BaNd2Ti5O14 Thick Films for Microelectronics Fabricated by Electrophoretic Deposition

摘要

Nos dias que correm os engenheiros de circuitos na area da microelectronica sao confrontados com a necessidade de desenhar circuitos que permitam um maior transporte de informacao numa menor largura de banda, que consumam menos energia e ao mesmo tempo com a necessidade de criar produtos de dimensoes menores e mais flexiveis, com maiores niveis de integracao, operacao a frequencias mais elevadas e a custos mais reduzidos. Neste contexto, a substituicao de componentes dielectricos cerâmicos na forma de monolitos, que sao parte integrante de determinados dispositivos microelectronicos que operam a frequencias elevadas (filtros e antennas, por exemplo), por dielectricos processados na forma de filmes espessos esta sob consideracao. Com esta aproximacao espera-se, por um lado conseguir uma reducao do tamanho do dispositivo e dos custos associados a sua producao e por outro lado, e de particular relevância, explorar as oportunidades criadas pela possibilidade de processar filmes conformes com substratos de diferentes formas e de natureza metalica. Novas estruturas e concepcoes para dispositivos que operam a frequencias elevadas deverao ser criadas. Ao mesmo tempo, cre-se contribuir para o desenvolvimento de processos de fabrico de producao em massa de filmes de materiais dielectricos com desempenho reproductivel e a baixos custos. As tecnicas de preparacao de filmes finos incluem a fabricacao por cinta ("tape casting"), por impressao em tela ("screen printing"), por jacto de tinta ("jet printing") e por deposicao electroforetica ("electrophoretic deposition", EPD). A importância da deposicao electroforetica advem das suas caracteristicas unicas, que incluem a simplicidade e flexibilidade na aplicacao a varios tipos de materiais e combinacoes de materiais numa gama alargada de formas e dimensoes de estruturas, na relacao fabricacao -- custos e na capacidade de dimensionar o processo a escala industrial para fabricacao de volumes elevados de produtos e de grandes dimensoes. Concomitantemente, quando comparado com os outros processos de fabricacao de filmes espessos, a deposicao electroforetica permite a producao de camadas de uniformidade excepcional com um facil controlo da sua espessura. Desta forma a fabricacao de filmes espessos por deposicao electroforetica vai de encontro as actuais necessidades da industria da microelectronica no que respeita a substituicao dos componentes dielectricos monolitos em uso hoje em dia. Em relacao aos materiais, os dielectricos que podem ser utilizados como componentes de dispositivos de operacao as frequencias das microondas, deverao possuir perdas dielectricas baixas, factor de qualidade (definido como o inverso das perdas dielectricas) elevado, permitividade dielectrica elevada e coeficiente de temperatura da permitividade baixo. De entre os dielectricos com baixas perdas, o sistema BaO-Nd2O3-TiO2 representa uma importante familia comercial de materiais para utilizacao as frequencias das microondas, em particular a composicao 1:1:5, que, porque reune as caracteristicas acima mencionadas, e um material de referencia para estas aplicacoes. Embora cerâmicos de BaO-Nd2O3-TiO2 estejam actualmente em producao e comercialmente disponiveis em resonadores, filtros e substratos, entre outras aplicacoes, o uso de filmes espessos de BNT nao foi ate a realizacao deste estudo, referido. Neste trabalho, e explorada a fabricacao por deposicao electroforetica de filmes espessos de BaNd2Ti5O14 (BNT). Para tal e conduzido um estudo sistematico do processo de deposicao, desde a prova de conceito de aplicacao do processo de deposicao electroforetica ate a definicao de condicoes reprodutiveis e optimizadas de deposicao. Sao utilizados pos comerciais e pos fabricados em laboratorio que foram depositados sobre folhas metalicas flexiveis de platina e substratos de alumina. Inicia-se o trabalho pela prova do conceito de aplicacao da deposicao electroforetica ao fabrico de filmes de BNT. Filmes de BNT com 12 a 52 mum de espessura sao fabricados a partir de pos de BNT comerciais sobre substratos de platina. Para melhorar a densidade em verde e a microestutura dos filmes obtidos recorre-se a uma etapa intermedia de prensagem isostatica dos filmes em verde. O efeito da espessura dos filmes nas propriedades dielectricas a baixas frequencias e analisado. A medida que a espessura do filme aumenta, as propriedades dielectricas dos filmes de BNT aproximam-se das propriedades dos cerâmicos de BNT em termos de permitividade e perdas dielectricas. Filmes de BNT com 52 mum de espessura e sinterizados a 1300 °C durante 1 h exibem uma constante dielectrica e uma perda dielectrica de 107 e 0.0006 ou um factor de perda Q de 1600 a 1 MHz, respectivamente. A variacao de permitividade dielectrica e inferior a 0.02 % a um campo electrico de +/-8 kV/cm e na gama de temperatura entre 30-120 °C e abaixo de +58.5 ppm/°C. O estudo revela ainda que nao ha degradacao das propriedades dos filmes de BNT ate 1.4 GHz, relativamente as propriedades medidas a frequencia de 1 MHz. Apos a prova de conceito, sao conduzidos estudos de optimizacao do processo de deposicao. Para tal foram especificamente sintetizados por processo convencional de reaccoes no estado solido pos de BNT. O sucesso no processo de fabricacao por EPD esta intimamente relacionado com a escolha do meio de suspensao e aditivos, que devem originar uma suspensao estavel com um grau de dispersao das particulas elevado. Neste trabalho sao estudados quatro meios suspensores diferentes, que incluem, agua, acetona, etanol e acido acetico. As propriedades fisico -- quimicas das diferentes suspensoes foram analisadas pelo determinacao do potencial zeta, da distribuicao do tamanho de particula e transmitância de luz. Os resultados experimentais revelam que o potencial zeta e uma medida directa da estabilidade das suspensoes, visto que o maximo do potencial zeta corresponde ao maximo de dispersao da suspensao que se reflecte tambem na distribuicao do tamanho de particula e no comportamento em termos de transmissao de luz atraves da suspensao. O maximo de potencial zeta (61 mV) e obtido para o meio suspensor de acetona com adicoes de I2, a que corresponde uma transmitância de 10%. O efeito dos diferentes meios suspensores e estudado na deposicao, microestrutura e propriedades dielectricas dos filmes de BNT. De entre os varios meios suspensores, apenas o acido acetico e a acetona com I2 apresentam a capacidade para formacao de depositos e as limitacoes do acido acetico sao analisadas em termos da reproductibilidade do processo. Camadas depositadas de homogeneidade e taxa de deposicao elevadas e com superficies macias foram obtidas com o meio suspensor a base de acetona. Para este caso, o efeito de varios parâmetros de processamento, que incluem o campo electrico aplicado, o tempo de deposicao e a composicao da suspensao e a espessura e morfologia dos filmes e investigada e a discutida. Conjuntamente, e sob as condicoes optimizadas de deposicao e estudado o efeito da temperatura de sinterizacao na estrutura, microestrutura e propriedades dielectricas dos filmes espessos de BNT. Para tal filmes de BNT com 10 a 80 mum de espessura foram fabricados por EPD sobre folhas de Pt em diferentes condicoes. O impacto dos parâmetros de processamento: campo electrico, substrato e temperatura de sinterizacao sao analisados e discutidos. Observa-se que um aumento da temperatura de sinterizacao aumenta acentuadamente a razao de aspecto dos graos, decresce a permitividade dielectrica relativa e o coeficiente de temperatura da permitividade TCepsilonr varia de -114 para +12 ppm/°C. E entao proposto que a anisotropia do grao observada e facilidade pelas condicoes de sinterizacao restrictas ("constrained sintering"). Atraves do controlo da temperatura de sinterizacao.