薄膜集成电路用99.6％Al2O3陶瓷基片的制备方法。
背景技术
[0002] 99.6％Al2O3
电子陶瓷基片具备耐高温、电绝缘性能高、介电损耗低、热导率大、化学
稳定性强、与元件的
热膨胀系数相近等优点，因而广泛应用在厚/薄膜混合集成电路及各种薄膜元器件中。
[0003] 但是，由于99.6％
氧化
铝陶瓷基片硬度高、晶粒大，经过加工处理后基片表面光洁度难达到镜面效果(＜0.02μm)，即使经过机械减薄
抛光的陶瓷基片，表面仍然存在微米级空洞，致使薄膜电路容易出现孔洞、缺损及
电极损失、断线或
短路，严重影响薄膜电路的可靠性。随着微波元器件的迅速发展，
微细加工技术日新月异，薄膜元器件的设计要求氧化铝陶瓷基片有较好的光洁度及很小的表面粗糙度，从而满足
纳米级的电路线宽。经机械减薄抛光的氧化铝基片虽能满足一般电路设计的要求，但其线宽无法满足纳米级的薄膜电路要求。因此，需要对减薄后的氧化铝陶瓷基片表面再做进一步的精加工处理，减小表面粗糙度从而达到镜面效果。
[0004] 目前，氧化铝陶瓷基片除了表面粗糙度达不到薄膜电路设计要求外，几乎所有性能均能满足设计要求，为解决这一问题，主要是采用传统的
化学机械抛光方法。化学机械抛光虽然能够降低基片表面的粗糙度，但由于氧化铝基片硬度较大，抛光后的粗糙度也只能达到0.04～0.05μm，镜面效果不明显，并且消耗的
抛光液较多成本高、抛光时间长效率很低，经实验统计，抛光处理1片99.6％Al2O3陶瓷基片的时间超过2h。同时，虽然
现有技术中也有利用特殊的技术手段在基片表面沉积一层薄膜的方法，然而，现有方法所需设备昂贵、技术复杂且成本较高，并不适于实际的生产应用。
[0005] 因此，现有氧化铝陶瓷基片的
表面处理工艺和性能指标都难以满足高性能薄膜器件/电路的应用需求，急需寻求一种新工艺，改善其表面粗糙度、光洁度，以满足薄膜器件/电路对高可靠、低成本、高外观
质量的基片要求。
[0006] 有鉴于此，特提出本发明。
发明内容
[0007] 本发明的第一目的在于提供一种薄膜集成电路用99.6％Al2O3陶瓷基片的制备方法，所述方法通过在99.6％Al2O3陶瓷基片表面进行镜面处理，从而能够减小陶瓷基片的表面粗糙度，改善基片的光洁度。
[0008] 本发明的第二目的在于提供一种所述的薄膜集成电路用99.6％Al2O3陶瓷基片，本发明所提供的陶瓷基片具有表面粗糙度小、光洁度高等优点，并适用于纳米级薄膜电路等精密电子元器件中。
[0009] 本发明的第三个目的在于提供一种包含所述薄膜集成电路用99.6％ Al2O3陶瓷基片的电子元器件。
[0010] 为了实现本发明的上述目的，特采用以下技术方案：
[0011] 一种薄膜集成电路用99.6％Al2O3陶瓷基片的制备方法，所述方法包括如下步骤：
[0012] (a)99.6％Al2O3陶瓷基片制备
[0013] 按照Al2O3、MgO和SiO2质量比为99.6％:0.3％:0.1％的比例进行配料，然后将所得物料与玛瑙球和去离子
水球磨混合，并将所得浆料干燥过筛；
[0014] 将干燥过筛所得物料与
有机溶剂和
粘合剂混合制备流延料，然后流延成型得到氧化铝生瓷带，将所得氧化铝生瓷带经叠层、
等静压、切割和排胶
烧结得到99.6％Al2O3陶瓷基片，然后减薄、抛光，并
超声波洗涤，得到待处理氧化铝陶瓷基片；
[0016] 按照质量百分数CaO 10～30％，Al2O3 0～18.3％，SiO2 54.93～74.93％，以及玻璃添加剂10～25％的比例进行配料，然后将所得物料经高温水淬得到玻璃体，将所得玻璃体振磨
粉碎，然后加入分散介质球磨，干燥过筛后得到玻璃粉体；
[0017] (c)玻璃浆料制备
[0018] 将有机载体在溶剂中溶解，然后向所得溶液中加入玻璃粉体，并均匀分散，得到玻璃浆料；
[0019] (d)匀胶
[0020] 在待处理氧化铝陶瓷基片表面
旋涂玻璃浆料，然后将所得基片烘干；
[0022] 将烘干后的基片置于
马弗炉中进行热处理，得到表面光洁度高的氧化铝陶瓷基片，即为薄膜集成电路用99.6％Al2O3陶瓷基片。
[0023] 可选的，本发明中，步骤(a)中，物料、玛瑙球和去离子水的质量比例为(1～2):(1～2):(1～2)；
[0024] 和/或，步骤(a)中所述球磨混合的球磨转速为350～450rpm，时间为5～6h。
[0025] 可选的，本发明中，步骤(a)中所述减薄抛光为对所得99.6％Al2O3陶瓷基片的双面进行减薄抛光；
[0026] 优选的，减薄、抛光，并
超声波洗涤后所得待处理氧化铝陶瓷基片的厚度小于1mm，厚度
精度和均匀性小于±3μm。
[0027] 可选的，本发明中，步骤(b)中所述玻璃添加剂为BaO、MgO、ZnO， Sb2O3或者B2O3中的一种或几种的混合物。
[0028] 可选的，本发明中，步骤(b)中所述分散介质为
有机溶剂，优选的，所述分散介质为
乙醇溶液；
[0029] 和/或，步骤(b)中所述球磨的转速为350～450rpm，时间为2～4h。
[0030] 可选的，本发明中，步骤(c)中所有机述载体为乙基
纤维素、
丙烯酸树脂,或者聚乙烯醇缩丁
醛；
[0031] 所述溶剂为松油醇与丁基卡必醇的混合溶剂；
[0032] 优选的，所述松油醇、丁基卡必醇和有机载体的质量比为(35～48): (33～49):(4～15)。
[0033] 可选的，本发明中，步骤(d)中为采用匀胶的方法
旋涂玻璃浆料；
[0034] 优选的，匀胶的速度为500～1500rpm，时间为10～20s，次数为1～ 6次。
[0035] 可选的，本发明中，步骤(e)中所述热处理具体包括如下步骤：将马弗炉首先由室温升温至500～600℃，升温时间控制在6～8h；然后再升温至900～1000℃，升温时间控制在2～3h；然后升温至1150～1300℃，升温时间控制在80～90min；保温30～45min后随炉冷却。
[0036] 同时，本发明还提供了由本发明所述方法制得的薄膜集成电路用 99.6％Al2O3陶瓷基片。
[0037] 进一步的，本发明还提供了包含本发明所述薄膜集成电路用99.6％ Al2O3陶瓷基片的电子元器件。
[0038] 与现有技术相比，本发明的有益效果为：
[0039] 本发明中，通过对烧结成瓷的氧化铝陶瓷进行减薄处理，去除基片表面烧结不致密和凹凸不平部分，并通过匀胶和热处理方式在基片表面形成一层均匀的玻璃釉层，从而进一步改善了基片的表面光洁度；
[0040] 同时，本发明所采用的CaO-Al2O3-SiO2玻璃具有软化点高、
热膨胀系数与Al2O3接近等特点，相较于传统的丝网印刷法而言，采用匀胶的方法进行涂覆，具有表面光滑，厚度极薄且均一等优势；在热处理后能够得到表面超光滑的氧化铝陶瓷，这对薄膜集成电路等精密电子元器件的设计和装配以及进一步应用，也具有重要实用价值
附图说明
[0041] 为了更清楚地说明本发明
实施例或现有技术中的技术方案，以下将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
[0042] 图1为未旋涂玻璃釉的99.6％Al2O3陶瓷基片；
[0043] 图2为经旋涂玻璃釉的99.6％Al2O3陶瓷基片。
具体实施方式
[0044] 下面将结合实施例对本发明的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用
试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
[0045] 鉴于目前现有的氧化铝陶瓷基片在性能和制备工艺上的不足，在氧化铝陶瓷基片领域相关研究人员在基片表面处理方面进行了深入研究，常见的方法除了抛光法，还有表面涂层法，涂层技术主要有
化学气相沉积(CVD)、
物理气相沉积(PVD)、
热喷涂法、丝网印刷法、溶胶凝胶法等，随着现代陶瓷釉技术的发展，玻璃釉技术已经应用到绝缘层的制备、电子器件的封装领域。玻璃釉是熔融在基片表面的一层很薄的均匀的玻璃体物质，具有平滑光亮，机械强度高，化学性质稳定，与基片匹配良好等特点，但目前国内外对于氧化铝陶瓷基片表面涂高温玻璃釉的报道很少，本发明也正是在此背景下，经过相关研究及试验，提出一种表面粗糙度小、光洁度高的 99.6％Al2O3陶瓷基片制备方法，具体的，本发明方法包括如下步骤：
[0046] 1、99.6％Al2O3陶瓷基片制备
[0047] 1.1、按照Al2O3、MgO和SiO2质量比为99.6％:0.3％:0.1％的比例进行配料，然后将所得物料与玛瑙球和去离子水球磨混合；
[0048] 优选的，物料、玛瑙球和去离子水的质量比为(1～2):(1～2): (1～2)；更优选的，物料、玛瑙球和去离子水的质量比为1:2:1；
[0049] 优选的，此步骤中，将各原料按配比称量后，在玛瑙罐中进行的球磨混合；
[0050] 优选的，所述球磨混合的球磨转速为350～450rpm，时间为5～6h；更优选的所述球磨混合的球磨转速为387rpm，时间为6h；
[0051] 球磨后，将所得浆料倒出，并干燥过筛；
[0052] 优选的，所述干燥为烘干，并将所得浆料在恒温90℃条件下经48h 烘干，然后过100目筛网；
[0053] 1.2、将干燥过筛后所得物料与有机溶剂和粘合剂混合制备流延料，流延料的制备可以参考常规流延料的制备工艺，所用有机溶剂可以为
甲苯、乙醇等有机溶剂，所用粘合剂可以为PVB等粘合剂；
[0054] 流延料通过流延成型法制得氧化铝生瓷带，而所得氧化铝生瓷带经叠层、等静压及切割工序处理后，得到方形氧化铝巴
块，将成型好的氧化铝巴块置于高温烧结炉中进行排胶烧结，即得到99.6％Al2O3陶瓷基片；
[0055] 优选的，排胶
温度为600℃，保温4h，烧
结温度为1580℃，并保温 2h；
[0056] 然后，将所得99.6％Al2O3陶瓷基片经减薄、抛光，以除去样品表面烧结不密实和凹凸不平的部分；
[0057] 优选的，所述减薄、抛光为对所得99.6％Al2O3陶瓷基片的双面进行减薄抛光；
[0058] 在减薄和抛光后，对陶瓷基片进行超声波清洗，得到待处理氧化铝陶瓷基片，所得基片的厚度小于1mm，厚度精度和均匀性小于±3μm，粗糙度小于0.1μm；
[0059] 优选的，清洗的时间控制在30min左右；
[0060] 2、高软化度玻璃粉制备
[0061] 由于CaO-Al2O3-SiO2玻璃具有较高的熔点(1100℃以上)，且与99.6％ Al2O3陶瓷的热膨胀系数接近，热膨胀系数在6～8×10-6/℃范围内；因此本发明
选定CaO-Al2O3-SiO2系玻璃釉，并根据三元
相图，按照质量百分数 CaO 10～30％，Al2O3 0～18.3％，SiO2 54.93～74.93％，以及玻璃添加剂10～ 25％的比例进行配料；还可以进一步通过调整玻璃配方以改变玻璃软化点，从而适于在不同温度下进行热处理；
[0062] 优选的，所述玻璃添加剂为BaO、MgO、ZnO，Sb2O3或者B2O3中的一种或几种的混合物；
[0063] 将称量好的物料置于球磨罐中，并球磨混合；然后将球磨后的配料装入熔块炉的刚玉
坩埚中，在高温熔块炉中熔融生成玻璃，熔融完毕后倒入去离子水中淬火处理，得到无色透明的玻璃体，即采用高温水淬(高温熔融水淬)的方法制备玻璃体；将所得玻璃体振磨粉碎，然后加入分散介质球磨，干燥过筛后得到玻璃粉体；
[0064] 优选的，所述分散介质为有机溶剂，优选的，所述分散介质为乙醇溶液；
[0065] 优选的，所述球磨的转速为350～450rpm，时间为2～4h，过筛所用筛网孔径为300目；更优选的，球磨的转速为387rpm，时间为2～4h，并在烘干后裔300目不锈
钢筛网进行筛分得到玻璃粉体；
[0066] 3、玻璃浆料制备
[0067] 此步骤中，首先是配制有机载体溶液，优选的，是将有机载体加入装载于烧杯的溶剂中，然后，在50～80℃水浴加热情况下搅拌1～3h进行溶解；
[0068] 优选的，所用有机溶剂为松油醇和丁基卡必醇；优选的，所用有机载体为乙基
纤维素、丙烯酸树脂,或者聚乙烯醇缩丁醛；
[0069] 进一步优选的，松油醇、丁基卡必醇和有机载体(即乙基纤维素、丙烯酸树脂,或者聚乙烯醇缩丁醛)的质量比为(35～45):(33～44):(4～ 15)；
[0070] 然后，将步骤2制备的玻璃粉体按固含量40％～60％的配比置于烧杯中搅拌分散均匀，制成玻璃浆料，所制得的玻璃浆体悬浮性较好，分散均匀，适合在氧化铝陶瓷基片上进行旋涂；
[0071] 4、匀胶
[0072] 在待处理氧化铝陶瓷基片表面旋涂玻璃浆料，优选的，此步骤中，采用匀胶的方法旋涂玻璃浆料，并使得基片表面光滑、均匀；
[0073] 优选的，匀胶的速度为500～1500rpm，时间为10～20s，次数为1～ 6次，并可以根据需要控制匀胶的次数；
[0074] 然后将所得基片烘干，优选的，所述烘干为将基片置于热板上
烘烤 3min，热板的
温度控制在130～200℃；
[0075] 5、热处理
[0076] 将烘干后的基片置于马弗炉中进行热处理，经热处理后，旋涂的玻璃浆料会在基片表面形成一层玻璃釉，光洁度较高，表面粗糙度小于0.01μm，基片厚度精度小于±2μm，即为薄膜集成电路用99.6％Al2O3陶瓷基片；
[0077] 优选的，热处理包括如下步骤：将马弗炉首先由室温升温至500～ 600℃，升温时间控制在6～8h；然后再升温至900～1000℃，升温时间控制在2～3h；然后升温至1150～1300℃，升温时间控制在80～90min；保温30～ 45min后随炉冷却；
[0078] 更优选的，热处理升温步骤如下：马弗炉首先由室温升温至600℃，升温时间控制在8h；然后再升温至1000℃，升温时间控制在2h；然后升温至 1150～1300℃，升温时间控制在80min；保温30min后随炉冷却。
[0079] 由如上方法所制备的Al2O3陶瓷基片表面粗糙度小，基片厚度精度高，因而适于作为纳米级的薄膜电路
基板，从而提高薄膜电路精度、可靠性。同样的，作为基材或封装材料而用于其他精密电子元器件中。
[0080] 实施例1
[0081] (1)配料、混料
[0082] 原料按照99.6％Al2O3-0.3％MgO-0.1％SiO2的质量比进行配料，将称量好的混料、玛瑙球、去离子水按照1:2:1的比例放入玛瑙罐中球磨混合；
[0083] 球磨参数为：387rpm、6h，球磨后将浆料倒出，置入烘箱中以恒温90℃经48小时烘干，并过100目筛网；
[0084] (2)配置流延料
[0085] 在烘干过筛后所得氧化铝粉体中加入有机溶剂乙醇和甲苯，以及粘合剂PVB，得到流延料；
[0086] (3)流延、叠压
[0087] 采用流延成型法，将流延料通过流延机制得氧化铝生瓷带，其膜厚为 59±1μm，再进行叠层，层数为9层，然后进行等静压及切割工序后得到方形氧化铝巴块，厚度为445μm，尺寸为61×61mm；
[0088] (4)排胶、烧结
[0089] 将成型好的氧化铝巴块置入马弗炉中进行空气气氛烧结，升温曲线为：室温10h升至600℃，保温4h，3h升至1300℃，再2h升至1580℃，保温 2h，然后2h降至1000℃后随炉冷却，得到烧结成瓷的99.6％Al2O3陶瓷基片，其厚度为350μm，尺寸为50.8×50.8mm；
[0090] (5)减薄
[0091] 用减薄机对烧结成瓷的氧化铝基片进行两面减薄和抛光处理，去除其表面烧结不致密和凹凸不平部分，再超声波清洗30min，得到厚度300μm、厚度精度和均匀性小于±3μm、表面粗糙度小于0.1μm的陶瓷基片，所得基片如图1所示；
[0092] (7)高温玻璃粉体的制备
[0093] 将玻璃各组分原料按表1中的质量分数比例组成配料；然后置于球磨罐中，球磨6h使得各组分混合均匀，球磨烘干后并过40目筛网；
[0094] 表1玻璃配方
[0095]
[0096] 然后将球磨后的配料装入熔块炉的刚玉坩埚中，在高温熔块炉中熔融生成玻璃，熔融温度为1450℃，保温时间为1h；熔融完毕后倒入去离子水中淬火处理，得到无色透明的玻璃体，然后振磨粉碎，用酒精作为分散介质387rpm球磨2～4h，烘干后过300目
不锈钢筛得到玻璃粉体；
[0097] (8)玻璃浆料的制备
[0098] 按下表2中的比例称取有机溶剂、乙基纤维素，置于烧杯中，并于80℃水浴中搅拌2h至完全溶解，然后，按固含量40％～60％的比例将玻璃粉体置于烧杯中搅拌分散均匀得到玻璃浆料；
[0099] 表2有机载体配比
[0100]有机溶剂 松油醇 丁基咔必醇 乙基纤维素
W％ 44 46 10
[0101] (9)匀胶
[0102] 通过匀胶机将制备好的玻璃浆料均匀的旋涂在步骤(5)制得的氧化铝陶瓷基片表面，匀胶速度为1000rpm，时间为20s，匀胶次数为1次，匀胶完后，将基片放在热板上烘烤3min待用；
[0103] (10)热处理
[0104] 将匀胶后的基片置于马弗炉中进行热处理，热处理曲线为：室温8h至600℃，再2h升至1000℃，在80min升至1200℃，保温30min后随炉冷却，即得薄膜集成电路用99.6％Al2O3陶瓷基片；
[0105] 所得基片的厚度为303μm，即，匀胶1次的玻璃釉层经热处理后其厚度为3μm，厚度精度为±2μm，表面粗糙度为0.008μm；
[0106] 所得基片表面光洁度较好，其表面结构如图2所示，其中白色部分为基片表面达到镜面效果后反射灯光。
[0107] 实施例2
[0108] 改变玻璃的组分：根据
基础配方，在CaO-Al2O3-SiO2玻璃相形成区间改变其中添加剂的组分和含量，如下表：
[0109] 表3改性玻璃配方设计
[0110]
[0111] 然后将配料装入熔块炉的刚玉坩埚中，在高温熔块炉中熔融生成玻璃，熔融温度改为1500℃，保温时间为1h。熔融完毕后倒入去离子水中淬火处理，得到无色透明的玻璃体。球磨后制备成玻璃浆料，然后通过匀胶将玻璃浆料均匀的旋涂在基片表面后进行热处理，热处理温度改为1250℃，其他工艺条件不变，具体操作过程同实施例1。
[0112] 热处理后的基片表面光洁度高，成镜面效果，表面粗糙度为 0.007μm，基片厚度为303μm，厚度精度为±2μm。
[0113] 尽管已用具体实施例来说明和描述了本发明，然而应意识到，在不背离本发明的精神和范围的情况下可以作出许多其它的更改和
修改。因此，这意味着在所附
权利要求中包括属于本发明范围内的所有这些变化和修改。
