|
| |
  |
Главная » Книги и журналы 1 ... 11 12 13 14 15 16 17 ... 31 7.S. ПРИМЕРЫ ГЕРМЕТИЗАЦИИ В ВАКУУМПЛОТНЫХ КОРПУСАХ Широкому внедрению вакуумплотных корпусов, которые особенно пригодны для герметизации ИС, препятствует их высокая стоимость по сравнению с корпусами из синтетических материалов. Постоянно ведутся работы по созданию вакуумплотных корпусов для ИС, стоимость которых сравнима с пластмассовыми. Есть надежда, что решить эту проблему можно с помощью керамических корпусов типа Сег-Dip (рис. 7.19). Имеются три варианта корпусов, различающихся способом крепления ИС: 1) на керамическом основании сплавом Au-Si, 2) на керамическом основании стеклянным припоем и 3) на соединительных выводах. В первом варианте технологический цикл начинается с нанесения печатным способом пасты золота и обжига ее при 960°С. Затем на керамическую крышку и верхнюю часть основания методом печати или напыления наносят стеклянный припой, который обжигается так, чтобы наступило плавление, но не кристаллизация. Следующий этап - впаивание соединений в подогретый до 450° С слой припоя, нанесенного на основание, затем при 400° С ИС подсоединяется к выводам. После этого верхнюю часть и основание, покрытые припоем, прикладывают друг к другу и подогревают до 500° С в течение 5 мин, в результате получается герметичное соединение. Последующий нагрев приводит к кристаллизации и увеличению прочности спая. Второй вариант отличается от первого тем, что выводы и ИС монтируют одновременно. Недостатком этого варианта является худший отвод тепла отИС. Наименее трудоемок третий вариант: сплав наносится на керамические части и расплавляется, затем монтируется микросхема с выводами, они вдавливаются в расплавленный припой, и изделие герметизируется, как в первом варианте. Многослойные керамические корпуса. Трудоемкость герметизации ИС можно снизить, используя многослойную технологию и нанесение сплавов в виде паст методом печати (рис. 7.20). На керамическую подложку методом толстопленочной технологии наносят выводы и соединения, к которым крепится ИС. В варианте а (рис. 7.20) на печатные проводники нанесен защитный слой стекла, а затем проводящий слой, с которым при помощи стеклянного припоя соединен металлический корпус, герметизирую-  
Рис. 7.19. Керамический корпус типа Cer-Dip: - керамическая крышка; 2 - керамическое основание; 3 - коваровые выводы; 4 - стеклянный припой; 5 - полупроводниковая структура; 6 - изделие    3 г N N N N N Рис. 7.20. Корпуса, используемые при толстопленочной технологии: 1 - крышка; 2 - основйнне; 3 - проводники; 4 -~ стеклянный припой; 5 - диэлектрик; 6 - керамическая рамка; 7 - слои керамической пасты  Рнс. 7.21, Корпус Типа flat-pack с припаянной крышкой: / - керамическое осиоваиие; 2 -полоски стеклянного припоя; 3 -рамка выводов из ковара; 4 - металлическая рамка; 5 - металлическая или металлизированная керамическая крышка  Рнс. 7.22. Керамический корпус, металлизированный н спаянный (с), склеенный эпоксидной смолой (б): /уремическое основание; 2 - металлизация: 3 - полупроводниковая структура; 4 - второй слой керамики; 5 - керамическая крышка; 6 -третий слой керамики; 7 -припой: в -эпоксидный клей щий ИС. В другом примере (рис. 7.20, б) с основанием, на котором нанесены проводники, соединяется с помощью пасты на основе стекла боковая керамическая часть корпуса. Герметизация достигается при-паиванием с помощью той же пасты верхней керамической пластины. Этот спай можно выполнить металлическим припоем после металлизации. Вариант в (рис. 7.20) отличается от предыдущих тем, что боковая часть корпуса образуется путем многократного нанесения методом печати керамической пасты (0,2....0,3 мм) с последующим ее обжигом (например, пасты 4608-C-FB Electro Science Laboratories): А - состояние (рис. 7.20, в) после нанесения трех слоев, образующих боковую часть корпуса; В - герметизированная ИС, в которой боковая часть корпуса соединена с крышкой стеклянной пастой. Чтобы избежать высоких температур в герметизируемом корпусе, можно воспользоваться конструкцией, изображенной на рис. 7.21. Нижнюю часть корпуса образуют последовательно расплавленные и на- ложенные один на другой элементы: керамическое основание, полоска стеклянного припоя, схема соединений с выводами из ковара, металлическая рамка, покрытая слоем стекла. После соединения всех этих частей монтируется ИС. Герметизация заканчивается припайкой к рамке крышки из металла нли металлизированной керамики с помощью легкоплавкого припоя. Разработаны методы герметизации керамических корпусов с помощью синтетических клеев [61, отверждающихся при комнатной температуре или не намного превышающей 100° С (рис. 7.22). 8. ГЕРМЕТИЗАЦИЯ ПОКРЫТИЯМИ ИЗ НЕОРГАНИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ 8.1. области применения Рассматриваемые в этой главе методы гер;иетизации по технологическому признаку можно разделить на две существенно различные группы. Первая группа методов используется при изготовлении радиоэлементов и ИС. Методы основаны на технологии осаждения тонких пассивирующих покрытий со значительно более широким назначением, чем герметизация. С помощью синтетических материалов они позволяют получить герметичность, близкую к той, которая достигается при использовании полностью герметичных корпусов. Методы второй группы заключаются в покрытии изделий цементом, стеклом, неорганической эмалью, керамическими массами, которые могут вьщерживать более сильный нагрев, чем синтетические материалы. Эти методы используются, когда полная герметизация с применением металлических, керамических или стеклянных корпусов или дорога, или чрезмерно увеличивает габариты. 8.2. ПАССИВИРОВАНИЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ И ИС 8.2.1. Функции и виды пассирующих покрытий Как уже говорилось, пассивирование в производстве полупроводниковых приборов и ИС, кроме герметизации, преследует и другие цели, в частности, получение стабильности поверхностного потенциала [39, 109]. Пассивирование редко используется как защитное средство от климатических воздействий, однако в сочетании с корпусами из синтетических материалов оно позволяет отказаться от дорогостоящих корпусов из металла или керамики. Другие применения пассивирования, кроме герметизации, рассмотрены в работах [109, 130]. При защите пассивированием следует учитывать влияние этой операции на другие функции изделия, особенно это касается р - п-переходов. Пассивирующий слой должен иметь соответствующие диэлектрическую проницаемость, электрическую прочность и сопротивление и одновременно амфорную структуру, так как при кристаллической структуре облегчена диффузия примесей вдоль границы кристаллов. Чаще всего для пассивирования используются AI2O3, SiOz и и SigNi, а также некоторые многокомпонентные стекла (табл. 8.1). Рассматривается также возможность использования окисей металлов ТЮг, TaOs, NbgOg. Таблица 8.1. Свойства пассивирующих покрытий
8.2.2. Покрытия двуокисью кремния . Различают следующие методы нанесения покрытий из пленок двуокиси кремния: высокотемпературное окисление кремния, осаждение из газовой фазы, электрическое (анодное) окисление кремния, вакуумное напыление. Высокотемпературное окисление проводится при температуре 900... 1200°С (рис. 8.1). Этот процесс можно применять, если высокая температура не влияет на пассивируемые детали. Окисление протекает в атмосфере кислорода (Si + Og = SiOg) или водяных паров (Si + 2Н2О = Si02 -\- 2 Нг) или при одновременном участии обоих компонентов, при этом используется повышенное количество окислителя. Интенсивность окисления в парах воды выше, чем в сухом кислороде, но в обоих случаях пропорциональна температуре. Получаемая толщина защитного слоя, как правило, не превышает 1 мкм. Покрытия, получаемые в сухом кислороде, имеют лучшие электрические характеристики и меньшую пористость. Используется часто окисление в увлажненном кислороде, что позволяет получать более толстые покрытия с хорошими характеристиками. Свойства получаемых покрытий улучшаются при прогреве. Скорость увеличения толщины покрытия убывает со временем, так как проникновение кислорода к границе фазы Si-Si02 в процессе окисления затрудняется: Si + О2 = SiOg. Прирост слоя SiOg толщиной X сопровождается убылью кремния толщиной 0,44 х. Скорость роста толщины окиси кремния зависит также от кристаллографической ориентации кремния и концентрации примесей. Скорость нарастания слоя окиси кремния можно выразить зависимостью [109] l+k/h+kXo/D N где - давление кислорода или другого окислителя в единице объема; D - коэффициент диффузии; k - постоянная скорости реакции; h - показатель переноса массы в газовой фазе; No - давление кислорода в момент равновесия.  7 \ Рис. 8.1. Схема установки для высокотемпературного окисления кремния (с) и распределение температуры в печи (б): I - вентиль; 2 - ротаметр; 3 - очиститель; 4 - электромагнитный вентиль; 5 - увлажнитель (вода); 6 -термостат; 7 - предохранительный клапан; в -печь; S -реактивная камера; 10 - кассета с подложками кремния; 11 - ограничитель встречного течения [1091  500 мш Рис. 8.2. Скорость роста толщины пленки двуокиси кремния (Si02): / - высокотемпературное окисление в атмосфере кислорода; 2 - в атмосфере увлажненного кислорода (Oj-bHjO): .? -пиролиз этплтриоксисилэна Анализ уравнения и результатов экспериментов приводит к выводу, что скорость роста слоя окиси кремния при практически используемой толщине определяется скоростью химической реакции, происходящей на границе фазы Si - SiOg. Эта скорость в сухом !а1слороде значительно больше, чем но влажном, что следует пз разницы концентраций кислорода и воды в слое окиси кремния. Зависимость скорости окисления от ориентации следует из разного числа свободных связей атомов кремния на границе фазы Si - SiOg, которое определяет скорость реакции Si Н- Ог или Si + + HgO. Влияние примесей связано с их перераспределением и изменением коэффициентов диффузии вместе со скоростью окисления, которое их присутствие вызывает. Осаждение из газовой фазы. Осаждение окиси кремния происходит в результате следующих реакций: пиролиза алкоксиланов, гидролиза галогенов кремния, окисления и гидролиза силана. Названные реакции способствуют получению кремния и кислорода для образования слоя окиси кремния на подложках, не содержащих кремний. Осаждение методом пиролиза алкоксиланов выполняется на подложках, нагретых до 700° С. Подложки помещают в электрическую или в индукционную печь и под ними пропускают в инертном носителе, например в аргоне, алкоксилан, нагретый до нескольких десятков градусов. Чаще всего используется тетраэтоксисилан иэтилтрэтоксилан. В камере происходит пиролитическое разложение этих соединений и осаждение пленки окиси кремния. Оставппгеся продукты пиролиза уносятся вместе с носителем. Реакция разложения может быть представлена следующим образом: (КО)з SiR SiOa Ч- R - R -f SiO -Ь С, количественные соотношения зависят от вида инертного газа, температуры подложки и давления алкоксилана. Пористость полученного слоя выше, чем при высокотемпературном окислении. Скорость осаждения в зависимости от температуры составляет 0,005 ...0,025 мкм/мин (рис. 8.2). Этот параметр можно, однако, улучшить, нагревая подложки до 800...900° С. Методом гидролиза галогенов кремния, чаще всего SiCl4 и SiBr4, можно получить покрытие из окиси кремния, качество которого будет не хуже, чем при высокотемпературном окислении, а скорость процесса значительно больше. Процесс проходит в камере, в которой подлож- ки нагреваются до 1000... 1200° С, и над ними пропускается галогеновое соединение в смеси с COz и Нг- Ход реакции можно представить так: Sia4 (g) + 2 СО2 (g) + 2bh (g) -> -> SiOa (s) -f 2 CO (g) + 4 HCI (g). Скорость осаждения при 1200° С составляет 0,1 мкм/мин. При замене двуокиси углерода окисью азота процесс будет протекать при 800°С. Процесс окисления и гидролиза силана может проходить при 300° С. Кроме этого достоинства имеется еще и другое - меньшая опасность загрязнения полупроводника продуктами реакции: SiH4 ig) -f- 2О2 (g) = SiO () H- 2 H2O. Скорость осаждения при 475° С составляет 0,29 мкм/мин. Реакция протекает бурно при малом давлении галогена в носителе (азот или аргон) и большой скорости его движения. Можно также проводить осаждение окиси кремния при непосредственном гидролизе силана или в результате реакции SiUi и COg при температуре 700...1200° С. Для химического осаждения окиси кремния можно использовать то же оборудование, что и при производстве полупроводников [109]. Однако необходим тщательный контроль параметров процесса, чтобы образование окиси кремния происходило на поверхности подложек, а не в газовой фазе и при этом в защитном слое не появлялись молекулы воды и группы ОН, и другие примеси. Анодное окисление [109] происходит чаще всего в безводных электролитах (гликоли, амиды), в которых в качестве ионогена растворяется KNOg. Плотность тока составляет 1...5 мА/см. Процесс протекает при низкой температуре, допускает прецизионный электрохимический контроль путем регулирования плотности тока и температуры электролита. Материал катода - платина, а держателей подложек -- тантал. Считается, что процесс образования окиси кремния основан на диффузии кремния к границе поверхности окиси кремния, это противоположно тому, что происходит при высокотемпературном окислении. Процесс может протекать при постоянном значении тока или напряжения формирования либо сначала при постоянном значении тока, а затем при постоянном значении напряжения. Толщина слоя зависит от конечного значения напряжения, его максимальная толщина 0,2 мкм и ограничивается напряжением искрения. Анодное окисление кремния можно вьшолнять также в газовой фазе в атмосфере чистого кислорода под давлением 50 ...200 Па (0,4... 1,5 мм рт. ст.) и при одновременном образовании разрядов, возбуждаемых полем ВЧ, которое является источником образования ионов кислорода. При этом можно получить более толстые покрытия, чем при электролитическом окислении (при 270° С за 10 ч получен слой 0,6 мкм). Нанесение в вакууме. Применяется вакуумное испарение и катодное распыление. При испарении исходным материалом может служить SiOg, SiO и Si чаще всего в присутствии О2 либо Og + Н2О. Для испарения Si02 часто используется нагревание с помощью электронной пушки, а для испарения SiO - резистивный источник Друмхеллера [39]. Свойства покрытия в значительной мере зависят от скорости испарения, вида и давления газов, температуры и качества поверхности подложек (подложки оказывают большое влияние на прочность покрытия и возникающие при этом напряжения). Стехиометрические покрытия получаются только при малой скорости осаждения (0,03 мкм/мин) и высоком давлении кислорода (10 ~* мм рт. ст). Катодное распыление позволяет получить испарение с помощью кремниевой или кварцевой мишени. В случае кремниевой мишени распыление производится в атмосфере Ог -- Аг при неизменном токе. Кислород окисляет атомы мишени, которые переносятся на подложки. Скорость нарастания слоя зависит от давления кислорода и составляет 0,01...0,03 мкм/мин. Применение кварцевой мишени требует ВЧ электромагнитного поля. Скорость осаждения 0,02 мкм/мин. Устройства для осаждения достаточно сложны и требуют питания током ВЧ мощностью несколько киловатт, давление в камере, где проходит реакция, должно составлять примерно 0,13 Па (10- мм рт. ст.) 8.2.3. Покрыткя КЗ нктркда кремнкя [19, 24, 39, 82] Значительно лучшую защиту от внешних условий по сравнению с двуокисью кремния дают пленки нитрида кремния (см. табл. 8.1). Во-первых, диффузия ионных загрязнений (галлий, цинк, алюминий, золото, вода и т. д.) через нитрид кремния идет значительно медленнее, чем через двуокись кремния, в особенности для щелочных металлов (Na, Li, К), влияние которых на полупроводниковые приборы и ИС особенно опасно. Химическая и радиационная устойчивость их, а также нагревостойкость очень велики, ТКР примерно такой же, как у кремния, в то время как для двуокиси кремния он вдвое выше. Можно утверждать, что без покрытий Si3N4 не удалось бы получить герметичность с помощью синтетических материалов, близкую к герметичности полностью герметизированных корпусов. Пассивирующие покрытия на основе нитрида кремния для полупроводниковых приборов получаются в основном тремя методами: осаждением из газовой фазы при повышенной температуре, при разрядах в вакууме либо катодным реактивным распылением кремния в атмосфере азота. Осаждение из газовой фазы при повышенной температуре [124]. В этом процессе происходят две реакции: 3SiH4 Ч- 4 NHs = SigN -- I2H2, 3 SiCli -I- 4NH3 = Si3N4 -f 12 HCl, Зависимость скорости осаждения от температуры пластин изображена на рис. 8.3. Для первой реакции можно использовать оборудование полупроводникового производства (например, для эпитаксиального процесса). Получение нитрида кремния в этом случае удобно тем, что  Рис. 8 3. Скорость осаждения слоя нитрида кремния (Si3N4): / - в результате реакции SiH< + + NHs; 2 - в результате реакции SiCU + NH3 при мольном отношении SiCU / NH3 = 2 Ю- / / 4 10-2 Г109]  Рис. 8.4. Схема устройства для катодного реактивного осаждения нитрида кремния: / - охлаждение; 2 - питание; 3 - стеклянный цилиндр; 4 -к спектрографу; 5 - к вакуумному насосу; 6 - к регулятору температуры; 7 - вакууметр; 8 - зажигание; 9 - вентиль; 10 - мишень побочным Продуктом является водород, а не агрессивная соляная кислота. Осаждение при использовании разрядов. [29] Реактивная смесь состоит из NHg Ч- SiH4 в водороде, являющемся носителем, давление 13,3 Па (0,1 мм рт. ст.). Для получения разрядов служит генератор ВЧ (1...10 МГц). Температура 300° С, скорость нанесения пленки 0,003...0,018 мкм в зависимости от давления SiH4. Осаждение методом катодного реактивного распыления [57]. Для распыления требуется генератор переменного тока с частотой несколько мегагерц. Процесс происходит в атмосфере N2 + Аг при давлении 0,01...0,001 мм рт. ст. Мишенью является кремний высокой чистоты. При использовании слаботочного распыления давление газов должно быть выше (1...0,01 мм рт. ст.), напряжение распыления 0,6...2,5 кВ при плотности тока 0,2...2 мА/см. При этом скорость осаждения составляет 0,01 мкм/мин. На качество покрытия и скорость его образования влияют качество подложки, степень чистоты газов (содержание паров воды, кислорода менее 1 ррт), их давление, а также подводимая мощность. Удобство этого технологического процесса состоит в том, что он позволяет получить нитридные пленки при невысокой температуре, а также менять параметры покрытия регулированием плотности тока. На рис. 8.4 изображена конструкция устройства для распыления на переменном токе [57]. , ... Качество покрытий, полученных катодным распылением, ниже,-чем пиролитически осажденных. Однако этот метод считается перспективным. Особенно эффективно двухслойное пассивирующее покрытие Si02+SigN4. Для оценки [качества покрытий из нитрида кремния исследовалось прохождение через них ионов изотопа Na+ (табл. 8.2) [19]. Покрытия имели толщину 0,1 мкм и наносились на пленку из двуокиси кремния толщиной 0,2 мкм, полученную методом термоокисления на подложках кремния с ориентацией (100) и (111). Для сравнения исследовалась также диффузия только через слой двуокиси кремния толщиной 0,3 мкм. Для диффузии натрия на подложку кремния наносят пять капель водяного раствора NaCl (около 0,25 мл) с активностью 0,03 тС1/мл. Подложку сушат 15 мин при 90° С, а затем накрывают кремниевой пластиной и нагревают до 500° С в течение 2 ч. После выполненной таким образом диффузии слой нитрида кремния растворяли в 49%-ном растворе HF, а слой окиси кремния - в растворе НгО/НР с отношением 10:1. Чтобы выявить четкую границу между нитридом кремния и окисью азота, последний слой Si3N4 толщиной 40 нм растворяют в горячей Н3РО4 со скоростью 5 нм/мин. Плотность Na в растворе измеряют сцинциляционным детектором. Результаты приведены в табл. 8.2, а разложение щелочных соединений в обоих слоях представлено на рис. 8.5, а. В оптимальном случае при использовании пиролитического слоя, полученного при температуре 1100°С, плотность натрия на границе фаз Si02/Si в 400б раз меньше, чем при использовании только ЗЮг. Наименьшую устойчивость к проникновению Na имеет слой SigN, полученный методом реактивного распыления. В этом случае на границе фазы SiOz/Si плотность натрия уменьшается только в 15 раз. Дальнейшие исследования, в которых слой SigNi наносился при 850° С на слой Si, содержащий Na, показали, что во время нанесения слоя нитрида кремния наступала диффузия Na в обратном направлении, т. е. от слоя Si02 в слой Si3N4 (см. рис. 8.5). Это явление можно объяснить наличием гетерогенных свойств у Si3N4, обусловленных наличием в слое Si3N4 в местах, где отсутствуют атомы азота,-олектронных ловушек , которые удерживают Na. Гетерогенные свойства слоев нитрида кремния ослабляются с ростом температуры осаждения. В то же время с ростом температуры осаждения кремния усили- Таблица 8.2. Концентрация Na на границе слоев покрытий подложек после старения в течение 2 ч при 500° С Способ получения пассивирующего слоя Граница слоев SlaN.-SlOi SIOj-SI SiNi/NHg-l ilO. 850 C. SiHi/NHg-Ы00. eSOC SiH/NHg-1 !200, 850 C SiHi/NHg-Ы00, lOOOC SiHi/NHa-1:100, llOOC Катодное распыление -SiOg 300 нм, термически выращенный 9,4.101 1,Ы0 2,5.10 2,2*10 4,8-10 2,0-10 4,5-101 7,0-10И 2,4-10И 3,6-10 1,2-10 3,2-101 4,8-10 1 ... 11 12 13 14 15 16 17 ... 31 |