Безкорпусная герметизация полупроводниковых приборов

Перед нанесением на полупроводниковые кристаллы или корпуса вазелин

подвергают вакуумной сушке при температуре 1500С в течение 8-10 ч.

Технологический процесс нанесение вазелина проводиться в скафандрах в

атмосфере осушенного азота.

Так же герметизацию производят цеолитным адсорбентом и синтетическими

цеолитами:

Цеолитный адсорбент — порошкообразный синтетический цеолитный

материал CaA, применяемый для создания защитной атмосферы во внутренних

областях корпусов полупроводниковых приборов, выпускается двух видов:

мелкокристаллический с размерами кристаллов от 1 до 5 мкм и

крупнокристаллический с размерами кристаллов от 3 до 8 мкм. Статическая

активность – влогоёмкость при относительной влажности воздуха 0,03% в

течение 24 ч равна 18%. На основе порошка изготовляют таблетки диаметром 4

и 6 мм и толщиной 0,6 мм.

Синтетические цеолиты — высокоэффективные алюмосиликатные

адсорбенты; в обезвоженном виде – пористые кристаллы с размерами около 1

мкм. Поры цеолитов представляют собой сферические полости с диаметром от

1,14 до 1,19 нм, соединённые между собой более узкими отверстиями ,

называемые окнами . Эффективные диаметры окон существенно отличаются в

каждом типе цеолита и зависят от природы ионообменного катиона. Выпускаются

пять марок цеолитав: КА, NaA, CaA, NaX и CaX, в которых эффективный

диаметр окон соответственно равен 0,3;0,4;0,5;0,8;0,9 нм. Находящиеся в

полостях цеолитов катионы создают в них области с неоднородными

электростатическими полями, поэтому цеолиты особенно энергично адсорбируют

электрически несимметричные молекулы воды, двуокиси углерода, метанола, а

так же органических веществ.

Особенностью адсорбционных свойств пористых кристаллов цеолитов

является молекулярно-ситовое действие; в первичной пористой структуре

адсорбируются молекулы малых размеров, более крупные молекулы, для которых

входы в полости через окна недоступны, не адсорбируются. Поэтому при

использовании цеолитов необходимо учитывать органические адсорбируемости

веществ за счёт молекулярно-ситового действия.

Кристаллы цеолитов микроскопических размеров в смеси с добавками

15–20% глины формируют в таблетки, гранулы или шарики различных размеров,

которые для повышения механической прочности подвергают термической

обработке в течение 2-6 часов при 550-600 С. Адсорбционные свойства

формованных цеолитов по сравнению с кристаллическими обычно ниже на 20% в

результате введения глины. Формованные цеолиты применяются для глубокой

осушки и тонкой очистки газов и жидкостей. Основные свойства цеолитов

приведены в таблице №1!

|Характеристика |Марка цеолита |

| |KA |NaK |CaA |NaX |CaX |

|Насыпная масса, г/см2 |0,62 |0,65 |0,65 |0,6 |0,6 |

|Механическая прочность на |4(106|5(106|5(106|4(106|4(106|

|Водостойкость, мас. % |96 |96 |96 |96 |96 |

|4,5 |62 |90 |72 |95 |90 |

|3,6 |70 |10 |80 |100 |95 |

|2,0 |85 |12 |95 |105 |100 |

|Динамическая активность по |2,0 |— |— |— |— |

|4,5 |— |— |— |52 |52 |

|3,6 |— |— |— |65 |62 |

|2,0 |— |— |— |68 |65 |

|Потери при прокаливании, мас. % |5 |5 |5 |5 |5 |

Защита p-n-переходов плёнками окислов металлов.

В полупроводниковой технологии для защиты кристаллов с p-n-переходами

применяются плёнки на основе окисей металлов: алюминия, титана, бериллия,

циркония. Исходный материал берут в виде порошка, а в качестве несущего

агента может быть использован галоген или галоидное соединение водорода.

Через рабочую камеру пропускают инертный газ и устанавливают перепад

температур между источником защитного материала и полупроводниковым

кристаллом. Температура источника должна быть выше температуры кристаллов,

причём с увеличением разницы температуры скорость реакции повышается.

Для осаждения защитных плёнок Al203, BeO, TiO2, ZnO2 температуру

источника выбирают в диапазоне 800–1200 С, кристаллов – в диапазоне

400–800 С, а расстояние между ними устанавливается в зависимости от

требуемой разницы температур (от 10 до 15 см) В таблице 2! приведены режимы

осаждения защитных плёнок окислов металлов.

Таблица 2

| | |0С |0С |

|Al2O3 |HCl(HBr) |800–1000 |400–700 |

|BeO |HCl(HBr) |900–1200 |500–750 |

|TiO2 |HCl(HBr,Cl2) |800–1000 |500–700 |

|ZnO2 |HCl(HBr) |1000–1200 |500–800 |

Процесс осаждения защитной плёнки на полупроводниковые кристаллы с p-

n-переходами проводят в кварцевой трубе, в одном конце которого помещают

материал источника, например Al2O3 , а в другом – подложку с кристаллами.

Сначала в трубе создают вакуум, а потом вводят необходимое количество

инертного газа. Труба имеет две температурные зоны: 900 С – для источника,

500 С – для кристаллов.

В качестве защитного материала можно использовать также свинцовый

сурик Pb3O4, растворенный в смеси из 7,5% полиэтилена и 92%полибутилена и

перемещённый при температуре 125–160 0С. Полученный состав при температуре

112 С наносят на поверхность кристаллов с p-n-переходами. В качестве

окисляющего агента используют хромат цинка ZnCrO4. Кроме того, защитные

плёнки могут быть получены на основе смесей Pb3O4 и ZnCrO4, SrCrO4 .

Порошок этих веществ смешивают с летучими растворителями получают

суспензии, которые наносят на поверхность полупроводниковых кристаллов

распылением. Кристаллы с напылённым защитным слоем выдерживают в течение

нескольких минут при комнатной температуре до полного испарения

растворителя, а затем нагревают до 200 С. В результате нагревания частицы

нанесённого вещества выделяют ионы кислорода, которые замещают ионы

водорода на поверхности полупроводникового материала, и на поверхности

кристаллов образуется плотная защитная плёнка. Этот способ защиты позволяет

снизить обратные токи приборов на один-два порядка.

Вакуумным катодным распылением Al2O3, MgF2, Ta2O5, TiO2, ThO2, ZnO2,

BeO, и MgO на поверхности кристаллов с p-n-переходами могут быть получены

защитные диэлектрические плёнки, которые представляют собой с поверхностью

полупроводникового кристалла.

Для защиты и стабилизации электрических параметров p-n-переходов

проводят процесс титанирования, который состоит в том, что на поверхность

кристаллов с p-n-переходами осаждают один из сложных эфиров:

негидролизированный титановый эфир, тетраизопропилтитанат,

тетрабутилтитанат или тетраэтилгексинтитанат. Полученное покрытие

стабилизируют термическим прогревом или при помощи катализаторов и получают

прочие, химически связанные с поверхностью полупроводникового кристалла

плёнки двуокиси титана.

Другой способ титанирования заключается в замещении слоя окиси

германия на поверхности кристалла германия окисью титаната, которая

наносится в потоке фтора. Фтор, проходя по трубопроводу и насыщаясь

титаном, образует газообразный фторид титана, который реагирует с

поверхностью кристаллов, покрытий слоем окиси германия. В результате на

поверхности кристаллов образуется окись титана и парообразный фторид

германия.

Для защиты поверхностей p-n-переходов может быть использован нагрев

кристаллов при 1200 С в окисляющей атмосфере в присутствии ванадия или его

соединения. Ванадий находится в рабочей камере в виде порошкообразной

пятиокиси V2O5. Через рабочую камеру пропускают водяные пары, содержащие

кислород с парциальным давлением 3,3*103 Па. После получения плёнки

толщиной около 1 мкм лодочку с порошком V2O5 медленно выдвигают из печи.

Поверхность p-n-перходов защищают также плёнками окиси вольфрама,

наносимыми плазменными распылением в атмосфере кислорода. Толщина плёнок от

10 до 1000 нм. Давление кислорода в рабочей камере может быть выбрано в

диапазоне от 2,6*103 до6,6 Па. Катодом служит чашеобразный диск из

вольфрама, а анодом – полупроводниковые пластины с p-n-переходами.

Температура процесса не должна превышать 300 С. Напряжение на электродах от

выбранного давления газа внутри рабочей камеры не должно превышать 500 В.

Защита поверхности p-n-переходов плёнками нитрида кремния.

Нестабильность электрических параметров планарных структур вызвана

движением ионов щелочных металлов как внутри, так и на поверхности окисла.

Ионы щелочных металлов, особенно ионы натрия, обладают сравнительно большой

подвижностью (для Na при Т=200 С , м=10-12 см2/(В*с)) при повышенных

температурах движутся в электрическом поле.

Одним из способов повышения стабильности планарных приборов является

выращивание поверх слоя двуокиси кремния слоя Si3N4 или стекла. Стекло

связывает ионы натрия и препятствует их перемещению, а Si3N4 улучшает

изоляцию поверхности активных структур.

Для получения защитных плёнок нитрида кремния используются различные

методы, основанные на следующих реакциях взаимодействия : силана с

аммиаком, тетрахлорида кремния с аммиаком, силана с гидрозином,

тетрабромида кремния с азотом. Кроме того, используются методы катодного и

высокочастотного реактивного распыления.

Реакция взаимодействия SiH4 с NH3. Выращивание плёнок нитрида кремния

производится химическим взаимодействием в газовой среде силана с аммиаком.

Азотирование производится в кварцевой трубке при температурах 700–1100 С. В

трубу с током водорода с расходом 4 л/мин подают пары силана и аммиака в

соотношении 1:20. Избыток водорода препятствует преждевременному

разложению силана (температура разложения силана 500С). В результате

взаимодействия силана и аммиака на кремневой подложке образуется плёнка

нитрида:

3SiH4+4NH3 —>Si3N4+12 H2

Уменьшение скорости роста плёнки с увеличением температуры свыше 1000

С обусловлено недостаточным количеством силана вблизи подложки вследствие

его интенсивного разложения. Обычно плёнки имеют аморфную структуру, однако

в плёнках, выращенных при 1100С, наблюдаётся отдельные кристаллические

образования.

Реакция взаимодействия SiCl4 с NH3. При выращивании плёнок протекают

следующие реакции. На начальной стадии образуются диимид кремния:

SiCl4+^NH3–>Si(NH)2+4NH4Cl

При комнатной температуре реакция дальше не идёт, но происходит

полимеризация диимида. При нагреве подложки протекает реакция:

6Si(NH)2–>2Si3(NH3)N2–>3Si2(NH)N2–>2Si3N4

В результате образуются кристаллиты нитрида кремния. При температуре

1100–1200С получается полностью аморфная плёнка Si3N4. В толстых плёнках

Si3N4 (свыше 1 мкм) имеются трещины, плотность которых растёт с толщиной и

скоростью выращивания. Наличие трещин не только результат различия в

коэффициентах термического расширения, но и следствие структурной

неоднородности плёнки и подложки.

[pic]

Получение защитных пленок Si3N4 этим методом проводиться в

горизонтальной кварцевой трубе , в которую вводятся отдельно газовые

смеси. Температура внутри рабочей камеры поддерживается равной 10000С.

Температура всей остальной трубы поддерживается равной 375 С, чтобы

исключить конденсацию на поверхности трубы хлорида амония. Поток аммиака

подают в трубу со скоростью 10 л/мин, а тетрахлорид – со скоростью (1-2)*10-

3 моль/мин. Этот метод позволяет получить плёнки нитрида кремния,

обладающей хорошей адгезией к поверхности пластин. Скорость осаждения

плёнок Si3N4 зависит от соотношения между компонентами газовой смеси и

температуры. На рис в приведена зависимость скорости роста плёнки Si3N4 от

температуры для двух соотношений между SiCl4 и NH3 в реагирующей смеси.

Реакция взаимодействия SiH4 и N2H4. Вместо аммиака для получения

плёнок Si3N4 может быть использован гидразин N2H4.

При использовании аммиака температура осаждения пленок нитрида

кремния не может быть 750С . Применение гидразина позволяет снизить

температуру до 500С, так как гидразин разлагается при более низких

температурах, чем аммиак. Наносят плёнки в кварцевой трубе, через которую

пропускается водород, насыщенный гидразином. В эту смесь добавляют SiH4.

Концентрацию SiH4 и N2H4 можно выбирать в пределах от 1:0,5 до 1:10.

Скорость подачи газовой смеси в рабочую камеру 0,6 л/мин. Перед проведением

процесса гидразин очищают при комнатной температуре. На рис показана

зависимость скорости роста плёнок нитрида кремния от температуры для трёх

различных концентраций гидразина. Скорость осаждения плёнок Si3N4 начиная с

температуры750С остаётся постоянной, а при больших концентрациях гидразина

и температурах выше 1000С уменьшается.

Реакция взаимодействия SiBr4 и N2. Этот метод основан на реакции

взаимодействия между азотом и тетрабромидом кремния. Одним из основных

требований при получении пленки Si3N4 является предотвращении возможности

образовании в ней двуокиси кремния. Для этого азот перед смешиванием с

тетрабромидом кремния тщательно очищают от кислорода. Получают пленку Si3

N4 при температуре 9600 С. Скорость подачи реакционной смеси устанавливают

равной 100мл\мин. В течении часа на подложке осаждается пленка толщиной 10

мкм. На рисунке 39 показана схема установки для получения пленок нитрида

кремния.

Реактивное катодное распыление. При этом методе реакция между

кремнием и азотом происходит при низкой температуре окружающей среды с

помощью электрического разряда. Наносят защитные пленки нитрида кремния в

установках катодного распыления на постоянном токе с холодным или горячим

катодом. Качество пленок, получаемых этим методом, изменяется в зависимости

от условий осаждения. Для проведения процесса используют катод из

высокочистого кремния в виде плоской пластины большого диаметра. Этот катод

распыляют в смеси аргона и азота. Азот является реактивным газом, а аргон

используют для повышения эффективности распыления. Кремний взаимодействует

с кислородом лучше, чем с азотом, поэтому даже незначительное количество

кислорода в рабочих газах (N2 и Ar) приводит к образованию пленки окиси

кремния SiO2 на поверхности полупроводника. Обычно для катодного распыления

используют рабочие газы, прошедшие предварительную очистку от кислорода.

Получение защитных пленок Si3N4 проводят при давлениях в камере от

6,6*10*до 26 Па. Напряжение распыления может быть выбрано от 600 до 2500В,

а катодный ток-0,2*0,8мА\см2. Скорость роста пленки 10 нм\мин. Применение

катода с большей поверхностью позволяет получать пленки одинаковой

толщины(с разбросом, не превышающим 5%) одновременно на большом количестве

пластин или кристаллов.

[pic]

Высокочастотное реактивное распыление. Высокочастотное реактивное

распыление защитных пленок Si3N4 обладает рядом преимуществ: скорость по

сравнению с катодным распылением выше, а эффект бомбардировки

отрицательными частицами меньше. Кроме того, пленки, полученные в

высококачественном разряде, менее чувствительны к присутствию в рабочей

камере следов кислорода. Скорость осаждения при этом методе пропорциональна

мощности высокочастотного разряда и увеличивается с уменьшением расстояния

между мишенью и полупроводниковым кристаллом. Для создания плазмы внутри

рабочей камеры используют азот. Ионы азота, ударяясь о кремниевую мишень,

распыляют кремний. Атомы кремния, вылетевшие из мишени, вступают в реакцию

с азотом. В результате этой реакции образуется нитрид кремния, который

осаждается на полупроводниковом кристалле (подложке). Оптимальное давление

азота в рабочей камере 1,3 – 0,13 Па.

Свойства защитных плёнок Si3N4 зависят от P/S, то есть от количества

энергии, приходящейся в единицу времени на единицу поверхности мишени. В

качестве травления для плёнок нитрида кремния используют состав из семи

частей смеси 4%-го водного раствора NH4F и одной части 49%-ой HF. Скорость

осаждения плёнок возрастает с увеличением P/S и приблизительно

пропорционально квадрату P/S. Скорость травления, наоборот, уменьшается с

возрастанием P/S.

Защита p-n-переходов легкоплавкими стеклами

Для защиты полупроводниковых приборов функциональные поверхности

активных элементов p-n-переходов защищают слоем стекла, который связывает

мигрирующие ионы, улучшает надежность приборов и герметизирует переход от

внешних воздействий. Стеклом защищают большинство типов p-n-переходов:

планарные, сплавные, диффузионные, так как окисная пленка полностью их не

защищает от проникновения влаги . Состав стекла выбирают в зависимости от

типа прибора и режима его сборки. КТР стекла и рабочая температура

изменяются в зависимости от исходных компонентов.

Слой защитного стекла наносят как на чистую поверхность

полупроводника с p-n-переходом, так и на слой окисла или пассивированную

поверхность. Кроме того, стеклом защищают готовые диоды и транзисторы. В

этом случае для укреплении всей структуры прибора стекло наносят на часть

металлических выводов, смежных с полупроводниковым материалом. Пленка

стекла защищает от утечек тока по поверхности, а также служит в качестве

эффективных химического и механического барьеров против миграции примесных

ионов в пассивированный слой полупроводника. Действие легкоплавких стекол

не ограничивается простой защитой от внешних воздействий. Стекло в жидком

состоянии действует как гетер металлических ионов, оставшихся на

поверхности кристалла.

Ниже приведены некоторые составы легкоплавких стекол, применяемых для

защиты p-n-переходов.

Состав1. Халькогенидное стекло, которое содержит 24% мышьяка, 67%

серы, 9% йода. Готовят это стекло в нейтральной атмосфере при 500-6000С, а

наносят на кристалл при 250-3000С в течении 1 мин.

Состав 2. Стекло, которое содержит модификатор, кремнезем и соли

борной кислоты. Модификатор состоит из окиси алюминия с концентрацией 5-24%

и цинка или кадмия, а также может включать окись бериллия. Общая

концентрация модификатора в стекле не должна превышать 40%.

Состав 3. Боросиликатное стекло. Которое содержит 80 % оксида

кремния, 14 % окиси бора и 6% вольфрама. Стекло наносят испарением в

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8

МЕНЮ

Безкорпусная герметизация полупроводниковых приборов

ИНТЕРЕСНОЕ