Безкорпусная герметизация полупроводниковых приборов

Страница 10

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*0,8мАсм2. Скорость роста пленки 10 нммин. Применение катода с большей поверхностью позволяет получать пленки одинаковой толщины(с разбросом, не превышающим 5%) одновременно на большом количестве пластин или кристаллов.

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 вакууме при 200 С и образующая плёнка обладает большой механической прочностью и высокой стойкостью к термоциклированию в диапазоне температуре от –196 до +100 С без проявления микротрещин.

Состав 4. Стеклянную плёнку на поверхности полупроводникового кристалла создают нагреванием его в течение 1-3 ч при температуре 400–700 С в среде, содержащей кислород, пары окислов или галоидов свинца, сурьмы и других металлов. Внедрение атомов свинца или сурьмы в решётку O–Si–O или O–Ge–O ослабляет процесс окисления поверхности кристалла с образованием плёнки стекла.

Состав 5. Для защиты кремниевых приборов используют порошкообразное стекло , состоящие из 50% окиси свинца, 40 % окиси кремния и 10% окиси алюминия, а для защиты германиевых приборов — 60% окиси свинца, 30% окиси кремния и 10% окиси алюминия. Состав приготавливают из суспензии в дистиллированной воде, наносят на поверхность кристалла и сплавляют при температуре 1000 С. Наносят стекло методами центрофугирования, седиментации суспензии или осаждения из паровой фазы.

Состав 6. На поверхность полупроводникового кристалла наносят смесь микропорошков со спиртом или другим летучим наполнителем, которая включает 70% окиси кремния, 20% окиси бора, 5% окиси лития, натрия или калия, 5% окиси алюминия или свинца. После термообработки в вакууме при температуре 300 С в ткчение15 минут образуется стеклообразная плёнка толщиной 1 мкм, на поверхности которой разложением этилокремниевой кислоты наращивается плёнка окиси кремния, которую сплавляют с нижним слоев стекла при темературе 700–900 С . В результате образуется стеклянная плёнка, имеющая следующий состав: 80% окиси кремния, 18% окиси бора, 2% щелочных метал0лов и окислов типа Al2O3 или PbO.

Состав 7. На поверхность кремния наносят окисный слой Al2O3*SiО2, а на него осаждают соединение типа Ai( OcnH2n+1)*Si(OcnH2n+1), где n= 1,2,3,4. При нанесение плёнок стекла на окислые слои толщиной менее 200нм возможно проникновение ионов из стекла через окисный слой к поверхности р-п-перехода, чувствительной к их воздействию. По мере проникновения ионов к поверхности р-п-перехода, на этой поверхности могут возникать каналы, которые увеличивают нестабильность приборов, поэтому эти стеклянные плёнки не очень эффективны в качестве защитных для ионночувствительных поверхностей различных приборов.

Состав 8. Боратное стекло— наиболее перспективное, так как отличается низкой электропроводностью и малыми диэлектрическими потерями, высокой механической прочностью, а также термической и климатической стойкостью. Боратное стекло имеет структуру, отличающуюся от структуры силикатных стёкол, и способно выдерживать умеренные концентрации катионов (например, натрий до 0,1%), не увеличивая электропроводимость. Боратное стекло отвечает требованиям герметизации полупроводниковых приборов: свободно от щелочных металлов, уплотняется (спаивается) при температуре до 800С, относительно инертно и водонепроницаемо, имеет регулируемые коэффициенты температурного расширения.

Боратные стёкла состоят из бората цинка, окиси цинка, окиси кадмия, окиси алюминия, окиси кремния. Кроме того, они могут включать окись бериллия и в небольших окись титана, циркония, ниобия, лантана, церия, скандия, гафния, галлия, индия и их смеси. Эти составы стойки к расстёклыванию в широком диапазоне температур и обладают полной смешиваемостью составных частей.